可控矽:大功率電器元件-中文百科頻道

簡介

晶閘管又叫可控矽。自從20世紀50年代問世以來已經發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、逆導晶閘管、可關斷晶閘管、快速晶閘管，等等。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，它是由四層半導體材料組成的，有三個PN結，對外有三個電極〔圖2(a)〕：第一層P型半導體引出的電極叫陽極A，第三層P型半導體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符号〔圖2(b)〕可以看到，它和二極管一樣是一種單方向導電的器件，關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。

工作特性

為了能夠直觀地認識晶閘管的工作特性，首先看這塊示教闆(圖3)。晶閘管VS與小燈泡EL串聯起來，通過開關S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負極，控制極G通過按鈕開關SB接在3V直流電源的正極(這裡使用的是KP5型晶閘管，若采用KP1型，應接在1.5V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。現在我們合上電源開關S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導通；再按一下按鈕開關SB，給控制極輸入一個觸發電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導通了。這說明要使晶閘管導通，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電壓。晶閘管導通後，松開按鈕開關，去掉觸發電壓，仍然維持導通狀态。

單向晶閘管的伏安特性曲線如圖所示。n

從特性曲線上可以看出它分五個區，即反向擊穿區、反向阻斷區、正向阻斷區、負阻區和正向導通區。大多數情況下，晶閘管的應用電路均工作在正向阻斷和正向導通兩個區域。晶閘管A、K極間所加的反向電壓不能大于反向峰值電壓，否則有可能便其燒毀。n

單向晶閘管的上述特性，可以用以下兒個主要參數來表征。n

①額定平均電流IT:在規定的條件下，晶閘管允許通過的50Hz正弦波電流的平均值。n

②正向轉折電壓VBo:是指在額定結溫及控制極開路的條件下，在陽極和陰極間加以正弦波半波正向電壓，使其由關斷狀态發生正向轉折變為導通狀态時所對應的電壓峰值。n

③正向阻斷峰值電壓VDRM:定義為正向轉折電壓減去100V後的電壓值。n

④反向擊穿電壓VBR:是指在額定結溫下，陽極和陰極間加以正弦波反向電壓，當其反向漏電流急劇上升時所對應的電壓峰值。n

⑤反向峰值電壓VRRM:定義為反向擊穿電壓減去1OOV後的電壓值。n

⑥正向平均壓降VF:是指在規定的條件下，當通過的電流為其額定電流時，晶閘管陽極、陰極間電壓降的平均值。n

⑦維持電流IH:是指維持晶閘管導通的最小電流。n

⑧控制極觸發電壓VCT和觸發電流IGT:在規定的條件下，加在控制極上的可以使晶閘管導通的所必需的最小電壓和電流。n

⑨導通時間tg((ton):從在晶閘管的控制極加上觸發電壓VGT開始到晶閘管導通，其導通電流達到90%時的這一段時間稱為導通時間。n

⑩關斷時間tg(toff):從切斷晶閘管的工向電流開始到控制極恢複控制能力的這一段時間稱為關斷時間。n

晶閘管的特點：是“一觸即發”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導通。控制極的作用是通過外加正向觸發脈沖使晶閘管導通，卻不能使它關斷。那麼，用什麼方法才能使導通的晶閘管關斷呢?使導通的晶閘管關斷，可以斷開陽極電源(圖3中的開關S)或使陽極電流小于維持導通的最小值(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，那麼，在電壓過零時，晶閘管會自行關斷。n

工作原理

可控矽是可控矽整流元件的簡稱,是一種具有三個PN結的四層結構的大功率半導體器件，一般由兩晶閘管反向連接而成.它的功用不僅是整流，還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路，實現将直流電變成交流電的逆變，将一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等。可控矽和其它半導體器件一樣，其有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優點。它的出現，使半導體技術從弱電領域進入了強電領域，成為工業、農業、交通運輸、軍事科研以至商業、民用電器等方面争相采用的元件。

