晶閘管(SCR)原理

　　晶閘管(thyristor)是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，俗稱(chēng)可控硅（SCR），其正式名稱(chēng)應是反向阻斷三端晶閘管。除此之外，在普通晶閘管的基礎上還派生出許多新型器件，它們是工作頻率較高的快速晶閘管(fast switching thyristor，FST)、反向導通的逆導晶閘管(reverse conducting thyristor，RCT)、兩個(gè)方向都具有開(kāi)關(guān)特性的雙向晶閘管(TRIAC)、門(mén)極可以自行關(guān)斷的門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（gate turn off thyristor，GTO）、門(mén)極輔助關(guān)斷晶閘管(gate assisted turn off thytistor，GATO)及用光信號觸發(fā)導通的光控晶閘管(light controlled thyristor，LTT)等。

一、結構與工作原理

　　晶閘管是三端四層半導體開(kāi)關(guān)器件，共有3個(gè)PN結，J₁、J₂、J₃，如圖1(a)所示。其電路符號為圖1(b)，A(anode)為陽(yáng)極，K(cathode)為陰極，G(gate)為門(mén)極或控制極。若把晶閘管看成由兩個(gè)三極管T₁(P₁N₁P₂)和T₂(N₁P₂N₂)構成，如圖1(c)所示，則其等值電路可表示成圖1(d)中虛線(xiàn)框內的兩個(gè)三極管T₁和T₂。對三極管T₁來(lái)說(shuō)，P₁N₁為發(fā)射結J₁，N₁P₂為集電結J₂；對于三極管T₂，P₂N₂為發(fā)射結J₃，N₁P₂仍為集電結J₂；因此J₂（N₁P₂）為公共的集電結。當A、K兩端加正電壓時(shí)，J₁、J₃結為正偏置，中間結J₂為反偏置。當A、K兩端加反電壓時(shí)，J₁、J₃結為反偏置，中間結J₂為正偏置。晶閘管未導通時(shí)，加正壓時(shí)的外加電壓由反偏值的J₂結承擔，而加反壓時(shí)的外加電壓則由J₁、J₃結承擔。

　　如果晶閘管接入圖1(d)所示外電路，外電源U_S正端經(jīng)負載電阻R引至晶閘管陽(yáng)極A，電源U_S的負端接晶閘管陰極K，一個(gè)正值觸發(fā)控制電壓U_G經(jīng)電阻R_G后接至晶閘管的門(mén)極G，如果T₁（P₁N₁P₂）的共基極電流放大系數為α1，T₂（N₁P₂N₂）的共基極電流放大系數為α2，那么對T₁而言，T₁的發(fā)射極電流I_A的一部分α1I_A將穿過(guò)集電結J₂，此外，J₂受反偏電壓作用，要流過(guò)共基極漏電流i _CBO1，因此圖1(d)中的I_C1可表示為

　　I_C1=α1I_A+i _CBO1。   （1）

　　同理對T₂而言，T₂的發(fā)射極電流I_C的一部分α2I_C將穿過(guò)集電結J₂，此外，J₂受反偏置電壓作用，要流過(guò)共基極漏電流i _CBO2，因此，圖1(d)中的I _C2可表示為

　　I_C2=α2I_C+i _CBO2。    （2）

　　由圖1(d)中可以看出

　　I_A=I_C1+I_C2=α1I_A+α2I_C+ i _CBO1+ i _CBO2=α1I_A+α2I_C+I_O，  （3）

　　式中，I_O= i _CBO1+ i _CBO2為J₂結的反向飽和電流之和，或稱(chēng)為漏電流。

　　再從整個(gè)晶閘管外部電路來(lái)看，應有

　　I_A+I_G=I_C。           （4）

　　由式（3）和式（4），可得到陽(yáng)極電流為

　　I_A=（I_O+α2I_G）/［1-（α1+α2）］        （5）

　　晶閘管外加正向電壓U_AK；但門(mén)極斷開(kāi)，I_G=0時(shí)，中間結J₂承受反偏電壓，阻斷陽(yáng)極電流，這時(shí)I_A=I_C很小，由式（5）得

