晶闸管的工作原理及特性

晶闸管

晶闸管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-- SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。

一、晶闸管的基本结构

晶闸管是一种四层结构（PNPN）的大功率半导体器件,它同时又被称作可控整流器或可控硅元件。它有三个引出电极，即阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。其符号表示法和器件剖面图如图1所示。

图1 符号表示法和器件剖面图

普通晶闸管是在N型硅片中双向扩散P型杂质（铝或硼），形成P1N1P2结构，然后在P2的大部分区域扩散N型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在P2上引出门极，在P1区域形成欧姆接触作为阳极。

二、晶闸管的工作原理

将内部是四层PNPN结构的晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的等效电路，连接形式如图2所示。

图2 晶闸管的内部结构和工作原理的等效电路

晶闸管的阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极、阴极K相当于NPN型晶体管V2的发射极。当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，晶体管V2处于正向偏置，EG产生的控制极电流IG就是V2的基极电流IB2，V2的集电极电流IC2=β2*IG。而IC2又是晶体管V1的基极电流IB1，V1的集电极电流IC1=β1*Ic2=β

21∗β2*IG（β1和β分别是V1和V2的电流放大系数）。电流IC1又流入V2的基极，再

一次被放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。正反馈过程如下：

IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，此时IB2=IC1+IG，而IC1》IG，即使控制极电流消失IG=0，IB2仍足够大，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的办法有：将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压方向，即在阳极和阴极捡加反向电压。

晶闸管的工作特点就是：晶闸管电路由两部分组成，一是阳一阴极电路，

二是门

—阴极控制电路；阳—阴极之间具有可控的单向导电特性；门极仅起触发导通作用，不能控制关断；晶闸管的导通与关断两个状态相当于开关的作用，这样的开关又称为无触点开关。

晶闸管的基本特性

晶闸管的伏安特性

晶闸管的伏安特性是指晶闸管阳、阴极间电压UA和阳极电流IA之间的关系特性，如图3所示。

图3晶闸管的伏安特性曲线

图中各物理量的含义如下：

UDRM、URRM——正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM——正、反向断态不重复峰值电压；UBO——正向转折电压；URO——反向击穿电压。

晶闸管的伏安特性包括正向特性和反向特性两部分。

⑴正向特性。

晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在门极电流Igl=0情况下，逐渐增大晶闸管的正向阳极电压，这时晶闸管处于断态，只有很小的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，当达到正向转折电压UBO时，漏电流突然剧增，特性从正向阻断状态变为正向导通状态。导通状态时的晶闸管状态和二极管的正向特性相似，即流过较大的阳极电流，而晶闸管本身的压降很小。正常工作时，不允许把正向阳极电压加到转折值UBO，而是从门极输入触发电流Ig，使晶闸管导通。门极电流愈大阳极电压转折点愈低。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。当IA小到等于维持电流IH时，晶闸管由导通变为阻断。维持电流IH是维持晶闸管导通所需的最小电流。

⑵反向特性

晶闸管的反向特性是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安特性。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值时，反向漏电流增加较快。再继续增大反向阳极电压，会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管的损坏。 2晶闸管的开关特性

晶闸管的开关特性曲线如图4所示。晶闸管的开通不是瞬间完成的，开通时阳极与阴极两端的电压有一个下降过程，而阳极电流的上升也需要有一个过程，这个过程可分为三段。第一段延迟时间td，对应阳极电流上升到10%IA所需时间，此时J2结仍为反偏，晶闸管的电流不大。第二段为上升时间tr，对应着阳极电流由10%IA上升到90%IA所需时间，这时靠近门极的局部区域已经导通，相应的J2结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td 与上升时间tr之和，即

ton=td+tr

晶闸管的关断过程也如图4所示。电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止的时间定义为器件的关断时间toff。通常定义器件的关断时间toff等于反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和，即

toff=trr+tgr

图4 晶闸管的开关特性曲线

晶闸管基本参数

1、额定电压UTn

通常取UDRM和URRM

中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定

电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压 UTnminUDRM,URRM

UTn =（2～3）UTM

UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

2、额定电流IT(AV)

IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出，

IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系：

ITn/20(Imsint)d(t)Im/20.5ITM (3-2-1)

2IT(AV)1/2Imsintd(t)Im/0.318ITM (3-2-2) 0

3、 维持电流IH

维持电流是指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。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。

4、 掣住电流IL

晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件 导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（2～4）倍。

5、通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正 弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。

6、门极触发电流Ig 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所用 的门极电流，一般为毫安级。

7、 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致 晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。

8、 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电 流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。

晶闸管

晶闸管又称为晶体闸流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-- SCR），开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型--普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。

一、晶闸管的基本结构

晶闸管是一种四层结构（PNPN）的大功率半导体器件,它同时又被称作可控整流器或可控硅元件。它有三个引出电极，即阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。其符号表示法和器件剖面图如图1所示。

