- 可控硅
ontent">概念
晶閘管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自從20世紀(jì)50年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個大的家族,它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管,等等。
可控硅器件是一種非常重要的功率器件,可用來做高電壓和高電流的控制。可控硅器件主要用在開關(guān)方面,使器件從關(guān)閉或是阻斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟或是導(dǎo)通的狀態(tài),反之亦然。可控硅器件與雙極型晶體管有密切的關(guān)系,二者的傳導(dǎo)過程皆牽涉到電子和空穴,但可控硅的開關(guān)機制和雙極晶體管是不同的,且因為器件結(jié)構(gòu)不同,可控硅器件有較寬廣范圍的電流、電壓控制能力。現(xiàn)今的可控硅器件的額定電流可以從幾毫安到5000A以上,額定電壓可以超過10000V。下面將討論基本可控硅器件的工作原理,然后給出一些高功率和高頻率的可控硅器件。
結(jié)構(gòu)
今天大家使用的是單向晶閘管,也就是人們常說的普通晶閘管,它是由四層半導(dǎo)體材料組成的,有三個PN結(jié),對外有三個電極〔圖2(a)〕:第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽極A,第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G,第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號〔圖2(b)〕可以看到,它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷P(guān)鍵是多了一個控制極G,這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。
以硅單晶為基本材料的P1N1P2N2四層三端器件,起始于1957年,因為它的特性類似于真空閘流管,所以國際上通稱為硅晶體閘流管,簡稱晶閘管T,又因為晶閘管最初的在靜止整流方面,所以又被稱之為硅可控整流元件,簡稱為可控硅SCR。
在性能上,可控硅不僅具有單向?qū)щ娦裕疫€具有比硅整流元件(俗稱"死硅")更為可貴的可控性。它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。
可控硅能以毫安級電流控制大功率的機電設(shè)備,如果超過此頻率,因元件開關(guān)損耗顯著增加,允許通過的平均電流相降低,此時,標(biāo)稱電流應(yīng)降級使用。
可控硅的優(yōu)點很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍;反應(yīng)極快,在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷;無觸點運行,無火花、無噪音;效率高,成本低等等。
可控硅的弱點:靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差;容易受干擾而誤導(dǎo)通。
可控硅從外形上分類主要有:螺栓形、平板形和平底形。
可控硅元件的結(jié)構(gòu)
不管可控硅的外形如何,它們的管芯都是由P型硅和N型硅組成的四層P1N1P2N2結(jié)構(gòu).見圖1.它有三個PN結(jié)(J1、J2、J3),從J1結(jié)構(gòu)的P1層引出陽極A,從N2層引出陰級K,從P2層引出控制極G,所以它是一種四層三端的半導(dǎo)體器件?! ?/p>
可控硅元器件的工作原理
可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件,共有三個PN結(jié),分析原理時,可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成,其等效圖解如右圖所示
晶閘管的主要工作特性
為了能夠直觀地認(rèn)識晶閘管的工作特性,大家先看這塊示教板(圖3)。晶閘管VS與小燈泡EL串聯(lián)起來,通過開關(guān)S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極,陰極K接電源的負(fù)極,控制極G通過按鈕開關(guān)SB接在1.5V直流電源的正極(這里使用的是KP1型晶閘管,若采用KP5型,應(yīng)接在3V直流電源的正極)。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接,也就是說,給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓?,F(xiàn)在我們合上電源開關(guān)S,小燈泡不亮,說明晶閘管沒有導(dǎo)通;再按一下按鈕開關(guān)SB,給控制極輸入一個觸發(fā)電壓,小燈泡亮了,說明晶閘管導(dǎo)通了。這個演示實驗給了我們什么啟發(fā)呢?
這個實驗告訴我們,要使晶閘管導(dǎo)通,一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓,二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發(fā)電壓。晶閘管導(dǎo)通后,松開按鈕開關(guān),去掉觸發(fā)電壓,仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。
晶閘管的特點
“一觸即發(fā)”。但是,如果陽極或控制極外加的是反向電壓,晶閘管就不能導(dǎo)通。控制極的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導(dǎo)通,卻不能使它關(guān)斷。那么,用什么方法才能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷呢?使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷,可以斷開陽極電源(圖3中的開關(guān)S)或使陽極電流小于維持導(dǎo)通的最小值(稱為維持電流)。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓,那么,在電壓過零時,晶閘管會自行關(guān)斷。
怎樣測試晶閘管的好壞
用萬用表可以區(qū)分晶閘管的三個電極嗎?怎樣測試晶閘管的好壞呢?
