標籤:科技工程半導體技術

晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱,又可稱做可控硅整流器,以前被簡稱為可控硅;1957年美國通用電器公司開發出世界上第一款晶閘管產品,並於1958年將其商業化;晶閘管是PNPN四層半導體結構,它有三個極:陽極,陰極和門極; 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,且其工作過程可以控制、被廣泛應用於可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。

1定義

晶閘管導通條件為:加正向電壓且門極有觸發電流;其派生器件有:快速晶閘管,雙向晶閘管,逆導晶閘管,光控晶閘管等。它是一種大功率開關型半導體器件,在電路中用文字元號為「V」、「VT」表示(舊標準中用字母「SCR」表示)。
晶閘管(Thyristor)是一種開關元件,能在高電壓、大電流條件下工作,並且它的其工作過程可以控制、被廣泛應用於可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中,是典型的小電流控制大電流的設備。1957年,美國通用電器公司開發出世界上第一個晶閘管產品,並於1958年使其商業化。
結構
它是由一個P-N-P-N四層 (4 layers) 半導體構成的,中間形成了三個PN結。

2分類

按引腳和極性
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。
按電流容量分類
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,大功率晶閘管多採用金屬殼封裝,而中、小功率晶閘管則多採用塑封或陶瓷封裝。
概述
晶閘管是四層三端器件,它有J1、J2、J3三個PN結圖1,可以把它中間的NP分成兩部分,構成一個PNP型三極體和一個NPN型三極體的複合管圖2
當晶閘管承受正向陽極電壓時,為使晶閘管導通,必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。圖2中每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此,兩個互相複合的晶體管電路,當有足夠的門極電流Ig流入時,就會形成強烈的正反饋,造成兩晶體管飽和導通,晶體管飽和導通。
設PNP管和NPN管的集電極電流相應為Ic1和Ic2;發射極電流相應為Ia和Ik;電流放大係數相應為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik,設流過J2結的反相漏電電流為Ic0,
晶閘管的陽極電流等於兩管的集電極電流和漏電流的總和:
Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0
若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為Ik=Ia+Ig
從而可以得出晶閘管陽極電流為:I=(Ic0+Iga2)/(1-(a1+a2))(1—1)式
硅PNP管和硅NPN管相應的電流放大係數a1和a2隨其發射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。
當晶閘管承受正向陽極電壓,而門極未受電壓的情況下,式(1—1)中,Ig=0,(a1+a2)很小,故晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0 晶閘管處於正向阻斷狀態。當晶閘管在正向陽極電壓下,從門極G流入電流Ig,由於足夠大的Ig流經NPN管的發射結,從而提高起點流放大係數a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發射結,並提高了PNP管的電流放大係數a1,產生更大的極電極電流Ic1流經NPN管的發射結。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。從圖3,當a1和a2隨發射極電流增加而(a1+a2)≈1時,式(1—1)中的分母1-(a1+a2)≈0,因此提高了晶閘管的陽極電流Ia.這時,流過晶閘管的電流完全由主迴路的電壓和迴路電阻決定。晶閘管已處於正嚮導通狀態。
式(1—1)中,在晶閘管導通后,1-(a1+a2)≈0,即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續導通。晶閘管在導通后,門極已失去作用。
在晶閘管導通后,如果不斷的減小電源電壓或增大迴路電阻,使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時,由於a1和a1迅速下降,當1-(a1+a2)≈0時,晶閘管恢復阻斷狀態。
可關斷晶閘管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)亦稱門控晶閘管。其主要特點為,當門極加負向觸發信號時晶閘管能自行關斷。
晶閘管智能模塊

