晶闸管(SCR)原理_走进中关村

晶闸管(SCR)原理

来源：电子元器件网　2021-12-31 18:37:25

晶闸管(thyristor)是硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅（SCR），其正式名称应是反向阻断三端晶闸管。除此之外，在普通晶闸管的基础上还派生出许多新型器件，它们是工作频率较高的快速晶闸管(fast switching thyristor，FST)、反向导通的逆导晶闸管(reverse conducting thyristor，RCT)、两个方向都具有开关特性的双向晶闸管(TRIAC)、门极可以自行关断的门极可关断晶闸管（gate turn off thyristor，GTO）、门极辅助关断晶闸管(gate assisted turn off thytistor，GATO)及用光信号触发导通的光控晶闸管(light controlled thyristor，LTT)等。

一、结构与工作原理

晶闸管是三端四层半导体开关器件，共有3个PN结，J₁、J₂、J₃，如图1(a)所示。其电路符号为图1(b)，A(anode)为阳极，K(cathode)为阴极，G(gate)为门极或控制极。若把晶闸管看成由两个三极管T₁(P₁N₁P₂)和T₂(N₁P₂N₂)构成，如图1(c)所示，则其等值电路可表示成图1(d)中虚线框内的两个三极管T₁和T₂。对三极管T₁来说，P₁N₁为发射结J₁，N₁P₂为集电结J₂；对于三极管T₂，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两端加正电压时，J₁、J₃结为正偏置，中间结J₂为反偏置。当A、K两端加反电压时，J₁、J₃结为反偏置，中间结J₂为正偏置。晶闸管未导通时，加正压时的外加电压由反偏值的J₂结承担，而加反压时的外加电压则由J₁、J₃结承担。

如果晶闸管接入图1(d)所示外电路，外电源U_S正端经负载电阻R引至晶闸管阳极A，电源U_S的负端接晶闸管阴极K，一个正值触发控制电压U_G经电阻R_G后接至晶闸管的门极G，如果T₁（P₁N₁P₂）的共基极电流放大系数为α1，T₂（N₁P₂N₂）的共基极电流放大系数为α2，那么对T₁而言，T₁的发射极电流I_A的一部分α1I_A将穿过集电结J₂，此外，J₂受反偏电压作用，要流过共基极漏电流i _CBO1，因此图1(d)中的I_C1可表示为

I_C1=α1I_A+i _CBO1。（1）

同理对T₂而言，T₂的发射极电流I_C的一部分α2I_C将穿过集电结J₂，此外，J₂受反偏置电压作用，要流过共基极漏电流i _CBO2，因此，图1(d)中的I _C2可表示为

I_C2=α2I_C+i _CBO2。（2）

由图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为J₂结的反向饱和电流之和，或称为漏电流。

再从整个晶闸管外部电路来看，应有

I_A+I_G=I_C。（4）

由式（3）和式（4），可得到阳极电流为

I_A=（I_O+α2I_G）/［1-（α1+α2）］（5）

晶闸管外加正向电压U_AK；但门极断开，I_G=0时，中间结J₂承受反偏电压，阻断阳极电流，这时I_A=I_C很小，由式（5）得

I_A=I_C=I_O/［1-（α1+α2）］≈0 （6）{{分页}}

在I_A、I_C很小时晶闸管中共基极电流放大系数α1、α2也很小，α1、α2都随电流I_A、I_C的增大而增大。如果门极电流I_G=0，在正常情况下，由于I_O很小，I_A=I_C仅为很小的漏电流，α1+α2不大，这时的晶闸管处于阻断状态。一旦引入了门极电流I_G，将使I_A增大，I_C增大，这将使共基极电流放在系数α1、α2变大，α1、α2变大后，I_A、I_C进一步变大，又使α1、α2变得更大。在这种正反馈作用下使用α1+α2接近于1，晶闸管立即从断态转为通态。内部的两个等效三极管都进入饱和导电状态，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I_A≈I_C；则由外电路电源电压U_S和负载电阻R限定，即I_A≈I_C≈U_S/R。一旦晶闸管从断态转为通态后，因I_A、I_C已经很大，即使撤除门极电流I_G，由于α1+α2≈1，由式（5）可知I_A=I_C仍然会很大，晶闸管仍然继续处于通态，并保持由外部电路所决定的阳极电流I_A=I_C=U_S/R。

