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2.3.1 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。晶闸管的结构

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欲读万卷书，不入愚昧途 · 2022-02-27 13:48:38 发布

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。

工作原理：

三极管共基极电流放大倍数 $\large \alpha _{n} = I_{C}/I_{E}$ 。当 $\large I_{C} = 0$ 时， $\large \alpha _{n} = 0$ ， $\large \alpha _{n}$ 随着 $\large I_{C}$ 的增加而增加， $\large \alpha _{n}$ 达到最大值后减小。

考虑漏电流： $\large I_{C} = \alpha _{n}I_{E}+I_{CBO}$ 。

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。

$\large I_{A} = I_{E1}$ ， $\large I_{C2} = I_{B1}$ ， $\large I_{K} = I_{E2}$ 。

按照晶体管工作原理，可列出如下方程：

$\large I_{C1} = \alpha _{1}I_{A}+I_{CBO1}$ (1)

$\large I_{C2} = \alpha _{2}I_{K}+I_{CBO2}$ (2)

$\large I_{K} = I_{A}+I_{G}$ (3)

$\large I_{A} = I_{C1}+I_{C2}$ (4)

由以上式子（1）~（4）可得： $\large I_{A} = \frac{\alpha _{2}I_{G}+I_{CBO1}+I_{CBO2}}{1-(\alpha _{1}+\alpha _{2})}$ 。在低发射极电流下 $\large \alpha$ 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， $\large \alpha _{n}$ 迅速增大。

阻断状态： $\large I_{G}=0$ ， $\large \alpha _{1}+\alpha _{2}$ 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 $\large I_{G}$ ，则 $\large I_{K}$ 、 $\large I_{C2}$ 、 $\large I_{A}$ （实际由外电路决定）增加，使 $\large \alpha _{1}+\alpha _{2}$ 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 $\large J_{2}$ 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。

用上面图 b）解释晶闸管正常工作时的特性：当 $\large I_{G}=0$ 时， $\large I_{b2}$ 、 $\large I_{e2}$ 、 $\large I_{c2}$ 等于0，由于 $\large I_{b1}=I_{c2}=0$ ，所以 $\large I_{A}=I_{e1}=0$ ，两个三极管均不导通，即使承受正向电压 $\large E_{A}$ ，晶闸管不开通；当开关S关闭的瞬间有 $\large I_{G}=I_{b2}$ ，三极管 $\large V_{2}$ 导通， $\large I_{e2}$ 、 $\large I_{c2}$ 非0，由于 $\large I_{b1}=I_{c2}$ ，所以三极管 $\large V_{1}$ 也导通，此时有 $\large I_{b2}=I_{G}+I_{c1}$ 加速导通，这是一个正反馈过程，所以该情况下加正向电压 $\large E_{A}$ ，晶闸管开通；若加反向电压，即 $\large E_{A}$ 反向，三极管 $\large V_{2}$ 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 $\large I_{L}$ ）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（ $\large I_{H}$ ，维持电流）以下。

2）伏安特性

正向特性：当 $\large I_{G}=0$ 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 $\large U_{bo}$ ，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 $\large I_{H}$ 以下，则晶闸管又回到正向阻断状态， $\large I_{H}$ 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。

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。

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 $\large t_{d}$ ：0.5~1.5 $\large \mu s$ ；上升时间 $\large t_{r}$ ：0.5~3 $\large \mu s$ ；开通时间 $\large t_{gt}=t_{d}+t_{r}$ 。

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 $\large t_{rr}$ ；正向阻断恢复时间 $\large t_{gr}$ ；关断时间 $\large t_{q}=t_{rr}+t_{gr}$ ；

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。

2.3.3 晶闸管的主要参数

1）电压定额

断态重复峰值电压 $\large U_{DRM}$ （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 $\large U_{DRM}$ 为断态不重复峰值电压 $\large U_{DSM}$ （即断态最大瞬时电压）的90%；正向转折电压 $\large U_{bo}> U_{DSM}> U_{DRM}$ 。

反向重复峰值电压 $\large U_{RRM}$ ：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 $\large U_{RRM}$ 为反向不重复峰值电压 $\large U_{RSM}$ （即反向最大瞬时电压）的90%；反向击穿电压 $\large > U_{RSM}> U_{RRM}$ 。

通态（峰值）电压 $\large U_{T}$ ：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 $\large U_{DRM}$ 和 $\large U_{RRM}$ 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2~3倍。

2）电流定额

通态平均电流 $\large I_{T(AV)}$ ：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；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。