  晶閘管智能模塊

前已述及,普通晶閘管(SCR)靠門極正信號觸發之後,撤掉信號亦能維持通態。欲使之關斷,必須切斷電源,使正向電流低於維持電流IH,或施以反向電壓強近關斷。這就需要增加換向電路,不僅使設備的體積重量增大,而且會降低效率,產生波形失真和雜訊。可關斷晶閘管克服了上述缺陷,它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優點,以具有自關斷能力,使用方便,是理想的高壓、大電流開關器件。GTO的容量及使用壽命均超過巨型晶體管(GTR),只是工作頻紡比GTR低。目前,GTO已達到3000A、4500V的容量。大功率可關斷晶閘管已廣泛用於斬波調速、變頻調速、逆變電源等領域,顯示出強大的生命力。
可關斷晶閘管也屬於PNPN四層三端器件,其結構及等效電路和普通晶閘管相同,因此圖1僅繪出GTO典型產品的外形及符號。大功率GTO大都製成模塊形式。
儘管GTO與SCR的觸發導通原理相同,但二者的關斷原理及關斷方式截然不同。這是由於普通晶閘管在導通之後即外於深度飽和狀態,而GTO在導通后只能達到臨界飽和,所以GTO門極上加負向觸發信號即可關斷。GTO的一個重要參數就是關斷增益,βoff,它等於陽極最大可關斷電流IATM與門極最大負向電流IGM之比,有公式
βoff =IATM/IGM
βoff一般為幾倍至幾十倍。βoff值愈大,說明門極電流對陽極電流的控制能力愈強。很顯然,βoff與昌盛 的hFE參數頗有相似之處。
下面分別介紹利用萬用表判定GTO電極、檢查GTO的觸發能力和關斷能力、估測關斷增益βoff的方法。
檢查觸發能力
如圖2(a)所示,首先將表Ⅰ的黑表筆接A極,紅表筆接K極,電阻為無窮大;然後用黑表筆尖也同時接觸G極,加上正向觸發信號,錶針向右偏轉到低阻值即表明GTO已經導通;最後脫開G極,只要GTO維持通態,就說明被測管具有觸發能力。
估測關斷增益βoff
進行到第3步時,先不接入表Ⅱ,記下在GTO導通時表Ⅰ的正向偏轉格數n1;再接上表Ⅱ強迫GTO關斷,記下表Ⅱ的正向偏轉格數n2。最後根據讀取電流法按下式估算關斷增益:
βoff=IATM/IGM≈IAT/IG=K1n1/ K2n2
式中K1—表Ⅰ在R×1檔的電流比例係數;
K2—表Ⅱ在R×10檔的電流比例係數。
βoff≈10×n1/ n2
此式的優點是,不需要具體計算IAT、IG之值,只要讀出二者所對應的錶針正向偏轉格數,即可迅速估測關斷增益值。
注意事項:
⑴在檢查大功率GTO器件時,建議在R×1檔外邊串聯一節1.5V電池E′,以提高測試電壓和測試電流,使GTO可靠地導通。
⑵要準確測量GTO的關斷增益βoff,必須有專用測試設備。但在業餘條件下可用上述方法進行估測。由於測試條件不同,測量結果僅供參考,或作為相對比較的依據。

3相關信息

檢查
利用萬用表和兆歐表可以檢查逆導晶閘管的好壞。測試內容主要分
逆導晶閘管

  逆導晶閘管

三項:
1.檢查逆導性
選擇萬用表R×1檔,黑表筆接K極,紅表筆接A極(參見圖3(a)),電阻值應為5~10Ω。若阻值為零,證明內部二極體短路;電阻為無窮大,說明二極體開路。
2.測量正向直流轉折電壓V(BO)
按照(b)圖接好電路,再按額定轉速搖兆歐表,使RCT正向擊穿,由直流電壓表上讀出V(BO)值。
3.檢查觸發能力
實例:使用500型萬用表和ZC25-3型兆歐表測量一隻S3900MF型逆導晶閘管。依次選擇R×1k、R×100、R×10和R×1檔測量A-K極間反向電阻,同時用讀取電壓法求出出內部二極體的反嚮導通電壓VTR(實際是二極體正向電壓VF)。再用兆歐表和萬用表500VDC檔測得V(BO)值。全部數據整理成表1。由此證明被測RCT質量良好。
發展
逆導晶閘管的發展方向為快速、高壓、大電流以及晶閘管部分能自關斷。晶閘管部分能自關斷的逆導晶閘管稱逆導可關斷晶閘管,它兼有可關斷晶閘管和逆導晶閘管的優點。逆導晶閘管用於逆變電路、斬波電路等需要將晶閘管和二極體反並聯的場合。