二、晶闸管的基本特性

晶闸管阳极与阴极间的电压和阳极电流的关第，称晶闸管的伏安特性。晶闸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（如图2所示）。其主要特性表现如下。

（1）在正向偏置下，开始器件处于正向阻断状态，当U_AK=U_A时，发生转折，经过负阻区由阻断状态进入导通状态（OA—正向阻断状态，AB—转折态，BL—负阻态，LD—导通状态，A—转折点，U_A—转折电压）。从图2中可以看到，这种状态的转换，可以由电压引起，也可以由门极电流引起（门极触发导通）。

（2）当I_G2>I_G1>I_G时，U_A2< SPAN>_A1< SPAN>_A，且一旦触发导通后，即使去掉门极信号，器件仍能维持导通状态不变。这是二极管、三极管所没有，晶闸管所特有的性质，称为自锁或擎住特性（L—擎住点，I_L—擎住电流）。可见，晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。因此，触发电流常采用脉冲电流，而无需采用直流电流。

（3）导通之后，只要流过器件的电流逐渐减小到某值，器件又可恢复到阻断状态（H—关断点、I_H—维持电流）。这种关断方式称为自然关断，例如，可采用加反偏电压的方法进行强迫关断。

（4）在反向偏置下，其伏安特性和整流管的完全相同（OP—反向阻断状态，PR—反向击穿状态，P—击穿点，U_B—击穿电压）。

三、晶闸管的主要特性参数

1、晶闸管的电压定额

（1）额定电压U_R。在门极开路（I_G=0），器件额定结温度时，图2中正向和反向折转电压的80%值规定为断态正向重复峰值电压U_DRM和断态反向重复峰值电压U_RRM这两个电压中较小的一个电压值规定为该晶闸管的额定电压U_R。

由于在电路中可能偶然出现较大的瞬时过电压而损坏晶闸管，在实际电力电子变换和控制电路设计和应用中，通常按照电路中晶闸管正常工作峰值电压的2~3倍的电压值选定为晶闸管的额定电压，以确保足够的安全电量。

（2）通态峰值电压U_TM。规定为额定电流时的管压降峰值，一般为1.5~2.5V，且随阳极电流的增大而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。

2、晶闸管的电流定额

（1）晶闸管的额定电流I_R。在环境温度为40℃和规定的散热冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相，工频正弦半波导电，结温稳定在额定值125℃时，所对应的通态平均电流值定义为晶闸管的额定电流I_R。晶闸管的额定电流也是基于功耗发热而导致结温不超过允许值而限定的。如果正弦电流的峰值为I _m，则正弦半波电流的平均值为

已知正弦半波的有效值（均方根值）为

由式（1）和式（2）得到有效值为

即产品手册中的额定电流为I_R=I_AV=100A的晶闸管可以通过任意波形、有效值为157A的电流，其发热温升正好是允许值。在实际应用中由于电路波形可能既非直流（直流电的平均值与有效值相等），又非半波正弦；因此应按照实际电流波形计算其有效值，再将此有效值除以1.57作为选择晶闸管额定电流的依据。当然，由于晶闸管等电力电子半导体开关器件热容量很小，实际电路中的过电流又不可能避免，故在设计应用中通常留有1.5~2.0倍的电流安全裕量。{{分页}}

（2）浪涌电流I_TSM。系指晶闸管在规定的极短时间内所允许通过的冲击性电流值，通常I_TSM比额定电流I_R大4л倍。例如，100A的元件，其值为(1.3~1.9)kA；1000A元件，其值为(13~19)kA。

（3）维持电流I_H。使晶闸管维持导通所必须的最小阳极电流。当通过晶闸管的实际电流小于维持电流I_H值时，晶闸管转为断态，大于此值时晶闸管还能维持其原有的通态。

（4）擎住电流I_L。晶闸管在触发电流作用下被触发导通后，只要管子中的电流达到某一临界值时，就可以把触发电流撤除，这时晶闸管仍然自动维持通态，这个临界电流值称为擎住电流I_L。擎住电流I_L和维持电流I_H都随结温的下降而增大。但是请注意，擎住电流和维持电流在概念上是不同的。通常擎住电流I_L要比维持电流I_H大2~4倍。

