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晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、門(mén)極關(guān)斷晶閘管(GTO)、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。

二、按引腳和極性分類

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。

三、按封裝形式分類

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。

四、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,大功率晶閘管多采用金屬殼封裝,而中、小功率晶閘管則多采用塑封或陶瓷封裝。

五、按關(guān)斷速度分類

晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通晶閘管和高頻(快速)晶閘管。

1、晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí),不管門(mén)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(yáng)極電壓時(shí),僅在門(mén)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(yáng)極電壓,不論門(mén)極電壓如何,晶閘管保持導(dǎo)通,即晶閘管導(dǎo)通后,門(mén)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。

當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)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。因此,兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路,當(dāng)有足夠的門(mén)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,晶體管飽和導(dǎo)通。

設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流相應(yīng)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a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik,設(shè)流過(guò)J2結(jié)的反相漏電電流為Ic0,

晶閘管的陽(yáng)極電流等于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(mén)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(yáng)極電流為:I=(Ic0+Iga2)/(1-(a1+a2))(1-1)式

硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)a1和a2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(yáng)極電壓,而門(mén)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(yáng)極電流Ia≈Ic0晶閘關(guān)處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管在正向陽(yáng)極電壓下,從門(mén)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),從而提高起點(diǎn)流放大系數(shù)a2,產(chǎn)生足夠大的極電極電流Ic2流過(guò)PNP管的發(fā)射結(jié),并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1,產(chǎn)生更大的極電極電流Ic1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)。這樣強(qiáng)烈的正反饋過(guò)程迅速進(jìn)行。當(dāng)a1和a2隨發(fā)射極電流增加而(a1+a2)≈1時(shí),式(1-1)中的分母1-(a1+a2)≈0,因此提高了晶閘管的陽(yáng)極電流Ia.這時(shí),流過(guò)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)�通狀態(tài)。

式(1-1)中,在晶閘管導(dǎo)通后,1-(a1+a2)≈0,即使此時(shí)門(mén)極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來(lái)的陽(yáng)極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通后,門(mén)極已失去作用。

在晶閘管導(dǎo)通后,如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻,使陽(yáng)極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí),由于a1和a1迅速下降,當(dāng)1-(a1+a2)≈0時(shí),晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。

可關(guān)斷晶閘管GTO(GateTurn-OffThyristor)亦稱門(mén)控晶閘管。其主要特點(diǎn)為,當(dāng)門(mén)極加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)時(shí)晶閘管能自行關(guān)斷。

前已述及,普通晶閘管(SCR)靠門(mén)極正信號(hào)觸發(fā)之后,撤掉信號(hào)亦能維持通態(tài)。欲使之關(guān)斷,必須切斷電源,使正向電流低于維持電流IH,或施以反向電壓強(qiáng)近關(guān)斷。這就需要增加換向電路,不僅使設(shè)備的體積重量增大,而且會(huì)降低效率,產(chǎn)生波形失真和噪聲�？申P(guān)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(yōu)點(diǎn),以具有自關(guān)斷能力,使用方便,是理想的高壓、大電流開(kāi)關(guān)器件。GTO的容量及使用壽命均超過(guò)巨型晶體管(GTR),只是工作頻紡比GTR低。GTO已達(dá)到3000A、4500V的容量。大功率可關(guān)斷晶閘管已廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域,顯示出強(qiáng)大的生命力。

可關(guān)斷晶閘管也屬于PNPN四層三端器件,其結(jié)構(gòu)及等效電路和普通晶閘管相同,因此僅繪出GTO典型產(chǎn)品的外形及符號(hào)。大功率GTO大都制成模塊形式。

