2.3　晶闸管

晶闸管是一种既具有开关作用又具有整流作用的大功率半导体器件。虽然自20世纪80年代开始，大量性能更好的全控型器件广泛使用，但由于其所能承受的电压和电流容量在目前的电力电子器件中最高，且工作可靠，因此在大容量应用场合仍具有重要地位。

2.3.1　晶闸管的基本结构与工作原理

晶体闸流管（thyristor）简称晶闸管，早期曾称为可控硅整流器SCR（silicon controlled rectifi⁃er）。

晶闸管是三端四层半导体开关器件，共有三个PN结：J1、J2、J3，如图2-7（a）所示。其图形符号如图2-7（b）所示，A为阳极（anode），K为阴极（cathode），G为门极（gate）或控制极。若把晶闸管看成由两个晶体管T1（P1N1P2）和T2（N1P2N2）构成，如图2-7（c）所示，则其等效电路可表示成图2-7（d）中点画线框内的两个晶体管T1和T2。对晶体管T1来说，P1N1为发射结J1，N1P2为集电结J2；对晶体管T2来说，P2N2为发射结J3，N1P2仍为集电结J2，因此J2（N1P2）为公共的集电结。当A、K两端加正向电压时，J1、J3结为正向偏置，中间结J2为反向偏置；当A、K两端加反向电压时，J1、J3结为反向偏置，中间结J2为正向偏置。晶闸管未导通时，加正向电压时的外加电压由反向偏置的J2结承担，而加反向电压时的外加电压则由J1、J3结承担。

如果晶闸管接入图2-7（d）所示的外电路，外电源VS两端经负载电阻R引至晶闸管阳极A，外电源VS的负端接晶闸管阴极K，一个正值触发控制电压VG经电阻Rg后接至晶闸管的门极G。如果T1（P1N1P2）的集电极电流分配系数为α1，T2（N1P2N2）的集电极电流分配系数为α2，那么对T1而言，T1的发射极电流IA的一部分α1IA将穿过集电结J2，此外J2受反偏电压作用要流过反向饱和电流iCBO1，因此图2-7（d）中的IC1可表达为

IC1=α1IA+iCBO1　　（2-3）

同理，对T2而言，T2的发射极电流IC的一部分α2IC将穿过集电结J2，此外J2受反偏电压作用要流过反向饱和电流iCBO2，因此图2-7（d）中的IC2可表达为

IC2=α2IC+iCBO2　　（2-4）

由图2-7（d）可看出

IA=IC1+IC2=α1IA+α2IC+iCBO1+iCBO2=α1IA+α2IC+IO

式中，IO=iCBO1+iCBO2，为J2的反向饱和电流之和或称漏电流。

再从整个晶闸管外部电路来看，应是

IA+IG=IC

可得到阳极电流IA为

晶闸管外加正向电压VAK，但门极断开，IG=0，中间结J2承受反偏电压，阻断阳极电流，这时IA=IC很小，可得

在IA、IC很小时，晶闸管中电流分配系数α1和α2也很小。如果不加门极电流IG，即IG=0，此时，α1+α2不大，由于IO很小，IA=IC仅为很小的漏电流，这时的晶闸管处于阻断状态（又称断态）。一旦引入了门极电流IG，将使IA增大，IC增大，这时电流分配系数α1、α2变大，α1、α2变大后，IA、IC进一步变大，又使α1、α2更大。在这种正反馈作用下，使α1+α2接近1，晶闸管立即从断态转为通态。内部的两个等效晶体管都进入饱和导通状态，晶闸管的等效电阻变得很小，其通态压降仅为1～2V，这时的电流IA≈IC。由外电路电源电压VS和负载电阻R限定电流。一旦晶闸管从断态转为通态后，因IA、IC已经很大，α1+α2≈1，即使撤除门极电流IG，即IG=0，由于α1+α2≈1，根据可知，IA=IC仍然会很大，晶闸管仍继续处于通态并保持由外电路所决定的阳极电流，。所以，要使承受正向电压的晶闸管从断态转入通态只需在其门极（控制极）加一个脉冲触发电流即可。