4光控

光控晶閘管(Light Triggered Thyristor——LTT),又稱光觸發晶閘管。國內也稱GK型光開關管,是一種光敏器件。
1.光控晶閘管的結構
通常晶閘管有三個電極:控制極G、陽極A和陰極K。而光控晶閘管由於其控制信號來自光的照射,沒有必要再引出控制極,所以只有兩個電極(陽極A和陰極K)。但它的結構與普通可控硅一樣,是由四層PNPN器件構成。
從外形上看,光控晶閘管亦有受光窗口,還有兩條管腳和殼體,酷似光電二極體。
2.光控晶閘管的工作原理
當在光控晶閘管的陽極加上正向電壓,陰極加上負向電壓時,控晶閘管可以等效成的電路。
可推算出下式:
Ia = Il / [1-(a1+a2)]
式中, Il為光電二極體的光電流;Ia為光控晶閘管陽極電流,即光控晶閘管的輸出電流;a1、a2分別為BGl、BG2的電流放大係數。
由上式可知,Ia與Il成正比,即當光電二極體的光電流增大時,光控晶閘管的輸出電流也相應增大,同時Il的增大,使BGl、BG2的電流放大係數a1、a2也增大。當al與a2之和接近l時,光控晶閘管的Ia達到最大,即完全導通。能使光控晶閘管導通的最小光照度,稱其為導通光照度。光控晶閘管與普通晶閘管一樣,一經觸發,即成通導狀態。只要有足夠強度的光源照射一下管子的受光窗口,它就立即成為通導狀態,而後即使撤離光源也能維持導通,除非加在陽極和陰極之間的電壓為零或反相,才能關閉。
3.光控晶閘管的特性
為了使光控晶閘管能在微弱的光照下觸發導通,因此必須使光控晶閘管在極小的控制電流下能可靠地導通。這樣光控晶閘管受到了高溫和耐壓的限制,在目前的條件下,不可能與普通晶閘管一樣做成大功率的。
光控晶閘管除了觸發信號不同以外,其它特性基本與普通晶閘管是相同的,因此在使用時可按照普通晶閘管選擇,只要注意它是光控這個特點就行了。光控晶閘管對光源的波長有一定的要求,即有選擇性。波長在0.8——0.9um的紅外線及波長在1um左右的激光,都是光控晶閘管較為理想的光源。

5可控使用

損壞原因判別
當晶閘管損壞后需要檢查分析其原因時,可把管芯從冷卻套中取出,打開芯盒再取出晶元,觀察其損壞后的痕迹,以判斷是何原因。下面介紹幾種常見現象分析。
1、電壓擊穿。晶閘管因不能承受電壓而損壞,其晶元中有一個光潔的小孔,有時需用擴大鏡才能看見。其原因可能是管子本身耐壓下降或被電路斷開時產生的高電壓擊穿。
2、電流損壞。電流損壞的痕迹特徵是晶元被燒成一個凹坑,且粗糙,其位置在遠離控制極上。
3、電流上升率損壞。其痕迹與電流損壞相同,而其位置在控制極附近或就在控制極上。
4、 邊緣損壞。他發生在晶元外圓倒角處,有細小光潔小孔。用放大鏡可看到倒角面上有細細金屬物划痕。這是製造廠家安裝不慎所造成的。它導致電壓擊穿。