盡管GTO與SCR的觸發(fā)導(dǎo)通原理相同,但二者的關(guān)斷原理及關(guān)斷方式截然不同。這是由于普通晶閘管在導(dǎo)通之后即外于深度飽和狀態(tài),而GTO在導(dǎo)通后只能達(dá)到臨界飽和,所以GTO門(mén)極上加負(fù)向觸發(fā)信號(hào)即可關(guān)斷。GTO的一個(gè)重要參數(shù)就是關(guān)斷增益,βoff,它等于陽(yáng)極最大可關(guān)斷電流IATM與門(mén)極最大負(fù)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(shuō)明門(mén)極電流對(duì)陽(yáng)極電流的控制能力愈強(qiáng)。很顯然,βoff與昌盛的hFE參數(shù)頗有相似之處。

下面分別介紹利用萬(wàn)用表判定GTO電極、檢查GTO的觸發(fā)能力和關(guān)斷能力、估測(cè)關(guān)斷增益βoff的方法。

1、判定GTO的電極

將萬(wàn)用表?yè)苤罵×1檔,測(cè)量任意兩腳間的電阻,僅當(dāng)黑表筆接G極,紅表筆接K極時(shí),電阻呈低阻值,對(duì)其它情況電阻值均為無(wú)窮大。由此可迅速判定G、K極,剩下的就是A極。

2、檢查觸發(fā)能力

首先將表Ⅰ的黑表筆接A極,紅表筆接K極,電阻為無(wú)窮大;然后用黑表筆尖也同時(shí)接觸G極,加上正向觸發(fā)信號(hào),表針向右偏轉(zhuǎn)到低阻值即表明GTO已經(jīng)導(dǎo)通;最后脫開(kāi)G極,只要GTO維持通態(tài),就說(shuō)明被測(cè)管具有觸發(fā)能力。

3、檢查關(guān)斷能力

現(xiàn)采用雙表法檢查GTO的關(guān)斷能力,表Ⅰ的檔位及接法保持不變。將表Ⅱ撥于R×10檔,紅表筆接G極,黑表筆接K極,施以負(fù)向觸發(fā)信號(hào),如果表Ⅰ的指針向左擺到無(wú)窮大位置,證明GTO具有關(guān)斷能力。

4、估測(cè)關(guān)斷增益βoff

進(jìn)行到第3步時(shí),先不接入表Ⅱ,記下在GTO導(dǎo)通時(shí)表Ⅰ的正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)n1;再接上表Ⅱ強(qiáng)迫GTO關(guān)斷,記下表Ⅱ的正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)n2。最后根據(jù)讀取電流法按下式估算關(guān)斷增益:

βoff=IATM/IGM≈IAT/IG=K1n1/K2n2

式中K1-表Ⅰ在R×1檔的電流比例系數(shù);

K2-表Ⅱ在R×10檔的電流比例系數(shù)。

βoff≈10×n1/n2

此式的優(yōu)點(diǎn)是,不需要具體計(jì)算IAT、IG之值,只要讀出二者所對(duì)應(yīng)的表針正向偏轉(zhuǎn)格數(shù),即可迅速估測(cè)關(guān)斷增益值。

2、要準(zhǔn)確測(cè)量GTO的關(guān)斷增益βoff,必須有專用測(cè)試設(shè)備。但在業(yè)余條件下可用上述方法進(jìn)行估測(cè)。由于測(cè)試條件不同,測(cè)量結(jié)果僅供參考,或作為相對(duì)比較的依據(jù)。

逆導(dǎo)晶閘管RCT(Reverse-ConductingThyristir)亦稱反向?qū)�通晶閘管。其特點(diǎn)是在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間反向并聯(lián)一只二極管,使陽(yáng)極與陰極的發(fā)射結(jié)均呈短路狀態(tài)。由于這種特殊電路結(jié)構(gòu),使之具有耐高壓、耐高溫、關(guān)斷時(shí)間短、通態(tài)電壓低等優(yōu)良性能。例如,逆導(dǎo)晶閘管的關(guān)斷時(shí)間僅幾微秒,工作頻率達(dá)幾十千赫,優(yōu)于快速晶閘管(FSCR)。該器件適用于開(kāi)關(guān)電源、UPS不間斷電源中,一只RCT即可代替晶閘管和續(xù)流二極管各一只,不僅使用方便,而且能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

