晶閘管,簡述晶閘管工作原理特點及其分類-重點分析
信息來源：本站 日期：2017-10-20
晶體閘流管簡稱為品閘管，也叫做可控硅，是一種具有三個PN結(jié)的功率型半導(dǎo)體器件。因為它可以像閘門一樣控制電流，所以稱之為“晶體閘流管”。晶體閘流管是最常用的功率型半導(dǎo)體控制器件之一，具有廣泛的用途。如圖4-42所爾為部分常見晶體閘流管。
晶體閘流管種類和規(guī)格很多，適用于各種不同的場合。根據(jù)控制特性的不同，晶體閘流管可分為單向晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、正向阻斷晶閘管、反向阻斷晶閘管、光控晶閘管等。
根據(jù)電流容量的不同，晶體閘流管可分為小功率管、中功率管和大功率管。根據(jù)關(guān)斷速度的不同，晶體閘流管可分為普通晶閘管和高頻晶閘管（工作頻率>lOkHz）。根據(jù)封裝和外觀形式的不同，晶體閘流管可分為塑封式、陶瓷封裝式、金屬殼封裝式、大功率螺栓式和平板式等。
雙向晶閘管是在單向晶閘管的基礎(chǔ)之上開發(fā)出來的，是一種交流型功率控制器件。雙向品閘管不僅能夠取代兩個反向并聯(lián)的單向晶閘管，而且只需要一個觸發(fā)電路，使用很方便。
可關(guān)斷晶閘管也稱為門控晶閘管，是在普通晶閘管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的功率型控制器件。
晶體閘流管的文字符號為“VS”，圖形符號如圖4-43所示。
國產(chǎn)晶體閘流管的型號見表4-3。單向晶閘管主要有3CT系列和KP系列，雙向晶閘管主要有3CTS系列和KS系列，高頻晶閘管主要有KK系列。
晶體閘流管具有3個引腳。單向晶閘管的3個引腳分別是陽極A、陰極K和控制極G，常見單向晶閘管的引腳如圖4-44所示，使用中應(yīng)注意識別，不要搞錯。
雙向晶閘管的3個引腳分別是控制極G、主電極T1和主電極T2，如圖4-45所示。由于雙向品閘管的兩個主電極T1和T2是對稱的，因此使用中可以任意互換。
晶體閘流管的特點是具有可控制的單向?qū)щ娦?，即不但具有一般二極管單向?qū)щ姷恼髯饔茫铱梢詫?dǎo)通電流進(jìn)行控制，就好像閘門一樣，起到控制電流有無和大小的作用。晶體閘流管的這一特點是由其特殊的結(jié)構(gòu)所決定的。
單向晶閘管是PNPN閃層結(jié)構(gòu)，形成三個PN結(jié)，具有陽極人、陰極K和控制極G三個外電極。單向品閘管可等效為PNP, NPN兩個晶體管組成的復(fù)合管，如圖4-46所示。
在陽極A之間加上正電壓后，晶閘管并不導(dǎo)通。只有在控制極G加上觸發(fā)電壓時，VT1、VT2相繼迅速導(dǎo)通，并且互相提供基極電流維持晶閘管導(dǎo)通。此時即使去掉控制極上的觸發(fā)電壓，晶閘管仍維持導(dǎo)通狀態(tài)，直至所通過的電流小于晶閘管的維持電流時，晶閘管才關(guān)斷。
雙向晶閘管可以等效為兩個單向晶閘管反向并聯(lián)，如圖4-47所示。雙向晶閘管可以控制雙向?qū)ǎ虼顺刂茦OG外的另兩個電極不再分陽極、陰極，而稱之為主電極T1、T2。
當(dāng)有觸發(fā)電壓加至控制極G時，雙向晶閘管導(dǎo)通，井在觸發(fā)電壓消失后仍維持導(dǎo)通狀態(tài)，電流既可從T1經(jīng)過VS2流向T2，又可從T2經(jīng)過VS1流向Tl。當(dāng)電流小于晶閘管的維持電流時晶閘管關(guān)斷。
普通單向或雙向晶閘管導(dǎo)通后控制極即不起作用，要關(guān)斷晶閘管必須切斷電源，使流過晶閘管的正向電流小于維持電流IH可關(guān)斷品閘管的特點是可以通過控制極關(guān)斷，克服了上述缺陷。當(dāng)可關(guān)斷晶閘管控制極G加上正脈沖電壓時晶閘管導(dǎo)通，當(dāng)控制極G加上負(fù)脈沖電膚日寸晶閘管關(guān)斷，如圖4-48所示。
品體閘流管的主要參數(shù)是額定通態(tài)平均電流、阻斷峰值電壓、觸發(fā)電壓和電流、維持電流等，下面我們逐一解釋。
額定通態(tài)平均電流IT是指晶閘管導(dǎo)通時所允許通過的最大交流正弦電流的有效值。使用中電路的工作電流應(yīng)小于晶閘管的額定通態(tài)平均電流IT。
阻斷峰值電壓包括正向阻斷峰值電壓U DRM和反向峰值電壓URRM。
正向阻斷峰值電壓UDRM是指晶閘管正向阻斷時所允許重復(fù)施加的正向的峰值，反向峰值電壓URRM是指允許重復(fù)加在晶閘管兩端的反向電壓的峰值。使用中電路施加在品閘管上的電壓必須小于UDRM與URRM并留有一定余量，以免造成擊穿損壞。
