2.3 半控型器件——晶閘管

2.3.1 晶閘管的結構與工作原理

2.3.2 晶閘管的基本特性

2.3.3 晶閘管的主要參數

2.3.4 晶閘管的派生器件

2.3.1 晶閘管的結構與工作原理

晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR，簡稱可控硅）。

因其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。

結構：

從外形上看，主要有螺栓型（通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便）和平板型（可由兩個散熱器將其夾在中間）兩種封裝結構。

四層PNPN，三個PN結J1、J2、J3，引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯接端。

a）外形：螺栓型、平板型；b）結構；c）電氣圖形符號

工作原理：?

三極管共基極電流放大倍數。當時，，隨著的增加而增加，達到最大值后減小。

考慮漏電流：。

?晶閘管的雙晶體管模型：一個晶體管的集電極同時又連接另一個管的基極。

，????????，????????。

按照晶體管工作原理，可列出如下方程：

? ? ? ? (1)

? ? ? ?(2)

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(3)

? ? ? ? ? ? ? ? ? (4)

由以上式子（1）~（4）可得：。在低發射極電流下是很小的，而當發射極電流建立起來之后，迅速增大。

阻斷狀態：，是很小的。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和（幾乎只有漏電流）。

開通狀態：正向電壓時，注入觸發電流，則、、（實際由外電路決定）增加，使趨于1，飽和導通。是一個正反饋過程。

導通條件：正向的陽極電壓；正向的門極電流（門極觸發電流需要一定幅值）。兩者缺一不可。

導通后門極失去作用：晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。

導通到阻斷：要使已導通的晶閘管關斷，則要使陽極電流小于某個電流值，方法：

1）降低電壓包括加反壓；

2）改變負載比如增加負載電阻。

反向截止：承受反向電壓，晶閘管不能導通。

三種狀態：導通狀態、正向阻斷狀態、反向截止狀態。

?其他幾種可能導通的情況：

誤導通：晶閘管陽極電壓很高（PN結反向電壓很高，雪崩效應）、陽極電壓上升率du/dt過高、結溫很高（熱擊穿）。應避免。

光觸發：可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT）。

只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。

a）雙晶體管模型；b）工作原理

?用上面圖 b）解釋晶閘管正常工作時的特性：當時，、、等于0，由于，所以，兩個三極管均不導通，即使承受正向電壓，晶閘管不開通；當開關S關閉的瞬間有，三極管導通，、非0，由于，所以三極管也導通，此時有加速導通，這是一個正反饋過程，所以該情況下加正向電壓，晶閘管開通；若加反向電壓，即反向，三極管的b、e兩端電壓反相，此時該三極管不導通，容易推導，另一個三極管也不導通，所以即使施加了門極控制電壓，但若是A、K兩端加反向電壓，晶閘管仍不能導通。

2.3.2 晶閘管的基本特性

靜態特性：

1）晶閘管正常工作時的特性(導通和關斷條件)

承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通；

承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流（需要一定幅值，大于擎住電流）的情況下晶閘管才能導通；

晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都保持導通；

要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于0的某一數值（，維持電流）以下。

2）伏安特性

正向特性：當時，在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態，只有很小的正向漏電流流過；如果正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓，則漏電流急劇增大，器件開通（可能誤導通）；隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右；如果門極電流為0，并且陽極電流降至接近于0的某一數值以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態，稱為維持電流。

反向特性：其伏安特性類似二極管的反向特性；處于反向阻斷狀態時，只有極小的反向漏電流通過；當反向電壓超過一定限度到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導致晶閘管發熱損壞。

晶閘管的伏安特性：IG2>IG1>IG

3）門極伏安特性

晶閘管的門極和陰極間PN結的伏安特性。

極限高阻（曲線OD）；極限低阻（曲線OG）；瞬時功率極限；平均功率極限。

OABCO區域為不可靠觸發區；ABCDEGA區域為允許可靠觸發區；推薦的安全可靠觸發區為ABCFH。?

晶閘管門極伏安特性與可靠觸發

動態特性：

1）開通過程

由于晶閘管內部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的；

延遲時間：0.5~1.5；上升時間：0.5~3；開通時間。

2）關斷過程

由于外電路電感的存在，原處于導通狀態的晶閘管當外加電壓突然由正向變為反向時，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的；

反向阻斷恢復時間；正向阻斷恢復時間；關斷時間；

關斷時間約為幾百微秒（約為開通時間的100倍）；

在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通，而不是受門極控制而導通。

晶閘管的開通和關斷過程波形：一長一短虛線為A、K兩極所加電壓的變化

2.3.3 晶閘管的主要參數

1）電壓定額

斷態重復峰值電壓（加正向電壓時：通態、斷態）：是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓；國標規定為斷態不重復峰值電壓（即斷態最大瞬時電壓）的90%；正向轉折電壓。

反向重復峰值電壓：是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓；規定為反向不重復峰值電壓（即反向最大瞬時電壓）的90%；反向擊穿電壓。

通態（峰值）電壓：晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。

通常取晶閘管的和中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。

2）電流定額

通態平均電流：國標規定通態平均電流為晶閘管在環境溫度為40℃和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值；按照正向電流造成的器件本身的通態損耗的發熱效應來定義的；一般取其通態平均電流為按發熱效應相等（即有效值相等）的原則所得計算結果的1.5~2倍。

維持電流：指使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安；結溫越高，則維持電流越小。

擎住電流：是晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，能維持導通所需的最小電流；約為維持電流的2~4倍。

浪涌電流：指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。

3）動態參數

開通時間和關斷時間。

斷態電壓臨界上升率du/dt：在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態轉換達到外加電壓最大上升率；電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。

通態電流臨界上升率di/dt：在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響（不會導致損壞）的最大通態電流上升率；如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。

4）門極參數

門極觸發電流與門極觸發電壓：使晶閘管從阻態轉變為通態所需的最小門極直流電流即為門極觸發電流；對應的門極直流電壓即為門極觸發電壓；門極電流脈沖幅值可取3~5倍。

門極反向峰值電壓：指門極所能承受的最大反向電壓，一般不超過10V。

2.3.4 晶閘管的派生器件

1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor——FST）

有快速晶閘管和高頻晶閘管；

開關時間以及斷態電壓臨界上升率du/dt和通態電流臨界上升率di/dt耐量都有明顯改善；

普通晶閘管關斷時間數百，快速晶閘管數十，高頻晶閘管10左右；

高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高；

由于工作頻率較高，不能忽略其開關損耗的發熱效應。

2）雙向晶閘管（Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode thyristor）

可以認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成；

有兩個主電極和，一個門極；

門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發導通，在第Ⅰ和第Ⅲ象限有對稱的伏安特性；

雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。

a）電氣圖形符號；b）伏安特性

?3）逆導晶閘管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）

是將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通；

具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。

a）電氣圖形符號；b）伏安特性

?

4）光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT）

又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管；

由于采用光觸發保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合占據重要地位。如下圖所示，光照強度不同，其轉折電壓不同。

a）電氣圖形符號；b）伏安特性

總結

以上是生活随笔為你收集整理的电力电子技术笔记（3）——晶闸管的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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