晶閘管的工作原理及特性

1、晶閘管晶閘管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（Silicon Controlled Rectifier-SCR），開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代；20世紀80年代以 來，開始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可 靠，以被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域，成為功率低 頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型- 普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。一、晶閘管的基本結構晶閘管是一種四層結構（PNPN）的大功率半導體器件,它同時又被稱作可控 整流器或可控硅元件。它有三個引出電極，即陽極（A）、陰

2、極（K）和門極（G）。 其符號表示法和器件剖面圖如圖1所示。陽*圖1符號表示法和器件剖面圖普通晶閘管是在N型硅片中雙向擴散P型雜質（鋁或硼），形成P1 N 1 p結構， 然后在P2的大部分區(qū)域擴散N型雜質（磷或銻）形成陰極，同時在p上引出門 極，在P區(qū)域形成歐姆接觸作為陽極。1二、晶閘管的工作原理將內部是四層PNPN結構的晶閘管看成是由一個PNP型和一個NPN型晶體管連 接而成的等效電路，連接形式如圖2所示。圖2晶閘管的內部結構和工作原理的等效電路晶閘管的陽極A相當于PNP型晶體管V1的發(fā)射極、陰極K相當于NPN型晶體管 V2的發(fā)射極。當晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時，晶體管V2

3、處 于正向偏置，Eg產(chǎn)生的控制極電流IG就是V2的基極電流扇，V2的集電極電流I =B *1。而I 又是晶體管V1的基極電流I , V1的集電極電流I =B *I =B * 廠 C1旦廠。 JIIJ 旦廠 C口口 I 丁 4 V 工H J十-IZA-L_1 171U -1 T? 4 ，vxL_1 IZA-L_1 】刀11 旦廠1旦c1CZ 2 G C2B1C1 1 CZ 1B2*Ig（Bj和七分別是V1和V2的電流放大系數(shù)）。電流IC1又流入V2的基極，再 一次被放大。這樣循環(huán)下去，形成了強烈的正反饋，使兩個晶體管很快達到飽和導 通，這就是晶閘管的導通過程。導通后，晶閘管上的壓降很小，電源電壓

4、幾乎全部 加在負載上，晶閘管中流過的電流即負載電流。正反饋過程如下：I G 1 一【B2 1 一【C2 （【B1）1 一【C1 1 一【B2 1在晶閘管導通之后，它的導通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋作用來維持，此時I =卜叫，而IL，即使控制極電流消失I二0,扁仍足夠大，晶閘管仍將處于導 B2 C1 G C1 GG B2通狀態(tài)。因此，控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管使其導通，導通之后，控制極就失去 了控制作用。要想關斷晶閘管，最根本的方法就是必須將陽極電流減小到使之不能 維持正反饋的程度，也就是將晶閘管的陽極電流減小到小于維持電流?？刹捎玫霓k 法有：將陽極電源斷開；改變晶閘管的陽極電壓方向，即在陽極

5、和陰極撿加反向電 壓。晶閘管的工作特點就是：晶閘管電路由兩部分組成，一是陽一陰極電路，二是門 一陰極控制電路；陽一陰極之間具有可控的單向導電特性；門極僅起觸發(fā)導通作用， 不能控制關斷；晶閘管的導通與關斷兩個狀態(tài)相當于開關的作用，這樣的開關又稱 為無觸點開關。晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性是指晶閘管陽、陰極間電壓UA和陽極電流IA之間的關系特性， 如圖3所示。圖3晶閘管的伏安特性曲線圖中各物理量的含義如下：Udrm、Urrm正、反向斷態(tài)重復峰值電壓；sm、Ursm正、反向斷 態(tài)不重復峰值電壓；UBO正向轉折電壓；URO反向擊穿電壓。 晶閘管的伏安特性包括正向特性和反向特性兩部分

