晶闸管的基础知识

晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier——SCR)，以前被简称为可控硅。

由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。

1结构和工作原理

晶闸管的结构：

从外形看，晶闸管主要有螺栓型和平板型两种封装结构。有阳极A、阴极K和门极G(控制端)三个连接端。内部是PNPN四层半导体结构。

a) 外形b) 结构c) 电气图形符号

晶闸管的工作原理：

为了更好地分析晶闸管的工作原理，我们采用双晶体管模型分析，具体见下图

按照晶体管工作原理，可列出如下方程：

式中α1和α2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益;ICBO1和ICBO2分别是V1 和V2的共基极漏电流。由上面四个等式可得

晶体管的特性是：在低发射极电流下α是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。在晶体管阻断状态下，IG =0，而α1 +
α2是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致α1 +α2
趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA(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，IA实际上会维持有限值。

除门极触发外其他几种可能导通的情况：

阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应

阳极电压上升率du/dt过高

结温较高

光触发

这些情况除了光触发由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

2基本特性

静态特性

正常工作时的特性：当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

晶闸管的伏安特性

伏安特性曲线;IG2 >IG1 >IG

正向特性：

当IG =0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶 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Ubo ，则漏电流急剧增大，器件开通。

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1V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IH 以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH 称为维持电流。

反向特性：

其伏安特性类似二极管的反向特性。

晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。

当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，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。

动态特性

晶闸管的开通和关断过程波形

开通过程

由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。

延迟时间td (0.5~1.5us)

上升时间tr (0.5~3us)

开通时间tgt =td +tr

延迟时间随门极电流的增大而减小,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。提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。

关断过程

由于外电路电感的存在，原处于导通状态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。

反向阻断恢复时间trr

正向阻断恢复时间tgr

关断时间tq =trr +tgr

关断时间约几百微秒。

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。

3主要参数

电压参数：

断态重复峰值电压UDRM

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压(见伏安特性曲线)。国标规定断态重复峰值电压UDRM
为断态不重复峰值电压(即断态最大瞬时电压)UDSM 的90%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo 。

反向重复峰值电压URRM

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。规定反向重复峰值电压URRM 为反向不重复峰值电压(即反向最大瞬态电压)URSM
的90%。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。

通态(峰值)电压UT

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。通常取晶闸管的UDRM 和URRM 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2~3倍。

电流参数:

通态平均电流IT(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。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的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等(即有效值相等)的原则所得计算结果的1.5~2倍。

维持电流IH

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。结温越高，IH越小。

擎住电流IL

擎住电流是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。约为IH的2~4倍

浪涌电流ITSM

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性最大正向过载电流。

动态参数：

开通时间tgt和关断时间tq

断态电压临界上升率du/dt

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，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。

通态电流临界上升率di/dt

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。

4派生器件

快速晶闸管(Fast Switching Thyristor——FST)

有快速晶闸管和高频晶闸管。

快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。

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，而高频晶闸管则为10us左右。

高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。

由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。

双向晶闸管(Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode thyristor)

电气符号和伏安特性曲线

可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。

门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第 I和第III象限有对称的伏安特性。

双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用 有效值来表示其额定电流值。

逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor—— RCT)

电气符号和伏安特性曲线

将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，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，可用于 不需要阻断反向电压的电 路中。

光控晶闸管(Light Triggered Thyristor—— LTT)

电气符号和伏安特性曲线

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 晶闸管目前在高压大功率的场合。

以上是针对半控型器件晶闸管的一个介绍，从结构原理到基本特性，再到主要参数，最后是其派生器件。这里只是简单的介绍，让我们在后面的应用中慢慢熟悉它。