一種晶閘管狀態(tài)和極性的檢測(cè)方法及其應(yīng)用

楊志凌

（優(yōu)利德科技（中國(guó)）股份有限公司，廣東 東莞 523808）

0 引 言

晶閘管是一種開(kāi)關(guān)元件，其簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅，具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流的條件下工作，它的基本功能實(shí)現(xiàn)整流與逆變，具有體積小、功耗低、效率高和開(kāi)關(guān)迅速等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。而在電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、電力拖動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域上，單向晶閘管和雙向晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域尤其廣泛，因此單向晶閘管和雙向晶閘管在工業(yè)和消費(fèi)市場(chǎng)均有普遍應(yīng)用[3，4]。常見(jiàn)的晶閘管檢測(cè)方法是：使用萬(wàn)用表電阻測(cè)量檔分別測(cè)量晶閘管的三個(gè)引腳之間的電阻。當(dāng)測(cè)量到其中一個(gè)腳與另外兩個(gè)腳正反向電阻都無(wú)窮大時(shí)，表明該引腳為第二主電極。另外，第二主電極通常與散熱板連通，據(jù)此也可確定第二主電極。找出第二主電極之后，先假定剩下兩腳中某一腳為門(mén)極，用一個(gè)10 到20歐姆的電阻連接起來(lái)，然后用萬(wàn)用表紅表筆連接第二主電極，黑表筆連接第一主電極。觀察萬(wàn)用表的讀數(shù)，如果此時(shí)阻值較?。?0 到20 歐姆），說(shuō)明該引腳為門(mén)極（G）；如果測(cè)得電阻值較大，需要換另一個(gè)引腳重復(fù)以上步驟，直至找出門(mén)極（G）。雖然通過(guò)這種方法我們可以找出晶閘管的引腳，但需要假定被測(cè)晶閘管是沒(méi)有損壞的情況下才能測(cè)出。而且這種測(cè)試方法比較繁瑣，測(cè)試雙向晶閘管和單向晶閘管的方法也不同，給測(cè)試帶來(lái)了諸多不便。

為此，在分析單向晶閘管和雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理后，文章設(shè)計(jì)一種能夠簡(jiǎn)單測(cè)量晶閘管故障狀態(tài)和極性的方法。這種方法不需要區(qū)分單向晶閘管和雙向晶閘管。同時(shí)，文章介紹如何將這種方法應(yīng)用在萬(wàn)用表設(shè)計(jì)上。

1 單向晶閘管與雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理分析

1.1 單向晶閘管結(jié)構(gòu)和工作原理分析

如圖1所示，單向晶閘管有三個(gè)PN 結(jié)，在最外層的P極和N 極中向外引出兩個(gè)電極，也即是陽(yáng)極（A）和陰極（G），再由中間的P 極引出一個(gè)控制極，也即為門(mén)極（G）。單向晶閘管的工作原理為：在單向晶閘管未導(dǎo)通的狀態(tài)下，陽(yáng)極（A）和門(mén)極（G）同時(shí)接正向電壓時(shí)，才會(huì)變成導(dǎo)通狀態(tài)；而只要陽(yáng)極（A）接反向電壓，則不會(huì)導(dǎo)通；又或者陽(yáng)極（A）接正向電壓但門(mén)極（G）不加電壓時(shí)，也不會(huì)導(dǎo)通。一旦單向晶閘管為導(dǎo)通狀態(tài)，門(mén)極（G）的控制電壓便不再有控制作用，這時(shí)候不管門(mén)極（G）有沒(méi)有控制電壓，還是門(mén)極（G）控制電壓的極性如何，單向晶閘管都將一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。要想關(guān)斷單向晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)，只有把陽(yáng)極（A）電壓降低到某一臨界值或者將陽(yáng)極（A）電壓反向。

圖1 單向晶閘管器件符號(hào)

