1 晶閘管(SCR)
晶體閘流管簡稱晶閘管,也稱為可控硅整流元件(SCR),是由三個PN結構成的一種大功率半導體器件。在性能上,晶閘管不僅具有單向導電性,而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性,它只有導通和關斷兩種狀態。
晶閘管的優點很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數高達幾十萬倍;反應極快,在微秒級內開通、關斷;無觸點運行,無火花、無噪聲;效率高,成本低等。因此,特別是在大功率UPS供電系統中,晶閘管在整流電路、靜態旁路開關、無觸點輸出開關等電路中得到廣泛的應用。
晶閘管的弱點:靜態及動態的過載能力較差,容易受干擾而誤導通。
晶閘管從外形上分類主要有:螺栓形、平板形和平底形。
2 普通晶閘管的結構和工作原理
晶閘管是PNPN四層三端器件,共有三個PN結。分析原理時,可以把它看作是由一個PNP管和一個NPN管所組成,其等效圖解如圖1(a)所示,圖1(b)為晶閘管的電路符號。
2.1 晶閘管的工作過程
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。每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此是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。
設PNP管和NPN管的集電極電流分別為IC1和IC2,發射極電流相應為Ia和Ik,電流放大係數相應為α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,設流過J2結的反相漏電流為ICO,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:
若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為:Ik=Ia+Ig。
因此,可以得出晶閘管陽極電流為:
硅PNP管和硅NPN管相應的電流放大係數α1和α2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,而門極未接受電壓的情況下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶閘管的陽極電流Ia≈ICO,晶閘管處於正向阻斷狀態;當晶閘管在正向門極電壓下,從門極G流入電流Ig,由於足夠大的Ig流經NPN管的發射結,從而提高放大係數α2,產生足夠大的集電極電流IC2流過PNP管的發射結,並提高了PNP管的電流放大係數α1,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α1和α2隨發射極電流增加而使得(α1+α2)≈1時,式(1)中的分母1-(α1+α2)≈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。晶閘管導通後,式(1)中1-(α1+α2)≈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,門極已失去作用。在晶閘管導通後,如果不斷地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α1和α2迅速下降,晶閘管恢復到阻斷狀態。
2.2 晶閘管的工作條件
由於晶閘管只有導通和關斷兩種工作狀態,所以它具有開關特性,這種特性需要一定的條件才能轉化,此條件見表1。
(1)晶閘管承受反向陽極電壓時,無論門極承受何種電壓,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,無論門極電壓如何,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。
3 晶閘管的伏安特性和主要參數
3.1 晶閘管的伏安特性
晶閘管陽極A與陰極K之間的電壓與晶閘管陽極電流之間關係稱為晶閘管伏安特性,如圖2所示。正向特性位於第一象限,反向特性位於第三象限。
(1) 反向特性
當門極G開路,陽極加上反向電壓時(見圖3),J2結正偏,但J1、J2結反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流,當電壓進一步提高到J1結的雪崩擊穿電壓後,同時J3結也擊穿,電流迅速增加,如圖2的特性曲線OR段開始彎曲,彎曲處的電壓URO稱為“反向轉折電壓”。此後,晶閘管會發生永久性反向擊穿。
(2) 正向特性
