雙向晶閘管教學(xué)案例

1、15雙向晶閘管 雙向晶閘管(TRIAC，Bidirectional Triode Thyrister，Triode AC Switch)是把兩個反并聯(lián)的晶閘管集成在同一硅片上，用一個門極控制觸發(fā)的組合型器件。這種結(jié)構(gòu)使它在兩個方向都具有和晶閘管同樣的對稱的開關(guān)特性，且伏安特性相當(dāng)于兩只反向并聯(lián)的晶閘管，不同的是它由一個門極進行兩個方向控制，因此可以認為是一種控制交流功率的理想器件，主要應(yīng)用于交流無觸點繼電器、交流相位控制等。151雙向晶閘管的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性 雙向晶閘管是一種交流器件，其伏安特性是對稱的。即正向或反向都具有能觸發(fā)導(dǎo)通的開關(guān)特性，因此無所謂陽極與陰極。通常，把通向主回路的兩個引

2、出端子分別稱為Tl，T2端，并假定靠近門極的端子為T1端，也就是常規(guī)的陰極，見圖19。1、 特性與符號雙向晶閘管的外形與普通晶閘管相同，也有塑封式、螺栓式和平板式，也有三個電極，其中一個是門極G，另外兩個則分別叫做第一陽極和第二陽極。圖19(a)給出了雙向晶閘管的典型結(jié)構(gòu)。它內(nèi)部有NPNPN五層結(jié)構(gòu)；T2，Tl，G為三個引出端子。其中 P1N1P2N2 稱為正向晶閘管，其伏安特性畫在第1象限，稱為(I)特性。而把與正向晶閘管反向并聯(lián)的 N4P1N1P2 稱為反向晶閘管，其伏安特性畫在第1II象限，稱為(111)特性。如圖19(b)所示，這兩個晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通都是由門極G來控制的。2、 觸發(fā)方式

3、雙向晶閘管的觸發(fā)信號加在門極與第一陽極之間。不論觸發(fā)信號的極性如何，都能被觸發(fā)。因此可用交流信號做觸發(fā)信號。因雙向晶閘管的主電路加正、反向電壓都能被觸發(fā)的特性雙向晶閘管的觸發(fā)方式有四種。（1） +觸發(fā)方式：曲線在第一象限，a2為正，a1為負，g對a1為正。（2） -觸發(fā)方式：曲線在第一象限，a2為正，a1為負，g對a1為負。（3） +觸發(fā)方式：曲線在第三象限，a2為負，a1為正，g對a1為正（4） -觸發(fā)方式：曲線在第三象限，a2為負，a1為正，g對a1為負四種觸發(fā)方式中其中以+方式要求觸發(fā)電流最大，因而觸發(fā)靈敏度最低，使用中應(yīng)盡量避免使用這種觸發(fā)方式。152雙向晶閘管的主要參數(shù)雙向晶閘管的參

4、數(shù)與普通晶閘管相似，但因其結(jié)構(gòu)及使用條什的差異又有所不同。1 額定電流、通態(tài)壓降 普通晶閘管在半波下使用，其峰值電流是平均值的兀倍，而雙向晶閘管在全波下使用，其峰值電流是有效值的倍。通常，雙向閘管的額定電流是指有效值電流。雙向晶閘管每個半波都有各自的通態(tài)壓降。由于結(jié)構(gòu)及工藝的原因，其正、反兩個通態(tài)壓降值可能有較大的差別，使用時應(yīng)盡量選用偏差小的，即具有比較對稱的正、反向通態(tài)壓降的器件。2動態(tài)參數(shù) (1) 電流上升率didt。雙向晶閘管通常不用于逆變電路，對dildt的要求不高。但實際上，仍然存在因didt損壞器件的可能。因此，提高雙向晶閘管didt容量的方法及保護電路和普通晶閘管的一樣考慮。

5、(2) 開通時間和關(guān)斷時間。雙向晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通過程需經(jīng)過多個晶體管的相互作用后才能完成，故載流子渡越時間較長，導(dǎo)致開通延遲時間較長。關(guān)斷時間不是雙向晶閘管的必測參數(shù)，但關(guān)斷時間與存儲電荷有關(guān)。所以，實際上關(guān)斷時間是反映換向能力強弱的重要參數(shù)。 (3) 電壓上升率dudt。 dudt是雙向晶閘管的一個重要參數(shù)。因為雙向晶閘管作為開關(guān)器件使用時，有可能出現(xiàn)相當(dāng)高的dudt值，dudt是一項必測參數(shù)。16功率晶體管 功率晶體管(GTR，Giant Transistor)是一種雙極型大功率高反壓晶體管。它大多作為功率開關(guān)使用，對其要求與模擬電子技術(shù)討論的小信號晶體管不同。由于電力晶體管的工作電流大、

