可控硅的特性及检测.docx

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可控硅的特性及检测

一、可控硅的特性

    可控硅分单向可控硅、双向可控硅。

单向可控硅有阳极A、阴极K、控制极G三个引脚。

双向可控硅有第一阳极A1（T1），第二阳极A2（T2）、控制极G三个引脚。

只有当单向可控硅阳极A与阴极K之间加有正向电压，同时控制极G与阴极间加上所需的正向触发电压时，方可被触发导通。

此时A、K间呈低阻导通状态，阳极A与阴极K间压降约为1V。

单向可控硅导通后，控制极G即使失去触发电压，只要阳极A和阴极K之间仍保持正向电压，单向可控硅继续处于低阻导通状态。

只有把阳极A电压撤除或阳极A、阴极K之间电压极性发生改变（交流过零）时，单向可控硅才由低阻导通状态转换为高阻截止状态。

单向可控硅一旦截止，即使阳极A和阴极间又重新加上正向电压，仍需在控制极G和阴极K之间重新加上正向触发电压方可导通。

单向可控硅的导通与截止状态相当于形状的闭合和断开状态，用它可制成无触点开关。

    双向可控硅第一阳极A1与第二阳极A2间，无论所加电压极性是正向还是反向，只要控制极G和第一阳极A1间加有正负极性不同的触发电压，就可触发导通呈低阻状态。

此时A1、A2间压降也约1V。

双向可控硅一旦导通，即使失去触发电压，也能继续保持导通状态。

只有当第一阳极A1、第二阳极A2电流减小，小于维持电流或A1、A2间当电压极性改变且没有触发电压时，双向可控硅才截断，此时只有重新加触发电压方可导通。

    二、可控硅的检测

    1.单向可控硅的检测

    万用表选用电阻R×1档，用红黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑笔接的引脚为控制极G，红笔接的引脚为阴极K，另一空脚为阳极A。

此时将黑表笔接已判断了的阳极A，红表笔仍接阴极K。

此时万用表指针应不动。

用短接线瞬间短接阳极A和控制极G，此时万用表指针应向右偏转，阻值读数为10欧姆左右。

如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅已击穿损坏。

    2.双向可控硅的检测

    用万用表电阻R×1档，用红黑两表笔分别测任意两引脚正反向电阻，结果其中两组读数为无穷大。

若一组为数十欧姆时，该组红黑表笔所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G，另一空脚即为第二阳极A2。

确定A、G极后，再仔细测量A1、G极间正反向电阻，读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1，红表笔所接引脚为控制极G。

将黑表笔接已确定了的第二阳极A2，红表笔接第一阳极A1，此时万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。