2.3.2　晶闸管的工作特性

1.静态特性

静态特性又称伏安特性，指的是器件端电压与电流的关系。

1）阳极伏安特性

晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压Uak与阳极电流ia之间的关系曲线，如图2-8所示。

阳极伏安特性可以分为两个区域：第Ⅰ象限为正向特性区，第Ⅲ象限为反向特性区。第Ⅰ象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。正向阻断状态随着不同的门极电流IG呈现不同的分支。在IG=0的情况下，随着正向阳极电压Uak的增加，由于J2结处于反压状态，晶闸管处于断态，在很大范围内只有很小的正向漏电流，特性曲线很靠近并与横轴平行。当Uak增大到一个称为正向转折电压UB0时，漏电流增大到一定数值，J1、J3结内电场削弱很多，两等效晶体管的电流分配系数α1、α2随之增大，使电子扩散电流α2Ik与空穴扩散电流α1Ia分别与J2结中的空穴和电子相复合，使得J2结的电势壁垒消失。这样，晶闸管就由阻断突然变成导通，反映在特性曲线上就从正向阻断状态的高阻区（高电压、小电流），经过虚线所示的负阻区（电流增大、电压减小），到达导通状态的低阻区（低电压、大电流）。

正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时晶闸管流过很大的阳极电流而晶闸管本身只承受约1V的管压降。特性曲线靠近并几乎平行于纵轴。在正常工作时，晶闸管不允许采取使阳极电压高过转折电压UB0而使之导通的工作方式，而是采用施加正向门极电压，送入门极电流IG使之导通的工作方式，以防损伤元件。当加上门极电压使IG＞0后，晶闸管的正向转折电压就大大降低，元件将在较低的阳极电压下由阻断变为导通。当IG足够大时，晶闸管的正向转折电压很小，相当于整流二极管一样，只要加上正向阳极电压，晶闸管就可导通。晶闸管的正常导通应采取这种门极触发方式。

晶闸管正向阻断特性与门极电流IG有关，说明门极可以控制晶闸管从正向阻断至正向导通转化，即控制晶闸管的开通。然而一旦晶闸管导通，晶闸管就工作在与IG无关的正向导通特性上。要关断晶闸管，就只得像关断一般二极管一样，使阳极电流Ia减小。当阳极电流减小到Ia＜IH（维持电流）时，晶闸管才能从正向导通的低阻区返回到正向阻断的高阻区，晶闸管关断阳极电流Ia≈0后并不意味着晶闸管已真正关断，因为管内半导体层中的空穴或电子载流子仍然存在，没有复合。此时重新施加正向阳极电压，即使没有正向门极电压也可使这些载流子重新运动，形成电流，晶闸管再次导通，这称为未恢复正向阻断能力。为了保证晶闸管可靠而迅速关断，真正恢复正向阻断能力，常在晶闸管阳极电压降为零后再施加一段时间的反向电压，以促使载流子经复合而消失。晶闸管在第Ⅲ象限的反向特性与二极管的反向特性类似。

2）门极伏安特性

晶闸管的门极与阴极间存在着一个PN结J3，门极伏安特性就是指这个PN结上正向门极电压UG与门极电流IG间的关系。由于这个PN结的伏安特性很分散，无法找到一条典型的代表曲线，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代表所有元件的门极伏安特性。

在晶闸管的正常使用中，门极PN结不能承受过大的电压、电流及功率，这是门极伏安特性区的上界限，它们分别用门极正向峰值电压UGFM、门极正向峰值电流IGFM、门极峰值功率PGM来表征。此外，门极触发也具有一定的灵敏度，为了能可靠地触发晶闸管，正向门极电压必须大于门极触发电压UGT，正向门极电流必须大于门极触发电流IGT。UGT、IGT规定了门极上的电压、电流值必须位于安全区域内，而平均功率损耗也不应超过规定的平均功率PG。

