晶閘管(SCR)原理

　　晶閘管(thyristor)是硅晶體閘流管的簡稱，俗稱可控硅（SCR），其正式名稱應(yīng)是反向阻斷三端晶閘管。除此之外，在普通晶閘管的基礎(chǔ)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，F(xiàn)ST)、反向?qū)ǖ哪鎸?dǎo)晶閘管(reverse conducting thyristor，RCT)、兩個(gè)方向都具有開關(guān)特性的雙向晶閘管(TRIAC)、門極可以自行關(guān)斷的門極可關(guān)斷晶閘管（gate turn off thyristor，GTO）、門極輔助關(guān)斷晶閘管(gate assisted turn off thytistor，GATO)及用光信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的光控晶閘管(light controlled thyristor，LTT)等。

一、結(jié)構(gòu)與工作原理

　　晶閘管是三端四層半導(dǎo)體開關(guān)器件，共有3個(gè)PN結(jié)，J₁、J₂、J₃，如圖1(a)所示。其電路符號(hào)為圖1(b)，A(anode)為陽極，K(cathode)為陰極，G(gate)為門極或控制極。若把晶閘管看成由兩個(gè)三極管T₁(P₁N₁P₂)和T₂(N₁P₂N₂)構(gòu)成，如圖1(c)所示，則其等值電路可表示成圖1(d)中虛線框內(nèi)的兩個(gè)三極管T₁和T₂。對(duì)三極管T₁來說，P₁N₁為發(fā)射結(jié)J₁，N₁P₂為集電結(jié)J₂；對(duì)于三極管T₂，P₂N₂為發(fā)射結(jié)J₃，N₁P₂仍為集電結(jié)J₂；因此J₂（N₁P₂）為公共的集電結(jié)。當(dāng)A、K兩端加正電壓時(shí)，J₁、J₃結(jié)為正偏置，中間結(jié)J₂為反偏置。當(dāng)A、K兩端加反電壓時(shí)，J₁、J₃結(jié)為反偏置，中間結(jié)J₂為正偏置。晶閘管未導(dǎo)通時(shí)，加正壓時(shí)的外加電壓由反偏值的J₂結(jié)承擔(dān)，而加反壓時(shí)的外加電壓則由J₁、J₃結(jié)承擔(dān)。

　　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(fù)載電阻R引至晶閘管陽極A，電源U_S的負(fù)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后接至晶閘管的門極G，如果T₁（P₁N₁P₂）的共基極電流放大系數(shù)為α1，T₂（N₁P₂N₂）的共基極電流放大系數(shù)為α2，那么對(duì)T₁而言，T₁的發(fā)射極電流I_A的一部分α1I_A將穿過集電結(jié)J₂，此外，J₂受反偏電壓作用，要流過共基極漏電流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(duì)T₂而言，T₂的發(fā)射極電流I_C的一部分α2I_C將穿過集電結(jié)J₂，此外，J₂受反偏置電壓作用，要流過共基極漏電流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(jié)的反向飽和電流之和，或稱為漏電流。

　　再從整個(gè)晶閘管外部電路來看，應(yīng)有

　　I_A+I_G=I_C。           （4）

　　由式（3）和式（4），可得到陽極電流為

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

　　晶閘管外加正向電壓U_AK；但門極斷開，I_G=0時(shí)，中間結(jié)J₂承受反偏電壓，阻斷陽極電流，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}}

　　在I_A、I_C很小時(shí)晶閘管中共基極電流放大系數(shù)α1、α2也很小，α1、α2都隨電流I_A、I_C的增大而增大。如果門極電流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(shù)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?zhàn)饔孟率褂忙?+α2接近于1，晶閘管立即從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。內(nèi)部的兩個(gè)等效三極管都進(jìn)入飽和導(dǎo)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(fù)載電阻R限定，即I_A≈I_C≈U_S/R。一旦晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)后，因I_A、I_C已經(jīng)很大，即使撤除門極電流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(xù)處于通態(tài)，并保持由外部電路所決定的陽極電流I_A=I_C=U_S/R。

二、晶閘管的基本特性

　　晶閘管陽極與陰極間的電壓和陽極電流的關(guān)第，稱晶閘管的伏安特性。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(xiàn)如下。

　?。?） 在正向偏置下，開始器件處于正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)U_AK=U_A時(shí)，發(fā)生轉(zhuǎn)折，經(jīng)過負(fù)阻區(qū)由阻斷狀態(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)（OA—正向阻斷狀態(tài)，AB—轉(zhuǎn)折態(tài)，BL—負(fù)阻態(tài)，LD—導(dǎo)通狀態(tài)，A—轉(zhuǎn)折點(diǎn)，U_A—轉(zhuǎn)折電壓）。從圖2中可以看到，這種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可以由電壓引起，也可以由門極電流引起（門極觸發(fā)導(dǎo)通）。

