双向晶闸管

由半导体材料制成的交流开关器件

双向晶闸管是一种特殊的晶闸管,它具有NPNPN五层结构,外形与普通晶闸管相似,也有三个电极,分别称为第一阳极A 1 、第二阳极A 2 和门极G,双向晶闸管的导电特性是在第一阳极和第二阳极之间,所加的交流电压无论是正向电压还是反向电压,在门极上所加触发电压无论是正脉冲还是负脉冲,都可以使它正向或反向导通。所谓正脉冲,是门极接触发电源的高电位端,第二阳极 A 2 接触发电源的低电位端。

基本信息

双向晶闸管的 伏安特性曲线 具有对称性,如图所示。

有关简介

由于双向晶闸管正、反特性具有对称性,所以它可在任何一个方向导通,是一种理想的交流开关器件。

检查方法

检查双向晶闸管的好坏:双向晶闸管作电子开关使用,能控制交流负载(例如 白炽灯 )的通断,根据白炽灯的亮灭情况,可判断双向晶闸管的好坏。将220V交流电源的任意一端接T2,另一端经过220V、100W白炽灯接T1。触发电路由开关S和门极限流 电阻 R组成。S选用耐压220VAC的小型 钮子开关 或 拉线开关 。R的阻值取100~330Ω,R值取得过大,会减小 导通角 。

检查步骤:

第一步,先将S断开,此时双向晶闸管关断,灯泡应熄灭。若灯泡正常发光,则说明双向晶闸管T1-T2极间短路,管子报废;如果灯泡轻微发光,表明T1-T2漏电流太大,管子的性能很差。出现上述两种情况,应停止试验。

第二步:闭合S,因为门极上有触发信号,所以只需经过几 微秒 的时间,双向晶闸管即导通通, 白炽灯 上有交流电流通过而正常发光。具体工作过程分析如下:在交流电的正半周,设Ua>Ub,则T2为正,T1为负,G相对于T2也为负,双向晶闸管按照T2-T1的方向导通。在交流电的负半周,设Ua<Ub,则T2为负,T1为正,G相对于T2也为正,双向晶闸管沿着T1→T2的方向导通。综上所述,仅当S闭合时灯泡才能正常发光,说明双向晶闸管质量良好。如果闭合时灯泡仍不发光,证明门极已损坏。

注意事项:

(1)本方法只能检查耐压在400V以下的双向晶闸管。对于耐压值为100V、200V的双向晶闸管,需借助自耦调压器把220V交流电压降到器件耐压值以下。

(2)T1和T2的位置不得接反,否则不能触发双向晶闸管。

(3)具体到Ua、Ub中的哪一端接火线( 相线 ),哪端接零线,可任选。

(4)利用双向晶闸管作电子开关比机械开关更加优越。因为只需很低的控制功率,就能控制相当大的电流,它不存在触点抖动问题,动作速度极快,在关断时也不会出现电弧现象。实际应用时,图5.9.14中的开关S可用 固态继电器 、 干簧继电器 、 光电继电器 等代替。

工作原理

双向晶闸管与单向晶闸管一样,也具有触发控制特性。不过,它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同,这就是无论在阳极和阴极间接入何种 极性 的电压,只要在它的控制极上加上一个触发脉冲,也不管这个脉冲是什么极性的,都可以使双向晶闸管导通。由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制,因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极、阴极之分,通常把这两个主电极称为T1电极和T2电极,将接在P型半导体材料上的主电极称为T1电极,将接在N型半导体材料上的电极称为T2电极。由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分,所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值电压之分,而只用一个最大峰值电压,双向晶闸管的其他参数则和单向晶闸管相同。

构造

尽管从形式上可将双向晶闸管看成两只普通晶闸管的组合,但实际上它是由7只 晶体管 和多只 电阻 构成的功率集成器件。小功率双向晶闸管一般采用塑料封装,有的还带散热板。大功率双向晶闸管大多采用RD91型封装。

检测方法

1、判定 T1 极

由图可见,G极与T2极靠近,距T1极较远。因此,G—T2之间的正、反向电阻都很小。在用 RXl档测任意两脚之间的电阻时,只有在G-T2之间呈现低阻,正、反向电阻仅几十欧,而T1-G、T2-T1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明,如果测出某脚和其他两脚都不通,就肯定是T1极。另外,采用TO—220封装的双向晶闸管,T1极通常与小散热板连通,据此亦可确定T1极。

