晶閘管

定義

1957年美國通用電器公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽極，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電流；其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，在電路中用文字符號(hào)為“V”、“VT”表示（舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母“SCR”表示）。

晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。

晶閘管的種類

晶閘管有多種分類方法:

（一）按關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式分類 　　晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。

（二）按引腳和極性分類 　　晶閘管按其引腳和極性可分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。

（三）按封裝形式分類 　　晶閘管按其封裝形式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。

（四）按電流容量分類 　　晶閘管按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種。通常，大功率晶閘管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或陶瓷封裝。

（五）按關(guān)斷速度分類快速晶閘管晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通晶閘管和高頻（快速）晶閘管。

快速晶閘管

晶閘管的工作原理

晶閘管T在工作過程中，它的陽極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. 晶閘管承受反向陽極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。

2. 晶閘管承受正向陽極電壓時(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。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，為使晶閘管導(dǎo)通，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J2結(jié)的反相漏電電流為Ic0,晶閘管的陽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Ik=Ia+Ig從而可以得出晶閘管陽極電流為：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極電流Ia.這時(shí)，流過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)顟B(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的陽極電流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)?？申P(guān)斷晶閘管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦稱門控晶閘管。其主要特點(diǎn)為，當(dāng)門極加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)時(shí)晶閘管能自行關(guān)斷。晶閘管智能模塊前已述及，普通晶閘管（SCR）靠門極正信號(hào)觸發(fā)之后，撤掉信號(hào)亦能維持通態(tài)。欲使之關(guān)斷，必須切斷電源，使正向電流低于維持電流IH，或施以反向電壓強(qiáng)近關(guān)斷。這就需要增加換向電路，不僅使設(shè)備的體積重量增大，而且會(huì)降低效率，產(chǎn)生波形失真和噪聲?？申P(guān)斷晶閘管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，以具有自關(guān)斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。GTO的容量及使用壽命均超過巨型晶體管（GTR），只是工作頻紡比GTR低。目前，GTO已達(dá)到3000A、4500V的容量。大功率可關(guān)斷晶閘管已廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力?？申P(guān)斷晶閘管也屬于PNPN四層三端器件，其結(jié)構(gòu)及等效電路和普通晶閘管相同，因此圖1僅繪出GTO典型產(chǎn)品的外形及符號(hào)。大功率GTO大都制成模塊形式。盡管GTO與SCR的觸發(fā)導(dǎo)通原理相同，但二者的關(guān)斷原理及關(guān)斷方式截然不同。這是由于普通晶閘管在導(dǎo)通之后即外于深度飽和狀態(tài)，而GTO在導(dǎo)通后只能達(dá)到臨界飽和，所以GTO門極上加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)即可關(guān)斷。GTO的一個(gè)重要參數(shù)就是關(guān)斷增益，βoff，它等于陽極最大可關(guān)斷電流IATM與門極最大負(fù)向電流IGM之比，有公式βoff =IATM/IGM βoff一般為幾倍至幾十倍。βoff值愈大，說明門極電流對(duì)陽極電流的控制能力愈強(qiáng)。很顯然，βoff與昌盛 的hFE參數(shù)頗有相似之處。下面分別介紹利用萬用表判定GTO電極、檢查GTO的觸發(fā)能力和關(guān)斷能力、估測關(guān)斷增益βoff的方法。

晶閘管智能模塊

1．判定GTO的電極 　　將萬用表撥至R×1檔，測量任意兩腳間的電阻，僅當(dāng)黑表筆接G極，紅表筆接K極時(shí)，電阻呈低阻值，對(duì)其它情況電阻值均為無窮大。由此可迅速判定G、K極，剩下的就是A極。

2．檢查觸發(fā)能力 　　首先將表Ⅰ的黑表筆接A極，紅表筆接K極，電阻為無窮大；然后用黑表筆尖也同時(shí)接觸G極，加上正向觸發(fā)信號(hào)，表針向右偏轉(zhuǎn)到低阻值即表明GTO已經(jīng)導(dǎo)通；最后脫開G極，只要GTO維持通態(tài)，就說明被測管具有觸發(fā)能力。

3．檢查關(guān)斷能力 　　現(xiàn)采用雙表法檢查GTO的關(guān)斷能力，表Ⅰ的檔位及接法保持不變。將表Ⅱ撥于R×10檔，紅表筆接G極，黑表筆接K極，施以負(fù)向觸發(fā)信號(hào)，如果表Ⅰ的指針向左擺到無窮大位置，證明GTO具有關(guān)斷能力。
 

