1.2 半控型器件——晶闸管

晶闸管（Thyristor）是硅晶体闸流管的简称，又称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，从而开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，虽然20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，但其能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，因此在大容量的场合仍具有重要地位，目前仍是使用量最多、应用最广泛的电力器件。

1.2.1 晶闸管的结构

晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，其外形有螺栓型和平板型两种封装。引出阳极A、阴极K和门极G（控制端）三个连接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密连接且安装方便；平板型封装的晶闸管由两个散热器将其夹在中间。

图1-1-7为晶闸管的外形、电气图形符号和模块外形。

1.2.2 晶闸管的结构与工作原理

晶闸管是一个四层（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G）的功率半导体器件，其内部结构与等效复合三极管效应，如图1-1-8所示。

可以看出，两个晶体管连接的特点是，一个晶体管的集电极电流就是另一个晶体管的基极电流，当有足够的门极电流IG流入时，两个相互复合的晶体管电路就会形成强烈的正反馈，导致两个晶体管饱和导通，即晶闸管的导通。

如果晶闸管承受的是反向阳极电压，由于等效晶体管VT1、VT2均处于反压状态，即使有无门极电流IG，晶闸管都不能导通。

因此，得出以下结论。

（1）当晶闸管A-K承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

（2）当晶体闸管A-K承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，只要是一个具有一定宽度的正向脉冲电压即可，脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。这个脉冲常称为触发脉冲。

（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

（4）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。这可以通过增大负载电阻，降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。这个能保持晶闸管导通的最小电流称为维持电流，是晶闸管的一个重要参数。

其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。在这些情况中，除了光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，对于其他情况，在晶闸管的应用中都要采取预防措施，以免出现晶闸管误导通的状况。

因此只有晶闸管门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。

1.2.3 晶闸管的基本特性

1.静态特性

静态特性又称为伏安特性，是指器件端电压与电流的关系。图1-1-9为晶闸管的伏安特性。

1）第Ⅰ象限的是正向特性

当IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。

2）第Ⅲ象限的是反向特性

在晶闸管上施加反向电压时，其反向特性类似二极管的反向特性。在反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。

2.动态特性

晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。晶闸管的动态过程及相应的损耗，如图1-1-10所示。

1）开通过程

晶闸管由截止转为导通的过程称为开通过程。

（1）延迟时间td：从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。

（2）上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。

（3）开通时间tgt：以上两者之和，即tgt=td+tr。

延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。

普通晶闸管延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。

2）关断过程

通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。

（1）反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。

（2）正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要的一段时间。

在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。

在实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。

关断时间tq为trr与tgr之和，即tq=trr+tgr。普通晶闸管的关断时间约为几百微秒。

1.2.4 晶闸管的主要参数

要正确使用一个晶闸管，除了了解晶闸管的静态、动态特性外，还必须定量地掌握晶闸管的一些主要参数。

1.电压参数

1）断态重复峰值电压UDRM

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

2）反向重复峰值电压URRM

在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

3）通态平均电压UT（AV）

通态平均电压是指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，在额定结温、额定平均电流下，晶闸管阳极与阴极间电压的平均值，又称为管压降。在晶闸管型号中，常按通态平均电压的数值进行分组，以大写英文字母A～I表示。通态平均电压影响元件的损耗与发热，应该选用管压降小的元件来使用。

4）晶闸管的额定电压UR

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值，并整化至等于或小于该值的规定电压等级来作为该器件的额定电压。额定电压在1000V以下是每100V一个电压等级，1000～3000V则是每200V一个电压等级。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍。

2.电流参数

1）通态平均电流IT（AV）（额定电流）

晶闸管在环境温度为40℃和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。由于晶闸管的过载能力小，为保证安全可靠工作，所选用晶闸管的额定电流IT（AV）应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.5～2倍。按晶闸管额定电流的定义，一个额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。晶闸管额定电流的选择可按下式计算：

式中IT——电流有效值。

2）维持电流IH

维持电流是使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小，晶闸管越难关断。

3）擎住电流IL

擎住电流是指晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。

对同一晶闸管来说，通常IL为IH的2～4倍。

4）浪涌电流ITSM

浪涌电流是指电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

3.动态参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有以下两种。

1）断态电压临界上升率du/dt

断态电压临界上升率是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压的最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

2）通态电流临界上升率di/dt

通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。

4.晶闸管的型号

普通型晶闸管型号可表示如下：

KP[电流等级]—[电压等级/100][通态平均电压组别]

表1-1-1为螺栓型晶闸管产品参数，其中UGT为门极触发电压，IGT为门极触发电流，UTM为通态峰值电压，TJM为允许最高结温。

1.2.5 晶闸管的派生器件

1.快速晶闸管（Fast Switching Thyristor，FST）

快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管，其管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间及du/dt和di/dt的承受值都有明显改善。

普通晶闸管关断时间为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管为10μs左右。

高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高，由于工作频率较高，因此选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。

2.双向晶闸管（Triode AC Switch，TRIAC 或Bidirectional Triode Thyristor）

双向晶闸管可认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成，有两个主电极T1和T2，一个门极G。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。其与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State Relay，SSR）和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。

双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性如图1-1-11所示。

3.逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor，RCT）

逆导晶闸管是将晶闸管与反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。

逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。

逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性如图1-1-12所示。

4.光控晶闸管（Light Triggered Thyristor，LTT）

光控晶闸管又称为光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子；大功率光控晶闸管还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。

由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此，目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。

光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性，如图1-1-13所示。