晶闸管及其派生器件的应用和功能

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，早期称作可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR），简称为可控硅。它是一种较理想的大功率变流器件，主要应用在可控整流、交流调压、无触点交（直）流开关、逆变和直流斩波等方面。晶闸管的种类很多，包括普通晶闸管、双向晶闸管、快速晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管和逆导晶闸管等。本节主要介绍普通晶闸管的结构与工作原理、基本特性和主要参数，然后对其派生器件也作简要介绍。

2.2.1 晶闸管的结构与基本原理

普通晶闸管简称晶闸管。图2-4所示为普通晶闸管的内部结构和图形符号，普通晶闸管是一种功率四层半导体（P1N1P2N2）器件，由三个PN结J1、J2、J3组成。有三个电极为：阳极（A）、阴极（K）、门极（G）。从外形结构上看有塑封式、螺栓式、平板式，目前有的厂家将多个晶闸管做在一个模块内形成了模块式结构。对于大功率器件使用时必须安装散热器，其冷却方式有自冷、风冷、水冷等方式。

图2-4 普通晶闸管的内部结构和图形符号

为了进一步说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管看成是由一个PNP型晶体管和一个NPN型晶体管连接而成的，连接形式如图2-5所示。阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极，阴极K相当于NPN晶体管V2的发射极。

图2-5 晶闸管工作原理等效电路

当晶闸管阳极承受正向电压，门极也加正向电压时，晶体管V2处于正向偏置，EG产生的门极电流IG就是V2的基极电流IB2，V2的集电极电流IC2 =β2IG 。而IC2又是晶体管V1的基极电流，V1的集电极电流IC1 = β1IC2 = β1β2IG2（ β1和 β2分别是V1和V2的电流放大系数）电流IC1又流入V2的基极，再一次放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。

在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使门极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，门极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，门极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的方法有：将阳极电源断开，改变晶闸管阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。

2.2.2 晶闸管的基本特性

1.晶闸管的静态伏安特性

晶闸管阳极与阴极间的电压UAK和阳极电流IA的关系称为晶闸管伏安特性，如图2-6所示。晶闸管的伏安特性包括正向特性（第Ⅰ象限）和负向特性（第Ⅲ象限）两部分。

图2-6 晶闸管的伏安特性曲线

晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时，晶闸管的伏安特性是一组随门极电流IG的增加而不同的曲线簇。当IG=0时，逐渐增大阳极电压UAK，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断，随着阳极电压的增加，当达到正向转折电压Ubo时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断状态突变为正向导通状态。这种在IG=0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”。“硬开通”使电路工作于非控制状态，并可能导致晶闸管损坏，因此通常需要避免。

随着门极电流IG的增大，晶闸管的正向转折电压Ubo迅速下降；当IG足够大时，晶闸管的正向转折电压很小，可以看成与一般二极管一样，只要加上正向阳极电压，管子就导通了。此时晶闸管正向导通的伏安特性与二极管的正向特性相似，即当流过较大的阳极电流时，晶闸管的压降很小。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减小阳极电流IA，使IA 下降到小于维持电流IH，则晶闸管又由正向导通状态变为正向阻断状态。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。在正常情况下，当承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增加到一定值时，反向漏电流增加较快，再继续增大反向电压会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管永久性损坏，这时对应的电压称为反向击穿电压URo。综上所述，晶闸管的基本工作特性可以归纳如下：

（1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下，晶闸管才能导通；

（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，无论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通；

（4）若要使已经导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的阳极电流降到接近于零的某一数值以下。

2.晶闸管的动态特性

晶闸管开通与关断过程中的伏安特性变化关系称为晶闸管的动态特性。晶闸管开通与关断过程的波形如图2-7所示。开通过程是使门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况；而关断过程则是对已导通的晶闸管，外电路所加电压在某一时刻突然由正向变为反向的情况。

图2-7 晶闸管开通与关断过程波形图

由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外部电路电感的限制，晶闸管触发后阳极电流增长需要一个过程。从门极电流阶跃时刻开始至阳极电流上升到稳定值的10%，这段时间称为延迟时间td，此时晶闸管的正向电压也同步减小。阳极电流从10%上升到稳态值90%所需的时间称为上升时间tr。开通时间tgt定义为前两者之和，即tgt =td +tr 。通常增加触发电流可以加快开通过程。

从正向电流降为零到反向恢复电流衰减至零的时间称为反向阻断恢复时间trr，反向恢复过程结束后由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间tgr。在正向阻断恢复时间内，如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通而不受门极控制。在实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，如此电路才能可靠工作。晶闸管的关断时间tq定义为trr与tgr之和，即tq =trr +tgr 。

