1.2 晶閘管及派生器件

1.2.1 晶閘管的結構和工作原理

晶閘管（Thyristor）就是硅晶體閘管也稱為可控硅整流器（SCR）。普通晶閘管是一種具有開關作用的大功率半導體器件，常簡稱為晶閘管。

1.2.1.1 晶閘管的結構

晶閘管是具有4層PNPN結構、3端引出線（A，K，G）的器件，晶閘管的外形、結構和符號如圖1 1所示。常見晶閘管的外形有兩種：螺栓形和平板形。其中，A為陽極、K為陰極、G為門極。容量大于200A的晶閘管都采用平板形結構。

1.2.1.2 晶閘管的工作原理

晶閘管在工作過程中，陽極A和陰極K與電源和負載相連，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的觸發電路相連，組成晶閘管的控制回路。晶閘管是4層3端器件，有J₁、J₂和J₃3個PN結。可將中間的N₁和P₂分為兩部分，構成一個P₁N₁P₂晶體管和N₁P₂N₂晶體管互連的復合管，每個晶體管的集電極電流同時又是另圖11 晶閘管的外形結構和符號

（a）外形；（b）結構；（c）符號

一個晶體管的基極電流。其中，α₁和α₂分別為P₁N₁P₂和N₁P₂N₂的共基極電流放大倍數。其工作電路如圖12所示。

圖12 晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖

當晶閘管承受正向陽極電壓，門極未承受電壓的情況下，I_G=0，晶閘管處于正向阻斷狀態。若門極承受正向電壓且門極流入電流I_G足夠大，晶體管N₁P₂N₂發射極電流增加，α₂增大，使P₁N₁P₂發射極電流增加，α₁增大，強烈的正反饋過程迅速進行。具體程序如下：

I_G↑→I_C2 （I_bf）↑→I_C1↑

隨著α₁和α₂增大，當達到α₁+α₂≥1之后，兩個晶體管均飽和導通，因而晶閘管導通。由此可知晶閘管導通的必要條件是α₁+α₂≥1。晶閘管導通后，這時流過晶閘管的電流完全由主電路的電源電壓和回路電阻決定。

當晶閘管導通后，即使I_G=0，因I_C1直接流入N₁P₂N₂的基極，晶閘管仍繼續保持導通狀態。此時，門極便失去控制作用。如果不斷地減小電源電壓或對晶閘管陽極和陰極加上反向電壓，使I_C1的電流減小到晶體管接近截止狀態時，晶閘管恢復阻斷狀態。

當晶閘管承受反向電壓時，不論是否加上門極正向電壓，晶閘管總是處于阻斷狀態。由上述討論可得如下結論。

（1）欲使晶閘管導通需具備兩個條件：

1）應在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓；

2）應在晶閘管的門極與陰極之間加上正向電壓和電流。

（2）晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。

（3）為使晶閘管關斷，必須使其陽極電流減小到一定數值以下，這只有用使極電壓減小到零或反向的方法來實現。

1.2.2 晶閘管的工作特性及主要參數1.2.2.1 晶閘管的靜態伏安特性

晶閘管陽極與陰極間的電壓U_AK和陽極電流I_A的關系稱為晶閘管伏安特性，如圖13所示。晶閘管的伏安特性包括正向特性（第Ⅰ象限）和反向特性（第Ⅲ象限）兩部分。

圖13 晶閘管伏安特性曲線

晶閘管的正向特性又有阻斷狀態和導通狀態之分。在正向阻斷狀態時，晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流I_G的增加而不同的曲線簇。當I_G=0時，逐漸增大陽極電壓U_AK，只有很小的正向漏電流，晶閘管正向阻斷；隨著陽極電壓的增加，當達到正向轉折電壓U_BO時，漏電流突然劇增，晶閘管由正向阻斷狀態突變為正向導通狀態。這種在I_G=0時，依靠增大陽極電壓而強迫晶閘管導通的方式稱為“硬開通”。“硬開通”使電路工作于非控制狀態，并可能導致晶閘管損壞，因此通常需要避免。