图1 符号表示法和器件剖面图

普通晶闸管是在N型硅片中双向扩散P型杂质（铝或硼），形成P1N1P2结构，然后在P2的大部分区域扩散N型杂质（磷或锑）形成阴极，同时在P2上引出门极，在P1区域形成欧姆接触作为阳极。

二、晶闸管的工作原理

将内部是四层PNPN结构的晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的等效电路，连接形式如图2所示。

图2 晶闸管的内部结构和工作原理的等效电路

晶闸管的阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极、阴极K相当于NPN型晶体管V2的发射极。当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，晶体管V2处于正向偏置，EG产生的控制极电流IG就是V2的基极电流IB2，V2的集电极电流IC2=β2*IG。而IC2又是晶体管V1的基极电流IB1，V1的集电极电流IC1=β1*Ic2=β

21∗β2*IG（β1和β分别是V1和V2的电流放大系数）。电流IC1又流入V2的基极，再

一次被放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。正反馈过程如下：

IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，此时IB2=IC1+IG，而IC1》IG，即使控制极电流消失IG=0，IB2仍足够大，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的办法有：将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压方向，即在阳极和阴极捡加反向电压。

晶闸管的工作特点就是：晶闸管电路由两部分组成，一是阳一阴极电路，

二是门

—阴极控制电路；阳—阴极之间具有可控的单向导电特性；门极仅起触发导通作用，不能控制关断；晶闸管的导通与关断两个状态相当于开关的作用，这样的开关又称为无触点开关。

晶闸管的基本特性

晶闸管的伏安特性

晶闸管的伏安特性是指晶闸管阳、阴极间电压UA和阳极电流IA之间的关系特性，如图3所示。

图3晶闸管的伏安特性曲线

图中各物理量的含义如下：

UDRM、URRM——正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM——正、反向断态不重复峰值电压；UBO——正向转折电压；URO——反向击穿电压。

晶闸管的伏安特性包括正向特性和反向特性两部分。

⑴正向特性。

晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在门极电流Igl=0情况下，逐渐增大晶闸管的正向阳极电压，这时晶闸管处于断态，只有很小的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，当达到正向转折电压UBO时，漏电流突然剧增，特性从正向阻断状态变为正向导通状态。导通状态时的晶闸管状态和二极管的正向特性相似，即流过较大的阳极电流，而晶闸管本身的压降很小。正常工作时，不允许把正向阳极电压加到转折值UBO，而是从门极输入触发电流Ig，使晶闸管导通。门极电流愈大阳极电压转折点愈低。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。当IA小到等于维持电流IH时，晶闸管由导通变为阻断。维持电流IH是维持晶闸管导通所需的最小电流。

⑵反向特性

晶闸管的反向特性是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安特性。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值时，反向漏电流增加较快。再继续增大反向阳极电压，会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管的损坏。 2晶闸管的开关特性

晶闸管的开关特性曲线如图4所示。晶闸管的开通不是瞬间完成的，开通时阳极与阴极两端的电压有一个下降过程，而阳极电流的上升也需要有一个过程，这个过程可分为三段。第一段延迟时间td，对应阳极电流上升到10%IA所需时间，此时J2结仍为反偏，晶闸管的电流不大。第二段为上升时间tr，对应着阳极电流由10%IA上升到90%IA所需时间，这时靠近门极的局部区域已经导通，相应的J2结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td 与上升时间tr之和，即

ton=td+tr

晶闸管的关断过程也如图4所示。电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止的时间定义为器件的关断时间toff。通常定义器件的关断时间toff等于反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和，即

toff=trr+tgr

图4 晶闸管的开关特性曲线

晶闸管基本参数

1、额定电压UTn

通常取UDRM和URRM

中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定

电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，以保证电路的工作安全。

晶闸管的额定电压 UTnminUDRM,URRM

UTn =（2～3）UTM

UTM ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压

2、额定电流IT(AV)

IT(AV) 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40°和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170°的电路中，结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的电流等级即为晶闸管的额定电流。

ITn ：额定电流有效值，根据管子的IT(AV) 换算出，

IT(AV) 、ITM ITn 三者之间的关系：

ITn/20(Imsint)d(t)Im/20.5ITM (3-2-1)

2IT(AV)1/2Imsintd(t)Im/0.318ITM (3-2-2) 0

3、 维持电流IH

维持电流是指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。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。

4、 掣住电流IL

晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号，此时要维持元件 导通所需的最小阳极电流称为掣住电流。一般掣住电流比维持电流大（2～4）倍。

5、通态平均管压降 UT(AV) 。指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正 弦波半个周期内阳极与阴极电压的平均值，一般在0.4～1.2V。

6、门极触发电流Ig 。在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所用 的门极电流，一般为毫安级。

7、 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不会导致 晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。

8、 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电 流上升率。若晶闸管导通时电流上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而损坏晶闸管。