1.2 雙向晶閘管結(jié)構(gòu)和工作原理分析

如圖2所示，雙向可控硅的引腳順序從左至右排列，多數(shù)是按第一主電極（T1）、第二主電極（T2）和門(mén)極（G）的順序。隨著加在門(mén)極（G）上的觸發(fā)脈沖的大小或時(shí)間改變，其導(dǎo)通電流的大小也跟著改變[5]。雙向晶閘管其實(shí)可以看作是兩個(gè)單向晶閘管的反向并聯(lián)，但只有一個(gè)門(mén)極（G）對(duì)其進(jìn)行控制。通過(guò)這種等效類(lèi)比的方式，就可以很好地理解雙向晶閘管能夠在正、反兩個(gè)方向上都能夠控制導(dǎo)電的原因，而單向晶閘管則是一種單方向可以控制導(dǎo)電的器件。不論給雙向晶閘管的控制極加正的還是負(fù)的兩種觸發(fā)脈沖，都能使晶閘管導(dǎo)通，這是因?yàn)殡p向晶閘管的正、反向伏安特性曲線(xiàn)具有對(duì)稱(chēng)性[6]。

圖2 雙向晶閘管器件符號(hào)

1.3 單向晶閘管與雙向晶閘管的區(qū)別

根據(jù)以上的描述，雙向晶閘管的導(dǎo)通方向隨門(mén)極（G）上觸發(fā)脈沖的極性改變而改變，所以能夠控制交流電負(fù)載。而單向晶閘管經(jīng)觸發(fā)后只能從陽(yáng)極（A）向陰極（K）單方向?qū)?，無(wú)法控制交流電負(fù)載，所以晶閘管有單雙向之分。正是這種結(jié)構(gòu)和工作方式的不同，導(dǎo)致檢測(cè)單向晶閘管和雙向晶閘管的方式有所不同。

2 測(cè)量方法的原理

2.1 總方案的原理

為了能夠用同一種方法檢測(cè)單向和雙向晶閘管，文章設(shè)計(jì)一種新的測(cè)量方法。如圖3所示，通過(guò)至少四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)以及處理單元（MCU10），四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)分別連接所述的處理單元（MCU10）。其中第一模擬開(kāi)關(guān)（S1）與第三模擬開(kāi)關(guān)（S3）連接，第三模擬開(kāi)關(guān)（S3）再與晶閘管的門(mén)極（G）連接；第四模擬開(kāi)關(guān)（S4）與第二模擬開(kāi)關(guān)（S2）連接，第二模擬開(kāi)關(guān)（S2）再與晶閘管的第二主電極（T2）或陽(yáng)極（A）連接；晶閘管的第一主電極（T1）或陰極（K）接地。

圖3 電路原理圖

其中四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)均為單刀雙擲開(kāi)關(guān)，每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的引腳1 和3 均為此模擬開(kāi)關(guān)的靜觸點(diǎn)，引腳2 均為動(dòng)觸點(diǎn)。處理單元（MCU10）具有4 個(gè)輸出端口，分別為PA1、PA2、PA3 和PA4，其中處理單元（MCU10）的PA1 直接連接第一模擬開(kāi)關(guān)（S1）的輸入端CON，PA2 直接連接第三模擬開(kāi)關(guān)（S3）的輸入端CON，PA3 連接第二模擬開(kāi)關(guān)（S2），PA4 連接第四模擬開(kāi)關(guān)（S4）。處理單元（MCU10）通過(guò)不同輸出端口分別向四個(gè)模擬開(kāi)關(guān)輸出相應(yīng)的電壓值，以控制模擬開(kāi)關(guān)的不同動(dòng)作。另外，第三模擬開(kāi)關(guān)的靜觸點(diǎn)連接晶閘管（Q1）的門(mén)極（G），第二模擬開(kāi)關(guān)（S2）的靜觸點(diǎn)連接被測(cè)晶閘管（Q1）的第二主電極（T2）或陽(yáng)極（A），晶閘管（Q1）的第一主電極（T1）或陰極（K）接地，在被測(cè)晶閘管（Q1）的三個(gè)管腳均被連接后方可進(jìn)行后續(xù)測(cè)量。

