晶闸管*概述

　　晶闸管SCR( Silicon Controlled Rectifier)是晶体闸流管(Thyristor)的简称，又由于晶闸管*初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅( Silicon Controlled Rectifier ——SCR )。晶闸管是一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管。1956年美国贝尔实验室(Bell Lab)发明了晶闸管;1957年美国通用电气公司(GE)开发出**只晶闸管产品;并于1958年将其商业化;开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代;20世纪80年代以来，普通晶闸管的耐压等级和通流能力达到3500安/6500伏,可关断晶闸管达3000安/4500伏。随着应用领域的拓展,晶闸管正沿着高电压、大电流、快速、模块化、功率集成化、廉价的方向发展，开始被性能更好的全控型器件取代。

　　晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极;晶闸管具有硅整流器件的特性，由于它电流容量大, 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V) A/8000V)已开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)，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，成为特大功率低频(200Hz以下) 装置中的主要器件。

　　晶闸管*种类

　　按封装形式分类

　　晶闸管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。

　　塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

　　金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等。

　　按引脚和极性分类

　　晶闸管可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管三种。

　　按关断速度分类

　　晶闸管可分为普通晶闸管和高频(快速)晶闸管。

　　按关断、导通及控制方式分类

　　晶闸管可分为普通晶闸管、单向晶闸管、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。

　　按电流容量分类

　　晶闸管可分为大功率晶闸管、**率晶闸管和小功率晶闸管。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。

　　晶闸管*结构和原理

　　v 一.晶闸管的结构

　　v 符号：阳极A，阴极K，门极G(控制极)

　　v 螺栓形：

　　v 螺栓—阳极A，

　　v 粗引线– 阴极K

　　v 细引线---门极G

　　v 特点： 安装方便

　　v 平板形：

　　v 两面分别为阳极A和阴极K

　　v 中间引出线---门极G

　　v 特点：

　　v 散热效果好，容量大

　　v 晶闸管的内部管芯结构:

　　v 基本材料:硅单晶体

　　v 四层三端器件

　　v (P1 N1 P2 N2)

　　v 钼片：导电材料，用于减小/缓冲相邻两种材料的热膨胀系数的差别，以保证在各种温度下接触可靠

　　当晶闸管加上正向电压(阳极接正，阴极接负)时，若门极电路开路，则J1、J3结处于正偏,J2结处于反偏,其伏安特性与二极管反向特性相似，晶闸管处于正向阻断状态。在低发射极电流下α是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。阻断状态：Ig=0，α1+α2很小。流过晶闸管的电流近似为J2结反向漏电流。若门极对阴极而言加上一定的正向电压,则N2区向P2区注入电子,这些电子经扩散,通过P2区到达2结耗尽层(也称高阻层、阻挡层),因耗尽层电场的作用，注入电子到达N1区,形成等效晶体管 2的射极电流产生过剩电子。为了中和过剩电子，必将有等量空穴由P1区注入N1区。同理这些空穴可到达P2区,形成等效晶体管1的射极电流。构成晶闸管的两个晶体管，因内部载流子的输运现象而相互供给基极电。当满足两个晶体管的共基极电流放大倍数之和(α1+α2)大于或等于1时,晶闸管导通。当注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致α1+α2趋近于1的话， Ia会急剧上升，晶闸管由正阻断状态转为正向导道状态，电流大小仅处决于外部主回路。晶闸管一旦导通，因流过的电流较大, α1、α2随电流增大，足以继续保证(α1+α2)≥1。这时,即使门极电路开路，晶闸管仍能处于导通状态。当所加正向电压大于或等于转折电压时，晶闸管也会导通，称为硬开通。当晶闸管加上反向电压时，因J1、J3结反偏，器件呈阻断状态。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*工作条件

　　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)。

　　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。

　　晶闸管*导通关断条件

　　v 1 导通条件：Uak>0 AND Ugk>0 (ig >0适当值)

　　v 2 关断条件： I a减小至维持电流以下。 U ak减小到零或加反压来达到

　　3 一旦导通，门极失去控制，故可用脉冲信号

　　晶闸管*电路换向关断时间

　　在规定条件下，在晶闸管正向主电流下降过零后，从过零点到元件能承受规定的重加电压而不至导通的*小时间间隔。晶闸管的关断时间值决定于测试条件，台基公司对所制造的快速、高频晶闸管均提供了每只器件的关断时间实测值，在未作特别说明时，其对应的测试条件如下：

　　通态峰值电流ITM等于器件ITAV;

　　通态电流下降率di/dt=-20A/μs;

　　重加电压上升率dv/dt=30A/μs;

　　反向电压VR=50V;

