晶闸管综合知识

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品，并于1958年使其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

　　晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

　　晶闸管的种类

　　晶闸管有多种分类方法。

　　（一）按关断、导通及控制方式分类

　　晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

　　（二）按引脚和极性分类

　　晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

　　（三）按封装形式分类

　　晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

　　（四）按电流容量分类

　　晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

　　（五）按关断速度分类

　　晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。

　　晶闸管的工作原理

　　晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

　　晶闸管的工作条件：

　　1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。

　　2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

　　3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

　　4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

　　从晶闸管的内部分析工作过程：

　　晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结图1，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管图2

　　当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

　　设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,

　　晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

　　Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

　　若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

　　从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2)/（1-（a1+a2））（1—1）式

　　硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3所示。

　　当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。从图3，当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。

　　式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。

　　在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。

　　可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

　　前已述及，普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。目前，GTO已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。

　　可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件，其结构及等效电路和普通晶闸管相同，因此图1仅绘出GTO典型产品的外形及符号。大功率GTO大都制成模块形式。

　　尽管GTO与SCR的触发导通原理相同，但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通晶闸管在导通之后即外于深度饱和状态，而GTO在导通后只能达到临界饱和，所以GTO门极上加负向触发信号即可关断。GTO的一个重要参数就是关断增益，βoff，它等于阳极最大可关断电流IATM与门极最大负向电流IGM之比，有公式

　　βoff =IATM/IGM

　　βoff一般为几倍至几十倍。βoff值愈大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。很显然，βoff与昌盛 的hFE参数颇有相似之处。

　　下面分别介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益βoff的方法。

　　1．判定GTO的电极

　　将万用表拨至R×1档，测量任意两脚间的电阻，仅当黑表笔接G极，红表笔接K极时，电阻呈低阻值，对其它情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定G、K极，剩下的就是A极。

　　2．检查触发能力

　　如图2(a)所示，首先将表Ⅰ的黑表笔接A极，红表笔接K极，电阻为无穷大；然后用黑表笔尖也同时接触G极，加上正向触发信号，表针向右偏转到低阻值即表明GTO已经导通；最后脱开G极，只要GTO维持通态，就说明被测管具有触发能力。

　　3．检查关断能力

　　现采用双表法检查GTO的关断能力，如图2(b)所示，表Ⅰ的档位及接法保持不变。将表Ⅱ拨于R×10档，红表笔接G极，黑表笔接K极，施以负向触发信号，如果表Ⅰ的指针向左摆到无穷大位置，证明GTO具有关断能力。

　　4．估测关断增益βoff

　　进行到第3步时，先不接入表Ⅱ，记下在GTO导通时表Ⅰ的正向偏转格数n1；再接上表Ⅱ强迫GTO关断，记下表Ⅱ的正向偏转格数n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益：

　　βoff=IATM/IGM≈IAT/IG＝K1n1/ K2n2

　　式中K1—表Ⅰ在R×1档的电流比例系数；

　　K2—表Ⅱ在R×10档的电流比例系数。

　　βoff≈10×n1/ n2

　　此式的优点是，不需要具体计算IAT、IG之值，只要读出二者所对应的表针正向偏转格数，即可迅速估测关断增益值。

　　注意事项：

　　（1）在检查大功率GTO器件时，建议在R×1档外边串联一节1.5V电池E′，以提高测试电压和测试电流，使GTO可靠地导通。

　　（2）要准确测量GTO的关断增益βoff，必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同，测量结果仅供参考，或作为相对比较的依据。

　　逆导晶闸管RCT(Reverse-ConducTIng ThyrisTIr)亦称反向导通晶闸管。其特点是在晶闸管的阳极与阴极之间反向并联一只二极管，使阳极与阴极的发射结均呈短路状态。由于这种特殊电路结构，使之具有耐高压、耐高温、关断时间短、通态电压低等优良性能。例如，逆导晶闸管的关断时间仅几微秒，工作频率达几十千赫，优于快速晶闸管（FSCR）。该器件适用于开关电源、UPS不间断电源中，一只RCT即可代替晶闸管和续流二极管各一只，不仅使用方便，而且能简化电路设计。

