晶閘管綜合知識
晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅；1957年美國通用電器公司開發出世界上第一晶閘管產品，并于1958年使其商業化；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。
?。ㄒ唬┌搓P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。
?。ǘ┌匆_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。
?。ㄈ┌捶庋b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。
?。ㄋ模┌?a href="http://www.nxhydt.com/tags/電流/" target="_blank">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
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。
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。
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型三極管的復合管圖2
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；發射極電流相應為Ia和Ik；電流放大系數相應為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,則晶閘管陰極電流為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a1和a2隨其發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。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管的發射結，從而提高起點流放大系數a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發射結，并提高了PNP管的電流放大系數a1,產生更大的極電極電流Ic1流經NPN管的發射結。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。
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。
可關斷晶閘管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦稱門控晶閘管。其主要特點為，當門極加負向觸發信號時晶閘管能自行關斷。
前已述及，普通晶閘管（SCR）靠門極正信號觸發之后，撤掉信號亦能維持通態。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。
可關斷晶閘管也屬于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，而GTO在導通后只能達到臨界飽和，所以GTO門極上加負向觸發信號即可關斷。GTO的一個重要參數就是關斷增益，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的觸發能力和關斷能力、估測關斷增益βoff的方法。
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．檢查觸發能力
如圖2(a)所示，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，就說明被測管具有觸發能力。
3．檢查關斷能力
現采用雙表法檢查GTO的關斷能力，如圖2(b)所示，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n1；再接上表Ⅱ強迫GTO關斷，記下表Ⅱ的正向偏轉格數n2。最后根據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；
K2—表Ⅱ在R×10檔的電流比例系數。
βoff≈10×n1/ n2
此式的優點是，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，即可迅速估測關斷增益值。
注意事項：
?。?）在檢查大功率GTO器件時，建議在R×1檔外邊串聯一節1.5V電池E′，以提高測試電壓和測試電流，使GTO可靠地導通。
?。?）要準確測量GTO的關斷增益βoff，必須有專用測試設備。但在業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。
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一只二極管，使陽極與陰極的發射結均呈短路狀態。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、通態電壓低等優良性能。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的主要參數如下：
斷態重復峰值電壓VDRM：＞750V
通態平均電流IT（AV）：5A
最大通態電壓VT：3V（IT=30A）
最大反向導通電壓VTR：＜0.8V
最大門極觸發電壓VGT:4V
最大門極觸發電流IGT:40mA
關斷時間toff:2.4μs
通態電壓臨界上升率du/dt:120V/μs
通態浪涌電流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。全部數據整理成表1。由此證明被測RCT質量良好。
注意事項：
?。?）S3900MF的VTR＜0.8V，宜選R×1檔測量。
?。?）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晶閘管在使用中發生超越和短路現象時，會引發過電流將管子燒毀。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。快速保險絲的熔斷時間極短，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。
?、劢涣麟娫丛诮油ㄅc斷開時，有可能在晶閘管的導通或阻斷對出現過壓現象，將管子擊穿。對于過電壓，可采用并聯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。發現有短路或斷路現象時，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。
晶閘管綜合知識
2009年11月12日 10:37 www.nxhydt.com 作者：佚名 用戶評論（0）
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