可控硅晶閘管

1、晶閘管(可控硅)說明一篇關于可控硅使用基礎，力求不離核心內容，篇幅短小、精煉明了，面向實際使用，實用性強的基礎學習筆記。1、概述 晶體閘流管(Thyristor)或閘流晶體管，簡稱晶閘管，又叫可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，以前被簡稱為可控硅，是半導體開關元件(器件)。1956年美國貝爾實驗室(Bell Lab)發(fā)明了晶閘管；1957年美國通用電氣公司(GE)開發(fā)出第一只晶閘管產品；1958年商業(yè)化，開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代； 20世紀80年代以來，出現(xiàn)了性能更好的全控型器件，在高壓、高功率場合，結構相對簡單、功能單一的晶

2、閘管品種已逐步在被取代；晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個極：陽極(Anode)，陰極(Kathode)和門極(Gate)，門極又叫柵極或控制極。晶閘管具有硅整流器件的特性，相當于或類似于可控的單向(或雙向)二極管，利用其的可控功能，可實現(xiàn)弱電對強電的控制，加之晶閘管具有體積小、結構相對簡單、功能強、重量輕、效率高、控制靈活等優(yōu)點，晶閘管可用于下列過程：1、 可控整流：將交流電轉換成可調的直流電；2、逆變器：將直流電轉換成交流電； 3、變頻：將一種頻率的交流電轉換成另一種頻率或頻率可調的交流電；4、交流調壓：將固定的交流電壓轉換成有效值可調的交流電壓；5、斬波：將固定的直流電壓轉換成平均

3、值可調的直流電壓；6、無觸點通斷：制作無觸點開關，代替交流接觸器實現(xiàn)通斷控制。 晶閘管(可控硅)是比較常用的半導體器件之一。該器件被廣泛應用于各種電子設備和電子產品中，家用電器中的調光燈、調速風扇、空調機、電視機、電冰箱、洗衣機、照相機、組合音響、聲光電路、定時控制器、玩具裝置、無線電遙控、攝像機及工業(yè)控制等都大量使用了可控硅器件。 大容量電力晶閘管，能在高電壓、大電流條件下工作，能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，額定電壓達數(shù)千伏，額定電流達數(shù)千安，在大容量的場合具有重要地位，在電源裝置、電力牽引、電力傳動等電力電子中，應用廣泛。 晶閘管屬于半導體器件，也有過載能力較差、控制電路復雜的特點

4、。 分類晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型，廣義來說，晶閘管(可控硅)的衍生類型(種類)有很多。按功能或觸發(fā)方式分，除單向可控硅外，還有雙向可控硅(TRIAC)、逆導可控硅(RCT)、可關斷可控硅（GTO）、BTG可控硅、溫控可控硅(TT國外，TTS國內)、光控可控硅(LTT)、及特殊功能的可控硅。按引腳和極性分類，除三極的可控硅外、還有二極可控硅、四極可控硅。按關斷速度分類：可分為普通可控硅和快速可控硅?？焖倬чl管包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有常規(guī)的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應用于400HZ和10KHZ以上的斬波或逆變電路中。（備注：高頻不能等同于快速晶閘管）按封

5、裝結構分，有塑封、陶瓷封裝、帶或不帶散熱片封裝、金屬封裝。按功率分，有小功率、中功率、和大功率。中、小功率的有TO-92、TO-126、TO-220等塑封或陶瓷封裝，圓殼形金屬封裝。大功率的有螺栓型、平板型、圓殼型等，螺栓型的螺栓一端是陽極A(還用于固定散熱器），另一端粗引線是陰極K、細引線是門極G。圖1 螺栓型和平板型晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號2 晶閘管的結構與工作原理圖2 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 等效電路如上圖2(a)所示，晶閘管有四層半導體、三個PN結，可將一只晶閘管看作是連在一起的一只PNP三極管和一只N

