第八章电力电子学——可控硅及其基本电路 81晶闸管 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件,它是一种 可控制的硅整流元件,亦称可控硅。 晶闸管的结构和符号 闸管的外形如图8.I所示,分为螺栓形和平板形两种,螺栓形带有螺栓的那一端是 阳极A,它可与散热器固定,另一端的粗引线是阴极K,细线是控制极(又称门极)G,这种 结构更换元件很方便,用于100A以下的元件。平板形,中间的金属环是控制极G,离控制 极远的一面是阳极A,近的一面是阴极K,这种结构散热效果比较好,用于200A以上的元 螺栓形 平板形 图81晶闸管的外形 晶闸管是由四层半导体构成的。图82(a)、(b)、(c)所示分别为螺栓形晶闸管的内部 结构、晶闸管的结构示意和表示符号。 K 1-铜底座 2-钼片 3-铝片 4金锑合金片 5-金粑片 6-硅片 (a)内部结构 (b)结构示意c)表示符号
第八章 电力电子学——可控硅及其基本电路 8.1 晶闸管 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种 可控制的硅整流元件，亦称可控硅。 一．晶闸管的结构和符号 晶闸管的外形如图 8.1 所示，分为螺栓形和平板形两种，螺栓形带有螺栓的那一端是 阳极 A，它可与散热器固定，另一端的粗引线是阴极 K，细线是控制极(又称门极)G，这种 结构更换元件很方便，用于 100A 以下的元件。平板形，中间的金属环是控制极 G，离控制 极远的一面是阳极 A，近的一面是阴极 K，这种结构散热效果比较好，用于 200A 以上的元 件。 图 8.1 晶闸管的外形 晶闸管是由四层半导体构成的。图 8.2(a)、（b）、（c）所示分别为螺栓形晶闸管的内部 结构、晶闸管的结构示意和表示符号。 （a）内部结构 （b）结构示意 （c）表示符号
图8.2晶闸管的结构示意和表示符号 简单地说,晶闸管的结构是由四层半导体材料叠成三个PN结,并在对应的半导体材料 上引出了三个电极。这三个电极分别称为:A—阳极,G一控制极,K一阴极。 、晶闸管的工作原理 1.工作原理 从晶闸管的内部结构分析,可以将晶闸管等效为以如图所示方式相连接的NPN和PNP 两个三极管VT、ⅥT2。设三极管T1和12的放大倍数分别为1、B2。 P P BAI B 图8.3晶闸管的工作原理图 当A-K间加正向电压时: VTI、VT2正向偏置。若在G一K间施加正向电压,则会在三极管VTl的基极产生初 始触发电流lg°由于VT2和VT1之间各自的集电极和对方的基极相连,经vT放大后 的电流回到VT2的基极,从而形成强烈的电流正反馈。晶闸管能在几微秒的时间内完成导 通过程。 当A-K间加反向电压时 VTl、VT2反向偏置,无论G-K端为正或反向电压。晶闸管不能导通。 2.实验分析 如图84(a)所示,主电路加上交流电压~n2,控制极电路接入Eg,在瞬间合上开关S, 在t4瞬间拉开开关S,则~2、U2和电阻R1上的电压l4的波形关系如图84(b)所示
图 8.2 晶闸管的结构示意和表示符号 简单地说，晶闸管的结构是由四层半导体材料叠成三个 PN 结，并在对应的半导体材料 上引出了三个电极。这三个电极分别称为：A—阳极，G—控制极，K—阴极。 二、晶闸管的工作原理 1. 工作原理 从晶闸管的内部结构分析，可以将晶闸管等效为以如图所示方式相连接的 NPN 和 PNP 两个三极管 VT1、VT2。设三极管 VT1 和 VT2 的放大倍数分别为 β1 、 β2。 图 8.3 晶闸管的工作原理图 当 A－K 间加正向电压时： VT1、VT2 正向偏置。若在 G－K 间施加正向电压，则会在三极管 VT1 的基极产生初 始触发电流 gI 。由于 VT2 和 VT1 之间各自的集电极和对方的基极相连， gI 经 VT1 放大后 的电流回到 VT2 的基极，从而形成强烈的电流正反馈。晶闸管能在几微秒的时间内完成导 通过程。 当 A-K 间加反向电压时： VT1、VT2 反向偏置，无论 G-K 端为正或反向电压。晶闸管不能导通。 2．实验分析 如图 8.4(a)所示，主电路加上交流电压 ~ 2 u ，控制极电路接入 Eg ，在 1 t 瞬间合上开关 S， 在 4t 瞬间拉开开关 S，则 ~ u2 、U g 和电阻 RL 上的电压ud 的波形关系如图 8.4（b）所示
RI (a)实验电路 (b)波形图 图84晶闸管的工作原理 由图84(b)可见 (1)在0~1之间,开关S未合上,控制极对阴极的电压为0,尽管阳极对阴极的电压 为正,但u为0,即晶闸管未导通; (2)在1~12之间,阳极对阴极的电压为正,由于开关S合上,使得控制极对阴极的 电压也为正,u≈l2,即晶闸管导通,晶闸管压降很小,电源电压u2加于电阻R1上 (3)在12~t3之间,阳极对阴极的电压为负,尽管控制极对阴极的电压也为正,ua=0, 即晶闸管关断 (4)在t3~4之间所以,晶闸管的阳极对阴极又开始承受正向电压,这时,控制极对 阴极有正电压ug=E,所以,晶闸管又导通,电源电压n2再次加于RL上 (5)当t=4时,Mg=0但由于这时晶闸管处于导通状态,则维持导通:当t=t5时,由 于u2=0,晶闸管关断,晶闸管处于阻断状态 综上所述可得以下结论: (1)正常去年情况下,若控制极不加正向电压,则不论阳极加正向电压还是反向电压, 晶闸管均不导通,这说明晶闸管具有正、反向阻断能力 (2)晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时才能使晶闸管导通,这是晶闸管导通必 须同时具备的两个条件;
