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品，并于1958年將其商業(yè)化；晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個極：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，逆導晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關型半導體器件，在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示（舊標準中用字母“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、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、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）按關斷、導通及控制方式分類 　　晶閘管按其關斷、導通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、門極關斷晶閘管（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）按關斷速度分類快速晶閘管晶閘管按其關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，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態(tài)。

2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。

3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。

4. 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。

從晶閘管的內部分析工作過程：

晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結圖1，可以把它中間的NP分成兩部分，構成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復合管。當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導通，必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。圖2中每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此，兩個互相復合的晶體管電路，當有足夠的門機電流Ig流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導通，晶體管飽和導通。設PNP管和NPN管的集電極電流相應為Ic1和Ic2；發(fā)射極電流相應為Ia和Ik；電流放大系數(shù)相應為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，設流過J2結的反相漏電電流為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 晶閘關處于正向阻斷狀態(tài)。當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NPN管的發(fā)射結，從而提高起點流放大系數(shù)a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發(fā)射結，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1,產生更大的極電極電流Ic1流經NPN管的發(fā)射結。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。從圖3，當a1和a2隨發(fā)射極電流增加而（a1+a2）≈1時，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，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向導通狀態(tài)。式（1—1）中，在晶閘管導通后，1-（a1+a2）≈0,即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導通。晶閘管在導通后，門極已失去作用。在晶閘管導通后，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，由于a1和a1迅速下降，當1-（a1+a2）≈0時，晶閘管恢復阻斷狀態(tài)?？申P斷晶閘管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦稱門控晶閘管。其主要特點為，當門極加負向觸發(fā)信號時晶閘管能自行關斷。晶閘管智能模塊前已述及，普通晶閘管（SCR）靠門極正信號觸發(fā)之后，撤掉信號亦能維持通態(tài)。欲使之關斷，必須切斷電源，使正向電流低于維持電流IH，或施以反向電壓強近關斷。這就需要增加換向電路，不僅使設備的體積重量增大，而且會降低效率，產生波形失真和噪聲。可關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，以具有自關斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關器件。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已達到3000A、4500V的容量。大功率可關斷晶閘管已廣泛用于斬波調速、變頻調速、逆變電源等領域，顯示出強大的生命力?？申P斷晶閘管也屬于PNPN四層三端器件，其結構及等效電路和普通晶閘管相同，因此圖1僅繪出GTO典型產品的外形及符號。大功率GTO大都制成模塊形式。盡管GTO與SCR的觸發(fā)導通原理相同，但二者的關斷原理及關斷方式截然不同。這是由于普通晶閘管在導通之后即外于深度飽和狀態(tài)，而GTO在導通后只能達到臨界飽和，所以GTO門極上加負向觸發(fā)信號即可關斷。GTO的一個重要參數(shù)就是關斷增益，βoff，它等于陽極最大可關斷電流IATM與門極最大負向電流IGM之比，有公式βoff =IATM/IGM βoff一般為幾倍至幾十倍。βoff值愈大，說明門極電流對陽極電流的控制能力愈強。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)能力和關斷能力、估測關斷增益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，僅當黑表筆接G極，紅表筆接K極時，電阻呈低阻值，對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接觸G極，加上正向觸發(fā)信號，表針向右偏轉到低阻值即表明GTO已經導通；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．檢查關斷能力 　　現(xiàn)采用雙表法檢查GTO的關斷能力，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，施以負向觸發(fā)信號，如果表Ⅰ的指針向左擺到無窮大位置，證明GTO具有關斷能力。
 

4．估測關斷增益βoff進行到第3步時，先不接入表Ⅱ，記下在GTO導通時表Ⅰ的正向偏轉格數(shù)n1；再接上表Ⅱ強迫GTO關斷，記下表Ⅱ的正向偏轉格數(shù)n2。最后根據(jù)讀取電流法按下式估算關斷增益：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)點是，不需要具體計算IAT、IG之值，只要讀出二者所對應的表針正向偏轉格數(shù)，即可迅速估測關斷增益值。

