1.2 半控型器件——晶閘管

晶閘管（Thyristor）是硅晶體閘流管的簡稱，又稱為可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）。1956年美國貝爾實驗室發明了晶閘管，從而開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的嶄新時代，雖然20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代，但其能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，因此在大容量的場合仍具有重要地位，目前仍是使用量最多、應用最廣泛的電力器件。

1.2.1 晶閘管的結構

晶閘管是大功率的半導體器件，從總體結構上看，其外形有螺栓型和平板型兩種封裝。引出陽極A、陰極K和門極G（控制端）三個連接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密連接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管由兩個散熱器將其夾在中間。

圖1-1-7為晶閘管的外形、電氣圖形符號和模塊外形。

1.2.2 晶閘管的結構與工作原理

晶閘管是一個四層（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G）的功率半導體器件，其內部結構與等效復合三極管效應，如圖1-1-8所示。

可以看出，兩個晶體管連接的特點是，一個晶體管的集電極電流就是另一個晶體管的基極電流，當有足夠的門極電流IG流入時，兩個相互復合的晶體管電路就會形成強烈的正反饋，導致兩個晶體管飽和導通，即晶閘管的導通。

如果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管VT1、VT2均處于反壓狀態，即使有無門極電流IG，晶閘管都不能導通。

因此，得出以下結論。

（1）當晶閘管A-K承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。

（2）當晶體閘管A-K承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通。故使晶閘管導通的門極電壓不必是一個持續的直流電壓，只要是一個具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負載性質有關。這個脈沖常稱為觸發脈沖。

（3）晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。

（4）要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。這可以通過增大負載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現。這個能保持晶閘管導通的最小電流稱為維持電流，是晶閘管的一個重要參數。

其他幾種可能導通的情況：陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應；陽極電壓上升率du/dt過高；結溫較高；光直接照射硅片，即光觸發。在這些情況中，除了光觸發可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中之外，對于其他情況，在晶閘管的應用中都要采取預防措施，以免出現晶閘管誤導通的狀況。

因此只有晶閘管門極觸發（包括光觸發）是最精確、迅速而可靠的控制手段。

1.2.3 晶閘管的基本特性

1.靜態特性

靜態特性又稱為伏安特性，是指器件端電壓與電流的關系。圖1-1-9為晶閘管的伏安特性。

1）第Ⅰ象限的是正向特性

當IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態。正向電壓超過正向轉折電壓Ubo，則電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態。IH稱為維持電流。

2）第Ⅲ象限的是反向特性

在晶閘管上施加反向電壓時，其反向特性類似二極管的反向特性。在反向阻斷狀態時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發熱損壞。

2.動態特性

晶閘管常應用于低頻的相控電力電子電路，有時也在高頻電力電子電路中得到應用，如逆變器等。在高頻電路應用時，需要嚴格地考慮晶閘管的開關特性，即開通特性和關斷特性。晶閘管的動態過程及相應的損耗，如圖1-1-10所示。

1）開通過程

晶閘管由截止轉為導通的過程稱為開通過程。

（1）延遲時間td：從門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩態值的10%的時間。

（2）上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩態值的90%所需的時間。

（3）開通時間tgt：以上兩者之和，即tgt=td+tr。

延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。

普通晶閘管延遲時間為0.5～1.5μs，上升時間為0.5～3μs。

2）關斷過程

通常采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。

（1）反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間。

（2）正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要的一段時間。

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。

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，電路才能可靠工作。

關斷時間tq為trr與tgr之和，即tq=trr+tgr。普通晶閘管的關斷時間約為幾百微秒。

1.2.4 晶閘管的主要參數

要正確使用一個晶閘管，除了了解晶閘管的靜態、動態特性外，還必須定量地掌握晶閘管的一些主要參數。

1.電壓參數

1）斷態重復峰值電壓UDRM

在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。

2）反向重復峰值電壓URRM

在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。

3）通態平均電壓UT（AV）

通態平均電壓是指在晶閘管通過單相工頻正弦半波電流，在額定結溫、額定平均電流下，晶閘管陽極與陰極間電壓的平均值，又稱為管壓降。在晶閘管型號中，常按通態平均電壓的數值進行分組，以大寫英文字母A～I表示。通態平均電壓影響元件的損耗與發熱，應該選用管壓降小的元件來使用。

4）晶閘管的額定電壓UR

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值，并整化至等于或小于該值的規定電壓等級來作為該器件的額定電壓。額定電壓在1000V以下是每100V一個電壓等級，1000～3000V則是每200V一個電壓等級。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2～3倍。

2.電流參數

1）通態平均電流IT（AV）（額定電流）

晶閘管在環境溫度為40℃和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。選用晶閘管時應根據有效電流相等的原則來確定晶閘管的額定電流。由于晶閘管的過載能力小，為保證安全可靠工作，所選用晶閘管的額定電流IT（AV）應使其對應有效值電流為實際流過電流有效值的1.5～2倍。按晶閘管額定電流的定義，一個額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為157A。晶閘管額定電流的選擇可按下式計算：

式中IT——電流有效值。

2）維持電流IH

維持電流是使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結溫有關，結溫越高，則IH越小，晶閘管越難關斷。

3）擎住電流IL

擎住電流是指晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，能維持導通所需的最小電流。

對同一晶閘管來說，通常IL為IH的2～4倍。

4）浪涌電流ITSM

浪涌電流是指電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。

3.動態參數

除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有以下兩種。

1）斷態電壓臨界上升率du/dt

斷態電壓臨界上升率是指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態轉換的外加電壓的最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。

2）通態電流臨界上升率di/dt

通態電流臨界上升率是指在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。

4.晶閘管的型號

普通型晶閘管型號可表示如下：

KP[電流等級]—[電壓等級/100][通態平均電壓組別]

表1-1-1為螺栓型晶閘管產品參數，其中UGT為門極觸發電壓，IGT為門極觸發電流，UTM為通態峰值電壓，TJM為允許最高結溫。

1.2.5 晶閘管的派生器件

1.快速晶閘管（Fast Switching Thyristor，FST）

快速晶閘管包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管，其管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間及du/dt和di/dt的承受值都有明顯改善。

普通晶閘管關斷時間為數百微秒，快速晶閘管為數十微秒，而高頻晶閘管為10μs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，因此選擇通態平均電流時不能忽略其開關損耗的發熱效應。

2.雙向晶閘管（Triode AC Switch，TRIAC 或Bidirectional Triode Thyristor）

雙向晶閘管可認為是一對反并聯連接的普通晶閘管的集成，有兩個主電極T1和T2，一個門極G。正反兩方向均可觸發導通，所以雙向晶閘管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有對稱的伏安特性。其與一對反并聯晶閘管相比是經濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態繼電器（Solid State Relay，SSR）和交流電機調速等領域應用較多。通常用在交流電路中，不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。

雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性如圖1-1-11所示。

3.逆導晶閘管（Reverse Conducting Thyristor，RCT）

逆導晶閘管是將晶閘管與反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點。

逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯二極管的電流。

逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性如圖1-1-12所示。

4.光控晶閘管（Light Triggered Thyristor，LTT）

光控晶閘管又稱為光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子；大功率光控晶閘管還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發光源的發光二極管或半導體激光器。

由于采用光觸發保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此，目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據重要的地位。

光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性，如圖1-1-13所示。