隨著門極電流I_G的增大，晶閘管的正向轉折電壓U_BO迅速下降；當I_G足夠大時，晶閘管的正向轉折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣，只要加上正向陽極電壓，管子就導通了。此時晶閘管正向導通的伏安特性與二極管的正向特性相似，即當流過較大的陽極電流時，晶閘管的壓降很小。晶閘管正向導通后，要使晶閘管恢復阻斷，只有逐步減小陽極電流I_A，使I_A下降到小于維持電流I_H，則晶閘管又由正向導通狀態變為正向阻斷狀態。晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。在正常情況下，當承受反向陽極電壓時，晶閘管總是處于阻斷狀態，只有很小的反向漏電流流過。當反向電壓增加到一定值時，反向漏電流增加較快，再繼續增大反向陽極電壓會導致晶閘管反向擊穿，造成晶閘管永久性損壞，這時對應的電壓稱為反向擊穿電壓U_RO。綜上所述，晶閘管的基本工作特性可以歸納如下。

（1）承受反向電壓時（U_AK＜0），不論門極有否觸發電流，晶閘管都不導通，反向伏安特性類似于二極管。

（2）承受正向電壓時，僅門極有正向觸發電流的情況下晶閘管才能導通（即U_AK＞0時，I_G＞0才能導通）。可以看出，SCR是一種電流控制型器件，導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿，壓降在1V左右；晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。

（3）要使晶閘管關斷，必須使晶閘管的電流下降到某一數值以下（I_A＜I_H）。

（4）晶閘管的門極觸發電流從門極流入晶閘管，從陰極流出；為保證可靠、安全地觸發，觸發電路所提供的觸發電壓、電流和功率應限制在可靠觸發區，既保證有足夠的觸發功率，又確保不損壞門極和陰極之間的PN結。

1.2.2.2 晶閘管的動態特性

晶閘管開通與關斷過程中的伏安特性變化關系稱為晶閘管的動態特性。晶閘管開通與關斷過程的波形如圖14所示，開通過程描述的是使門極在坐標原點時刻開始受到理想階躍電流觸發的情況；而關斷過程描述的是對已導通的晶閘管，外電路所加電壓在某一時刻突然由正向變為反向（圖14中點劃線所示的波形）的情況。

圖14 晶閘管開通和關斷過程波形

由于晶閘管內部的正反饋過程需要時間，再加上外部電路電感的限制，晶閘管觸發后陽極電流增長需要一個過程。從門極電流階躍時刻開始至陽極電流上升到穩定值的10%，這段時間稱為延遲時間t_d，此時晶閘管的正向電壓也同步減小。陽極電流從10%上升到穩態值90%所需的時間稱為上升時間t_r。開通時間t_gr定義為前兩者之和，即t_gr=t_d+t_r。普通晶閘管延遲時間為0.5～1.5μs，上升時間為0.5～3μs。晶閘管開通時間與觸發電流、外電路狀態均有關系，通常增加觸發電流可以加快開通過程。

原處于導通狀態的晶閘管，當外加電壓突然反向時，由于外電路電感的存在，其陽極電流的衰減也需要一個過程。與二極管反向恢復過程類似，晶閘管關斷過程也會出現反向恢復電流，經過最大值I_RM后再反方向衰減。在恢復電流快速衰減時，由于外電路電感的作用，會在晶閘管兩端引起反向的尖峰電壓U_RRM。從正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間稱為反向阻斷恢復時間t_rr。反向恢復過程結束后，由于載流于復合過程比較慢，晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間t_gr。在正向阻斷恢復時間內，如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通而不受門極控制。在實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，如此電路才能可靠工作。晶閘管的關斷時間t_q定義為t_rr和t_gr之和，即t_q=t_rr+t_gr。普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒，這是施加反向電壓時間設計的依據。

為了正確選擇和使用晶閘管，需要了解和掌握晶閘管的一些主要參數及其參數的實測值，如通態峰值電壓、門極觸發電壓、門極觸發電流和維持電流等。

1.2.2.3 晶閘管的主要參數

1.晶閘管的電壓參數

（1）斷態不重復峰值電壓U_DSM。晶閘管在門極開路時，施加于晶閘管的正向陽極電壓上升到正向伏安特性曲線急劇彎曲處所對應的電壓值。它是一個不能重復且每次持續時間不大于10ms的斷態最大脈沖電壓。U_DSM值小于轉折電壓U_BO，其差值大小，由晶閘管制造廠自定。

