晶體閘流管

晶體閘流管(2張)

（一）按關斷、導通及控制方式分類

晶閘管按其關斷、導通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、門極關斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、温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）按關斷速度分類

晶閘管按其關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。

晶閘管的工作條件：

1.晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處於關斷狀態。

2.晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。

3.晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通後，門極失去作用。

4.晶閘管在導通情況下，當主迴路電壓（或電流）減小到接近於零時，晶閘管關斷。

晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結，可以把它中間的NP分成兩部分，構成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的複合管

當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導通，必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。因此，兩個互相複合的晶體管電路，當有足夠的門極電流Ig流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導通，晶體管飽和導通。

設PNP管和NPN管的集電極電流相應為Ic1和Ic2；發射極電流相應為Ia和Ik；電流放大係數相應為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，設流過J2結的反相漏電電流為Ic0,

晶閘管的陽極電流等於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管相應的電流放大係數a1和a2隨其發射極電流的改變而急劇變化。

當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晶閘關處於正向阻斷狀態。當晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig,由於足夠大的Ig流經NPN管的發射結，從而提高起點流放大係數a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發射結，並提高了PNP管的電流放大係數a1,產生更大的集電極電流Ic1流經NPN管的發射結。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。當a1和a2隨發射極電流增加而（a1+a2）≈1時，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，流過晶閘管的電流完全由主迴路的電壓和迴路電阻決定。晶閘管已處於正向導通狀態。

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

在晶閘管導通後，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，由於a1和a2迅速下降，當1-（a1+a2）≈0時，晶閘管恢復阻斷狀態。

可關斷晶閘管GTO（GateTurn-OffThyristor）亦稱門控晶閘管。其主要特點為，當門極加負向觸發信號時晶閘管能自行關斷。

前已述及，普通晶閘管（SCR）靠門極正信號觸發之後，撤掉信號亦能維持通態。欲使之關斷，必須切斷電源，使正向電流低於維持電流IH，或施以反向電壓強近關斷。這就需要增加換向電路，不僅使設備的體積重量增大，而且會降低效率，產生波形失真和噪聲。可關斷晶閘管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優點，以具有自關斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關器件。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已達到3000A、4500V的容量。大功率可關斷晶閘管已廣泛用於斬波調速、變頻調速、逆變電源等領域，顯示出強大的生命力。

可關斷晶閘管也屬於PNPN四層三端器件，其結構及等效電路和普通晶閘管相同，因此僅繪出GTO典型產品的外形及符號。大功率GTO大都製成模塊形式。

儘管GTO與SCR的觸發導通原理相同，但二者的關斷原理及關斷方式截然不同。這是由於普通晶閘管在導通之後即外於深度飽和狀態，而GTO在導通後只能達到臨界飽和，所以GTO門極上加負向觸發信號即可關斷。GTO的一個重要參數就是關斷增益，βoff，它等於陽極最大可關斷電流IATM與門極最大負向電流IGM之比，有公式

βoff=IATM/IGM

βoff一般為幾倍至幾十倍。βoff值愈大，説明門極電流對陽極電流的控制能力愈強。很顯然，βoff與昌盛的hFE參數頗有相似之處。

下面分別介紹利用萬用表判定GTO電極、檢查GTO的觸發能力和關斷能力、估測關斷增益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，僅當黑表筆接G極，紅表筆接K極時，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；然後用黑表筆尖也同時接觸G極，加上正向觸發信號，錶針向右偏轉到低阻值即表明GTO已經導通；最後脱開G極，只要GTO維持通態，就説明被測管具有觸發能力。

3．檢查關斷能力

現採用雙表法檢查GTO的關斷能力，表Ⅰ的檔位及接法保持不變。將表Ⅱ撥於R×10檔，紅表筆接G極，黑表筆接K極，施以負向觸發信號，如果表Ⅰ的指針向左擺到無窮大位置，證明GTO具有關斷能力。

4．估測關斷增益βoff

進行到第3步時，先不接入表Ⅱ，記下在GTO導通時表Ⅰ的正向偏轉格數n1；再接上表Ⅱ強迫GTO關斷，記下表Ⅱ的正向偏轉格數n2。最後根據讀取電流法按下式估算關斷增益：