普通晶閘管的三個電極可以用萬用表歐姆擋R×100擋位來測。大家知道,晶閘管G、K之間是一個PN結(jié)〔圖2(a)〕,相當(dāng)于一個二極管,G為正極、K為負(fù)極,所以,按照測試二極管的方法,找出三個極中的兩個極,測它的正、反向電阻,電阻小時,萬用表紅表筆接的是控制極G,黑表筆接的是陰極K,剩下的一個就是陽極A了。測試晶閘管的好壞,可以用剛才演示用的示教板電路(圖3)。接通電源開關(guān)S,按一下按鈕開關(guān)SB,燈泡發(fā)光就是好的,不發(fā)光就是壞的。
晶閘管在電路中的主要用途
可控整流
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、電機調(diào)速、電機勵磁、無觸點開關(guān)及自動控制等方面。在電工技術(shù)中,常把交流電的半個周期定為180°,稱為電角度。這樣,在U2的每個正半周,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,實現(xiàn)了可控整流。
無觸點開關(guān)
可控硅的功用不僅是整流,它還可以用作無觸點開關(guān)以快速接通或切斷電路,實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變,將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電,等等。
晶閘管觸發(fā)電路的形式
常用的有阻容移相橋觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體三極管觸發(fā)電路、利用小晶閘管觸發(fā)大晶閘管的觸發(fā)電路,等等??煽毓璧闹饕獏?shù)
可控硅的主要參數(shù)有:
平均值
額定通態(tài)平均電流IT在一定條件下,陽極---陰極間可以連續(xù)通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。
峰值電壓
1、 反向陰斷峰值電壓VPR當(dāng)可控硅加反向電壓,處于反向關(guān)斷狀態(tài)時,可以重復(fù)加在可控硅兩端的反向峰值電壓。使用時,不能超過手冊給出的這個參數(shù)值。
2、 控制極觸發(fā)電流Ig1 、觸發(fā)電壓VGT在規(guī)定的環(huán)境溫度下,陽極---陰極間加有一定電壓時,可控硅從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)所需要的最小控制極電流和電壓。
3、 維持電流IH在規(guī)定溫度下,控制極斷路,維持可控硅導(dǎo)通所必需的最小陽極正向電流。
近年來,許多新型可控硅元件相繼問世,如適于高頻應(yīng)用的快速可控硅,可以用正或負(fù)的觸發(fā)信號控制兩個方向?qū)ǖ碾p向可控硅,可以用正觸發(fā)信號使其導(dǎo)通,用負(fù)觸發(fā)信號使其關(guān)斷的可控硅等等。
可控硅的分類
可控硅有多種分類方法。
?。ㄒ唬┌搓P(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式分類:可控硅按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通可控硅、雙向可控硅、逆導(dǎo)可控硅、門極關(guān)斷可控硅(GTO)、BTG可控硅、溫控可控硅和光控可控硅等多種。
?。ǘ┌匆_和極性分類:可控硅按其引腳和極性可分為二極可控硅、三極可控硅和四極可控硅。
?。ㄈ┌捶庋b形式分類:可控硅按其封裝形式可分為金屬封裝可控硅、塑封可控硅和陶瓷封裝可控硅三種類型。其中,金屬封裝可控硅又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種;塑封可控硅又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。
?。ㄋ模┌措娏魅萘糠诸悾嚎煽毓璋措娏魅萘靠煞譃榇蠊β士煽毓?、中功率可控硅和小功率可控硅三種。通常,大功率可控硅多采用金屬殼封裝,而中、小功率可控硅則多采用塑封或陶瓷封裝。
(五)按關(guān)斷速度分類:可控硅按其關(guān)斷速度可分為普通可控硅和高頻(快速)可控硅。
可控硅的觸發(fā)
過零觸發(fā)-一般是調(diào)功,即當(dāng)正弦交流電交流電電壓相位過零點觸發(fā),必須是過零點才觸發(fā),導(dǎo)通可控硅。
非過零觸發(fā)-無論交流電電壓在什么相位的時候都可觸發(fā)導(dǎo)通可控硅,常見的是移相觸發(fā),即通過改變正弦交流電的導(dǎo)通角(角相位),來改變輸出百分比。
可控硅的主要參數(shù)
電流
額定通態(tài)電流(IT)即最大穩(wěn)定工作電流,俗稱電流。常用可控硅的IT一般為一安到幾十安。
耐壓
反向重復(fù)峰值電壓(VRRM)或斷態(tài)重復(fù)峰值電壓(VDRM),俗稱耐壓。常用可控硅的VRRM/VDRM一般為幾百伏到一千伏。
觸發(fā)電流
控制極觸發(fā)電流(IGT),俗稱觸發(fā)電流。常用可控硅的IGT一般為幾微安到幾十毫安。
額定正向平均電流
在規(guī)定環(huán)境溫度和散熱條件下,允許通過陰極和陽極的電流平均值
可控硅的常用封裝形式
常用可控硅的封裝形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。
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