以下文章来源于芯思想 ,作者赵元闯
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2019年6月14日,Silicon Controlled Rectifier(SCR/Thyristor,可控硅/晶闸管)获颁IEEE里程碑(IEEE Milestone)牌匾,以表彰SCR/Thyristor为电力领域做出的巨大贡献。
该牌匾放在美国纽约州克利德(Clyde)哥伦比亚大街124号。牌匾上刻文:
1957年通用电气推出了可控硅整流器(SCR),这是一种三端p-n-p-n器件。以前使用的充气管操作困难且不可靠。对称交流开关(TRIAC)、栅极关断晶闸管(GTO)和大型集成栅极换向晶闸管(IGCT)都是由可控硅演变而来的。它的发展彻底改变了电能和电机的有效控制。
General Electric introduced the silicon controlled rectifier (SCR), a three-terminal p-n-p-n device, in 1957. The gas-filled tubes used previously were difficult to operate and unreliable. The symmetrical alternating current switch (TRIAC), the gate turn-off thyristor (GTO), and the large integrated gate-commutated thyristor (IGCT) evolved from the SCR. Its development revolutionized efficient control of electric energy and electrical machines.
可控硅(SCR),也称晶闸管(Thyristor),是一种大功率电器元件,具有体积小、效率高、寿命长等优点。在自动控制系统中,可作为大功率驱动器件,实现用小功率控件控制大功率设备。它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中得到了广泛的应用。
SCR/Thyristor电能的变换和控制从旋转的变流机组、静止的离子变流器进入以电力半导体器件组成的变流器时代。可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种。双向可控硅也叫三端双向可控硅,简称TRIAC。双向可控硅在结构上相当于两个单向可控硅反向连接,这种可控硅具有双向导通功能。其通断状态由控制极G决定。在控制极G上加正脉冲(或负脉冲)可使其正向(或反向)导通。这种装置的优点是控制电路简单,没有反向耐压问题,因此特别适合做交流无触点开关使用。单向一般用于彩电的过流、过压保护电路;双向一般用于交流调节电路,如调光台灯及全自动洗衣机中的交流电源控制。
SCR/Thyristor的发明显着提高了线电压整流的效率和控制改进,并且是现代交流和直流电机速度控制的基础。它在电机控制中的应用对电力牵引产生了重大影响,使得直流电机被更高效、更可靠的交流电机取代成为可能,尤其是在铁路中。可控硅/晶闸管及其衍生产品GTO使高压直流输电成为可能,其电压和功率水平远高于以前使用汞弧整流器和闸流管所能获得的电压和功率水平。
SCR/Thyristor也对制造业产生了巨大的影响。钢铁、电气化学、汽车和焊接行业,以及许多其他行业,提高了效率、更精确的控制和降低了成本。
SCR/Thyristor发展到今天,在工艺上已经非常成熟,品质更好,成品率大幅提高,并向高压大电流发展。SCR/Thyristor可以代替接触器、继电器用于开关频率很高的场合,被广泛应用于各种电子设备和电子产品的电路中,多作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等用途。但在常规工业控制的低压、中小电流控制中,已逐步被新型器件取代。
在SCR/Thyristor发明之前,闸流管、双极晶体管(BJT)和场效应晶体管(FET)器件已经出现。SCR/Thyristor通过在更小、更高效、更可靠和更易于控制的固态设备中体现其功能,使闸流管过时。此外,SCR/Thyristor的额定功率远远超过闸流管。除了能够控制更高的功率水平之外,SCR/Thyristor的独特之处在于它的双极电压阻断能力,使其与BJT和FET区分开来。BJT只能支持一种极性的电压,因此无法在适合SCR/Thyristor的应用中运行。由于材料问题,FET在成为实用器件之前经历了很长的酝酿期,直到1970年代才开发出垂直沟道功率MOSFET。与BJT一样,FET不能进行双边电压阻断,因此不能代替SCR/Thyristor。
SCR/Thyristor的发展
1957年,从美国通用电气公司研制成功第一个可控硅(SCR)开始,并于1958年将其商业化,由于SCR能以微小的电流控制较大的功率,令半导体电力电子器件成功从弱电控制领域进入了强电控制领域、大功率控制领域。在整流器的应用上,SCR迅速取代了水银整流器(引燃管),实现整流器的固体化、静止化和无触点化,并获得巨大的节能效果。
SCR诞生后,其结构的改进和工艺的改革,为新器件的不断出现提供了条件。1964年,通用电气开发成功双向可控硅,应用于调光和马达控制;1965年,小功率光控晶闸管出现,为其后出现的光耦合器打下了基础;1968年,大功率逆变晶闸管问世,成为当时逆变电路的基本元件;1974年,逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。短短20年间,由普通SCR相继衍生形成一个庞大的家族。
1970年代末,可控硅被冠以一个标准化的名称“Thyristor晶闸管”。
SCR/Thyristor的分类
1、按关断、导通及控制方式分类:分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆变晶闸管、逆导晶闸管(RCT,Reverse-Conducting Thyristor)、栅极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管(国外TT、国内TTS)和光控晶闸管(LTT)等多种。
2、按引脚和极性分类:可分为二极可控硅、三极可控硅和四极可控硅。
3、按封装形式分类:可分为金属封装、塑封和陶瓷封装三种类型。其中金属封装可控硅义分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封可控硅又分为带散热片型和不带散热片型两种。
4、按电流容量分类:可分为大功率可控硅、中功率可控硅和小功率可控硅三种。通常,大功率可控硅多采用金属封装,中、小功率可控硅则多采用塑封或陶瓷封装。
5、按关断速度分类:可分为普通可控硅、快速可控硅和高频可控硅。
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