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技術(shù)文章

晶閘管的工作原理
DQZHAN技術(shù)訊：晶閘管的工作原理
1 晶閘管(SCR)
晶體閘流管簡稱晶閘管,也稱為可控硅整流元件(SCR),是由三個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件。在性能上,晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦?而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性,它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。
晶閘管的優(yōu)點(diǎn)很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍;反應(yīng)極快,在微秒級(jí)內(nèi)開通、關(guān)斷;無觸點(diǎn)運(yùn)行,無火花、無噪聲;效率高,成本低等。因此,特別是在大功率UPS供電系統(tǒng)中,晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開關(guān)、無觸點(diǎn)輸出開關(guān)等電路中得到廣泛的應(yīng)用。
晶閘管的弱點(diǎn):靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的過載能力較差,容易受干擾而誤導(dǎo)通。
晶閘管從外形上分類主要有:螺栓形、平板形和平底形。
2 普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理
晶閘管是PNPN四層三端器件,共有三個(gè)PN結(jié)。分析原理時(shí),可以把它看作是由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成,其等效圖解如圖1(a)所示,圖1(b)為晶閘管的電路符號(hào)。

2.1 晶閘管的工作過程
晶閘管是四層三端器件,它有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié),可以把它中間的NP分成兩部分,構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管。
當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí),為使晶閘管導(dǎo)通,必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此是兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路,當(dāng)有足夠的門極電流Ig流入時(shí),就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋,造成兩晶體管飽和導(dǎo)通。
設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流分別為IC1和IC2,發(fā)射極電流相應(yīng)為Ia和Ik,電流放大系數(shù)相應(yīng)為α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電流為ICO,晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和:

若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為:Ik=Ia+Ig。
因此,可以得出晶閘管陽極電流為:

硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)α1和α2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓,而門極未接受電壓的情況下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶閘管的陽極電流Ia≈ICO,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài);當(dāng)晶閘管在正向門極電壓下,從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié),從而提高放大系數(shù)α2,產(chǎn)生足夠大的集電極電流IC2流過PNP管的發(fā)射結(jié),并提高了PNP管的電流放大系數(shù)α1,產(chǎn)生更大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié),這樣強(qiáng)烈的正反饋過程迅速進(jìn)行。
當(dāng)α1和α2隨發(fā)射極電流增加而使得(α1+α2)≈1時(shí),式(1)中的分母1-(α1+α2)≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia。這時(shí),流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定,晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后,式(1)中1-(α1+α2)≈0,即使此時(shí)門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通,門極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)通后,如果不斷地減小電源電壓或增大回路電阻,使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí),由于α1和α2迅速下降,晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。
2.2 晶閘管的工作條件
由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,此條件見表1。
(1)晶閘管承受反向陽極電壓時(shí),無論門極承受何種電壓,晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。
(2)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí),僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。
(3)晶閘管在導(dǎo)通情況下,只要有一定的正向陽極電壓,無論門極電壓如何,晶閘管保持導(dǎo)通,即晶閘管導(dǎo)通后,門極失去作用。
(4)晶閘管在導(dǎo)通情況下,當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時(shí),晶閘管關(guān)斷。

3 晶閘管的伏安特性和主要參數(shù)
3.1 晶閘管的伏安特性
晶閘管陽極A與陰極K之間的電壓與晶閘管陽極電流之間關(guān)系稱為晶閘管伏安特性,如圖2所示。正向特性位于**象限,反向特性位于第三象限。
(1) 反向特性
當(dāng)門極G開路,陽極加上反向電壓時(shí)(見圖3),J2結(jié)正偏,但J1、J2結(jié)反偏。此時(shí)只能流過很小的反向飽和電流,當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后,同時(shí)J3結(jié)也擊穿,電流迅速增加,如圖2的特性曲線OR段開始彎曲,彎曲處的電壓URO稱為“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此后,晶閘管會(huì)發(fā)生長久性反向擊穿。
(2) 正向特性
當(dāng)門極G開路,陽極A加上正向電壓時(shí)(見圖4),J1、J3結(jié)正偏,但J2結(jié)反偏,這與普通PN結(jié)的反向特性相似,也只能流過很小電流,這叫正向阻斷狀態(tài),當(dāng)電壓增加,如圖2的特性曲線OA段開始彎曲,彎曲處的電壓UBO稱為“正向轉(zhuǎn)折電壓”。