（2）斷態重復峰值電壓U_DRM。晶閘管在門極開路及額定結溫下，允許每秒50次，每次持續時間不大于10ms，重復施加于晶閘管上的正向斷態最大脈沖電壓U_DRM =

80%U_DSM。

（3）反向不重復峰值電壓U_DRM。晶閘管門極開路，晶閘管承受反向電壓時，對應于反10ms的反向最大脈沖電壓。

（4）反向重復峰值電壓U_RRM。晶閘管門極開路及額定結溫下，允許每秒50次，每次持續時間不大于10ms、重復施加于晶閘管上的反向最大脈沖電壓。U_RRM=80%U_RSM。表11列出了晶閘管正反向重復峰值電壓的等級。

（5）額定電壓。將斷態重復值電壓U_DRM和反方向重復峰值電壓U_RRM中較小的那個值取整后作為該晶閘管的額定電壓值。在使用時，考慮瞬間過電壓等因素，選擇晶閘管的額定電壓值要留有安全裕量。一般取電路正常工作時晶閘管所承受工作電壓峰

值2～3倍。

（6）通態平均電壓U_T（AV）。通過正弦半波的額定通態平均電流和額定結溫時，晶閘管陽極與陰極間電壓降的平均值，通稱管壓降。

表1 1

晶閘管正、反向重復峰值電壓等級

2.晶閘管的電流參數

（1）通態平均電流I_T（AV）。在環境溫度為+40℃和規定的冷卻條件下，晶閘管在導通角不小于170°的電阻性負載電路中，在額定結溫時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標準電流系列取整數值，稱為該晶閘管的通態平均電流，定義為該元件的額定電流。

晶閘管的額定電流用通態平均電流來標定，是因為整流電路輸出端的負載常需用平均電流。但是，決定晶閘管允許電流大小的是管芯的結溫；而結溫的高低是由允許發熱的條件決定的，造成晶閘管發熱的原因是損耗，其中包括晶閘管的通態損耗、斷態時正、反向漏電流引起的損耗以及晶閘管元件的開關損耗，此外還有門極損耗等。為了減小損耗，希望元件的通態平均電壓和漏電流要小些。一般門極的損耗較小，而元件的開關損耗隨工作頻率的增加而加大。影響晶閘管發熱的條件主要有散熱器尺寸及元件與散熱器的接觸狀況、采用的冷卻方式（自冷卻、強迫通風冷卻、液體冷卻）及環境溫度等。晶閘管發熱和冷卻的條件不同，其允許通過的通態平均電流值也不一樣。

各種有直流分量的電流波形都有一個電流平均值（一個周期內電流波形面積的平均），也就是直流電流表的讀數值；也都有一個有效值（均方根值）。現定義電流波形的有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數，用K_f表示。如整流電路直流輸出負載電流i_d的波形系數為

K_f=

I I_d

（1 1）

式中 I———負載電流有效值；

I_d———負載電流平均值。流過晶閘管電流的波形系數為

K_ft=I_T

（1 2）

I_dT

式中 I_T———晶閘管電流有效值；

I_dT———晶閘管電流平均值。

根據規定條件，流過晶閘管為工頻正弦半波電流波形。設電流峰值為I_m，則通態平均電流：

I_Tav=21π∫₀πI_msinωtd（ωt）=I2mπ（-cosωt）0π=I_mπ

（1 3）

該電流波形的有效值：

I_T=㊣

₂1π∫₀π（I_msinωt）²d（ωt）=I_m㊣

₂1π∫₀π（12-cos22ωt）d（ωt）=I2m（14）

正弦半波電流波形系數K_f應有

K_f=IITTav=IImm//2π=1.57

（1 5）

由式（15）知，如果額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為1.57×

100=157（A）。

在實際電路中，流過晶閘管的波形可能是任意的非正弦波形，如何去計算和選擇晶閘管的額定電流值，應根據電流有效值相等即發熱相同的原則，將非正弦半波電流的有效值I_T或平均值I_d折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值，即