逆導(dǎo)晶閘管的符號(hào)、等效電路。其伏安特性。逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性具有不對(duì)稱性,正向特性與普通晶閘管SCR相同,而反向特性與硅整流管的正向特性相同(僅坐標(biāo)位置不同)。

逆導(dǎo)晶閘管的典型產(chǎn)品有美國(guó)無(wú)線電公司(RCA)生產(chǎn)的S3900MF。它采用TO-220封裝,三個(gè)引出端分別是門(mén)極G、陽(yáng)極A、陰極K。S3900MF的主要參數(shù)如下:

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM:>750V

通態(tài)平均電流IT(AV):5A

最大通態(tài)電壓VT:3V(IT=30A)

最大反向?qū)�通電壓VTR:<0.8V

最大門(mén)極觸發(fā)電壓VGT:4V

最大門(mén)極觸發(fā)電流IGT:40mA

關(guān)斷時(shí)間toff:2.4μs

通態(tài)電壓臨界上升率du/dt:120V/μs

通態(tài)浪涌電流ITSM:80A

利用萬(wàn)用表和兆歐表可以檢查逆導(dǎo)晶閘管的好壞。測(cè)試內(nèi)容主要分三項(xiàng):

1、檢查逆導(dǎo)性

選擇萬(wàn)用表R×1檔,黑表筆接K極,紅表筆接A極,電阻值應(yīng)為5~10Ω。若阻值為零,證明內(nèi)部二極管短路;電阻為無(wú)窮大,說(shuō)明二極管開(kāi)路。

2、測(cè)量正向直流轉(zhuǎn)折電壓V(BO)

接好電路,再按額定轉(zhuǎn)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(fā)能力

實(shí)例:使用500型萬(wàn)用表和ZC25-3型兆歐表測(cè)量一只S3900MF型逆導(dǎo)晶閘管。依次選擇R×1k、R×100、R×10和R×1檔測(cè)量A-K極間反向電阻,同時(shí)用讀取電壓法求出出內(nèi)部二極管的反向?qū)�通電壓VTR(實(shí)際是二極管正向電壓VF)。再用兆歐表和萬(wàn)用表500VDC檔測(cè)得V(BO)值。全部數(shù)據(jù)整理成表1。由此證明被測(cè)RCT質(zhì)量良好。

注意事項(xiàng):

1、S3900MF的VTR<0.8V,宜選R×1檔測(cè)量。

2、若再用讀取電流法求出ITR值,還可以繪制反向伏安特性。

①一般小功率晶閘管不需加散熱片,但應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件,如大功率電阻、大功率三極管以及電源變壓器等。對(duì)于大功率晶閘管,必須按手冊(cè)申的要求加裝散熱裝置及冷卻條件,以保證管子工作時(shí)的溫度不超過(guò)結(jié)溫。

②晶閘管在使用中發(fā)生超越和短路現(xiàn)象時(shí),會(huì)引發(fā)過(guò)電流將管子燒毀。對(duì)于過(guò)電流,一般可在交流電源中加裝快速保險(xiǎn)絲加以保護(hù)�？焖俦ｋU(xiǎn)絲的熔斷時(shí)間極短,一般保險(xiǎn)絲的額定電流用晶閘管額定平均電流的1.5倍來(lái)選擇。

③交流電源在接通與斷開(kāi)時(shí),有可能在晶閘管的導(dǎo)通或阻斷對(duì)出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象,將管子擊穿。對(duì)于過(guò)電壓,可采用并聯(lián)RC吸收電路的方法。因?yàn)?a href="/baike/list_6.html">電容兩端的電壓不能突變,所以只要在晶閘管的陰極及陽(yáng)極間并取RC電路,就可以削弱電源瞬間出現(xiàn)的過(guò)電壓,起到保護(hù)晶閘管的作用。當(dāng)然也可以采用壓敏電阻過(guò)壓保護(hù)元件進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。