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

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

1、  晶閘管的電壓定額

　　（1） 額定電壓U_R。在門極開路（I_G=0），器件額定結(jié)溫度時(shí)，圖2中正向和反向折轉(zhuǎn)電壓的80%值規(guī)定為斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓U_DRM和斷態(tài)反向重復(fù)峰值電壓U_RRM這兩個(gè)電壓中較小的一個(gè)電壓值規(guī)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(xiàn)較大的瞬時(shí)過電壓而損壞晶閘管，在實(shí)際電力電子變換和控制電路設(shè)計(jì)和應(yīng)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(guī)定為額定電流時(shí)的管壓降峰值， 一般為1.5~2.5V，且隨陽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(guī)定的散熱冷卻條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載的單相，工頻正弦半波導(dǎo)電，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125℃時(shí)，所對(duì)應(yīng)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(dǎo)致結(jié)溫不超過允許值而限定的。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(cè)中的額定電流為I_R=I_AV=100A的晶閘管可以通過任意波形、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(yīng)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(yīng)按照實(shí)際電流波形計(jì)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(jù)。當(dāng)然，由于晶閘管等電力電子半導(dǎo)體開關(guān)器件熱容量很小，實(shí)際電路中的過電流又不可能避免，故在設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常留有1.5~2.0倍的電流安全裕量。{{分頁}}

　　（2）浪涌電流I_TSM。系指晶閘管在規(guī)定的極短時(shí)間內(nèi)所允許通過的沖擊性電流值，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(dǎo)通所必須的最小陽極電流。當(dāng)通過晶閘管的實(shí)際電流小于維持電流I_H值時(shí)，晶閘管轉(zhuǎn)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(dǎo)通后，只要管子中的電流達(dá)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)臨界電流值稱為擎住電流I_L。擎住電流I_L和維持電流I_H都隨結(jié)溫的下降而增大。但是請(qǐng)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(shù)

　　（1）開通時(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(dāng)門極觸發(fā)電流來到時(shí)，由于載流子渡越到基區(qū)P₂需要一定時(shí)間，陽極電流I_A要延遲t_d才開始上升，爾后再經(jīng)過一個(gè)t_r(使基區(qū)載流子濃度足夠)，I_A才達(dá)到由外電路所決定的陽極電流穩(wěn)定值。晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)的開通時(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(dāng)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，并迫使它的陽極電流I_A從穩(wěn)態(tài)值開始下降為0后，晶閘管中的各層區(qū)的載流子必須經(jīng)過一定時(shí)間才能消失，恢復(fù)其正向阻斷能力。晶閘管的關(guān)斷時(shí)間t_off定義為從陽極電流下降到0開始，到晶閘管恢復(fù)了阻斷正向電壓的能力，并能承擔(dān)規(guī)定的du/dt而不誤導(dǎo)通所必須的時(shí)間。

    晶閘管的關(guān)斷時(shí)間與元件的結(jié)溫、關(guān)斷前的陽極電流大小及所加的反向陽極電壓有關(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(yīng)適當(dāng)加大反壓，并保持一段反壓作用時(shí)間，以使載流子充分復(fù)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(guī)定條件下，不會(huì)導(dǎo)致從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大陽極電壓上升率。其數(shù)值對(duì)于不同等級(jí)（共7級(jí)）的晶閘管是不同的，最差的A級(jí)器件為25V/μs，最好的G級(jí)晶閘管高達(dá)1000V/μs，一般的是（100~200）V/μs。

    晶閘管陽極電壓低于轉(zhuǎn)折電壓U_A時(shí)，在過大的du/dt下也會(huì)引起誤導(dǎo)通。因?yàn)樵谧钄酄顟B(tài)下的晶閘管上突然加以正向陽極電壓，在其內(nèi)部相當(dāng)于一個(gè)電容的J₂結(jié)上，就會(huì)有充電電流流過界面，這個(gè)電流流經(jīng)J₃結(jié)時(shí)，起到了類似于觸發(fā)電流的作用；因此過大的充電電流就會(huì)引起晶閘管的誤觸發(fā)導(dǎo)通。

    為了限制斷態(tài)電壓上升率，可以在晶閘管陽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(guī)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(jí)晶閘管為25A/μs，最好的G級(jí)晶閘管為500A/μs，一般的是（100~200）A/μs。