2.2 檢測(cè)晶閘管導(dǎo)通的原理

通過(guò)處理單元（MCU10）的四個(gè)輸出端口PA1、PA2、PA3 和PA4 均輸出高電平+VDD，來(lái)測(cè)試晶閘管（Q1）的正向?qū)?。其中，PA3 和PA4 分別控制第二模擬開(kāi)關(guān)（S2）以及第四模擬開(kāi)關(guān)（S4）輸出高電平并加載至晶閘管（Q1）的門(mén)極（G）；再通過(guò)處理單元的輸出端口PA1 和PA2 也輸出高電平至晶閘管（Q1）的第二主電極（T2）。此時(shí)晶閘管（Q1）的門(mén)極（G）以及第二主電極（T2）的電平相等，而第一主電極（T1）接地。因此，當(dāng)晶閘管（Q1）正向?qū)〞r(shí)，在晶閘管（Q1）上可以測(cè)得導(dǎo)通電壓，則為雙向晶閘管；如果晶閘管（Q1）未正向?qū)ǎ瑒t該晶閘管為單向晶閘管或者異常。

若晶閘管（Q1）未導(dǎo)通，先要確定晶閘管（Q1）是否為單向晶閘管，處理單元（MCU10）的四個(gè)輸出端口均輸出低電平-VDD；其中，PA3 控制第二模擬開(kāi)關(guān)（S2）和PA4 控制第四模擬開(kāi)關(guān)（S4）輸出低電平-VDD 并加載到晶閘管（Q1）的門(mén)極（G）；PA1 和PA2頁(yè)輸出低電平-VDD并加載至晶閘管（Q1）的第二主電極（T2）；此時(shí)晶閘管（Q1）的門(mén)極（G）與第二主電極（T2）的電平相等，而第一主電極（T1）接地。因此，當(dāng)晶閘管（Q1）反向?qū)〞r(shí)，在晶閘管（Q1）上可以測(cè)得導(dǎo)通電壓，則該晶閘管為單向晶閘管。否則可以判斷出被測(cè)晶閘管（Q1）存在問(wèn)題，如損壞、短路或者是未連接。

2.3 檢測(cè)晶閘管關(guān)斷的原理

當(dāng)判斷所述晶閘管（Q1）為導(dǎo)通后，可以接著檢測(cè)其是否能夠過(guò)零關(guān)斷。通過(guò)處理單元（MCU10）的四個(gè)輸出端口均輸出零電平，此時(shí)，如果晶閘管Q1 的門(mén)極（G）、第二主電極（T2）以及第一主電極（T1）之間的電壓相等且均為零，則晶閘管（Q1）的過(guò)零關(guān)斷正常。

隨后再對(duì)正向?qū)ǖ木чl管進(jìn)行正向關(guān)斷檢測(cè)，對(duì)反向?qū)ǖ木чl管進(jìn)行反向關(guān)斷檢測(cè)。具體方法為，對(duì)于正向?qū)ǖ木чl管（Q1），處理單元（MCU10）連接晶閘管（Q1）門(mén)極（G）的兩個(gè)輸出端口PA1 和PA2 輸出零電平，控制晶閘管（Q1）的門(mén)極（G）輸出0 V；而控制單元（MCU10）的輸出端口PA3 控制第二模擬開(kāi)關(guān)（S2）和PA4 控制第四模擬開(kāi)關(guān)（S4），向PA3 和PA4 輸出高電平+VDD 并加載至晶閘管（Q1）的門(mén)極（G），此時(shí)正常關(guān)斷的晶閘管的開(kāi)路電壓應(yīng)為+VDD。

