半控型电力电子器件晶闸管

第三讲 半控型电力电子器件—晶闸管

3.1 概述

晶闸管（Thyristor ）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier ——SCR ）。

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，开始被性能更好的全控型器件取代；

能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。 外形有螺栓型和平板型两种封装：

引出阳极(Anode)A 、阴极(Kathode)K 和门极(Gate)（控制端）G 三个联接端。

对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器(Radiator)紧密联接且安装方便；

平板型封装的晶闸管可由两个散热器(Radiator)将其夹在中间。

A

A G

G K

K

b)

c)a)

A

G

K K

G

A

P 1

N 1

P 2N 2J 1J 2J 3

图1 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

3.2 晶闸管的结构与工作原理

晶闸管可用如图2所示的等效电路来表示。

111CBO A C I I I +=α （1） 222CBO K C I I I +=α （2） G A K I I I += （3）

21C C A I I I += （4）

式中a 1和a 2分别是晶体管V 1和V 2的共基极电流增益；I CBO1和I CBO2分别是V 1和V 2的共基极漏电流。由以上式（1-1）～（1-4）可得

)

(121CBO2

CBO1G 2A ααα+-++=I I I I （5）

A

P 1

A

G

K N 1P 2

P 2N 1

N 2a)

b)

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

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：I G =0，a 1+a 2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a 1+a 2趋近于1的话，流过晶闸管的电流I A （阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。

I A 实际由外电路决定。 其他几种可能导通的情况：

1） 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应； 2） 阳极电压上升率d u /d t 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 Thyristor ——LTT ）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段

3.3 晶闸管的基本特性

3.3.1 静态特性

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能开通；

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。

晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳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I G2>I G1>I G

I

=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G

流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压U bo，则漏电流急剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”，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I H 以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。I H称为维持电流。

晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性；

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J

，其伏安特性称为门极伏安特性，如图

3

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。

I FGM

G

T

FGM I GT

G

T

G

D

I GT

I GD

图4 晶闸管门极伏安特性

3.3.2 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。

u

图5 晶闸管的开通和关断过程波形

开通过程:

开通时间gt t 包括延迟时间d t 与上升时间r t ，即

r d gt t t t += （6）

延迟时间d t ：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r t ：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0.5～1.5m s ，上升时间为0.5～3m s 关断过程:

关断时间q t ：包括 反向阻断恢复时间rr t 与正向阻断恢复时间gr t ，即

gr rr q t t t += （7）