晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又被稱(chēng)做可控硅整流器，以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅;1957年美國通用電氣公司開(kāi)發(fā)出世界上第一款晶閘管產(chǎn)品，并于1958年將其商業(yè)化;晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個(gè)極：陽(yáng)極，陰極和控制極; 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過(guò)程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。

中文名	外文名	全名	別名
晶閘管	Thyristor	晶體閘流管	可控硅整流器

 

目錄

 

1、晶閘管簡(jiǎn)介

2、晶閘管工作原理

3、晶閘管主要用途

4、晶閘管分類(lèi)

5、晶閘管的基本特性

6、晶閘管歷史

7、使用注意事項

8、單向晶閘管的檢測

 

 

晶閘管簡(jiǎn)介

晶體閘流管(英語(yǔ)：Thyristor)，簡(jiǎn)稱(chēng)晶閘管，指的是具有四層交錯P、N層的半導體裝置。最早出現與主要的一種是硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，中國大陸通常簡(jiǎn)稱(chēng)可控硅，又稱(chēng)半導體控制整流器，是一種具有三個(gè)PN結的功率型半導體器件，為第一代半導體電力電子器件的代表。晶閘管的特點(diǎn)是具有可控的單向導電，即與一般的二極管相比，可以對導通電流進(jìn)行控制。晶閘管具有以小電流(電壓)控制大電流(電壓)作用，并體積小、輕、功耗低、效率高、開(kāi)關(guān)迅速等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、可控整流、逆變、調光、調壓、調速等方面。

 

 

晶閘管工作原理

晶閘管在工作過(guò)程中，它的陽(yáng)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(mén)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。

半控型晶閘管的工作條件：

2.1.1. 晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門(mén)極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。

2.1.2. 晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門(mén)極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。這時(shí)晶閘管處于正向導通狀態(tài)，這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。

2.1.3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽(yáng)極電壓，不論門(mén)極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門(mén)極失去作用。門(mén)極只起觸發(fā)作用。

2.1.4. 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓(或電流)減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。

全控型晶閘管的工作條件：

2.2.1. 晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，不管門(mén)極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)。

2.2.2. 晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，僅在門(mén)極承受正向電壓(或電流)的情況下晶閘管才導通。這時(shí)晶閘管處于正向導通狀態(tài)。

2.2.3. 一旦晶閘管開(kāi)始導通，它就被鉗住在導通狀態(tài)，而此時(shí)門(mén)極電流可以取消。晶閘管不能被門(mén)極關(guān)斷，像一個(gè)二極管一樣導通，直到電流降至零和有反向偏置電壓作用在晶閘管上時(shí)，它才會(huì )截止。當晶閘管再次進(jìn)入正向阻斷狀態(tài)后，允許門(mén)極在某個(gè)可控的時(shí)刻將晶閘管再次觸發(fā)導通

晶閘管主要用途

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、逆變、電機調速、電機勵磁、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及自動(dòng)控制等方面?，F在我畫(huà)一個(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波可控整流電路〔圖4(a)〕。在正弦交流電壓U2的正半周期間，如果VS的控制極沒(méi)有輸入觸發(fā)脈沖Ug，VS仍然不能導通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時(shí)，晶閘管被觸發(fā)導通?，F在，畫(huà)出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕，可以看到，只有在觸發(fā)脈沖Ug到來(lái)時(shí)，負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來(lái)得早，晶閘管導通的時(shí)間就早;Ug到來(lái)得晚，晶閘管導通的時(shí)間就晚。通過(guò)改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來(lái)的時(shí)間，就可以調節負載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術(shù)中，常把交流電的半個(gè)周期定為180°，稱(chēng)為電角度。這樣，在U2的每個(gè)正半周，從零值開(kāi)始到觸發(fā)脈沖到來(lái)瞬間所經(jīng)歷的電角度稱(chēng)為控制角α;在每個(gè)正半周內晶閘管導通的電角度叫導通角θ。很明顯，α和θ都是用來(lái)表示晶閘管在承受正向電壓的半個(gè)周期的導通或阻斷范圍的。通過(guò)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(shí)現了可控整流。

晶閘管類(lèi)型

晶閘管一詞有時(shí)單指SCR;有時(shí)泛指具有四層或以上交錯P、N層的半導體裝置，如單向晶閘管(SCR)、 雙向晶閘管(TRIAC)、 可關(guān)斷晶閘管(GTO)、 SIT、及其他種類(lèi)等。