再用短接线将A2、G极瞬间短接，给G极加上正向触发电压，A2、A1间阻值约为10欧姆左右。

随后断开A2、G极短接线，万用表读数应保持10欧姆左右。

互换红黑表笔接线，红表笔接第二阳极A2，黑表笔接第一阳极A1。

同样万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。

用短接线将A2、G极间再次瞬间短接，给G极加上负向的触发电压，A1、A2间阻值也是10欧姆左右。

随后断开A2、G极间短接线，万用表读数应不变，保持10欧姆左右。

符合以上规律，说明被测双向可控硅管未损坏且三个引脚极性判断正确。

    检测较大功率可控硅管是地，需要在万用表黑笔中串接一节1.5V干电池，以提高触发电压

二、可控硅元件—可控硅整流电路

一、单相半波可控整流电路

1、工作原理

电路和波形如图1所示，设u2=U2sinω。

正半周：

0＜t＜t1,ug=0,T正向阻断，id=0,uT=u2,ud=0

t=t时,加入ug脉冲，T导通，忽略其正向压降，uT=0,ud=u2,id=ud/Rd。

负半周：

π≤t＜2π当u2自然过零时，T自行关断而处于反向阻断状态，ut=0,ud=0,id=0。

从0到t1的电度角为α，叫控制角。

从t1到π的电度角为θ，叫导通角，显然αθ=π。

当α=0，θ=180度时，可控硅全导通，与不控整流一样，当α=180度，θ=0度时，可控硅全关断，输出电压为零。

2、各电量关系

ud波形为非正弦波，其平均值（直流电压）：

由上式可见，负载电阻Rd上的直流电压是控制角α的函数，所以改变α的大小就可以控制直流电压Ud的数值，这就是可控整流意义之所在。

流过Rd的直流电流Id：

Ud的有效值（均方根值）：

流过Rd的电流有效值：

由于电源提供的有功功率P=UI，电源视在功率S=U2I（U2是电源电压有效值），所以功率因数：

由上式可见，功率因数cosψ也是α的函数，当α=0时，cosψ=0.707。

显然，对于电阻性负载，单相半波可控整流的功率因数也不会是1。

比值Ud/U、I/Id和cosψ随α的变化数值，见表1，它们相应的关系曲线，如图2所示

表1Ud/U、I/Id和cosψ的关系

α0°30°60°90°120°150°180°Ud/UI/Idcosψ0.451.570.7070.421.660.6980.3381.880.6350.2252.220.5080.1132.870.3020.033.990.120-0

图2单相半波可控整流的电压、电流及功率因数与控制角的关系

由于可控硅T与Rd是串联的，所以，流过Rd的有效值电流I与平均值电流Id的比值，也就是流过可控硅T的有效值电流IT与平均值电流IdT的比值，即I/Id=It/IdT。

二、单相桥式半控整流电路

1、工作原理

电路与波形如图3所示

正半周：

t1时刻加入ug1，T1导通，电流通路如图实线所示。

uT1=0,ud=u2,uT2=-u2。

u2过零时，T1自行关断。

负半周：

t2时刻加入ug2，T2导通，电流通路如图虚线所示，uT2=0，ud=-u2,ut1=u2。

u2过零时T2自行关断。

2、各电量关系

由图3可见，ud波形为非正弦波，其幅值为半波整流的两倍，所以Rd上的直流电压Ud：

直流电流Id：

电压有效值U：

电流有效值I：

功率因数cosψ：

比值Ud/U,I/Id和cosψ随α的变化数值见表2，相应关系曲线见图4

表2Ud/U、I/Id、cosψ与α的关系表

α0°30°60°90°120°150°180°Ud/UI/Idcosψ0.91.11210.841.1790.9850.6761.3350.8960.451.5750.7170.2261.970.4260.062.8350.1690-0

图4、单相全波和桥式电路电压、电流及功率因数与控制角的关系

把单相全波整流单相半波整流进行比较可知：

（1）当α相同时，全波的输出直流电压比半波的大一倍。

（2）在α和Id相同时，全波的电流有效值比半波的减小倍。

（3）α相同时，全波的功率因数比半波的提高了倍。

三、整流电路波形分析

1、单相半波可控整流

（1）电阻性负载（见图1）

∙电阻性负载，id波形与ud波形相似，因为可控硅T与负载电阻Rd串联，所以id=id。

∙可控硅T承受的正向电压随控制角α而变化，但它承受的反向电压总是负半波电压，负半波电压的最大值为U2。

∙线路简单，多用在要求不高的电阻负载的场合。

（2）感性负载（不带续流二极管，见图5）：

图5电感性负载无续流二极管

∙电机电器的电磁线圈、带电感滤波的电阻负载等均属于电感性负载。

∙电感具有障碍电流变化的作用可控硅T导通时，其压降uT=0，但电流id只能从零开始上升。

id增加和减少时线圈Ld两端的感应电动势eL的极性变化如图示。

∙当电源电压u2下降及u2≥0时，只要释放磁场能量可以维持id继续流通，可控硅T仍然牌导通状态，此时ud=u2。

当u2＜0时，虽然ud出现负值，但电流id的方向不变。

∙当电流id减小到小于维持电流IH时，可控硅T自行关断，id=0,UT=u2，可控硅承受反压。

∙负载电压平均值：

其中电感Ld两端电压的平均值为零。

∙电感Ld的存在使负载电压ud出现负值，Ld越大，ud负值越大，负载上直流电压Ud就越小，Id=Ud/Rd也越小，所以如果不采取措施，可控硅的输出就达不到应有的电压和电流。

