晶閘管
來源：作者：日期：2017-11-23 16:29:38點擊：8244次
晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱，又被稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅;1957年美國通用電氣公司開發出世界上第一款晶閘管產品，并于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，陰極和控制極; 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、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。
| 中文名 | 外文名 | 全名 | 別名 |
| 晶閘管 | Thyristor | 晶體閘流管 | 可控硅整流器 |
目錄
1、晶閘管簡介
2、晶閘管工作原理
3、晶閘管主要用途
4、晶閘管分類
5、晶閘管的基本特性
6、晶閘管歷史
7、使用注意事項
8、單向晶閘管的檢測
晶閘管簡介
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向導電，即與一般的二極管相比，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，并體積小、輕、功耗低、效率高、開關迅速等優點，廣泛用于無觸點開關、可控整流、逆變、調光、調壓、調速等方面。
晶閘管工作原理
晶閘管在工作過程中，它的陽極(A)和陰極(K)與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。
半控型晶閘管的工作條件：
2.1.1. 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態。
2.1.2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。這時晶閘管處于正向導通狀態，這就是晶閘管的閘流特性，即可控特性。
2.1.3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。門極只起觸發作用。
2.1.4. 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓(或電流)減小到接近于零時，晶閘管關斷。
全控型晶閘管的工作條件：
2.2.1. 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態。
2.2.2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓(或電流)的情況下晶閘管才導通。這時晶閘管處于正向導通狀態。
2.2.3. 一旦晶閘管開始導通，它就被鉗住在導通狀態，而此時門極電流可以取消。晶閘管不能被門極關斷，像一個二極管一樣導通，直到電流降至零和有反向偏置電壓作用在晶閘管上時，它才會截止。當晶閘管再次進入正向阻斷狀態后，允許門極在某個可控的時刻將晶閘管再次觸發導通
晶閘管主要用途
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，在控制極外加觸發脈沖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，只有在觸發脈沖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沖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沖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范圍的。通過改變控制角α或導通角θ，改變負載上脈沖直流電壓的平均值UL，實現了可控整流。
晶閘管類型
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兩晶體管組成的復合管，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，管子并不導通;當控制極G加上正電壓(相對于陰極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并聯。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
晶閘管分類
4.1關斷導通控制
晶閘管按其關斷、導通及控制方式可分為普通晶閘管(SCR)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導晶閘管(RCT)、門極關斷晶閘管(GTO)、BTG晶閘管、溫控晶閘管(TT國外，TTS國內)和光控晶閘管(LTT)等多種。
4.2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。
4.3按封裝形式
晶閘管按其封裝形式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種;塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。
4.4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，大功率晶閘管多采用陶瓷封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或金屬封裝。
4.5按關斷速度
晶閘管按其關斷速度可分為普通晶閘管和快速晶閘管，快速晶閘管包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有常規的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應用于400HZ和10KHZ以上的斬波或逆變電路中。(備注：高頻不能等同于快速晶閘管)
晶閘管的基本特性
5.1、晶閘管的靜態伏安特性
第I象限的是正向特性有阻斷狀態和導通狀態之分。在正向阻斷狀態時，晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流的增加而不同的曲線簇。當IG足夠大時，晶閘管的正向轉折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣，第III象限的是反向特性晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。
IG=0時，器件兩端施加正向電壓，為正向阻斷狀態，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。
5.2. 動態特性
與二極管類似，開通、關斷過程產生動態損耗晶閘管的開通和關斷過程波形
5.2.1) 開通過程
延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩態值的10%的時間上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩態值的90%所需的時間開通時間tgt：以上兩者之和， tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時間為0.5~1.5?s，上升時間為0.5~3s
5.2.2) 關斷過程
反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至近于零的時間
正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通。實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。關斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒，這是設計反向電壓設計時間的依據。
晶閘管本身的壓降很小，在1V左右
導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態。IH稱為維持電流。
晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性晶閘管的門極觸發電流從門極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門極觸發電流也往往是通過觸發電路在門極和陰極之間施加觸發電壓而產生的晶閘管的門極和陰極之間是PN結J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發，觸發電路所提供的觸發電壓、電流和功率應限制在可靠觸發區。
晶閘管歷史
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，標志著電子技術的誕生。而由于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，美國通用電氣公司研發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年又開發了全球首個用于功率轉換和控制的可控硅整流器(SCR)。由于它們具有體積小、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，并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，普通的晶閘管屬于半控型器件，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于維持電流。由于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，而且系統更為復雜、可靠性降低。二是因為此類器件立足于分立元件結構，開通損耗大，工作頻率難以提高，限制了其應用范圍。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，標志著電力電子器件已經從半控型器件發展到全控型器件。
使用注意事項
選用可控硅的額定電壓時，應參考實際工作條件下的峰值電壓的大小，并留出一定的余量。
7.1、選用可控硅的額定電流時，除了考慮通過元件的平均電流外，還應注意正常工作時導通角的大小、散熱通風條件等因素。在工作中還應注意管殼溫度不超過相應電流下的允許值。
7.2、使用可控硅之前，應該用萬用表檢查可控硅是否良好。發現有短路或斷路現象時，應立即更換。
7.3、嚴禁用兆歐表(即搖表)檢查元件的絕緣情況。
7.4、電流為5A以上的可控硅要裝散熱器，并且保證所規定的冷卻條件。為保證散熱器與可控硅管心接觸良好，它們之間應涂上一薄層有機硅油或硅脂，以幫于良好的散熱。
7.5、按規定對主電路中的可控硅采用過壓及過流保護裝置。
7.6、要防止可控硅控制極的正向過載和反向擊穿。
單向晶閘管的檢測
根據普通晶閘管的結構可知，門極與陰極之間為一個PN結，具有單向導電性，而陽極與門極之間有兩個反極性串聯的PN結。因此通過萬用表R*100或R*1K擋測量普通晶閘管各引腳之間的電阻值，即能確定三個電極。
具體方法是，將萬用表黑表筆任接晶閘管某一極，紅表筆依次去觸碰另外兩個電極，若測量結果有一次阻值為幾百歐姆，則可判定黑表筆接的是門極。在阻值為幾百歐姆的測量中，紅表筆接的是陰極，而在阻值為幾千歐姆的測量中，紅表筆接的是陽極，若兩次測出的阻值均很大，則說明黑表筆接的不是門極，應用同樣的方法改測其他電極，直到找出三個電極為止。
也可以測任兩腳之間正反向電阻，若正反向電阻均接近無窮大，則兩極即為陽極和陰極，而另一腳為門極。
普通晶閘管也可能根據其封裝形式來判斷各電極。螺栓形普通晶閘管的螺栓一端為陽極，較細的引線端為門極，較粗的引線端為陰極。
平板型普通晶閘管的引出線端為門極，平面端為陽極，另一端為陰極。
塑封(TO-220)普通晶閘管的中間引腳為陽極，且多為自帶散熱片相連。
