一种晶闸管状态和极性的检测方法及其应用

杨志凌

（优利德科技（中国）股份有限公司，广东 东莞 523808）

0 引 言

晶闸管是一种开关元件，其简称为可控硅，具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流的条件下工作，它的基本功能实现整流与逆变，具有体积小、功耗低、效率高和开关迅速等优点[1，2]。而在电力系统、通信系统、电力拖动系统等领域上，单向晶闸管和双向晶闸管的应用领域尤其广泛，因此单向晶闸管和双向晶闸管在工业和消费市场均有普遍应用[3，4]。常见的晶闸管检测方法是：使用万用表电阻测量档分别测量晶闸管的三个引脚之间的电阻。当测量到其中一个脚与另外两个脚正反向电阻都无穷大时，表明该引脚为第二主电极。另外，第二主电极通常与散热板连通，据此也可确定第二主电极。找出第二主电极之后，先假定剩下两脚中某一脚为门极，用一个10 到20欧姆的电阻连接起来，然后用万用表红表笔连接第二主电极，黑表笔连接第一主电极。观察万用表的读数，如果此时阻值较小（10 到20 欧姆），说明该引脚为门极（G）；如果测得电阻值较大，需要换另一个引脚重复以上步骤，直至找出门极（G）。虽然通过这种方法我们可以找出晶闸管的引脚，但需要假定被测晶闸管是没有损坏的情况下才能测出。而且这种测试方法比较繁琐，测试双向晶闸管和单向晶闸管的方法也不同，给测试带来了诸多不便。

为此，在分析单向晶闸管和双向晶闸管的结构和工作原理后，文章设计一种能够简单测量晶闸管故障状态和极性的方法。这种方法不需要区分单向晶闸管和双向晶闸管。同时，文章介绍如何将这种方法应用在万用表设计上。

1 单向晶闸管与双向晶闸管的结构和工作原理分析

1.1 单向晶闸管结构和工作原理分析

如图1所示，单向晶闸管有三个PN 结，在最外层的P极和N 极中向外引出两个电极，也即是阳极（A）和阴极（G），再由中间的P 极引出一个控制极，也即为门极（G）。单向晶闸管的工作原理为：在单向晶闸管未导通的状态下，阳极（A）和门极（G）同时接正向电压时，才会变成导通状态；而只要阳极（A）接反向电压，则不会导通；又或者阳极（A）接正向电压但门极（G）不加电压时，也不会导通。一旦单向晶闸管为导通状态，门极（G）的控制电压便不再有控制作用，这时候不管门极（G）有没有控制电压，还是门极（G）控制电压的极性如何，单向晶闸管都将一直处于导通状态。要想关断单向晶闸管的导通状态，只有把阳极（A）电压降低到某一临界值或者将阳极（A）电压反向。

图1 单向晶闸管器件符号

1.2 双向晶闸管结构和工作原理分析

如图2所示，双向可控硅的引脚顺序从左至右排列，多数是按第一主电极（T1）、第二主电极（T2）和门极（G）的顺序。随着加在门极（G）上的触发脉冲的大小或时间改变，其导通电流的大小也跟着改变[5]。双向晶闸管其实可以看作是两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个门极（G）对其进行控制。通过这种等效类比的方式，就可以很好地理解双向晶闸管能够在正、反两个方向上都能够控制导电的原因，而单向晶闸管则是一种单方向可以控制导电的器件。不论给双向晶闸管的控制极加正的还是负的两种触发脉冲，都能使晶闸管导通，这是因为双向晶闸管的正、反向伏安特性曲线具有对称性[6]。

图2 双向晶闸管器件符号

1.3 单向晶闸管与双向晶闸管的区别

根据以上的描述，双向晶闸管的导通方向随门极（G）上触发脉冲的极性改变而改变，所以能够控制交流电负载。而单向晶闸管经触发后只能从阳极（A）向阴极（K）单方向导通，无法控制交流电负载，所以晶闸管有单双向之分。正是这种结构和工作方式的不同，导致检测单向晶闸管和双向晶闸管的方式有所不同。

2 测量方法的原理

2.1 总方案的原理

为了能够用同一种方法检测单向和双向晶闸管，文章设计一种新的测量方法。如图3所示，通过至少四个模拟开关以及处理单元（MCU10），四个模拟开关分别连接所述的处理单元（MCU10）。其中第一模拟开关（S1）与第三模拟开关（S3）连接，第三模拟开关（S3）再与晶闸管的门极（G）连接；第四模拟开关（S4）与第二模拟开关（S2）连接，第二模拟开关（S2）再与晶闸管的第二主电极（T2）或阳极（A）连接；晶闸管的第一主电极（T1）或阴极（K）接地。

图3 电路原理图

其中四个模拟开关均为单刀双掷开关，每个模拟开关的引脚1 和3 均为此模拟开关的静触点，引脚2 均为动触点。处理单元（MCU10）具有4 个输出端口，分别为PA1、PA2、PA3 和PA4，其中处理单元（MCU10）的PA1 直接连接第一模拟开关（S1）的输入端CON，PA2 直接连接第三模拟开关（S3）的输入端CON，PA3 连接第二模拟开关（S2），PA4 连接第四模拟开关（S4）。处理单元（MCU10）通过不同输出端口分别向四个模拟开关输出相应的电压值，以控制模拟开关的不同动作。另外，第三模拟开关的静触点连接晶闸管（Q1）的门极（G），第二模拟开关（S2）的静触点连接被测晶闸管（Q1）的第二主电极（T2）或阳极（A），晶闸管（Q1）的第一主电极（T1）或阴极（K）接地，在被测晶闸管（Q1）的三个管脚均被连接后方可进行后续测量。

