半导体变流技术.pdf半导体变流技术pdf,半导体变流技术2.晶涧管承受正向阳极电压时,只有门极也承

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详细说明：半导体变流技术pdf,半导体变流技术2.晶涧管承受正向阳极电压时,只有门极也承受正间电压晶闸管才能导通 3.晶闸管在导通情况下,只要仍承受一定的正向阳极电压,不论门极电压有无也不管是正向还是反向,品闸管仍然导通。 λ·品管在导通情况下,当主电路的忠流减小到一定程度时(通过滑线电阻RP达到)晶闸管就关断。实验表明,品闸管具有单向导电性和正向导诵的可控性。单向导电性是指品闸管导通时, 电流只能从阳极流到阴极。欲使晶阐管导通,需要同时具螽两个条俨:晶阐管的阳极-阴极之间加正向电压,②门极加正向电压:使足够的门极电流l流入。所谓正向导通的可控性是说门板电玉对品闸管的导通起控制作用,郎在满足①的条件下,什么时候②得到满足,晶阍管就在什么时候导通当①②同时满足,使晶闸管导通的过程叫鮑发,晶闸管导通后,门极就失去控制作用,所以常用正向脉冲电愿作为门板电压。欲使导通的品闸管关断,可使流过晶闸管的电流减小到维持电流IH以下即可(维持电流孙是在门极上没有正向电压时、维持晶闸管导通所徭要的最小阳极电流Ⅰ)。如何做到这一点呢?降低晶闸管阳极和极之间的电压或增大主回路的电阻例:如图1-5所示的电路和电压波形2,门极开关S在t1时合上、t12时断开。求电阻RA上也压波形t。图题电路和波形到东题上時和波解:用晶闻管导通和关断的条件求M、玍t之前闸管的阳极-阴愀间承受正电玉,但由于门极上没有加正向电压,所以晶町管不能导通,输出电生为零。时刻,晶闸管导通的对个糸件都具备,能够导通,有输出电压。t时刻由丁阳极电流l降到维持电流lx以下(x:下降所致》,使晶闸管关断。3期间,虽有正向门极电压,但北时晶闸管的阳掖-阴极间承受反向电文件使用试用版本创建晶闸管不能导通输出电为零,3时刻、晶闸管导通的两个条件又都满足,能够导通.有输出电压,:时刻虽然I=0但由于晶闸管口导门极失去控制作用所以晶闸管继续导通,直到!时刻,≮晶闸管才美断、忽晶闸管导通酎的管压降,则R;上电波形t如图1 所示练习题如图1-6所示的电路和v2、n2波形,试画出负载RA上的电压波形。〔不计晶闸管导通压降二、晶管触发导通原理前面我们只是从外部条件分析了晶闸管的导通与关断那末从晶闸管内部进行分析,它的作过程又是怎样的昵? 晶闸管是四层端器件.具有三个PN结,可将它等效成两个晶体管V1(P1-N-P2)和Ⅴ NP2N2如图1-7所示。图中V1僧和Vx管的集电极电流分别为Ic:=a1l、←=a21x,发射极电流分别为!、IK,电流放大系数相应为4m}、a:-1流过J2结的反向漏电流为 P E 图」-7闸管[作嵘理说明图当晶闸管承受正向阳极电压时,欲使晶管导通,必须使承受反向电压的J2结失去阻挡作用,从图【-7〔)可以看出:每个晶体管的集电极电流同时就是-个晶体管的基极电流。因此,猢个相互复合的晶体管电路,门极流入足够的电流,就会形成强烈时正反馈,即 ↑→I2+〈I,)-l↑ 很靈的时间内使两个晶体管饱和导通,即晶闸 T导。为八中 Ip+i 盘射投电流/真 PNP、NPN两个晶体管的电流放大系数a 发谢伩叫沉时广示 k:和发射极电流的关系如图1-8所示。当晶闸管加上正向阳极电压时门极还未加电压(=0)、(a1+a2)值很小所以L≈,晶文件使用试用版本创建闻管处于正向阻断状态,如果门极加上正向门极电压使有足够大的κ流入门极,经V2的发射结,则a2↑→12↑,2流经V的发射结则x1米→I:↑↑,l又流经V2的发射结,由于正反馈的作用,使发射极电流增大,1、2也增大,当(1+a2)≈1时即图1-8中的临界点K,则阳极电流扌迅速增大,此时L不再由(1-1)式决定,而由主电路电源电压E,和回路负载电阻R决定,晶闸管处于异通状态。