1.3 晶閘管及其派生器件

電力行業使用的晶閘管是一種大功率半導體器件，可控硅（SCR）是指普通晶閘管，所有派生器件（如快速晶閘管、逆導晶閘管和雙向晶閘管等）則屬于特殊晶閘管。目前在工業上，晶閘管仍然是相控式電力電子技術的核心器件，它主要用于整流、逆變、調壓、開關等，其中應用最多的是整流。

1.3.1 晶閘管的結構與特性

1.晶閘管的結構

晶閘管是由3個PN結組成的半導體器件，大功率晶閘管外形有螺栓式和平板式兩種，其管芯一般做成圓形薄片，如圖1.6所示。晶閘管的內部結構示意及電路符號如圖1.7所示，它有三個電極，分別稱為陰極K、陽極A和控制極G（又稱門極）。

電力用晶閘管是大功率半導體器件，它在工作過程中會有損耗，損耗的電能主要轉變為熱能，產生的熱量主要依靠與晶閘管緊密接觸的散熱器釋放出去。額定通態平均電流在200A以上的晶閘管采用平板式結構。

2.晶閘管的電壓電流特性

晶閘管的導通和關斷是由陽極電壓UA、陽極電流IA及門極電壓UG（電流IG）等決定的。在實際應用中常用實驗曲線來表示它們之間的關系，此曲線就稱為晶閘管的電壓—電流特性曲線，如圖1.8所示。

橫坐標表示陽極電壓UA，縱坐標表示陽極電流IA。曲線表明：在門極電流IG=0的情況下，陽極正向電壓小于某一數值范圍時，陽極電流一直很小，這個電流稱為正向漏電流，這時晶閘管處于正向關斷狀態。當正向漏電流突然增大，晶閘管由正向關斷狀態突然轉化為導通，這時的正向電壓稱為正向轉折電壓UBO，這樣的導通稱為晶閘管硬開通。硬開通易造成晶閘管的損壞，一般是不允許的。

當門極加上正向電壓后，即IG＞0時，晶閘管仍有一定的正向阻斷能力，但此時使晶閘管從正向阻斷轉化為正向導通所對應的陽極電壓比 UBO要低，且 IG越大，相應的陽極電壓低得越多。也就是說，當晶閘管的陽極加上一定的正向電壓時，在其門極再加一適當的觸發電壓，晶閘管便觸發導通，這就是可以利用的晶閘管的可控導通性。晶閘管導通后可以通過很大的電流，而它本身的壓降只有1V左右，可見這一段特性曲線（BC段）靠近縱坐標而且陡直，與二極管的正向特性曲線相似。

晶閘管的反向狀態特性與一般二極管相似，當反向電壓在某一數值以下時，只有很小的反向漏電流，晶閘管處于反向阻斷狀態。當反向電壓增加到某一數值時，反向漏電流急劇增大，使晶閘管反向擊穿，這時所對應的電壓稱為反向轉折電壓UBR。晶閘管一旦反向擊穿就永久損壞，在實際應用時應避免。

晶閘管只有當陽極回路和門極回路均加正向電壓（即UAK＞0、UGK＞0）時，晶閘管才能被觸發導通；而當陽極回路加反向電壓（即 UAK＜0=時，無論控制極是否加觸發信號，晶閘管均不會導通，因此晶閘管是逆阻型器件。晶閘管一旦導通，控制極便失去控制作用，此時即使去掉控制極信號，晶閘管仍繼續導通。去掉控制極信號使晶閘管能繼續導通的最小陽極電流，稱為擎住電流 IL。只有當晶閘管中電流小于維持電流 IH時，晶閘管才會關斷。故晶閘管為開通可控、關斷不可控的半控型器件。

晶閘管的觸發電壓UGT和觸發電流IGT要保證晶閘管可靠觸發，UGT不能太低，否則容易受外界干擾造成誤觸發。為防止誤觸發，可在控制極加上負電壓，其量值在 3～5V范圍，負電壓的量值不宜過大，否則可能會擊穿控制極PN結。

