晶閘管：工作原理、設計、類型和包含方法

晶閘管的工作原理

晶閘管是一種電力電子開關，不是完全可控的。因此，有時在技術文獻中將其稱為單動作晶閘管，只需要一個控制信號就可以切換到導通狀態，即可以導通。要將其關閉（在直流電操作中），必須採取特殊措施以確保直流電降至零。

晶閘管開關只能在一個方向上傳導電流，在閉合狀態下它能夠承受正向和反向電壓。

晶閘管具有四層p-n-p-n結構，三根引線：陽極（A）、陰極（C）和柵極（G），如圖1所示。 1個

米。 1.常規晶閘管：a)——常規圖形標識； b)——伏安特性。

在圖。圖 1b 顯示了在不同控制電流 iG 值下的一系列輸出靜態 I-V 特性。晶閘管在不導通的情況下所能承受的極限正向電壓在iG=0時有最大值。隨著電流的增加，iG 降低晶閘管可以承受的電壓。晶閘管的導通狀態對應於支路II，關斷狀態對應於支路I，開關過程對應於支路III。保持電流或保持電流等於晶閘管保持導通時允許的最小正向電流iA。該值也對應於導通晶閘管正向壓降的最小可能值。

分支 IV 表示漏電流對反向電壓的依賴性。當反向電壓超過 UBO 的值時，反向電流開始急劇增加，這與晶閘管的故障有關。擊穿的性質可能對應於半導體齊納二極管操作中固有的不可逆過程或雪崩擊穿過程。

晶閘管是最強大的電子開關，能夠以不超過 1 kHz 的頻率切換電壓高達 5 kV、電流高達 5 kA 的電路。

晶閘管的設計如圖 1 所示。 2.

米。 2、晶閘管盒的設計： a)——平板； b) — 一個別針

直流晶閘管

傳統的晶閘管是通過向控制電路施加一個相對於陰極為正極性的電流脈衝來導通的。導通期間的瞬變持續時間受負載性質（有源、電感等）、控制電流脈衝 iG 的幅度和上升速率、晶閘管半導體結構的溫度、施加的電壓和負載電流。在包含晶閘管的電路中，正向電壓上升率 duAC / dt 不應有不可接受的值，其中在沒有控制信號 iG 和從當前的 diA / dt 上升。同時，控制信號的斜率必須很高。

在關斷晶閘管的方式中，習慣上區分自然關斷（或自然投切）和強制（或人工投切）。當晶閘管在交流電路中工作時，在電流降至零的瞬間發生自然換向。

強制開關的方法多種多樣，其中最典型的有以下幾種：將預充電電容C與開關S相連（圖3，a）；將 LC 電路與預充電電容器 CK 連接（圖 3 b）；在負載電路中使用瞬態過程的振盪特性（圖 3，c）。

米。 3、晶閘管人工投切的方法： a)——通過充電電容器C； b)——通過 LC 電路的振盪放電； c) — 由於負載的波動性

切換時如圖所示。 3 並連接一個反極性的開關電容器，例如連接到另一個輔助晶閘管，將導致它嚮導電的主晶閘管放電。由於電容器的放電電流與晶閘管的正向電流相反，晶閘管的正向電流減小到零，晶閘管關斷。

在圖的圖表中。如圖3，b，LC電路的連接引起開關電容CK的振盪放電。在這種情況下，開始時，流過晶閘管的放電電流與其正向電流相反，當它們相等時，晶閘管關斷。此外，LC 電路的電流從晶閘管 VS 流向二極管 VD。當環路電流流過二極管 VD 時，等於開路二極管壓降的反向電壓將施加到晶閘管 VS。

在圖的圖表中。 3、將晶閘管VS接在復雜的RLC負載上會引起瞬變。對於負載的某些參數，隨著負載電流 in 極性的變化，此過程可能具有振盪特性。在這種情況下，在關斷晶閘管 VS 後，二極管 VD 導通，開始傳導電流相反的極性。有時這種切換方法被稱為準自然切換，因為它涉及負載電流極性的變化。

交流晶閘管

當晶閘管接入交流電路時，可以進行以下操作：

• 接通和斷開帶有有源和有源無功負載的電路；

• 由於可以調整控制信號的時間，因此通過負載的平均和有效電流值發生變化。

由於晶閘管開關只能在一個方向上傳導電流，因此對於交流晶閘管的使用，使用它們的並聯連接（圖4，a）。

米。 4. 晶閘管的反並聯 (a) 和有源負載的電流形狀 (b)

