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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(jié)構(gòu)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?qū)щ娦?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(guān)斷兩種狀態(tài)。
晶閘管的優(yōu)點很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍;反應(yīng)極快,在微秒級內(nèi)開通、關(guān)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(tǒng)中,晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開關(guān)、無觸點輸出開關(guān)等電路中得到廣泛的應(yīng)用。
晶閘管的弱點:靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差,容易受干擾而誤導通。
晶閘管從外形類主要有:螺栓形、平板形和平底形。

晶閘管的發(fā)展歷史及制約因素
半導體的出現(xiàn)成為20世紀現(xiàn)代物理學其中一項重大的突破,標志著電子技術(shù)的誕生。而由于不同領(lǐng)域的實際需要,促使半導體器件自此分別向兩個分支快速發(fā)展,其中一個分支即是以集成電路為代表的微電子器件,特點為小功率、集成化,作為信息的檢出、傳送和處理的工具;而另一類就是電力電子器件,特點為大功率、快速化。1955年,美國通用電氣公司研發(fā)了世界上個以硅單晶為半導體整流材料的硅整流器(SR),1957年又開發(fā)了全球用于功率轉(zhuǎn)換和控制的可控硅整流器(SCR)。由于它們具有體積小、重量輕、效率高、壽命長的優(yōu)勢,尤其是SCR能以微小的電流控制較大的功率,令半導體電力電子器件成功從弱電控制領(lǐng)域進入了強電控制領(lǐng)域、大功率控制領(lǐng)域。在整流器的應(yīng)用上,晶閘管迅速取代了整流器(引燃管),實現(xiàn)整流器的固體化、靜止化和無觸點化,并獲得巨大的節(jié)能效果。從1960年始,由普通晶閘管相繼出了快速晶閘管、光控晶閘管、不對稱晶閘管及雙向晶閘管等各種特性的晶閘管,形成一個龐大的晶閘管家族。
但晶閘管本身存在兩個制約其繼續(xù)發(fā)展的重要因素。一是控制功能上的欠缺,普通的晶閘管屬于半控型器件,通過門極(控制極)只能控制其開通而不能控制其關(guān)斷,導通后控制極即不再起作用,要關(guān)斷必須切斷電源,即令流過晶閘管的正向電流小于維持電流。由于晶閘管的關(guān)斷不可控的特性,必須另外配以由電感、電容及輔助開關(guān)器件等組成的強迫換流電路,從而使裝置體積增大,成本增加,而且系統(tǒng)更為復(fù)雜、可靠性降低。二是因為此類器件立足于分立元件結(jié)構(gòu),開通損耗大,工作頻率難以提高,限制了其應(yīng)用范圍。1970年代末,隨著可關(guān)斷晶閘管(GTO)日趨成熟,成功克服了普通晶閘管的缺陷,標志著電力電子器件已經(jīng)從半控型器件發(fā)展到全控型器件

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(jié),可以把它中間的NP分成兩部分,構(gòu)成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復(fù)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(jié)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。因此是兩個互相復(fù)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(shè)PNP管和NPN管的集電極電流分別為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α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電流為ICO,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+ICO
=α1Ia+α2Ik+ICO (1)
若門極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為:Ik=Ia+Ig。
硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)α1和α2隨其發(fā)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,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài);當晶閘管在正向門極電壓下,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),從而提高放大系數(shù)α2,產(chǎn)生足夠大的集電極電流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)α1,產(chǎn)生更大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié),這樣強烈的正反饋過程迅速進行。
當α1和α2隨發(fā)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回路的電壓和回路電阻決定,晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導通后,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(xù)導通,門極已失去作用。在晶閘管導通后,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,由于α1和α2迅速下降,晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。
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