注意事項： 　　

（1）在檢查大功率GTO器件時，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可靠地導通。 　　

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

逆導晶閘管

RCT(Reverse-Conducting Thyristir)亦稱反向導通晶閘管。其特點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)射結均呈短路狀態(tài)。由于這種特殊電路結構，使之具有耐高壓、耐高溫、關斷時間短、通態(tài)電壓低等優(yōu)良性能。例如，逆導晶閘管的關斷時間僅幾微秒，工作頻率達幾十千赫，優(yōu)于快速晶閘管（FSCR）。該器件適用于開關電源、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，而且能簡化電路設計。逆導晶閘管的符號、等效電路如圖1(a)、(b)所示。其伏安特性見圖2。由圖顯見，逆導晶閘管的伏安特性具有不對稱性，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（僅坐標位置不同）。逆導晶閘管的典型產品有美國無線電公司（RCA）生產的S3900MF，其外形見圖1(c)。它采用TO-220封裝，三個引出端分別是門極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）最大反向導通電壓VTR：＜0.8V 最大門極觸發(fā)電壓VGT:4V最大門極觸發(fā)電流IGT:40mA關斷時間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晶閘管的好壞。測試內容主要分三項：1．檢查逆導性選擇萬用表R×1檔，黑表筆接K極，紅表筆接A極（參見圖3(a)），電阻值應為5～10Ω。若阻值為零，證明內部二極管短路；電阻為無窮大，說明二極管開路。2．測量正向直流轉折電壓V（BO） 　　按照（b）圖接好電路，再按額定轉速搖兆歐表，使RCT正向擊穿，由直流電壓表上讀出V（BO）值。3．檢查觸發(fā)能力實例：使用500型萬用表和ZC25-3型兆歐表測量一只S3900MF型逆導晶閘管。依次選擇R×1k、R×100、R×10和R×1檔測量A-K極間反向電阻，同時用讀取電壓法求出出內部二極管的反向導通電壓VTR（實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質量良好。注意事項：（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，但應遠離發(fā)熱元件，如大功率電阻、大功率三極管以及電源變壓器等。對于大功率晶閘管，必須按手冊申的要求加裝散熱裝置及冷卻條件，以保證管子工作時的溫度不超過結溫。②晶閘管在使用中發(fā)生超越和短路現(xiàn)象時，會引發(fā)過電流將管子燒毀。對于過電流，一般可在交流電源中加裝快速保險絲加以保護?？焖俦ｋU絲的熔斷時間極短，一般保險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，有可能在晶閘管的導通或阻斷對出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，將管子擊穿。對于過電壓，可采用并聯(lián)RC吸收電路的方法。因為電容兩端的電壓不能突變，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，起到保護晶閘管的作用。當然也可以采用壓敏電阻過壓保護元件進行過壓保護。

可控硅的使用注意事項

選用可控硅的額定電壓時，應參考實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，除了考慮通過元件的平均電流外，還應注意正常工作時導通角的大小、散熱通風條件等因素。在工作中還應注意管殼溫度不超過相應電流下的允許值。2、使用可控硅之前，應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，應立即更換。3、嚴禁用兆歐表（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，它們之間應涂上一薄層有機硅油或硅脂，以幫于良好的散熱。5、按規(guī)定對主電路中的可控硅采用過壓及過流保護裝置。 　　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，就可以構成可控整流電路、逆變、電機調速、電機勵磁、無觸點開關及自動控制等方面?，F(xiàn)在我畫一個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仍然不能導通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時，晶閘管被觸發(fā)導通。現(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，負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，晶閘管導通的時間就早；Ug到來得晚，晶閘管導通的時間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時間，就可以調節(jié)負載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術中，常把交流電的半個周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經歷的電角度稱為控制角α；在每個正半周內晶閘管導通的電角度叫導通角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周期的導通或阻斷范圍的。通過改變控制角α或導通角θ，改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL，實現(xiàn)了可控整流。