下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）。1957年，美国通用电气公司研制出第一个晶闸管。由于其具有体积小、效率高、操作简单和寿命长等特点，并且能承受的电压和电流容量高，工作可靠，因此，在大容量的应用场合具有比较重要的地位。
晶闸管这个名称专指普通晶闸管。晶闸管（见图2.10）有许多类型的派生器件，如快速晶闸管（Fast Switching Thyristor，FST）、双向晶闸管（Triode AC Switch，TRIAC）、逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor，RCT）、光控晶闸管（Light Triggered Thyristor，LTT）等。
FST有常规的快速晶闸管和高频晶闸管，可分别应用于400 Hz和10 kHz以上的斩波或逆变电路中，从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则约为10 μs。
图2.10 晶闸管实物图
TRIAC是一对反并联连接的普通晶闸管的集成，通常应用在交流电路中，它不采用平均值而采用有效值来表示其额定电流值。
RCT是指将晶闸管反并联一个电力二极管，并制作在同一管芯上的功率集成器件。其不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通，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，可应用于不需要阻断反向电压的电路中。
LTT是指利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管，目前广泛应用于高压大功率的场合。
晶闸管的外形、结构和电气图形符号如图2.11所示。从图2.11（a）可以看出，晶闸管主要有螺栓型（200 A以下）和平板型（200 A以上）两种封装结构，每个器件引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G 3个连接端。从图2.11（b）可以看出，晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，从上到下分别命名为P 1 、N 1 、P 2 、N 2 4个区，形成J 1 、J 2 、J 3 3个PN结，阳极A由P 1 区引出，阴极K由N 2 区引出，门极由P 2 区引出。
图2.11 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
为了说明晶闸管的工作原理，先做一个实验，实验电路如图2.12所示。晶闸管阳极A和阴极K、电源Ea和白炽灯HL组成主电路；晶闸管门极G和阴极K、电源Eg和开关S组成触发电路。
图2.12 晶闸管导通关断电路实验图
从图2.12（a）看出，控制极不加电压，灯泡不亮。图2.12（b）显示，控制极加正向电压，灯泡亮。在图2.12（c）中，当去掉控制极正向电压时，灯泡继续亮。而在图2.12（d）中，阳极加反向电压，灯泡熄灭。因此，可以得出，晶闸管阳极和阴极承受正向电压，控制极和阴极承受正向电压晶闸管导通，晶闸管一旦导通，控制极失去控制作用。换言之，晶闸管只能通过门极控制其导通，不能控制其关断，因此，晶闸管属于半控型器件。
如图2.11（b）所示，如果正向电压（即晶闸管阳极电势高于阴极）加到器件上，则J 2 处于反向偏置状态，即A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则J 1 和J 3 反偏，该器件也处于阻断状态，只有极小的反向漏电流流过。因此，如图2.13所示，晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释。
图2.13 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
如图2.13所示，晶闸管可以看成由P 1 N 1 P 2 和N 1 P 2 N 2 构成的两个晶体管V 1 和V 2 组合而成。当晶闸管阳极和阴极之间施加正向电压时，若给门极G也加正向电压 E G ，则产生门极驱动电流 I G 。从图2.13（b）中看出， I G 流入晶体管V 2 的基极，产生V 2 集电极电流 I c2 ，因为 I c2 是晶体管V 1 的基极，所以产生V 1 的集电极电流 I c1 。这样又进一步增加了晶体管V 2 的基极电流，形成强烈的正反馈，最后晶体管V 1 和V 2 进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时，如果取消门极驱动电流 I G ，由于晶闸管内部已经形成正反馈，故晶闸管仍然保持导通状态。如果要关断晶闸管，可以给晶闸管阳极施加反向电压，或是设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某个数值，这样晶闸管才能关断。
按照晶体管工作原理，可列出以下方程：
式中， α 1 和 α 2 分别为晶体管V 1 和V 2 的共基极电流增益，普通晶闸管设计为 α 1 ＋ α 2 ≥1.15； I CBO1 和 I CBO2 分别为V 1 和V 2 的共基极漏电流。
由式（2.3）—式（2.6）可得
如果注入门极触发电流使各个晶体管的发射极电流增大，以至于 α 1 ＋ α 2 趋近于1，那么从式（2.7）可以看出，流过晶闸管的电流 I A （阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。由于外电路负载的限制， I A 实际上会维持有限值。
综上所述，要使晶闸管导通，必须同时具备下列两个条件：
①晶闸管承受正向电压。
②在门极有触发电流。
晶闸管一旦导通，门极就失去了控制作用。无论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。
要使已导通的晶闸管关断，必须满足的条件为：利用外加电压或外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
1）晶闸管阳极伏安特性
晶闸管阳极伏安特性是指晶闸管阳极和阴极之间的电压 U AK 和阳极电流 I A 的关系特性，如图2.14所示。其中，门极电流 I G2 ＞ I G1 ＞ I G0 。第一象限呈正向特性，当 I G ＝0时，如果在晶闸管两端加正向电压，则PN结J 2 处于反偏，晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。如果正向电压超过临界极限即正向转折电压 U BO ，则J 2 被击穿，漏电流急剧增大，晶闸管处于通态。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低，晶闸管本身的压降很小，在1 V左右。如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值 I H 以下，则晶闸管又回到正向阻断状态， I H 称为维持电流。
