《晶闸管(SCR)原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶闸管(SCR)原理（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、晶闸管(SCR)原理作者：时间：2007-12-17来源：电子元器件网浏览评论推荐给好友我有问题个性化定制关键词：晶闸管半导体材料晶闸管(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(fastswitchingthyristor，FST)、反向导通的逆导晶闸管(reverseconductingthyristor，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(gateturnoffthyristor，GTO)、
2、门极辅助关断晶闸管(gateassistedturnoffthytistor，GATO)及用光信号触发导通的光控晶闸管(lightcontrolledthyristor，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(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J
3、2;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结承担阿号结悔糧型肆侣电賂詁闸管的黠构、符号*结构搂理n卑值韭财如果晶闸管接入图1(d)所示外电路，夕卜电源Us正端经负载电阻R引至晶闸管阳极A，电源Us的负端接晶闸管阴极K，一个正值触发控制电压Ug经电阻Rg后接至晶闸管的门极G,如果Ti(P1N1P2)的共基极电流放大系数
4、为a,T2(N1P2N2)的共基极电流放大系数为a，那么对Ti而言，Ti的发射极电流Ia的一部分aiA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iCB01，因此图1(d)中的IC1可表示为IC1=aiA+iCB01。(1)同理对T2而言，T2的发射极电流Ic的一部分o2Ic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iCB02，因此，图1(d)中的IC2可表示为IC2=a2IC+iCB02。(2)由图1(d)中可以看出IA=IC1+IC2=aia+0(2Ic+iCB01+iCB02=o1Ia+c2Ic+I0，(3)式中，I0=iCB01+iCB02为J2
5、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2/12由式（3）和式（4）,可得到阳极电流为Ia=（io+ag）/1-（a+a门（5）晶闸管外加正向电压Uak;但门极断开，Ig=O时，中间结J2承受反偏电压，阻断阳极电流，这时Ia=Ic很小，由式（5）得Ia=Ic=I0/1-（01+a门押（6）分页在Ia、ic很小时晶闸管中共基极电流放大系数a、a也很小，a、a都随电流IA、IC的增大而增大。如果门极电流Ig=O，在正常情况下，由于I0很小，ia=ic仅为很小的漏电流，a+a不大，这时的晶闸管处于阻断状态。一旦引入了门极电流Ig,将使Ia增大，Ic增大，这将使共基极电流放
6、在系数a、a变大，a、a变大后，Ia、ic进一步变大，又使a、a变得更大。在这种正反馈作用下使用a+a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12V，这时的电流IaVc;则由外电路电源电压Us和负载电阻R限定，即IaVc社Js/R。一旦晶闸管从断态转为通态后，因Ia、ic已经很大，即使撤除门极电流Ig,由于a+a胡，由式（5）可知Ia=Ic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Ia=Ic=Us/R。二、晶闸管的基本特性图2品的状-安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
7、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Uak=UA时，发生转折，经过负阻区由阻断状态进入导通状态（0A正向阻断状态，AB转折态，BL负阻态，LD导通状态，A转折点，Ua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Ig2IgiIg时，Ua2aiSPANa，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，II擎住电流）。
8、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、Ih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(0P反向阻断状态，PR反向击穿状态，P击穿点，Ub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Ur。在门极开路(Ig=O)，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Udrm和断态反向重复峰值电压Urrm这两个电压中较小的一个
9、电压值规定为该晶闸管的额定电压Uro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23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Utm规定为额定电流时的管压降峰值，一般为1.52.5V，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Iro在环境温度为40C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125C时，所对应的通态平均电流值定义为晶闸管的额定电流Iro晶闸管的额
10、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Im，则正弦半波电流的平均值为1y匚sinCfior)Zrr-,已知正弦半波的有效值（均方根值）为2由式（1）和式（2）得到有效值为【=专淑小=1.57rAv=L57JHt即产品手册中的额定电流为Ir=Iav=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1.5
11、2.0倍的电流电路中的过电流又不可能避免，故在设计应用中通常留有安全裕量。分页（2）浪涌电流Itsm。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Itsm比额定电流Ir大4孔倍。例如，100A的元件，其值为（1.31.9）kA；1000A元件，其值为（1319）kA。（3）维持电流Ih。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Ih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II。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
12、电流Il。擎住电流Il和维持电流Ih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Il要比维持电流Ih大24倍。3、动态参数（1）开通时间ton和关断时间toff。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IA要延迟td才开始上升，尔后再经过一个tr（使基区载流子浓度足够），IA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ton定义为ton=td+tr，其中，td为延迟时间，tr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AK两端，并迫使它的阳极电流Ia从
13、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toff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toff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toff可减小到1020血以下，可用于高频开关电路的高频晶闸管，其关断时间更短（小于10g）。（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
14、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/血，最好的G级晶闸管高达1000V/Q，般的是（100200）V/宙。晶闸管阳极电压低于转折电压Ua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RC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
15、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/Q，最好的G级晶闸管为500A/pS，一般的是（100200）A/pS。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）5即快速晶闸
16、管通常是指那些关断时间toff50血、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绍00Hz）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（2050）血，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
