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【IEEE里程碑獎】SCRThyristor技術

2019年6月14日,Silicon Controlled Rectifier(SCR/Thyristor,可控矽/閘流體)獲頒IEEE里程碑(IEEE Milestone)牌匾,以表彰SCR/Thyristor為電力領域做出的巨大貢獻。

【IEEE里程碑獎】SCRThyristor技術

該牌匾放在美國紐約州克利德(Clyde)哥倫比亞大街124號。

牌匾上刻文:

1957年通用電氣推出了可控矽整流器(SCR),這是一種三端p-n-p-n器件。以前使用的充氣管操作困難且不可靠。對稱交流開關(TRIAC)、柵極關斷閘流體(GTO)和大型整合柵極換向閘流體(IGCT)都是由可控矽演變而來的。它的發展徹底改變了電能和電機的有效控制。

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。

可控矽(SCR),也稱閘流體(Thyristor),是一種大功率電器元件,具有體積小、效率高、壽命長等優點。在自動控制系統中,可作為大功率驅動器件,實現用小功率控制元件控制大功率裝置。它在交直流電機調速系統、調功系統及隨動系統中得到了廣泛的應用。

SCR/Thyristor電能的變換和控制從旋轉的變流機組、靜止的離子變流器進入以電力半導體器件組成的變流器時代。可控矽分單向可控矽和雙向可控矽兩種。雙向可控矽也叫三端雙向可控矽,簡稱TRIAC。雙向可控矽在結構上相當於兩個單向可控矽反向連線,這種可控矽具有雙向導通功能。其通斷狀態由控制極G決定。在控制極G上加正脈衝(或負脈衝)可使其正向(或反向)導通。這種裝置的優點是控制電路簡單,沒有反向耐壓問題,因此特別適合做交流無觸點開關使用。單向一般用於彩電的過流、過壓保護電路;雙向一般用於交流調節電路,如調光檯燈及全自動洗衣機中的交流電源控制。

SCR/Thyristor的發明顯著提高了線電壓整流的效率和控制改進,並且是現代交流和直流電機速度控制的基礎。它在電機控制中的應用對電力牽引產生了重大影響,使得直流電機被更高效、更可靠的交流電機取代成為可能,尤其是在鐵路中。可控矽/閘流體及其衍生產品GTO使高壓直流輸電成為可能,其電壓和功率水平遠高於以前使用汞弧整流器和閘流管所能獲得的電壓和功率水平。

SCR/Thyristor也對製造業產生了巨大的影響。鋼鐵、電氣化學、汽車和焊接行業,以及許多其他行業,提高了效率、更精確的控制和降低了成本。

SCR/Thyristor發展到今天,在工藝上已經非常成熟,品質更好,成品率大幅提高,並向高壓大電流發展。SCR/Thyristor可以代替接觸器、繼電器用於開關頻率很高的場合,被廣泛應用於各種電子裝置和電子產品的電路中,多作可控整流、逆變、變頻、調壓、無觸點開關等用途。但在常規工業控制的低壓、中小電流控制中,已逐步被新型器件取代。

在SCR/Thyristor發明之前,閘流管、雙極電晶體(BJT)和場效應電晶體(FET)器件已經出現。SCR/Thyristor透過在更小、更高效、更可靠和更易於控制的固態裝置中體現其功能,使閘流管過時。此外,SCR/Thyristor的額定功率遠遠超過閘流管。除了能夠控制更高的功率水平之外,SCR/Thyristor的獨特之處在於它的雙極電壓阻斷能力,使其與BJT和FET區分開來。BJT只能支援一種極性的電壓,因此無法在適合SCR/Thyristor的應用中執行。由於材料問題,FET在成為實用器件之前經歷了很長的醞釀期,直到1970年代才開發出垂直溝道功率MOSFET。與BJT一樣,FET不能進行雙邊電壓阻斷,因此不能代替SCR/Thyristor。

SCR/Thyristor的發展

1957年,從美國通用電氣公司研製成功第一個可控矽(SCR)開始,並於1958年將其商業化,由於SCR能以微小的電流控制較大的功率,令半導體電力電子器件成功從弱電控制領域進入了強電控制領域、大功率控制領域。在整流器的應用上,SCR迅速取代了水銀整流器(引燃管),實現整流器的固體化、靜止化和無觸點化,並獲得巨大的節能效果。

SCR誕生後,其結構的改進和工藝的改革,為新器件的不斷出現提供了條件。1964年,通用電氣開發成功雙向可控矽,應用於調光和馬達控制;1965年,小功率光控閘流體出現,為其後出現的光耦合器打下了基礎;1968年,大功率逆變閘流體問世,成為當時逆變電路的基本元件;1974年,逆導閘流體和非對稱閘流體研製完成。短短20年間,由普通SCR相繼衍生形成一個龐大的家族。

1970年代末,可控矽被冠以一個標準化的名稱“Thyristor閘流體”。

SCR/Thyristor的分類

1、按關斷、導通及控制方式分類:分為普通閘流體、雙向閘流體、逆變閘流體、逆導閘流體(RCT,Reverse-Conducting Thyristor)、柵極關斷閘流體(GTO)、BTG閘流體、溫控閘流體(國外TT、國內TTS)和光控閘流體(LTT)等多種。

2、按引腳和極性分類:可分為二極可控矽、三極可控矽和四極可控矽。

3、按封裝形式分類:可分為金屬封裝、塑封和陶瓷封裝三種類型。其中金屬封裝可控矽義分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種;塑封可控矽又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。

4、按電流容量分類:可分為大功率可控矽、中功率可控矽和小功率可控矽三種。通常,大功率可控矽多采用金屬封裝,中、小功率可控矽則多采用塑封或陶瓷封裝。

5、按關斷速度分類:可分為普通可控矽、快速可控矽和高頻可控矽。