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，從晶閘管的内部分析工作過程：

可控矽導通和關斷條件表

狀态

條件

說明

從關斷到導通

1、陽極電位高于是陰極電位

2、控制極有足夠的正向電壓和電流

兩者缺一不可

維持導通

1、陽極電位高于陰極電位

2、陽極電流大于維持電流

兩者缺一不可

從導通到關斷

1、陽極電位低于陰極電位

2、陽極電流小于維持電流

任一條件即可

主要參數

1、額定通态平均電流IT在一定條件下，陽極---陰極間可以連續通過的50赫茲正弦半波電流的平均值。

2、正向阻斷峰值電壓VPF在控制極開路未加觸發信号，陽極正向電壓還未超過導能電壓時，可以重複加在可控矽兩端的正向峰值電壓。可控矽承受的正向電壓峰值，不能超過手冊給出的這個參數值。

3、反向陰斷峰值電壓VPR當可控矽加反向電壓，處于反向關斷狀态時，可以重複加在可控矽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值。

4、控制極觸發電流Ig1、觸發電壓VGT在規定的環境溫度下，陽極--陰極間加有一定電壓時，可控矽從關斷狀态轉為導通狀态所需要的最小控制極電流和電壓。

5、維持電流IH在規定溫度下，控制極斷路，維持可控矽導通所必需的最小陽極正向電流。

參數符号說明

IT(AV)--通态平均電流

VRRM--反向重複峰值電壓IDRM--斷态重複峰值電流

ITSM--通态一個周波不重複浪湧電流

VTM--通态峰值電壓

IGT--門極觸發電流

VGT--門極觸發電壓

IH--維持電流

dv/dt--斷态電壓臨界上升率

di/dt--通态電流臨界上升率

Rthjc--結殼熱阻

VISO--模塊絕緣電壓

Tjm--額定結溫

VDRM--通态重複峰值電壓

IRRM--反向重複峰值電流

IF(AV)--正向平均電流

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，就可以構成可控整流電路。現在我畫一個最簡單的單相半波可控整流電路。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脈沖Ug，VS仍然不能導通，隻有在U2處于正半周，在控制極外加觸發脈沖Ug時，晶閘管被觸發導通。現在，畫出它的波形(c)及(d)，隻有在觸發脈沖Ug到來時，負載RL上才有電壓UL輸出。

Ug到來得早，晶閘管導通的時間就早；Ug到來得晚，晶閘管導通的時間就晚。通過改變控制極上觸發脈沖Ug到來的時間，就可以調節負載上輸出電壓的平均值UL。在電工技術中，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，從零值開始到觸發脈沖到來瞬間所經曆的電角度稱為控制角α；在每個正半周内晶閘管導通的電角度叫導通角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通或阻斷範圍的。通過改變控制角α或導通角θ，改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL，實現了可控整流。

結構和特性

可控矽從外形上分主要有螺旋式、平闆式和平底式三種，螺旋式的應用較多。可控矽有三個電極---陽極（A）陰極（C）和控制極（G）。它有管芯是P型導體和N型導體交叠組成的四層結構，共有三個PN結。可控矽和隻有一個PN結的矽整流二極度管在結構上迥然不同。可控矽的四層結構和控制極的引用，為其發揮“以小控大”的優異控制特性奠定了基礎。在應用可控矽時，隻要在控制極加上很小的電流或電壓，就能控制很大的陽極電流或電壓。目前已能制造出電流容量達幾百安培以至上千安培的可控矽元件。一般把5安培以下的可控矽叫小功率可控矽，50安培以上的可控矽叫大功率可控矽。

可控矽為什麼其有“以小控大”的可控性呢？下面我們用圖表-27來簡單分析可控矽的工作原理。

首先，可以把從陰極向上數的第一、二、三層看面是一隻NPN型号晶體管，而二、三四層組成另一隻PNP型晶體管。其中第二、第三層為兩管交叠共用。當在陽極和陰極之間加上一個正向電壓Ea，又在控制極G和陰極C之間（相當BG1的基一射間）輸入一個正的觸發信号，BG1将産生基極電流Ib1，經放大，BG1将有一個放大了β1倍的集電極電流IC1。因為BG1集電極與BG2基極相連，IC1又是BG2的基極電流Ib2。BG2又把比Ib2（Ib1）放大了β2的集電極電流IC2送回BG1的基極放大。如此循環放大，直到BG1、BG2完全導通。實際這一過程是“一觸即發”的過程，對可控矽來說，觸發信号加入控制極，可控矽立即導通。導通的時間主要決定于可控矽的性能。