（3）感性负载（带续流二极管，见图6）：

图6电感性负载有续流二极管

∙在负载上并联一只续流二极管D，可使Ud提高到和电阻性负载时一样，

∙在电源电压u2≤0时，D的作用有点：

①把电源负电压u2引到可控硅T两端，使T关断，uT=u2；②给电感电流续流，形成iD；③把负载短路，ud=0,避免ud出现负值，使负载上直流输出电压ud提高。

∙负载电流为何控硅电流iT和二极管的续流iD之和，即id=iTiD。

当ωLd≥R时，iD下降很慢使id近似为一条水平线，所以流过T和D的电注平均值与有效值分别为：

平均值：

IdT=（θ/360°）Id；IdD=[（360°-θ）/360°]Id；有效值：

IT=根号下（θ/360°）Id；ID=根号下[（360°-θ）/360°]Id

∙可控硅T开始导通后，如果电感Ld很大，iT的上升很慢，这就有可能导致触发脉冲消失时可控硅的电流还上升不到维持导通状态的维持电流，就是说，可控硅触发不了，为了使可控硅可靠触发，触发脉冲应该足够宽，或者在负载两端并联一只电阻，以利于加快iT的上升。

三、整流元件（晶闸管）

简单地说：

整流器是把单相或三相正弦交流电流通过整流元件变成平稳的可调的单方向的直流电流。

其实现条件主要是依靠整流管,晶闸管等元件通过整流来实现.除此之外整流器件还有很多,如:

可关断晶闸管GTO,逆导晶闸管，双向晶闸管，整流模块,功率模块IGBT,SIT,MOSFET等等,这里只探讨晶闸管.

晶闸管又名可控硅,通常人们都叫可控硅.是一种功率半导体器件,由于它效率高,控制特性好,寿命长,体积小等优点,自上个世纪六十长代以来,获得了迅猛发展,并已形成了一门独立的学科.“晶闸管交流技术”。

晶闸管发展到今天，在工艺上已经非常成熟，品质更好，成品率大幅提高，并向高压大电流发展。

目前国内晶闸管最大额定电流可达5000A，国外更大。

我国的韶山电力机车上装载的都是我国自行研制的大功率晶闸管。

晶闸管的应用：

一、可控整流

如同二极管整流一样，可以把交流整流为直流，并且在交流电压不变的情况下，方便地控制直流输出电压的大小即可控整流，实现交流——可变直流

二、交流调压与调功

利用晶闸管的开关特性代替老式的接触调压器、感应调压器和饱和电抗器调压。

为了消除晶闸管交流调压产生的高次谐波，出现了一种过零触发，实现负载交流功率的无级调节即晶闸管调功器。

交流——可变交流。

三、逆变与变频

直流输电：

将三相高压交流整流为高压直流，由高压直流远距离输送以减少损耗，增加电力网的稳定，然后由逆变器将直流高压逆变为50HZ三相交流。

直流——交流

中频加热和交流电动机的变频调速、串激调速等变频，交流——频率可变交流

四、斩波调压（脉冲调压）

斩波调压是直流——可变直流之间的变换，用在城市电车、电气机车、电瓶搬运车、铲车（叉车）、电气汽车等，高频电源用于电火花加工。

五、无触点功率静态开关（固态开关）

作为功率开关元件，代替接触器、继电器用于开关频率很高的场合

晶闸管导通条件:

晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当正向门极电压，使晶闸管导通过程称为触发。

晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作用，通常在门极上只要加上一个正向脉冲电压即可，称为触发电压。

门极在一定条件下可以触发晶闸管导通，但无法使其关断。

要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电压，或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流减小至维持电流（IH）（当门极断开时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持晶闸管导通所需的最小阳极电流叫维持电流），电流会突然降到零，之后再提高电压或减小负载电阻，电流不会再增大，说明晶闸管已恢复阻断。