2.动态特性

当晶闸管作为开关元件应用于电力电子电路时，应考虑晶闸管的开关特性，即开通特性和关断特性。

1）开通特性

晶闸管开通方式一般有：

（1）主电压开通：门极开路，将主电压uak加到断态不重复峰值电压UB0，使晶闸管导通，这又称硬导通，这种开通方式会损坏晶闸管，在正常工作时不能使用。

（2）门极电流开通：在正向阳极电压的条件下，加入正向门极电压，使晶闸管导通。一般情况下，晶闸管都采用这种方式导通。

（3）kdu/dt开通：门极开路，晶闸管阳极正向电压变化率过大而导致器件开通，这种开通属于误动作，应该避免。

另外，还有场控、光控、温控等开通方式，分别适用于场控晶闸管、光控晶闸管和温控晶闸管。

晶闸管由截止转为导通的过程称为开通过程。图2-9给出了晶闸管的开关特性。在晶闸管处于正向阻断的条件下突加门极触发电流，由于晶闸管内部正反馈过程及外电路电感的影响，阳极电流的增长需要一定的时间。从突加门极电流时刻到阳极电流上升到稳定值IT的10％所需的时间称为延迟时间td，而阳极电流从10％IT上升到90％IT所需的时间称为上升时间tr，延迟时间与上升时间之和称为晶闸管的开通时间tgt=td+tr，普通晶闸管的延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。延迟时间随门极电流的增大而减小，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降。

2）关断特性

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

要关断已导通的晶闸管，通常给晶闸管加反向阳极电压。晶闸管的关断就是要使各层区内载流子消失，使元件对正向阳极电压恢复阻断能力。突加反向阳极电压后，由于外电路电感的存在，晶闸管阳极电流的下降会有一个过程，当阳极电流过零时，也会出现反向电流，反向电流达最大值IRM后，再朝反方向快速衰减接近于零，此时晶闸管恢复对反向电压的阻断能力。电流过零到反向电流接近于零所经历的时间称为反向阻断恢复时间trr。由于载流子复合仍需要一定的时间，反向电流接近于零到晶闸管恢复正向阻断能力所需的时间称为正向阻断恢复时间tgr。晶闸管的关断时间tq=trr+tgr，普通晶闸管的关断时间为几百微秒。要使已导通的晶闸管完全恢复正向阻断能力，加在晶闸管上的反向阳极电压的时间必须大于tq，否则晶闸管无法可靠关断。为缩短关断时间，可适当加大反向电压，并保持一段时间，以使载流子充分复合而消失。

2.3.3　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。现对经常使用的几个晶闸管的参数进行一一介绍。

1.电压参数

1）断态重复峰值电压UDRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称为断态不重复峰值电压UDSM。“不重复”表明这个电压不可长期重复施加。取断态不重复峰值电压的80％定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于10ms的重复方式施加于元件上。

2）反向重复峰值电压URRM

门极开路，元件额定结温时，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称为反向不重复峰值电压URSM，这个电压是不能长期重复施加的。取反向不重复峰值电压的80％定义为反向重复峰值电压URRM，这个电压允许重复施加。

3）晶闸管的额定电压UR

取UDRM和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级。电压等级不是任意确定的，额定电压为1000V以下是每100V一个电压等级；1000～3000V则是每200V一个电压等级。

由于晶闸管在工作中可能会遭受一些意想不到的瞬时过电压，为了确保晶闸管安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2～3倍，以作为安全裕量，即UR=（2～3）UM。