控制極觸發(fā)電壓UG和控制極觸發(fā)電流I(G，是指使晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時，所需要的最小控制極直流電壓和直流電流。使用中應(yīng)使實際觸發(fā)電壓和電流大于UG和IG，以保證可靠觸發(fā)。
維持電流IH是指保持晶閘管肆通所需要的最小正向電流。當(dāng)通過晶閘管的電流小于IH時，品閘管將退出導(dǎo)通狀態(tài)而關(guān)斷。
晶體閘流管具有以小電流控制大電流、以低電壓控制高電壓的作用，具有體積小、重量輕、功耗低、效率高、開關(guān)速度快等優(yōu)點，在無觸點開關(guān)，可控整流、直流逆變、凋壓、調(diào)光和調(diào)速等方面得到廣泛的應(yīng)用。
晶體閘流管最主要的用途是作無觸點開關(guān)。如圖4-49所示為報警器控制電路，單向晶閘管VS就是一個直流無觸點井關(guān)。平時VS阻斷，報警器不報警。當(dāng)探頭檢測到異常情況時，輸出一正脈沖至VS的控制極G，晶閘管VS導(dǎo)通使報警器報警，直至有關(guān)人員到場并切斷開關(guān)s才停止報警。
雙向晶閘管可以用作交流無觸點開關(guān)。如圖4-50所示為照明燈延時控制電路，雙向晶閘管VS就是一個交流無觸點開關(guān)。延時電路被觸發(fā)后照明燈隨即點亮，但觸發(fā)信號消失后照明燈并不立即熄滅。延時電路輸出到VS控制極的U電壓會延續(xù)一段時間，保持vs導(dǎo)通，直全延時結(jié)束后照明燈才熄滅。這里有一點需要特別強調(diào)，就是在交流回路中，交流電壓在每一周期內(nèi)都會有兩次過零點，這時品閘管會關(guān)斷。
交流同態(tài)繼電器電路巾也用到雙向晶閘管，如圖4-51所示。當(dāng)交流固態(tài)繼電器輸入端加上控制電壓時，雙向晶閘管VS導(dǎo)通，接通輸出端交流電路。
晶體閘流管可以用作可控整流，即不但能夠完成整流功能，面且還可以控制輸出直流電壓的大小?？煽卣麟娐啡鐖D4-52所示，晶閘管VS1、VS2為可控整流器件。只有當(dāng)控制極有觸發(fā)脈沖UG時晶閘管才導(dǎo)通進(jìn)行整流．而每當(dāng)交流電壓過零時晶閘管關(guān)斷。改變觸發(fā)脈沖在交流電每半周內(nèi)出現(xiàn)的遲早，即可改變晶閘管的導(dǎo)通角．從葡改變了輸出到負(fù)載的直流電壓的大小。
可關(guān)斷晶閘管可以很方便地構(gòu)成直流逆變電路，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?。如圖4-53所示為直流逆變電路，兩個可關(guān)斷品閘管VS1、VS2的控制極觸發(fā)電壓UG1、UG2，為頻率相同，極性相反的正、負(fù)脈沖，使得VSI與VS2輪流導(dǎo)通，在變壓器次級即可得到頻率與UG相同的交流電壓。
雙向晶閘管可以用作交流調(diào)壓器。如圖4-54所示為交流凋壓電路，雙向晶閘管VS為交流調(diào)壓器件。RP、R和C組成充放電回路，C上電壓作為雙向品閘管Vs的觸發(fā)電壓。接通電源后，電源通過RP和R向c充電，當(dāng)C上電壓達(dá)到雙向二極管VD觸發(fā)電壓時，VS導(dǎo)通，直至電源電壓過零時關(guān)斷。調(diào)節(jié)電位器RP即可改變C的充電時間，也就改變了VS的導(dǎo)通角，達(dá)到交流調(diào)壓的目的。
晶體閘流管可以構(gòu)成調(diào)光電路。如圖4-55所示為采用單向晶閘管的臺燈調(diào)光電路，二極管VD1-VD4組成橋式整流器，將交流220V電壓整流為直流脈動電壓，以滿足單向晶閘管VS的工作要求。RP是燈光調(diào)節(jié)電位器，改變RP即可改變C的充電時間，從而改變晶閘管VS的導(dǎo)通角，使通過照明燈泡EL的電壓與電流發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對臺燈亮度的調(diào)節(jié)。
如圖4-56所示為采用雙向晶閘管的臺燈調(diào)光電路，雙向品閘管VS的觸發(fā)電壓取自電容器c。調(diào)節(jié)電位器RP改變C的充電時間，即可改變VS的導(dǎo)通角，實現(xiàn)對臺燈亮度的控制。采用雙向晶閘管可以簡化電路。
