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晶闸管的分类,晶闸管的主要工作过程

2017年05月10日 17:18 网络整理 作者: 用户评论(0

  晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称,又可称做可控硅整流器,以前被简称为可控硅;1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品,并于1958年将其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极,阴极和门极; 晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

  晶闸管的分类,晶闸管的主要工作过程

  晶闸管导通条件为:加正向电压且门极有触发电流;其派生器件有:快速晶闸管,双向晶闸管,逆导晶闸管,光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件,在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。

  晶闸管(Thyristor)是一种开关元件,能在高电压、大电流条件下工作,并且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中,是典型的小电流控制大电流的设备。1957年,美国通用电器公司开发出世界上第一个晶闸管产品,并于1958年使其商业化。

  结构

  它是由一个P-N-P-N四层 (4 layers) 半导体构成的,中间形成了三个PN结。

  晶闸管的分类:

  晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管(SCR)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管(TT国外,TTS国内)和光控晶闸管(LTT)等多种。

  晶闸管的分类,晶闸管的主要工作过程

  晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中,金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。

  通常,大功率晶闸管多采用陶瓷封装,而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管,快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管,有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管,可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。

  晶闸管的分类,晶闸管的主要工作过程

  关断导通控制

  晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管(SCR)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管(TT国外,TTS国内)和光控晶闸管(LTT)等多种。

  引脚和极性

  晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

  按封装形式

  晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中,金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

  电流容量分类

  晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常,大功率晶闸管多采用陶瓷封装,而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。

  按关断速度

  晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管,快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管,有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管,可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。(备注:高频不能等同于快速晶闸管)

  晶闸管的分类,晶闸管的主要工作过程

  晶闸管的工作过程:

  晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结图1,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管图2

  当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此,两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通,晶体管饱和导通。

  设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2;发射极电流相应为Ia和Ik;电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik,设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,

  晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:

  Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

  若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

  从而可以得出晶闸管阳极电流为:I=(Ic0+Iga2)/(1-(a1+a2))(1—1)式

  硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3所示。

  当晶闸管承受正向阳极电压,而门极未受电压的情况下,式(1—1)中,Ig=0,(a1+a2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸管处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下,从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结,从而提高其电流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图3,当a1和a2随发射极电流增加而(a1+a2)≈1时,式(1—1)中的分母1-(a1+a2)≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时,流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。

  式(1—1)中,在晶闸管导通后,1-(a1+a2)≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后,门极已失去作用。

  在晶闸管导通后,如果不断的减小电源电压或增大回路电阻,使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时,由于a1和a1迅速下降,当1-(a1+a2)≈0时,晶闸管恢复阻断状态。

  晶闸管智能模块可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)亦称门控晶闸管。其主要特点为,当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

  前已述及,普通晶闸管(SCR)靠门极正信号触发之后,撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断,必须切断电源,使正向电流低于维持电流IH,或施以反向电压强迫关断。这就需要增加换向电路,不仅使设备的体积重量增大,而且会降低效率,产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷,它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点,以具有自关断能力,使用方便,是理想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管(GTR),只是工作频率比GTR低。目前,GTO已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域,显示出强大的生命力。

  可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件,其结构及等效电路和普通晶闸管相同,因此图1仅绘出GTO典型产品的外形及符号。大功率GTO大都制成模块形式。

  尽管GTO与SCR的触发导通原理相同,但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通晶闸管在导通之后即处于深度饱和状态,而GTO在导通后只能达到临界饱和,所以GTO门极上加负向触发信号即可关断。GTO的一个重要参数就是关断增益,βoff,它等于阳极最大可关断电流IATM与门极最大负向电流IGM之比,有公式

  βoff =IATM/IGM

  βoff一般为几倍至几十倍。βoff值愈大,说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。很显然,βoff与昌盛 的hFE参数颇有相似之处。

  下面分别介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益βoff的方法。

  判定GTO的电极

  将万用表拨至R&TImes;1档,测量任意两脚间的电阻,仅当黑表笔接G极,红表笔接K极时,电阻呈低阻值,对其它情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定G、K极,剩下的就是A极。(此处指的模拟表,电子式万用表红表笔与电池正极相连,模拟表红表笔与电池负极相连)

  检查触发能力

  如图2(a)所示,首先将表Ⅰ的黑表笔接A极,红表笔接K极,电阻为无穷大;然后用黑表笔尖也同时接触G极,加上正向触发信号,表针向右偏转到低阻值即表明GTO已经导通;最后脱开G极,只要GTO维持通态,就说明被测管具有触发能力。

  检查关断能力

  现采用双表法检查GTO的关断能力,如图2(b)所示,表Ⅰ的档位及接法保持不变。将表Ⅱ拨于R&TImes;10档,红表笔接G极,黑表笔接K极,施以负向触发信号,如果表Ⅰ的指针向左摆到无穷大位置,证明GTO具有关断能力。

  估测关断增益βoff

  进行到第3步时,先不接入表Ⅱ,记下在GTO导通时表Ⅰ的正向偏转格数n1;再接上表Ⅱ强迫GTO关断,记下表Ⅱ的正向偏转格数n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益:

  βoff=IATM/IGM≈IAT/IG=K1n1/ K2n2

  式中K1—表Ⅰ在R&TImes;1档的电流比例系数;

  K2—表Ⅱ在R&TImes;10档的电流比例系数。

  βoff≈10×n1/ n2

  此式的优点是,不需要具体计算IAT、IG之值,只要读出二者所对应的表针正向偏转格数,即可迅速估测关断增益值。

  注意事项:

  ⑴在检查大功率GTO器件时,建议在R×1档外边串联一节1.5V电池E′,以提高测试电压和测试电流,使GTO可靠地导通。

  ⑵要准确测量GTO的关断增益βoff,必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同,测量结果仅供参考,或作为相对比较的依据。

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( 发表人:王增涛 )

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