6主要用途

普通晶閘管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極體整流電路屬於不可控整流電路。如果把二極體換成晶閘管,就可以構成可控整流電路、逆變、電機調速、電機勵磁、無觸點開關及自動控制等方面。現在我畫一個最簡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的控制極沒有輸入觸發脈衝Ug,VS仍然不能導通,只有在U2處於正半周,在控制極外加觸發脈衝Ug時,晶閘管被觸發導通。現在,畫出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕,可以看到,只有在觸發脈衝Ug到來時,負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。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衝Ug到來的時間,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衝到來瞬間所經歷的電角度稱為控制角α;在每個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,改變負載上脈衝直流電壓的平均值UL,實現了可控整流。
晶閘管
晶體閘流管(英語:Thyristor),簡稱晶閘管,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),中國大陸通常簡稱可控硅,又稱半導體控制整流器,是一種具有三個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。晶閘管的特點是具有可控的單嚮導電,即與一般的二極體相比,可以對導通電流進行控制。晶閘管具有以小電流(電壓)控制大電流(電壓)作用,並體積小、輕、功耗低、效率高、開關迅速等優點,廣泛用於無觸點開關、可控整流、逆變、調光、調壓、調速等方面。

7發展歷史

半導體的出現成為20世紀現代物理學其中一項最重大的突破,標誌著電子技術的誕生。而由於不同領域的實際需要,促使半導體器件自此分別向兩個分支快速發展,其中一個分支即是以集成電路為代表的微電子器件,特點為小功率、集成化,作為信息的檢出、傳送和處理的工具;而另一類就是電力電子器件,特點為大功率、快速化。1955年,美國通用電氣公司發表了世界上第一個以硅單晶為半導體整流材料的硅整流器(SR),1957年又發表了全球首個用於功率轉換和控制的可控硅整流器(SCR)。由於它們具有體積小、重量輕、效率高、壽命長的優勢,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域進入了強電控制領域、大功率控制領域。在整流器的應用上,晶閘管迅速取代了水銀整流器(引燃管),實現整流器的固體化、靜止化和無觸點化,並獲得巨大的節能效果。從1960年代開始,由普通晶閘管相繼衍生出了快速晶閘管、光控晶閘管、不對稱晶閘管及雙向晶閘管等各種特性的晶閘管,形成一個龐大的晶閘管家族。
但晶閘管本身存在兩個制約其繼續發展的重要因素。一是控制功能上的欠缺,普通的晶閘管屬於半控型器件,通過門極(控制極)只能控制其開通而不能控制其關斷,導通后控制極即不再起作用,要關斷必須切斷電源,即令流過晶閘管的正向電流小於維持電流。由於晶閘管的關斷不可控的特性,必須另外配以由電感、電容及輔助開關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,而且系統更為複雜、可靠性降低。二是因為此類器件立足於分立元件結構,開通損耗大,工作頻率難以提高,限制了其應用範圍。1970年代末,隨著可關斷晶閘管(GTO)日趨成熟,成功克服了普通晶閘管的缺陷,標誌著電力電子器件已經從半控型器件發展到全控型器件。

8類型

晶閘管一詞有時單指SCR;有時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)、 可關斷晶閘管(GTO)、 SIT、及其他種類等。
單向晶閘管是PNPN四層結構,形成三個PN結,可以等效為PNP、NPN兩晶體管組成的複合管,具有三個外電極:陽極A(Anode),陰極K(Cathode)和控制極G(Gate)。在A、K之間加上正電壓后,管子並不導通;當控制極G加上正電壓(相對於陰極K而言)后才導通;此時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單向晶閘管反向並聯。因雙向晶閘管正負雙向均可以控制導通,故控制極G外的另外兩個電極不再稱陰極陽極,而改稱為主電極MT1、MT2或T1、T2。當G與MT1間給予適當的訊號時,MT2與MT1間即可導通。
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