半控型电力电子器件-晶闸管

半控型电力电子器件—晶闸管

晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）。

1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管； 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品；

1958年商业化,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，在大容量的场合具有重要地位。 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。 外形有螺栓型和平板型两种封装：

引出阳极(Anode)A、阴极(Kathode)K和门极(Gate)（控制端）G三个联接端。

对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器(Radiator)紧密联接且安装方便；

平板型封装的晶闸管可由两个散热器(Radiator)将其夹在中间。

A

K

P1

G

A

AG

a)

N1

P2N2b)

c)K

GK

J1J2J3

G

A

图1 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号

3.2 晶闸管的结构与工作原理

晶闸管可用如图2所示的等效电路来表示。

IC1=α1IA+ICBO1 （1） IC2=α2IK+ICBO2 （2） IK=IA+IG （3）

IA=IC1+IC2 （4）

式中a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）～（1-4）可得

IA=

α2IG+ICBO1+ICBO2

（5）

1-(α1+α2)

A

P1

NG

P2N2Ka)

N12

A

b)

图2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

a) 双晶体管模型 b) 等效电路晶体管的特性是：在低发射极电流下a 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a 迅速增大。

阻断状态：IG=0，a1+a2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和；

开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。

IA实际由外电路决定。 其他几种可能导通的情况：

1） 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应； 2） 阳极电压上升率du/dt过高； 3） 结温较高；

4） 光直接照射硅片，即光触发，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，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段

3.3 晶闸管的基本特性3.3.1 静态特性

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； 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； 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；

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。

晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳极电压之间的关系曲线，如图3所示。其中：第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性

图3 晶闸管阳极伏安特性IG2>IG1>IG

IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”，一般不允许硬开通；

随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低； 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿；

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。

晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性； 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端；

晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。

晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性，如图4所示。图中ABCGFED所围成的区域为可靠触发区；图中阴影部分为不触发区；图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区。

为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。

IFGM

IGT

IGT

G

T

IGD

G

D

FGM G

T

图4 晶闸管门极伏安特性

3.3.2 动态特性

晶闸管的动态特性主要是指晶闸管的开通与关断过程，动态特性如图5所示。

u

图5 晶闸管的开通和关断过程波形

开通过程:

开通时间tgt包括延迟时间td与上升时间tr，即

tgt=td+tr （6）

延迟时间td：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 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间 普通晶闸管延迟时间为0.5～1.5ms，上升时间为0.5～3ms 关断过程:

关断时间tq：包括 反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr，即

tq=trr+tgr （7）

普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

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 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一段时间 注:

1）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

2）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

3.4 晶闸管的主要参数3.4.1 电压定额

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（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。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2～3倍 3.4.2 电流定额

1) 通态平均电流IT(AV)(额定电流)

额定电流---晶闸管在环境温度为40oC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。

举例说明：

使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，应留一定的裕量，一般取1.5～2倍2) 维持电流IH ——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 3)擎住电流 IL

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约为IH的2～4倍 4)浪涌电流ITSM

指由于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

3.4.3 动态参数

除开通时间tgt包括延迟时间td外，还有： 1) 断态电压临界上升率du/dt

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最大上升率。

在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，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

——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，则晶闸管刚开通，便会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使晶闸管损坏。

3.5 晶闸管的派生器件1） 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor——FST）

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； 管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善；

普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10ms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，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）

可认为是一对反并联联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；

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，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。

T1

G

T2

图6 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性

a) 电气图形符号 b) 伏安特性3） 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor—RCT）

将晶闸管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。

a)

b)

G

K

A

a)b)

图7 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性

a) 电气图形符号 b) 伏安特性

4、光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）光控晶闸管又称光触发晶闸管，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；

大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器；

a)b)

图8 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性

a) 电气图形符号 b) 伏安特性

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