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可控硅,是可控硅整流元件的簡稱,是一種具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導體器件,亦稱為晶閘管。具有體積小、結(jié)構(gòu)相對簡單、功能強等特點,是比較常用的半導體器件之一。該器件被廣泛應用于各種電子設備和電子產(chǎn)品中,多用來作可控整流、逆變、變頻、調(diào)壓、無觸點開關等。家用電器中的調(diào)光燈、調(diào)速風扇、空調(diào)機、電視機、電冰箱、洗衣機、照相機、組合音響、聲光電路、定時控制器、玩具裝置、無線電遙控、攝像機及工業(yè)控制等都大量使用了可控硅器件。

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: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?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。

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備,如果超過此功率,因元件開關損耗顯著增加,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;反應極快,在微秒級內(nèi)開通、關斷;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。

結(jié)構(gòu)原件

可控硅是P1、N1、P2、N2四層三端結(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。雙向可控硅:雙向可控硅是一種硅可控整流器件,也稱作雙向晶閘管。這種器件在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點控制,以小電流控制大電流,具有無火花、動作快、壽命長、可靠性高以及簡化電路結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。從外表上看,雙向可控硅和普通可控硅很相似,也有三個電極。

但是,它除了其中一個電極G仍叫做控制極外,另外兩個電極通常卻不再叫做陽極和陰極,而統(tǒng)稱為主電極Tl和T2。它的符號也和普通可控硅不同,是把兩個可控硅反接在一起畫成的,如圖2所示。它的型號,在我國一般用"3CTS"或"KS"表示;國外的資料也有用"TRIAC"來表示的。雙向可控硅的規(guī)格、型號、外形以及電極引腳排列依生產(chǎn)廠家不同而有所不同,但其電極引腳多數(shù)是按T1、T2、G的顧序從左至右排列(觀察時,電極引腳向下,面對標有字符的一面)。目前市場上最常見的幾種塑封外形結(jié)構(gòu)雙向可控硅的外形及電極引腳排列如下圖1所示。

晶閘管特性

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。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(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,去掉觸發(fā)電壓,仍然維持導通狀態(tài)。

晶閘管特點

"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,卻不能使它關斷。那么,用什么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,那么,在電壓過零時,晶閘管會自行關斷

應用類型

由圖可見,雙向可控硅的特性曲線是由一、三兩個象限內(nèi)的曲線組合成的。第一象限的曲線說明當加到主電極上的電壓使Tc對T1的極性為正時,我們稱為正向電壓,并用符號U21表示。當這個電壓逐漸增加到等于轉(zhuǎn)折電壓UBO時,圖3(b)左邊的可控硅就觸發(fā)導通,這時的通態(tài)電流為I21,方向是從T2流向Tl。從圖中可以看到,觸發(fā)電流越大,轉(zhuǎn)折電壓就越低,這種情形和普通可控硅的觸發(fā)導通規(guī)律是一致的, 當加到主電極上的電壓使Tl對T2的極性為正時,叫做反向電壓,并用符號U12表示。當這個電壓達到轉(zhuǎn)折電壓值時,圖3(b)右邊的可控硅便觸發(fā)導通,這時的電流為I12,其方向是從T1到T2。這時雙向可控硅的特性曲線,如圖4中第三象限所示。