6、功率損耗也大，故其工作狀況出現(xiàn)了一些新的問題，在結(jié)構(gòu)上也有新的特點。 功率晶體管是電力電子學(xué)領(lǐng)域不可缺少的器件，也是電力半導(dǎo)體器件的重要組成部分，在交直流調(diào)速、不間斷電源、中頻電源等電力變流裝置中被廣泛應(yīng)用。在中小功率應(yīng)用方面，功率晶體管是取代晶閘管的白關(guān)斷器件之一。目前GTR的容量已達400A1200V，1000A400V，耗散功率已達3kw以上。 在電力開關(guān)電路中，廣泛應(yīng)用的功率晶體管有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)。其電流由兩種載流子(電子和空穴)的運動形成，所以通常又稱為雙極型晶體管(BJT)。目前常用的功率晶體管器件有單管GTR、達林頓管和GTR模塊三大系列。 161功率晶體管的結(jié)構(gòu)與工作原

7、理 1單管GTR的結(jié)構(gòu) 圖110所示為GTR的結(jié)構(gòu)示意圖。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及電極的命名與晶體三極管相同，所用概念與小信號晶體管電路相同。在小功率信號處理方面，晶體管的主要用途是放大信號，要求晶體管的增益適當(dāng)、本征頻率高、噪聲系數(shù)低、線性度好、溫度漂移小以及時問漂移小等。作為功率開關(guān)使用的功率晶體管，要求有足夠大的容量(大電流、高電壓)、適當(dāng)?shù)脑鲆?、較高的開關(guān)速度和較低的功率損耗等。由于功率晶體管的工作電流大、功率損耗大，故在分析小信號晶體管時所忽略的一些因素(如基區(qū)注入效應(yīng)、擴展效應(yīng)和發(fā)射極電流集邊效應(yīng)等)將嚴重地影響GTR的品質(zhì)，造成電流增益低、特征頻率降低、局部過熱等問題。 為了削減上述三種

8、物理效應(yīng)影響，在GTR的制造過程中采取了特別措施以保證功率應(yīng)用的需要，如擴大結(jié)片的面積，采用特殊形狀的管心、精細結(jié)構(gòu)等制造工藝，以增大電流、提高開關(guān)速度和提高直流增益。2單管GTR的基本工作原理IE = IC + IBIC /IE = IC / IB = IC/(IE IC) = (IC/IE)/(IE/IE IC/IE) = /（1 ）= 對于單管GTR來說，受其結(jié)構(gòu)特點的限制，電流增益都較低，最大約為20倍。電流增益決定了需要限制飽和壓降達到理想值時基極驅(qū)動的電流量。 作為大功率開關(guān)管應(yīng)用時，GTR工作截止和飽和導(dǎo)通兩種狀態(tài)，在理想情況卜，晶體管飽和導(dǎo)通時可以看做短路，截止時可看做開路(斷

9、路)。3達林頓GTR 單管GTR的電流增益低，將給基極驅(qū)動電路造成負擔(dān)。達林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益的一種有效方式。達林頓結(jié)構(gòu)由兩個或多個品體管復(fù)合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，圖中的vTl為驅(qū)動管，VT2為輸出管，達林頓管的性質(zhì)由驅(qū)動管來決定。 達林頓GTR的共發(fā)射極電流增益值大大提高，但飽和壓降Es也較高且關(guān)斷速度較慢。24三相半波可控整流電路 單相可控整流電路線路簡單，價格便宜，制造、調(diào)整、維修都比較容易，但其輸出的直流電壓脈動大，脈動頻率低。又因為它接在三相電網(wǎng)的一相上，當(dāng)容量較大時易造成三相電網(wǎng)不平衡。因而只用在容量較小的地方。一般負載功率超過4kW，要求直流電壓脈動較小時，可以

10、采用三相可控整流電路。三相可控整流電路的類型很多，有三相半波、三相全控橋、三相半控橋等。三相半波可控整流電路是最基本的電路，其他電路可看做是三相半波以不同方式串聯(lián)或并聯(lián)組合而成的。241三相半波不可控整流電路 在三相半波整流電路中，電源由三相整流變壓器供電或直接由三相四線制交流電網(wǎng)供電。如圖所示，變壓器的二次繞組接成星形，將三個整流二極管VDI，VD3，VD5的陰極連接在一起，這種接法叫共陰極接法。設(shè)二次繞組U相電壓的初相位為零，相電壓有效值為U2，則對稱三相電壓的瞬時值表達式為 uU= U2sint uV= U2sin（t- 2/3）uW= U2sin（t+2/3） 對于二極管來說哪一相二極管的陽極電位最高，哪只二極管導(dǎo)通。由圖電壓正半波形相鄰交點l，3，5點即是vDl，VD3，VD5三個二極管輪流導(dǎo)通的始末點，即每到電壓正向波形交點就自動換相，所以三相相電壓正半波形的交點l，3，5點稱為自然換相點。 VDl管兩端承受電壓的波形為電源線電壓的波形，最大值為電源線電壓的反向電壓的峰值 242三相半波可控整流電路 在三相半波可控整流電路中，晶閘管和整流二極管不同，晶閘管的導(dǎo)通條件是：晶閘管陽極承受正向電壓同時門極加正的觸發(fā)信號。把三只整流二極管換成三只晶閘管變成三相半波可控