4）通态平均电压UT（AV）

它是指在晶闸管通过单相工频正弦半波电流，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。

2.电流参数

1）通态平均电流IT（AV）

在环境温度为+40℃及规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相、工频、正弦半波、导通角不小于170°的电路中，当结温稳定在额定值125℃时所允许的通态最大平均电流称为通态平均电流IT（AV）。将这个电流整化至规定的电流等级，则为该元件的额定电流。从以上定义可以看出，晶闸管是以电流的平均值而不是有效值作为它的电流定额的。然而，规定平均值电流作为额定电流不一定能保证晶闸管的安全使用，原因是排除电压击穿的破坏外，影响晶闸管工作安全与否的主要因素是管芯PN结的温度。结温的高低决定于元件的发热与冷却两方面的平衡。在规定的冷却条件下，结温主要取决于晶闸管的损耗，这里IT应是通过晶闸管电流的有效值而不是平均值。因此，选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则选用晶闸管的额定电流，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式（2-5）计算：

2）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。

3）擎住电流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时，维持元件导通所需的最小阳极电流称为擎住电流。一般擎住电流比维持电流大2～4倍。

3.其他参数

1）断态电压临界上升率du/dt

在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态最低电压上升率称断态电压临界上升率。晶闸管使用中要求断态下阳极电压的上升速度低于此值。

提出du/dt这个参数是为了防止晶闸管工作时发生误导通。这是由于阻断状态下J2结相当于一个电容，虽依靠它阻断了正向阳极电压，但在施加正向阳极电压过程中，却会有充电电流流过结面，并流到门极的J3结上，起类似触发电流的作用。如果du/dt过大，则充电电流足以使晶闸管误导通。为了限制断态电压上升率，可以在晶闸管阳极与阴极间并上一个RC阻容支路，利用电容两端电容不能突变的特点来限制电压上升率。电阻R的作用是防止并联电容与阳极主回路电感产生串联谐振。

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的条件下，晶闸管由门极进行触发导通时，晶闸管能够承受而不致损坏的通态平均电流的最大上升率。当门极输入触发电流后，首先是在门极附近形成小面积的导通区，随着时间的增长，导通区逐渐向外扩大，直至全部结面变成导通为止。如果电流上升过快，而元件导通的结面还未扩展至应有的大小，则可能引起局部过大的电流密度，使门极附近区域过热而烧毁晶闸管。为此规定了通态电流上升率的极限值，应用时晶闸管所允许的最大电流上升率要小于这个数值。

为了限制电路的电流上升率，可以在阳极主回路中串入小电感，以对增长过快的电流进行阻塞。

3）门极触发电流IGT与门极触发电压UGT

在室温下，晶闸管施加6V的正向阳极电压时，元件从阻断到完全开通所需的最小门极电流称门极触发电流IGT。对应于此IGT的门极电压为门极触发电压UGT。由于门极的PN结特性分散性大，造成同一型号元件IGT、UGT相差很大。

一般来说，若元件的触发电流、触发电压太小，则容易接受外界干扰引起误触发；若元件的触发电流、触发电压太大，则容易引起元件触发导通上的困难。此外，环境温度也是影响门极触发参数的重要因素。当环境温度或元件工作温度升高时，IGT、UGT会显著降低；当环境温度降低时，IGT、UGT会有所增加。这就造成了同一晶闸管往往夏天易误触发导通，而冬天却可能出现不开通的不正常状态。

为了使变流装置的触发电路对同类晶闸管都有正常触发功能，要求触发电路送出的触发电流、电压值适当大于标准所规定的IGT、UGT上限值，但不应该超过门极正向峰值电流IGFM、门极正向峰值电压UGFM，功率也不能超过门极峰值功率PGM和门极平均功率PG。

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］

式中，K代表闸流特性；P为普通型。如KP500-15型号的晶闸管表示其通态平均电流（额定电流）IT（AV）为500A，正反向重复峰值电压（额定电压）UR为1500V，通态平均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。

2.3.4　晶闸管的主要类型

1.快速晶闸管

快速晶闸管（fast switching thyristor，FST）的外形、基本结构、伏安特性及图形符号均与普通型晶闸管相同，但开通速度快、关断时间短，可使用在频率大于400Hz的电力电子电路中，如变频器、中频电源、不停电电源、斩波器等。