四種觸發(fā)方式

由于在雙向可控硅的主。電極上,無論加以正向電壓或是反向電壓,也不管觸發(fā)信號是正向還是反向,它都能被觸發(fā)導通,因此它有以下四種觸發(fā)方式:(1)當主電極T2對Tl所加的電壓為正向電壓,控制積極G對第一電極Tl所加的也是正向觸發(fā)信號(圖5a)。雙向可控硅觸發(fā)導通后,電流I2l的方向從T2流向T1。由特性曲線可知,這時雙向可控硅觸發(fā)導通規(guī)律是按第二象限的特性進行的,又因為觸發(fā)信號是正向的,所以把這種觸發(fā)叫做"第一象限的正向觸發(fā)"或稱為I+觸發(fā)方式。(2)如果主電極T2仍加正向電壓,而把觸發(fā)信號改為反向信號(圖5b),這時雙向可控硅觸發(fā)導通后,通態(tài)電流的方向仍然是從T2到T1。我們把這種觸發(fā)叫做"第一象限的負觸發(fā)"或稱為I-觸發(fā)方式。(3)兩個主電極加上反向電壓U12(圖5c),輸入正向觸發(fā)信號,雙向可控硅導通后,通態(tài)電流從T1流向T2。雙向可控硅按第三象限特性曲線工作,因此把這種觸發(fā)叫做Ⅲ+觸發(fā)方式。 (4)兩個主電極仍然加反向電壓U12,輸入的是反向觸發(fā)信號(圖5d),雙向可控硅導通后,通態(tài)電流仍從T1流向T2。這種觸發(fā)就叫做Ⅲ-觸發(fā)方式。 雙向可控硅雖然有以上四種觸發(fā)方式,但由于負信號觸發(fā)所需要的觸發(fā)電壓和電流都比較小。工作比較可靠,因此在實際使用時,負觸發(fā)方式應用較多。

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�數(shù)

可控硅的主要參數(shù)有:

平均值

1、 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。

2、 正向阻斷峰值電壓VPF 在控制極開路未加觸發(fā)信號,陽極正向電壓還未超過導能電壓時,可以重復加在可控硅兩端的正向峰值電壓。可控硅承受的正向電壓峰值,不能超過手冊給出的這個參數(shù)值。

3、 反向阻斷峰值電壓VPR當可控硅加反向電壓,處于反向關斷狀態(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。

4、 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。

5、 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。許多新型可控硅元件相繼問世,如適于高頻應用的快速可控硅,可以用正或負的觸發(fā)信號控制兩個方向?qū)�通的雙向可控硅,可以用正觸發(fā)信號使其導通,用負觸發(fā)信號使其關斷的可控硅等等。

可控硅有多種分類方法。

一、按關斷、導通及控制方式分類:可控硅按其關斷、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、門極關斷可控硅(GTO)、BTG可控硅、溫控可控硅和光控可控硅等多種。

二、按引腳和極性分類: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。

三、按封裝形式分類: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。

四、按電流容量分類:可控硅按電流容量可分為大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三種。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、按關斷速度分類:可控硅按其關斷速度可分為普通可控硅和高頻(快速)可控硅。

六、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。

七、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。

按一機部IBI144一75的規(guī)定,普通型可控硅稱為KP型可控硅整流元件(又叫KP型硅閘流管》。普通可控硅的型號采用如下格式標注:

額定速態(tài)平均屯成系列共分為14個,如表1一5所示。正反向重復蜂值屯壓級別規(guī)定1000V以下的管子每100V為一級,1000V以上的等子每200V為一級。取電壓教除以100做為級別標志,如表1-6所示。

通態(tài)平均電壓組別依電壓大小分為9組,用宇毋表示,如表1一所示。

例如.KP500-12D表示的是通態(tài)平均電流為500A,額定(正反向重復峰值)電壓為1200V,管壓降(通態(tài)平均電壓)為0.6——-0.7V的普通型可控硅.

綜上所述,小結(jié)如下:

1、可控硅一般做成螺栓形和平板形,有三個電極,用硅半導體材料制成的管芯由PNPN四層組成

2、可控硅由關斷轉(zhuǎn)為導通必須同時具備兩個條件:(1〕受正向陽極電壓;(2)受正向門極電壓。

3、可控硅導通后,當陽極電流小干維持電流In時.可控硅關斷。

4、可控硅的特性主要是:1.陽極伏安特性曲線,2.門極伏安特性區(qū)。

5、應在額定參數(shù)范圍內(nèi)使用可控硅。選擇可控硅主要確定兩個參致:

