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fast switching thyristor

快速晶閘管是一個(gè)PNPN四層三端器件,其符號(hào)與普通晶閘管(見(jiàn)逆阻晶閘管)一樣,它不僅要有良好的靜態(tài)特性,尤其要有良好的動(dòng)態(tài)特性。快速晶閘管的動(dòng)態(tài)參數(shù)要求為開(kāi)通速度和導(dǎo)通擴(kuò)展速度快,反向恢復(fù)電荷少,關(guān)斷時(shí)間短,通態(tài)電流臨界上升率(dI/dt)及斷態(tài)電壓臨界上升率 (dV/dt)高。通態(tài)電流臨界上升率是在規(guī)定條件下,器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)時(shí),對(duì)晶閘管不產(chǎn)生有害影響的最大通態(tài)電流上升率;斷態(tài)電壓臨界上升率是在規(guī)定條件下,器件從斷態(tài)不致轉(zhuǎn)向通態(tài)的最大斷態(tài)電壓上升率。快速晶閘管在額定頻率內(nèi)其額定電流不隨頻率的增加而下降或下降很少。而普通晶閘管在 400Hz以上時(shí),因開(kāi)關(guān)損耗隨頻率的提高而增大,并且在總損耗中所占比重也增加,所以,其額定電流隨頻率增加而急速下降。

一種對(duì)工作頻率有明確標(biāo)定的快速晶閘管則稱為高頻晶閘管(中國(guó)型號(hào)為KG)。例如KG50(20kHz),表示該高頻管的標(biāo)稱工作頻率為20kHz,通態(tài)平均電流為50A(20kHz下正弦半波平均電流值)。80年代中期,中國(guó)已能生產(chǎn)KG100(20kHz)和KG200(10kHz),耐壓為1~1.2kV的高頻晶閘管。

快速晶閘管采取的特殊措施,在一定程度上降低了靜態(tài)特性(如升高了通態(tài)壓降),故限制了它直接工作于更高頻率的大功率電子設(shè)備。為滿足更高頻率下工作對(duì)晶閘管提出的特殊要求,開(kāi)發(fā)了門極輔助關(guān)斷晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等。

晶閘管T在工作過(guò)程中,它的陽(yáng)極A和陰極K與電源和負(fù)載連接,組成晶閘管的主電路,晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接,組成晶閘管的控制電路。

晶閘管的工作條件:

1、晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí),不管門極承受和種電壓,晶閘管都處于關(guān)短狀態(tài)。

2、晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí),僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。

3、晶閘管在導(dǎo)通情況下,只要有一定的正向陽(yáng)極電壓,不論門極電壓如何,晶閘管保持導(dǎo)通,即晶閘管導(dǎo)通后,門極失去作用。

4、晶閘管在導(dǎo)通情況下,當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時(shí),晶閘管關(guān)斷。

從晶閘管的內(nèi)部分析工作過(guò)程:

晶閘管是四層三端器件,它有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)圖1,可以把它中間的NP分成兩部分,構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管圖2

當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí),為使晶閘管導(dǎo)銅,必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。圖2中每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此,兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路,當(dāng)有足夠的門機(jī)電流Ig流入時(shí),就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋,造成兩晶體管飽和導(dǎo)通,晶體管飽和導(dǎo)通。

設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流相應(yīng)為Ic1和Ic2;發(fā)射極電流相應(yīng)為Ia和Ik;電流放大系數(shù)相應(yīng)為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik,設(shè)流過(guò)J2結(jié)的反相漏電電流為Ic0,

晶閘管的陽(yáng)極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和:

Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為Ik=Ia+Ig

從而可以得出晶閘管陽(yáng)極電流為:I=(Ic0+Iga2)/(1-(a1+a2))(1-1)式

硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)a1和a2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。

當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓,而門極未受電壓的情況下,式(1-1)中,Ig=0,(a1+a2)很小,故晶閘管的陽(yáng)極電流Ia≈Ic0 晶閘關(guān)處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管在正向陽(yáng)極電壓下,從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié),從而提高起點(diǎn)流放大系數(shù)a2,產(chǎn)生足夠大的極電極電流Ic2流過(guò)PNP管的發(fā)射結(jié),并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1,產(chǎn)生更大的極電極電流Ic1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)。這樣強(qiáng)烈的正反饋過(guò)程迅速進(jìn)行。從圖3,當(dāng)a1和a2隨發(fā)射極電流增加而(a1+a2)≈1時(shí),式(1-1)中的分母1-(a1+a2)≈0,因此提高了晶閘管的陽(yáng)極電流Ia.這時(shí),流過(guò)晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向?qū)�通狀態(tài)。

式(1-1)中,在晶閘管導(dǎo)通后,1-(a1+a2)≈0,即使此時(shí)門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來(lái)的陽(yáng)極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通后,門極已失去作用。

在晶閘管導(dǎo)通后,如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻,使陽(yáng)極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí),由于a1和a1迅速下降,當(dāng)1-(a1+a2)≈0時(shí),晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。