晶閘管的觸發裝置必須有足夠的輸出功率，以保證同型號晶閘管可用同一個觸發裝置?？刂茦O觸發信號只能采用脈沖形式，觸發脈沖信號的寬度應保證晶閘管可靠導通，以使觸發脈沖消失前，晶閘管先達到擎住電流IL，觸發信號必須與電源同步，觸發信號應能夠移相，以便調整晶閘管主電路的輸出。

1.3.2 晶閘管的參數與型號

1.晶閘管的參數

晶閘管手冊中記錄的工作參數較多，在電工生產實踐中，最關心的是晶閘管在阻斷狀態下能夠承受多大正、反向電壓，它在導通時能通過多大的電流，要使它可靠觸發導通門極需加多大的電流（電壓）等。在實際使用時考慮的晶閘管參數主要有以下幾項。

（1）正向斷態重復峰值電壓UDRM

在額定的結溫、門極斷路和晶閘管正常阻斷的條件下，允許重復加在晶閘管上的最大正向峰值電壓。一般取值比UB0低100V。

（2）反向重復峰值電壓URRM

在額定的結溫下，門極斷路，允許重復加在晶閘管上的反向峰值電壓，一般取值比UBR低100V。它反映了阻斷狀態下晶閘管承受的反向電壓大小。通常UDRM和URRM大致相等，習慣上統稱峰值電壓。如果 UDRM和 URRM不相等，則取其中較小的那個電壓定義為“正反向峰值電壓”，且作為該晶閘管的“額定電壓”。選擇晶閘管時應考慮2～3倍的電壓安全裕量，再結合晶閘管系列的等級取整。（3）通態平均電流IT（AV）

在環境溫度不超過 40℃和規定的散熱條件下，允許通過的工頻正弦半波電流在一個周期內的最大平均值稱為通態平均電流，簡稱正向電流。

晶閘管的導通角一般小于 180°，若晶閘管中流過的平均電流相同，則導通角越小，相應的電流的波形越尖，峰值越大（這樣才能保持電流的平均值相同）。但是波形越尖、峰值越大的電流其有效值和發熱量（與有效值有關）也越大。因此當晶閘管的導通角變小時，允許的平均電流必須適當降低。選擇晶閘管時應考慮 1.5～2 倍的電流安全裕量，再結合晶閘管系列的等級取整。

（4）通態平均電壓UT（AV）

晶閘管正向通過正弦半波額定的平均電流、結溫穩定時，陽極和陰極間的電壓平均值稱為通態平均電壓，習慣上稱為導通時的管壓降。這個電壓當然越小越好。出廠時規定的上限值即為該型合格產品的最大管壓降，它由工廠根據合格的形式試驗自訂。按照國家有關規定，通態平均電壓的組別共分為九級，用A～I表示，A級為0.4V，I級為1.2V，額定電流小于100A時不標。

（5）維持電流IH

在規定的環境溫度和門極斷路的情況下，維持晶閘管繼續導通時需要的最小陽極電流稱為維持電流。它是晶閘管由通到斷的臨界電流，要使導通的晶閘管關斷，必須使它的正向電流小于IH。

2.晶閘管的型號

根據原機械工業部頒發的標準JB 1144—1975規定，KP系列普通晶閘管的型號及含義如下：

例如，KP100—12G 的晶閘管表示額定電流為 100A，額定電壓為 1200V，正向導通平均壓降組別為G（1V）的普通反向阻斷型晶閘管。再如，KP10—20表示額定通態平均電流為10A，正反向重復峰值電壓為2000V的普通反向阻斷型晶閘管。

1.3.3 派生器件

1.雙向晶閘管（TRIAC）

雙向晶閘管的結構、符號與伏安特性曲線如圖1.9所示，可以認為它是兩個反并聯連接的普通晶閘管的集成：它有三個電極，分別是兩個主電極A1、A2和一個門極G，在門極 G 的作用下主電極的正、反兩個方向均可觸發導通，所有雙向晶閘管在第Ⅰ、Ⅲ象限的伏安特性曲線是對稱的。