6、。正向特性。晶閘管的正向特性又有阻斷狀態(tài)和導通狀態(tài)之分。在門極電流Igl=0情況下，逐 漸增大晶閘管的正向陽極電壓，這時晶閘管處于斷態(tài)，只有很小的正向漏電流； 隨著正向陽極電壓的增加，當達到正向轉折電壓ubo時，漏電流突然劇增，特性 從正向阻斷狀態(tài)變?yōu)檎驅顟B(tài)。導通狀態(tài)時的晶閘管狀態(tài)和二極管的正向特 性相似，即流過較大的陽極電流，而晶閘管本身的壓降很小。正常工作時，不允 許把正向陽極電壓加到轉折值UBO，而是從門極輸入觸發(fā)電流Ig，使晶閘管導通。 門極電流愈大陽極電壓轉折點愈低。晶閘管正向導通后，要使晶閘管恢復阻斷， 只有逐步減少陽極電流。當IA小到等于維持電流上時，晶閘管由導通變?yōu)樽钄唷?/p>

7、 維持電流上是維持晶閘管導通所需的最小電流。反向特性晶閘管的反向特性是指晶閘管的反向陽極電壓與陽極漏電流的伏安特性。晶閘管 的反向特性與一般二極管的反向特性相似。當晶閘管承受反向陽極電壓時，晶閘 管總是處于阻斷狀態(tài)。當反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向漏電流增加較快。再繼續(xù)增大反向陽極電壓，會導致晶閘管反向擊穿，造成晶閘管的損壞。2晶閘管的開關特性晶閘管的開關特性曲線如圖4所示。晶閘管的開通不是瞬間完成的，開通時陽極 與陰極兩端的電壓有一個下降過程，而陽極電流的上升也需要有一個過程，這個過程可分為三段。第一段延遲時間td，對應陽極電流上升到10%IA所需時間，此時J2結仍為反偏，晶閘管的電流不大。

8、第二段為上升時間tr，對應著陽極電流 由10%IA上升到90%Ia所需時間，這時靠近門極的局部區(qū)域已經(jīng)導通，相應的J2結已由反偏轉為正偏，電流迅速增加。通常定義器件的開通時間ton為延遲時間td與上升時間tr之和，即ton = td + tr晶閘管的關斷過程也如圖4所示。電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新施加正向電壓為止的時間定義為器件的關斷時間toff。通常定義器件的關斷時 間toff等于反向阻斷恢復時間trr與正向阻斷恢復時間tgr之和，即toff = trr + tgr圖4晶閘管的開關特性曲線晶閘管基本參數(shù)1、額定電壓UTn通常取U州和URRM中較小的，再取靠近標準的電壓等級作為

9、晶閘管型的額定 電壓。在選用管子時，額定電壓應為正常工作峰值電壓拘3倍，以保證電路 的工作安全。晶閘管的額定電壓Ut =n Udrm ,Urrm =(23)、utm:工作電路中加在管子上的最大瞬時電壓2、額定電流IT(AV)It(av)又稱為額定通態(tài)平均電流。其定義是在室溫40和規(guī)定的冷卻條件下， 元件在電阻性負載流過正弦半波、導通角不小于170的電路中，結溫不超過額 定結溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流值。將此電流按晶閘管標準電流取相近的 電流等級即為晶閘管的額定電流。ITn :額定電流有效值，根據(jù)管子的孔的換算出，It(av)、Itm ITn三者之間的關系：1I =J1/2兀尸(Im sin

10、 st)2 d(st) = Im/2 = 0.51觥(3-2-1)1丁(郡)=1/2 引兀 Im sin std (st) = Im/ 兀=0.318I湖(3-2-2)3、維持電流IH維持電流是指晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 維持電流與結溫有關，結溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關斷。4、掣住電流IL晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉變?yōu)閷顟B(tài)并撤除門極觸發(fā)信號，此時要維持元件 導通所需的最小陽極電流稱為掣住電流。一般掣住電流比維持電流大(24)倍。5、通態(tài)平均管壓降U.。指在規(guī)定的工作溫度條件下，使晶閘管導通的正 弦波半個周期內陽極與陰極電壓的平均值，一般在0.41.2V。6、門極觸發(fā)電流Ig。在常溫下，陽極電壓為6V時，使晶閘管能完全導通所用 的門極電流，一般為毫安級。7、斷態(tài)電壓臨界上升率