晶闸管参数 晶闸管的主要参数有:电压参数、
作者:admin 发布时间:2023-03-24 21:39:18 分类:网络 浏览:66
晶闸管的主要参数有:电压参数、电流参数、时间与变化速率参数、额定工作结温等。 电压参数
1.正向阻断峰值电压
正向阻断峰值电压,简称正向阻断电压或正向峰值电压,用 UpFU表示,是指晶闸管在正向阻断时,可重复加在a–k极的正向峰值电压。平常所说的某晶闸管能耐多大电压,就是指正向阻断峰值电压。
(1)交流电的峰值电压
在交流电研究中,为全面了解交流电特性,常将交流电的电压、电流分成各种情况来分析。为了理解晶闸管正向阻断峰值电压UpFU,先回顾一下交流电的峰值电压。
看图5-7(b),电压波形从 O 点→M点,电压逐渐增大,M点幅度最大,称为波峰。波峰电压叫交流电“正向峰值电压”,用 UM表示。了解这点,有助于理解晶闸管的正向阻断峰值电压UpFU。
前面讨论过,晶闸管在交流电中工作时,a–k极间曾有过加正向峰值电压 UM的瞬间。虽然正向峰值电压持续时间不长,一个周期只会出现一次,但电压高,容易击穿晶闸管。这是再认识交流电正半周峰值电压的意义。
交流电“正向峰值电压UM”与晶闸管“正向阻断峰值电压UpFU”的关系将在下面讨论。
(2)正向阻断峰值电压的意义
(汽车维修技术网 原创
正向阻断峰值电压 UpFU 是晶闸管的一项参数,它与正向峰值电压 UM 本没有什么联系,但晶闸管在交流电中应用时,要加上正向峰值电压,如图5-7(a)、(b)所示。晶闸管能否承受正向峰值电压,这是应用中需要考虑的一个实际问题,因此就规定了“正向阻断峰值电压 UpFU”。它指晶闸管在不击穿时能承受交流电的最大正向电压。这清楚地表明,如果加在a–k极的正向峰值电压UM大于正向阻断峰值电压UpFU,晶闸管就承受不了而被击穿。反之,晶闸管就能安全工作。
通常规定,晶闸管正向阻断峰值电压UpFU比它的正向转折电压UFO低100V,且取整数值。例如,某个晶闸管正向转折电压为750V,它的正向阻断峰值电压 UpFU就是600V(取整数)。反过来说,如果在“晶闸管手册”中查出某个晶闸管正向阻断峰值电压 UpFU 为600V,它的正向转折电压就是700V。
2.反向阻断峰值电压
反向阻断峰值电压,用 UpRU表示。它指反向阻断时,可重复加在晶闸管上的反向峰值电压。一般规定,反向阻断峰值电压UpRU比它的反向转折电压URO低100V。
图5-7(b)中q~r~s段曲线为交流电压的负半波,在q点或s点时,交流电压为0值。在r点时,交流电压最大,称为反向峰值电压。
晶闸管加上负半周电压时,为反向电压。此时,常有两种情况可能发生:?反向电压较低时晶闸管能够承受,既不反向击穿,也不导通反向电流;?当反向峰值电压很高时,晶闸管会被击穿并导通较大的反向电流,造成管子永久性损坏。
为了描述晶闸管承受反向电压的能力,就规定了反向阻断峰值电压 UpRU。有了这项参数,便能与交流电的反向峰值电压比较。晶闸管在实际应用中,反向阻断峰值电压 UpRU一定要大于交流电的反向峰值电压,才能保证晶闸管安全可靠的应用。
3.控制极触发电压
控制极触发电压常用 Ug表示。它指单向晶闸管在应用中,既能可靠触发,又不出现误触发,且不损坏控制极时,g–k极所加的电压。
前面讲过,触发电压Ug会受温度的影响,还与a–k极正向电压Ua有关。Ua越高,g极所需的Ug越小;Ua越低,g极所需的Ug就越大。因此对触发电压做了具体规定:在规定环境温度(如40°)下,a–k极加一定的正向电压(由制造厂统一规定)时,能使晶闸管从阻断转变为导通所需的最小控制极正向电压。通常,控制极触发电压Ug为5~10V。
电流参数
1.额定正向平均电流
(1)额定正向平均电流的意义