當門極G開路,陽極A加上正向電壓時(見圖4),J1、J3結正偏,但J2結反偏,這與普通PN結的反向特性相似,也只能流過很小電流,這叫正向阻斷狀態,當電壓增加,如圖2的特性曲線OA段開始彎曲,彎曲處的電壓UBO稱為“正向轉折電壓”。
由於電壓升高到J2結的雪崩擊穿電壓後,J2結髮生雪崩倍增效應,在結區產生大量的電子和空穴,電子進入N1區,空穴進入P2區。進入N1區的電子與由P1區通過J1結注入N1區的空穴複合。同樣,進入P2區的空穴與由N2區通過J3結注入P2區的電子複合，雪崩擊穿後，進入N1區的電子與進入P2區的空穴各自不能全部複合掉。這樣，在N1區就有電子積累，在P2區就有空穴積累，結果使P2區的電位升高，N1區的電位下降，J2結變成正偏，只要電流稍有增加,電壓便迅速下降，出現所謂負阻特性，見圖2中的虛線AB段。這時J1、J2、J3三個結均處於正偏，晶閘管便進入正向導電狀態——通態,此時，它的特性與普通的PN結正向特性相似，如圖2的BC段。
(3) 觸發導通
在門極G上加入正向電壓時(如圖5所示),因J3正偏,P2區的空穴進入N2區,N2區的電子進入P2區,形成觸發電流IGT。在晶閘管的內部正反饋作用(如圖2)的基礎上,加上IGT的作用,使晶閘管提前導通,導致圖2中的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。
3.2 晶閘管的主要參數
(1)斷態重複峰值電壓UDRM
門極開路,重複率為每秒50次,每次持續時間不大於10ms的斷態最大脈衝電壓,UDRM=90%UDSM,
UDSM為斷態不重複峰值電壓。UDSM應比UBO小,所留的裕量由生產廠家決定。
(2)反向重複峰值電壓URRM
其定義同UDRM相似,URRM=90%URSM,URSM為反向不重複峰值電壓。
(3)額定電壓
選UDRM和URRM中較小的值作為額定電壓,選用時額定電壓應為正常工作峰值電壓的2～3倍,應能承受經常出現的過電壓。
(4) 通態平均電流IT(AV)(簡寫為ITa)
工頻正弦半波的全導通電流在一個整週期內的平均值,是在環境溫度為40℃穩定結溫情況下不超過額定值,所允許的最大平均電流作為該器件的額定電流。用最大通態平均電流標定晶閘管的額定電流是由於整流輸出電流需用平均電流去衡量,但是器件的結溫是由有效值決定的。對於同一個有效值,不同的電流波形,其平均值不一樣,因此選用一個晶閘管,要根據使用的電流波形計算出允許使用的電流平均值。
設單相工頻半波電流峰值為IM時波形,如圖6所示。通態平均電流為:
正弦半波電流有效值:
晶閘管有效值與通態平均電流比值為:
根據有效值相等原則來計算晶閘管流過其它波形電流時的允許平均電流Id。有效值與平均值的比為波形係數:
選用晶閘管時應選晶閘管的通態平均電流ITa為其正常使用電流平均值的1.2～2.0倍,才能可靠工作。
(5)通態平均電壓UT(AV)
晶閘管通過正弦半波的額定通態平均電流時,器件陽極A和陰極K間電壓的平均值,一般稱管壓降,約0.8～1V。
(6)維持電流IH
晶閘管從通態到斷態,維持通態的最小通態電流(數十毫安到一百多毫安)。
(7)擎住電流IL
晶閘管從斷態到通態,移去觸發信號,維持晶閘管通態的最小電流(IL>IH)。
(8)門極參數
產品樣本中門極觸發電流IGT,門極觸發電壓UGT是產品合格標準,觸發電路供給的觸發電流和電壓比這個數值大,才能可靠觸發。使用中不能超過門極的峰值電流、峰值電壓、峰值功率和平均功率。
(9)動態參數
斷態電壓臨界上升率du/dt。過大的du/dt會導致PN結J2(它相當於一個電容)產生的充電電流而引起誤導通。對於通態電流臨界上升率di/dt,晶閘管由斷態到通態,首先是由門極G附近小面積範圍內導電後展開,如果di/dt過大將造成局部過熱,損壞器件。
(10)額定結溫TJM
器件正常工作時允許的最高結溫,在此結溫下,有關額定值和特性才能得以保證,因此晶閘管的散熱器選擇和冷卻效果十分重要。
3.3 其它晶閘管
(1)快速晶閘管
快速晶閘管與普通晶閘管結構原理相同,特點是開關時間短,主要用於逆變器、斬波器及頻率為400Hz的變流器,比普通晶閘管反向恢復電流小,關斷時間在10μs以下。
(2)逆導晶閘管
在逆變電路、斬波電路中,常將晶閘管和二極管反向並聯使用,將晶閘管和整流管做成一個器件就是逆導晶閘管,優點是器件數量少、裝置體積小、正向電壓小、關斷時間短等。
(3)雙向晶閘管
雙向晶閘管結構和特性,可以等效為一對反並聯的普通晶閘管。雙向晶閘管常作為UPS的交流開關使用。
(4)門極輔助關斷晶閘管
在晶閘管關斷的同時在門極G與陰極K之間加反壓,把殘留的載流子強迫地吸出來,這樣起到縮短關斷時間的作用,它比快速晶閘管關斷的時間還能縮短一半。
3.4 晶閘管的保護電路
晶閘管的保護電路,大致可以分為兩種情況:一種是在適當的地方安裝保護器件,例如,R-C阻容吸收回路、限流電感、快速熔斷器、壓敏電阻或硒堆等。再一種則是採用電子保護電路,檢測設備的輸出電壓或輸入電流,當輸出電壓或輸入電流超過允許值時,藉助整流觸發控制系統使整流橋在短時間內工作於有源逆變工作狀態,從而抑制過電壓或過電流的數值。