在使用過(guò)程中,晶閘管對(duì)過(guò)電壓是很敏感的。過(guò)電流同樣對(duì)晶閘管有極大的損壞作用。西安瑞新公司給大家介紹晶閘管的保護(hù)方法,具體如下:

一、 過(guò)電壓保護(hù)

晶閘管對(duì)過(guò)電壓很敏感,當(dāng)正向電壓超過(guò)其斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM一定值時(shí)晶閘管就會(huì)誤導(dǎo)通,引發(fā)電路故障;當(dāng)外加反向電壓超過(guò)其反向重復(fù)峰值電壓URRM一定值時(shí),晶閘管就會(huì)立即損壞。因此,必須研究過(guò)電壓的產(chǎn)生原因及抑制過(guò)電壓的方法。

過(guò)電壓產(chǎn)生的原因主要是供給的電功率或系統(tǒng)的儲(chǔ)能發(fā)生了激烈的變化,使得系統(tǒng)來(lái)不及轉(zhuǎn)換,或者系統(tǒng)中原來(lái)積聚的電磁能量來(lái)不及消散而造成的。主要發(fā)現(xiàn)為雷擊等外來(lái)沖擊引起的過(guò)電壓和開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉引起的沖擊電壓兩種類型。由雷擊或高壓斷路器動(dòng)作等產(chǎn)生的過(guò)電壓是幾微秒至幾毫秒的電壓尖峰,對(duì)晶閘管是很危險(xiǎn)的。由開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉引起的沖擊電壓又分為如下幾類:

1、交流電源接通、斷開(kāi)產(chǎn)生的過(guò)電壓

例如,交流開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉、交流側(cè)熔斷器的熔斷等引起的過(guò)電壓,這些過(guò)電壓由于變壓器繞組的分布電容、漏抗造成的諧振回路、電容分壓等使過(guò)電壓數(shù)值為正常值的 2至10多倍。一般地,開(kāi)閉速度越快過(guò)電壓越高,在空載情況下斷開(kāi)回路將會(huì)有更高的過(guò)電壓。

2、直流側(cè)產(chǎn)生的過(guò)電壓

如切斷回路的電感較大或者切斷時(shí)的電流值較大,都會(huì)產(chǎn)生比較大的過(guò)電壓。這種情況常出現(xiàn)于切除負(fù)載、正在導(dǎo)通的晶閘管開(kāi)路或是快速熔斷器熔體燒斷等原因引起電流突變等場(chǎng)合。

3、換相沖擊電壓

包括換相過(guò)電壓和換相振蕩過(guò)電壓。換相過(guò)電壓是由于晶閘管的電流降為0時(shí)器件內(nèi)部各結(jié)層殘存載流子復(fù)合所產(chǎn)生的,所以又叫載流子積蓄效應(yīng)引起的過(guò)電壓。換相過(guò)電壓之后,出現(xiàn)換相振蕩過(guò)電壓,它是由于電感、電容形成共振產(chǎn)生的振蕩電壓,其值和換相結(jié)束后的反向電壓有關(guān)。反向電壓越高,換相振蕩過(guò)電壓也越大。

針對(duì)形成過(guò)電壓的不同原因,可以采取不同的抑制方法,如減少過(guò)電壓源,并使過(guò)電壓幅值衰減;抑制過(guò)電壓能量上升的速率,延緩已產(chǎn)生能量的消散速度,增加其消散的途徑;采用電子線路進(jìn)行保護(hù)等。最常用的是在回路中接入吸收能量的元件,使能量得以消散,常稱之為吸收回路或緩沖電路。

4、阻容吸收回路

通常過(guò)電壓均具有較高的頻率,因此常用電容作為吸收元件,為防止振蕩,常加阻尼電阻,構(gòu)成阻容吸收回路。阻容吸收回路可接在電路的交流側(cè)、直流側(cè),或并接在晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間。吸收電路最好選用無(wú)感電容,接線應(yīng)盡量短。

