晶闸管及其电路

第12章晶闸管及其电路

本章要点

● 晶闸管结构、符号、工作原理与伏安特性

● 单相桥式半控整流电路

● 单结晶体管结构与工作原理

● 双向晶体管结构与工作原理

本章难点

电阻性负载和电感性负载的单相桥式半控整流电路工作原理

晶体闸流管简称晶闸管(T)，曾经称做可控硅(SCR)，是一种功率半导体元件。它具有体积小、重量轻、效率高、使用维护方便等优点，在电机控制、电磁阀控制、灯光控制、稳压控制、逆变电源等方面有普遍的应用。

12.1 晶闸管概述

晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。从控制的观点看，它的功率放大倍数很大，用几十到一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压，换句话说，它的功率放大倍数可以达到数十万倍以上。由于元件的功率增益可以做得很大，所以在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以发挥作用。从电能的变化与调节方面看，它可以实现交流—直流、直流—交流、交流—交流、直流—直流以及变频等各种电能的变换和大小的控制。

晶闸管是半导体型功率器件，对超过极限参数运用很敏感，实际运用时应该注意留有较大电压、电流余量，并应尽量解决好器件的散热问题。我国自己生产的晶闸管都是大型的，电流上千安培，甚至要通水冷却。国外厂家则推出许多小功率

的塑料封装晶闸管，外型像晶体三极管，使得晶闸管广泛应用于消费类电子产品中(如彩电电源保护、电子调光灯)。

根据结构及用途的不同，晶闸管有很多类型，比较常用的有普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、无控制晶闸管、光控晶闸管和热敏晶闸管等。

12.2 晶闸管

12.2.1 晶闸管结构、符号与外形

晶闸管的外形有螺栓形、平板形和金属外壳、塑料外壳等不同形式，如图

12-1所示。由于晶闸管一般用于高压大电流的场合，常常需要加散热片，所以其外形都制造得易于安装和散热。

晶闸管的内部结构示意图和图形符号如图12-2所示。它由PNPN四层半导体构成，其间形成三个PN结，引出三个电极，分别为阳极a、阴极k和控制极g。

图12-1 晶闸管的外形图图12-2 晶闸管的内部结构和符号

12.2.2 晶闸管的工作原理

为了说明晶闸管的工作原理，可将晶闸管等效地看成由PNP和NPN型两个三极管连接而成，每个三极管基极与另一个三极管的集电极相连，如图11-3所示，阳极a相当于PNP型三极管T2的发射极，阴极k相当于NPN型T1三极管的发射极。

图12-3 等效电路

若按图12-4所示电路图连接，在晶闸管阳极a和阴极k之间加正向电压，同时在控制极g和阴极k之间也加正向电压时，则可使晶闸管导通。导通过程如下：电源UGG在NPN型三极管T1的发射结上加了正向偏转装置，使T1导通，形成基极电流IG和集电极电流β1IG。而PNP型三极管T2的基极电流即是T1的集电极电流β1IG，且T2发射结也为正向偏置，所以T2导通，其集电极电流

IC2=β1β2IG，IC2又流入T1基极，再一次放大，形成正反馈。在很短的时间内(一般不超过几微秒)使两个三极管均达到饱和导通的状态，从而使晶闸管去掉触发电压UGG，晶闸管仍能靠正反馈维持导通。综上所述，控制极的作用只是使晶闸管触发导通，而导通后，控制极就失去了控制作用，所以控制极g又称

做门极。

晶闸管导通后，其正向压降一般为0.6～1.2V，电源电压几乎全部加在负载上。如果由于负载变动，使阳极电流IA减少到小于某一数值IH时，晶闸管就不能维持正反馈过程而变为关断，此时称为正向阻断，IH称为维持电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压时，晶闸管亦不可导通，称为反向阻断。

图12-4 晶闸管的导通原理

综上所述，晶闸管的导通条件为：

(1) 在阳极和阴极间加正向电压。

(2) 在控制极和阴极间加正向触发电压。

(3) 阳极电流不小于维持电流。

12.2.3 晶闸管的伏安特性及其主要参数

1. 晶闸管的伏安特性

晶闸管的伏安特性如图12-5所示。以下分别讨论其正向特性和反向特性。

(1) 正向特性

当U >0时对应的曲线称正向特性。由图12-5可看出，晶闸管的正向特性可分为阻断状态OA段和导通状态BC段两个部分。当控制极电流IG＝0时，逐渐增大正向电压U，观察阳极电流I的变化情况。开始时，三个PN结中有一个为反向偏置，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。当电压加大到正向转折电压(即U＝UBO)时，晶闸管突然导通，进入伏安特性的BC段。此时晶闸管可通过较大的电流，而管压降很小。这种导通方法极易造成晶闸管击穿而损坏，所以应尽量避免。若在控制极与阴极间加上触发电压，则会降低转折电压。控制极电流IG越大，转折电压就越低(IG2>IG1>0)。导通后，若电流降低到小于维持电流IH时，晶闸管将由导通变为关断。

(2) 反向特性

当U<0时，对应的曲线称为反向特性。当晶闸管加反向电压时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流IR。反向电压增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压UBR。晶闸管的反向特性与二极管相似，此时，晶闸管状态与控制极上是否加触发电压无关。

图12-5 晶闸管的伏安特性

2. 晶闸管的主要参数

(1) 正向重复峰值电压UDRM

控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般UDRM 与正向转折电压UBO之间的关系为UDRM = UBO·80%。

(2) 反向重复峰值电压URRM

控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的反向电压。一般URRM与反向转折电压UBR之间的关系为URRM = UBR·80%。

(3) 额定正向平均电流IF

在规定环境温度(不高于40℃)和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管的工频正弦波电流的平均值。

(4) 维持电流IH