可控硅模塊

普通晶閘管的三個(gè)電極可以用萬(wàn)用表歐姆擋R×100擋位來(lái)測(cè)。大家知道，晶閘管G、K之間是一個(gè)PN結(jié)〔圖2(a)〕，相當(dāng)于一個(gè)二極管，G為正極、K為負(fù)極，所以，按照測(cè)試二極管的方法，找出三個(gè)極中的兩個(gè)極，測(cè)它的正、反向電阻，電阻小時(shí)，萬(wàn)用表黑表筆接的是控制極G，紅表筆接的是陰極K，剩下的一個(gè)就是陽(yáng)極A了。測(cè)試晶閘管的好壞，可以用剛才演示用的示教板電路(圖3)。接通電源開(kāi)關(guān)S，按一下按鈕開(kāi)關(guān)SB，燈泡發(fā)光就是好的，不發(fā)光就是壞的。

鑒別可控硅三個(gè)極的方法很簡(jiǎn)單，根據(jù)P-N結(jié)的原理，只要用萬(wàn)用表測(cè)量一下三個(gè)極之間的電阻值就可以。陽(yáng)極與陰極之間的正向和反向電阻在幾百千歐以上，陽(yáng)極和控制極之間的正向和反向電阻在幾百千歐以上（它們之間有兩個(gè)P-N結(jié)，而且方向相反，因此陽(yáng)極和控制極正反向都不通）。

控制極與陰極之間是一個(gè)P-N結(jié)，因此它的正向電阻大約在幾歐-幾百歐的范圍，反向電阻比正向電阻要大。可是控制極二極管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻斷狀態(tài)的，可以有比較大的電流通過(guò)，因此，有時(shí)測(cè)得控制極反向電阻比較小，并不能說(shuō)明控制極特性不好。另外，在測(cè)量控制極正反向電阻時(shí)，萬(wàn)用表應(yīng)放在R*10或R*1擋，防止電壓過(guò)高控制極反向擊穿。

若測(cè)得元件陰陽(yáng)極正反向已短路，或陽(yáng)極與控制極短路，或控制極與陰極反向短路，或控制極與陰極斷路，說(shuō)明元件已損壞。

可控硅是可控硅整流元件的簡(jiǎn)稱，是一種具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件。實(shí)際上，可控硅的功用不僅是整流，它還可以用作無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)以快速接通或切斷電路，實(shí)現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電，等等?？煽毓韬推渌雽?dǎo)體器件一樣，其有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體技術(shù)從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域，成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭(zhēng)相采用的元件。

一、可控硅的結(jié)構(gòu)和特性

■可控硅從外形上分主要有螺旋式、平板式和平底式三種（見(jiàn)圖表-25）。螺旋式的應(yīng)用較多。

■可控硅有三個(gè)電極----陽(yáng)極（A）陰極（C）和控制極（G）。它有管芯是P型導(dǎo)體和N型導(dǎo)體交迭組成的四層結(jié)構(gòu)，共有三個(gè)PN結(jié)。其結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)見(jiàn)圖表-26。

■從圖表-26中可以看到，可控硅和只有一個(gè)PN結(jié)的硅整流二極度管在結(jié)構(gòu)上迥然不同?？煽毓璧乃膶咏Y(jié)構(gòu)和控制極的引用，為其發(fā)揮“以小控大”的優(yōu)異控制特性奠定了基礎(chǔ)。在應(yīng)用可控硅時(shí)，只要在控制極加上很小的電流或電壓，就能控制很大的陽(yáng)極電流或電壓。目前已能制造出電流容量達(dá)幾百安培以至上千安培的可控硅元件。一般把5安培以下的可控硅叫小功率可控硅，50安培以上的可控硅叫大功率可控硅。

■可控硅為什么其有“以小控大”的可控性呢？下面我們用圖表-27來(lái)簡(jiǎn)單分析可控硅的工作原理。

■首先，我們可以把從陰極向上數(shù)的第一、二、三層看面是一只NPN型號(hào)晶體管，而二、三四層組成另一只PNP型晶體管。其中第二、第三層為兩管交迭共用。這樣就可畫(huà)出圖表-27（C）的等效電路圖來(lái)分析。當(dāng)在陽(yáng)極和陰極之間加上一個(gè)正向電壓Ea，又在控制極G和陰極C之間（相當(dāng)BG1的基一射間）輸入一個(gè)正的觸發(fā)信號(hào)，BG1將產(chǎn)生基極電流Ib1，經(jīng)放大，BG1將有一個(gè)放大了β1倍的集電極電流IC1。因?yàn)锽G1集電極與BG2基極相連，IC1又是BG2的基極電流Ib2。BG2又把比Ib2（Ib1）放大了β2的集電極電流IC2送回BG1的基極放大。如此循環(huán)放大，直到BG1、BG2完全導(dǎo)通。實(shí)際這一過(guò)程是“一觸即發(fā)”的過(guò)程，對(duì)可控硅來(lái)說(shuō)，觸發(fā)信號(hào)加入控制極，可控硅立即導(dǎo)通。導(dǎo)通的時(shí)間主要決定于可控硅的性能。