5、由硒堆及壓敏電阻等非線性元件組成吸收回路

上述阻容吸收回路的時(shí)間常數(shù)RC是固定的,有時(shí)對(duì)時(shí)間短、峰值高、能量大的過(guò)電壓來(lái)不及放電,抑制過(guò)電壓的效果較差。因此,一般在變流裝置的進(jìn)出線端還并有硒堆或壓敏電阻等非線性元件。硒堆的特點(diǎn)是其動(dòng)作電壓和溫度有關(guān),溫度越低耐壓越高;另外是硒堆具有自恢復(fù)特性,能多次使用,當(dāng)過(guò)電壓動(dòng)作后硒基片上的灼傷孔被溶化的硒重新覆蓋,又重新恢復(fù)其工作特性。壓敏電阻是以氧化鋅為基體的金屬氧化物非線性電阻,其結(jié)構(gòu)為兩個(gè)電極,電極之間填充的粒徑為 10~50μm的不規(guī)則的ZNO微結(jié)晶,結(jié)晶粒間是厚約1μm的氧化鉍粒界層。這個(gè)粒界層在正常電壓下呈高阻狀態(tài),只有很小的漏電流,其值小于 100μA。當(dāng)加上電壓時(shí),引起了電子雪崩,粒界層迅速變成低阻抗,電流迅速增加,泄漏了能量,抑制了過(guò)電壓,從而使晶閘管得到保護(hù)。浪涌過(guò)后,粒界層又恢復(fù)為高阻態(tài)。壓敏電阻的特性主要由下面幾個(gè)參數(shù)來(lái)表示。

標(biāo)稱電壓:指壓敏電阻流過(guò)1mA直流電流時(shí),其兩端的電壓值。

通流容量:是用前沿8微秒、波寬20微秒的波形沖擊電流,每隔5分鐘沖擊1次,共沖擊10次,標(biāo)稱電壓變化在-10[[[%]]]以內(nèi)的最大沖擊電流值來(lái)表示。

因?yàn)檎�常的壓敏電阻粒界層只有一定大小的放電容量和放電次�?shù),標(biāo)稱電壓值不僅會(huì)隨著放電次數(shù)增多而下降,而且也隨著放電電流幅值的增大而下降,當(dāng)大到某一電流時(shí),標(biāo)稱電壓下降到0,壓敏電阻出現(xiàn)穿孔,甚至炸裂;因此必須限定通流容量。

漏電流:指加一半標(biāo)稱直流電壓時(shí)測(cè)得的流過(guò)壓敏電阻的電流。

由于壓敏電阻的通流容量大,殘壓低,抑制過(guò)電壓能力強(qiáng);平時(shí)漏電流小,放電后不會(huì)有續(xù)流,元件的標(biāo)稱電壓等級(jí)多,便于用戶選擇;伏安特性是對(duì)稱的,可用于交、直流或正負(fù)浪涌;因此用途較廣。

二、 過(guò)電流保護(hù)

由于半導(dǎo)體器件體積小、熱容量小,特別像晶閘管這類高電壓大電流的功率器件,結(jié)溫必須受到嚴(yán)格的控制,否則將遭至徹底損壞。當(dāng)晶閘管中流過(guò)大于額定值的電流時(shí),熱量來(lái)不及散發(fā),使得結(jié)溫迅速升高,最終將導(dǎo)致結(jié)層被燒壞。

產(chǎn)生過(guò)電流的原因是多種多樣的,例如,變流裝置本身晶閘管損壞,觸發(fā)電路發(fā)生故障,控制系統(tǒng)發(fā)生故障等,以及交流電源電壓過(guò)高、過(guò)低或缺相,負(fù)載過(guò)載或短路,相鄰設(shè)備故障影響等。

晶閘管過(guò)電流保護(hù)方法最常用的是快速熔斷器。由于普通熔斷器的熔斷特性動(dòng)作太慢,在熔斷器尚未熔斷之前晶閘管已被燒壞;所以不能用來(lái)保護(hù)晶閘管�？焖偃蹟嗥饔摄y制熔絲埋于石英沙內(nèi),熔斷時(shí)間極短,可以用來(lái)保護(hù)晶閘管。