根据晶闸管阳极伏安特性，可以总结出：

1．门极断开时，晶闸管的正向漏电流比一般硅二极管反向漏电流大，且随着管子正向阳极电压升高而增大。

当阳极电压升到足够大时，会使晶闸管导通，称为正向转折或“硬开通”。

多次硬开通会损坏管子。

2．晶闸管加上正向阳极电压后，还必须加上触发电压，并产生足够的触发电流，才能使晶闸管从阻断转为导通。

触发电流不够时，管子不会导通，但此时正向漏电流随着增大而显著增大。

晶闸管只能稳定工作在关断和导通两个状态，没有中间状态，具有双稳开关特性。

是一种理想的无触点功率开关元件。

3．晶闸管一旦触发导通，门极完全失去控制作用。

要关断晶闸管，必须使阳极电流<维持电流，对于电阻负载，只要使管子阳极电压降为零即可。

为了保证晶闸管可靠迅速关断，通常在管子阳极电压互降为零后，加上一定时间的反向电压。

晶闸管主要特性参数

1．正反向重复峰值电压——额定电压（VDRM、VRRM取其小者）

2．额定通态平均电流IT（AV）——额定电流（正弦半波平均值）

3．门极触发电流IGT，门极触发电压UGT，（受温度变化）

4．通态平均电压UT（AV）即管压降

5．维持电流IH与掣住电流IL

6．开通与关断时间

晶闸管合格证基本参数

IT（AV）=A（TC=℃）------通态平均电流

VTM=V-----------通态峰值电压

VDRM=V-------------断态正向重复峰值电压

IDRM=mA-------------断态重复峰值电流

VRRM=V-------------反向重复峰值电压

IRRM=mA------------反向重复峰值电流

IGT=mA------------门极触发电流

VGT=V------------门极触发电压

执行标准：

QB-02-09

晶闸管的选择：

晶闸管的过载能力差，根据实际最大电流还要乘以1.5~3倍，即电流裕量。

通常按平均电流IT（AV）选取，额定电流的有效值ITe（即均方根值）为平均电流的1.57倍。

波形系数Kf=Ite/IT（AV）=1.57

额定电压应取实际工作时的可能最大电压2~3倍，即电压裕量。

同时还要加上必要的保护措施。

门极触发电流：

几十个mA~几百mA，离开这个范围可能误触发或难触发

门极触发电压：

3V左右

台面有凹台和凸台之分，散热器与此有关

§2.主电路型式及多相整流

一．单相

1．单相半波可控整流电路

2．单相全波可控整流电路（双半波）

3．单相半控桥式可控整流电路

4．单相桥式可控整流电路

二．三相

1．三相半波可控整流电路

2．三相桥式全控整流电路

3．三相桥式半控整流电路

4．三相全控桥式同相逆并联整流电路

5．双反星形带平衡电抗器可控整流电路

6．双反星形带平衡电抗器全电路同相逆并联可控整流Δ/Y┻Y+Y┻Y

三．多相整流

多相整流可以大幅降低高次谐波电流，减少对电网的污染。

不论是三相桥式还是双反星形电路都可以组成多相整流。

如12、24、36、48脉波，即在一个交流周波中直流脉动次数。

一般来说，24脉波以上变压器结构相对较复杂，整变阀侧出线铜排较多，这样带来了一些其它困难。

大容量机组可以用多台整流机组，通过移相相位差及并联运行来实现多相整流。

§3.保护

可控硅本身在选择时就已准备了很大的电流电压裕量。

为了使整流器可靠的工作，还必须加上各种保护。

过流，限流，过压，快熔断，元件损坏，水压异常，水温高，缺相，欠支路，桥臂过热，防雷击，控制电路过流过压失控等；整变轻重瓦斯，油温异常。

1．晶闸管关断过电压（换流过电压、空穴积蓄效应过电压）及保护

晶闸管从导通到阻断，线路电感（主要是变压器漏感LB）释放能量产生过电压。

由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，在关断过程中，管子在反向作用下，正向电流下降到零时，元件内部残存着载流子。

这些载流子在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流，使残存的载流子迅速消失，这时反向电流减小即diG/dt极大，产生的感应电势很大，这个电势与电源串联，反向加在已恢复阻断的元件上，可导致晶闸管反向击穿。

