晶閘管模組

晶閘管模組是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控矽整流器，以前被簡稱為可控矽；1957年美國通用電器公司開發出世界上第一款晶閘管產品，並於1958年將其商業化；晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個極：陽極，陰極和門極。

基本介紹

• 中文名：晶閘管模組
• 全稱：晶體閘流管
• 別名：可控矽整流器

晶閘管模組的定義

晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發電流；其派生器件有：快速晶閘管，雙向晶閘管，逆導晶閘管，光控晶閘管等。它是一種大功率開關型半導體器件，在電路中用文字元號為“V”、“VT”表示（舊標準中用字母“SCR”表示）。

晶閘管具有矽整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛套用於可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。

晶閘管模組的分類

晶閘管有多種分類方法。

（一）按關斷、導通及控制方式分類

晶閘管按其關斷、導通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、門極關斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。

（二）按引腳和極性分類

晶閘管按其引腳和極性可分為二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。

（三）按封裝形式分類

晶閘管按其封裝形式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。

（四）按電流容量分類

晶閘管按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種。通常，大功率晶閘管多採用金屬殼封裝，而中、小功率晶閘管則多採用塑封或陶瓷封裝。

（五）按關斷速度分類

晶閘管按其關斷速度可分為普通晶閘管和高頻（快速）晶閘管。

晶閘管在電路中的主要用途

普通晶閘管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二極體整流電路屬於不可控整流電路。如果把二極體換成晶閘管，就可以構成可控整流電路、逆變、電機調速、電機勵磁、無觸點開關及自動控制等方面。現在我畫一個最簡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的控制極沒有輸入觸發脈衝Ug，VS仍然不能導通，只有在U2處於正半周，在控制極外加觸發脈衝Ug時，晶閘管被觸發導通。現在，畫出它的波形圖〔圖4(c)及(d)〕，可以看到，只有在觸發脈衝Ug到來時，負載RL上才有電壓UL輸出(波形圖上陰影部分)。Ug到來得早，晶閘管導通的時間就早；Ug到來得晚，晶閘管導通的時間就晚。通過改變控制極上觸發脈衝Ug到來的時間，就可以調節負載上輸出電壓的平均值UL(陰影部分的面積大小)。在電工技術中，常把交流電的半個周期定為180°，稱為電角度。這樣，在U2的每個正半周，從零值開始到觸發脈衝到來瞬間所經歷的電角度稱為控制角α；在每個正半周內晶閘管導通的電角度叫導通角θ。很明顯，α和θ都是用來表示晶閘管在承受正向電壓的半個周期的導通或阻斷範圍的。通過改變控制角α或導通角θ，改變負載上脈衝直流電壓的平均值UL，實現了可控整流。

晶閘管模組的使用注意事項

選用晶閘管模組的額定電壓時，應參考實際工作條件下的峰值電壓的大小，並留出一定的餘量。

1、選用晶閘管模組的額定電流時，除了考慮通過元件的平均電流外，還應注意正常工作時導通角的大小、散熱通風條件等因素。在工作中還應注意管殼溫度不超過相應電流下的允許值。

