晶體閘流管

晶閘管的工作條件：

1.晶閘管承受反向陽極電壓時(shí)，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。

2.晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，僅在門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極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。

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。

（1）在檢查大功率GTO器件時(shí)，建議在R×1檔外邊串聯(lián)一節(jié)1.5V電池E′，以提高測試電壓和測試電流，使GTO可靠地導(dǎo)通。

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

逆導(dǎo)晶閘管RCT(Reverse-ConductingThyristir)亦稱反向?qū)ňчl管。其特點(diǎn)是在晶閘管的陽極與陰極之間反向并聯(lián)一只二極管，使陽極與陰極的發(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，而且能簡化電路設(shè)計(jì)。

逆導(dǎo)晶閘管的符號、等效電路。其伏安特性。逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性具有不對稱性，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)品有美國無線電公司（RCA）生產(chǎn)的S3900MF。它采用TO-220封裝，三個(gè)引出端分別是門極G、陽極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)妷篤TR：<0.8V

最大門極觸發(fā)電壓VGT:4V

最大門極觸發(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

利用萬用表和兆歐表可以檢查逆導(dǎo)晶閘管的好壞。測試內(nèi)容主要分三項(xiàng)：

1．檢查逆導(dǎo)性

選擇萬用表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；電阻為無窮大，說明二極管開路。

2．測量正向直流轉(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型萬用表和ZC25-3型兆歐表測量一只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)妷篤TR（實(shí)際是二極管正向電壓VF）。再用兆歐表和萬用表500VDC檔測得V（BO）值。全部數(shù)據(jù)整理成表1。由此證明被測RCT質(zhì)量良好。

注意事項(xiàng)：

（1）S3900MF的VTR<0.8V，宜選R×1檔測量。

（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。對于大功率晶閘管，必須按手冊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)，會引發(fā)過電流將管子燒毀。對于過電流，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倍來選擇。

③交流電源在接通與斷開時(shí)，有可能在晶閘管的導(dǎo)通或阻斷對出現(xiàn)過壓現(xiàn)象，將管子擊穿。對于過電壓，可采用并聯(lián)RC吸收電路的方法。因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?，所以只要在晶閘管的陰極及陽極間并取RC電路，就可以削弱電源瞬間出現(xiàn)的過電壓，起到保護(hù)晶閘管的作用。當(dāng)然也可以采用壓敏電阻過壓保護(hù)元件進(jìn)行過壓保護(hù)。

（一）按關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式分類

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。

晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負(fù)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。

晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)，可以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管

當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(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)有足夠的門極電流Ig流入時(shí)，就會形成強(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J2結(jié)的反相漏電電流為Ic0,

晶閘管的陽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)晶閘管承受正向陽極電壓，而門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)晶閘管在正向陽極電壓下，從門極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極電流Ia.這時(shí)，流過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)顟B(tài)。

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

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）亦稱門控晶閘管。其主要特點(diǎn)為，當(dāng)門極加負(fù)向觸發(fā)信號時(shí)晶閘管能自行關(guān)斷。

前已述及，普通晶閘管（SCR）靠門極正信號觸發(fā)之后，撤掉信號亦能維持通態(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、大電流開關(guān)器件。GTO的容量及使用壽命均超過巨型晶體管（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。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門極上加負(fù)向觸發(fā)信號即可關(guān)斷。GTO的一個(gè)重要參數(shù)就是關(guān)斷增益，βoff，它等于陽極最大可關(guān)斷電流IATM與門極最大負(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，說明門極電流對陽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用表判定GTO電極、檢查GTO的觸發(fā)能力和關(guān)斷能力、估測關(guān)斷增益βoff的方法。

1．判定GTO的電極

將萬用表撥至R×1檔，測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，對其它情況電阻值均為無窮大。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，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G極，只要GTO維持通態(tài)，就說明被測管具有觸發(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，如果表Ⅰ的指針向左擺到無窮大位置，證明GTO具有關(guān)斷能力。

4．估測關(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，只要讀出二者所對應(yīng)的表針正向偏轉(zhuǎn)格數(shù)，即可迅速估測關(guān)斷增益值。

晶閘管在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，隨著行業(yè)的應(yīng)用范圍增大。晶閘管的作用也越來越全面。但是有時(shí)候，晶閘管在使用過程中會造成一些傷害。為了保證晶閘管的壽命，我們該如何更好地區(qū)保護(hù)晶閘管呢？

在使用過程中，晶閘管對過電壓是很敏感的。過電流同樣對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：

1、 過電壓保護(hù)

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

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

（1）交流電源接通、斷開產(chǎn)生的過電壓

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

（2）直流側(cè)產(chǎn)生的過電壓

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

（3）換相沖擊電壓

包括換相過電壓和換相振蕩過電壓。換相過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)引起的過電壓。換相過電壓之后，出現(xiàn)換相振蕩過電壓，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，換相振蕩過電壓也越大。

針對形成過電壓的不同原因，可以采取不同的抑制方法，如減少過電壓源，并使過電壓幅值衰減；抑制過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極和陰極之間。吸收電路最好選用無感電容，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)對時(shí)間短、峰值高、能量大的過電壓來不及放電，抑制過電壓的效果較差。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)過電壓動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，抑制了過電壓，從而使晶閘管得到保護(hù)。浪涌過后，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)來表示。

標(biāo)稱電壓：指壓敏電阻流過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表示。

因?yàn)檎５膲好綦娮枇＝鐚又挥幸欢ù笮〉姆烹娙萘亢头烹姶螖?shù)，標(biāo)稱電壓值不僅會隨著放電次數(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)測得的流過壓敏電阻的電流。

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

2、 過電流保護(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)晶閘管中流過大于額定值的電流時(shí)，熱量來不及散發(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高、過低或缺相，負(fù)載過載或短路，相鄰設(shè)備故障影響等。

晶閘管過電流保護(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，可以用來保護(hù)晶閘管?？焖偃蹟嗥鞯男阅苤饕幸韵聨醉?xiàng)表征。2100433B

本書緊扣“怎樣識別和檢測電子元器件”的主題，系統(tǒng)地介紹了各種常用的電子元器件和集成電路的種類、符號、型號、參數(shù)、特點(diǎn)、工作原理、選用、檢測方法和技能，包括電阻器與電位器、電容器、電感器與變壓器、晶體二極管與單結(jié)晶體管、晶體三極管與晶體閘流管、光電器件、電聲器件、控制與保護(hù)器件、集成電路和數(shù)字電路等。