3、动态参数

（1）开通时间t_on和关断时间t_off。承受正向电压作用但处于断态作用的晶闸管，当门极触发电流来到时，由于载流子渡越到基区P₂需要一定时间，阳极电流I_A要延迟t_d才开始上升，尔后再经过一个t_r(使基区载流子浓度足够)，I_A才达到由外电路所决定的阳极电流稳定值。晶闸管从断态到通态的开通时间t_on定义为t_on=t_d+t _r，其中，t_d为延迟时间，t_r为上升时间。

当已处于通态的晶闸管从外电路施加反向电压于晶闸管A—K两端，并迫使它的阳极电流I_A从稳态值开始下降为0后，晶闸管中的各层区的载流子必须经过一定时间才能消失，恢复其正向阻断能力。晶闸管的关断时间t_off定义为从阳极电流下降到0开始，到晶闸管恢复了阻断正向电压的能力，并能承担规定的du/dt而不误导通所必须的时间。

晶闸管的关断时间与元件的结温、关断前的阳极电流大小及所加的反向阳极电压有关。普通晶闸管的t_off约为几十微秒左右。为缩短关断时间应适当加大反压，并保持一段反压作用时间，以使载流子充分复合而消失。快速晶闸管的t_off可减小到10~20μs以下，可用于高频开关电路的高频晶闸管，其关断时间更短（小于10μs）。

（2）断态电压临界上升率du/dt。在规定条件下，不会导致从断态到通态转换的最大阳极电压上升率。其数值对于不同等级（共7级）的晶闸管是不同的，最差的A级器件为25V/μs，最好的G级晶闸管高达1000V/μs，一般的是（100~200）V/μs。

晶闸管阳极电压低于转折电压U_A时，在过大的du/dt下也会引起误导通。因为在阻断状态下的晶闸管上突然加以正向阳极电压，在其内部相当于一个电容的J₂结上，就会有充电电流流过界面，这个电流流经J₃结时，起到了类似于触发电流的作用；因此过大的充电电流就会引起晶闸管的误触发导通。

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R—C阻容缓冲支路，利用电容两端电压不能突变的特点来限制晶闸管A、K两端电压上升率。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。此外，晶闸管从断态到通态时，电阻R又可限制电容C的放电电流。

（3）通态电流临界上升率di/dt在规定的条件下，为晶闸管能够承受而不致损害的通态电流的最大上升率。目前最差的A级晶闸管为25A/μs，最好的G级晶闸管为500A/μs，一般的是（100~200）A/μs。

过大的di/dt可使晶闸管内部局部过热而损坏，因为当门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，然后导通区才逐渐扩大，直至全部结面都导通。如果电流上升太快，很大的电流将在门极附近的小区域内通过，造成局部过热而烧坏。{{分页}}

四、晶闸管家族的其他主要电力电子器件

1、快速晶闸管（FST）

快速晶闸管通常是指那些关断时间t_off≤50μs、速度响应特性优良的晶闸管。它的基本结构和特性与普通晶闸管完全一样；但是由于快速晶闸管的工作频率（f≥400Hz）比普通晶闸管的工作频率高，所以仅要求其关断时间短是不全面的。因此，在关断时间的基础上，还要求快速晶闸管的通态压降低、开关损耗小、通态电流临界上升率di /dt及断态电压临界上升率du/dt高。只有这样，它才能在较高的工作频率下安全可靠地工作。这种快速晶闸管主要应用于直流电源供电的逆变器的斩波器，在这种电路中，它的关断时间通常只有（20~50）μs，比普通晶闸管快一个数量级。

2、逆导型晶闸管（RCT）

普通晶闸管表现为正向可控闸流特性，反向高阻特性，称为逆阻型器件。

逆导晶闸管是一个反向导通的晶闸管，是将一个晶闸管与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上构成的新器件，如图3（a）所示。

逆导晶闸管的工作原理与普通晶闸管相同，其伏安特性如图3（b）所示。正向表现为晶闸管正向伏安特性，反向表现为二极管特性。

与普通晶闸管相比，逆导晶闸管有如下特点：正向转折电压比普通晶闸管高，电流容量大，易于提高开关速度，高温特性好（允许结温可达150℃以上），减小了接线电感，缩小了装置体积。