電流

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

常用可控硅的封裝形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220ABC、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252、SOT-23、SOT23-3L等

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。以最簡單的單相半波可控整流電路為例,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(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,晶閘管被觸發(fā)導通。畫出它的波形(c)及(d),只有在觸發(fā)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(fā)脈沖Ug到來的時間,就可以調(diào)節(jié)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(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)�通角�?改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL,實現(xiàn)了可控整流。

1、小功率塑封雙向可控硅通常用作聲光控燈光系統(tǒng)。額定電流:IA小于2A。

2、大;中功率塑封和鐵封可控硅通常用作功率型可控調(diào)壓電路。像可調(diào)壓輸出直流電源等等。

3、大功率高頻可控硅通常用作工業(yè)中;高頻熔煉爐等。

可控硅從外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三種,螺旋式的應用較多�？煽毓栌腥齻�電極——-陽極(A)陰極(C)和控制極(G)。它有管芯是P型導體和N型導體交迭組成的四層結(jié)構(gòu),共有三個PN結(jié)�？煽毓韬椭挥幸粋�PN結(jié)的硅整流二極度管在結(jié)構(gòu)上迥然不同�？煽毓璧乃膶咏Y(jié)構(gòu)和控制極的引用,為其發(fā)揮"以小控大"的優(yōu)異控制特性奠定了基礎。在應用可控硅時,只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。電流容量達幾百安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控硅叫小功率可控硅,50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。

電壓測方法

可控硅為什么其有"以小控大"的可控性呢?下面我們用圖表-27來簡單分析可控硅的工作原理。

首先,可以把從陰極向上數(shù)的第一、二、三層看面是一只NPN型號晶體管,而二、三四層組成另一只PNP型晶體管。其中第二、第三層為兩管交迭共用。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(fā)信號,BG1將產(chǎn)生基極電流Ib1,經(jīng)放大,BG1將有一個放大了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(huán)放大,直到BG1、BG2完全導通。實際這一過程是"一觸即發(fā)"的過程,對可控硅來說,觸發(fā)信號加入控制極,可控硅立即導通。導通的時間主要決定于可控硅的性能。

可控硅一經(jīng)觸發(fā)導通后,由于循環(huán)反饋的原因,流入BG1基極的電流已不只是初始的Ib1,而是經(jīng)過BG1、BG2放大后的電流(β1*β2*Ib1)這一電流遠大于Ib1,足以保持BG1的持續(xù)導通。此時觸發(fā)信號即使消失,可控硅仍保持導通狀態(tài)只有斷開電源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,可控硅方可關斷。當然,如果Ea極性反接,BG1、BG2由于受到反向電壓作用將處于截止狀態(tài)。這時,即使輸入觸發(fā)信號,可控硅也不能工作。反過來,Ea接成正向,而觸動發(fā)信號是負的,可控硅也不能導通。另外,如果不加觸發(fā)信號,而正向陽極電壓大到超過一定值時,可控硅也會導通,但已屬于非正常工作情況了。

可控硅這種通過觸發(fā)信號(小的觸發(fā)電流)來控制導通(可控硅中通過大電流)的可控特性,正是它區(qū)別于普通硅整流二極管的重要特征。

普通可控硅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)(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,可以用剛才演示用的示教板電路。接通電源開關S,按一下按鈕開關SB,燈泡發(fā)光就是好的,不發(fā)光就是壞的。

測量方法

鑒別可控硅三個極的方法很簡單,根據(jù)P-N結(jié)的原理,只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(jié),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(jié),因此它的正向電阻大約在幾歐-幾百歐的范圍,反向電阻比正向電阻要大�？墒强刂茦O二極管特性是不太理想的,反向不是完全呈阻斷狀態(tài)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。

可控硅是可控硅整流元件的簡稱,是一種具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導體器件。實際上,可控硅的功用不僅是整流,它還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路,實現(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。可控硅和其它半導體器件一樣,其有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點。它的出現(xiàn),使半導體技術從弱電領域進入了強電領域,成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件。