由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后,J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng),在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴,電子進(jìn)入N1區(qū),空穴進(jìn)入P2區(qū)。進(jìn)入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合。同樣,進(jìn)入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿后，進(jìn)入N1區(qū)的電子與進(jìn)入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉。這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍有增加,電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性，見圖2中的虛線AB段。這時(shí)J1、J2、J3三個(gè)結(jié)均處于正偏，晶閘管便進(jìn)入正向?qū)щ姞顟B(tài)——通態(tài),此時(shí)，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，如圖2的BC段。

(3) 觸發(fā)導(dǎo)通
在門極G上加入正向電壓時(shí)(如圖5所示),因J3正偏,P2區(qū)的空穴進(jìn)入N2區(qū),N2區(qū)的電子進(jìn)入P2區(qū),形成觸發(fā)電流IGT。在晶閘管的內(nèi)部正反饋?zhàn)饔?如圖2)的基礎(chǔ)上,加上IGT的作用,使晶閘管提前導(dǎo)通,導(dǎo)致圖2中的伏安特性O(shè)A段左移,IGT越大,特性左移越快。

3.2 晶閘管的主要參數(shù)
(1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM
門極開路,重復(fù)率為每秒50次,每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms的斷態(tài)*大脈沖電壓,UDRM=90%UDSM,
UDSM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓。UDSM應(yīng)比UBO小,所留的裕量由生產(chǎn)廠家決定。
(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM
其定義同UDRM相似,URRM=90%URSM,URSM為反向不重復(fù)峰值電壓。

(3)額定電壓
選UDRM和URRM中較小的值作為額定電壓,選用時(shí)額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍,應(yīng)能承受經(jīng)常出現(xiàn)的過電壓。
(4) 通態(tài)平均電流IT(AV)(簡寫為ITa)
工頻正弦半波的全導(dǎo)通電流在一個(gè)整周期內(nèi)的平均值,是在環(huán)境溫度為40℃穩(wěn)定結(jié)溫情況下不超過額定值,所允許的*大平均電流作為該器件的額定電流。用*大通態(tài)平均電流標(biāo)定晶閘管的額定電流是由于整流輸出電流需用平均電流去衡量,但是器件的結(jié)溫是由有效值決定的。對(duì)于同一個(gè)有效值,不同的電流波形,其平均值不一樣,因此選用一個(gè)晶閘管,要根據(jù)使用的電流波形計(jì)算出允許使用的電流平均值。
設(shè)單相工頻半波電流峰值為IM時(shí)波形,如圖6所示。通態(tài)平均電流為:

正弦半波電流有效值:

晶閘管有效值與通態(tài)平均電流比值為:

根據(jù)有效值相等原則來計(jì)算晶閘管流過其它波形電流時(shí)的允許平均電流Id。有效值與平均值的比為波形系數(shù):