3、双向晶闸管（TRIAC）

图4所示双向晶闸管TRIAC也是一个三端器件，它有两个主电极T₁、T₂和一个门极G，触发信号加在T₂极和门极G之间，它在正反两个方向电压下均可用同一门极控制触发导通。双向晶闸管在结构上可以看做是一对普通逆阻型晶闸管的反并联。其符号、等效电路和阳极伏安特性如图4所示。其特性也反映了反并联晶闸管的组合效果，即在第一和第三象限具有对称的阳极伏安特性。这个特征与图1所示逆阻型晶闸管正向导通特性是相同的。对双向晶闸管在门极G和主电极T₂之间送入正触发脉冲电流（I_G从G流入，从T₂流出）或负脉冲电流（I_G从T₂流入，从G流出）均能使双向晶闸管导通。根据T₁、T2间电压极性的不同及门极信号极性的不同，双向晶闸管有4种触发和开通方式：{{分页}}

（1）主电极T₁相对T₂电位为正的情况下，门极G和T₂之间加正触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通工作在第一象限，称为I+触发方式。

（2）主电极T₁相对T₂电位为正的情况下，门极G和T₂之间加负触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通也工作在第一象限，称为I-触发方式。

（3）主电极T₂相对T₁电位为正的情况下，门极G和T₂之间加正触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通工作在第三象限，称为Ⅲ+触发方式。

（4）主电极T₂相对T₁电位为正的情况下，门极G和T₂之间加负触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通也工作在第三象限，称为Ⅲ-触发方式。

I-、Ⅲ-两种触发方式灵敏度很高，在实用中常被采用，如图2（c）所示。双向晶闸管多在交流电路中采用，正、负半波都工作；因此要特别注意如下两个参数的意义。

（1）额定电流或额定通态电流：双向晶闸管的额定电流不像二极管和晶闸管那样按正弦半波电流平均值定义，而是用有效值来定义，即额定值为100A的双向晶闸管只能通过100A的有效值电流。而额定电流为100A的二极管、逆阻晶闸管则可通过157A的有效值电流。由额定电流的定义可知：在交流电流中一只有效值为I_T的双向晶闸管能承载全波负载电流有效值为I_T，半波负载电流为；若用晶闸管，其额定电流应为。因此，电流为I_T的双向晶闸管可代替两只并联的电流额定值为0.45I_T的逆阻型晶闸管。

（2）如果负载电流是电感性滞后的，双向晶闸管在正向电流下降为0时电源电压早已反向，故相当于在电流刚刚降为0的晶闸管两端瞬时施加一阶跃反压。双向晶闸管在某个方向导通时管芯内各半导体层中分布一定的载流子电荷。电流下降为0时，内部载流子不可能瞬间消失；因此它必须在电流为0瞬间具有承受一定的du/dt反方向电压的能力。否则在反向触发脉冲还未到来时它可能在反方向电压作用下导通，而失去门极控制其导通的作用。如果其抗du/dt能力低，则应在元件T₁、T₂两端之间并联RC阻容吸收回路以限制过大的du/dt。必须指出，双向晶闸管抗du/dt的能力与导通时电流下降的di/dt有关。di/dt小，其能够承受du/dt值要大些。请特别留意这里所指的du/dt是双向晶闸管在工作中改变电流方向，即通常所说的换流时抗du/dt的能力，其值小于晶闸管已处于完全静态截止情况下所能承受的du/dt值。双向晶闸管是一种交流双向导电开关，它主要应用于交流电压斩波式电压调节控制（或交流电流调动器）和用做固态交流双向开关。

4、光控晶闸管（LCT）

光控晶闸管是一种光触发导通的晶闸管，其工作原理类似于光电二极管。光控晶闸管的符号及其等值电路如图5所示。在阳极在正向外加电压时，J₂结被反向偏置，在光照在偏的J₂结上时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。

由于使用光导通信息信号，晶闸管主电路和控制电路可以完全与电绝缘；为此绝缘性和抗噪声性优越。由于这个特性，它具有在超高压直流输电等方面用途。

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