4．估測關(guān)斷增益βoff進(jìn)行到第3步時(shí)，先不接入表Ⅱ，記下在GTO導(dǎo)通時(shí)表Ⅰ的正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)n1；再接上表Ⅱ強(qiáng)迫GTO關(guān)斷，記下表Ⅱ的正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)n2。最后根據(jù)讀取電流法按下式估算關(guān)斷增益：βoff=IATM/IGM≈IAT/IG＝K1n1/ K2n2式中K1—表Ⅰ在R×1檔的電流比例系數(shù)；K2—表Ⅱ在R×10檔的電流比例系數(shù)。βoff≈10×n1/ n2此式的優(yōu)點(diǎn)是，不需要具體計(jì)算IAT、IG之值，只要讀出二者所對(duì)應(yīng)的表針正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)，即可迅速估測關(guān)斷增益值。

注意事項(xiàng)： 　　

（1）在檢查大功率GTO器件時(shí)，建議在R×1檔外邊串聯(lián)一節(jié)1.5V電池E′，以提高測試電壓和測試電流，使GTO可靠地導(dǎo)通。 　　

（2）要準(zhǔn)確測量GTO的關(guān)斷增益βoff，必須有專用測試設(shè)備。但在業(yè)余條件下可用上述方法進(jìn)行估測。由于測試條件不同，測量結(jié)果僅供參考，或作為相對(duì)比較的依據(jù)。

逆導(dǎo)晶閘管

RCT(Reverse-Conducting Thyristir)亦稱反向?qū)ňчl管。其特點(diǎn)是在晶閘管的陽極與陰極之間反向并聯(lián)一只二極管，使陽極與陰極的發(fā)射結(jié)均呈短路狀態(tài)。由于這種特殊電路結(jié)構(gòu)，使之具有耐高壓、耐高溫、關(guān)斷時(shí)間短、通態(tài)電壓低等優(yōu)良性能。例如，逆導(dǎo)晶閘管的關(guān)斷時(shí)間僅幾微秒，工作頻率達(dá)幾十千赫，優(yōu)于快速晶閘管（FSCR）。該器件適用于開關(guān)電源、UPS不間斷電源中，一只RCT即可代替晶閘管和續(xù)流二極管各一只，不僅使用方便，而且能簡化電路設(shè)計(jì)。逆導(dǎo)晶閘管的符號(hào)、等效電路如圖1(a)、(b)所示。其伏安特性見圖2。由圖顯見，逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性具有不對(duì)稱性，正向特性與普通晶閘管SCR相同，而反向特性與硅整流管的正向特性相同（僅坐標(biāo)位置不同）。逆導(dǎo)晶閘管的典型產(chǎn)品有美國無線電公司（RCA）生產(chǎn)的S3900MF，其外形見圖1(c)。它采用TO-220封裝，三個(gè)引出端分別是門極G、陽極A、陰極K。S3900MF的主要參數(shù)如下：斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM：＞750V通態(tài)平均電流IT（AV）：5A最大通態(tài)電壓VT：3V（IT=30A）最大反向?qū)妷篤TR：＜0.8V 最大門極觸發(fā)電壓VGT:4V最大門極觸發(fā)電流IGT:40mA關(guān)斷時(shí)間toff:2.4μs 通態(tài)電壓臨界上升率du/dt:120V/μs通態(tài)浪涌電流ITSM:80A利用萬用表和兆歐表可以檢查逆導(dǎo)晶閘管的好壞。測試內(nèi)容主要分三項(xiàng)：1．檢查逆導(dǎo)性選擇萬用表R×1檔，黑表筆接K極，紅表筆接A極（參見圖3(a)），電阻值應(yīng)為5～10Ω。若阻值為零，證明內(nèi)部二極管短路；電阻為無窮大，說明二極管開路。2．測量正向直流轉(zhuǎn)折電壓V（BO） 　　按照（b）圖接好電路，再按額定轉(zhuǎn)速搖兆歐表，使RCT正向擊穿，由直流電壓表上讀出V（BO）值。3．檢查觸發(fā)能力實(shí)例：使用500型萬用表和ZC25-3型兆歐表測量一只S3900MF型逆導(dǎo)晶閘管。依次選擇R×1k、R×100、R×10和R×1檔測量A-K極間反向電阻，同時(shí)用讀取電壓法求出出內(nèi)部二極管的反向?qū)妷篤TR（實(shí)際是二極管正向電壓VF）。再用兆歐表和萬用表500VDC檔測得V（BO）值。全部數(shù)據(jù)整理成表1。由此證明被測RCT質(zhì)量良好。注意事項(xiàng)：（1）S3900MF的VTR＜0.8V，宜選R×1檔測量。（2）若再用讀取電流法求出ITR值，還可以繪制反向伏安特性。①一般小功率晶閘管不需加散熱片，但應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，如大功率電阻、大功率三極管以及電源變壓器等。對(duì)于大功率晶閘管，必須按手冊(cè)申的要求加裝散熱裝置及冷卻條件，以保證管子工作時(shí)的溫度不超過結(jié)溫。②晶閘管在使用中發(fā)生超越和短路現(xiàn)象時(shí)，會(huì)引發(fā)過電流將管子燒毀。對(duì)于過電流，一般可在交流電源中加裝快速保險(xiǎn)絲加以保護(hù)?？焖俦ｋU(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間極短，一般保險(xiǎn)絲的額定電流用晶閘管額定平均電流的1.5倍來選擇。③交流電源在接通與斷開時(shí)，有可能在晶閘管的導(dǎo)通或阻斷對(duì)出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，將管子擊穿。對(duì)于過電壓，可采用并聯(lián)RC吸收電路的方法。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?，所以只要在晶閘管的陰極及陽極間并取RC電路，就可以削弱電源瞬間出現(xiàn)的過電壓，起到保護(hù)晶閘管的作用。當(dāng)然也可以采用壓敏電阻過壓保護(hù)元件進(jìn)行過壓保護(hù)。

