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晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又被稱做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)稱為可控硅;1957年美國(guó)通用電氣公司開發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化;晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽(yáng)極，陰極和控制極; 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(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。

中文名	外文名	全名	別名
晶閘管	Thyristor	晶體閘流管	可控硅整流器

 

目錄

 

1、晶閘管簡(jiǎn)介

2、晶閘管工作原理

3、晶閘管主要用途

4、晶閘管分類

5、晶閘管的基本特性

6、晶閘管歷史

7、使用注意事項(xiàng)

8、單向晶閘管的檢測(cè)

 

 

晶閘管簡(jiǎn)介

晶體閘流管(英語(yǔ)：Thyristor)，簡(jiǎn)稱晶閘管，指的是具有四層交錯(cuò)P、N層的半導(dǎo)體裝置。最早出現(xiàn)與主要的一種是硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，中國(guó)大陸通常簡(jiǎn)稱可控硅，又稱半導(dǎo)體控制整流器，是一種具有三個(gè)PN結(jié)的功率型半導(dǎo)體器件，為第一代半導(dǎo)體電力電子器件的代表。晶閘管的特點(diǎn)是具有可控的單向?qū)щ?，即與一般的二極管相比，可以對(duì)導(dǎo)通電流進(jìn)行控制。晶閘管具有以小電流(電壓)控制大電流(電壓)作用，并體積小、輕、功耗低、效率高、開關(guān)迅速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于無觸點(diǎn)開關(guān)、可控整流、逆變、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)速等方面。

 

 

晶閘管工作原理

晶閘管在工作過程中，它的陽(yáng)極(A)和陰極(K)與電源和負(fù)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。

半控型晶閘管的工作條件：

2.1.1. 晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。

2.1.2. 晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)，這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。

2.1.3. 晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。門極只起觸發(fā)作用。

2.1.4. 晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。

全控型晶閘管的工作條件：

2.2.1. 晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。

2.2.2. 晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門極承受正向電壓(或電流)的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時(shí)晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)。

2.2.3. 一旦晶閘管開始導(dǎo)通，它就被鉗住在導(dǎo)通狀態(tài)，而此時(shí)門極電流可以取消。晶閘管不能被門極關(guān)斷，像一個(gè)二極管一樣導(dǎo)通，直到電流降至零和有反向偏置電壓作用在晶閘管上時(shí)，它才會(huì)截止。當(dāng)晶閘管再次進(jìn)入正向阻斷狀態(tài)后，允許門極在某個(gè)可控的時(shí)刻將晶閘管再次觸發(fā)導(dǎo)通

晶閘管主要用途

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(gòu)成可控整流電路、逆變、電機(jī)調(diào)速、電機(jī)勵(lì)磁、無觸點(diǎn)開關(guān)及自動(dòng)控制等方面。現(xiàn)在我畫一個(gè)最簡(jiǎn)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(dǎo)通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時(shí)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通?，F(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(shí)，負(fù)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(dǎo)通的時(shí)間就早;Ug到來得晚，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就晚。通過改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來的時(shí)間，就可以調(diào)節(jié)負(fù)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(shù)中，常把交流電的半個(gè)周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個(gè)正半周，從零值開始到觸發(fā)脈沖到來瞬間所經(jīng)歷的電角度稱為控制角α;在每個(gè)正半周內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的電角度叫導(dǎo)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(gè)周期的導(dǎo)通或阻斷范圍的。通過改變控制角α或?qū)ń?theta;，改變負(fù)載上脈沖直流電壓的平均值UL，實(shí)現(xiàn)了可控整流。

晶閘管類型

晶閘管一詞有時(shí)單指SCR;有時(shí)泛指具有四層或以上交錯(cuò)P、N層的半導(dǎo)體裝置，如單向晶閘管(SCR)、 雙向晶閘管(TRIAC)、 可關(guān)斷晶閘管(GTO)、 SIT、及其他種類等。