2.2 检测晶闸管导通的原理

通过处理单元（MCU10）的四个输出端口PA1、PA2、PA3 和PA4 均输出高电平+VDD，来测试晶闸管（Q1）的正向导通。其中，PA3 和PA4 分别控制第二模拟开关（S2）以及第四模拟开关（S4）输出高电平并加载至晶闸管（Q1）的门极（G）；再通过处理单元的输出端口PA1 和PA2 也输出高电平至晶闸管（Q1）的第二主电极（T2）。此时晶闸管（Q1）的门极（G）以及第二主电极（T2）的电平相等，而第一主电极（T1）接地。因此，当晶闸管（Q1）正向导通时，在晶闸管（Q1）上可以测得导通电压，则为双向晶闸管；如果晶闸管（Q1）未正向导通，则该晶闸管为单向晶闸管或者异常。

若晶闸管（Q1）未导通，先要确定晶闸管（Q1）是否为单向晶闸管，处理单元（MCU10）的四个输出端口均输出低电平-VDD；其中，PA3 控制第二模拟开关（S2）和PA4 控制第四模拟开关（S4）输出低电平-VDD 并加载到晶闸管（Q1）的门极（G）；PA1 和PA2页输出低电平-VDD并加载至晶闸管（Q1）的第二主电极（T2）；此时晶闸管（Q1）的门极（G）与第二主电极（T2）的电平相等，而第一主电极（T1）接地。因此，当晶闸管（Q1）反向导通时，在晶闸管（Q1）上可以测得导通电压，则该晶闸管为单向晶闸管。否则可以判断出被测晶闸管（Q1）存在问题，如损坏、短路或者是未连接。

2.3 检测晶闸管关断的原理

当判断所述晶闸管（Q1）为导通后，可以接着检测其是否能够过零关断。通过处理单元（MCU10）的四个输出端口均输出零电平，此时，如果晶闸管Q1 的门极（G）、第二主电极（T2）以及第一主电极（T1）之间的电压相等且均为零，则晶闸管（Q1）的过零关断正常。

随后再对正向导通的晶闸管进行正向关断检测，对反向导通的晶闸管进行反向关断检测。具体方法为，对于正向导通的晶闸管（Q1），处理单元（MCU10）连接晶闸管（Q1）门极（G）的两个输出端口PA1 和PA2 输出零电平，控制晶闸管（Q1）的门极（G）输出0 V；而控制单元（MCU10）的输出端口PA3 控制第二模拟开关（S2）和PA4 控制第四模拟开关（S4），向PA3 和PA4 输出高电平+VDD 并加载至晶闸管（Q1）的门极（G），此时正常关断的晶闸管的开路电压应为+VDD。

而反向关断的检测方式为：处理单元（MCU10）的输出端口PA1 以及PA2 输出零电平，控制晶闸管（Q1）的门极（G）输出0 V，而处理单元（MCU10）的输出端口PA3以及PA4分别控制第二模拟开关（S2）以及第四模拟开关（S4）输出低电平-VDD 并加载至晶闸管（Q1）的门极（G），此时正常关断的晶闸管的开路电压为-VDD。

3 检测方法的应用

文章利用以上的原理，设计一款可简单测量单向或者双向晶闸管的万用表。其采用双向晶闸管的四象限触发特性参数[7]，模拟被测晶闸管在各种不同的硬件环境中进行触发，然后读取此时晶闸管的相关参数，最后通过软件处理判别晶闸管正常或者故障。整个测量过程自动完成，操作简单方便。

如图4与图5所示，将万用表切换到晶闸管测量档位（Silicon Controlled Rectifier,SCR），然后将需要测量的晶闸管插入晶闸管测试插座板内。如果万用表屏幕上显示出晶闸管的正反向导通电阻，则说明被测晶闸管正常。如果出现过载或者错误，对应屏幕显示OL（Over Loading）或ERR（Error），说明晶闸管状态异常。如表1的对照表所示，可以根据万用表屏幕显示情况而判断出晶闸管具体的检测状态，包括晶闸管是单向还是双向，是正常还是故障。

表1 万用表屏幕显示情况与晶闸管具体的检测状态对应关系

图4 万用表

图5 晶闸管测试插座板

通过以上的测量，在判断晶闸管的类型后，对于引脚极性的判断，可以分两种情况：

（1）如果测试的是单向晶闸管，可以通过任意变换引脚插入，直到屏幕显示一个较小的电压值，（一般为0.1 V～2 V，小于两个PN 结电压），该电压值为晶闸管的导通电压。此时观察万用表插座板上极性符号，即为该晶闸管的引脚极性。

（2）如果测试的是双向晶闸管，采用四象限的触发方式可能会出现第一主电极（T1 极）和门极（G 极）互换，这种情况下也会导通。所以如果万用表屏幕显示较大的电压数值情况下，交换引脚重新测试，直到出现0.1 V～2 V数值。此时观察万用表插座板上极性符号，即为该晶闸管的引脚极性。

4 结 论

文章设计了一种方法，在较少的步骤情况下，可以检测晶闸管正常或故障状态、对单向晶闸管以及双向晶闸管进行区分以及判断引脚极性。解决了常见测量方法中，单向和双向晶闸管需要采用不同的测量方式进行测试的问题，极大简化测试流程。同时，文章将此检测方法应用于万用表的设计上，在晶闸管应用日益广泛的背景下，能够在其检测流程中节省较多的工时与成本，在商业应用上有较大优势。