第1章 电力晶体管和晶闸管

降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。
综上所述：
SCR导通条件： UAK>0 同时 UGK>0 由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。 (一般通过减小EA,,直至EA<0来实现。）
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三、晶闸管的工作原理分析
在分析SCR的工作原理时，常将其等 效为两个晶体管V1和V2串级而成。
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举例：
一晶闸管用于相电压一晶闸管用于相 电压为220V 的单相电路中时，器件的 电压等级选择如下：
UT n （2 ~ 3） 2U 2 620.7V ~ 933.2V
考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：
U T n 700 V
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2. 额定电流（通态平均电流）IT(AV) 定义：在环境温度为+140度和规定的散热 条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、 工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于 170度）的电路中，结温稳定在额定值125 度时所允许的通态平均电流。
J1 J2 J3
K
G
A
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A G a)
A
图1-2 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
b)
c)
4
晶闸管的管耗和散热： 管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压 管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超 过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热 和冷却。 冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风 扇）、水冷
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六、晶闸管门极伏安特性及主要参数
1、门极伏安特性 指门极电压与电流的关系， 晶闸管的门极和阴极之间只 有一个PN结， 所以电压与 电流的关系和普通二极管的 伏安特性相似。门极伏安特 性曲线可通过实验画出，如 图1-6所示。
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2、门极几个主要参数的标准 1 ）门极不触发电压 UGD 和门极不触发电流 IGD ： 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称 为门极不触发电压UGD，相应的最大电流称为门极 不触发电流IGD。 ２）门极触发电压UGT和门极触发电流IGT 在室温下，对晶闸管加上６ V 正向阳极电压时， 使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称 为门极触发电流IGT，相应的门极电压称为门极触 发电压UGT。 ３）门极正向峰值电压 UGM 、门极正向峰值电流 IGM和门极峰值功率PGM
A P N J b) K K

I
A K
A a)
c)
图1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 2
第二节
晶 闸 管
晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普 通晶闸管也称为可控硅SCR，普通晶闸管是一种 具有开关作用的大功率半导体器件。

从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今 已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品 ； 晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几 百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电 流，实现了弱电对强电的控制 ； 晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性 好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。
图1-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
〔具体描述〕如果IG(门极电流)注入V2基极，V2导通，产生IC2（ β2IG ）。它同时 为V1的基极电流，使V1导通，且IC1= β 1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流， 从而形成强烈的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通 过SCR的电流由R确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的 饱和压降约为1V。此时，将IG调整为0，即UGK<0，也不能解除正反馈，G极失去 控制作用。
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一、晶闸管的结构



晶闸管具有四层 PNPN结构，引出阳极A、阴极K和门极 G三个联接端； 晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型； 晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散 热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由 两个散热器将其夹在中间。
A K K
G
G
P1 G N1 P2 N2 K
1 I 2


1 3 0
I M dt
1 IM 6
考虑2倍的安全雨量后得：
IM
1 6 157 192 .3 A 2
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3. 其他参数
1 ）通态平均电压 UT(AV) ：当晶闸管中流过额定电流并达 到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。通态平均电压 UT(AV) 分为 A ～ Ｉ，对应为0.4V～1.2V共九个组别。
图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG


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四、晶闸管的阳极伏安特性
2)

IA 正向 导通
反向特性
-UA
URSM URRM
IH O
IG 2
IG 1
IG=0
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。
晶闸管处于反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击 穿电压后，外电路如无限制措施，则 反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发 热损坏。
1 1 2 IT 0 ( I m sint ) d (t ) I m 2 2
平均电流IT(AV)与有效值关系为：
I
I
T
1.57
T(AV )
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流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值 也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根 据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选
用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.5～2)
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 IL ：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2~4倍。
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4)断态电压临界上升率du／dt ：在额定结温和门极 开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大 阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。 5 ）通态电流临界上升率 di ／ dt ：在规定条件下， 晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的 通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。