　　I_A=I_C=I_O/［1-（α1+α2）］≈0             （6）{{分頁(yè)}}

　　在I_A、I_C很小時(shí)晶閘管中共基極電流放大系數α1、α2也很小，α1、α2都隨電流I_A、I_C的增大而增大。如果門(mén)極電流I_G=0，在正常情況下，由于I_O很小，I_A=I_C僅為很小的漏電流，α1+α2不大，這時(shí)的晶閘管處于阻斷狀態(tài)。一旦引入了門(mén)極電流I_G，將使I_A增大，I_C增大，這將使共基極電流放在系數α1、α2變大，α1、α2變大后，I_A、I_C進(jìn)一步變大，又使α1、α2變得更大。在這種正反饋作用下使用α1+α2接近于1，晶閘管立即從斷態(tài)轉為通態(tài)。內部的兩個(gè)等效三極管都進(jìn)入飽和導電狀態(tài)，晶閘管的等效電阻變得很小，其通態(tài)壓降僅為1~2V，這時(shí)的電流I_A≈I_C；則由外電路電源電壓U_S和負載電阻R限定，即I_A≈I_C≈U_S/R。一旦晶閘管從斷態(tài)轉為通態(tài)后，因I_A、I_C已經(jīng)很大，即使撤除門(mén)極電流I_G，由于α1+α2≈1，由式（5）可知I_A=I_C仍然會(huì )很大，晶閘管仍然繼續處于通態(tài)，并保持由外部電路所決定的陽(yáng)極電流I_A=I_C=U_S/R。

二、晶閘管的基本特性

　　晶閘管陽(yáng)極與陰極間的電壓和陽(yáng)極電流的關(guān)第，稱(chēng)晶閘管的伏安特性。晶閘管的伏安特性位于第一象限的是正向伏安特性，位于第三象限的是反向伏安特性（如圖2所示）。其主要特性表現如下。

　?。?） 在正向偏置下，開(kāi)始器件處于正向阻斷狀態(tài)，當U_AK=U_A時(shí)，發(fā)生轉折，經(jīng)過(guò)負阻區由阻斷狀態(tài)進(jìn)入導通狀態(tài)（OA—正向阻斷狀態(tài)，AB—轉折態(tài)，BL—負阻態(tài)，LD—導通狀態(tài)，A—轉折點(diǎn)，U_A—轉折電壓）。從圖2中可以看到，這種狀態(tài)的轉換，可以由電壓引起，也可以由門(mén)極電流引起（門(mén)極觸發(fā)導通）。

　?。?） 當I_G2>I_G1>I_G時(shí)，U_A2< SPAN>_A1< SPAN>_A，且一旦觸發(fā)導通后，即使去掉門(mén)極信號，器件仍能維持導通狀態(tài)不變。這是二極管、三極管所沒(méi)有，晶閘管所特有的性質(zhì)，稱(chēng)為自鎖或擎住特性（L—擎住點(diǎn)，I_L—擎住電流）?？梢?jiàn)，晶閘管一旦導通，門(mén)極就失去控制作用。因此，觸發(fā)電流常采用脈沖電流，而無(wú)需采用直流電流。

　　（3） 導通之后，只要流過(guò)器件的電流逐漸減小到某值，器件又可恢復到阻斷狀態(tài)（H—關(guān)斷點(diǎn)、I_H—維持電流）。這種關(guān)斷方式稱(chēng)為自然關(guān)斷，例如，可采用加反偏電壓的方法進(jìn)行強迫關(guān)斷。

　　（4） 在反向偏置下，其伏安特性和整流管的完全相同（OP—反向阻斷狀態(tài)，PR—反向擊穿狀態(tài)，P—擊穿點(diǎn)，U_B—擊穿電壓）。

三、晶閘管的主要特性參數

1、  晶閘管的電壓定額

　　（1） 額定電壓U_R。在門(mén)極開(kāi)路（I_G=0），器件額定結溫度時(shí)，圖2中正向和反向折轉電壓的80%值規定為斷態(tài)正向重復峰值電壓U_DRM和斷態(tài)反向重復峰值電壓U_RRM這兩個(gè)電壓中較小的一個(gè)電壓值規定為該晶閘管的額定電壓U_R。

     由于在電路中可能偶然出現較大的瞬時(shí)過(guò)電壓而損壞晶閘管，在實(shí)際電力電子變換和控制電路設計和應用中，通常按照電路中晶閘管正常工作峰值電壓的2~3倍的電壓值選定為晶閘管的額定電壓，以確保足夠的安全電量。

　　（2）通態(tài)峰值電壓U_TM。規定為額定電流時(shí)的管壓降峰值， 一般為1.5~2.5V，且隨陽(yáng)極電流的增大而略微增加。額定電流時(shí)的通態(tài)平均電壓降一般為1V左右。