2、区分G极和T2极

(1) 找出T1极之后,首先 假定剩下两脚中某一脚为T2极,另一脚为G极。

(2) 把黑表笔接T2极,红表笔接T1极, 电阻 为无穷大。接着用红表笔尖把T1与G短路,给 G极加上负触发信号,电阻值应为十欧左右,证明管子已经导通,导通方向为T2一T1。再将红表笔尖与G极脱开(但仍接T1),若电阻值 保持不变,证明管子在触发之后能维持导通状态。

(3) 把红表笔接T2极,黑表笔接T1极,然后使T1与G短路,给G极加上正触发信号,电阻值仍为十欧左右,与G极脱开后若阻值不变,则说明管子经 触发后,在T1一T2方向上也能维持导通状态,因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。否则是假定与实际不符,需再作出假定,重复以上测量。显见,在识别G、T2,的过程中,也就检查了双向晶闸管的触发能力。如果按哪种假定去测量,都不能使双向晶闸管触发导通,证明管于巳损坏。对于lA的管子,亦可用RXl0档检测,对于3A及3A以上的管子,应选RXl档,否则难以维持导通状态。

产品发展

双向晶闸管的发展现状在我国精管行业发展很快。国内 分立器件 厂商的主要产品以硅基二极管、 三极管 和晶闸管为主,国际 功率半导体器件 的主流主品功率MOS器件只是近年来才有所涉及,且主要为平面栅结构的 VDMOS 器件,IGBT还处于研发阶段。宽禁带 半导体器件 主要是以 微波 功率器件(SiCMESFET和 GaN HEMT )为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体产品器件的产品研发。

产品分类

一、普通 二极管 、三极管国内的自给率已经很高,但是在高档的 功率二极管 ,大部分还依赖进口,国内的产品性能还有不小的差距。

二、 ABB 晶闸管类器件产业成熟,种类齐全,普通晶闸管、 快速晶闸管 、超大功率晶闸管、 光控晶闸管 、双向晶闸管、 逆导晶闸管 、高频晶闸管都能生产。 CSR 当前可以生产6英寸、4000A、8500V超大功率晶闸管,居世界领先水平,已经在我国的 机车 上大量使用,为我国的铁路现代化建设做出了贡献。

三、在 功率管 领域,逐步有国内的企业技术水平上升到MOS工艺, MOSFET 的产业有一定规模,进入21世纪后,这类器件的产品已批量进入市场,几十 安培 、200V的器件在民用产品上获得了广泛应用, 进口替代 已然开始。

四、IGBT、 FRD ( 快恢复二极管 )已经有所突破,FRD初见规模。IGBT从封装起步向芯片设计制造发展,从PT结构向NPT发展,沟槽工艺正在开发中。IGBT产品进入中试阶段,

五、在电源管理领域,2008年前十名都见不到国内的企业。

产业链

一、设计:国内IGBT还处于研制阶段,还没有商品化的IGBT投入市场,我国IGBT芯片的产业化道路比较漫长。国内的民营和海归人士设立的公司已经研发出了低端的IGBT产品,如常州宏微、 斯达半导 。 CSR 就不说了。

二、制造:IGBT对于技术要求较高,国内企业还没有从事IGBT生产。考虑到IP保护以及技术因素的限制,外资 IDM 厂商也没有在国内进行IGBT 晶圆 制造和封装的代工。 华虹NEC 和成芯的8寸线、 华润上华科技有限公司 和深圳方正的6寸线均可提供功率器件的代工服务。

三、封装:我国只有少数企业从事中小功率IGBT的封装,而且尚未形成规模化生产,在IGBT芯片的产业化以及大功率IGBT封装领域的技术更是一片空白。

变化

一、BCD工艺已从无到有,从低压向高压发展,从硅基向SOI基发展。

二、从封装起步向芯片设计制造发展,从PT结构向NPT发展,沟槽工艺正在开发中。

产品分类

外形

一、平板式双向晶闸管;

二、螺旋式双向晶闸管。

产品尺寸

一、平板式

二、螺栓式

工作特性

(1)双向晶闸管导通必须具备的条件是:只要在控制极(G)加有正或负向触发电压(即UG>0或UG<0=,则不论第一阳极(T1)与第二阳极(T2)之间加正向电压或是 反向电压 ,晶闸管都能导通。 

(2)晶闸管导通后,控制极(G)将失去作用,即:当UG=0,晶闸管仍然导通。  

(3)只要使其导通(工作)电流小于晶闸管的 维持电流 值,或第一阳极(T1)与第二阳极(T2)间外加的电压过零时,双向晶闸管都将关断。

参考资料