6、PN三極管。其等效電路見圖2(b)。工作原理在陽極A與陰極K之間加上正向電壓的條件下，如果在門極G與陰極K之間加上觸發(fā)電壓，產生觸發(fā)電流IG，V2導通并放大，產生IC2；IB1= IC2，V1導通并放大，產生IC1，在IG=0的情況下，IB2= IC1，晶閘管繼續(xù)導通，并達到飽和狀態(tài)。顯然，只要IC1大于某一界限，即使觸發(fā)電壓已經(jīng)消失，晶閘管將保持導通。這一界限稱為晶閘管的維持電流。晶閘管只有導通和關斷兩種工作狀態(tài)。晶閘管在關斷狀態(tài)，如果陽極A電位高于是陰極K電位，且門極G、陰極K之間有足夠的正向電壓，則從關斷轉為導通。晶閘管在導通狀態(tài)，如陽極A電位高于陰極K電位，且陽極A電流大于維持電流，即

7、使除去門極G、陰極K之間電壓，仍然維持導通；如陽極A電位低于陰極K電位或陽極A電流小于維持電流，則從導通轉為關斷。晶閘管可用如圖2所示的等效電路來表示。 （1） （2） （3） （4）式中a1和a2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式（1-1）（1-4）可得 （5）晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下a 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，a 迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，a1+a2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和；開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致a1+a2趨近于1的話，流過晶閘管的電流

8、IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。其他幾種可能導通的情況：1） 陽極A電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應；2） 陽極A電壓上升率du/dt過高；3） 結溫較高；4） 光直接照射硅片，即光觸發(fā)，光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段3 晶閘管的基本特性3.1 靜態(tài)特性半控型：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通；承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流

9、的情況下晶閘管才開通；晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 全控型：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通；承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才開通；晶閘管一旦導通，門極加反向電流或失去電壓，晶閘管關斷； 門極正常，但主電路電壓（或電流）減少到接近于零時，晶閘管也關斷。 下面均以半控型介紹晶閘管的參數(shù)特性曲線。 晶閘管的陽極伏安特性是指晶閘管陽極電流和陽極電壓之間的關系曲線，如圖3所示。其中：第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性圖3 晶閘管陽極伏安特性IG2IG1IGIG=0時，器件兩端施加

10、正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。這種開通叫“硬開通”，一般不允許硬開通；隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低；導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿；晶閘管本身的壓降很小，在1V左右；導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性；陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端；晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出，門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而

11、產生的。晶閘管的門極和陰極之間是PN結J3，其伏安特性稱為門極伏安特性，如圖4所示。圖中ABCGFED所圍成的區(qū)域為可靠觸發(fā)區(qū)；圖中陰影部分為不觸發(fā)區(qū)；圖中ABCJIH所圍成的區(qū)域為不可靠觸發(fā)區(qū)。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應限制在可靠觸發(fā)區(qū)。圖4 晶閘管門極伏安特性3.2 動態(tài)特性晶閘管的動態(tài)特性主要是指晶閘管的開通與關斷過程，動態(tài)特性如圖5所示。圖5 晶閘管的開通和關斷過程波形開通過程:開通時間包括延遲時間與上升時間，即 （6）延遲時間：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間上升時間：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間普通晶閘

12、管延遲時間為0.51.5ms，上升時間為0.53ms關斷過程:關斷時間：包括 反向阻斷恢復時間與正向阻斷恢復時間，即 （7）普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。反向阻斷恢復時間：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復時間：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間注:1）在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通2）實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作 4 晶閘管的主要參數(shù)4.1 電壓定額1) 斷態(tài)重復峰值電壓在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的 正向峰值電壓。2

13、) 反向重復峰值電壓 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。3) 通態(tài)（峰值）電壓晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的和中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍4.2 電流定額1) 通態(tài)平均電流(額定電流) 額定電流-晶閘管在環(huán)境溫度為40oC和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。舉例說明：使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管，應留一定的裕量，一般取1.52倍2) 維持電流使晶閘管維持導

14、通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結溫有關，結溫越高，則越小3)擎住電流 晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流 對同一晶閘管來說，通常約為IH的24倍4)浪涌電流指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流4.3 動態(tài)參數(shù)除開通時間包括延遲時間外，還有：1) 斷態(tài)電壓臨界上升率 指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當于一個電容的J2結會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充

15、電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。2) 通態(tài)電流臨界上升率指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，則晶閘管剛開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。5 晶閘管的派生器件1） 快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST）包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管；管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及和耐量都有明顯改善；普通晶閘管關斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10ms左右；高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高；由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流

16、時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。2）雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成，有兩個主電極T1和T2，一個門極G；正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性；與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State RelaySSR）和交流電機調速等領域應用較多；通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖6 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性3） 逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件；具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點；逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流。圖7 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