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可控硅基础知识详细图解

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2020-01-13 浏览:-

可控硅基础知识详细图解

可控硅(Silicon Controlled Rectifier) 简称SCR,是一种大功率电器元件,也称晶闸管。它具有体积小、效率高、寿命长等优点。在自动控制系统中,可作为大功率驱动器件,实现用小功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中得到了广泛的应用。

可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。双向可控硅也叫三端双向可控硅,简称TRIAC。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接,这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由控制极G决定。在控制极G上加正脉冲(或负脉冲)可使其正向(或反向)导通。这种装置的优点是控制电路简单,没有反向耐压问题,因此特别适合做交流无触点开关使用。

可控硅

结构

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。

可控硅

以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件,起始于1957年,因为它的特性类似于真空闸流管,所以国际上通称为硅晶体闸流管,简称晶闸管T,又因为晶闸管最初的在静止整流方面,所以又被称之为硅可控整流元件,简称为可控硅SCR。

在性能上,可控硅不仅具有单向导电性,而且还具有比硅整流元件(俗称“死硅”)更为可贵的可控性。它只有导通和关断两种状态。

可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备,如果超过此功率,因元件开关损耗显著增加,允许通过的平均电流相降低,此时,标称电流应降级使用。

可控硅的优点很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍数高达几十万倍;反应极快,在微秒级内开通、关断;无触点运行,无火花、无噪音;效率高,成本低等等。

可控硅的弱点:静态及动态的过载能力较差;容易受干扰而误导通。

可控硅从外形上分类主要有:螺栓形、平板形和平底形。

可控硅元件的结构

不管可控硅的外形如何,它们的管芯都是由P型硅和N型硅组成的四层P1N1P2N2结构。见图1。它有三个PN结(J1、J2、J3),从J1结构的P1层引出阳极A,从N2层引出阴级K,从P2层引出控制极G,所以它是一种四层三端的半导体器件。

可控硅

工作原理

结构原件

可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三个PN结,分析原理时,可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如右图所示。双向可控硅:双向可控硅是一种硅可控整流器件,也称作双向晶闸管。这种器件在电路中能够实现交流电的无触点控制,以小电流控制大电流,具有无火花、动作快、寿命长、可靠性高以及简化电路结构等优点。从外表上看,双向可控硅和普通可控硅很相似,也有三个电极。

但是,它除了其中一个电极G仍叫做控制极外,另外两个电极通常却不再叫做阳极和阴极,而统称为主电极Tl和T2。它的符号也和普通可控硅不同,是把两个可控硅反接在一起画成的,如图2所示。它的型号,在我国一般用“3CTS”或“KS”表示;国外的资料也有用“TRIAC”来表示的。双向可控硅的规格、型号、外形以及电极引脚排列依生产厂家不同而有所不同,但其电极引脚多数是按T1、T2、G的顾序从左至右排列(观察时,电极引脚向下,面对标有字符的一面)。市场上最常见的几种塑封外形结构双向可控硅的外形及电极引脚排列如下图1所示。

可控硅

可控硅

可控硅

晶闸管特性

可控硅

可控硅

为了能够直观地认识晶闸管的工作特性,大家先看这块示教板(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1.5V直流电源的正极(这里使用的是KP1型晶闸管,若采用KP5型,应接在3V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。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。这个演示实验给了我们什么启发呢?

这个实验告诉我们,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。

晶闸管特点

“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。

应用类型

图4示出了双向可控硅的特性曲线。

可控硅

由图可见,双向可控硅的特性曲线是由一、三两个象限内的曲线组合成的。第一象限的曲线说明当加到主电极上的电压使Tc对T1的极性为正时,我们称为正向电压,并用符号U21表示。当这个电压逐渐增加到等于转折电压UBO时,图3(b)左边的可控硅就触发导通,这时的通态电流为I21,方向是从T2流向Tl。从图中可以看到,触发电流越大,转折电压就越低,这种情形和普通可控硅的触发导通规律是一致的, 当加到主电极上的电压使Tl对T2的极性为正时,叫做反向电压,并用符号U12表示。当这个电压达到转折电压值时,图3(b)右边的可控硅便触发导通,这时的电流为I12,其方向是从T1到T2。这时双向可控硅的特性曲线,如图4中第三象限所示。

四种触发方式

可控硅

可控硅

由于在双向可控硅的主电极上,无论加以正向电压或是反向电压,也不管触发信号是正向还是反向,它都能被触发导通,因此它有以下四种触发方式:

(1)当主电极T2对Tl所加的电压为正向电压,控制极G对第一电极Tl所加的也是正向触发信号(图5a)。双向可控硅触发导通后,电流I2l的方向从T2流向T1。由特性曲线可知,这时双向可控硅触发导通规律是按第二象限的特性进行的,又因为触发信号是正向的,所以把这种触发叫做“第一象限的正向触发”或称为I+触发方式。

(2)如果主电极T2仍加正向电压,而把触发信号改为反向信号(图5b),这时双向可控硅触发导通后,通态电流的方向仍然是从T2到T1。我们把这种触发叫做“第一象限的负触发”或称为I-触发方式。

(3)两个主电极加上反向电压U12(图5c),输入正向触发信号,双向可控硅导通后,通态电流从T1流向T2。双向可控硅按第三象限特性曲线工作,因此把这种触发叫做Ⅲ+触发方式。

(4)两个主电极仍然加反向电压U12,输入的是反向触发信号(图5d),双向可控硅导通后,通态电流仍从T1流向T2。这种触发就叫做Ⅲ-触发方式。 双向可控硅虽然有以上四种触发方式,但由于负信号触发所需要的触发电压和电流都比较小。工作比较可靠,因此在实际使用时,负触发方式应用较多。

特性

常用的有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路、晶体三极管触发电路、利用小晶闸管触发大晶闸管的触发电路,等等。

可控硅的主要参数有:

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、 反向阻断峰值电压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、 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。许多新型可控硅元件相继问世,如适于高频应用的快速可控硅,可以用正或负的触发信号控制两个方向导通的双向可控硅,可以用正触发信号使其导通,用负触发信号使其关断的可控硅等等。

分类

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。

(六)过零触发-一般是调功,即当正弦交流电交流电电压相位过零点触发,必须是过零点才触发,导通可控硅。

(七)非过零触发-无论交流电电压在什么相位的时候都可触发导通可控硅,常见的是移相触发,即通过改变正弦交流电的导通角(角相位),来改变输出百分比。

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