2、使用晶閘管模組之前，應該用萬用表檢查晶閘管模組是否良好。發現有短路或斷路現象時，應立即更換。

3、嚴禁用兆歐表（即搖表）檢查元件的絕緣情況。

4、電流為5A以上的晶閘管模組要裝散熱器，並且保證所規定的冷卻條件。為保證散熱器與晶閘管模組管心接觸良好，它們之間應塗上一薄層有機矽油或矽脂，以幫於良好的散熱。

5、按規定對主電路中的晶閘管模組採用過壓及過流保護裝置。

6、要防止晶閘管模組控制極的正向過載和反向擊穿。

晶閘管的保護

1、過流保護
如果想得到較安全的過流保護，建議用戶優先使用內部帶過流保護作用的模組。另外還可採用外接快速熔斷器、快速過電流繼電器、感測器的方法。快速熔斷器是最簡單常用的方法，介紹如下：
（1）快速熔斷器的選擇：
①、熔斷器的額定電壓應大於模組輸入端電壓；
②、熔斷器的額定電流應為模組標稱輸入電流的0.6倍，按照計算值選擇相同電流或稍大一點的熔斷器。模組輸入、輸出電流的換算關係參考本本部落格有關文章。用戶也可根據經驗和試驗自行確定熔斷器的額定電流。
（2）接線方法：快速熔斷器接在模組的輸入端，負載接輸出端。
2、過壓保護
晶閘管承受過電壓的能力較差，當元件承受的反向電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間很短，也會造成元件反向擊穿損壞。如果正向電壓超過晶閘管的正向轉折電壓，會引起晶閘管硬開通，它不僅使電路工作失常，且多次硬開通後元件正向轉折電壓要降低，甚至失去正向阻斷能力而損壞。因此必須採用過電壓保護措施用以抑制晶閘管上可能出現的過電壓。
模組的過壓保護，推薦採用阻容吸收和壓敏電阻兩種方式並用的保護措施。
（1）阻容吸收迴路
晶閘管從導通到阻斷時，和開關電路一樣，因線路電感（主要是變壓器漏感LB）釋放能量會產生過電壓。由於晶閘管在導通期間，載流子充滿元件內部，所以元件在關斷過程中，正向電壓下降到零時，內部仍殘存著載流子。這些積蓄的載流子在反向電壓作用下瞬時出現較大的反向電流，使積蓄載流子迅速消失，這時反向電流消失的極快，即di/dt極大。因此即使和元件串連的線路電感L很小，電感產生的感應電勢L（di/dt）值仍很大，這個電勢和電源電壓串聯，反向加在已恢復阻斷的元件上，可能導致晶閘管的反向擊穿。這種由於晶閘管關斷引起的過電壓，稱為關斷過電壓，其數值可達工作電壓峰值的5～6倍，所以必須採取抑制措施。
阻容吸收電路中電容器把過電壓的電磁能量變成靜電能量存貯，電阻防止電容和電感產生諧振、限制晶閘管開通損耗和電流上升率。這種吸收迴路能抑制晶閘管由導通到截止時產生的過電壓，有效避免晶閘管被擊穿。
阻容吸收電路安裝位置要儘量靠近模組主端子，即引線要短。最好採用無感電阻，以取得較好的保護效果。
各型號模組對應的電阻和電容值根據表10選取。
（2）壓敏電阻吸收過電壓
壓敏電阻能夠吸收由於雷擊等原因產生能量較大、持續時間較長的過電壓。壓敏電阻標稱電壓（V1mA），是指壓敏電阻流過1mA電流時它兩端的電壓。壓敏電阻的選擇，主要考慮額定電壓和通流容量。額定電壓V1mA的下限是線路工作電壓峰值，考慮到電網電壓的波動以及多次承受衝擊電流以後V1mA值可能下降，因此，額定電壓的取值應適當提高。目前通常採用30[%]的餘量計算。
V1mA≥1.3√2・U
式中 U――壓敏電阻兩端正常工作電壓的有效值。
壓敏電阻的數量：三相整流模組和三相交流模組均為三隻、單相整流模組和單相交流模組均為一隻。全部接在交流輸入端。
3、過熱保護
晶閘管在電流通過時，會產生一定的壓降，而壓降的存在則會產生一定的功耗，電流越大則功耗越大，產生的熱量也就越大。如果不把這些熱量快速散掉，會造成燒壞晶閘管晶片的問題。因此要求使用晶閘管模組時，一定要安裝散熱器。散熱條件的好壞，是影響模組能否安全工作的重要因素。良好的散熱條件不但能夠保證模組可靠工作、防止模組過熱燒毀，而且能夠提高模組的電流輸出能力。建議用戶在使用大電流規格模組的時候儘量選擇帶過熱保護作用的模組。當然，即便模組帶過熱保護作用，而散熱器和風機也是不可缺少的。
在使用中，當散熱條件不符合規定要求時，如室溫超過40℃、強迫風冷的出口風速不足6m/s等，則模組的額定電流應立即降低使用，否則模組會由於晶片結溫超過允許值而損壞。譬如，按規定應採用風冷的模組而採用自冷時，則電流的額定值應降低到原有值的30～40[%]，反之如果改為採用水冷時，則電流的額定值可以增大30～40[%]。
為了幫助用戶合理選擇散熱器和風機，我們確定了不同型號模組在其額定電流工作狀態下，環境溫度為40℃時所需的散熱器長度、風機規格、數量及散熱器基礎參數等，請參考說明書。另外，在表內出具了每個型號的模組在峰值壓降、最大標稱電流和阻性負載條件下的功耗值，以便於用戶自己確定散熱器尺寸時做參考。
在實際套用中，應注意以下幾點：
（1）軸流風機風速應≥6m/s。
（2）若模組達不到滿負荷工作，可酌減散熱器長度。
（3）在設備開機前，應檢查模組所有螺釘是否牢固，若有鬆動，應擰緊螺釘，以使模組底板和散熱器表面以及模組電極和接線端子之間都能夠緊密接觸，達到最佳散熱效果。
（4）採用自然冷卻形式時，必須保證散熱器周圍的空氣能夠自然對流。
（5）因水冷散熱效果好，有水冷條件的，應首選水冷散熱形式。