晶闸管的类型较多,有多种分类方式。按端的个数分为三极晶闸管、二极晶闸管;按电压-电流特性第三象限中的作用方式分为单向晶闸管、双向晶闸管;按控制的物理类别分为电控型晶闸管、光控型晶闸管;按门极控制的能力分为仅有开通晶闸管、门极关断晶闸管(GTO);按控制层分为P门极晶闸管、N门极晶闸管;按功率分为小功率、中功率和大功率晶闸管;按封装形式分为塑料封装晶闸管、金属封装晶闸管、陶瓷封装晶闸管等,其中塑料封装晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型,金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等。
下面介绍几种常用的晶闸管。
一、单向晶闸管(Silicon Cotolled Rectifier,SCR)
如图3.7-2(a)所示,单向晶闸管是一种由PNPN四层半导体材料构成的三端半导体器件。3个引出电极的名称分别为阳极A、阴极K和控制极G。单向晶闸管的阳极A与阴极K之间具有单向导电的性能。
如图3.7-2(b)所示,单向晶闸管可以等效为由一个PNP型三极管和一个NPN型三极管组成的复合管。单向晶闸管的管芯是P型半导体和N型半导体叠加组成的四层结构,共有3个PN结。在应用晶闸管时,只要在控制极加上很小的电流或电压,就能控制很大的阳极电流或电压。一般把5A以下的晶闸管叫做小功率晶闸管,50A以上的晶闸管叫做大功率晶闸管。
单向晶闸管有导通和关断两种状态。导通后,将阳极电流减小到无法维持正反馈或将阳极电压减小到一定程度就可以使其关断。
单向晶闸管阳极A接负电、阴极K接正电时,无论控制极G加什么极性的电压,阳极A与阴极K之间均处于关断状态。单向晶闸管阳极A接正电、阴极K接负电时,只要控制极G加一个合适的正向触发电压,阳极A与阴极K之间将从关断转为低阻导通状态,压降约为1V;若控制极G加负电压,单向晶闸管不会导通。
一旦单向晶闸管处于导通状态,即使取消控制极G触发电压,只要阳极A与阴极K之间保持正向电压,晶闸管将维持低阻导通状态;只有当阳极A与阴极K之间的电压降到某一临界点或反转时,阳极A与阴极K之间将由低阻导通状态转为高阻关断状态。
单向晶闸管一旦处于关断状态,即使其阳极A与阴极K之间重新加上正向电压也不会再次导通,只有在控制极G与阴极K之间重新加上正向触发电压后才能导通。
图3.7-2 单向晶闸管结构
二、双向晶闸管(Triode AC Switch,TRIAC)
图3.7-3 双向晶闸管结构(www.xing528.com)
如图3.7-3(a)所示,双向晶闸管是由NPNPN五层半导体材料构成的三端半导体器件,其3个电极分别为主电极T1、主电极T2和控制极G。双向晶闸管的阳极与阴极之间具有双向导电性能。如图3.7-3(b)所示,双向晶闸管可以等效为两只单向晶闸管反向并联组成的组合晶闸管。
双向晶闸管可以双向导通,即控制极G端加上正或负的触发电压,均能触发双向晶闸管正、反两个方向导通,故双向晶闸管有4种触发状态。
当控制极G和主电极T2相对于主电极T1的电压为正或控制极G和主电极T1相对于主电极T2的电压为负时,双向晶闸管的导通方向为主电极T2到T1,其间压降约为1V,此时主电极T2为阳极,主电极T1为阴极。
当控制极G和主电极T1相对于主电极T2的电压为正或控制极G和主电极T2相对于主电极T1的电压为负时,双向晶闸管的导通方向为主电极T1到T2,其间压降约为1V,此时主电极T1为阳极,主电极T2为阴极。
无论双向晶闸管的主电极T1、T2之间所加电压极性是正向还是反向,只要控制极G和主电极T1或T2之间加有正、负极性不同的触发电压,满足触发电流,双向晶闸管即可触发低阻导通。
双向晶闸管一旦导通,即使失去触发电压也能继续维持导通状态。当主电极T1、T2之间电流减小到维持电流以下或主电极T1、T2之间电压反向,双向晶闸管将由低阻导通状态转为高阻关断状态。只有重新施加触发电压才能再次导通。加在控制极G上的触发电压改变时,其导通电流就会相应地改变。
与单向晶闸管相比较,双向晶闸管触发之后是双向导通的,触发电压不分极性,只要绝对值达到触发门限值即可使双向晶闸管导通。
三、门极关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor,GTO)
图3.7-4 门极关断晶闸管
如图3.7-4所示,门极关断晶闸管是一种通过控制极来控制器件导通和关断的半导体器件,控制极加正脉冲信号可触发晶闸管导通,控制极加负脉冲信号可触发晶闸管关断,因而属于全控型器件。
门极关断晶闸管既具有普通晶闸管耐压高、电流大、耐浪涌能力强、价格便宜的优点,又具有电力晶体管自关断能力、无须辅助关断电路、使用方便的优点,是应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件,广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域。
四、快速晶闸管(High-Speed Shyristor)
快速晶闸管是一种开通速度快、导通扩展快、反向恢复电荷少、关断时间短的晶闸管,可以在400Hz频率以上工作,导通时间为4~8μs,关断时间为10~60μs,主要用于较高频率的整流、斩波、逆变和变频电路。
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