晶體閘流管

簡介

晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱,又可稱做可控矽整流器,以前被簡稱為可控矽;1957年美國通用電器公司開發出世界上第一晶閘管產品,並於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,在電路中用文字元號為“V”、“VT”表示(舊標準中用字母“SCR”表示)。
晶閘管具有矽整流器件的特性,能在高電壓、大電流條件下工作,且其工作過程可以控制、被廣泛套用於可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。
晶體閘流管

種類

(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,大功率晶閘管多採用金屬殼封裝,而中、小功率晶閘管則多採用塑封或陶瓷封裝。
(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。

工作原理

晶閘管T在工作過程中,它的陽極A和陰極K與電源和負載連線,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線,組成晶閘管的控制電路。

工作條件

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,晶閘管都處於關斷狀態。
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,即晶閘管導通後,門極失去作用。
4.晶閘管在導通情況下,當主迴路電壓(或電流)減小到接近於零時,晶閘管關斷。

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型三極體和一個NPN型三極體的複合管圖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中每個電晶體的集電極電流同時就是另一個電晶體的基極電流。因此,兩個互相複合的電晶體電路,當有足夠的門機電流Ig流入時,就會形成強烈的正反饋,造成兩電晶體飽和導通,電晶體飽和導通。
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;電流放大係數相應為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於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
矽PNP管和矽NPN管相應的電流放大係數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晶閘關處於正向阻斷狀態。當晶閘管在正向陽極電壓下,從門極G流入電流Ig,由於足夠大的Ig流經NPN管的發射結,從而提高起點流放大係數a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發射結,並提高了PNP管的電流放大係數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迴路的電壓和迴路電阻決定。晶閘管已處於正嚮導通狀態。
式(1—1)中,在晶閘管導通後,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。晶閘管在導通後,門極已失去作用。
在晶閘管導通後,如果不斷的減小電源電壓或增大迴路電阻,使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時,由於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(GateTurn-OffThyristor)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後,撤掉信號亦能維持通態。欲使之關斷,必須切斷電源,使正向電流低於維持電流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電晶體(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於斬波調速、變頻調速、逆變電源等領域,顯示出強大的生命力。
可關斷晶閘管也屬於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大都製成模組形式。
儘管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。這是由於普通晶閘管在導通之後即外於深度飽和狀態,而GTO在導通後只能達到臨界飽和,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,它等於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;然後用黑表筆尖也同時接觸G極,加上正向觸發信號,錶針向右偏轉到低阻值即表明GTO已經導通;最後脫開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
現採用雙表法檢查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撥於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。最後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檔的電流比例係數;
K2—表Ⅱ在R×10檔的電流比例係數。
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錶針正向偏轉格數,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。但在業餘條件下可用上述方法進行估測。由於測試條件不同,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-ConductingThyristir)亦稱反嚮導通晶閘管。其特點是在晶閘管的陽極與陰極之間反向並聯一隻二極體,使陽極與陰極的發射結均呈短路狀態。由於這種特殊電路結構,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,優於快速晶閘管(FSCR)。該器件適用於開關電源、UPS不間斷電源中,一隻RCT即可代替晶閘管和續流二極體各一隻,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,而反向特性與矽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)。它採用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:
斷態重複峰值電壓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,證明內部二極體短路;電阻為無窮大,說明二極體開路。
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型兆歐表測量一隻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體的反嚮導通電壓VTR(實際是二極體正向電壓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:
(1)S3900MF的VTR<0.8V,宜選R×1檔測量。
(2)若再用讀取電流法求出ITR值,還可以繪製反向伏安特性。
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、大功率三極體以及電源變壓器等。對於大功率晶閘管,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。對於過電流,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。
③交流電源在接通與斷開時,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。對於過電壓,可採用並聯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並取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。當然也可以採用壓敏電阻過壓保護元件進行過壓保護。

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