    過大的di/dt可使晶閘管內(nèi)部局部過熱而損壞，因?yàn)楫?dāng)門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，然后導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大，直至全部結(jié)面都導(dǎo)通。如果電流上升太快，很大的電流將在門極附近的小區(qū)域內(nèi)通過，造成局部過熱而燒壞。{{分頁}}

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(yīng)特性優(yōu)良的晶閘管。它的基本結(jié)構(gòu)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，所以僅要求其關(guān)斷時(shí)間短是不全面的。因此，在關(guān)斷時(shí)間的基礎(chǔ)上，還要求快速晶閘管的通態(tài)壓降低、開關(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(yīng)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(shù)量級(jí)。

2、  逆導(dǎo)型晶閘管（RCT）

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

　　逆導(dǎo)晶閘管是一個(gè)反向?qū)ǖ木чl管，是將一個(gè)晶閘管與一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上構(gòu)成的新器件，如圖3（a）所示。

　　逆導(dǎo)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(xiàn)為晶閘管正向伏安特性，反向表現(xiàn)為二極管特性。

    與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘管有如下特點(diǎn)：正向轉(zhuǎn)折電壓比普通晶閘管高，電流容量大，易于提高開關(guān)速度，高溫特性好（允許結(jié)溫可達(dá)150℃以上），減小了接線電感，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)門極G，觸發(fā)信號(hào)加在T₂極和門極G之間，它在正反兩個(gè)方向電壓下均可用同一門極控制觸發(fā)導(dǎo)通。雙向晶閘管在結(jié)構(gòu)上可以看做是一對(duì)普通逆阻型晶閘管的反并聯(lián)。其符號(hào)、等效電路和陽極伏安特性如圖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(duì)稱的陽極伏安特性。這個(gè)特征與圖1所示逆阻型晶閘管正向?qū)ㄌ匦允窍嗤摹?duì)雙向晶閘管在門極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(fù)脈沖電流（I_G從T₂流入，從G流出）均能使雙向晶閘管導(dǎo)通。根據(jù)T₁、T2間電壓極性的不同及門極信號(hào)極性的不同，雙向晶閘管有4種觸發(fā)和開通方式：{{分頁}}

　　（1） 主電極T₁相對(duì)T₂電位為正的情況下，門極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(dǎo)通工作在第一象限，稱為I+觸發(fā)方式。

　　（2） 主電極T₁相對(duì)T₂電位為正的情況下，門極G和T₂之間加負(fù)觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導(dǎo)通也工作在第一象限，稱為I-觸發(fā)方式。

　　（3） 主電極T₂相對(duì)T₁電位為正的情況下，門極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(dǎo)通工作在第三象限，稱為Ⅲ+觸發(fā)方式。

　　（4） 主電極T₂相對(duì)T₁電位為正的情況下，門極G和T₂之間加負(fù)觸發(fā)脈沖電壓、電流，這時(shí)雙向晶閘管導(dǎo)通也工作在第三象限，稱為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(fù)半波都工作；因此要特別注意如下兩個(gè)參數(shù)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，而是用有效值來定義，即額定值為100A的雙向晶閘管只能通過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(fù)載電流有效值為I_T，半波負(fù)載電流為  ；若用晶閘管，其額定電流應(yīng)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(fù)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(dāng)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?qū)〞r(shí)管芯內(nèi)各半導(dǎo)體層中分布一定的載流子電荷。電流下降為0時(shí)，內(nèi)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)脈沖還未到來時(shí)它可能在反方向電壓作用下導(dǎo)通，而失去門極控制其導(dǎo)通的作用。如果其抗du/dt能力低，則應(yīng)在元件T₁、T₂兩端之間并聯(lián)RC阻容吸收回路以限制過大的du/dt。必須指出，雙向晶閘管抗du/dt的能力與導(dǎo)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(qǐng)?zhí)貏e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?qū)щ婇_關(guān)，它主要應(yīng)用于交流電壓斬波式電壓調(diào)節(jié)控制（或交流電流調(diào)動(dòng)器）和用做固態(tài)交流雙向開關(guān)。

4、光控晶閘管（LCT）

　　光控晶閘管是一種光觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管，其工作原理類似于光電二極管。光控晶閘管的符號(hào)及其等值電路如圖5所示。在陽極在正向外加電壓時(shí)，J₂結(jié)被反向偏置，在光照在偏的J₂結(jié)上時(shí)J₂結(jié)的漏電流增大，在晶閘管內(nèi)正反饋?zhàn)饔孟麓偈咕чl管由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。

　　由于使用光導(dǎo)通信息信號(hào)，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優(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。