　　逆导晶闸管的符号、等效电路如图1(a)、(b)所示。其伏安特性见图2。由图显见，逆导晶闸管的伏安特性具有不对称性，正向特性与普通晶闸管SCR相同，而反向特性与硅整流管的正向特性相同（仅坐标位置不同）。

　　逆导晶闸管的典型产品有美国无线电公司（RCA）生产的S3900MF，其外形见图1(c)。它采用TO-220封装，三个引出端分别是门极G、阳极A、阴极K。S3900MF的主要参数如下：

　　断态重复峰值电压VDRM：＞750V

　　通态平均电流IT（AV）：5A

　　最大通态电压VT：3V（IT=30A）

　　最大反向导通电压VTR：＜0.8V

　　最大门极触发电压VGT:4V

　　最大门极触发电流IGT:40mA

　　关断时间toff:2.4μs

　　通态电压临界上升率du/dt:120V/μs

　　通态浪涌电流ITSM:80A

　　利用万用表和兆欧表可以检查逆导晶闸管的好坏。测试内容主要分三项：

　　1．检查逆导性

　　选择万用表R×1档，黑表笔接K极，红表笔接A极（参见图3(a)），电阻值应为5～10Ω。若阻值为零，证明内部二极管短路；电阻为无穷大，说明二极管开路。

　　2．测量正向直流转折电压V（BO）

　　按照（b）图接好电路，再按额定转速摇兆欧表，使RCT正向击穿，由直流电压表上读出V（BO）值。

　　3．检查触发能力

　　实例：使用500型万用表和ZC25-3型兆欧表测量一只S3900MF型逆导晶闸管。依次选择R×1k、R×100、R×10和R×1档测量A-K极间反向电阻，同时用读取电压法求出出内部二极管的反向导通电压VTR（实际是二极管正向电压VF）。再用兆欧表和万用表500VDC档测得V（BO）值。全部数据整理成表1。由此证明被测RCT质量良好。

　　注意事项：

　　（1）S3900MF的VTR＜0.8V，宜选R×1档测量。

　　（2）若再用读取电流法求出ITR值，还可以绘制反向伏安特性。

　　①一般小功率晶闸管不需加散热片，但应远离发热元件，如大功率电阻、大功率三极管以及电源变压器等。对于大功率晶闸管，必须按手册申的要求加装散热装置及冷却条件，以保证管子工作时的温度不超过结温。

　　②晶闸管在使用中发生超越和短路现象时，会引发过电流将管子烧毁。对于过电流，一般可在交流电源中加装快速保险丝加以保护。快速保险丝的熔断时间极短，一般保险丝的额定电流用晶闸管额定平均电流的1.5倍来选择。

　　③交流电源在接通与断开时，有可能在晶闸管的导通或阻断对出现过压现象，将管子击穿。对于过电压，可采用并联RC吸收电路的方法。因为电容两端的电压不能突变，所以只要在晶闸管的阴极及阳极间并取RC电路，就可以削弱电源瞬间出现的过电压，起到保护晶闸管的作用。当然也可以采用压敏电阻过压保护元件进行过压保护。

　　可控硅的使用注意事项

　　选用可控硅的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电压的大小，并留出一定的余量。

　　1、选用可控硅的额定电流时，除了考虑通过元件的平均电流外，还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。

　　2、使用可控硅之前，应该用万用表检查可控硅是否良好。发现有短路或断路现象时，应立即更换。

　　3、严禁用兆欧表（即摇表）检查元件的绝缘情况。

　　4、电流为5A以上的可控硅要装散热器，并且保证所规定的冷却条件。为保证散热器与可控硅管心接触良好，它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂，以帮于良好的散热。

　　5、按规定对主电路中的可控硅采用过压及过流保护装置。

　　6、要防止可控硅控制极的正向过载和反向击穿。