選用晶閘管時(shí)應(yīng)選晶閘管的通態(tài)平均電流ITa為其正常使用電流平均值的1.2～2.0倍,才能可靠工作。
(5)通態(tài)平均電壓UT(AV)
晶閘管通過正弦半波的額定通態(tài)平均電流時(shí),器件陽極A和陰極K間電壓的平均值,一般稱管壓降,約0.8～1V。
(6)維持電流IH
晶閘管從通態(tài)到斷態(tài),維持通態(tài)的*小通態(tài)電流(數(shù)十毫安到一百多毫安)。
(7)擎住電流IL
晶閘管從斷態(tài)到通態(tài),移去觸發(fā)信號(hào),維持晶閘管通態(tài)的*小電流(IL>IH)。
(8)門極參數(shù)
產(chǎn)品樣本中門極觸發(fā)電流IGT,門極觸發(fā)電壓UGT是產(chǎn)品合格標(biāo)準(zhǔn),觸發(fā)電路供給的觸發(fā)電流和電壓比這個(gè)數(shù)值大,才能可靠觸發(fā)。使用中不能超過門極的峰值電流、峰值電壓、峰值功率和平均功率。
(9)動(dòng)態(tài)參數(shù)
斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。過大的du/dt會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)J2(它相當(dāng)于一個(gè)電容)產(chǎn)生的充電電流而引起誤導(dǎo)通。對(duì)于通態(tài)電流臨界上升率di/dt,晶閘管由斷態(tài)到通態(tài),首先是由門極G附近小面積范圍內(nèi)導(dǎo)電后展開,如果di/dt過大將造成局部過熱,損壞器件。
(10)額定結(jié)溫TJM
器件正常工作時(shí)允許的*高結(jié)溫,在此結(jié)溫下,有關(guān)額定值和特性才能得以保證,因此晶閘管的散熱器選擇和冷卻效果十分重要。
3.3 其它晶閘管
(1)快速晶閘管
快速晶閘管與普通晶閘管結(jié)構(gòu)原理相同,特點(diǎn)是開關(guān)時(shí)間短,主要用于逆變器、斬波器及頻率為400Hz的變流器,比普通晶閘管反向恢復(fù)電流小,關(guān)斷時(shí)間在10μs以下。
(2)逆導(dǎo)晶閘管
在逆變電路、斬波電路中,常將晶閘管和二極管反向并聯(lián)使用,將晶閘管和整流管做成一個(gè)器件就是逆導(dǎo)晶閘管,優(yōu)點(diǎn)是器件數(shù)量少、裝置體積小、正向電壓小、關(guān)斷時(shí)間短等。
(3)雙向晶閘管
雙向晶閘管結(jié)構(gòu)和特性,可以等效為一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管。雙向晶閘管常作為UPS的交流開關(guān)使用。
(4)門極輔助關(guān)斷晶閘管
在晶閘管關(guān)斷的同時(shí)在門極G與陰極K之間加反壓,把殘留的載流子強(qiáng)迫地吸出來,這樣起到縮短關(guān)斷時(shí)間的作用,它比快速晶閘管關(guān)斷的時(shí)間還能縮短一半。
3.4 晶閘管的保護(hù)電路
晶閘管的保護(hù)電路,大致可以分為兩種情況:一種是在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭b保護(hù)器件,例如,R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是采用電子保護(hù)電路,檢測(cè)設(shè)備的輸出電壓或輸入電流,當(dāng)輸出電壓或輸入電流超過允許值時(shí),借助整流觸發(fā)控制系統(tǒng)使整流橋在短時(shí)間內(nèi)工作于有源逆變工作狀態(tài),從而抑制過電壓或過電流的數(shù)值。
(1)晶閘管的過流保護(hù)
晶閘管設(shè)備產(chǎn)生過電流的原因可以分為兩類:一類是由于整流電路內(nèi)部原因, 如整流晶閘管損壞、觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等。其中整流橋晶閘管損壞較為嚴(yán)重, 一般是由于晶閘管因過電壓而擊穿,造成無正、反向阻斷能力,它相當(dāng)于整流橋臂間發(fā)生了長久性短路,使在另外兩橋臂間的晶閘管導(dǎo)通時(shí),無法正常換流,因而產(chǎn)生線間短路引起過電流。另一類則是整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流,這類情況時(shí)有發(fā)生,因?yàn)檎鳂虻呢?fù)載實(shí)質(zhì)上是逆變橋, 逆變電路換流失敗,就相當(dāng)于整流橋負(fù)載短路。另外,如整流變壓器中心點(diǎn)接地,當(dāng)逆變負(fù)載回路接觸大地時(shí),也會(huì)發(fā)生整流橋相對(duì)地來說就是短路。
①對(duì)于**類過流,即整流橋內(nèi)部原因引起的過流,以及逆變器負(fù)載回路接地時(shí),可以采用**種保護(hù)措施,*常見的就是接入快速熔斷器的方式,如圖7所示(F)?？焖偃蹟嗥鞯慕尤敕绞焦灿腥N,其特點(diǎn)和快速熔斷器的額定電流見表2。



②對(duì)于**類過流,即整流橋負(fù)載外電路發(fā)生短路而引起的過電流,則應(yīng)當(dāng)采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常見的電子保護(hù)原理如圖8所示。

(2)晶閘管的過壓保護(hù)
晶閘管設(shè)備在運(yùn)行過程中,會(huì)受到由交流供電電網(wǎng)進(jìn)入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時(shí),設(shè)備自身運(yùn)行中以及非正常運(yùn)行中也有過電壓出現(xiàn)。
①過電壓保護(hù)的**種方法是并接R-C阻容吸收回路,以及用壓敏電阻RV或硒堆等非線性元件加以抑制,如圖9(a)(b)所示。

②過電壓保護(hù)的**種方法是采用電子電路進(jìn)行保護(hù)。常見的電子保護(hù)原理如圖10所示。

(3)電流上升率、電壓上升率的抑制保護(hù)
①電流上升率di/dt的抑制。晶閘管初開通時(shí)電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區(qū)域,局部電流密度很大,然后以0.1mm/μs的擴(kuò)展速度將電流擴(kuò)展到整個(gè)陰極面,若晶閘管開通時(shí)電流上升率 di/dt過大,會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿,必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的范圍內(nèi),其有效辦法是在晶閘管的陽極回路串入電感,如圖11所示。

