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。