而反向關(guān)斷的檢測(cè)方式為：處理單元（MCU10）的輸出端口PA1 以及PA2 輸出零電平，控制晶閘管（Q1）的門(mén)極（G）輸出0 V，而處理單元（MCU10）的輸出端口PA3以及PA4分別控制第二模擬開(kāi)關(guān)（S2）以及第四模擬開(kāi)關(guān)（S4）輸出低電平-VDD 并加載至晶閘管（Q1）的門(mén)極（G），此時(shí)正常關(guān)斷的晶閘管的開(kāi)路電壓為-VDD。

3 檢測(cè)方法的應(yīng)用

文章利用以上的原理，設(shè)計(jì)一款可簡(jiǎn)單測(cè)量單向或者雙向晶閘管的萬(wàn)用表。其采用雙向晶閘管的四象限觸發(fā)特性參數(shù)[7]，模擬被測(cè)晶閘管在各種不同的硬件環(huán)境中進(jìn)行觸發(fā)，然后讀取此時(shí)晶閘管的相關(guān)參數(shù)，最后通過(guò)軟件處理判別晶閘管正?；蛘吖收?。整個(gè)測(cè)量過(guò)程自動(dòng)完成，操作簡(jiǎn)單方便。

如圖4與圖5所示，將萬(wàn)用表切換到晶閘管測(cè)量檔位（Silicon Controlled Rectifier,SCR），然后將需要測(cè)量的晶閘管插入晶閘管測(cè)試插座板內(nèi)。如果萬(wàn)用表屏幕上顯示出晶閘管的正反向?qū)娮?，則說(shuō)明被測(cè)晶閘管正常。如果出現(xiàn)過(guò)載或者錯(cuò)誤，對(duì)應(yīng)屏幕顯示OL（Over Loading）或ERR（Error），說(shuō)明晶閘管狀態(tài)異常。如表1的對(duì)照表所示，可以根據(jù)萬(wàn)用表屏幕顯示情況而判斷出晶閘管具體的檢測(cè)狀態(tài)，包括晶閘管是單向還是雙向，是正常還是故障。

表1 萬(wàn)用表屏幕顯示情況與晶閘管具體的檢測(cè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4 萬(wàn)用表

圖5 晶閘管測(cè)試插座板

通過(guò)以上的測(cè)量，在判斷晶閘管的類(lèi)型后，對(duì)于引腳極性的判斷，可以分兩種情況：

（1）如果測(cè)試的是單向晶閘管，可以通過(guò)任意變換引腳插入，直到屏幕顯示一個(gè)較小的電壓值，（一般為0.1 V～2 V，小于兩個(gè)PN 結(jié)電壓），該電壓值為晶閘管的導(dǎo)通電壓。此時(shí)觀察萬(wàn)用表插座板上極性符號(hào)，即為該晶閘管的引腳極性。

（2）如果測(cè)試的是雙向晶閘管，采用四象限的觸發(fā)方式可能會(huì)出現(xiàn)第一主電極（T1 極）和門(mén)極（G 極）互換，這種情況下也會(huì)導(dǎo)通。所以如果萬(wàn)用表屏幕顯示較大的電壓數(shù)值情況下，交換引腳重新測(cè)試，直到出現(xiàn)0.1 V～2 V數(shù)值。此時(shí)觀察萬(wàn)用表插座板上極性符號(hào)，即為該晶閘管的引腳極性。

4 結(jié) 論

文章設(shè)計(jì)了一種方法，在較少的步驟情況下，可以檢測(cè)晶閘管正常或故障狀態(tài)、對(duì)單向晶閘管以及雙向晶閘管進(jìn)行區(qū)分以及判斷引腳極性。解決了常見(jiàn)測(cè)量方法中，單向和雙向晶閘管需要采用不同的測(cè)量方式進(jìn)行測(cè)試的問(wèn)題，極大簡(jiǎn)化測(cè)試流程。同時(shí)，文章將此檢測(cè)方法應(yīng)用于萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)上，在晶閘管應(yīng)用日益廣泛的背景下，能夠在其檢測(cè)流程中節(jié)省較多的工時(shí)與成本，在商業(yè)應(yīng)用上有較大優(yōu)勢(shì)。