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晶闸管
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定义

晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称,又可称作可控硅整流器,以前被简称为可控硅;1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品,并于1958年将其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极、阴极和门极;晶闸管工作条件为:加正向电压且门极有触发电流;其派生器件有:快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件,在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。

晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管的种类

晶闸管有多种分类方法。

(一)按关断、导通及控制方式分类

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

(二)按引脚和极性分类

晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

(三)按封装形式分类

晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中,金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

(四)按电流容量分类

晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常,大功率晶闸管多采用金属壳封装,而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

(五)按关断速度分类

快速晶闸管

晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频(快速)晶闸管。

晶闸管的工作原理

晶闸管T在工作过程中,它的阳极A和阴极K与电源和负载连接,组成晶闸管的主电路,晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接,组成晶闸管的控制电路。

晶闸管的工作条件:

1. 晶闸管承受反向阳极电压时,不管门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。

2. 晶闸管承受正向阳极电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

3. 晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,不论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。

4. 晶闸管在导通情况下,当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸管关断。

从晶闸管的内部分析工作过程:

晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。

当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此,两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门机电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通,晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2;发射极电流相应为Ia和Ik;电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik,设流过J2结的反相漏电电流为Ic0;

晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:

Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

若门极电流为Ig;则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

从而可以得出晶闸管阳极电流为:I=(Ic0+Iga2)/(1-(a1+a2))(1—1)式

硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。

当晶闸管承受正向阳极电压,而门极未受电压的情况下,式(1—1)中,Ig=0;(a1+a2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下,从门极G流入电流Ig;由于足够大的Ig流经NPN管的发射结,从而提高起点流放大系数a2;产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数a1;产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图3,当a1和a2随发射极电流增加而(a1+a2)≈1时,式(1—1)中的分母1-(a1+a2)≈0;因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时,流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。

式(1—1)中,在晶闸管导通后,1-(a1+a2)≈0;即使此时门极电流Ig=0;晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后,门极已失去作用。

在晶闸管导通后,如果不断的减小电源电压或增大回路电阻,使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时,由于a1和a1迅速下降,当1-(a1+a2)≈0时,晶闸管恢复阻断状态。

可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)亦称门控晶闸管。其主要特点为,当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

晶闸管智能模块

前已述及,普通晶闸管(SCR)靠门极正信号触发之后,撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断,必须切断电源,使正向电流低于维持电流IH,或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路,不仅使设备的体积重量增大,而且会降低效率,产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷,它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点,以具有自关断能力,使用方便,是理想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管(GTR),只是工作频纺比GTR低。目前,GTO已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域,显示出强大的生命力。

可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件,其结构及等效电路和普通晶闸管相同。

尽管GTO与SCR的触发导通原理相同,但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通晶闸管在导通之后即外于深度饱和状态,而GTO在导通后只能达到临界饱和,所以GTO门极上加负向触发信号即可关断。GTO的一个重要参数就是关断增益,βoff,它等于阳极最大可关断电流IATM与门极最大负向电流IGM之比,有公式

βoff =IATM/IGM

βoff一般为几倍至几十倍。βoff值愈大,说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。很显然,βoff与昌盛 的hFE参数颇有相似之处。

下面分别介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益βoff的方法。

1.判定GTO的电极

将万用表拨至R×1档,测量任意两脚间的电阻,仅当黑表笔接G极,红表笔接K极时,电阻呈低阻值,对其他情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定G、K极,剩下的就是A极。

2.检查触发能力

黑表笔接A极,红表笔接K极,电阻为无穷大;然后用黑表笔尖也同时接触G极,加上正向触发信号,表针向右偏转到低阻值即表明GTO已经导通;最后脱开G极,只要GTO维持通态,就说明被测管具有触发能力。

3.检查关断能力

现采用双表法检查GTO的关断能力,档位及接法保持不变。将表Ⅱ拨于R×10档,红表笔接G极,黑表笔接K极,施以负向触发信号,如果表Ⅰ的指针向左摆到无穷大位置,证明GTO具有关断能力。

4.估测关断增益βoff

根据读取电流法,按下式估算关断增益:

βoff=IATM/IGM≈IAT/IG=K1n1/ K2n2

式中K1—表Ⅰ在R×1档的电流比例系数;

K2—表Ⅱ在R×10档的电流比例系数。

βoff≈10×n1/ n2

此式的优点是,不需要具体计算IAT、IG之值,只要读出二者所对应的表针正向偏转格数,即可迅速估测关断增益值。

注意事项:

(1)在检查大功率GTO器件时,建议在R×1档外边串联一节1.5V电池E′,以提高测试电压和测试电流,使GTO可靠地导通。

(2)要准确测量GTO的关断增益βoff,必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同,测量结果仅供参考,或作为相对比较的依据。