單向晶閘管是PNPN四層結構，形成三個(gè)PN結，可以等效為PNP、NPN兩晶體管組成的復合管，具有三個(gè)外電極：陽(yáng)極A(Anode)，陰極K(Cathode)和控制極G(Gate)。在A(yíng)、K之間加上正電壓后，管子并不導通;當控制極G加上正電壓(相對于陰極K而言)后才導通;此時(shí)再去掉控制極的電壓，管子依然能夠保持導通。

雙向晶閘管可以等效為兩個(gè)單向晶閘管反向并聯(lián)。因雙向晶閘管正負雙向均可以控制導通，故控制極G外的另外兩個(gè)電極不再稱(chēng)陰極陽(yáng)極，而改稱(chēng)為主電極MT1、MT2或T1、T2。當G與MT1間給予適當的訊號時(shí)，MT2與MT1間即可導通

晶閘管分類(lèi)

4.1關(guān)斷導通控制

晶閘管按其關(guān)斷、導通及控制方式可分為普通晶閘管(SCR)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導晶閘管(RCT)、門(mén)極關(guān)斷晶閘管(GTO)、BTG晶閘管、溫控晶閘管(TT國外，TTS國內)和光控晶閘管(LTT)等多種。

4.2引腳和極性

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。

4.3按封裝形式

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(lèi)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。

4.4電流容量分類(lèi)

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，大功率晶閘管多采用陶瓷封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或金屬封裝。

4.5按關(guān)斷速度

晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通晶閘管和快速晶閘管，快速晶閘管包括所有專(zhuān)為快速應用而設計的晶閘管，有常規的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應用于400HZ和10KHZ以上的斬波或逆變電路中。(備注：高頻不能等同于快速晶閘管)

晶閘管的基本特性

5.1、晶閘管的靜態(tài)伏安特性

第I象限的是正向特性有阻斷狀態(tài)和導通狀態(tài)之分。在正向阻斷狀態(tài)時(shí)，晶閘管的伏安特性是一組隨門(mén)極電流的增加而不同的曲線(xiàn)簇。當IG足夠大時(shí)，晶閘管的正向轉折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣，第III象限的是反向特性晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。

IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，為正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著(zhù)門(mén)極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。

5.2. 動(dòng)態(tài)特性

與二極管類(lèi)似，開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生動(dòng)態(tài)損耗晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形

 

 

5.2.1) 開(kāi)通過(guò)程

延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩態(tài)值的10%的時(shí)間上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩態(tài)值的90%所需的時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt：以上兩者之和， tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5~1.5?s，上升時(shí)間為0.5~3s

5.2.2) 關(guān)斷過(guò)程

反向阻斷恢復時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至近于零的時(shí)間

正向阻斷恢復時(shí)間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復時(shí)間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì )重新正向導通。實(shí)際應用中，應對晶閘管施加足夠長(cháng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒，這是設計反向電壓設計時(shí)間的依據。

晶閘管本身的壓降很小，在1V左右

導通期間，如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱(chēng)為維持電流。

晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電流從門(mén)極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門(mén)極觸發(fā)電流也往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門(mén)極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門(mén)極和陰極之間是PN結J3，其伏安特性稱(chēng)為門(mén)極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應限制在可靠觸發(fā)區。

 

 

晶閘管歷史

半導體的出現成為20世紀現代物理學(xué)其中一項最重大的突破，標志著(zhù)電子技術(shù)的誕生。而由于不同領(lǐng)域的實(shí)際需要，促使半導體器件自此分別向兩個(gè)分支快速發(fā)展，其中一個(gè)分支即是以集成電路為代表的微電子器件，特點(diǎn)為小功率、集成化，作為信息的檢出、傳送和處理的工具;而另一類(lèi)就是電力電子器件，特點(diǎn)為大功率、快速化。1955年，美國通用電氣公司研發(fā)了世界上第一個(gè)以硅單晶為半導體整流材料的硅整流器(SR)，1957年又開(kāi)發(fā)了全球首個(gè)用于功率轉換和控制的可控硅整流器(SCR)。由于它們具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(cháng)的優(yōu)勢，尤其是SCR能以微小的電流控制較大的功率，令半導體電力電子器件成功從弱電控制領(lǐng)域進(jìn)入了強電控制領(lǐng)域、大功率控制領(lǐng)域。在整流器的應用上，晶閘管迅速取代了水銀整流器(引燃管)，實(shí)現整流器的固體化、靜止化和無(wú)觸點(diǎn)化，并獲得巨大的節能效果。從1960年代開(kāi)始，由普通晶閘管相繼衍生出了快速晶閘管、光控晶閘管、不對稱(chēng)晶閘管及雙向晶閘管等各種特性的晶閘管，形成一個(gè)龐大的晶閘管家族。