快速晶闸管的特点是：

（1）开通时间和关断时间短，一般开通时间为1～2μs，关断时间为数微秒。

（2）开关损耗小。

（3）有较高的电流上升率和电压上升率。通态电流临界上升率di/dt≥100A/μs，断态电压临界上升率du/dt≥100V/μs。

（4）允许使用频率范围广，为几十至几千赫。

快速晶闸管使用中要注意：

（1）为保证关断时间，运行结温不能过高，且要施加足够的反向阳极电压。

（2）为确保不超过规定的通态电流临界上升率di/dt，门极须采用强触发脉冲。

（3）在高频或脉冲状态下工作时，必须按厂家规定的电流-频率特性和与脉冲工作状态有关的特性来选择元件的电流定额，而不能简单地按平均电流的大小来选用。

快速晶闸管的型号与普通晶闸管类似，只是用KK来代替KP。

2.双向晶闸管

双向晶闸管（triodeAC switch，TRIAC）是一个NPNPN五层结构的三端器件，有两个主电极T1、T2，一个门极G［见图2-10（a）］。它正、反两个方向均能用同一门极控制触发导通，所以它在结构上可以看成一对普通晶闸管的反并联［见图2-10（b）］，其特性也反映了反并联晶闸管的组合效果，即在第Ⅰ、Ⅲ象限具有对称的阳极伏安特性［见图2-10（c）］。

双向晶闸管主要应用在交流调压电路中，因而通态时的额定电流不是用平均值而是用有效值表示的，这点必须与其他晶闸管的额定电流定义加以区别。当双向晶闸管在交流电路中使用时，须承受正、负两个方向半波的电流和电压。当元件在一个方向导通刚结束时，管芯各半导体层内的载流子还没有恢复到阻断时的状态，马上就承受反向电压会使载流子重新运动，构成元件反向电压状态下的触发电流，引起元件反向误导通，造成换流失败。为了保证正、反向半波交替工作时的换流能力，必须限制换流电流、换流电压的变换率在小于规定的数值范围内。

双向晶闸管的型号用KS表示。

3.逆导晶闸管

在逆变电路和斩波电路中，经常有晶闸管与大功率二极管反并联使用的情况。根据这种复合使用的要求，人们将两种器件制作在同一芯片上，派生出了逆导晶闸管（reverse conducting thyristor，RCT）。所以，逆导晶闸管无论从结构上还是特性上都反映了这两种功率半导体器件的复合效果，其图形符号、等效电路及阳极伏安特性如图2-11所示。

当逆导晶闸管承受正向阳极电压时，元件表现出普通晶闸管的特性，阳极伏安特性位于第Ⅰ象限。当逆导晶闸管承受反向阳极电压时，反向导通（逆导），元件表现出导通二极管的低阻特性，阳极伏安特性位于第Ⅲ象限。

由于逆导晶闸管在管芯构造上是反并联的晶闸管和大功率二极管的集成，它具有正向管压降小、关断时间短、高温特性好、结温高等优点，构成的变流装置体积小、质量小且成本低。特别是由于简化了元件间的接线，消除了大功率二极管的配线电感，晶闸管承受反向电压的时间增加，有利于快速换流，从而可提高变流装置的工作频率。

逆导晶闸管的型号用KN表示。

4.光控晶闸管

光控晶闸管（light triggered thyristor，LTT）又称光触发晶闸管，其图形符号、等效电路及伏安特性如图2-12所示。当在光控晶闸管阳极加入正向外加电压时，J2结被反向偏置。当光照在反偏的J2结上时，促使J2结的漏电流增大，在晶闸管内正反馈作用下促使晶闸管由断态转为通态。光控晶闸管的伏安特性如图2-12（c）所示，随着光强度的增强，光控晶闸管的转折点左移。

在高压大功率晶闸管电力电子变换和控制装置中，例如在高压直流输电的整流和逆变电路中，要求触发控制电路与高压主电路隔离、绝缘，选用光控晶闸管可解决这个问题。大功率光控晶闸管都采用半导体激光器光源，通过光缆来传输较强大的光信号，产生触发脉冲信号，开通光控晶闸管。