其次，可控矽一經觸發導通後，由于循環反饋的原因，流入BG1基極的電流已不隻是初始的Ib1，而是經過BG1、BG2放大後的電流（β1*β2*Ib1）這一電流遠大于Ib1，足以保持BG1的持續導通。此時觸發信号即使消失，可控矽仍保持導通狀态隻有斷開電源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集電極電流小于維持導通的最小值時，可控矽方可關斷。當然，如果Ea極性反接，BG1、BG2由于受到反向電壓作用将處于截止狀态。這時，即使輸入觸發信号，可控矽也不能工作。反過來，Ea接成正向，而觸動發信号是負的，可控矽也不能導通。

另外，如果不加觸發信号，而正向陽極電壓大到超過一定值時，可控矽也會導通，但已屬于非正常工作情況了。可控矽這種通過觸發信号（小的觸發電流）來控制導通（可控矽中通過大電流）的可控特性，正是它區别于普通矽整流二極管的重要特征。

可控矽的種類

可控矽有多種分類方法。

（一）按關斷、導通及控制方式分類：可控矽按其關斷、導通及控制方式可分為普通可控矽、雙向可控矽、逆導可控矽、門極關斷可控矽（GTO）、BTG可控矽、溫控可控矽和光控可控矽等多種。

（二）按引腳和極性分類：可控矽按其引腳和極性可分為二極可控矽、三極可控矽和四極可控矽。

（三）按封裝形式分類：可控矽按其封裝形式可分為金屬封裝可控矽、塑封可控矽和陶瓷封裝可控矽三種類型。其中，金屬封裝可控矽又分為螺栓形、平闆形、圓殼形等多種；塑封可控矽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：可控矽按電流容量可分為大功率可控矽、中功率可控矽和小功率可控矽三種。通常，大功率可控矽多采用金屬殼封裝，而中、小功率可控矽則多采用塑封或陶瓷封裝。

(五）按關斷速度分類：可控矽按其關斷速度可分為普通可控矽和高頻（快速）可控矽。

如何鑒别可控矽的三個極

普通可控矽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(a)，相當于一個二極管，G為正極、K為負極，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，萬用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極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闆電路。接通電源開關S，按一下按鈕開關SB，燈泡發光就是好的，不發光就是壞的。

鑒别可控矽三個極的方法很簡單，根據P-N結的原理，隻要用萬用表測量一下三個極之間的電阻值就可以。

陽極與陰極之間的正向和反向電阻在幾百千歐以上，陽極和控制極之間的正向和反向電阻在幾百千歐以上（它們之間有兩個P-N結，而且方向相反，因此陽極和控制極正反向都不通）。

控制極與陰極之間是一個P-N結，因此它的正向電阻大約在幾歐-幾百歐的範圍，反向電阻比正向電阻要大。可是控制極二極管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻斷狀态的，可以有比較大的電流通過，因此，有時測得控制極反向電阻比較小，并不能說明控制極特性不好。另外，在測量控制極正反向電阻時，萬用表應放在R*10或R*1擋，防止電壓過高控制極反向擊穿。

若測得元件陰陽極正反向已短路，或陽極與控制極短路，或控制極與陰極反向短路，或控制極與陰極斷路，說明元件已損壞。

可控矽是可控矽整流元件的簡稱，是一種具有三個PN結的四層結構的大功率半導體器件。實際上，可控矽的功用不僅是整流，它還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路，實現将直流電變成交流電的逆變，将一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電，等等。可控矽和其它半導體器件一樣，其有體積小、效率高、穩定性好、工作可靠等優點。它的出現，使半導體技術從弱電領域進入了強電領域，成為工業、農業、交通運輸、軍事科研以至商業、民用電器等方面争相采用的元件。