但晶閘管本身存在兩個(gè)制約其繼續發(fā)展的重要因素。一是控制功能上的欠缺，普通的晶閘管屬于半控型器件，通過(guò)門(mén)極(控制極)只能控制其開(kāi)通而不能控制其關(guān)斷，導通后控制極即不再起作用，要關(guān)斷必須切斷電源，即令流過(guò)晶閘管的正向電流小于維持電流。由于晶閘管的關(guān)斷不可控的特性，必須另外配以由電感、電容及輔助開(kāi)關(guān)器件等組成的強迫換流電路，從而使裝置體積增大，成本增加，而且系統更為復雜、可靠性降低。二是因為此類(lèi)器件立足于分立元件結構，開(kāi)通損耗大，工作頻率難以提高，限制了其應用范圍。1970年代末，隨著(zhù)可關(guān)斷晶閘管(GTO)日趨成熟，成功克服了普通晶閘管的缺陷，標志著(zhù)電力電子器件已經(jīng)從半控型器件發(fā)展到全控型器件。

使用注意事項

選用可控硅的額定電壓時(shí)，應參考實(shí)際工作條件下的峰值電壓的大小，并留出一定的余量。

7.1、選用可控硅的額定電流時(shí)，除了考慮通過(guò)元件的平均電流外，還應注意正常工作時(shí)導通角的大小、散熱通風(fēng)條件等因素。在工作中還應注意管殼溫度不超過(guò)相應電流下的允許值。

7.2、使用可控硅之前，應該用萬(wàn)用表檢查可控硅是否良好。發(fā)現有短路或斷路現象時(shí)，應立即更換。

7.3、嚴禁用兆歐表(即搖表)檢查元件的絕緣情況。

7.4、電流為5A以上的可控硅要裝散熱器，并且保證所規定的冷卻條件。為保證散熱器與可控硅管心接觸良好，它們之間應涂上一薄層有機硅油或硅脂，以幫于良好的散熱。

7.5、按規定對主電路中的可控硅采用過(guò)壓及過(guò)流保護裝置。

7.6、要防止可控硅控制極的正向過(guò)載和反向擊穿。

單向晶閘管的檢測

 

根據普通晶閘管的結構可知，門(mén)極與陰極之間為一個(gè)PN結，具有單向導電性，而陽(yáng)極與門(mén)極之間有兩個(gè)反極性串聯(lián)的PN結。因此通過(guò)萬(wàn)用表R*100或R*1K擋測量普通晶閘管各引腳之間的電阻值，即能確定三個(gè)電極。

具體方法是，將萬(wàn)用表黑表筆任接晶閘管某一極，紅表筆依次去觸碰另外兩個(gè)電極，若測量結果有一次阻值為幾百歐姆，則可判定黑表筆接的是門(mén)極。在阻值為幾百歐姆的測量中，紅表筆接的是陰極，而在阻值為幾千歐姆的測量中，紅表筆接的是陽(yáng)極，若兩次測出的阻值均很大，則說(shuō)明黑表筆接的不是門(mén)極，應用同樣的方法改測其他電極，直到找出三個(gè)電極為止。

也可以測任兩腳之間正反向電阻，若正反向電阻均接近無(wú)窮大，則兩極即為陽(yáng)極和陰極，而另一腳為門(mén)極。

普通晶閘管也可能根據其封裝形式來(lái)判斷各電極。螺栓形普通晶閘管的螺栓一端為陽(yáng)極，較細的引線(xiàn)端為門(mén)極，較粗的引線(xiàn)端為陰極。

平板型普通晶閘管的引出線(xiàn)端為門(mén)極，平面端為陽(yáng)極，另一端為陰極。

塑封(TO-220)普通晶閘管的中間引腳為陽(yáng)極，且多為自帶散熱片相連。