当晶闸管阳极与阴极加上反向电压 A 时,J、J3结处于反偏状态,晶闸管截止;当 阳极与阴极加正向电压,则』结处于反向 N 阻断状态如果此时在门极加足够的触发￥ 电流,晶闸管就会由截止状态转变为导通 zPl 状态,下面借助于晶闸管的等效双三极管 模型进一步说明晶闸管的开关工作原理 (二)晶闸管的双三极管模型 晶闸管符号、结构 晶闸管的pNPN结构可以等效为PNP(3)符号:(b)原理性结构:()、2B小意图 和NPN两个三极管组成(见图131)。控制信号U从C间加入,形成门极电流i2,而 AK问的外电路包括负载电阻R和直流电源E,。 A P l c2 N? 图1-31晶闸管的双三极管模型 (a)结构图;(h)电路图 (1)无信号下的电路工作状态。所谓无信号是指控制信号电流i=0,此时如令AK 间加有正向电压[见图1-31(b)],并设流过A端的无信号电流为(l=l),流过K 端的电流为Ik(lx=la),ao=l。/l为无信号时晶体管的共基极直流电流放大系数。按晶 体管的导电原理应有 同理 le 以上诸式中,a和ax分别为V1和V2的共基极直流放大系数,即ao=laln,a3=la l,此外lm和l分别为v1和V2的集电极反向饱和漏电流。由图131(b)可以看出 (1-13) 将式(1-13)、式(1-14)代入式(111)和式(1-12),解得
共基极直流放大系数am和ax的数值与晶体三极管发射极电流l的大小有关,当l很小 时,ao很小,即无信号电流L略大于la。由此可见,在无信号状态下,电路电流很小, 因而可近似地认为电路处于断态(V1、V2相应地处于截止状态),更确切地应称为正向阻 断状态 (2)有信号下的电路工作状态。AK间的电压极性仍如图1-31(b)所示,即Ux>0 GK间加入微变电流信号ia,这一电流经v2放大之后作为v1的基极电流i,经Ⅵ放大 之后的集电极电流i又完全反馈到V2的基极,使i增加。由此可见,这是一个具有正 反馈的两级直接耦合放大电路。 令月≡il、A2=i/分别为和Ⅴ的共射极电流放大系数,假设>ld,1lm 可忽略不计,则 月2is=A2(idt+l2) 所以 ie= B2( B, ia+ ig) B2 R1月28 (1-16) i.=i,=l+ia=(即,+1)i2=A+国2 (1-17) P2 又因为三极管的共射极与共基极电流放大系数之间的关系为 a 将它代入式(1-17),得 (1-18) (a;+a 因为当很小时,相应的a和α2都很小,整个电路的放大系数都很小。随着i的增大 α1和a2也相应增大,当i足够大时,使得(a1+a2)≥1,输出电流讠将急剧增加,电 路便由断态转到通态,V1和V都进入饱和状态,U灬下降到很低的饱和压降,流过电路 的电流完全取决于外电路参数,即l。=E,/R。该电路的开环徵变电流放大系数 a. at a 1+a2)+a1a2 由式(1-19)可知,当a1+a2=1,即阳==1,=i时,即使去掉信号电流in电路仍 然能够维持开通状态,这是因为从Ⅵ反馈到V2基极的电流足以维持V处于饱和状态。 综上所述,在U>0的情况下,若加入幅值足够大的电流in,且满足(a;+a2)
≥1,就可以使电路从断态转换到通态。 相反,如将图1-31中的直流电源E。的极性反接,即Uk<0,此时V1和V2均处于 反向偏置,则不管(K之间是否加入,元件均处于断态(即Ⅵ和V均处于截止状态), 即为反向阻断状态。 通过上述分析可知晶闸管有如下特性 (1)晶网管导通的条件是:阳阴极间必须加正向电压,控制极施加正的控制极电流。 (2)晶闸管具有正向阻断的能力 (3)元件在正压时是可控的,在反压时则完全处于断态,也就是说它具有单向导电性 质 (4)元件触发导通后,控制极失去作用,即元件的可控性是不可逆的,故称其为半可 控元件。 162闱酋的伏安钞性与参数 晶闸管元件的阳阴极正反向电压电流特性叫伏安特性,如图132所示。它的反向特 性见图132(a)、(b)的第三象限,它与一般二极管的反向特性相似,具有很好的反向阻 断能力,此时只有很小的漏电流(若干微安到几十毫安)通过元件。当反向电压增加到 U酿时,漏电流急剧增加,特性曲线开始弯曲,称U为反向转折电压。若进一步增大反 向电压,就会使晶闸管击穿。 