單向晶閘管是PNPN四層結(jié)構(gòu)，形成三個(gè)PN結(jié)，可以等效為PNP、NPN兩晶體管組成的復(fù)合管，具有三個(gè)外電極：陽(yáng)極A(Anode)，陰極K(Cathode)和控制極G(Gate)。在A、K之間加上正電壓后，管子并不導(dǎo)通;當(dāng)控制極G加上正電壓(相對(duì)于陰極K而言)后才導(dǎo)通;此時(shí)再去掉控制極的電壓，管子依然能夠保持導(dǎo)通。

雙向晶閘管可以等效為兩個(gè)單向晶閘管反向并聯(lián)。因雙向晶閘管正負(fù)雙向均可以控制導(dǎo)通，故控制極G外的另外兩個(gè)電極不再稱陰極陽(yáng)極，而改稱為主電極MT1、MT2或T1、T2。當(dāng)G與MT1間給予適當(dāng)?shù)挠嵦?hào)時(shí)，MT2與MT1間即可導(dǎo)通

晶閘管分類

4.1關(guān)斷導(dǎo)通控制

晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通晶閘管(SCR)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)、門極關(guān)斷晶閘管(GTO)、BTG晶閘管、溫控晶閘管(TT國(guó)外，TTS國(guó)內(nèi))和光控晶閘管(LTT)等多種。

4.2引腳和極性

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。

4.3按封裝形式

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。

4.4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陶瓷封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或金屬封裝。

4.5按關(guān)斷速度

晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通晶閘管和快速晶閘管，快速晶閘管包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(yīng)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)

晶閘管的基本特性

5.1、晶閘管的靜態(tài)伏安特性

第I象限的是正向特性有阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之分。在正向阻斷狀態(tài)時(shí)，晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流的增加而不同的曲線簇。當(dāng)IG足夠大時(shí)，晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣，第III象限的是反向特性晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。

IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，為正向阻斷狀態(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(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。

5.2. 動(dòng)態(tài)特性

與二極管類似，開通、關(guān)斷過程產(chǎn)生動(dòng)態(tài)損耗晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

 

 

5.2.1) 開通過程

延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間開通時(shí)間tgt：以上兩者之和， tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5~1.5?s，上升時(shí)間為0.5~3s

5.2.2) 關(guān)斷過程

反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至近于零的時(shí)間

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?。?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒，這是設(shè)計(jì)反向電壓設(shè)計(jì)時(shí)間的依據(jù)。

晶閘管本身的壓降很小，在1V左右

導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)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(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門極觸發(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)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。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(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。

 

 

晶閘管歷史

半導(dǎo)體的出現(xiàn)成為20世紀(jì)現(xiàn)代物理學(xué)其中一項(xiàng)最重大的突破，標(biāo)志著電子技術(shù)的誕生。而由于不同領(lǐng)域的實(shí)際需要，促使半導(dǎo)體器件自此分別向兩個(gè)分支快速發(fā)展，其中一個(gè)分支即是以集成電路為代表的微電子器件，特點(diǎn)為小功率、集成化，作為信息的檢出、傳送和處理的工具;而另一類就是電力電子器件，特點(diǎn)為大功率、快速化。1955年，美國(guó)通用電氣公司研發(fā)了世界上第一個(gè)以硅單晶為半導(dǎo)體整流材料的硅整流器(SR)，1957年又開發(fā)了全球首個(gè)用于功率轉(zhuǎn)換和控制的可控硅整流器(SCR)。由于它們具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，尤其是SCR能以微小的電流控制較大的功率，令半導(dǎo)體電力電子器件成功從弱電控制領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電控制領(lǐng)域、大功率控制領(lǐng)域。在整流器的應(yīng)用上，晶閘管迅速取代了水銀整流器(引燃管)，實(shí)現(xiàn)整流器的固體化、靜止化和無觸點(diǎn)化，并獲得巨大的節(jié)能效果。從1960年代開始，由普通晶閘管相繼衍生出了快速晶閘管、光控晶閘管、不對(duì)稱晶閘管及雙向晶閘管等各種特性的晶閘管，形成一個(gè)龐大的晶閘管家族。

