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        一種晶閘管狀態(tài)和極性的檢測方法及其應(yīng)用

        2022-11-17 07:50:20楊志凌
        現(xiàn)代信息科技 2022年20期
        關(guān)鍵詞:處理單元萬用表晶閘管

        楊志凌

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

        0 引 言

        晶閘管是一種開關(guān)元件,其簡稱為可控硅,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)市場均有普遍應(yīng)用[3,4]。常見的晶閘管檢測方法是:使用萬用表電阻測量檔分別測量晶閘管的三個(gè)引腳之間的電阻。當(dāng)測量到其中一個(gè)腳與另外兩個(gè)腳正反向電阻都無窮大時(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極,用一個(gè)10 到20歐姆的電阻連接起來,然后用萬用表紅表筆連接第二主電極,黑表筆連接第一主電極。觀察萬用表的讀數(shù),如果此時(shí)阻值較?。?0 到20 歐姆),說明該引腳為門極(G);如果測得電阻值較大,需要換另一個(gè)引腳重復(fù)以上步驟,直至找出門極(G)。雖然通過這種方法我們可以找出晶閘管的引腳,但需要假定被測晶閘管是沒有損壞的情況下才能測出。而且這種測試方法比較繁瑣,測試雙向晶閘管和單向晶閘管的方法也不同,給測試帶來了諸多不便。

        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)一種能夠簡單測量晶閘管故障狀態(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,陽極(A)和門極(G)同時(shí)接正向電壓時(shí),才會(huì)變成導(dǎo)通狀態(tài);而只要陽極(A)接反向電壓,則不會(huì)導(dǎo)通;又或者陽極(A)接正向電壓但門極(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),門極(G)的控制電壓便不再有控制作用,這時(shí)候不管門極(G)有沒有控制電壓,還是門極(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),只有把陽極(A)電壓降低到某一臨界值或者將陽極(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)和門極(G)的順序。隨著加在門極(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)門極(G)對(duì)其進(jìn)行控制。通過這種等效類比的方式,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、反向伏安特性曲線具有對(duì)稱性[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)后只能從陽極(A)向陰極(K)單方向?qū)?,無法控制交流電負(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)致檢測單向晶閘管和雙向晶閘管的方式有所不同。

        2 測量方法的原理

        2.1 總方案的原理

        為了能夠用同一種方法檢測單向和雙向晶閘管,文章設(shè)計(jì)一種新的測量方法。如圖3所示,通過至少四個(gè)模擬開關(guān)以及處理單元(MCU10),四個(gè)模擬開關(guān)分別連接所述的處理單元(MCU10)。其中第一模擬開關(guān)(S1)與第三模擬開關(guān)(S3)連接,第三模擬開關(guān)(S3)再與晶閘管的門極(G)連接;第四模擬開關(guān)(S4)與第二模擬開關(guān)(S2)連接,第二模擬開關(guān)(S2)再與晶閘管的第二主電極(T2)或陽極(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)模擬開關(guān)均為單刀雙擲開關(guān),每個(gè)模擬開關(guān)的引腳1 和3 均為此模擬開關(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關(guān)(S1)的輸入端CON,PA2 直接連接第三模擬開關(guān)(S3)的輸入端CON,PA3 連接第二模擬開關(guān)(S2),PA4 連接第四模擬開關(guān)(S4)。處理單元(MCU10)通過不同輸出端口分別向四個(gè)模擬開關(guān)輸出相應(yīng)的電壓值,以控制模擬開關(guān)的不同動(dòng)作。另外,第三模擬開關(guān)的靜觸點(diǎn)連接晶閘管(Q1)的門極(G),第二模擬開關(guān)(S2)的靜觸點(diǎn)連接被測晶閘管(Q1)的第二主電極(T2)或陽極(A),晶閘管(Q1)的第一主電極(T1)或陰極(K)接地,在被測晶閘管(Q1)的三個(gè)管腳均被連接后方可進(jìn)行后續(xù)測量。

        2.2 檢測晶閘管導(dǎo)通的原理

        通過處理單元(MCU10)的四個(gè)輸出端口PA1、PA2、PA3 和PA4 均輸出高電平+VDD,來測試晶閘管(Q1)的正向?qū)āF渲?,PA3 和PA4 分別控制第二模擬開關(guān)(S2)以及第四模擬開關(guān)(S4)輸出高電平并加載至晶閘管(Q1)的門極(G);再通過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)上可以測得導(dǎo)通電壓,則為雙向晶閘管;如果晶閘管(Q1)未正向?qū)?,則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 控制第二模擬開關(guān)(S2)和PA4 控制第四模擬開關(guān)(S4)輸出低電平-VDD 并加載到晶閘管(Q1)的門極(G);PA1 和PA2頁輸出低電平-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晶閘管(Q1)存在問題,如損壞、短路或者是未連接。

        2.3 檢測晶閘管關(guān)斷的原理

        當(dāng)判斷所述晶閘管(Q1)為導(dǎo)通后,可以接著檢測其是否能夠過零關(guān)斷。通過處理單元(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,對(duì)反向?qū)ǖ木чl管進(jìn)行反向關(guān)斷檢測。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 控制第二模擬開關(guān)(S2)和PA4 控制第四模擬開關(guān)(S4),向PA3 和PA4 輸出高電平+VDD 并加載至晶閘管(Q1)的門極(G),此時(shí)正常關(guān)斷的晶閘管的開路電壓應(yīng)為+VDD。

        而反向關(guān)斷的檢測方式為: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關(guān)(S2)以及第四模擬開關(guān)(S4)輸出低電平-VDD 并加載至晶閘管(Q1)的門極(G),此時(shí)正常關(guān)斷的晶閘管的開路電壓為-VDD。

        3 檢測方法的應(yīng)用

        文章利用以上的原理,設(shè)計(jì)一款可簡單測量單向或者雙向晶閘管的萬用表。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),最后通過軟件處理判別晶閘管正?;蛘吖收稀U麄€(gè)測量過程自動(dòng)完成,操作簡單方便。

        如圖4與圖5所示,將萬用表切換到晶閘管測量檔位(Silicon Controlled Rectifier,SCR),然后將需要測量的晶閘管插入晶閘管測試插座板內(nèi)。如果萬用表屏幕上顯示出晶閘管的正反向?qū)娮?,則說明被測晶閘管正常。如果出現(xiàn)過載或者錯(cuò)誤,對(duì)應(yīng)屏幕顯示OL(Over Loading)或ERR(Error),說明晶閘管狀態(tài)異常。如表1的對(duì)照表所示,可以根據(jù)萬用表屏幕顯示情況而判斷出晶閘管具體的檢測狀態(tài),包括晶閘管是單向還是雙向,是正常還是故障。

        表1 萬用表屏幕顯示情況與晶閘管具體的檢測狀態(tài)對(duì)應(yīng)關(guān)系

        圖4 萬用表

        圖5 晶閘管測試插座板

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

        (1)如果測試的是單向晶閘管,可以通過任意變換引腳插入,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)和門極(G 極)互換,這種情況下也會(huì)導(dǎo)通。所以如果萬用表屏幕顯示較大的電壓數(shù)值情況下,交換引腳重新測試,直到出現(xiàn)0.1 V~2 V數(shù)值。此時(shí)觀察萬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。解決了常見測量方法中,單向和雙向晶閘管需要采用不同的測量方式進(jìn)行測試的問題,極大簡化測試流程。同時(shí),文章將此檢測方法應(yīng)用于萬用表的設(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。

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