2.2.3 晶闸管的主要参数

要想正确地选择和合理地使用晶闸管，不仅需要了解晶闸管的工作原理及特性，更重要的是掌握晶闸管的主要参数。下面介绍晶闸管的主要参数。

1）额定电压UTN

从晶闸管的阳极伏安特性曲线可以看到，当IG=0时，晶闸管处于额定结温时，使阳极漏电流显著增加的阳极电压UDSM称为正向不重复峰值电压，同理URSM为反向不重复峰值电压。这两个数值分别乘以0.9所得的数值定义为正向重复峰值电压UDRM 和反向重复峰值电压URRM 。晶闸管的额定电压UTN为UDRM与URRM中较小值在靠近标准电压等级所对应的电压值。

考虑晶闸管工作过程中结温可能会升高等各种因素，为防止各种不可避免的瞬时过电压造成晶闸管损坏，在选择晶闸管的额定电压时，应比晶闸管在电路中实际承受的最大瞬时电压UTM大2~3倍。

2）额定电流IT(AV)

额定电流IT(AV)也称为额定通态平均电流。在室温40 °C和规定的冷却条件下，晶闸管在电阻负载流过正弦半波电流（导通角不小于170°）电路中，结温不超过规定结温时，所允许的最大通态平均电流值，将此值取相近电流等级所对应的电流值，即为晶闸管的额定电流IT(AV)。

3）通态平均电压UT(AV)

当晶闸管流过正弦半波的额定平均电流并处于稳定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均值称为晶闸管的通态平均电压UT(AV)。管压降越小，表明元件耗散功率越小，管子质量越好。

4）维持电流IH

在室温与门极断开时，使晶闸管维持导通所需要的最小阳极电流称维持电流IH，维持电流一般为几十到几百毫安。IH与结温有关，结温越高，则IH越小。

5）擎住电流IL(www.xing528.com)

擎住电流是指晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持晶闸管导通所需的最小阳极电流。对同一晶闸管来说，通常IL为IH的2～4倍。

6）断态电压临界上升率du/dt

这是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加阳极电压最大上升率。晶闸管在使用中，其实际电压上升率必须低于此临界值。

7）通态电流临界上升率di/dt

这是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态阳极电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。

例2-1 图2-8中阴影部分分别表示流过晶闸管的电流波形，其最大值分别为Im1、Im2、Im3和Im4。

（1）试计算流过晶闸管各波形的电流平均值、有效值及其波形系数。

（2）选用KP-100型晶闸管，不考虑安全裕量。试计算图2-8中4种电流波形下晶闸管能承受的平均电流是多少，对应的电流最大值各是多少。

根据通态平均电流的定义，此处求出的Id1即为通态平均电流IT(AV)。

图2-8 电流波形

（2）若选用KP-100型晶闸管，则IT(AV)= 100A ，其有效值：

（a）由 IT1 =Ik ，得= 157A，Im1 = 314A ，Id1 = 100A 。

（b）由得= 157A，Im2 ≈ 222A ，Id2≈ 141A 。

（c）由 IT3 = Ik = 0.63Im3，得 0.63Im3= 157A ，Im3 ≈ 250A ，Id3≈ 120A 。

（d）由，得= 157A，Im4 = 314A ，Id4 = 78.5A 。

结论：晶闸管的电流波形不同（即使电流波形相同但导通角不同），其允许通过的电流平均值及其峰值都不同。

2.2.4 晶闸管的派生器件

1.快速晶闸管

快速晶闸管（Fast Switching Thyristor，FST）是专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管两种。快速晶闸管的结构和符号与普通晶闸管相似，区别在于快速晶闸管对管芯结构和制造工艺进行了改进。使开关时间、du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管为10μs左右。高频晶闸管的不足在于其电压定额和电流定额都不易做高，由于工作频率较高，当选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。

2.双向晶闸管

双向晶闸管（Bidirectional Triode Thyristor）不论从结构还是从特性方面来说都可以把它看成一对反向并联的普通晶闸管。双向晶闸管有两个主电极1T和2T，一个门极G，此门极具有短路发射极结构，使主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。通常采用在门极G和主电极1T间加负脉冲方式触发双向晶闸管。

双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性如图2-9所示。

图2-9 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性

3.逆导晶闸管

逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor，RCT）是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、质量降低、价格降低和配线简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。但也因晶闸管和整流管制作在同一管芯上，故它只能应用于某些场合。

逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性如图2-10所示。

图2-10 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性

4.光控晶闸管

光控晶闸管（Light Triggered Thyristor，LTI）又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管成为高压直流输电、无功功率补偿等高压变流设备上的理想器件，其应用范围还涉及电力控制、电力拖动及电机等领域。

光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性如图2-11所示。

图2-11 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性