2、晶閘管的電流定額

　　（1）晶閘管的額定電流I_R。在環(huán)境溫度為40℃和規定的散熱冷卻條件下，晶閘管在電阻性負載的單相，工頻正弦半波導電，結溫穩定在額定值125℃時(shí)，所對應的通態(tài)平均電流值定義為晶閘管的額定電流I_R。晶閘管的額定電流也是基于功耗發(fā)熱而導致結溫不超過(guò)允許值而限定的。如果正弦電流的峰值為I _m，則正弦半波電流的平均值為

　　已知正弦半波的有效值（均方根值）為

　　由式（1）和式（2）得到有效值為

　　即產(chǎn)品手冊中的額定電流為I_R=I_AV=100A的晶閘管可以通過(guò)任意波形、有效值為157A的電流，其發(fā)熱溫升正好是允許值。在實(shí)際應用中由于電路波形可能既非直流（直流電的平均值與有效值相等），又非半波正弦；因此應按照實(shí)際電流波形計算其有效值，再將此有效值除以1.57作為選擇晶閘管額定電流的依據。當然，由于晶閘管等電力電子半導體開(kāi)關(guān)器件熱容量很小，實(shí)際電路中的過(guò)電流又不可能避免，故在設計應用中通常留有1.5~2.0倍的電流安全裕量。{{分頁(yè)}}

　　（2）浪涌電流I_TSM。系指晶閘管在規定的極短時(shí)間內所允許通過(guò)的沖擊性電流值，通常I_TSM比額定電流I_R大4л倍。例如，100A的元件，其值為(1.3~1.9)kA；1000A元件，其值為(13~19)kA。

　　（3）維持電流I_H。使晶閘管維持導通所必須的最小陽(yáng)極電流。當通過(guò)晶閘管的實(shí)際電流小于維持電流I_H值時(shí)，晶閘管轉為斷態(tài)，大于此值時(shí)晶閘管還能維持其原有的通態(tài)。

　　（4）擎住電流I_L。晶閘管在觸發(fā)電流作用下被觸發(fā)導通后，只要管子中的電流達到某一臨界值時(shí)，就可以把觸發(fā)電流撤除，這時(shí)晶閘管仍然自動(dòng)維持通態(tài)，這個(gè)臨界電流值稱(chēng)為擎住電流I_L。擎住電流I_L和維持電流I_H都隨結溫的下降而增大。但是請注意，擎住電流和維持電流在概念上是不同的。通常擎住電流I_L要比維持電流I_H大2~4倍。

3、動(dòng)態(tài)參數

　　（1）開(kāi)通時(shí)間t_on和關(guān)斷時(shí)間t_off。承受正向電壓作用但處于斷態(tài)作用的晶閘管，當門(mén)極觸發(fā)電流來(lái)到時(shí)，由于載流子渡越到基區P₂需要一定時(shí)間，陽(yáng)極電流I_A要延遲t_d才開(kāi)始上升，爾后再經(jīng)過(guò)一個(gè)t_r(使基區載流子濃度足夠)，I_A才達到由外電路所決定的陽(yáng)極電流穩定值。晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)的開(kāi)通時(shí)間t_on定義為t_on=t_d +t _r，其中，t_d為延遲時(shí)間，t_r為上升時(shí)間。

    當已處于通態(tài)的晶閘管從外電路施加反向電壓于晶閘管A—K兩端，并迫使它的陽(yáng)極電流I_A從穩態(tài)值開(kāi)始下降為0后，晶閘管中的各層區的載流子必須經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能消失，恢復其正向阻斷能力。晶閘管的關(guān)斷時(shí)間t_off定義為從陽(yáng)極電流下降到0開(kāi)始，到晶閘管恢復了阻斷正向電壓的能力，并能承擔規定的du/dt而不誤導通所必須的時(shí)間。

    晶閘管的關(guān)斷時(shí)間與元件的結溫、關(guān)斷前的陽(yáng)極電流大小及所加的反向陽(yáng)極電壓有關(guān)。普通晶閘管的t_off約為幾十微秒左右。為縮短關(guān)斷時(shí)間應適當加大反壓，并保持一段反壓作用時(shí)間，以使載流子充分復合而消失?？焖倬чl管的t_off可減小到10~20μs以下，可用于高頻開(kāi)關(guān)電路的高頻晶閘管，其關(guān)斷時(shí)間更短（小于10μs）。