　　结温Tj=115°C。

　　如果用户需要在某一特定应用条件下的关断时间测试值，可以向我们提出要求。

　　晶闸管*保护措施

　　1过流保护

　　l 快速熔断器：电路中加快速熔断器;

　　l 过流继电器：在输出端装直流过电流继电器;

　　l 过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的 导通角或停止触发，从而切断过流电路。

　　l 晶闸管元件在短时间内具有一定的过流能力，但在过流严重时，不采取保护措施，就会造成元件损坏。在线路设计和元件选择时应考虑负载短路和过载情况，确保在异常情况下设备能自动保护。一般有以下几种措施

　　l (1) 在进线中串接电抗器限制短路电流，使其他保护方式切断电流前元件短时间内不致损坏;

　　l (2) 线路采用过流检测装置，由过流信号控制触发器抑制过流，或接入过流继电器。 (3) 安装快速熔断器。快速熔断器的动作时间要求在10ms以内，熔断体的额定电流IKR可按以下原则选取： 1.57IT(AV)≥IKR≥IT IT(AV)为元件额定电流，IT为元件实际工作电流有效值

　　2过压保护

　　l 阻容吸收利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。

　　l 硒整流堆硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。

　　晶闸管工作过程中可能承受的过压主要有以下几种：一种是由于装置拉、合闸、负载打火等引起的过压;一种是由于元件关断时产生的关断电压;还有因雷击等原因从电网侵入的浪涌电压。为限制过电压的幅值低于元件的正反向峰值电压，可采取以下保护措施：

　　(1) 在变压器一次侧接上避雷器，在二次侧加装阻容保护、硒堆、压敏电阻等非线性电阻元件进行保护。在整流直流侧采取压敏电阻和泄能保护装置，以防止元件承受过电压。

　　(2) 在晶闸管阴阳极两端直接进行保护。晶闸管关断过程中主电流过零反向后迅速由反向峰值恢复至零电流，此过程可在元件两端产生达正常工作峰值电压5-6倍的尖峰电压。一般建议在尽可能靠近元件本身的地方接上阻容吸收回路。电阻R选无感电阻，通常取5-30Ω;电容C通常在0.1-1μF，耐压选元件耐压的1.1-1.5倍。具体R、C取值可根据元件型号及工作情况调试决定。注意保证电阻R的功率，尤其在中频逆变电路中，使之不会因发热而损坏。

　　晶闸管*特点

　　l 在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件(谷称“死硅”)更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。

　　l 可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。

　　晶闸管*优缺点

　　优点：

　　l 体小,轻重,

　　l 无触点运行，无火花、无噪音

　　l 效率高，成本低。

　　l 高压大容量,

　　l 可以小功率控制大功率

　　l 功率放大倍数高达几十万倍

　　l 反应极快，在微秒级内开通、关断

　　l 弱电控制强电(几十毫安控制几百几千安)

　　缺点：

　　l 有静态及动态的过载能力较差;

　　l 容易受干扰而误导通。

　　晶闸管*制作方法

　　晶闸管以高阻单晶硅为基本材料制成。单片直径可达数十毫米，采用平面工艺制成PN结，利用电子与空穴两种载流子再生导电机构的原理工作，允许P1N1P2各层有较大厚度。硅片总厚度达几百微米,故晶闸管耐高电压，通流能力大。制作中采用特殊寿命控制技术。与离子管相比，它的开关速度更快，功耗低，体积小，节能显著。

　　晶闸管*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、按规定对主电路中的可控硅采用过压及过流保护装置。

　　3、要防止可控硅控制极的正向过载和反向击穿。

　　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、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。

　　6、严禁用兆欧表(即摇表)检查元件的绝缘情况。

　　晶闸管*损坏问题

　　当晶闸管损坏后需要检查分析其原因时，可把管芯从冷却套中取出，打开芯盒再取出芯片，观察其损坏后的痕迹，以判断是何原因。下面介绍几种常见现象分析。

　　1、电流上升率损坏。其痕迹与电流损坏相同，而其位置在控制极附近或就在控制极上。

　　2、边缘损坏。他发生在芯片外圆倒角处，有细小光洁小孔。用放大镜可看到倒角面上有细细金属物划痕。这是制造厂家安装不慎所造成的。它导致电压击穿。

　　3、电压击穿。晶闸管因不能承受电压而损坏，其芯片中有一个光洁的小孔，有时需用扩大镜才能看见。其原因可能是管子本身耐压下降或被电路断开时产生的高电压击穿。

　　4、电流损坏。电流损坏的痕迹特征是芯片被烧成一个凹坑，且粗糙，其位置在远离控制极上。

　　晶闸管*用途

　　普通晶闸管*基本的用途就是可控整流。可以构成可控整流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。