可控硅元件 |
一、概述 |
一種以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件,創制于1957年,由于它特性類似于真空閘流管,所以國際上通稱為硅晶體閘流管,簡稱晶閘管T。又由于晶閘管最初應用于可控整流方面所以又稱為硅可控整流元件,簡稱為可控硅SCR。 在性能上,可控硅不僅具有單向導電性,而且還具有比硅整流元件(谷稱“死硅”)更為可貴的可控性。它只有導通和關斷兩種狀態。 可控硅能以毫安級電流控制大功率的機電設備,如果超過此頻率,因元件開關損髦顯著增加,允許通過的平均電流相降低,此時,標稱電流應降級使用。 可控硅的優點很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數高達幾十萬倍;反應極快,在微秒級內開通、關斷;無觸點運行,無火花、無噪音;效率高,成本低等等。 可控硅的弱點:靜態及動態的過載能力較差;容易受干擾而誤導通。 可控硅從外形上分類主要有:螺栓形、平板形和平底形。 |
二、可控硅元件的結構和型號 |
1、結構 不管可控硅的外形如何,它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結構。見圖1。它有三個PN結(J1、J2、J3),從J1結構的P1層引出陽極A,從N2層引出陰級K,從P2層引出控制極G,所以它是一種四層三端的半導體器件 |
圖1、可控硅結構示意圖和符號圖 |
2、型號 |
目前國產可控硅的型號有部頒新、舊標準兩種,新型號將逐步取代舊型號。 |
表一 KP型可控硅新舊標準主要特性參數對照表 |
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KP型可控硅的電流電壓級別見表二 表二、KP型可控硅電流電壓級別 |
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示例: (1)KP5-10表示通態平均電流5安,正向重復峰值電壓1000伏的普通反向阻斷型可控硅元件。 (2)KP500-12D表示通態平均電流500安,正、反向重復峰值電壓1200伏,通態平均電壓0.7伏的業通反向阻斷型可控硅元件。 (3)3CT5/600表示通態平均電流5安,正、反向重復峰值電壓600伏的舊型號普通可控硅元件。 |
三、可控硅元件的工作原理及基本特性 |
1、工作原理 可控硅是P1N1P2N2四層三端結構元件,共有三個PN結,分析原理時,可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成,其等效圖解如圖2所示 |
圖2、可控硅等效圖解圖 |
當陽極A加上正向電壓時,BG1和BG2管均處于放大狀態。此時,如果從控制極G輸入一個正向觸發信號,BG2便有基流ib2流過,經BG2放大,其集電極電流ic2=β2ib2。因為BG2的集電極直接與BG1的基極相連,所以ib1=ic2。此時,電流ic2再經BG1放大,于是BG1的集電極電流ic1=β1ib1=β1β2ib2。這個電流又流回到BG2的基極,表成正反饋,使ib2不斷增大,如此正向饋循環的結果,兩個管子的電流劇增,可控硅使飽和導通。 由于BG1和BG2所構成的正反饋作用,所以一旦可控硅導通后,即使控制極G的電流消失了,可控硅仍然能夠維持導通狀態,由于觸發信號只起觸發作用,沒有關斷功能,所以這種可控硅是不可關斷的。 由于可控硅只有導通和關斷兩種工作狀態,所以它具有開關特性,這種特性需要一定的條件才能轉化,此條件見表三 |
表三、可控硅導通和關斷條件 |
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2、基本伏安特性 |
可控硅的基本伏安特性見圖3 |
圖3、可控硅基本伏安特性 |
(1)反向特性 當控制極開路,陽極加上反向電壓時(見圖4),J2結正偏,但J1、J2結反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流,當電壓進一步提高到J1結的雪崩擊穿電壓后,接差J3結也擊穿,電流迅速增加,圖3的特性開始彎曲,如特性OR段所示,彎曲處的電壓URO叫“反向轉折電壓”。此時,可控硅會發生永久性反向擊穿。 (2)正向特性 當控制極開路,陽極上加上正向電壓時(見圖5),J1、J3結正偏,但J2結反偏,這與普通PN結的反向特性相似,也只能流過很小電流,這叫正向阻斷狀態,當電壓增加,圖3的特性發生了彎曲,如特性OA段所示,彎曲處的是UBO叫:正向轉折電壓 |
圖4、陽極加反向電壓 | 圖5、陽極加正向電壓 |
由于電壓升高到J2結的雪崩擊穿電壓后,J2結發生雪崩倍增效應,在結區產生大量的電子和空穴,電子時入N1區,空穴時入P2區。進入N1區的電子與由P1區通過J1結注入N1區的空穴復合,同樣,進入P2區的空穴與由N2區通過J3結注入P2區的電子復合,雪崩擊穿,進入N1區的電子與進入P2區的空穴各自不能全部復合掉,這樣,在N1區就有電子積累,在P2區就有空穴積累,結果使P2區的電位升高,N1區的電位下降,J2結變成正偏,只要電流稍增加,電壓便迅速下降,出現所謂負阻特性,見圖3的虛線AB段。 |
圖6、陽極和控制極均加正向電壓 |
- 控硅元件(5718)
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