电力电子技术笔记（3）——晶闸管

2.3 半控型器件——晶闸管

2.3.1 晶闸管的结构与工作原理

2.3.2 晶闸管的基本特性

2.3.3 晶闸管的主要参数

2.3.4 晶闸管的派生器件

2.3.1 晶闸管的结构与工作原理

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR，简称可控硅）。

因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，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。

结构：

从外形上看，主要有螺栓型（通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便）和平板型（可由两个散热器将其夹在中间）两种封装结构。

四层PNPN，三个PN结J1、J2、J3，引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。

a）外形：螺栓型、平板型；b）结构；c）电气图形符号

工作原理： 

三极管共基极电流放大倍数。当时，，随着的增加而增加，达到最大值后减小。

考虑漏电流：。

 晶闸管的双晶体管模型：一个晶体管的集电极同时又连接另一个管的基极。

，        ，        。

按照晶体管工作原理，可列出如下方程：

        (1)

       (2)

                     (3)

                  (4)

由以上式子（1）~（4）可得：。在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。

阻断状态：，是很小的。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和（几乎只有漏电流）。

开通状态：正向电压时，注入触发电流，则、、（实际由外电路决定）增加，使趋于1，饱和导通。是一个正反馈过程。

导通条件：正向的阳极电压；正向的门极电流（门极触发电流需要一定幅值）。两者缺一不可。

导通后门极失去作用：晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

导通到阻断：要使已导通的晶闸管关断，则要使阳极电流小于某个电流值，方法：

1）降低电压包括加反压；

2）改变负载比如增加负载电阻。

反向截止：承受反向电压，晶闸管不能导通。

三种状态：导通状态、正向阻断状态、反向截止状态。

 其他几种可能导通的情况：

误导通：晶闸管阳极电压很高（PN结反向电压很高，雪崩效应）、阳极电压上升率du/dt过高、结温很高（热击穿）。应避免。

光触发：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，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

a）双晶体管模型；b）工作原理

 用上面图 b）解释晶闸管正常工作时的特性：当时，、、等于0，由于，所以，两个三极管均不导通，即使承受正向电压，晶闸管不开通；当开关S关闭的瞬间有，三极管导通，、非0，由于，所以三极管也导通，此时有加速导通，这是一个正反馈过程，所以该情况下加正向电压，晶闸管开通；若加反向电压，即反向，三极管的b、e两端电压反相，此时该三极管不导通，容易推导，另一个三极管也不导通，所以即使施加了门极控制电压，但若是A、K两端加反向电压，晶闸管仍不能导通。

2.3.2 晶闸管的基本特性

静态特性：

1）晶闸管正常工作时的特性(导通和关断条件)

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；

承受正向电压时，仅在门极有触发电流（需要一定幅值，大于擎住电流）的情况下晶闸管才能导通；

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极是否有触发电流，晶闸管都保持导通；

要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于0的某一数值（，维持电流）以下。

2）伏安特性

正向特性：当时，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，则漏电流急剧增大，器件开通（可能误导通）；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0，并且阳极电流降至接近于0的某一数值以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，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；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。

晶闸管的伏安特性：IG2>IG1>IG

3）门极伏安特性

晶闸管的门极和阴极间PN结的伏安特性。

极限高阻（曲线OD）；极限低阻（曲线OG）；瞬时功率极限；平均功率极限。

OABCO区域为不可靠触发区；ABCDEGA区域为允许可靠触发区；推荐的安全可靠触发区为ABCFH。 

晶闸管门极伏安特性与可靠触发

动态特性：

1）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：0.5~1.5；上升时间：0.5~3；开通时间。

2）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；正向阻断恢复时间；关断时间；

关断时间约为几百微秒（约为开通时间的100倍）；

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，而不是受门极控制而导通。

晶闸管的开通和关断过程波形：一长一短虚线为A、K两极所加电压的变化

2.3.3 晶闸管的主要参数

1）电压定额

断态重复峰值电压（加正向电压时：通态、断态）：是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；国标规定为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）的90%；正向转折电压。

反向重复峰值电压：是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；规定为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬时电压）的90%；反向击穿电压。

通态（峰值）电压：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。

通常取晶闸管的和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。

2）电流定额

通态平均电流：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：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，则维持电流越小。

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；约为维持电流的2~4倍。

浪涌电流：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。

3）动态参数

开通时间和关断时间。

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达到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（不会导致损坏）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）门极参数

门极触发电流与门极触发电压：使晶闸管从阻态转变为通态所需的最小门极直流电流即为门极触发电流；对应的门极直流电压即为门极触发电压；门极电流脉冲幅值可取3~5倍。

门极反向峰值电压：指门极所能承受的最大反向电压，一般不超过10V。

2.3.4 晶闸管的派生器件

1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor——FST）

有快速晶闸管和高频晶闸管；

开关时间以及断态电压临界上升率du/dt和通态电流临界上升率di/dt耐量都有明显改善；

普通晶闸管关断时间数百，快速晶闸管数十，高频晶闸管10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，不能忽略其开关损耗的发热效应。

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

可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成；

有两个主电极和，一个门极；

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。

a）电气图形符号；b）伏安特性

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

是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。

a）电气图形符号；b）伏安特性

 

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

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，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合占据重要地位。如下图所示，光照强度不同，其转折电压不同。

a）电气图形符号；b）伏安特性