βoff=IATM/IGM≈IAT/IG=K1n1/K2n2

式中K1—表Ⅰ在R×1檔的電流比例係數；

K2—表Ⅱ在R×10檔的電流比例係數。

βoff≈10×n1/n2

此式的優點是，不需要具體計算IAT、IG之值，只要讀出二者所對應的錶針正向偏轉格數，即可迅速估測關斷增益值。

（1）在檢查大功率GTO器件時，建議在R×1檔外邊串聯一節1.5V電池E′，以提高測試電壓和測試電流，使GTO可靠地導通。

（2）要準確測量GTO的關斷增益βoff，必須有專用測試設備。但在業餘條件下可用上述方法進行估測。由於測試條件不同，測量結果僅供參考，或作為相對比較的依據。

逆導晶閘管RCT(Reverse-ConductingThyristir)亦稱反向導通晶閘管。其特點是在晶閘管的陽極與陰極之間反向並聯一隻二極管，使陽極與陰極的發射結均呈短路狀態。由於這種特殊電路結構，使之具有耐高壓、耐高温、關斷時間短、通態電壓低等優良性能。例如，逆導晶閘管的關斷時間僅幾微秒，工作頻率達幾十千赫，優於快速晶閘管（FSCR）。該器件適用於開關電源、UPS不間斷電源中，一隻RCT即可代替晶閘管和續流二極管各一隻，不僅使用方便，而且能簡化電路設計。

逆導晶閘管的符號、等效電路。其伏安特性。逆導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（僅座標位置不同）。

逆導晶閘管的典型產品有美國無線電公司（RCA）生產的S3900MF。它採用TO-220封裝，三個引出端分別是門極G、陽極A、陰極K。S3900MF的主要參數如下：

斷態重複峯值電壓VDRM：>750V

通態平均電流IT（AV）：5A

最大通態電壓VT：3V（IT=30A）

最大反向導通電壓VTR：<0.8V

最大門極觸發電壓VGT:4V

最大門極觸發電流IGT:40mA

關斷時間toff:2.4μs

通態電壓臨界上升率du/dt:120V/μs

通態浪湧電流ITSM:80A

利用萬用表和兆歐表可以檢查逆導晶閘管的好壞。測試內容主要分三項：

1．檢查逆導性

選擇萬用表R×1檔，黑表筆接K極，紅表筆接A極，電阻值應為5～10Ω。若阻值為零，證明內部二極管短路；電阻為無窮大，説明二極管開路。

2．測量正向直流轉折電壓V（BO）

接好電路，再按額定轉速搖兆歐表，使RCT正向擊穿，由直流電壓表上讀出V（BO）值。

3．檢查觸發能力

實例：使用500型萬用表和ZC25-3型兆歐表測量一隻S3900MF型逆導晶閘管。依次選擇R×1k、R×100、R×10和R×1檔測量A-K極間反向電阻，同時用讀取電壓法求出出內部二極管的反向導通電壓VTR（實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。全部數據整理成表1。由此證明被測RCT質量良好。

注意事項：

（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，還可以繪製反向伏安特性。

①一般小功率晶閘管不需加散熱片，但應遠離發熱元件，如大功率電阻、大功率三極管以及電源變壓器等。對於大功率晶閘管，必須按手冊申的要求加裝散熱裝置及冷卻條件，以保證管子工作時的温度不超過結温。

②晶閘管在使用中發生超越和短路現象時，會引發過電流將管子燒燬。對於過電流，一般可在交流電源中加裝快速保險絲加以保護。快速保險絲的熔斷時間極短，一般保險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，有可能在晶閘管的導通或阻斷對出現過壓現象，將管子擊穿。對於過電壓，可採用並聯RC吸收電路的方法。因為電容兩端的電壓不能突變，所以只要在晶閘管的陰極及陽極間並取RC電路，就可以削弱電源瞬間出現的過電壓，起到保護晶閘管的作用。當然也可以採用壓敏電阻過壓保護元件進行過壓保護。

晶閘管在工業中的應用越來越廣泛，隨着行業的應用範圍增大。晶閘管的作用也越來越全面。但是有時候，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，我們該如何更好地去保護晶閘管呢？

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。晶閘管的保護方法，具體如下：

1、 過電壓保護

晶閘管對過電壓很敏感，當正向電壓超過其斷態重複峯值電壓UDRM一定值時晶閘管就會誤導通，引發電路故障；當外加反向電壓超過其反向重複峯值電壓URRM一定值時，晶閘管就會立即損壞。因此，必須研究過電壓的產生原因及抑制過電壓的方法。