这就是关断过电压（换相过电压）。

数值可达工作电压的5~6倍。

保护措施：

在晶闸管两端并接阻容吸收电路。

2．交流侧过电压及其保护

由于交流侧电路在接通或断开时出现暂态过程，会产生操作过电压。

高压合闸的瞬间，由于初次级之间存在分布电容，初级高压经电容耦合到次级，出现瞬时过电压。

措施：

在三相变压器次级星形中点与地之间并联适当电容，就可以显著减小这种过电压。

与整流器并联的其它负载切断时，因电源回路电感产生感应电势的过电压。

变压器空载且电源电压过零时，初级拉闸，因变压器激磁电流的突变，在次级感生出很高的瞬时电压，这种电压尖峰值可达工作电压的6倍以上。

交流电网遭雷击或电网侵入干扰过电压，即偶发性浪涌电压，都必须加阻容吸收路进行保护。

3．直流侧过电压及保护

当负载断开时或快熔断时，储存在变压器中的磁场能量会产生过电压，显然在交流侧阻容吸收保护电路可以抑制这种过电压，但由于变压器过载时储存的能量比空载时要大，还不能完全消除。

措施：

能常采用压敏吸收进行保护。

4．过电流保护

一般加快速熔断器进行保护，实际上它不能保护可控硅，而是保护变压器线圈。

5．电压、电流上升率的限制

§4.均流与晶闸管选择

均流不好，很容易烧坏元件。

为了解决均流问题，过去加均流电抗器，噪声很大，效果也不好，一只一只进行对比，拧螺丝松紧，很盲目，效果差，噪音大，耗能。

我们采用的办法是：

用计算机程序软件进行动态参数筛选匹配、编号，装配时按其号码顺序装配，很间单。

每一只元件上都刻有字，以便下更换时参考。

这样能使均流系数可达到0.85以上。

为了减少并联，选用大元件。

这样可以进一步提高均流度，并减小损耗，因为每一只元件都存在一个压降，这也是整流器的主要损耗。

§5.触发控制电路

目前，可控硅触发电路有很多：

模拟IC集成触发电路，其中有国产ICKJ004（KJ009）；进口IC有TCA785，787电路；数字触发（一种逻辑芯片）模拟控制，可同步锁相；单片机触发控制电路也越来越广泛应用，都可PI调节。

都能满足可控硅的触发要求。

四、可控硅（晶闸管）工作原理

晶闸管又叫可控硅，有阳极、阴极和控制极，其内有四层PNPN半导体，三个PN结。

控制极不加电压时，阳极（+）、阴极（-）间加正向电压不导通，阴极（+）、阳极（-）间加反向电压也不导通，分别称为正向阻断和反向阻断。

阳极（+）、阴极（-）加正向电压，控制极（+）、阴极（-）加一电压触发，可控硅导导通，此时控制极去除触发电压，可控硅仍导通，称为触发导通。

要想关断（不导通），只要电流小于维持电流就行了，去除正向电压也能关断。

      一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。

又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，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，如果超过此频率，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。

1、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。

2、 工作原理

      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，其等效图解如图1所示

      当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。

此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。

因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。

此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。

这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。

     由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。

由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1

可控硅的基本伏安特性见图2

 图2可控硅基本伏安特性

（1）反向特性

当控制极开路，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，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。

此时，可控硅会发生永久性反向

（2）正向特性

当控制极开路，阳极上加上正向电压时（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，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是UBO叫：

正向转折电压

图4阳极加正向电压

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，电子时入N1区，空穴时入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，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，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。

这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅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，见图2中的BC段

2、 触发导通

图5阳极和控制极均加正向电压

图1、可控硅结构示意图和符号图

3、可控硅在电路中的主要用途是什么?

      普通可控硅最基本的用途就是可控整流。

大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。

如果把二极管换成可控硅，就可以构成可控整流电路。

现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路〔图4（a）〕。

在正弦交流电压U2的正半周期间，如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug，VS仍然不能导通，只有在U2处于正半周，在控制极外加触发脉冲Ug时，可控硅被触发导通。

现在，画出它的波形图〔图4（c）及（d）〕，可以看到，只有在触发脉冲Ug到来时，负载RL上才有电压UL输出（波形图上阴影部分）。

Ug到来得早，可控硅导通的时间就早；Ug到来得晚，可控硅导通的时间就晚。

通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间，就可以调节负载上输出电压的平均值UL（阴影部分的面积大小）。

在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180°，称为电