电力电子技术及应用
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1.3 晶闸管的派生器件

在晶闸管的家族中,除了最常用的普通型晶闸管之外,根据不同的实际需要,衍生出了一系列的派生器件,主要有快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)和光控晶闸管(LT T)等,下面分别对它们进行简要介绍。

1.3.1 快速晶闸管

允许开关频率在400Hz以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(Fast Switching Thyris-tor,FST),开关频率在10kHz以上的称为高频晶闸管。它们的外形、电气图形符号、基本结构、伏安特性都与普通晶闸管相同。

根据不同的使用要求,快速晶闸管有以导通快为主的和以关断快为主的,也有两者兼顾的,它们的使用与普通晶闸管基本相同,但必须注意以下问题。

(1)快速晶闸管为了提高开关速度,其硅片厚度做得比普通晶闸管薄,因此能承受的正、反向断态重复峰值电压较低,一般在2000V以下。

(2)快速晶闸管du/dt的耐量较差,使用时必须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的du/dt。当开关频率升高时,du/dt耐量会下降。

1.3.2 双向晶闸管

双向晶闸管(TriodeAC Switch,TRIAC)在结构和特性上可以看做是一对反向并联的普通晶闸管,它的内部结构、等效电路、电气图形符号和伏安特性如图1-43所示。

双向晶闸管有两个主电极T 1、T2和一个门极G,并在第一象限和第三象限有对称的伏安特性。T1相对于T 2既可以是正电压,也可以是负电压,这就使得门极G相对于T 1端无论是正电压还是负电压,都能触发双向晶闸管。图1-43(d)中表明了四种门极触发方式,即Ⅰ+、Ⅰ−、Ⅲ+、Ⅲ−,同时也注明了各种触发方式下主电极T1和T2的相对电压极性,以及门极G相对于T1的触发电压极性。必须注意的是,触发方式不同其触发灵敏度不同,一般说来,触发灵敏度排序为Ⅰ+>Ⅲ−>Ⅰ−>Ⅲ+。通常使用Ⅰ+和Ⅲ−两种触发方式。

图1-43 双向晶闸管

双向晶闸管具有被触发后能双向导通的性质,因此在交流开关、交流调压(如电灯调光及加热器控制)方面获得了广泛的应用。

双向晶闸管在使用时必须注意以下问题:

(1)不能反复承受较大的电压变化率,因而很难用于感性负载。

(2)门极触发灵敏度较低。

(3)关断时间较长,因而只能在低频场合应用。这是因为双向晶闸管在交流电路中使用时,T 1、T2间承受正、反两个半波的电流和电压,当在一个方向导通结束时,管内载流子还来不及恢复到截止状态的位置,若迅速承受反方向的电压,这些载流子产生的电流有可能作为器件反向工作的触发电流而误触发,使双向晶闸管失去控制能力而造成换流失败。

(4)与普通晶闸管不同,双向晶闸管的额定电流用正弦电流有效值而不是用平均值标定。例如,一个额定电流为200A的双向晶闸管,其峰值电流为,峰值为283A的正弦半波电流的平均值为283/π=90A。也就是说,一个额定电流为200A的双向晶闸管相当于两个额定电流为90A的普通晶闸管的反并联。

1.3.3 逆导晶闸管

在逆变或直流电路中经常需要将晶闸管和二极管反向并联使用,逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor,RCT)就是根据这一要求将晶闸管和二极管集成在同一硅片上制造的,它的内部结构、等效电路、电气图形符号和伏安特性如图1-44所示。和普通晶闸管一样,逆导晶闸管也有三个电极,它们分别是阳极A、阴极K和门极G。

图1-44 逆导晶闸管

逆导晶闸管的基本类型有快速型(200~350Hz)、频率型(500~1000Hz)和高压型(400A/7000V),主要应用在直流变换(调速)、中频感应加热及某些逆变电路中。它把两个元件合为一体,缩小了组合元件的体积,更重要的是它使器件的性能得到了很大的改善,但也带来了一些新的问题,在使用时必须注意。

(1)与普通晶闸管相比,逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。

(2)根据逆导晶闸管的伏安特性可知,它的反向击穿电压很低,因此只能适用于反向性不需承受电压的场合。

(3)逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流管区之间的隔离区。如果没有隔离区,在反向恢复期间整流管区的载流子就会到达晶闸管区,并在晶闸管承受正向阳极电压时,误触发晶闸管,造成换流失败。虽然设置了隔离区,但整流管区的载流子在换向时,仍有可能通过隔离区作用到晶闸管区,使换流失败。因此逆导晶闸管的换流能力(器件反向导通后恢复正向阻断特性的能力)是一个重要参数,使用时必须注意。

(4)逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管额定电流和整流管额定电流表示(如300A/300A、300A/150A等)。一般来说,晶闸管额定电流值列于分子,整流管额定电流值列于分母。

1.3.4 光控晶闸管

光控晶闸管(Light Triggered Thyristor,LTT)是一种光控器件,它与普通晶闸管的不同之处在于其门极区集成了一个光电二极管。在光的照射下,光电二极管漏电流增加,此电流成为门极触发电流,使晶闸管开通。

如图1-45(a)和图1-45(b)所示,分别为光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性曲线。

图1-45 光控晶闸管电气图形符号和伏安特性曲线

小功率光控晶闸管只有阴、阳两个电极,大功率光控晶闸管的门极带有光缆,光缆上有发光二极管或半导体激光器作为触发光源。由于主电路与触发电路之间有光电隔离,因此绝缘性能好,可避免电磁干扰。目前光控晶闸管在高压直流输电和高压核聚变装置中得到广泛的应用。