　　（2）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在規定條件下，不會(huì )導致從斷態(tài)到通態(tài)轉換的最大陽(yáng)極電壓上升率。其數值對于不同等級（共7級）的晶閘管是不同的，最差的A級器件為25V/μs，最好的G級晶閘管高達1000V/μs，一般的是（100~200）V/μs。

    晶閘管陽(yáng)極電壓低于轉折電壓U_A時(shí)，在過(guò)大的du/dt下也會(huì )引起誤導通。因為在阻斷狀態(tài)下的晶閘管上突然加以正向陽(yáng)極電壓，在其內部相當于一個(gè)電容的J₂結上，就會(huì )有充電電流流過(guò)界面，這個(gè)電流流經(jīng)J₃結時(shí)，起到了類(lèi)似于觸發(fā)電流的作用；因此過(guò)大的充電電流就會(huì )引起晶閘管的誤觸發(fā)導通。

    為了限制斷態(tài)電壓上升率，可以在晶閘管陽(yáng)極與陰極間并上一個(gè)R—C阻容緩沖支路，利用電容兩端電壓不能突變的特點(diǎn)來(lái)限制晶閘管A、K兩端電壓上升率。電阻R的作用是防止并聯(lián)電容與陽(yáng)極主回路電感產(chǎn)生串聯(lián)諧振。此外，晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)時(shí)，電阻R又可限制電容C的放電電流。

　　（3）通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規定的條件下，為晶閘管能夠承受而不致?lián)p害的通態(tài)電流的最大上升率。目前最差的A級晶閘管為25A/μs，最好的G級晶閘管為500A/μs，一般的是（100~200）A/μs。

    過(guò)大的di/dt可使晶閘管內部局部過(guò)熱而損壞，因為當門(mén)極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開(kāi)始只在靠近門(mén)極附近的小區域內導通，然后導通區才逐漸擴大，直至全部結面都導通。如果電流上升太快，很大的電流將在門(mén)極附近的小區域內通過(guò)，造成局部過(guò)熱而燒壞。{{分頁(yè)}}

四、晶閘管家族的其他主要電力電子器件

1、快速晶閘管（FST）

快速晶閘管通常是指那些關(guān)斷時(shí)間t_off≤50μs、速度響應特性?xún)?yōu)良的晶閘管。它的基本結構和特性與普通晶閘管完全一樣；但是由于快速晶閘管的工作頻率（f≥400Hz）比普通晶閘管的工作頻率高，所以?xún)H要求其關(guān)斷時(shí)間短是不全面的。因此，在關(guān)斷時(shí)間的基礎上，還要求快速晶閘管的通態(tài)壓降低、開(kāi)關(guān)損耗小、通態(tài)電流臨界上升率di /dt及斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt高。只有這樣，它才能在較高的工作頻率下安全可靠地工作。這種快速晶閘管主要應用于直流電源供電的逆變器的斬波器，在這種電路中，它的關(guān)斷時(shí)間通常只有（20~50）μs，比普通晶閘管快一個(gè)數量級。

2、  逆導型晶閘管（RCT）

　　普通晶閘管表現為正向可控閘流特性，反向高阻特性，稱(chēng)為逆阻型器件。

　　逆導晶閘管是一個(gè)反向導通的晶閘管，是將一個(gè)晶閘管與一個(gè)續流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上構成的新器件，如圖3（a）所示。

　　逆導晶閘管的工作原理與普通晶閘管相同，其伏安特性如圖3（b）所示。正向表現為晶閘管正向伏安特性，反向表現為二極管特性。

    與普通晶閘管相比，逆導晶閘管有如下特點(diǎn)：正向轉折電壓比普通晶閘管高，電流容量大，易于提高開(kāi)關(guān)速度，高溫特性好（允許結溫可達150℃以上），減小了接線(xiàn)電感，縮小了裝置體積。

3、  雙向晶閘管（TRIAC）

　　圖4所示雙向晶閘管TRIAC也是一個(gè)三端器件，它有兩個(gè)主電極T₁、T₂和一個(gè)門(mén)極G，觸發(fā)信號加在T₂極和門(mén)極G之間，它在正反兩個(gè)方向電壓下均可用同一門(mén)極控制觸發(fā)導通。雙向晶閘管在結構上可以看做是一對普通逆阻型晶閘管的反并聯(lián)。其符號、等效電路和陽(yáng)極伏安特性如圖4所示。其特性也反映了反并聯(lián)晶閘管的組合效果，即在第一和第三象限具有對稱(chēng)的陽(yáng)極伏安特性。這個(gè)特征與圖1所示逆阻型晶閘管正向導通特性是相同的。對雙向晶閘管在門(mén)極G和主電極T₂之間送入正觸發(fā)脈沖電流（I_G從G流入，從T₂流出）或負脈沖電流（I_G從T₂流入，從G流出）均能使雙向晶閘管導通。根據T₁、T2間電壓極性的不同及門(mén)極信號極性的不同，雙向晶閘管有4種觸發(fā)和開(kāi)通方式：{{分頁(yè)}}