I_T=K_fI_d=1.57I_Tav

I_Tav=K_fI_d

=I_T

（1 6）

1.57

1.57

式（16）中的K_f為非正弦波形的波形系數。由于晶閘管元件的熱容量小、過載能力低，故在實際選用時，一般取1.5～2倍的安全裕量，故

I_Tav=（1.5～2）K_fI_d

（1 7）

1.57

根據式（17）在給定晶閘管的額定電流值后可計算流過該晶閘管任意波形允許的電流平均值。

I_d=（11..55～7I2Tav）K_f

（1 8）

（2）維持電流I_H。晶閘管被觸發導通以后，在室溫和門極開路的條件下，減小陽極電流，使晶閘管維持通態所必需的最小陽極電流。

（3）掣住電流I_L。晶閘管一經觸發導通就去掉觸發信號，能使晶閘管保持導通所需要的最小陽極電流。一般晶閘管的掣住電流I_L為其維持電流I_H的幾倍。如果晶閘管從斷態轉換為通態，其陽極電流還未上升到掣住電流值就去掉觸發脈沖，晶閘管將重新恢復阻斷狀態，故要求晶閘管的觸發脈沖有一定寬度。

（4）斷態重復平均電流I_DR和反向重復平均電流I_RR。額定結溫和門極開路時，對應于斷態重復峰值電壓和反向重復峰值電壓下的平均漏電流。

（5）浪涌電流I_TSM。在規定條件下，工頻正弦半周期內所允許的最大過載峰值電流。由于元件體積不大，熱容量較小，所以能承受的浪涌過載能力是有限的。在設計晶閘管電路時，考慮到電路中電流產生的波動，這是必須要注意的問題。通常電路雖然有過流保護裝置，但由于保護不可避免地存在延時，因此，仍然會使晶閘管在短暫時間內通過一個比額定值大得多的浪涌電流，顯然這個浪涌電流值不應大于元件的允許值。

對于持續時間比半個周期更短的浪涌電流，通常采用I²t這個額定值來表示允許通過浪涌電流的能力。其中，電流I是浪涌電流有效值，t為浪涌持續時間。因為PN結熱容量很小，在這樣短的時間內沒有必要考慮熱量從結面傳到其他部位上去。I²t與由此引起的結溫成正比，所以若結溫的允許值已定，I²t的額定值也就定下來了。

3.動態參數

（1）斷態電壓臨界上升率du/dt。在額定結溫和門極開路條件下，使晶閘管保持斷態所能承受的最大電壓上升率。在晶閘管斷態時，如果施加于晶閘管兩端的電壓上升率超過規定值，即使此時陽極電壓幅值并未超過斷態正向轉折電壓，也會由于du/dt過大而導致晶閘管的誤導通。這是因為晶閘管在正向阻斷狀態下，處于反向偏置J₂結的空間電荷區相當于一個電容器，電壓的變化會產生位移電流；如果所加正向電壓的du/dt較高，便會有過大的充電電流流過結面，這個電流通過J₃結時，起到類似觸發電流的作用，從而導致晶閘管的誤導通。因此在使用中必須對du/dt有一定的限制，du/dt的

單位為V/μs。

在實際電路中常采取在晶閘管兩端并聯RC阻容吸收回路的方法，利用電容器兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。

（2）通態電流臨界上升率di/dt。在規定條件下，晶閘管用門極觸發信號開通時，晶閘管能夠承受而不會導致損壞的通態電流最大上升率。在使用中，應使實際電路中出現的電流上升率di/dt小于晶閘管允許的電流上升率。di/dt的單位為A/μs。

