一、模電知識復習

由于晶閘管在電力電子中討論的場景一般為高壓大電流場景，因此三極管放大區的相關描述在此略去不表，僅介紹截止區與飽和區狀態。

npn三極管的工作狀態：

當UC>UB，UE>UB時，三極管處于截止狀態，ICE≈0(同樣由于電力電子討論場景的緣故，PN結的導通電壓在此忽略不計)

當UB>UC>UE時，三極管處于導通狀態。

pnp三極管的工作狀態：

當UB>UE，UB>UC時三極管處于截止狀態。

當UE>UB>UC時，三極管處于導通狀態。

二、晶閘管的構造與等效電路

1.晶閘管的符號與構造

晶閘管，又稱可控硅，是半控型器件。晶閘管共有三個端子，分別為陽極(Anode)，門極(Gate)和陰極(Cathode)，內部結構與電路等效示意圖也如圖中所示。

2.晶閘管工作原理的分析

參照單向晶閘管的內部結構圖與等效電路圖可以看出，晶閘管實際上等效于一個pnp三極管與一個npn三極管將集電極與基極互聯形成的元件?；诖耍覀兛梢詫υ墓ぷ鳡顟B進行大致的分析：

1)當UA

可以看到，此時無論怎么變換G極電壓，影響的只有等效電路圖中下方的npn三極管，上方的pnp三極管始終處于截止狀態，因而在擊穿元件前電流不可能通過，可以看出晶閘管具有反向截止功能。

2)當UA>UK，UG<=UK時

通過分析可以看到，下方npn三極管仍處于關斷狀態，此時僅有少部分漏電流通過器件，在正向電壓達到正向轉折電壓之前電流一直很小，晶閘管未開通。

3)當UA>UK，UG>UK時

由于門極有觸發電流(注意此電流必須大于晶閘管擎住電流IL)，下方的npn三極管首先打開，由于兩三極管將基極與集電極互聯，三極管從發射極到集電極的電流也是另一個三極管從基極流入或流出的電流;通過三極管的工作特性可以知道，當源極電流增大且未到達飽和區時，從發射極流向集電極的電流會以一定比例增大，由此再增大了基極電流，形成了一個正反饋的關系。此時如果在一定程度內降低UG也無法關斷晶閘管，因此晶閘管為半控型器件。

3.晶閘管的關閉方式

晶閘管的關閉方式從本質上來說就是要破壞兩個三極管之間的正反饋關系與三極管的導通條件，這兩個條件必須同時滿足方可關閉晶閘管，在這里討論兩個關斷晶閘管的方法：

1)移除陽極與陰極之間的電壓

移除電壓之后，pnp三極管的導通狀態被破壞，且陽極與陰極之間的電流也一并被移除，達成了上述的兩個條件，晶閘管被關斷。

2)在門極與陰極之間施加反向電壓與反向電流

需要注意的是，必須同時施加反向電壓與反向電流。反向電壓用來破壞npn三極管的導通狀態，反向電流則是為了破壞兩個三極管之間的正反饋狀態，實現對晶閘管的關斷。

4.晶閘管的特性

1)伏安特性

正向特性：

可以看到，當電壓小于正向轉折電壓時，晶閘管內流過的漏電流很小，小于維持電流IH，晶閘管不導通。當正向電壓大于正向轉折電壓時，會產生類似于雪崩擊穿的效果，此時漏電流增大，通過我們前面的分析可以知道晶閘管可能會進入正反饋狀態，晶閘管會進入導通狀態。此時如果沒有門電流，且陽極電流在維持電流以下，晶閘管會恢復到正向阻斷狀態。

反向特性：

當反向電壓未達到反向擊穿電壓時，僅有極少的漏電流通過晶閘管，高于擊穿電壓后器件被擊穿損壞。

2)開關特性

開通特性：

當陽極電流小于擎住電流時，晶閘管未開通，仍維持在較大水平(td階段);當陽極電流上升至穩態值的90%左右時，陽極與陰極之間的電壓達到穩態值。

關斷特性：

在關斷時，首先應減小陽極電流，與二極管的關斷過程類似，此時在P區與N區中仍存在電荷，因而電荷的運動產生了反向電流，在這個過程中電壓繼續下降，由于外電路電感作用電壓會出現一個波谷。從電壓開始變化到電壓恢復至施加的反向電壓這段時間成為反向阻斷恢復時間，從反向阻斷恢復時間到晶閘管恢復正向阻斷能力的時間稱為正向阻斷恢復時間，反向阻斷恢復時間與正向阻斷恢復時間之和為關斷時間，約為幾百微秒(開通時間的百倍左右)。

如果在晶閘管正向阻斷恢復時間內對晶閘管再次施加正向電壓，晶閘管會再次導通，不受門電極控制。

5.晶閘管的電流關系

由三極管原理及KCL定律可得：

由上式可導出：

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