当加反向电压时，门极触发脉冲不起作用，晶闸管处于反向阻断状态，只有极小的反向漏电流通过，如图2.14所示的第三象限。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压时，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。
图2.14 晶闸管的伏安特性
2）晶闸管门极伏安特性
由图2.11可知，晶闸管门极和阴极间有一个PN结J 3 ，其伏安特性称为门极伏安特性，即表示加在门极和阴极间电压 U GK 与门极触发电流 I G 之间的关系。在应用时，为了保证安全可靠的触发，门极触发电路所提供的电流、电压以及功率都应限制在一个可靠触发区内。
如图2.15所示为晶闸管动态特性的开通过程和关断过程的波形图。 I RM 表示反向恢复电流最大值； U RRM 表示反向峰值电压。
图2.15 晶闸管的开通和关断过程波形
1）开通过程
开通过程是指晶闸管门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况。由于外电路电感的限制和晶闸管内部的正反馈过程都需要时间，因此，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。从图2.15可以看出，晶闸管开通时间 t on 为
式中， t d 表示延迟时间，即从门极电流阶跃时刻开始到阳极电流上升到稳态值的10％所用的时间，普通晶闸管的延迟时间 t d 为0.5～1.5 μs，延迟时间随门极电流的增大而减小； t r 表示上升时间，即阳极电流从稳态值的10％上升到90％所用的时间，普通晶闸管的上升时间 t r 为0.5～3 μs，上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。
2）关断过程
关断过程是指对已经导通的晶闸管外电路的电压突然从正向变为反向的情况。由于外电路电感的存在，已经导通的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。从图2.15可以看出，晶闸管关断时间 t off 为
式中， t rr 表示反向阻断恢复时间； t gr 表示正向阻断恢复时间。关断时间 t off 约几百微秒。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，而不是受门极电流控制而导通。
①断态正向重复峰值电压 U DRM 。它是当门极断路而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管的正向峰值电压，重复频率为50 Hz，电压持续时间在10 ms以内。国标规定断态重复峰值电压 U DRM 为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压） U DSM 的90％（见图2.14）。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压 U BO 。
②断态反向重复峰值电压 U RRM 。它是当门极断路而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管的反向峰值电压，重复频率为50 Hz，电压持续时间在10 ms以内。国标规定反向重复峰值电压 U RRM 为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压） U RSM 的90％（见图2.14）。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
③额定电压 U TN 。通常取晶闸管的 U DRM 和 U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压 U TM 的2～3倍，即
④通态（峰值）电压 U T 。它是指晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通态电压 U T 影响元件的损耗与发热，应选用通态电压小的元件。
⑤断态电压临界上升率d u /d t 。它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电压最大上升率。电压上升率过大，会使充电电流足够大，晶闸管误导通。
①通态平均电流 I T（AV） 。国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 ℃和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。也将该电流标称为器件的额定电流，按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义。
当电流的峰值为 I m 时， I T（AV） 和 I m 的关系为
正弦半波电流的有效值为
通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流 I T（AV） 对应的有效值为1.57 I T（AV） ，即
考虑器件的过载能力，实际选择时应有1.5～2倍的安全裕量，即
②维持电流 I H 。维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。
③擎住电流 I L 。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，能维持导通所需的最小电流。 I L 为 I H 的2～4倍。
④浪涌电流 I TSM 。它是指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复最大正向过载电流。
⑤通态电流临界上升率d i /d t 。它是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
KP型晶闸管的主要参数见表2.2。
表2.2 KP型晶闸管主要参数表
例 2.1 某电路中，流过晶闸管的电流的有效值为314 A，可能承受的峰值电压为150 V，考虑安全裕量，应选取额定电流、额定电压分别为多少的晶闸管？应选择哪种型号的晶闸管元件？
解： 晶闸管的额定电流为
晶闸管的额定电压为
查晶闸管主要参数表2.2得出，可选择晶闸管型号为KP300-4（即额定电流300 A，额定电压400 V）的晶闸管。