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可控硅元件

www.hy928.net 2011/1/19 点击: 网络

可控硅元件
一、概述
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,简称晶闸管T。又由于晶闸管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(谷称“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,因元件开关损髦显著增加,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。
二、可控硅元件的结构和型号
1、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

图1、可控硅结构示意图和符号图
2、型号
目前国产可控硅的型号有部颁新、旧标准两种,新型号将逐步取代旧型号。
表一 KP型可控硅新旧标准主要特性参数对照表
参数
部颁新标准(JB1144-75) 部颁旧标准(JB1144-71)
序号
KP型右控硅整流元件 3CT系列可控硅整流元件
1
额定通态平均电流(IT(AV)) 额定正向平均值电流(IF)
2
断态重复峰值电压(UDRM) 正向阻断峰值电压(UPF)
3
反向重复峰值电压(URRM) 反向峰值电压(VPR)
4
断态重复平均电流(IDR(AV)) 正向平均漏电流(I)
5
反向重复平均电流(IRR(AV)) 反向平均漏电电流(IRL)
6
通态平均电压(UT(AV)) 最大正向平均电压降(VF)
7
门极触发电流(IGT) 控制极触发电流(Ig)
8
门极触发电压(UGT) 控制极触发电压(Vg)
9
断态电压临界上升率(du/dt) 极限正向电压上升率(dV/dt)
10
维持电流(IH) 维持电流(IH)
11
额定结温(TjM) 额定工作结温(Tj)
KP型可控硅的电流电压级别见表二
表二、KP型可控硅电流电压级别
额定通态平均
电流IT(AV)(A)
1,5,10,20,30,50,100,200,300,400,500,600,700,800,100
正反向重复
峰值电压UDRM,
URRM(×100)(V)
1~10,12,14,16,18,20,22,24,26,,28,30
通态平均电压
UT(AV)(V)
A
B
C
D
E
F
G
H
I
≤0.4
0.4~0.5
0.5~0.6
0.6~0.7
0.7~0.8
0.8~0.9
0.9~1.0
1.0~1.1
1.1~1,2
示例:
(1)KP5-10表示通态平均电流5安,正向重复峰值电压1000伏的普通反向阻断型可控硅元件。
(2)KP500-12D表示通态平均电流500安,正、反向重复峰值电压1200伏,通态平均电压0.7伏的业通反向阻断型可控硅元件。
(3)3CT5/600表示通态平均电流5安,正、反向重复峰值电压600伏的旧型号普通可控硅元件。
三、可控硅元件的工作原理及基本特性
1、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2所示

图2、可控硅等效图解图
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,此条件见表三
表三、可控硅导通和关断条件
状态
条件
说明
从关断到导通

1、阳极电位高于是阴极电位
2、控制极有足够的正向电压和电流

两者缺一不可
维持导通 1、阳极电位高于阴极电位
2、阳极电流大于维持电流
两者缺一不可
从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位
2、阳极电流小于维持电流
任一条件即可
2、基本伏安特性
可控硅的基本伏安特性见图3

图3、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4),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击穿。
(2)正向特性 当控制极开路,阳极上加上正向电压时(见图5),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、阳极加反向电压

图5、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3中的BC段
3、触发导通
在控制极G上加入正向电压时(见图6)因J3正偏,P2区的空穴时入N2区,N2区的电子进入P2区,形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用(见图2)的基础上,加上IGT的作用,使可控硅提前导通,导致图3的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。


图6、阳极和控制极均加正向电压


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