逆导晶闸管

RCT(Reverse-Conducting Thyristor)亦称反向导通晶闸管。其特点是在晶闸管的阳极与阴极之间反向并联一只二极管,使阳极与阴极的发射结均呈短路状态。由于这种特殊电路结构,使之具有耐高压、耐高温、关断时间短、通态电压低等优良性能。例如,逆导晶闸管的关断时间仅几微秒,工作频率达几十千赫,优于快速晶闸管(FSCR)。该器件适用于开关电源、UPS不间断电源中,一只RCT即可代替晶闸管和续流二极管各一只,不仅使用方便,而且能简化电路设计。

逆导晶闸管的符号、等效电路如图1(a)、(b)所示。其伏安特性见图2。由图显见,逆导晶闸管的伏安特性具有不对称性,正向特性与普通晶闸管SCR相同,而反向特性与硅整流管的正向特性相同(仅坐标位置不同)。

逆导晶闸管的典型产品有美国无线电公司(RCA)生产的S3900MF,其外形见图1(c)。它采用TO-220封装,三个引出端分别是门极G、阳极A、阴极K。S3900MF的主要参数如下:

断态重复峰值电压VDRM:>750V

通态平均电流IT(AV):5A

最大通态电压VT:3V(IT=30A)

最大反向导通电压VTR:<0.8V

最大门极触发电压VGT:4V

最大门极触发电流IGT:40mA

关断时间toff:2.4μs

通态电压临界上升率du/dt:120V/μs

通态浪涌电流ITSM:80A

利用万用表和兆欧表可以检查逆导晶闸管的好坏。测试内容主要分三项:

1.检查逆导性

选择万用表R×1档,黑表笔接K极,红表笔接A极(参见图3(a)),电阻值应为5Ω~10Ω。若阻值为零,证明内部二极管短路;电阻为无穷大,说明二极管开路。

2.测量正向直流转折电压V(BO)

接好电路后,再按额定转速摇兆欧表,使RCT正向击穿,由直流电压表上读出V(BO)值。

3.检查触发能力

实例:使用500型万用表和ZC25-3型兆欧表测量一只S3900MF型逆导晶闸管。依次选择R×1k、R×100、R×10和R×1档测量A-K极间反向电阻,同时用读取电压法求出出内部二极管的反向导通电压VTR(实际是二极管正向电压VF)。再用兆欧表和万用表500VDC档测得V(BO)值。全部数据整理成表1。由此证明被测RCT质量良好。

注意事项:

(1)S3900MF的VTR<0.8V,宜选R×1档测量。

(2)若再用读取电流法求出ITR值,还可以绘制反向伏安特性。


双向晶闸管

①一般小功率晶闸管不需加散热片,但应远离发热元件,如大功率电阻、大功率三极管以及电源变压器等。对于大功率晶闸管,必须按手册上的要求加装散热装置及冷却条件,以保证管子工作时的温度不超过结温。

②晶闸管在使用中发生超越和短路现象时,会引发过电流将管子烧毁。对于过电流,一般可在交流电源中加装快速保险丝加以保护。快速保险丝的熔断时间极短,一般保险丝的额定电流用晶闸管额定平均电流的1.5倍来选择。

③交流电源在接通与断开时,有可能在晶闸管的导通或阻断对出现过压现象,将管子击穿。对于过电压,可采用并联RC吸收电路的方法。因为电容两端的电压不能突变,所以只要在晶闸管的阴极及阳极间并取RC电路,就可以削弱电源瞬间出现的过电压,起到保护晶闸管的作用。当然也可以采用压敏电阻过压保护元件进行过压保护。

可控硅的使用注意事项

选用可控硅的额定电压时,应参考实际工作条件下的峰值电压的大小,并留出一定的余量。

1. 选用可控硅的额定电流时,除了考虑通过元件的平均电流外,还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。

2. 使用可控硅之前,应该用万用表检查可控硅是否良好。发现有短路或断路现象时,应立即更换。

3. 严禁用兆欧表(即摇表)检查元件的绝缘情况。

4. 电流为5A以上的可控硅要装散热器,并且保证所规定的冷却条件。为保证散热器与可控硅管心接触良好,它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂,以帮于良好的散热。

5. 按规定对主电路中的可控硅采用过压及过流保护装置。

6. 要防止可控硅控制极的正向过载和反向击穿。

晶闸管在电路中的主要用途是什么?

普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管,就可以构成可控整流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α;在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。很明显,α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ,改变负载上脉冲直流电压的平均值UL,实现了可控整流。

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