第9章 晶闸管电路及其应用..

晶闸管在阳极-阴极施加正向电压下，给门极注入一定 功率的门极触发电流iG，晶闸管内部的晶体管V1进入放大状 态，形成集电极电流iC1，集电极电流iC1成为V2管的基极电 流，促使晶体管V2发射极电流iA和集电极电流iC2增加，晶体 管V2集电极电流iC2和门极触发电流iG叠加，形成正反馈，促 使晶体管V1快速进入饱和导通，产生更大的晶体管V1集电 极电流iC1和晶体管V2集电极电流iC2，形成强烈正反馈过程， 使两个晶体管V2和V1完全饱和导通，晶体管V2形成较大的 发射极电流iA，即晶闸管的阳极-阴极电流iAK，晶闸管从截 止变为导通，晶闸管正反馈过程为
9.1.4 其他晶闸管 一、双向晶闸管（Bidirectional thyristor） 普通晶闸管只能单方向导通。而双向晶闸管在其门极G 与主电极A间加上正向或反向触发信号可使器件的两个方向都 能控制导通。 它是由两个反并联的主晶闸管，一个作门极触发用的晶 闸管和一个晶体管构成的N-P-N-P-N五层器件，可作为三端交 流开关使用，故简称TRIAC。 双向晶闸管的这一特点使其作为控制元件，在工业控制 和家用电器等领域内得到极为广泛的应用。近年来，固态继 电器和接触器的发展，为双向晶闸管作为执行元件开拓了新 的应用领域。
二、晶闸管的主要参数
1. 晶闸管的电压参数
（1）正向转折电压UBO（Forward break over voltage）
在额定结温（100A以上为115℃，50A以下为100℃）和门 极开路的条件下，阳极和阴极间加正弦半波正向电压使器件由 阻断状态发生正向转折变成导通状态所对应的电压峰值。
（2）断态重复峰值电压UDRM（Blocking recurrence peak voltage） 指门极开路，晶闸管结温为额定值，允许重复施加在晶 闸管上的正向峰值电压。重复频率为每秒50次，每次持续时 间不大于10ms，其值为 UDRM = UBO—100V
在规定的环境温度和标准散热条件下，器件正向通过正弦 半波额定电流时，其两端的电压降在一周期内的平均值，又称 管压降，其值在0.6~1.2V之间。
2. 晶闸管的电流参数
（1）通态平均电流IF 指在环境温度为+40℃和规定的冷却条件下，晶闸管元 件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中，导通角不小于 170°。稳定结温不超过额定值时，所允许的最大平均电流， 并按标准取其整数值作为该元件的额定电流。反映晶闸管元 件所允许的有效值电流，等于电流波形系数(电流波形系数Kf 定义为电流有效值与电流平均值之比)和通态平均电流IF之乘 积，例如一只额定电流IF＝100A的晶闸管，其允许的有效值 电流为157A。 （2）维持电流IH（Holding current） 指在室温和门极开路时，逐渐减小导通状态下晶闸管的 阳极电流，最后能维持晶闸管持续导通所必须的最小阳极电 流，结温越高，维持电流IH越小，晶闸管越难关断。
和第三象限都能导通，同时控制极可正可负，故有四种触发
方式，通常称为I+、I-、III+、III-触发。 四种触发方式的灵敏度各不相同，其中III+方式最低，
因此，在实际应用中只采用（I+、III-）和（I-、III-）两组触
发方式。
平板形晶闸管与散热器
晶闸管内部结构如图 9.1.2（a）所示，由P1-N1P2-N2四层半导体通过一定 工艺制造而成。其间形成三 个PN结（J1、J2、J3结）， 分别从P1区引出阳极A，从 P2区引出门极G，从N2区引 出阴极K。晶闸管结构示意 图如9.1.2（b）所示。 图9.1.2 晶闸管内部结构 （a）内部结构 （b）结构示意图
9.1.2 晶闸管工作原理 一、晶闸管的导通实验 晶闸管导通实验电路如图9.1.3所示。实验步骤如下：
图9.1.3 晶闸管的导通实验 （a）晶闸管正偏但未加触发电压 （b）晶闸管正偏加触发电压后导通 （c）晶闸管正偏切断触发电压仍导通