晶閘管在觸發導通過程中，開始只在靠近門極附近的小區城內導通，然后以大致0.03～0.1mm/μs的速度向整個結面擴展，逐漸發展到全部結面導通。如果電流上升率過大，則過大的電流將集中在靠近門極附近的小區域內，致使晶閘管因局部過熱而損壞。因此，必須對di/dt的數值加以限制。為了提高晶閘管承受di/dt的能力，可以采用快速上升的強觸發脈沖，加大門極電流，使起始導通區增加；還可在陽極電路串聯一個不大的電感。

（3）開通時間t_on。在室溫和規定的門極觸發信號作用下，使晶閘管從斷態變成通態時，從門極觸發脈沖前沿的10%到陽極電壓下降至10%的時間間隔，稱為門極控制開通時間，如圖15所示。

開通時間t_on由延遲時間t_d和上升時間t_r組成。門極的開通時間就是載流子積累和電流上升所需要的時間。晶閘管的開通時間不一致，會使串聯的晶閘管在開通時不能均壓，圖15 門極控制開通時間

并聯時不能均流。增加門極電流的幅值和前沿陡度即采用強脈沖觸發，可以減少開通時間，并使t_on的離散性顯著減少，有利于晶閘管的均壓和均流。此外，門極控制開通時間還和元件結溫等因素有關。

（4）關斷時間t_off。從通態電流降至零瞬間起，到晶閘管開始能承受規定的斷態電壓瞬間的時間間隔。關斷時間包括反向恢復時間t_rr和門極恢復時間t_gr兩部分，如圖16所示。晶閘管的陽極電流降到零以后，J₁、J₃結附近積累的載流子，在反向電壓作用下產生反向電流并隨載流子的復合下降至零，J₁和J₃結開始恢復阻斷能力，這段時間即為反向恢復時間t_rr。此后，隨著J₂結兩側載流子復合完畢并建立起新的阻擋層，晶閘管完全關斷而恢復了阻斷能力，這段時間即為門極恢復時間t_gr。

圖16 晶閘管電路換向關斷時間

晶閘管的關斷時間與結溫、關斷時施加的反向電壓等因素有關。結溫越高，關斷時間也越長。如晶閘管在120℃時的關斷時間為25℃時的2～3倍，反向電壓增大，關斷時間減少。在實際電路中，必須使晶閘管承受反壓的時間大于它的關斷時間，并考慮一定的安全裕量。

1.2.2.4 晶閘管的型號

按照原機械工業部標準JB1144—75的規定，KP型普通晶閘管的型號及其含義如下。

例如，KP200 15G的型號，具體表示為額定電流200A，額定電壓為1500V，通態平均電壓為1V的普通型晶閘管。

1.2.3 晶閘管的觸發

晶閘管的觸發電路的作用是產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在需要的時候由阻斷轉為導通。晶閘管觸發電路應滿足下列要求。

（1）觸發脈沖的寬度應保證晶閘管能可靠導通。（2）觸發脈沖應有足夠的幅度。

（3）觸發脈沖不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發區域之內。（4）應有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。

圖1 7（a）為常見的帶強觸發的晶閘管觸發電路。使用整流橋可獲得約50V的直流

圖17 晶閘管觸發電路和理想的晶閘管觸發脈沖電流波形

（a）觸發電路；（b）觸發脈沖電流波形

t₁～t₂—脈沖前沿上升時間（＜1μs）；t₁～t₃—強脈沖寬度；

I_M—強脈沖幅值（3I_GT～5I_GT）；t₁～t₄—脈沖寬度；I—脈沖平頂幅值（1.5I_GT～2I_GT）

電源，在V₂導通前，50V電源通過R₅向C₆充電，C₇很大，C₆很小，C₆兩端電壓接近50V。當脈沖放大環節V₁、V₂導通時，C₆迅速放電，通過脈沖變壓器TM向晶閘管的門極和陰極之間輸出強觸發脈沖。當C₆兩端電壓低于15V時，VD₁₅導通，此時C₆兩端電壓被鉗位在15V，進入觸發脈沖平穩階段。當V₁、V₂由導通變為截止時，脈沖變壓器儲存的能量通過VD₁和R₃釋放。理想的晶閘管觸發脈沖電流波形如圖1 7（b）所示，強觸發脈沖能縮短晶閘管的開通時間，有利于降低開通過程損耗。