| 词条 | 可控硅 |
| 释义 | § 简介 可控硅晶闸管又叫可控硅。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极〔图2(a)〕：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。从晶闸管的电路符号〔图2(b)〕可以看到，它和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 § 工作特性 可控硅为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，首先看这块示教板(图3)。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在3V直流电源的正极(这里使用的是KP5型晶闸管，若采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极)。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通；再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。这说明要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。 晶闸管的特点：是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源(图3中的开关S)或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流)。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。 § 工作原理 可控硅工作原理 可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。 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，从晶闸管的内部分析工作过程： 可控硅基本伏安特性 晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结，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，当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。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，当有足够的门极电流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） 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三所示。 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。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。 可控硅导通和关断条件表 状态条件说明 从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流 两者缺一不可 维持导通1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可 从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流 任一条件即可 § 主要参数 可控硅1、额定通态平均电流IT在一定条件下，阳极---阴极间可以连续通过的50赫兹正弦半波电流的平均值。 2、正向阻断峰值电压VPF在控制极开路未加触发信号，阳极正向电压还未超过导能电压时，可以重复加在可控硅两端的正向峰值电压。可控硅承受的正向电压峰值，不能超过手册给出的这个参数值。 3、反向阴断峰值电压VPR当可控硅加反向电压，处于反向关断状态时，可以重复加在可控硅两端的反向峰值电压。使用时，不能超过手册给出的这个参数值。 4、控制极触发电流Ig1、触发电压VGT在规定的环境温度下，阳极--阴极间加有一定电压时，可控硅从关断状态转为导通状态所需要的最小控制极电流和电压。 5、维持电流IH在规定温度下，控制极断路，维持可控硅导通所必需的最小阳极正向电流。 § 参数符号说明 IT(AV)--通态平均电流 VRRM--反向重复峰值电压IDRM--断态重复峰值电流 ITSM--通态一个周波不重复浪涌电流 VTM--通态峰值电压 IGT--门极触发电流 VGT--门极触发电压 IH--维持电流 dv/dt--断态电压临界上升率 di/dt--通态电流临界上升率 Rthjc--结壳热阻 VISO--模块绝缘电压 Tjm--额定结温 VDRM--通态重复峰值电压 IRRM--反向重复峰值电流 IF(AV)--正向平均电流 § 主要用途 可控硅普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路。在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug，VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发脉冲Ug时，晶闸管被触发导通。现在，画出它的波形(c)及(d)，只有在触发脉冲Ug到来时，负载RL上才有电压UL输出。Ug到来得早，晶闸管导通的时间就早；Ug到来得晚，晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180°，称为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α；在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。很明显，α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。 § 结构和特性 三极度可控硅可控硅从外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三种，螺旋式的应用较多。可控硅有三个电极---阳极（A）阴极（C）和控制极（G）。它有管芯是P型导体和N型导体交迭组成的四层结构，共有三个PN结。可控硅和只有一个PN结的硅整流二极度管在结构上迥然不同。可控硅的四层结构和控制极的引用，为其发挥“以小控大”的优异控制特性奠定了基础。在应用可控硅时，只要在控制极加上很小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压。目前已能制造出电流容量达几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。 可控硅为什么其有“以小控大”的可控性呢？下面我们用图表-27来简单分析可控硅的工作原理。 首先，可以把从阴极向上数的第一、二、三层看面是一只NPN型号晶体管，而二、三四层组成另一只PNP型晶体管。其中第二、第三层为两管交迭共用。当在阳极和阴极之间加上一个正向电压Ea，又在控制极G和阴极C之间（相当BG1的基一射间）输入一个正的触发信号，BG1将产生基极电流Ib1，经放大，BG1将有一个放大了β1倍的集电极电流IC1。因为BG1集电极与BG2基极相连，IC1又是BG2的基极电流Ib2。BG2又把比Ib2（Ib1）放大了β2的集电极电流IC2送回BG1的基极放大。如此循环放大，直到BG1、BG2完全导通。实际这一过程是“一触即发”的过程，对可控硅来说，触发信号加入控制极，可控硅立即导通。导通的时间主要决定于可控硅的性能。 可控硅一经触发导通后，由于循环反馈的原因，流入BG1基极的电流已不只是初始的Ib1，而是经过BG1、BG2放大后的电流（β1*β2*Ib1）这一电流远大于Ib1，足以保持BG1的持续导通。此时触发信号即使消失，可控硅仍保持导通状态只有断开电源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集电极电流小于维持导通的最小值时，可控硅方可关断。当然，如果Ea极性反接，BG1、BG2由于受到反向电压作用将处于截止状态。这时，即使输入触发信号，可控硅也不能工作。反过来，Ea接成正向，而触动发信号是负的，可控硅也不能导通。另外，如果不加触发信号，而正向阳极电压大到超过一定值时，可控硅也会导通，但已属于非正常工作情况了。 可控硅这种通过触发信号（小的触发电流）来控制导通（可控硅中通过大电流）的可控特性，正是它区别于普通硅整流二极管的重要特征。 § 可控硅的种类 可控硅可控硅有多种分类方法。 （一）按关断、导通及控制方式分类：可控硅按其关断、导通及控制方式可分为普通可控硅、双向可控硅、逆导可控硅、门极关断可控硅（GTO）、BTG可控硅、温控可控硅和光控可控硅等多种。 （二）按引脚和极性分类：可控硅按其引脚和极性可分为二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅。 （三）按封装形式分类：可控硅按其封装形式可分为金属封装可控硅、塑封可控硅和陶瓷封装可控硅三种类型。其中，金属封装可控硅又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封可控硅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：可控硅按电流容量可分为大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三种。通常，大功率可控硅多采用金属壳封装，而中、小功率可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。 (五）按关断速度分类：可控硅按其关断速度可分为普通可控硅和高频（快速）可控硅。 § 如何鉴别可控硅的三个极 普通可控硅的三个电极可以用万用表欧姆挡R×100挡位来测。大家知道，晶闸管G、K之间是一个PN结(a)，相当于一个二极管，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A了。测试晶闸管的好坏，可以用刚才演示用的示教板电路。接通电源开关S，按一下按钮开关SB，灯泡发光就是好的，不发光就是坏的。 鉴别可控硅三个极的方法很简单，根据P-N结的原理，只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。 阳极与阴极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上，阳极和控制极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上（它们之间有两个P-N结，而且方向相反，因此阳极和控制极正反向都不通）。 控制极与阴极之间是一个P-N结，因此它的正向电阻大约在几欧-几百欧的范围，反向电阻比正向电阻要大。可是控制极二极管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻断状态的，可以有比较大的电流通过，因此，有时测得控制极反向电阻比较小，并不能说明控制极特性不好。另外，在测量控制极正反向电阻时，万用表应放在R*10或R*1挡，防止电压过高控制极反向击穿。 若测得元件阴阳极正反向已短路，或阳极与控制极短路，或控制极与阴极反向短路，或控制极与阴极断路，说明元件已损坏。 可控硅是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件。实际上，可控硅的功用不仅是整流，它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电，等等。可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。 § 常用封装形式 常用可控硅的封装形式有TO-92、TO-126、TO-202AB、TO-220、TO-220AB、TO-3P、SOT-89、TO-251、TO-252等。 可控硅的主要厂家 主要厂家品牌：ST，NXP/PHILIPS，NEC，ON/MOTOROLA，RENESAS/MITSUBISHI，LITTELFUSE/TECCOR，TOSHIBA，JX，SANREX，SANKEN，SEMIKRON，EUPEC，IR等。[1] |
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