(1)晶閘管的過流保護
晶閘管設備產生過電流的原因可以分為兩類:一類是由於整流電路內部原因, 如整流晶閘管損壞、觸發電路或控制系統有故障等。其中整流橋晶閘管損壞較為嚴重, 一般是由於晶閘管因過電壓而擊穿,造成無正、反向阻斷能力,它相當於整流橋臂間發生了永久性短路,使在另外兩橋臂間的晶閘管導通時,無法正常換流,因而產生線間短路引起過電流。另一類則是整流橋負載外電路發生短路而引起的過電流,這類情況時有發生,因為整流橋的負載實質上是逆變橋, 逆變電路換流失敗,就相當於整流橋負載短路。另外,如整流變壓器中心點接地,當逆變負載迴路接觸大地時,也會發生整流橋相對地來說就是短路。
①對於第一類過流,即整流橋內部原因引起的過流,以及逆變器負載迴路接地時,可以採用第一種保護措施,最常見的就是接入快速熔斷器的方式,如圖7所示(F)。快速熔斷器的接入方式共有三種,其特點和快速熔斷器的額定電流見表2。
②對於第二類過流,即整流橋負載外電路發生短路而引起的過電流,則應當採用電子電路進行保護。常見的電子保護原理如圖8所示。
(2)晶閘管的過壓保護
晶閘管設備在運行過程中,會受到由交流供電電網進入的操作過電壓和雷擊過電壓的侵襲。同時,設備自身運行中以及非正常運行中也有過電壓出現。
①過電壓保護的第一種方法是並接R-C阻容吸收回路,以及用壓敏電阻RV或硒堆等非線性元件加以抑制,如圖9(a)(b)所示。
②過電壓保護的第二種方法是採用電子電路進行保護。常見的電子保護原理如圖10所示。
(3)電流上升率、電壓上升率的抑制保護
①電流上升率di/dt的抑制。晶閘管初開通時電流集中在靠近門極的陰極表面較小的區域,局部電流密度很大,然後以0.1mm/μs的擴展速度將電流擴展到整個陰極面,若晶閘管開通時電流上升率 di/dt過大,會導致PN結擊穿,必須限制晶閘管的電流上升率使其在合適的範圍內,其有效辦法是在晶閘管的陽極迴路串入電感,如圖11所示。
②電壓上升率du/dt的抑制。加在晶閘管上的正向電壓上升率du/dt也應有所限制,如果du/dt過大,由於晶閘管結電容的存在而產生較大的位移電流,該電流可以實際上起到觸發電流的作用,使晶閘管正向阻斷能力下降,嚴重時會引起晶閘管誤導通。為抑制du/dt的作用,可以在晶閘管兩端並聯R-C阻容吸收回路,如圖12所示。
3.5 晶閘管損壞原因判別
(1)電壓擊穿。晶閘管因不能承受電壓而損壞,其芯片中有一個光潔的小孔,有時需用放大鏡才能看見。其原因可能是管子本身耐壓下降或被電路斷開時產生的高電壓擊穿。
(2)電流損壞。電流損壞的痕跡特徵是芯片被燒成一個凹坑,且粗糙,其位置遠離門極。
(3)電流上升率損壞。其痕跡與電流損壞相同,而其位置在門極附近或就在控制極上。
(4)邊緣損壞。它發生在芯片外圓倒角處,有細小光潔小孔。用放大鏡可看到倒角面上有細細金屬物劃痕,這是製造廠家安裝不慎所造成的,會導致電壓擊穿。
3.6 晶閘管的檢測
(1)單向晶閘管的檢測方法
取萬用表選電阻R×1Ω擋,紅、黑兩表筆分別測任意兩引腳間正反向電阻,直至找出讀數為數十歐姆的一對引腳,此時,黑表筆的引腳為門極G,紅表筆的引腳為陰極K,另一空腳為陽極A。此時將黑表筆接已判斷的陽極A,紅表筆仍接陰極K,此時萬用表指針應不動;用短線瞬間短接陽極A和門極G,此時萬用表電阻擋指針應向右偏轉,阻值讀數為10Ω左右。如陽極A接黑表筆,陰極K接紅表筆時,萬用表指針發生偏轉,說明該單向晶閘管已被擊穿損壞。
(2)雙向晶閘管的檢測
取萬用表電阻R×1Ω擋,用紅、黑兩表筆分別測任意兩引腳間正反向電阻,結果是其中兩組讀數為無窮大。若一組為數十歐姆時,該組紅、黑表所接的兩引腳為第一陽極A1和門極G,另一空腳即為第二陽極A2。確定A1、G極後,再仔細測量A1、G極間正、反向電阻,讀數相對較小的那次測量的黑表筆所接的引腳為第一陽極A1,紅表筆所接引腳為控制極G。將黑表筆接已確定的第二陽極A2,紅表筆接第一陽極A1,此時萬用表指針不應發生偏轉,阻值為無窮大。再用短接線將A2、G極瞬間短接,給G極加上正向觸發電壓,A2、A1間阻值約10Ω左右。隨後斷開A2、G間短接線,萬用表讀數應保持10Ω左右;互換紅、黑表筆接線,紅表筆接第二陽極A2,黑表筆接第一陽極A1。同樣萬用表指針應不發生偏轉,阻值為無窮大。A2、G極間再次瞬間短接,給G極加上負的觸發電壓,A1、A2間的阻值也是10Ω左右。隨後斷開A2、G極間短接線,萬用表讀數應不變,保持在10Ω左右。符合以上規律,說明被測雙向晶閘管未損壞,且三個引腳極性判斷正確。
檢測功率較大的晶閘管時,需要在萬用表黑筆中串接一節1.2V乾電池,以提高觸發電壓。
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