常用晶體閘流管主要有單向晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管等，應(yīng)根據(jù)電路需要合理選用。
單向晶閘管的特點是電流只能從陽極A流向陰極k，主要應(yīng)用于直流電源或魚流脈動電壓的控制、交流電源整流、直流電源逆變等場合。
單向晶閘管可分為普通晶閘管和高頻晶閘管(上作頻率在l10kHz以上）。常用單向品閘管主要有3CT系列、3DT系列、KP系列和KK系列（高頻品閘管），以及進(jìn)門的MCR系列、SF系列、BST系列等。
雙向晶閘管是在單向晶閘管的基礎(chǔ)之上開發(fā)出來的，是一種交流型功率控制器件。雙向晶閘管不僅能夠取代兩個反向并聯(lián)的單向晶閘管，而且只需要一個觸發(fā)電路，使用更方便。
雙向晶閘管的特點是可以通過交流電流，主要應(yīng)用于交流電源的控制、交流電壓的調(diào)整等場合。常用雙向晶閘管主要有3CTS系列和KS系列，以及進(jìn)口的MAC系列、SM系列、BCR系列等。
可關(guān)斷品閘管的特點是可以通過控制極關(guān)斷，主要應(yīng)用于可關(guān)斷無觸點開關(guān)、直流逆變、凋樂、調(diào)光、調(diào)速等場合。
可關(guān)斷晶閘管也稱為門控晶閘管，是在普通品閘管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的功率型控制器件。普通晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后其控制極即不起作用，要關(guān)斷品閘管必須切斷電源，或使流過晶閘管的正向電流小于維持電流?？申P(guān)斷晶閘管克服了上述缺陷，當(dāng)控制極G加上正脈沖電壓時晶閘管導(dǎo)通，當(dāng)控制極G加上負(fù)脈沖電壓時晶閘管關(guān)斷。
可關(guān)斷晶閘管是理想的高電壓、大電流開關(guān)器件。例如，DG系列大功率叮關(guān)斷晶閘管最高電壓可達(dá)4500v、最大電流可達(dá)3000A。
晶閘管可用萬用表電阻擋進(jìn)行檢測，下面分別介紹不同類型晶閘管的檢測方法。
首先將萬用表置于“RX10Ω”擋，黑表筆（表內(nèi)電池正極，接控制極G，紅表筆接陰極K，如圖4-57所示，這時測量的是PN結(jié)的正向電阻，應(yīng)有較小的阻值。對調(diào)兩表筆后測其反向電阻，應(yīng)比正向電阻明顯大一些。
黑表筆仍接控制極G，紅表筆改接至陽極A，阻值應(yīng)為無窮大，如圖4-58所示。對凋兩表筆后冉測，阻值仍應(yīng)為無窮大。這是因為G、A間為兩個PN結(jié)反向串聯(lián)，正常情況下正、反向電阻均為無窮大。
接著檢測導(dǎo)通特性，將萬用表置于“RX1Ω”擋，黑表筆接陽極A，紅表筆接陰極K，表針指示應(yīng)為無窮大。用螺釘旋具等金屬物將控制極G與陽極A短接一下（短接后即斷開），表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)并保持在十幾歐姆處，如圖4-59所示。否則說明該品閘管已損壞。
檢測時，萬用表置于“RX1Ω”擋，用兩表筆測量控制極G與主電極T1間的正、反向電阻，均應(yīng)為較小阻值，如圖4-60所示。用兩表筆測量控制極G與主電極T2間的正、反向電阻，均應(yīng)為無窮大，如圖4-61所示。
檢測雙向晶閘管導(dǎo)通特性時，萬用表仍置于“RX1Ω”擋，黑表筆接主電極T1，紅表筆接主電極T2，表針指示應(yīng)為無窮大。將控制極G與主電極T2短接一下，表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)并保持在十幾歐姆處，如圖4-62所示。含則說明該雙向晶閘管已損壞。
檢測時，將萬用表置于“RXlΩ”擋，黑表筆接陽極A，紅表筆接陰極K，表針指示應(yīng)為阻值無窮大。
用一節(jié)1.5v電池作為控制電壓，電池負(fù)極串聯(lián)一只100Ω左右的限流電阻接在可關(guān)斷晶閘管的陰極K上。當(dāng)用電池正極觸碰一下控制極G后，萬用表表針應(yīng)右偏指示品閘管導(dǎo)通，如圖4-63所示。
然后調(diào)換電池極行，改為電池正極串聯(lián)一只100Ω左右的限流電阻接在可關(guān)斷晶閘管的限極K上，用電池負(fù)極觸碰一下控制極G后，用萬用表表針應(yīng)向左返回至阻值無窮大，指示晶閘管已關(guān)斷。否則說明可關(guān)斷晶閘管已損壞。如圖4-64所示。