I T ( AV )
2

I T ( RMS ) 0.45I T ( RMS )
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3. 双向晶闸管的触发方式






双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触 发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式： Ⅰ+ 触发方式：主极 T1 为正， T2 为负；门极电压 G为正， T2 为 负。特性曲线在第Ⅰ象限。 Ⅰ- 触发方式：主极 T1 为正， T2 为负；门极电压 G为负， T2 为 正。特性曲线在第Ⅰ象限。 Ⅲ+ 触发方式：主极 T1 为负， T2 为正；门极电压 G为正， T2 为 负。特性曲线在第Ⅲ象限。 Ⅲ- 触发方式：主极 T1 为负， T2 为正；门极电压 G为负， T2 为 正。特性曲线在第Ⅲ象限。 由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏 度不相同，以Ⅲ+ 触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开， 常采用的触发方式为Ⅰ+ 和Ⅲ- 。

注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路， 而整流电路往往按直流平均值来计算，它 是以电流的平均值而非有效值作为它的电 流定额。
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闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值 Im之间的关系表示为：
I T(AV) 1 2 0 I m sin td (t )

1

Im
正弦半波电流的有效值为：
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正向特性 四、晶闸管的阳极伏安特性

晶闸管的阳极与阴 极间的电压和阳极 电流之间的关系， 称为阳极伏安特性。 （见图1-5）
雪崩 击穿
IA
正向 导通
IG2 > IG1 > IG =0 UBO U
A
图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
9
IA
四、晶闸管的阳极伏安特性
1) 正向特性 IG=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 电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏 电流急剧增大，器件开通。
UD RM Ub o +UA UD SM
雪崩 击穿
-IA

图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG

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五、晶闸管的主要参数
1. 额定电压（UTn） 1) 正向断态重复峰值电压 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) 反向阻断重复峰值电压URRM—— 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UTM——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。
第一章：电力二极管和晶闸管


第一节 电力二极管 第二节 晶闸管 第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管 本章小节
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第一节

电力二极管

电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它 与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护 元件，在各种变流电路中发挥着重要作用； 它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同， 以半导体PN结为基础； 主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管； 由一个面积较大的 PN 结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率 的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。
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通常取晶闸管的UDRM和URRM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2~3倍：
UTn＝（２～３）UTM
(在交流市电中UTM≈311V)
一般来说， SCR 的额定电压等级规范标准为：
100V~1000V，每100V一个等级；1000V～3000V， 每200V一个等级。
此时，其工作过程如下： UGK>0 → 产生IG → V2通→产生IC2 → V1 通→ IC1↗ → IC2 ↗ → 出现强烈的正反馈， G极失去控制作用，V1和V2完全饱和， SCR饱和导通。
N1 G P2 N2 K a) b) A A P1 N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K R EA
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二、晶闸管的导通和关断条件
〔简单描述〕晶闸管 SCR 相当于一个半可控的、 可开不可关的单向开关。
图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路 6
导通和关断条件
〔解释〕
当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR 始终处于关断状态；
UAK>0时，且EGk>0，SCR才能导通。 SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR 导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定； 当UAK<0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I 逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续
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第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管
一、双向晶闸管
1.双向晶闸管的外形与结构 双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、 螺栓式和平板式。但其内部是一种 NPNPN 五层结构 引出三个端线的器件。如图1-7所示。
图1-7 双向晶闸管 23
2.双向晶闸管的特性与参数

双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正 向部分位于第I象限，反向部分位于第III象限。 如图1-7（d）所示。 双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电 流之间的换算关系式为
倍的安全裕量，即
I T ( AV )
IT (1.5~2) 1.57
式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值
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举例：

有一晶闸管的电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过的 电流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？ 分析： I（TAV）=100A的晶闸管 对应的电流有效值为： IT=1.57× I（TAV） ＝157A ； 波形对应的电流有效值：

URSM URRM IH O -UA 雪崩 击穿
正向 导通
IG 2
IG 1
IG=0
UD RM Ub o +UA UD SM
-IA
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。