可控硅的使用注意事項(xiàng)

選用可控硅的額定電壓時(shí)，應(yīng)參考實(shí)際工作條件下的峰值電壓的大小，并留出一定的余量。1、選用可控硅的額定電流時(shí)，除了考慮通過元件的平均電流外，還應(yīng)注意正常工作時(shí)導(dǎo)通角的大小、散熱通風(fēng)條件等因素。在工作中還應(yīng)注意管殼溫度不超過相應(yīng)電流下的允許值。2、使用可控硅之前，應(yīng)該用萬用表檢查可控硅是否良好。發(fā)現(xiàn)有短路或斷路現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即更換。3、嚴(yán)禁用兆歐表（即搖表）檢查元件的絕緣情況。4、電流為5A以上的可控硅要裝散熱器，并且保證所規(guī)定的冷卻條件。為保證散熱器與可控硅管心接觸良好，它們之間應(yīng)涂上一薄層有機(jī)硅油或硅脂，以幫于良好的散熱。5、按規(guī)定對(duì)主電路中的可控硅采用過壓及過流保護(hù)裝置。 　　6、要防止可控硅控制極的正向過載和反向擊穿。

晶閘管在電路中的主要用途是什么?

普通晶閘管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流電路屬于不可控整流電路。如果把二極管換成晶閘管，就可以構(gòu)成可控整流電路、逆變、電機(jī)調(diào)速、電機(jī)勵(lì)磁、無觸點(diǎn)開關(guān)及自動(dòng)控制等方面?，F(xiàn)在我畫一個(gè)最簡單的單相半波可控整流電路〔圖4(a)〕。在正弦交流電壓U2的正半周期間，如果VS的控制極沒有輸入觸發(fā)脈沖Ug，VS仍然不能導(dǎo)通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時(shí)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通?，F(xiàn)在，畫出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕，可以看到，只有在觸發(fā)脈沖Ug到來時(shí)，負(fù)載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就早；Ug到來得晚，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時(shí)間，就可以調(diào)節(jié)負(fù)載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術(shù)中，常把交流電的半個(gè)周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個(gè)正半周，從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經(jīng)歷的電角度稱為控制角α；在每個(gè)正半周內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的電角度叫導(dǎo)通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示晶閘管在承受正向電壓的半個(gè)周期的導(dǎo)通或阻斷范圍的。通過改變控制角α或?qū)ń?theta;，改變負(fù)載上脈沖直流電壓的平均值UL，實(shí)現(xiàn)了可控整流。