過電壓產生的原因主要是供給的電功率或系統的儲能發生了激烈的變化，使得系統來不及轉換，或者系統中原來積聚的電磁能量來不及消散而造成的。主要發現為雷擊等外來衝擊引起的過電壓和開關的開閉引起的衝擊電壓兩種類型。由雷擊或高壓斷路器動作等產生的過電壓是幾微秒至幾毫秒的電壓尖峯，對晶閘管是很危險的。由開關的開閉引起的衝擊電壓又分為如下幾類：

（1）交流電源接通、斷開產生的過電壓

例如，交流開關的開閉、交流側熔斷器的熔斷等引起的過電壓，這些過電壓由於變壓器繞組的分佈電容、漏抗造成的諧振迴路、電容分壓等使過電壓數值為正常值的 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）直流側產生的過電壓

如切斷迴路的電感較大或者切斷時的電流值較大，都會產生比較大的過電壓。這種情況常出現於切除負載、正在導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盪過電壓。換相過電壓是由於晶閘管的電流降為0時器件內部各結層殘存載流子複合所產生的，所以又叫載流子積蓄效應引起的過電壓。換相過電壓之後，出現換相振盪過電壓，它是由於電感、電容形成共振產生的振盪電壓，其值和換相結束後的反向電壓有關。反向電壓越高，換相振盪過電壓也越大。

針對形成過電壓的不同原因，可以採取不同的抑制方法，如減少過電壓源，並使過電壓幅值衰減；抑制過電壓能量上升的速率，延緩已產生能量的消散速度，增加其消散的途徑；採用電子線路進行保護等。最常用的是在迴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衝電路。

（4）阻容吸收迴路

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，為防止振盪，常加阻尼電阻，構成阻容吸收回路。阻容吸收回路可接在電路的交流側、直流側，或並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，接線應儘量短。

（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間常數RC是固定的，有時對時間短、峯值高、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出線端還並有硒堆或壓敏電阻等非線性元件。硒堆的特點是其動作電壓和温度有關，温度越低耐壓越高；另外是硒堆具有自恢復特性，能多次使用，當過電壓動作後硒基片上的灼傷孔被溶化的硒重新覆蓋，又重新恢復其工作特性。壓敏電阻是以氧化鋅為基體的金屬氧化物非線性電阻，其結構為兩個電極，電極之間填充的粒徑為 10~50μm的不規則的ZNO微結晶，結晶粒間是厚約1μm的氧化鉍粒界層。這個粒界層在正常電壓下呈高阻狀態，只有很小的漏電流，其值小於 100μA。當加上電壓時，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。浪湧過後，粒界層又恢復為高阻態。壓敏電阻的特性主要由下面幾個參數來表示。

標稱電壓：指壓敏電阻流過1mA直流電流時，其兩端的電壓值。

通流容量：是用前沿8微秒、波寬20微秒的波形衝擊電流，每隔5分鐘衝擊1次，共衝擊10次，標稱電壓變化在-10[[[%]]]以內的最大沖擊電流值來表示。

因為正常的壓敏電阻粒界層只有一定大小的放電容量和放電次數，標稱電壓值不僅會隨着放電次數增多而下降，而且也隨着放電電流幅值的增大而下降，當大到某一電流時，標稱電壓下降到0，壓敏電阻出現穿孔，甚至炸裂；因此必須限定通流容量。

漏電流：指加一半標稱直流電壓時測得的流過壓敏電阻的電流。

由於壓敏電阻的通流容量大，殘壓低，抑制過電壓能力強；平時漏電流小，放電後不會有續流，元件的標稱電壓等級多，便於用户選擇；伏安特性是對稱的，可用於交、直流或正負浪湧；因此用途較廣。

2、 過電流保護

由於半導體器件體積小、熱容量小，特別像晶閘管這類高電壓大電流的功率器件，結温必須受到嚴格的控制，否則將遭至徹底損壞。當晶閘管中流過大於額定值的電流時，熱量來不及散發，使得結温迅速升高，最終將導致結層被燒壞。

產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，觸發電路發生故障，控制系統發生故障等，以及交流電源電壓過高、過低或缺相，負載過載或短路，相鄰設備故障影響等。

晶閘管過電流保護方法最常用的是快速熔斷器。由於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；所以不能用來保護晶閘管。快速熔斷器由銀製熔絲埋於石英沙內，熔斷時間極短，可以用來保護晶閘管。