平均值和 有效電流 由於打開信號施加到晶閘管 VS1 和 VS2 的時間發生變化，即通過改變角度和（圖 4，b）。調節期間晶閘管 VS1 和 VS2 的這個角度值由控制系統同時更改。該角度稱為晶閘管的控制角或觸發角。

在電力電子設備中應用最廣泛的是相位控制（圖 4，a，b）和帶脈衝寬度的晶閘管控制（圖 4，c）。

米。 5. 負載電壓類型： a) — 晶閘管的相位控制； b) — 帶強制換向的晶閘管的相位控制； c)——脈寬晶閘管控制

通過強制換向的晶閘管控制相位方法，可以通過改變角度 α 和角度 β 來調節負載電流......人工開關是使用特殊節點或使用完全控制（鎖定）晶閘管進行的。

通過 Totkr 期間的脈衝寬度控制（脈衝寬度調製 - PWM），控制信號被施加到晶閘管，它們打開並且電壓 Un 被施加到負載。在 Tacr 時間內，控制信號不存在，晶閘管處於不導通狀態。負載電流的有效值

其中 In.m. — Tcl = 0 時的負載電流。

具有晶閘管相位控制的負載中的電流曲線是非正弦曲線，這會導致供電網絡電壓形狀失真，並干擾對高頻干擾敏感的消費者的工作 - 所謂的發生。電磁不兼容。

鎖定晶閘管

晶閘管是用於切換高壓、大電流（大電流）電路的最強大的電子開關。然而，它們有一個明顯的缺點——不完全的可控性，這表現在為了關閉它們，必須創造條件將正向電流降低到零。在許多情況下，這限制了晶閘管的使用並使其複雜化。

為了消除這個缺點，已開發出由來自控制電極 G 的信號鎖定的晶閘管。這種晶閘管稱為柵極關斷晶閘管 (GTO) 或雙操作。

鎖定晶閘管（ZT）具有四層p-p-p-p結構，但同時具有多項顯著設計特點，賦予其完全不同於傳統晶閘管的特性——完全可控性。正向關斷晶閘管的靜態 I-V 特性與常規晶閘管的 I-V 特性相同。但是，鎖定晶閘管通常無法阻斷較大的反向電壓，常接一個反並聯的二極管。此外，鎖定晶閘管的特徵在於顯著的正向壓降。要關斷閉鎖晶閘管，必須向合閘電極電路施加一個強大的負電流脈衝（與恆定關斷電流值的比例約為 1: 5），但持續時間很短（10- 100 微秒）。

鎖定晶閘管的截止電壓和電流也比傳統晶閘管低（約 20-30%）。

晶閘管的主要種類

除了鎖定晶閘管外，已經開發出範圍廣泛的各種類型的晶閘管，它們在速度、控製過程、導通狀態下的電流方向等方面各不相同。其中，應注意以下類型：

• 晶閘管二極管，相當於一個反並聯二極管的晶閘管（圖6.12，a）；

• 二極管晶閘管（可控矽），當超過一定的電壓電平時切換到導通狀態，應用於 A 和 C 之間（圖 6，b）；

• 鎖定晶閘管（圖 6.12，c）；

• 對稱晶閘管或雙向晶閘管，相當於兩個反並聯連接的晶閘管（圖 6.12，d）；

• 高速逆變晶閘管（關斷時間5-50μs）；

• 場晶閘管，例如，基於MOS晶體管與晶閘管的組合；

• 由光通量控制的光晶閘管。

米。 6、晶閘管常用圖形標識： a)——晶閘管二極管； b)——二極管晶閘管（可控矽）； c)——鎖定晶閘管； d) — 三端雙向可控矽

晶閘管保護

晶閘管是影響正向電流上升率 diA/dt 和壓降 duAC/dt 的關鍵器件。晶閘管與二極管一樣，具有反向恢復電流現象，其急劇下降至零加劇了過電壓的可能性，duAC/dt 值很高。這種過電壓是電路電感元件中電流突然中斷的結果，包括 小電感 安裝。因此，通常使用各種 CFTCP 方案來保護晶閘管，晶閘管在動態模式下提供針對不可接受的 diA / dt 和 duAC / dt 值的保護。

在大多數情況下，包含在所含晶閘管電路中的電壓源的內部電感電阻就足夠了，因此不會引入額外的電感 LS。因此，在實踐中，通常需要 CFT 來降低跳閘浪湧的水平和速度（圖 7）。

米。 7、典型晶閘管保護電路

與晶閘管並聯的 RC 電路通常用於此目的。對於晶閘管的不同使用條件，RC 電路有多種電路修改和計算其參數的方法。

對於鎖定晶閘管，電路用於形成開關路徑，類似於 CFTT 晶體管的電路。