首先将晶闸管阳极A经灯泡接阳极电源VAA的正端，阴 极接VAA的负端，晶闸管正向偏置，开关S断开，门极G不加 触发电压UG（电池），如图9.1.3（a）所示。此时灯不亮， 说明晶闸管没有导通。然后合上开关S，门极G加上正极触发 电压UG，于是灯亮了，说明晶闸管已导通，如图9.1.3（b） 所示。最后，将开关S打开，切断门极的触发电压UG，发现 灯仍亮着，说明晶闸管维持导通，如图9.1.3（c）所示。 进一步的实验发现，假若门极加的是负极性触发电压， 则无论晶闸管正向偏置还是反向偏置（阳极接电源负端，阴 极接电源正端），灯都不亮，说明晶闸管不能导通（称之为 关断或阻断）；假若门极加的是正极性电压，而晶闸管反偏， 灯也不会亮，说明晶闸管也不能导通。
流），在不同的门极触发电流IG作用下经不同的转折电压UBO
和负阻区（电流增加，电压减小），到达正向导通状态（低 电压，大电流）。
正向导通特性和一般二要管的正向导通特性一样，门极
触发电流IG越大，转折电压UBO越低。
当IG=0时，晶闸管正向电压UAK增大到转折电压UBO前，器 件处于正向阻断状态，其正向漏电流随UAK电压增高而逐渐增 大，当UAK达到UBO时管子将突然从阻断状态转为导通状态， 导通后器件的特性与整流二极管正向伏安特性相似。 当通入门极电流IG且足够大时，正向转折电压降至极小， 使晶闸管像整流二极管一样，一加上正向阳极电压就导通，这
二、晶闸管的工作原理 上述晶闸管导通实验，说明了晶闸管导通和关断的外部 条件，下面从晶闸管内部结构分析其工作原理。 普通晶闸管的内部 四层（P1-N1-P2-N2） 结构可以等效为两个晶 体三极管V2（PNP管） P1-N1-P2和V1（NPN管） N1-P2-N2互联，如图 9.1.4所示。 图9.1.4 晶闸管的工作原理 （a）内部结构 （b）等效电路
(2) 门极触发电压UG 指产生门极触发电流IG所必须的最小门极电压。
三、国产晶闸管的型号
按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：
如KP100-12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V， 管压降（通态平均电压）为1V的普通型晶闸管。
有的制造厂采用老型号3CT口/口。如3CT100/800表示额 定电流为100A，额定电压为800V的可控硅整流元件，即现在 定名的晶闸管。3CTK为快速管，3CTS为双向管。
（3）掣住电流IL（Latching current）
指晶闸管触发后，刚从正向阻断状态转入导通状态，在立 刻撤出门极触发信号后，能维持晶闸管导通状态所需要的最小 阳极电流。晶闸管的擎住电流IL通常是其维持电流的2~4倍。
3. 晶闸管的控制极参数
(1) 门极触发电流IG（Gate trigger current） 在室温下，晶闸管施加6V的正向阳极电压时，使元件从 正向阻断到完全导通所必须的最小门极电流。
种导通称为触发导通。
当已导通的管子的阳极电流IA减小到维持电流IH时，管子 又从导通返回正向阻断，晶闸管只能稳定工作在阻断与导通两
个状态。
第III象限反向特性区是晶闸管反向阻断状态，反映阳极 电压和阳极反向电流之间的关系，与一般二极管的反向阻断 特性类似，晶闸管加反向阳极电压时，只流过很小的反向漏 电流，当反向电压升高到UBR时，管子反向击穿，UBR称为反 向击穿电压。
9.1.3 伏安特性及主要参数 一、伏安特性 晶闸管阳极阴极间施加的电压UAK与流过其间电流IAK之间 的关系称为晶闸管的伏安特性，如图9.1.5所示，它由第I象限 正向特性区和第Ⅲ象限反向特性区组成。
图9.1.5 晶闸管的伏安特性
第1象限为正向伏安特性，是晶闸管由正向阻断状态到正 向导通状态的特性，正向阻断状态的高阻区（高电压、小电
第9章 晶闸管电路及其应用
9.1 晶闸管结构及工作原理
9.2 单相可控整流电路 9.3 触发电路 9.4 晶闸管电路应用、电路调试示例
本章教学目标
1、了解普通晶闸管的结构、工作原理、伏安特性、主要参 数，熟悉电路符号。 2、了解双向晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管工作原理、 电路符号，了解温控晶闸管工作原理。 3、熟悉单相可控整流电路的工作原理，会对电路参数进 行计算。 4、了解单结晶体管的基本特性，熟悉单结晶体管触发电 路组成及其应用。了解触发二极管及其应用。 5、选学晶闸管应用示例，固态继电器原理、分类、主要 特点、电路调试方法。
