晶闸管基础知识

在本教程中,我们将学习可控硅的基础知识。我们将看到一个简单的晶闸管的起源(从闸流管和晶体管),一个小列表的应用晶闸管。

介绍

如今,从家用电器到工业电源和电机控制设备,许多机电或电气设备都是由电力电子电路组成,其中晶闸管作为固态开关器件起着重要的作用。

传统的功率控制方法包括使用可变分接变压器、分流和串联调节器来产生变电压。但这些都是成本效益和效率低下的。后来,发明了磁放大器来产生功率的静态控制,具有更大的可靠性。

然而,由于控制器体积大、效率低,这些方法在某些应用中受到限制。

可控硅简史

电力控制的发展与电子方法是从使用热和气体排放阀开始的。这些装置包括汞弧变换器、闸流管和点火器。闸流管是充气三极管,特别用于开关大电流。

随着半导体技术的快速发展,电子电路的小型化取代了以往的热阀和气放气阀,在许多工业应用中采用了功率二极管和功率晶体管。

晶闸管具有与燃气管晶闸管相似的特性,是晶闸管制造技术的一个新发展方向。可控硅的名称是由闸流管(thyraton)和晶体管(transistor)两个词组合而成的。由于可靠性的提高,温度性能的提高和制造成本的降低,这些晶闸管被广泛应用于许多应用。

通用电气公司在1957年推出了晶闸管的第一个原型。从那时起,随着晶闸管制造技术的发展和对许多工业应用的适应性,其他具有相似特性的器件被引入到晶闸管家族之下。

该器件的基本材料是硅,因此被称为可控硅整流器(SCR’s)。然而,一般认为,可控硅是可控硅家族中最古老的成员。

http://www.electronicecircuits.com/wp-content/uploads/2010/02/SCR-TESTER-Silicon-controlled-rectifier.jpg

晶闸管的结构

晶闸管是一种四层(交替P、N型材料)三端器件,常用在可调整流电路中。这些端子是阳极、阴极和栅极。所述阳极和阴极两个端子与所述负载串联,并通过控制通过所述栅极端子的电流来处理通过所述负载的电流。

晶闸管被设计用来处理大约大于1kv和100a的高能级(电压和电流)。即使是高额定可控硅也可以通过低压电源(约10w和1A)切换或控制。因此,一个巨大的控制能力可能与可控硅或可控硅。

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可控硅和闸流管的区别

Thryristor闸流管

图片来源:http://www.tuopeek.com/image2/thyratron.jpg

在晶闸管或可控硅发明之前,闸流管被广泛用于工业控制应用。这种装置的常见形式是使用闸流管进行整流和逆变的电弧变换器。闸流管是一种充气管,由阳极、阴极和栅极三个端组成。栅极和阴极之间的正电压,闸流管接通。下面列出了可控硅或可控硅与闸流管的一些区别。

  1. 可控硅或晶闸管需要一个主电源和一个控制电源或信号,而闸流管需要阳极和阴极之间的大电压和一个单独的灯丝电源。一些闸流管需要辅助二极管提供额外的电源。
  2. 晶闸管可以在很宽的频率范围内工作,而闸流管被限制在1 KHz的频率范围内,因为闸流管中的电弧电离和去电离时间相对较大。
  3. 可控硅的内部损耗比闸流管小得多,因为闸流管中的阳极-阴极电弧电压降更高,且与所使用气体的分子量成反比。
  4. 晶闸管的开启和关闭时间比晶闸管的开启和关闭时间要短,这是由于在电极间区域有气体存在造成的。
  5. 为了避免任何不必要的闪流和弧背,闸流管的阳极和阴极端子之间必须有足够的间隔(由于阳极和阴极电压大),相对于闸流管。因此闸流管比晶闸管大(晶闸管减小了尺寸和重量)。
  6. 可控硅比闸流管更可靠。
  7. 闸流管寿命较短,晶闸管寿命较大。
  8. 闸流管是电压控制器件,而晶闸管是电流控制器件。

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晶闸管和晶体管的区别

可控硅整流器

晶闸管和晶体管都具有体积小、效率高、成本低等优点,是三种终端半导体开关器件。

尽管这些晶体管被称为功率晶体管,具有高电压和电流额定值,但这两种设备之间存在一些差异,如下所示。然而,功率晶体管和晶闸管都有它们自己广泛应用的应用。

对于给定的尺寸,晶闸管的额定电流和电压要比晶体管高得多。

  1. 晶闸管是四层器件,而晶体管是三层。
  2. 一旦栅极被一个脉冲触发,可控硅或可控硅保持打开(也称为可控硅的再生动作),直到通过不同的技术关闭。但是晶体管需要一个连续的基极电流来保持传导状态。
  3. 晶闸管仅用作开关器件(或打开或关闭),在许多应用中,晶体管需要在有源区域操作。
  4. 可控硅的额定功率范围为千瓦。另一方面,功率晶体管的额定功率可达几百瓦。
  5. 功率晶体管的内部功率损耗比晶闸管高。

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类型的晶体闸流管

类型的晶体闸流管

晶闸管系列器件分为不同类型,可用于不同的应用。闸极端的触发信号使晶闸管接通,其关断操作取决于电源电路配置。所以外部可控性只有在可控硅的情况下才会开启。

然而,一些晶闸管(从12到19在下面的列表中)有外部可控电路,通过栅极或基极端打开和关闭晶闸管。一些类型的晶闸管包括

1.阶段控制晶体闸流管

2.不对称晶体闸流管(ASCRs)

3.逆变级可控硅(快速开关速度可控硅)

4.反向导电晶闸管(rct)

5.双向二极管晶闸管(diac)

6.闸管辅助关断晶闸管

7.双向三极管可控硅

8.硅控制开关(SCS)

9.硅双向开关(SBS)

10.单侧硅开关(SUS)

11.光控硅整流器(LASCRs)

12.静态感应晶闸管(SITHs)

13.闸极关断可控硅

14.静电感应晶体管(sit)

15.MOS控制晶闸管(MCTs)

16.场控晶闸管(fct)

17.MOS关断晶闸管(MTOs)

18.发射极关断晶闸管(ETOs)

19.集成栅整流晶闸管(igct)

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晶体闸流管的应用

晶闸管由于其高开关速度和高功率处理能力,被广泛应用于高电压、高电流的交流控制应用中。通过适当的晶闸管门信号,利用晶闸管控制平均输出功率。

同时,当晶闸管正偏时,延时门控信号可以产生输出的相位控制。这种相位可控性可以产生比非控制整流器产生的平均电压更少的平均电压。

这是可控硅最重要的应用。以下是晶闸管用于功率控制的应用。

  • 交流和直流电机的速度控制器
  • 直流和交流断路器
  • 照明(调光器)和温度控制器
  • 压力控制和液位调节器
  • 可变电压交流到直流整流器
  • 变频直流到交流逆变器
  • 变频交流到交流转换器或Cyclo转换器
  • HVDC, HVAC传输和静态无功系统。
  • 电阻焊和感应加热系统等。

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