可控硅

ontent">概念

　　晶閘管又叫可控硅(Silicon Controlled Rectifier, SCR)。自從20世紀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?？煽毓杵骷饕迷陂_關(guān)方面，使器件從關(guān)閉或是阻斷的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開啟或是導通的狀態(tài)，反之亦然?？煽毓杵骷c雙極型晶體管有密切的關(guān)系，二者的傳導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?，F(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?，而且還具有比硅整流元件(俗稱"死硅")更為可貴的可控性。它只有導通和關(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。現(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。晶閘管導通后，松開按鈕開關(guān)，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導通狀態(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，晶閘管就不能導通?？刂茦O的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖使晶閘管導通，卻不能使它關(guān)斷。那么，用什么方法才能使導通的晶閘管關(guān)斷呢?使導通的晶閘管關(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范圍的。通過改變控制角α或?qū)ń?theta;，改變負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當可控硅加反向電壓，處于反向關(guān)斷狀態(tài)時，可以重復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)信號使其導通，用負觸發(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。

　　（一）按關(guān)斷、導通及控制方式分類：可控硅按其關(guān)斷、導通及控制方式可分為普通可控硅、雙向可控硅、逆導可控硅、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士煽毓琛⒅泄β士煽毓韬托」β士煽毓枞N。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

　　反向重復峰值電壓（VRRM)或斷態(tài)重復峰值電壓（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。