当晶闸管导通后，由于晶闸管的正反馈过程的存在，即ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ使晶闸管门极触发电流iG消失，晶闸管仍然可以保持导通状 态，因此晶闸管门极触发电流iG可以采用脉冲电流触发。 要使导通的晶闸管关断，只有去掉门极触发电流iG，同 时减小晶闸管阳极阴极间电流iAK，当iAK小于一定值（即晶闸 管的维持电流iH，此电流一般为mA级）时，晶闸管的正反馈
（3）反向转折电压UBR 就是反向击穿电压。 （4）反向重复峰值电压URRM 指门极开路，晶闸管结温为额定值，允许重复施加在晶 闸管上的反向峰值电压。
U RRM U BR 100V
（5）额定电压UT 通常用UDRM和URRM中较小者，再取相应于标准电压等级 中偏小的电压值作为晶闸管的标称额定电压。在1000V以下， 每100V一个等级；在1000~3000V，则是每200V一个等级。为 了防止工作中的晶闸管遭受瞬态过电压的损害，通常取电压安 全系数为2~3，例如器件在工作电路中可能承受到的最大瞬时 值电压为UTM，则取额定电压UT=（2~3）UTM。 （6）通态正向平均电压UF
晶闸管是电力电子器件，工作时发热量大，必须安装散 热器。图9.1.1（b）、（c）为螺栓式（中功率），使用时必 须紧栓在散热器上，它的螺旋端为阳极，另一较粗端为阴极， 引线较细的为门极。图9.1.1（d）为平板式，使用时由两个 彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。冷却方式有自然冷却、 强风冷却、液体介质循环冷却等。
9.1.1 晶闸管的结构、电路符号 晶闸管有三个电极：阳极A，阴极K，门极 (控制极)G， 根据外形可把晶闸管分为螺栓式、平板式和小电流塑封式，外 形图如图9.1.1所示，图形符号如图9.1.1（e）所示，晶闸管在 电路中用文字符号“”、“”表示（旧标准中用字母“”表 示）。
图9.1.1 晶闸管的外形与图形符号
图9.1.6为双向晶闸管的结构、符号和二象限标注的门 极触发特性。
图9.1.6 双向晶闸管的结构、符号和特性 （a）结构图 （b）电路符号 （c）伏安特性
与普通晶闸管不同的是，双向晶闸管有四个PN结，采
用结型门极结构，门极下面不仅有P型层，同时还有N型层，
门极的极性可正可负，以便开通两个反并联的晶闸管； 它是一种交流元件，其伏安特性是对称的，在第一象限
过程受到破坏，不能重新建立时，晶闸管就由导通状态变成
截止状态（阻断状态）。
普通晶闸管器件具有如下特性：
（1）晶闸管具有正向阻断特性，当外加正向电压时管子还 不能导通，晶闸管触发导通的条件是阳极和阴极间须施加正 向电压UAK，门极对阴极施加一定功率的正向触发电流iG脉冲。 （2）晶闸管的关断条件是阳极阴极间电流iAK小于晶闸管的 维持电流iH，可采用降低阳极电源电压，或增加阳极回路电阻 的方法来实现。 （3）晶闸管一旦触发后，门极便失去控制作用，属于半控 型电力电子器件。 （4）晶闸管在阳极阴极间施加正向电压UAK时，可通过门 极触发电流iG来控制晶闸管的导通和关断，当晶闸管施加反向 电压UAK时，无论门极触发电流iG脉冲如何，晶闸管则完全处 于关断状态，因而晶闸管具有单向导电性。
9.1 晶闸管结构及工作原理 晶闸管（Hhyristor）全称硅晶体闸流管，又称可控硅 （Silicon controlled rectifier简写为SCR）。 它于1957年问世后，因具有体积小、重量轻、抗震动、 效率高、容量大、耐高压、无火花、寿命长、可控性能好等 优点，在二十世纪六、七十年代获得迅速发展，除器件本身 性能不断提高外，还派生出快速晶闸管、可关断晶闸管、逆 导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管等，形成晶闸管系列。 本书如不特别说明，所述晶闸管为普通晶闸管。