　　（1） 主電極T₁相對T₂電位為正的情況下，門(mén)極G和T₂之間加正觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導通工作在第一象限，稱(chēng)為I+觸發(fā)方式。

　　（2） 主電極T₁相對T₂電位為正的情況下，門(mén)極G和T₂之間加負觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導通也工作在第一象限，稱(chēng)為I-觸發(fā)方式。

　　（3） 主電極T₂相對T₁電位為正的情況下，門(mén)極G和T₂之間加正觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導通工作在第三象限，稱(chēng)為Ⅲ+觸發(fā)方式。

　　（4） 主電極T₂相對T₁電位為正的情況下，門(mén)極G和T₂之間加負觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導通也工作在第三象限，稱(chēng)為Ⅲ-觸發(fā)方式。

　　I-、Ⅲ-兩種觸發(fā)方式靈敏度很高，在實(shí)用中常被采用，如圖2（c）所示。雙向晶閘管多在交流電路中采用，正、負半波都工作；因此要特別注意如下兩個(gè)參數的意義。

　　（1）額定電流或額定通態(tài)電流：雙向晶閘管的額定電流不像二極管和晶閘管那樣按正弦半波電流平均值定義，而是用有效值來(lái)定義，即額定值為100A的雙向晶閘管只能通過(guò)100A的有效值電流。而額定電流為100A的二極管、逆阻晶閘管則可通過(guò)157A的有效值電流。由額定電流的定義可知：在交流電流中一只有效值為I_T的雙向晶閘管能承載全波負載電流有效值為I_T，半波負載電流為  ；若用晶閘管，其額定電流應為 。因此，電流為I_T的雙向晶閘管可代替兩只并聯(lián)的電流額定值為0.45I_T的逆阻型晶閘管。

　　（2）如果負載電流是電感性滯后的，雙向晶閘管在正向電流下降為0時(shí)電源電壓早已反向，故相當于在電流剛剛降為0的晶閘管兩端瞬時(shí)施加一階躍反壓。雙向晶閘管在某個(gè)方向導通時(shí)管芯內各半導體層中分布一定的載流子電荷。電流下降為0時(shí)，內部載流子不可能瞬間消失；因此它必須在電流為0瞬間具有承受一定的du/dt反方向電壓的能力。否則在反向觸發(fā)脈沖還未到來(lái)時(shí)它可能在反方向電壓作用下導通，而失去門(mén)極控制其導通的作用。如果其抗du/dt能力低，則應在元件T₁、T₂兩端之間并聯(lián)RC阻容吸收回路以限制過(guò)大的du/dt。必須指出，雙向晶閘管抗du/dt的能力與導通時(shí)電流下降的di/dt有關(guān)。di/dt小，其能夠承受du/dt值要大些。請特別留意這里所指的du/dt是雙向晶閘管在工作中改變電流方向，即通常所說(shuō)的換流時(shí)抗du/dt的能力，其值小于晶閘管已處于完全靜態(tài)截止情況下所能承受的du/dt值。雙向晶閘管是一種交流雙向導電開(kāi)關(guān)，它主要應用于交流電壓斬波式電壓調節控制（或交流電流調動(dòng)器）和用做固態(tài)交流雙向開(kāi)關(guān)。

4、光控晶閘管（LCT）

　　光控晶閘管是一種光觸發(fā)導通的晶閘管，其工作原理類(lèi)似于光電二極管。光控晶閘管的符號及其等值電路如圖5所示。在陽(yáng)極在正向外加電壓時(shí)，J₂結被反向偏置，在光照在偏的J₂結上時(shí)J₂結的漏電流增大，在晶閘管內正反饋作用下促使晶閘管由斷態(tài)轉為通態(tài)。

　　由于使用光導通信息信號，晶閘管主電路和控制電路可以完全與電絕緣；為此絕緣性和抗噪聲性?xún)?yōu)越。由于這個(gè)特性，它具有在超高壓直流輸電等方面用途。