即使此时I2=0阳极电流也不受影响,晶闸管也不关断,说明门极已终失去作用。如果欲使晶闸管关断,可以不断地减小主电路电源电压或增大回路电理、使阳极电流I↓,发射极电流也随之下降,当减小到维持电流lH(约几十毫安)以下时此时α;a2也相应减到一定值(1+a2≈0,V1、V2两管的内部正反馈无法维持,晶闸管恢复阻断状杰。患考题〕在晶闸管门极通入毫安级电流可以控制阳极凡十儿百安大电流的导通,它和晶体管用较小的基极电流控制较大的集屯极电流有什么不同? 1-3晶闸管的特性从上节可知晶闸管相当于一个可以控制的单向开关,那么,它在关断时能够承受多大的电压?导通时能够通过多大的电流、本身能有多大的压降?门极需要多大的电压、电流才能使晶闸管由断状态变为导通状态?这些都是我们在应用晶闸管组成变流电路时首先关心的问题 -、晶閘管的伏安特性晶闸管阳极与阴极间的电压U和阳极电流n的关系,叫品倆管的伏安特性。图1-9所示为一个最简单的晶闸管主电路,电路中晶闸管做为一个可以控制的单向导电开关。理想的开关应该是,当晶闸管关断时阳极钥极间的电阻为无夯大,漏电流为零;晶号题状意图1-9简单的品闲管主路图I0晶闸管的伏安特性闸管导通时阳极-阴极之间的电压降为零。实际上,晶闸管的伏安特性如图1-10所示,位于第象限为正向特性,位第Ⅲ象限为反向特性,正向特性又有阻断状态和导通状态之分。门极信号断开=0时,逐渐升高晶阐管的正向阳极电压出干J2结为反向偏置,晶闸管处于阻断状态,只有很小的漏电流通过晶间管,当正向阳极电压上升到转折电压UB时,漏电流突然剧 5 文件使用试用版本创建增,特性从阻区(阻断状态冫经负阻汉(虚紱)达低阻区(导通洑怼)这种请况“硬圩通” 多次“硬廾通”会损坏晶闸管:-般允许这样[作。导通状态的晶闸管伏安特坐和二极管正向特性似,即通过较大的包流而本身压降却不大,般仅Jⅴ左右。忖极信号接通>0时,则转折电压U下降(图1-10中l>I~l>),实际使用晶闸管时,都在汀极-阴极间加上足够大的Ⅰ使品管正向转折电玉k很小,此时可以将晶闸管看作是整流二极管,一匡承受正白电,管子就能导通当晶闸管承受反向阳极电压时,、:结为反向煸置,晶管总是处于阻断状态,到反向电厂增加到反向击穿压U时,管子反向击穿:反可漏电流变化较大。南此可知,晶阐管的反向特性和极管的反向特性相似, 二、晶闸管门极伏安特性吊闸管门极电廴刘门极电流Ⅰ的关系,阻晶闸管门极伏安特性.实际丨晶闸管敏门极和門極叵↑Ⅳ、绡J,极伏安特性就是J綪的樻性、其與型伩安特性姸图1·11曲线Ⅰ 而实际产品,即使是同一型号品闸管,其门伏安特性也八可能完全“样,因北就规定出…个范、凡在此范垌内的.皆为合格产帛·如图1-11所示为5鲰∧品闬管的门极伏安特性蒞围刻各符号的名称和数值见表1 作用在门极-阴极间触发信号、儒要有足够功率〔电压与电流)才能使闸管鯕发导通但是作于K闰的电压、电流、功率都-个限厦,超过会将门极损坏, 为清楚起见,将图1·11(a)接近坐标原点处的门极伏安特性区域放大,如图111(b)所示。各出浅含义如下:0D)为低阻极限伏安侍性,0C为高阻极限伏安特性,DE为门极正阿电流极限,EF为门极瞬时功率枚限,B为门极正向电压极限,KL为门极平均功率 P。"2w 线。ADF(BA包围的区域为可靠触发区,由触发电路加到晶闻鲁G-K间的触发电压、电流和功率都 F应限制在这个范围内,才能保证品闸管可韋地工作 P 同门板的平均功率也不应超过规定的平均功率线 P(图111a)中的曲线KL)。图中AB,JHA包打 I6 范開不可靠触发区,在室温下,加到门极的电压和电流处在这个范围内时,对于触发电流电巨较的的闸管.发将是六可靠的。图中0M/范園为不触发,任何合格的龍闸眷仼锨定结温时.其门极所求受电在此范围内都不会被发。〔b 在量间管产品合格证,一般都标明该元件的最小触发屯压和电流,为了使触发电路通用于同型号约图到k·1l品阐作|优安品闸管,设订电路时,应使门极的工作点在可慕触发区内。