可控硅晶闸管

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1、晶闸管(可控硅)说明一篇关于可控硅使用基础，力求不离核心内容，篇幅短小、精炼明了，面向实际使用，实用性强的 基础学习笔记。1、概述晶体闸流管(Thyristor)或闸流晶体管，简称 晶闸管，又叫可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，以前被简称为可控硅，是半导体开关元件(器件)。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，出现了性能更好的全控型器件，在高压、高功率场合，结构相 对简单、功能单一的

2、晶闸管品种已逐步在被取代；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极(Anode)，阴极(Kathode)和门极 (Gate)，门极又叫栅极或控制极。晶闸管具有硅整流器件的特性相当于或类似于可控的单向或双向)二极管，利用其的 可控功能，可实现弱电对强电的控制，加之晶闸管具有体积小、结构相对简单、功能强、 重量轻、效率高、控制灵活等优点，晶闸管可用于下列过程：1、可控整流：将交流电转换成可调的直流电；2、逆变器：将直流电转换成交流电；3、变频：将一种频率的交流电转换成另一种频率或频率可调的交流电；4、交流调压：将固定的交流电压转换成有效值可调的交流电压；5、斩波：将固定的直流电压转换成平均

3、值可调的直流电压；6、无触点通断：制作无触点开关，代替交流接触器实现通断控制。晶闸管(可控硅)是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电 子产品中，家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、 组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量 使用了可控硅器件。大容量电力晶闸管，能在高电压、大电流条件下工作，能承受的电压和电流容量最高， 工作可靠，额定电压达数千伏，额定电流达数千安，在大容量的场合具有重要地位，在电 源装置、电力牵引、电力传动等电力电子中，应用广泛。晶闸管属于半导体器件，也有过载能力较差、控制电路复杂的

4、特点。分类晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型，广义来说，晶闸管(可控硅)的衍生类型(种类) 有很多。按功能或触发方式分，除单向可控硅外，还有双向可控硅(TRIAC)、逆导可控硅(RCT)、 可关断可控硅(GTO)、BTG可控硅、温控可控硅(TT国外，TTS国内)、光控可控硅(LTT)、 及特殊功能的可控硅。按引脚和极性分类，除三极的可控硅外、还有二极可控硅、四极可控硅。按关断速度分类：可分为普通可控硅和快速可控硅。快速晶闸管包括所有专为快速应 用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于 400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。(备注：高频不能等同于快速

5、晶闸管)按封装结构分，有塑封、陶瓷封装、带或不带散热片封装、金属封装。按功率分，有小功率、中功率、和大功率。中、小功率的有TO-92、TO-126、TO-220等塑封或陶瓷封装，圆壳形金属封装。大功率的有螺栓型、平板型、圆壳型等，螺栓型的螺栓一端是阳极A（还用于固定散热 器），另一端粗引线是阴极K、细引线是门极G。a)b)c)图1螺栓型和平板型晶闸管的外形、结构和电气图形符号a）外形b）结构c）电气图形符号2晶闸管的结构与工作原理AKa)AKb)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）等效电路如上图2（a）所示，晶闸管有四层半导体、三个PN结，可将一只晶闸管看作是连在一起 的一

6、只PNP三极管和一只NPN三极管。其等效电路见图2（b）。工作原理在阳极A与阴极K之间加上正向电压的条件下，如果在门极G与阴极K之间加上触发电 压，产生触发电流IG，V2导通并放大，产生IC2； IB1=IC2, V1导通并放大，产生IC1，在 IG=0的情况下，IB2=IC1，晶闸管继续导通，并达到饱和状态。显然，只要IC1大于某一界 限，即使触发电压已经消失，晶闸管将保持导通。这一界限称为晶闸管的维持电流。晶闸管只有导通和关断两种工作状态。晶闸管在关断状态，如果阳极A电位高于是阴极 K电位，且门极G、阴极K之间有足够的正向电压，则从关断转为导通。晶闸管在导通状态， 如阳极A电位高于阴极K电

7、位，且阳极A电流大于维持电流，即使除去门极G、阴极K之间电压，仍然维持导通；如阳极A电位低于阴极K电位或阳极A电流小于维持电流，则从导 通转为关断。晶闸管可用如图2所示的等效电路来表示。C1 =以 11A + ICBO1（2）（4）I和I分别是V和V的共基极漏CBO1 CBO212（3）IA = IC1 + IC 2式中a和分别是晶体管V和V的共基极电流增益;,、1 .、12 ，一电流。由以上式（1-1）（1-4）可得(5)I =侦2G * cBO1 * cBO2A1 -(a +a )12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,

8、 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。二实际由外电路决定。 其他几种可能导通的情况：1）阳极A电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；2）阳极A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 ThyristorLTT）。只有门极触发（包括光触发）是最

9、精确、迅速而可靠的控制手段3晶闸管的基本特性3.1静态特性半控型：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。全控型：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开通；晶闸管一旦导通，门极加反向电流或失去电压，晶闸管关断；门极正常，但主电路电压（或电流）减少到接近于零时，晶闸管也关断。下面均以半控型介绍晶闸管的参数特性曲线。晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳

10、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IG2IG1IGI=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 G电压超过临界极限即正向转折电压U，则漏电流急剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开 bo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。H晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特

11、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。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。图5晶闸管的开通和关断过程波形开通过程：开通时间L，包括延迟时间七与上升时间），即

12、七=）+七（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）：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0.51.5ms，上升时间为0.53ms关断过程：关断时间t :包括 反向阻断恢复时间t与正向阻断恢复时间t，即qrrgr广。+gr（7）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。反向阻断恢复时间；：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

13、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4晶闸管的主要参数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u rrm 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U湖一一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u rrm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23倍4.2电流定额1）通态平均电流It（郡）（额定电流）额定电流-晶闸管在环境

14、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1.52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、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24倍4）浪涌电流、SMTSM1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4.3动态参数 除开通时间t gt包括延迟时间td外，还有：1) 断态电

15、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。5晶闸管的派生器件1) 快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFST)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；