晶閘管(Thyristor)是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier——SCR)，以前被簡稱為可控硅。

由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。

1結(jié)構(gòu)和工作原理

晶閘管的結(jié)構(gòu)：

從外形看，晶閘管主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)。有陽極A、陰極K和門極G(控制端)三個(gè)連接端。內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

a) 外形b) 結(jié)構(gòu)c) 電氣圖形符號

晶閘管的工作原理：

為了更好地分析晶閘管的工作原理，我們采用雙晶體管模型分析，具體見下圖

按照晶體管工作原理，可列出如下方程：

式中α1和α2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益;ICBO1和ICBO2分別是V1 和V2的共基極漏電流。由上面四個(gè)等式可得

晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下α是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，α迅速增大。在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG =0，而α1 +
α2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致α1 +α2
趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA(陽極電流)將趨近于無窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會維持有限值。

除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況：

陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

陽極電壓上升率du/dt過高

結(jié)溫較高

光觸發(fā)

這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

2基本特性

靜態(tài)特性

正常工作時(shí)的特性：當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

晶閘管的伏安特性

伏安特性曲線;IG2 >IG1 >IG

正向特性：

當(dāng)IG =0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶 閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。

如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo ，則漏電流急劇增大，器件開通。

隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很 小，在1V左右。

如果門極電流為零， 并且陽極電流降至接近于 零的某一數(shù)值IH 以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH 稱為維持電流。

反向特性：

其伏安特性類似二極管的反向特性。

晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過。

當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電 流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱 損壞。

動態(tài)特性

晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

開通過程

由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是瞬時(shí)的。

延遲時(shí)間td (0.5~1.5us)

上升時(shí)間tr (0.5~3us)

開通時(shí)間tgt =td +tr

延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。

關(guān)斷過程

由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽極電流在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。

反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr

關(guān)斷時(shí)間tq =trr +tgr

關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ǎ皇鞘荛T極電流控制而導(dǎo)通。

3主要參數(shù)

電壓參數(shù)：

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓(見伏安特性曲線)。國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM
為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓(即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓)UDSM 的90%。斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 。

反向重復(fù)峰值電壓URRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM 為反向不重復(fù)峰值電壓(即反向最大瞬態(tài)電壓)URSM
的90%。反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。

通態(tài)(峰值)電壓UT

晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電

壓。通常取晶閘管的UDRM 和URRM 中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。

電流參數(shù):

通態(tài)平均電流IT(AV)

國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷

卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等(即有效值相等)的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。

維持電流IH

維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。結(jié)溫越高，IH越小。

擎住電流IL

擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。約為IH的2~4倍

浪涌電流ITSM

指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。

動態(tài)參數(shù)：

開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq

斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。

通態(tài)電流臨界上升率di/dt

在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。

4派生器件

快速晶閘管(Fast Switching Thyristor——FST)

有快速晶閘管和高頻晶閘管。

快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

從關(guān)斷時(shí)間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10us左右。

高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。

由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

雙向晶閘管(Triode AC Switch——TRIAC或Bidirectional triode thyristor)

電氣符號和伏安特性曲線

可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。

門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第 I和第III象限有對稱的伏安特性。

雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用 有效值來表示其額定電流值。

逆導(dǎo)晶閘管(Reverse Conducting Thyristor—— RCT)

電氣符號和伏安特性曲線

將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有 承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。

具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額 定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于 不需要阻斷反向電壓的電 路中。

光控晶閘管(Light Triggered Thyristor—— LTT)

電氣符號和伏安特性曲線

是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間 的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控 晶閘管目前在高壓大功率的場合。

以上是針對半控型器件晶閘管的一個(gè)介紹，從結(jié)構(gòu)原理到基本特性，再到主要參數(shù)，最后是其派生器件。這里只是簡單的介紹，讓我們在后面的應(yīng)用中慢慢熟悉它。