主要廠家品牌:ST,NXP/PHILIPS,NEC,ON/MOTOROLA,RENESAS/MITSUBISHI,LITTELFUSE/TECCOR,TOSHIBA,JX ,SANREX,SANKEN ,SEMIKRON ,EUPEC,IR,JBL等。

IT(AV)——通態(tài)平均電流

VRRM——反向重復峰值電壓IDRM——斷態(tài)重復峰值電流

ITSM——通態(tài)一個周波不重復浪涌電流

VTM——通態(tài)峰值電壓

IGT——門極觸發(fā)電流

VGT——門極觸發(fā)電壓

IH——維持電流

dv/dt——斷態(tài)電壓臨界上升率

di/dt——通態(tài)電流臨界上升率

Rthjc——結(jié)殼熱阻

ⅥSO——模塊絕緣電壓

Tjm——額定結(jié)溫

VDRM——通態(tài)重復峰值電壓

IRRM——反向重復峰值電流

IF(AV)——正向平均電流

PGM——門極峰值功率

PG————門極平均功率

1、柵極上的噪聲電平

在有電噪聲的環(huán)境中,如果柵極上的噪聲電壓超過VGT,并有足夠的柵電流激發(fā)可控硅(晶閘管)內(nèi)部的正反饋,則也會被觸發(fā)導通。

應用安裝時,首先要使柵極外的連線盡可能短。當連線不能很短時,可用絞線或屏蔽線來減小干擾的侵入。在然后G與MT1之間加一個1KΩ的電阻來降低其靈敏度,也可以再并聯(lián)一個100nf的電容,來濾掉高頻噪聲。

2、關于轉(zhuǎn)換電壓變化率

當驅(qū)動一個大的電感性負載時,在負載電壓和電流間有一個很大的相移。當負載電流過零時,雙向可控硅(晶閘管)開始換向,但由于相移的關系,電壓將不會是零。所以要求可控硅(晶閘管)要迅速關斷這個電壓。如果這時換向電壓的變化超過允許值時,就沒有足夠的時間使結(jié)間的電荷釋放掉,而被迫使雙向可控硅(晶閘管)回到導通狀態(tài)。

為了克服上述問題,可以在端子MT1和MT2之間加一個RC網(wǎng)絡來限制電壓的變化,以防止誤觸發(fā)。一般,電阻取100R,電容取100nF。值得注意的是此電阻不能省掉。

3、關于轉(zhuǎn)換電流變化率

當負載電流增大,電源頻率的增高或電源為非正弦波時,會使轉(zhuǎn)換電流變化率變高,這種情況最易在感性負載的情況下發(fā)生,很容易導致器件的損壞。此時可以在負載回路中串聯(lián)一只幾毫亨的空氣電感。

4、關于可控硅(晶閘管)開路電壓變化率DVD/DT

在處于截止狀態(tài)的雙向可控硅(晶閘管)兩端加一個小于它的VDFM的高速變化的電壓時,內(nèi)部電容的電流會產(chǎn)生足夠的柵電流來使可控硅(晶閘管)導通。這在高溫下尤為嚴重,在這種情況下可以在MT1和MT2間加一個RC緩沖電路來限制VD/DT,或可采用高速可控硅(晶閘管)。

5、關于連續(xù)峰值開路電壓VDRM

在電源不正常的情況下,可控硅(晶閘管)兩端的電壓會超過連續(xù)峰值開路電壓VDRM的最大值,此時可控硅(晶閘管)的漏電流增大并擊穿導通。如果負載能允許很大的浪涌電流,那么硅片上局部的電流密度就很高,使這一小部分先導通。導致芯片燒毀或損壞。另外白熾燈,容性負載或短路保護電路會產(chǎn)生較高的浪涌電流,這時可外加濾波器和鉗位電路來防止尖峰(毛刺)電壓加到雙向可控硅(晶閘管)上。