2.2.1 SCR的原理與特性

晶閘管全稱晶體閘流管，曾稱可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）。1957年問世后逐步形成新興的電力電子學科。晶閘管在20世紀六七十年代獲得迅速發展，除器件的性能與電壓、電流容量不斷提高外，還派生出快速晶閘管、可關斷晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管、雙向晶閘管等，形成晶閘管系列。普通晶閘管應用最廣，本書如不特別說明，所述晶閘管即為普通晶閘管。

晶閘管是一種功率四層半導體器件，有三個引出極，陽極（A）、陰極（K）、門極（G），常用的有螺栓式與板式，外形與符號如圖2-4所示。晶閘管是電力電子器件，工作時發熱大，必須安裝散熱器。圖2-4（a）所示為小電流塑封式，電流稍大時也要緊固在散熱板上，圖2-4（b），（c）所示為螺栓式，使用時必須緊固在散熱器上，圖2-4（d）所示為平板式，使用時由兩個彼此絕緣的散熱器把其緊夾在中間。圖2-5所示為晶閘管散熱器，圖2-5（a）所示適用于螺栓式，圖2-5（b），（c）所示適用于平板式，平板式兩面散熱效果好，電流在200A以上的管子都采用平板式結構。

晶閘管內部結構如圖2-6所示，管芯由四層半導體（P1、N1、P2、N2）組成，形成三個PN結（J1、J2、J3）。在管子的陽極與陰極之間加上反向電壓時，J1、J2結處于反向阻斷狀態；當加上正向電壓時J2結處于反向阻斷狀態，管子仍不導通。若此時門極與陰極間加上正向電壓ug使門極G流入一定大小的電流Ig，晶閘管就會像二極管一樣正向導通。由此可見，晶閘管與二極管一樣具有單向導電特性，電流只能從陽極流向陰極。與二極管不同的是，晶閘管具有正向阻斷特性，當加正向電壓時管子還不能導通，必須同時加上門極電壓，有足夠的門極電流流入后才能使晶閘管正向導通。因此，晶閘管具有正向導通的可控特性，這種以電流輸入來控制導通的器件稱為電流控制器件。晶閘管通入門極電流Ig使其導通的過程稱為觸發，管子一旦觸發導通后門極就失去控制作用。這種門極可觸發導通但無法使其關斷的器件稱為半控器件。要使已導通的晶閘管恢復阻斷，可降低陽極電源電壓或增加陽極回路電阻，使流過管子的陽極電流Ia減小，當Ia減至一定值（一般為幾十毫安）時，Ia會突然降為零，之后即使再調高電壓或減小電阻，電流也不會增大，說明管子已恢復正向阻斷。當門極斷開時，能維持管子導通所需的最小陽極電流稱為維持電流IH，因此管子關斷的條件是Ia＜IH。

晶閘管為什么有上述特性？現進一步從內部結構來分析。晶閘管由四層半導體交替疊成，可等效看成由兩個晶體管VT1（P1-N1-P2）與VT2（N1-P2-N2）組成，如圖2-7所示。

當管子陽極加上正向電壓后，要使管子正向導通的關鍵是使J2結反向失去阻擋作用。從圖2-7（d）可見，當Q打開時VT1管的集電極電流Ic1即為VT2管的基極電流Ib2；VT2管集電極電流Ig又是VT1的基極電流Ib1；當Q合上時有足夠的門極電流Ig流入，通過兩管的電流放大立即形成強烈的正反饋，過程為

瞬時使兩管飽和導通，也就是晶閘管導通。

設VT1、VT2管共基接法的電流放大倍數為a1，a2，流過J2結的反向漏電流為Ic0，由圖2-7（b），（d）可見，VT1管流過J2結的電流為a1Ia，VT2管流過J2結的電流為a2Ik，流過J2結總電流為

當門極流入電流Ig時，陰極電流為

將式（2-3）代入式（2-4）得

由晶體管知識可知，共基電流放大倍數a隨發射極電流增大而逐漸增大，當Ig增大到一定值使兩管發射極電流也相應增大，致使（a1+a2）增大到接近1時，式（2-4）中管子陽極電流Ia將急劇增大變為不可控，此時Ia值由電源電壓值Ea與負載電阻Rd來決定，晶閘管正向導通壓降約為1.5V。由于正反饋的作用，導通的管子即使門極電流降為零或負值，也不能使管子關斷，只有設法使管子的陽極電流Ia減小到維持電流IH以下，此時a1和a2也相應減小，導致內部正反饋無法維持時晶閘管才恢復阻斷。