晶闸管在交流电路中导通正半周交流电流的大小是随时间变化的(不像导通直流电那样有恒定不变的值),这不便描述晶闸管导通交流电流的具体值,于是规定了额定正向平均电流参数。其定义是:在规定环境温度和标准散热条件下,能连续导通正半波电流的平均值,就叫单向晶闸管额定正向平均电流,简称额定电流,用 IF表示。通常所说的1A晶闸管、5A晶闸管,均指的是额定正向平均电流。
虽然规定了晶闸管额定正向平均电流IF,但实际讨论交流电的电流通常是指“有效值”或“峰值”,这与“平均值”不统一,不便比较阐明问题。因此需将交流电流的“有效值”或“峰值”换算成“平均值”。正弦交流电半波电流的峰值(用 IM表示)、平均值(用 ID表示)、有效值(用I表示)之间,可用下面公式换算:
IM=π ID IM=2I I=1.57ID
用上面公式换算出交流电流平均值 ID后,可与晶闸管的额定正向平均电流 IF比较,才能正确选用晶闸管。还可将晶闸管的额定正向平均电流 IF换算成有效电流 I,再与交流电流有效值比较,也能正确选用晶闸管。
(2)额定正向平均电流参数的应用
下面再介绍晶闸管额定正向平均电流IF在实际中的应用。
? 如果某一晶闸管的出厂合格证上写有“额定正向平均电流为10A”,便知晶闸管容量。
? 根据额定正向平均电流 IF,确定晶闸管的安全应用场合。例如,一个晶闸管已标明额定正向平均电流为10A,就知在实际电路中应用时,最大只能通过10A电流,能导通的峰值电流为 IM=πID=3.14×10=31.4A,能导通交流电流的有效值为 I=1.57ID=1.57×10=15.7A。这表明10A晶闸管,只能用在峰值电流 IM为31.4A或有效值电流 I 为15.7A的交流电路中,若实际电路电流大于这一值,晶闸管就会被烧毁。
? 根据电路实际电流选用晶闸管。例如,一个电路中需要导通2A电流,2A是指电路有效电流 I=2A,可根据公式算出平均电流。因此应选用额定正向平均电流IF大于1.27A的晶闸管,才能在电路中应用。如果IF过小,晶闸管就会被烧坏。
(3)单向晶闸管额定正向平均电流参数的三大特点
? 测试单向晶闸管额定正向平均电流IF,是在50Hz正弦交流电下进行的。
? 晶闸管导通的交流电流,是整个正半波的平均值,负半波为反向截止。
? 晶闸管额定正向平均电流IF,是指连续导通电流的平均值。
2.控制极触发电流
控制极触发电流 Ig是晶闸管的一项参数,它比触发电压 Ug更本质。因为只有控制极导通一定正向电流,才能触发晶闸管由截止变为导通。而控制极仅加触发电压还不一定能产生触发极电流,这与控制极触发电路的结构形式有关,将在4.6节中再做详细讲述。
每种晶闸管都有一定的触发电流范围,例如,1A单向晶闸管的控制极触发电流范围为0.4~20mA。若触发电流大于20mA,将会损坏控制极;若触发电流小于0.4mA,就不能触发晶闸管导通。这就是控制极触发电流Ig的实质作用。
不仅如此,触发电流大小还与环境温度及a–k极电压有关。因此将晶闸管控制极触发电流 Ig定义为:在规定环境温度(如40°)下,a–k极加一定正向电压时,能使晶闸管变为导通所需的最小控制极正向电流,即是控制极触发电流。
3.维持电流
维持电流常用 IH表示。它的定义是:在规定环境温度下,撤消触发电压后,能维持晶闸管导通的最小正向阳极电流。例如,某一晶闸管合格证上写有“维持电流为20mA”,表明该晶闸管导通的电流 Ia 在等于或大于20mA时,呈导电状态;当导通电流小于20mA时,它就会由导通状态转变为阻断状态。
时间与变化速率参数
1.开启时间
晶闸管a–k极与g–k极加正向电压时会由阻断转变为导通,这一转变需要的时间,称为晶闸管的开启时间,也叫开通时间,用ton表示。