但晶閘管本身存在兩個(gè)制約其繼續(xù)發(fā)展的重要因素。一是控制功能上的欠缺，普通的晶閘管屬于半控型器件，通過門極(控制極)只能控制其開通而不能控制其關(guān)斷，導(dǎo)通后控制極即不再起作用，要關(guān)斷必須切斷電源，即令流過晶閘管的正向電流小于維持電流。由于晶閘管的關(guān)斷不可控的特性，必須另外配以由電感、電容及輔助開關(guān)器件等組成的強(qiáng)迫換流電路，從而使裝置體積增大，成本增加，而且系統(tǒng)更為復(fù)雜、可靠性降低。二是因?yàn)榇祟惼骷⒆阌诜至⒃Y(jié)構(gòu)，開通損耗大，工作頻率難以提高，限制了其應(yīng)用范圍。1970年代末，隨著可關(guān)斷晶閘管(GTO)日趨成熟，成功克服了普通晶閘管的缺陷，標(biāo)志著電力電子器件已經(jīng)從半控型器件發(fā)展到全控型器件。

使用注意事項(xiàng)

選用可控硅的額定電壓時(shí)，應(yīng)參考實(shí)際工作條件下的峰值電壓的大小，并留出一定的余量。

7.1、選用可控硅的額定電流時(shí)，除了考慮通過元件的平均電流外，還應(yīng)注意正常工作時(shí)導(dǎo)通角的大小、散熱通風(fēng)條件等因素。在工作中還應(yīng)注意管殼溫度不超過相應(yīng)電流下的允許值。

7.2、使用可控硅之前，應(yīng)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(shí)，應(yīng)立即更換。

7.3、嚴(yán)禁用兆歐表(即搖表)檢查元件的絕緣情況。

7.4、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(yīng)涂上一薄層有機(jī)硅油或硅脂，以幫于良好的散熱。

7.5、按規(guī)定對(duì)主電路中的可控硅采用過壓及過流保護(hù)裝置。

7.6、要防止可控硅控制極的正向過載和反向擊穿。

單向晶閘管的檢測(cè)

 

根據(jù)普通晶閘管的結(jié)構(gòu)可知，門極與陰極之間為一個(gè)PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，而?yáng)極與門極之間有兩個(gè)反極性串聯(lián)的PN結(jié)。因此通過萬用表R*100或R*1K擋測(cè)量普通晶閘管各引腳之間的電阻值，即能確定三個(gè)電極。

具體方法是，將萬用表黑表筆任接晶閘管某一極，紅表筆依次去觸碰另外兩個(gè)電極，若測(cè)量結(jié)果有一次阻值為幾百歐姆，則可判定黑表筆接的是門極。在阻值為幾百歐姆的測(cè)量中，紅表筆接的是陰極，而在阻值為幾千歐姆的測(cè)量中，紅表筆接的是陽(yáng)極，若兩次測(cè)出的阻值均很大，則說明黑表筆接的不是門極，應(yīng)用同樣的方法改測(cè)其他電極，直到找出三個(gè)電極為止。

也可以測(cè)任兩腳之間正反向電阻，若正反向電阻均接近無窮大，則兩極即為陽(yáng)極和陰極，而另一腳為門極。

普通晶閘管也可能根據(jù)其封裝形式來判斷各電極。螺栓形普通晶閘管的螺栓一端為陽(yáng)極，較細(xì)的引線端為門極，較粗的引線端為陰極。

平板型普通晶閘管的引出線端為門極，平面端為陽(yáng)極，另一端為陰極。

塑封(TO-220)普通晶閘管的中間引腳為陽(yáng)極，且多為自帶散熱片相連。