进口晶闸管 KPC 5100-26

上海秦邦电子科技有限公司

晶闸管的发展历史及制约因素
半导体的出现成为20世纪现代物理学其中一项重大的突破，标志着电子技术的诞生。而由于不同领域的实际需要，促使半导体器件自此分别向两个分支快速发展，其中一个分支即是以集成电路为代表的微电子器件，特点为小功率、集成化，作为信息的检出、传送和处理的工具；而另一类就是电力电子器件，特点为大功率、快速化。1955年，美国通用电气公司研发了世界上个以硅单晶为半导体整流材料的硅整流器（SR），1957年又开发了**用于功率转换和控制的可控硅整流器（SCR）。由于它们具有体积小、重量轻、效率高、寿命长的优势，尤其是SCR能以微小的电流控制较大的功率，令半导体电力电子器件成功从弱电控制领域进入了强电控制领域、大功率控制领域。在整流器的应用上，晶闸管迅速取代了整流器（引燃管），实现整流器的固体化、静止化和无触点化，并获得巨大的节能效果。从1960年始，由普通晶闸管相继出了快速晶闸管、光控晶闸管、不对称晶闸管及双向晶闸管等各种特性的晶闸管，形成一个庞大的晶闸管家族。
但晶闸管本身存在两个制约其继续发展的重要因素。一是控制功能上的欠缺，普通的晶闸管属于半控型器件，通过门较（控制较）只能控制其开通而不能控制其关断，导通后控制较即不再起作用，要关断必须切断电源，即令流过晶闸管的正向电流小于维持电流。由于晶闸管的关断不可控的特性，必须另外配以由电感、电容及开关器件等组成的强迫换流电路，从而使装置体积，成本增加，而且系统更为复杂、可靠性降低。二是因为此类器件立足于分立元件结构，开通损耗大，工作频率难以提高，限制了其应用范围。1970年代末，随着可关断晶闸管（GTO）日趋成熟，成功克服了普通晶闸管的缺陷，标志着电力电子器件已经从半控型器件发展到全控型器件

晶闸管的伏安特性
晶闸管阳极A与阴极K之间的电压与晶闸管阳极电流之间关系称为晶闸管伏安特性,如图2所所示。正向特性位于象限,反向特性位于*三象限。
(1) 反向特性
当门较G开路,阳极加上反向电压时(见图3),J2结正偏,但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流,当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后,同时J3结也击穿,电流迅速增加,如图2的特性曲线OR段开始弯曲,弯曲处的电压URO称为“反向转折电压”。此后,晶闸管会发生性反向击穿。
(2) 正向特性
当门较G开路,阳极A加上正向电压时(见图4),J1、J3结正偏,但J2结反偏,这与普通PN结的反向特性相似,也只能流过很小电流,这叫正向阻断状态,当电压增加,如图2的特性曲线OA段开始弯曲,弯曲处的电压UBO称为“正向转折电压”。
由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后,J2结发生雪崩倍增效应,在结区产生大量的电子和空穴,电子进入N1区,空穴进入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合。同样,进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿后，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉。这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍有增加,电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图2中的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，晶闸管便进入正向导电状态——通态,此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，如图2的BC段。
(3) 触发导通
在门较G上加入正向电压时(如图5所示),因J3正偏,P2区的空穴进入N2区,N2区的电子进入P2区,形成触发电流IGT。在晶闸管的内部正反馈作用(如图2)的基础上,加上IGT的作用,使晶闸管提前导通,导致图2中的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。

晶闸管的工作过程
晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。
当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基较电流。因此是两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门较电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2,发射较电流相应为Ia和Ik,电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J2结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:
Ia=IC1+IC2+ICO
=α1Ia+α2Ik+ICO (1)
若门较电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:Ik=Ia+Ig。
硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2随其发射较电流的改变而急剧变化。当晶闸管承受正向阳极电压,而门较未接受电压的情况下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO,晶闸管处于正向阻断状态;当晶闸管在正向门较电压下,从门较G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结,从而提高放大系数α2,产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结,并提高了PNP管的电流放大系数α1,产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结,这样强烈的正反馈过程迅速进行。
当α1和α2随发射较电流增加而使得(α1+α2)≈1时,式(1)中的分母1-(α1+α2)≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。这时,流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定,晶闸管已处于正向导通状态。晶闸管导通后,式(1)中1-(α1+α2)≈0,即使此时门较电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通,门较已失去作用。在晶闸管导通后,如果不断地减小电源电压或回路电阻,使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时,由于α1和α2迅速下降,晶闸管恢复到阻断状态。

晶闸管的使用注意事项
选用可控硅的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电压的大小，并留出一定的余量。
1、选用可控硅的额定电流时，除了考虑通过元件的平均电流外，还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温度不**过相应电流下的允许值。
2、使用可控硅之前，应该用万用表检查可控硅是否良好。发现有短路或断路现象时，应立即更换。
3、严禁用兆欧表（即摇表）检查元件的绝缘情况。
4、电流为5A以上的可控硅要装散热器，并且保证所规定的冷却条件。为保证散热器与可控硅管心接触良好，它们之间应涂上一薄层**硅油或硅脂，以帮于良好的散热。
5、按规定对主电路中的可控硅采用过压及过流保护装置。
6、要防止可控硅控制较的正向过载和反向击穿。