晶闸管在开启时间内,承受电压Ua有一个下降过程,导通电流Ia有一个上升过程,就以图5-11 中的曲线来说明。图中的三条曲线,分别是控制极电流曲线,a–k极导通电流曲线,a–k极承受电压曲线,处在同一坐标系中。横轴表示时间 t,纵轴表示触发电流 Ig、导通电流Ia、承受电压Ua幅值变化的百分率。下面分析电流Ia、Ig随时间变化的关系,从中认识晶闸管的状态转变过程与开启时间ton。
图5-11 开通时间及电压电流的变化
曲线 Ia对应纵轴0 值时,表明晶闸管处于截止状态,曲线 Ia对应纵轴100%值时,表明晶闸管处于完全导通状态。管子由截止变为完全导通需要的时间,就是管子的开启时间,如图5-11中标明的ton。
把 Ig上升到50%、Ia上升到10%所用的时间称做延迟时间,用ty表示;把Ia由10%上升到90%所用的时间称做上升时间,用ts 表示。开通时间 ton 等于延迟时间 ty 加上升时间 ts,大约为6μs。开启时间与触发脉冲的陡度和大小、器件结温、开通前的电压、开通后的电流大小等均有关。
2.电流上升率
电流上升率用di/dt 表示,其意义为晶闸管刚导通电流时,每微秒的电流变化量。具体讲,晶闸管刚加触发电压时,开始只是靠近控制极附近导通,然后以约0.1mm/μs的速度向外扩展,逐渐发展到全部结面导通,一个100A的晶闸管大约要100μs时间才能达到全面导通。这表明,晶闸管由截止到全部导通,在时间上有一个变化量(用dt表示),在电流上也有一个变化量(用di表示),那么di/dt可以通俗地理解为晶闸管刚导通时的电流上升速度。
晶闸管的电流上升率不可过大,如果刚导通时就通过很大电流,则这个大电流会集中在控制极附近引起局部结面过热而损坏,因此必须加以限制。对50~100A的晶闸管,应限制使di/dt 小于20A/μs。特别是在用晶闸管对大容量充电的电路里,一般起始电流很大,会造成晶闸管损坏。可见,在设计大容量直流开关及逆变器电路时必须考虑di/dt这项参数。
3.电压上升率
在图5-12 中分析电压上升率。晶闸管PN结的结面在未导电时,相当于两个挨得很近的极板,从而形成一个电容。
图5-12 电压上升率过高引起误触发导通的预防办法
当a–k极突然加一个正向电压 Uak时,如果电压增大的速度较快,或说交流电频率较高,结电容就会产生较大的充电电流,等效为图5-12 中J1、J2、J3导通的电流,也相当于控制极g导通了电流。这时,即使a–k极电压未超过正向转折电压UFO,也会使晶闸管发生误导通。产生误导通的内部原因是晶闸管存在结电容,外部原因则是由于a–k极正向电压上升速度太快,这是晶闸管的又一个特性。“电压上升速度”常称为电压上升率,是电压上升变化量与对应时间变化量的比值,常用du/dt表示。
上述表明,如果外加电压上升率大于晶闸管的du/dt参数,就会使管子发生误导通。因此在高频下应用时,一定要选用电压上升率较高的晶闸管,以减少误导通现象发生,即晶闸管的电压上升率du/dt 越高越好。如S3900MF快速逆导型晶闸管的du/dt值就达到了120V/μs。
为了避免误导通,常在晶闸管两端并联电容和阻值不大的电阻,如图5-12所示。这是利用电容两端电压不能突然变化的特点来限制电压上升率。电阻可防止电容与回路电感造成串联谐振,还可以避免晶闸管导通时因电容放电引起过大的电流上升率。
4.关断时间
前面介绍过关断晶闸管的几种方法。还可在a–k极并联一个常开按钮开关,当按开关短路a–k极使流过晶闸管的电流小于维持电流 IH时,即可关断。但若短路时间太短便松开了开关,晶闸管将继续导电。可见,要使晶闸管由导通变为阻断需要一段时间,这段时间称为晶闸管关断时间,用 toff表示。关断时间与管子原先导通电流的大小、结温、开关断开后承受电压的大小等因素有关,大约需要100μs,管子才能达到完全截止。