怕闸的结混升时,所需要的触发电乐、电流值均降低,反之川增大,这任设计触发电路付应予考虐另外,品阃筲本身触发电如果太低或其它原因,使之受扰易造成误触发 i比常在门极二加负电氐最大值不能超过5v,则会造成门板PN结反向击穿线因反向湍电流过大、引起门极功耗增加,导致闸管过热而损坏。另外,过大的负乜压会降低品闸管的触文件使用试用版本创建发灵敏度。例:表1-3知,200A晶闻管Ix≤250mA,Ur≤3.5V,n≥2V,J,m=3A,Ug=1V, PB-3W,Pgm=15W,觖发电路加到门极的电压、电流分别为:Cg=!v、kg=200nA ②U=3、=300mAU列=3V、200mA,是否合理? 解:①②皆在可靠触发区,且没有超过Im、1、P和P额诸值,所以是合理的。 ⑧在不可靠触发区,能否触发不一定,所以不会理思考题]在夏天工作正常的晶管装置到冬天变得不可靠了,可能是什么原因? §1-4品间管的主要参数为了正确地使用晶闸管,除需要定性地了解旵阐管的伏安特性之外,还要定堂地掌握品管的主要参数,下面介绍一些主要参数及其含义一、晶闸管的电压定额 1.断态重复峰值电压UM:在图1-10中,当门极断开、元件处于额定结温时,晶闸管的板电压C.升到正向转折电压U飘之前,漏电流开始急剧增大,即特性曲线急剧转弯处,此时对应的阳极电压叫断态不重复峰值电压,用C1表示。注意,此电压不可重复施加,否则会损坏是闸管。我们取90%w0为断态重复峰值电压用t1表小,此电厅可连续施加,其重复频率为50Hz,每次持续时间不大于1ms 2.反间重复峰值电压UN在图1-10中,当门极断开元件处于额定结温时,晶管的反向电压增到一定值时,反柯漏电流开始急剧增加,此时所加的反向电压叫反向不重复峰值电压,用UasM表示,使用中决不允许外加电压峰值瞬时超过此电压值,其值的90%叫反向重复峰值电压URM 3.额定电压Uⅴ:邐常用实测的UM、Uk中较小值,按规定的标准乐等级就低取整数,即为该晶管的额定电压。规定的标准电压等级:在100以下,每隔100V为一级: 100V钊3000,每隔200V为一级,用百位数或千位和百位数表示级数例:实测某两管得出Ux=1240VUM=1400V按规定夏RM÷9%Umt=1116V 126GV 取较小值,按标准电压等级就低取整数,品闸管的额定电压U-应为1000V,即10级。实际应用时,由温度升高及其它积素的影响,为保训晶闸管完全可靠地运行,选用晶闸管的额定电压常常是实际工作时可能承受的最大电压的2~3倍例:图1-12电路中,晶闸管承受的最大电值为 2·20=31V,考虑2~3倍的裕量娜为:(2~3) 3V=622~93V,齿此应选额定电压为70V(或 800V、900V)的品闸管。如果不考虑安全裕量、刚选40。— 的管子就可以了。图1-12鼎閘管主电此 4.通态平均电压Uτ:在规定的环境温度和标准散热条文件使用试用版本创建作下晶闸管通过正弦毕波射额定通态平均电流时,极·阴极同电压降的平均值叫态平拧电乐,也叫管压降,其数值为0.!~1.2ⅴ、从诚小元件发热和功率损耙的角度考虑,应选择Lr 较小的品闸管。二、晶门管电流定额 .通崟平均电流Ⅰ:工频正弦半波(不小于170°)的通态电流在一个周期内的平均值时通态平均电流晶闸箮允许通过的电流大小决定于三个PN结的温度即结温。结温的高低由发热和冷却两方面的条件决定条件不同晶闸管允许的通态平均电流In也不一样晶闸管发热的原因是损耗,主要是导通时的管玉降U引起的损耗,还有断态重复峰值电流I和反向重复峰值电流Ⅰ引起揖耗门极损耗和开关频率引起的损耗鋁闸管冷却的条件包括晶闸管与散热器接悻況和散热器的大小,冷却方式《自冷、风泠、水泠哎油冷)和冷却介质釣流速,环培濕唐和泠却介质的温度由j整流设备的输岀端所接负载常用平均电流来衡蚰其性能,所以标定旵闸管拧额定电流时和其它电气设备不一样,它不用有效值标定而用在·定条件下的最大通态平均电流按电流标准等级就低取整数来标定。