無論主電極A1、A2之間加的是正向還是反向電壓，門極加的是正脈沖還是負脈沖，雙向晶閘管都能被觸發導通。

雙向晶閘管較一對反并聯晶閘管經濟，且控制簡單，但門極電路靈敏度低，雙向晶閘管關斷時間較長，有誤導通的可能從而造成換相失敗。雙向晶閘管主要用于電阻性負載的相位控制，也可用于固態繼電器及電動機的控制等，其供電頻率通常被限制在50Hz左右，一般不能用于感性負載。

2.逆導晶閘管（RCT）

普通晶閘管具有反向電壓阻斷性，即給晶閘管加反向電壓，晶閘管截止，但在各類逆變器或斬波器的應用中，往往不需要晶閘管阻斷反向電壓，因此產生了反向電壓耐量較低的不對稱晶閘管（ASCR），逆導晶閘管是不對稱晶閘管的特例，它是將晶閘管與一個二極管反向并聯后制作在同一管芯上的功率集成器件。如圖 1.10 所示分別為逆導晶閘管的等效電路、符號及伏安特性。

當逆導晶閘管承受正向偏置電壓時，內部二極管截止，內部晶閘管可以被觸發導通，其特性相當于一個普通的晶閘管。當它承受反向偏置電壓時，內部晶閘管關斷，內部二極管導通，管內流過反向電流，相當于一個導通的二極管，因它只有正向阻斷能力沒有反向阻斷能力，所以稱為逆導晶閘管。

與普通晶閘管相比，逆導晶閘管具有正向壓降小、關斷時間短、額定結溫高等優點，使用時器件數量減少，大大減小了裝置的體積，減輕了裝置的重量，且配線簡單，價格便宜，廣泛應用于直流供電、調壓、調速等設備中。但由于晶閘管和二極管制作在同一管芯上，使晶閘管和二極管的載流容量的比值固定，限制了它的靈活應用。

逆導晶閘管的額定電流由兩個值決定，一是晶閘管的電流，一般位于分子；另一個是二極管電流，一般列于分母，如300/150A，300/300A等，兩者比值一般為1～3，應根據要求而定。

3.快速晶閘管

在斬波電路和高頻逆變電路等快速應用的場合，往往需要晶閘臂不僅具有良好的靜態特性，還要具有良好的動態特性，如要求晶閘管開通和關斷的時間短等。快速晶閘管包括所有為快速應用而設計的晶閘管，包括常規的快速晶閘管和工作在高頻率（10kHz以上）的高頻晶閘管。

快速晶閘管的結構、符號與普通晶閘管相同，但它采用了特殊的制造工藝，使它的導通時間大大縮短。

從關斷時間比較，一般普通晶閘管為數百微秒，快速晶閘管為數十微秒，而高頻晶閘管為10μs左右。

4.光控晶閘管

光控晶閘管實際上是用光信號代替普通晶閘管的門極觸發信號觸發導通的晶閘管。光控晶閘管的符號及伏安特性如圖1.11所示。它與普通晶閘管一樣有三個PN結，從構造上看，有兩端型和三端型兩種。

兩端型光控晶閘管沒有門極，用光照射時，晶閘管的中間層激發產生出大量的電子、空穴，相當于產生了門極電流，當此電流足夠大時，光控晶閘管就由阻斷轉為導通，光控晶閘此時去掉照射光，光控晶閘管仍能維持導通。要使光控晶閘管關斷只有去掉陽極正向電壓。此種光控晶閘管對紅外線更加敏感，它的開通時間與光的強度有關，一般為幾微秒。響應速度比較快，且由于它的主電路和控制電路在電氣上是完全絕緣的，從而大大簡化了光控電路的結構，廣泛應用在路燈開關、高壓直流輸電線路、自動化生產監控等多種場合。

三端型光控晶閘管接有門極，光控晶閘管的導通既可用光激發控制，也可用門極電流觸發控制。

5.其他特殊晶閘管

隨著電子技術的迅速發展，新型晶閘管得到了不斷的發展和應用，很多特殊晶閘管相繼問世，如溫控晶閘管、場控晶閘管、四極晶閘管等。另外，晶閘管正不斷地向大功率化、快速化、集成化、模塊化（幾個晶閘管安裝在一個外殼中）和廉價可靠等方向發展。這將不斷推動變流技術的發展和應用。