■可控硅一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通后，由于循環(huán)反饋的原因，流入BG1基極的電流已不只是初始的Ib1，而是經(jīng)過(guò)BG1、BG2放大后的電流（β1*β2*Ib1）這一電流遠(yuǎn)大于Ib1，足以保持BG1的持續(xù)導(dǎo)通。此時(shí)觸發(fā)信號(hào)即使消失，可控硅仍保持導(dǎo)通狀態(tài)只有斷開(kāi)電源Ea或降低Ea，使BG1、BG2中的集電極電流小于維持導(dǎo)通的最小值時(shí)，可控硅方可關(guān)斷。當(dāng)然，如果Ea極性反接，BG1、BG2由于受到反向電壓作用將處于截止?fàn)顟B(tài)。這時(shí)，即使輸入觸發(fā)信號(hào)，可控硅也不能工作。反過(guò)來(lái)，Ea接成正向，而觸動(dòng)發(fā)信號(hào)是負(fù)的，可控硅也不能導(dǎo)通。另外，如果不加觸發(fā)信號(hào)，而正向陽(yáng)極電壓大到超過(guò)一定值時(shí)，可控硅也會(huì)導(dǎo)通，但已屬于非正常工作情況了。

■可控硅這種通過(guò)觸發(fā)信號(hào)（小的觸發(fā)電流）來(lái)控制導(dǎo)通（可控硅中通過(guò)大電流）的可控特性，正是它區(qū)別于普通硅整流二極管的重要特征。

可控硅模塊又叫晶閘管(SiliconControlledRectifier,SCR)。自從20世紀(jì)50年代問(wèn)世以來(lái)已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管，等等。今天大家使用的是單向晶閘管，也就是人們常說(shuō)的普通晶閘管，它是由四層半導(dǎo)體材料組成的，有三個(gè)PN結(jié)，對(duì)外有三個(gè)電極：第一層P型半導(dǎo)體引出的電極叫陽(yáng)極A，第三層P型半導(dǎo)體引出的電極叫控制極G，第四層N型半導(dǎo)體引出的電極叫陰極K。從晶閘管的電路符號(hào)可以看到，它和二極管一樣是一種單方向?qū)щ姷钠骷?，關(guān)鍵是多了一個(gè)控制極G，這就使它具有與二極管完全不同的工作特性。

普通晶閘管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極管整流電路屬于不可控整流電路。如果把二極管換成晶閘管，就可以構(gòu)成可控整流電路、逆變、電機(jī)調(diào)速、電機(jī)勵(lì)磁、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及自動(dòng)控制等方面?，F(xiàn)在我畫(huà)一個(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波可控整流電路〔圖4(a)〕。在正弦交流電壓U2的正半周期間，如果VS的控制極沒(méi)有輸入觸發(fā)脈沖Ug，VS仍然不能導(dǎo)通，只有在U2處于正半周，在控制極外加觸發(fā)脈沖Ug時(shí)，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通?，F(xiàn)在，畫(huà)出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕，可以看到，只有在觸發(fā)脈沖Ug到來(lái)時(shí)，負(fù)載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來(lái)得早，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就早；Ug到來(lái)得晚，晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就晚。通過(guò)改變控制極上觸發(fā)脈沖Ug到來(lái)的時(shí)間，就可以調(diào)節(jié)負(fù)載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術(shù)中，常把交流電的半個(gè)周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個(gè)正半周，從零值開(kāi)始到觸發(fā)脈沖到來(lái)瞬間所經(jīng)歷的電角度稱為控制角α；在每個(gè)正半周內(nèi)晶閘管導(dǎo)通的電角度叫導(dǎo)通角θ。很明顯，α和θ都是用來(lái)表示晶閘管在承受正向電壓的半個(gè)周期的導(dǎo)通或阻斷范圍的。通過(guò)改變控制角α或?qū)ń铅?，改變?fù)載上脈沖直流電壓的平均值UL，實(shí)現(xiàn)了可控整流。

復(fù)合接觸器由控制單元、可控硅單元和機(jī)電式雙斷點(diǎn)接觸器單元三部分組成。從外形結(jié)構(gòu)看三極復(fù)合接觸器由左右兩個(gè)可控硅模塊和中間的接觸器模塊構(gòu)成，單極復(fù)合接觸器是由左邊的可控硅模塊和右邊的接觸器模塊構(gòu)成。

復(fù)合接觸器由12V開(kāi)關(guān)電源提供工作電源?補(bǔ)償控制器提供控制信號(hào)。在控制器發(fā)出投入信號(hào)后，復(fù)合接觸器的可控硅模塊運(yùn)用智能過(guò)零投切技術(shù)在50ms時(shí)間內(nèi)將電容器迅速接入，隨后接觸器吸合控制器發(fā)出切除信號(hào)后?接觸器分?jǐn)?、可控硅模塊再過(guò)零分?jǐn)?最短循環(huán)周期≯30s。整個(gè)過(guò)程的接通、分?jǐn)喽际怯煽煽毓柙谶^(guò)零點(diǎn)完成?所以可實(shí)現(xiàn)電容投入無(wú)浪涌電流、分?jǐn)酂o(wú)電弧?這種過(guò)零投切方案可延長(zhǎng)電容使用壽命減小系統(tǒng)電流沖擊和過(guò)電壓?相比全可控硅調(diào)節(jié)器有低功耗、低發(fā)熱等優(yōu)點(diǎn)。三相復(fù)合接觸器有缺相保護(hù)和指示功能?在復(fù)合接觸器欲進(jìn)行投入時(shí)?如檢測(cè)到進(jìn)線端斷相故障?則會(huì)拒投并通過(guò)發(fā)光管給出閃爍的故障指示?避免三相補(bǔ)償不平衡。