电流标准等级兄表1-2 而从晶闸管管芯发热角度考虑〔假定管忐电阻值不变)则发热多少和通过晶闸符的电流有效值有因此不论通过晶管的电流波形如何,导通角不多大,只要流过晶闸管的实际电流有效值等于 (小于更好)晶闸管的额定电流有效值l1晶管的发热就被限制在允许的范围之内。在图1-13肀,当电流按正弦变化时,=nsic根据通态平均电流的定义则有: inetd(w)= 12 额定电流有效值为: 2x」( sinat)d(ot)= (1-3) 因此在额定情况下,电流有效值与平为值之比为 1-4 所以: 57r;。此式说明:=100A的品管,可以通过的电流有效值为157A,其余以此类摧。任何含有有流分的电流波形,都可以菜出平均电流和有效值,我们定义电流的波形系数为: 所以 r=K:·I 由前面所述,任意个品闸管允许·过的额定电淯有效值Ⅰ=1.571a,如果际流过的电流有效值为l=K·I按电流有效值相等的原贝,有文件使用试用版本创建所以 K·I (I-6〕例:某负载要求通过的电流平均值a=140A电路图如图1-12,电流波形如图1-14所示试计算应选用额定电流为多少的晶闸管? 解:求出电流平均值与最大值{m的关系: le=i[ I sinon( an> 求出电流有效倩与量大值的关系图1-14例题电流波形 sinor)'d(dot) 波形系数 K 2.22 流过负载的电流有效值I=K·I=2.22×140≈310A(根据题意此电流也流过晶闸管)按电流有效值相等原则 1.57It=K·I 所以 Kr·Ⅰ l.57 57200A 应选择额定电流为200A的晶闻管由于晶闸管电流过载能力差因而在选择晶闸管额定电流时,应取实际需要值的(1.5~2) 倍使之有一定的安全裕量保证管子可靠运行,这样,式(1-6)就应修正为 2 K·l6 57 上例中应选择晶闸管的额定电流=(1.5~2)319=(300~400A 按标准电流等级取整数选30A或400A的晶闸管。不同的电流波形,其平均值、有效值和波形系数K也不同。表1-1列出五种电流波形周期皆为2x最大值皆为In,分别通过闸管时,其波形系数K和在相应的波形下,额定电流 In=100A的晶闸管允许通过的电流平均值r。夜1-1不同电流波彩下的L4与L的关系波形平均值I3有效值I与波形系数允许电流平均俏最大值I关系 1.57x100 dT 100A 2I wt 文件使用试用版本创建续表平均值l5、有效值1与波形系数允讦屯流平均值形最大值1m关系 Idr=ftsR ∠珍 2.22 式 2IT 14!.4A 了 =90.7A 2丌 2IT t 了 ,510 64.主A 3 上列数据表明:同一电流渡形的面积越大〔说明晶闸管导通的时间越长),K越小,允许通过的平均电流越大,反之亦然。当K>1.57时,允许通过的平均电流I小于晶闸笔的通态平均电流I。K<1.57时,则大于Imo从而可知:变化规律相同的电流波形,由于导通时间不同, 电流波形的面积不同,其平均值、有效值和波形系数也不同在一个周期内,当波形重复出现、使波形面积成倍增加时,其平均值、有效值和波形系数将遵从下列关系 2d(a) 2 (1-8 F 式中I、I1K1·单个波形在一个周期内的平沟值、有效值和波形系数 5n、F、Kn—在一个周期内,单个波形重复出现z次的平均值、有效值和波形系数。显然,当波形重复出现使面积增到二倍时,则电流平均值增到二倍,电流有效值只增到√2 倍,波形系数K却减到1/√2倍。反之亦然。式(1-8)的关系、也适用于电压被形 2.维持电流IH:晶闸管在导通状态下,无门极信号。令阳极电流l下降,降到刚刚能维持飞文件使用试用版本创建

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