发布于 08-30 22:33:32
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
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：❶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；❷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。
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。
❶ 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。
❷ 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。
❸ 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
❶ 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。
❷ 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。
❸ 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。
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。
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。
❶ 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。
❷ 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。
❸ 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。
❹ 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。
❶ 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。
❷ 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。
❸ 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。
❹ 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。
