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發布者:admin 點擊:1147 發表時間:2015-1-22

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。

(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

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,不管門極承受和種電壓,晶閘管都處于關短狀態。

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,為使晶閘管導銅,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??曬囟暇д⒐蕓朔松鮮鋈畢?,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??樾問?。

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:

(1)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。

(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)。