电力电子晶闸管

2.3 半控型器件—晶闸管

全称晶体闸流管，又称可控硅整流器（SCR）。

1、晶闸管的结构与工作原理

晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图如图1所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。可等效为PNP和NPN 两个三极管。

图1 晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图

晶闸管的工作原理是：门极电流I↑→I↑→I(I)↑→Ic↑→I↑，阳极A、阴极K饱Kb21b1c2G和导通。

2、晶闸管工作特点是：

（1）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。

（2）承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。

（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

（4）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。3、闸管静态特性

晶闸管静态V-I特性曲线图如图2所示。

图2 晶闸管静态V-I特性曲线图

（1）正向特性：I=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向G阻断状态。正向电压超过正向转折电压U bo，则漏电流急剧增大，器件开

通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。

（2）反向特性：反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。

4、动态特性

晶闸管的开通和关断过程波形如图3所示。

图3晶闸管的开通和关断过程波形

（1）开通过程：延迟时间t：0.5~1.5?s。上升时间t：0.5~3?s。开通时间t：以gtrd上两者之和，t=t+ t。rgtd（2）关断过程：反向阻断恢复时间t，正向阻断恢复时间t，关断时间t是以上两qrrgr者之和t=t+t。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。grqrr5、晶闸管的主要参数

（1）电压定额

断态重复峰值电压U：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的DRM 正向峰值电压。

反向重复峰值电压U：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的RRM 反向峰值电压。

通态（峰值）电压U：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T电压。

（2）电流定额

通态平均电流I：在环境温度为40?C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额T(A V)定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其为额定电流参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。

维持电流I：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。H擎住电流I：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L小电流。对同一晶闸管来说，通常I约为I的2~4倍。HL浪涌电流I：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TSM正向过载电流。

（3）动态参数

除开通时间t和关断时间t外，还有以下几个参数：qgt断态电压临界上升率

d u/d t：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。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

通态电流临界上升率d i/d t：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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。

6、晶闸管的触发电路

（1）触发电路要求

晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：

（a）脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；触发脉冲应有足够的幅度。

（b）不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。

（c）有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

理想的晶闸管触发脉冲电流波形如图4所示。

图4 理想的晶闸管触发脉冲电流波形

t~t?脉冲前沿上升时间（<1?s）。t~t?强脉宽度。I?强脉冲幅值（3I~5I）。GT11GT2 3 M

t1~t4 ?脉冲宽度。I ?脉冲平顶幅值（1.5I~2I）。GTGT（2）晶闸管触发电路

如图5所示。VT构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环回流VD1导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。?VT节。．

（或续流）二极管；VD2整流（或检波）二极管；VD3是保护二极管，当脉冲变压器反相输出时，使加到门极和阴极反相电压小于0.7V。电路中电阻的作用是限流。电容的作用是加大初始电流以加速晶闸管导通，也称加速电容。

图5 常见的晶闸管触发电路

7、晶闸管的派生器件

（1）双向晶闸管：集成了两个反向并联晶闸管，共用一个门极，符号及特性见教材32页。

（2）逆导晶闸管：集成了晶闸管和反向并联二极管，正向触发导通，反向不控导页。32通，符号及特性见教材．