②電壓上升率du/dt的抑制。加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應(yīng)有所限制,如果du/dt過大,由于晶閘管結(jié)電容的存在而產(chǎn)生較大的位移電流,該電流可以實(shí)際上起到觸發(fā)電流的作用,使晶閘管正向阻斷能力下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起晶閘管誤導(dǎo)通。為抑制du/dt的作用,可以在晶閘管兩端并聯(lián)R-C阻容吸收回路,如圖12所示。
3.5 晶閘管損壞原因判別

(1)電壓擊穿。晶閘管因不能承受電壓而損壞,其芯片中有一個(gè)光潔的小孔,有時(shí)需用放大鏡才能看見。其原因可能是管子本身耐壓下降或被電路斷開時(shí)產(chǎn)生的高電壓擊穿。
(2)電流損壞。電流損壞的痕跡特征是芯片被燒成一個(gè)凹坑,且粗糙,其位置遠(yuǎn)離門極。
(3)電流上升率損壞。其痕跡與電流損壞相同,而其位置在門極附近或就在控制極上。
(4)邊緣損壞。它發(fā)生在芯片外圓倒角處,有細(xì)小光潔小孔。用放大鏡可看到倒角面上有細(xì)細(xì)金屬物劃痕,這是制造廠家安裝不慎所造成的,會(huì)導(dǎo)致電壓擊穿。
3.6 晶閘管的檢測(cè)
(1)單向晶閘管的檢測(cè)方法
取萬用表選電阻R×1Ω擋,紅、黑兩表筆分別測(cè)任意兩引腳間正反向電阻,直至找出讀數(shù)為數(shù)十歐姆的一對(duì)引腳,此時(shí),黑表筆的引腳為門極G,紅表筆的引腳為陰極K,另一空腳為陽極A。此時(shí)將黑表筆接已判斷的陽極A,紅表筆仍接陰極K,此時(shí)萬用表指針應(yīng)不動(dòng);用短線瞬間短接陽極A和門極G,此時(shí)萬用表電阻擋指針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn),阻值讀數(shù)為10Ω左右。如陽極A接黑表筆,陰極K接紅表筆時(shí),萬用表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn),說明該單向晶閘管已被擊穿損壞。
(2)雙向晶閘管的檢測(cè)
取萬用表電阻R×1Ω擋,用紅、黑兩表筆分別測(cè)任意兩引腳間正反向電阻,結(jié)果是其中兩組讀數(shù)為無窮大。若一組為數(shù)十歐姆時(shí),該組紅、黑表所接的兩引腳為**陽極A1和門極G,另一空腳即為**陽極A2。確定A1、G極后,再仔細(xì)測(cè)量A1、G極間正、反向電阻,讀數(shù)相對(duì)較小的那次測(cè)量的黑表筆所接的引腳為**陽極A1,紅表筆所接引腳為控制極G。將黑表筆接已確定的**陽極A2,紅表筆接**陽極A1,此時(shí)萬用表指針不應(yīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn),阻值為無窮大。再用短接線將A2、G極瞬間短接,給G極加上正向觸發(fā)電壓,A2、A1間阻值約10Ω左右。隨后斷開A2、G間短接線,萬用表讀數(shù)應(yīng)保持10Ω左右;互換紅、黑表筆接線,紅表筆接**陽極A2,黑表筆接**陽極A1。同樣萬用表指針應(yīng)不發(fā)生偏轉(zhuǎn),阻值為無窮大。A2、G極間再次瞬間短接,給G極加上負(fù)的觸發(fā)電壓,A1、A2間的阻值也是10Ω左右。隨后斷開A2、G極間短接線,萬用表讀數(shù)應(yīng)不變,保持在10Ω左右。符合以上規(guī)律,說明被測(cè)雙向晶閘管未損壞,且三個(gè)引腳極性判斷正確。
檢測(cè)功率較大的晶閘管時(shí),需要在萬用表黑筆中串接一節(jié)1.2V干電池,以提高觸發(fā)電壓。
3.7 晶閘管的型號(hào)說明
目前國產(chǎn)晶閘管的型號(hào)有新頒布和舊頒布的兩種型號(hào)，新型號(hào)將逐步取代舊型號(hào)，如表4所示。

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