图132晶闸管的伏安特性 (a)i=0;(b)ig>I. 晶闸管的正向特性见图1-32(a)、(b)的第一象限。当门极没有正向电压,即门极电 流=0时,正向流过晶闸管的漏电流也很微小,晶闸管具有正向阻断能力。只要正向电 压低于正向转折电压U,晶闸管就处于断态,一旦正向电压达到U匪,则电流突然增加, 端电压很快下降,晶闸管处于通态,见图1-32(a)所示 如果门极加上足够大的正向电压,使门极、阴极间流过足够大的电流时,阳极和阴极 之间的内阻立即变得很小,这时晶闸管处于导通状态,阳阴极的电压降很小。如图132 (b)所示。 为了正确地使用晶闸管,不仅需要定性地了解晶闸管的伏安特性,更重要的是定量地 掌握晶闸管的主要参数,下面介绍晶闸管的一些主要参数
一)晶闸管的电压定额 1.断态重复峰值电压Ul 晶闸管两端出现的重复最大瞬时值断态电压,包括所有的重复瞬态电压,但不包括所 有的不重复瞬态电压。 重复电压通常是电流的函数,并使器件的耗散功率增加。不重复瞬态电压通常由外因 引起,并假定其影响在第二次不重复瞬态电压来临之前已完全消失。规定断态重复峰值电 压U如为断态不重复峰值电压Udm的90%。至于不重复峰值电压U-和转折电压Us的差 值,一般由晶闸管制造厂家自定。 2.反向重复峰值电压Um 晶闸管两端出现的重复最大瞬时值反向电压,包括所有的重复瞬态电压,但不包括所 有的不重复瞬态电压。规定反向重复峰值电压Um为反向不重复峰值电压U的90%。 3.额定电压值 通常用Ulm和U中较小的那个数值,标作器件型号上的额定电压。 由于瞬时过电压也会使晶闸管遭到破坏,因而一般应选用晶管的额定电压为电路正 常工作峰值电压的2-3倍,作为安全余量 4.通态(峰值)电压Um 晶闸管通以规定倍数额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减小损耗和器件发热的 观点出发,应选择U1m较小的晶闸管 (二)晶闸管的电流定额 1.通态平均电流 是指工频正弦半波通态电流在一个整周期内的平均值。 晶闸管的额定电流用一定条件下的最大通态平均电流来标定,这是由干整流输出端所 接负载常需用平均电流衡量其性能。但是,从晶闸管管芯发热的角度来看,如果认为管芯 在通态时的电阻不变,则其热效应仅和电流的有效值有关。因此,关键是根据晶闸管的额 定电流l值来求出与其相对应的电流有效值。不论流过品闸管的电流波形如何.不论晶 闸管的导通角是多大,只要使实际的电流有效值等于额定电流ln的电流有效值(严格地 说,应使各种运行情况下的管芯结温等于额定结温),则管芯的发热是等效的和允许的。 因此也不难求出波形和导通角变化后晶闸管允许流过的实际电流的平均值。 根据通态平均电流ln(见图1-33)的定义知,当电流的峰值为J时 而正弦半波的电流有效值为 因此,在正弦半波情况下电流有效值和平均值的比值 图33晶闸管的通态平均电流为 28·
例如,对于一只额定电流In,=100A的晶闸管,其允许的电流有效值应为157A 对于其他任意波形的电流,根据有效值相等的原则,只要能求出它们在一个周期内的 平均值l和有效值I,就能由元件的额定电流l求出该波形下允许的电流平均值ln。反 之,也可由需要的电流平均值l,求出元件的额定电流I,具体求法如下 先求出任意波形电流的波形系数k 再由给出的元件额定电流l和波形系数k求出允许的电流平均值l l=1.57l/kr (I-21) 或由需要的电流平均值l。与波形系数k求出元件额定电流lr =kl。/1.57 (1-22) 表1-2给出了四种不同电流波形平均值l的计算结果。计算结果表明:额定电流为 l1=100A的晶闸管,只有在正弦半波全部导通的情况下,其波形系数k;=1.57,允许的 电流平均值为100A。在非正弦的所有其他波形的情况下,允许的电流平均值都不是100A 当波形系数k>1.57时,允许的电流平均值小于10A;当k1<157时,允许的电流平均 值大于100A。 表1-2 额定电流100A的晶闸管所允许的电流平均值 波形 平均值l 波形系数允许的电流平均值 有效值f l。 singed(a) 2ls 如 =70.7 , m sinad( on) lm=11=144 )?(ot)