由于普通晶闸管的工作频率都不太高,多在数千赫兹至数百千赫兹,所以开关速度较慢。一般关断时间 toff小于10μs的称为快速晶闸管,如S3900MF型晶闸管的关断时间为2.4μs,称之为逆导型快速晶闸管。它能工作在20~80kHz的高频功率装置中。
额定工作结温
单向晶闸管的工作温度对多方面的特性都有影响,在应用晶闸管时必须了解掌握。
1.结温的产生与散热
(1)产生结温的原因
造成晶闸管工作温度升高的原因是导电损耗,主要有以下几个方面。
? 正向导通电流损耗。晶闸管工作时,a–k极要导通正向电流 Ia,并产生电压 Uak,于是就损耗电功率IaUak。损耗电功率会产生热量,使晶闸管温度升高。
? 正、反向阻断损耗。正、反向阻断时,a–k极要承受一定的正、反向电压,PN结要流通正、反向漏电流,电压与漏电流之积也是损耗,会使晶闸管温度升高。
? 晶闸管的开关损耗。晶闸管反复工作于交流电正半周导通和负半周期关断时,在开、关的瞬间,电流与电压之积很大,但因时间很短,故平均损耗不大,形成的结温也不是很高。但管子在1kHz以上的高频电路中工作时,管子开、关次数就增多,这时的损耗就显得特别大,温升也较高,不可忽略。
? 控制极损耗。它是控制电流与电压之积,这部分损耗较小,影响晶闸管的温升极小。
(2)晶闸管的散热
晶闸管产生的温度会影响它的工作特性,因此需要进行散热,通常采用以下散热方法。
? 自然散热。一般小功率晶闸管,因导通电流较小,所以温升不太高,经外表散发到空中能保持管温在40℃左右。这时晶闸管能安全应用。
? 图5-1(a)中CR3EM型晶闸管,是带散热片的中功率晶闸管,若应用中导通电流不太大,可以自然散热。当导通大电流时,应在原散热片上再贴一块铝质散热片,加强散热。
? 大功率晶闸管在自然散热不够迅速时,常设微型电扇以风冷方式加强散热。
? 对温升较大的晶闸管,通常外加水冷、油冷等辅助方法,让晶闸管的工作温升传到水或油中,由于水与油具有限温作用,因此,能限制晶闸管的工作温度。
2.温度对参数的影响
晶闸管的工作参数大多受温度影响,下面介绍温度对电流、电压参数的影响。
(1)温度对电流参数的影响
某晶闸管工作在环境温度不超过40℃且散热条件正常时,导通电流为10A。当温度上升到60℃时,它导通的电流可能达到14A。这表明温升将使导通电流明显增大,会烧毁晶闸管。因此在应用时,必须考虑温升这一因素。通常将晶闸管进行降额使用,即将额定电流为14A的晶闸管当做10A晶闸管来用,这样,即使温度达到60℃,晶闸管也能安全工作。降额规定为30%~40%。例如,一个100A的风冷式晶闸管,在采用自然散热冷却方式后,只能当做30~40A的晶闸管用。若将风冷改用水冷方式,则额定电流可增大30%~40%,也能保证晶闸管的应用安全。
温升对触发电流、正、反向漏电流、维持电流都有影响,相应都应有所考虑。
(2)温度对电压参数的影响
例如,某一晶闸管在20℃时测出的正向转折电压为1200V,而在100℃时测出的正向转折电压却降为800V。这表明温度低时,晶闸管耐压较高;温度高时,耐压就降低。这就给应用晶闸管提出了选用电压参数的问题。
又如,在20℃时测出某晶闸管的正向阻断峰值电压为500V,但它不能应用在500V的峰值电压下,因为晶闸管工作要产生温升。当管温升到额定温度(100℃)时,其实际耐压会变成300V,必然就被500V峰值电压击穿损坏。这表明应用晶闸管选用电压参数时,一定要考虑温升因素。不能以室温下测得的正向阻断峰值电压为使用依据,而应为实际工作电压峰值的1.5~2倍以上。温度影响反向阻断峰值电压的道理与上述相同。
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