（a）实验电路 （b）波形图 图 8.4 晶闸管的工作原理 由图 8.4（b）可见： （1）在0 ~ 1t 之间，开关 S 未合上，控制极对阴极的电压为 0，尽管阳极对阴极的电压 为正，但ud 为 0，即晶闸管未导通； （2）在 1 ~ 2 t t 之间，阳极对阴极的电压为正，由于开关 S 合上，使得控制极对阴极的 电压也为正，ud ≈ u2 ，即晶闸管导通，晶闸管压降很小，电源电压u2 加于电阻 RL 上； （3）在 2 ~ 3 t t 之间，阳极对阴极的电压为负，尽管控制极对阴极的电压也为正，ud = 0 ， 即晶闸管关断； （4）在 3 ~ 4 t t 之间所以，晶闸管的阳极对阴极又开始承受正向电压，这时，控制极对 阴极有正电压 g Eg u = ，所以，晶闸管又导通，电源电压u2 再次加于 RL 上； （5）当 4 t = t 时， 0 ug = 但由于这时晶闸管处于导通状态，则维持导通；当 5 t = t 时，由 于 0 u2 = ，晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 综上所述可得以下结论： （1）正常去年情况下，若控制极不加正向电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压， 晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时才能使晶闸管导通，这是晶闸管导通必 须同时具备的两个条件；
(3)在晶闸管导通之后,其控制极就失去控制作用,欲使晶闸管恢复阻断状态,必 须把阳极正向电压降低到一定值(或断开,或反向)。 (4)晶闸管导通后,两只三极管饱和导通,阳极与阴极间的管压降为IV左右,而电 源电压几乎全部分配在负载电阻R上。晶闸管的PN结可通过几十安~几千安的电流。晶 管触发导通的时间为几微秒。 三、晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和阳极电流之间的关系,称为晶闸管的伏安特性,如图8 所示。 导通状态 关断状态 Ue Ual UosM 图85晶闸管的伏安特性 (1)正向阻断状态:晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压,而晶闸管控制极开路 (g=0)情况下,开始元件中有很小的电流(称为正向漏电流)流过,晶闸管阳极与阴极 间表现出很大的电阻,处于截止状态(称为正向阻断状态),简称断态。图中第一象限红色 段曲线 (2)正向击穿:在控制极开路的情况下,当阳极电压上升到某一数值时,晶闸管突然 由阻断状态转化为导通状态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压(UsM),或称正 向转折电压(UBo)。导通后,元件中流过较大的电流,其值主要由限流电阻(使用时由负 载)决定。图中第一象限绿色段曲线。 (3)正向导通状态:晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压,晶闸管控制极加上正向电 压的情况下,晶闸管导通,阳极电流的大小由负载决定,阳极和阴极间的管压降很小。图中 第一象限绿色段曲线 (4)反向截止状态:在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时,开始晶闸管处于反向阻
（3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必 须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。 （4）晶闸管导通后，两只三极管饱和导通，阳极与阴极间的管压降为 1V 左右，而电 源电压几乎全部分配在负载电阻 RL 上。晶闸管的 PN 结可通过几十安~几千安的电流。晶闸 管触发导通的时间为几微秒。 三、晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和阳极电流之间的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图 8.5 所示。 图 8.5 晶闸管的伏安特性 （1）正向阻断状态：晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压，而晶闸管控制极开路 （ I g = 0 ）情况下，开始元件中有很小的电流（称为正向漏电流）流过，晶闸管阳极与阴极 间表现出很大的电阻，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。图中第一象限红色 段曲线。 （2）正向击穿：在控制极开路的情况下，当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然 由阻断状态转化为导通状态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压（U DSM ），或称正 向转折电压（U BO）。导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻（使用时由负 载）决定。图中第一象限绿色段曲线。 （3）正向导通状态：晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压，晶闸管控制极加上正向电 压的情况下，晶闸管导通，阳极电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。图中 第一象限绿色段曲线。 （4）反向截止状态：在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻
断状态,只有很小的反向漏电流流过。图中第三象限黄色段曲线 (5)反向击穿:当反向电压增大到某一数值时,反向漏电流急剧增大,这时,所对应的 电压称为反向不重复峰值电压(UgsM),或称反向转折(击穿)电压(UB)。图中第三象 限绿色段曲线 可见,晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。 四、晶闸管的主要参数 为了正确选用晶闸管元件,必须要了解它的主要参数,一般在产品目录上给出了参数 的平均值或极限值,产品合格证上标有元件的实测数据。 1断态重复峰值电压UpM 在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压 其数值规定比实测正向转折电压小100V。在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量,一般 保证晶闸管实际承受的最大正向电压等于(2~3)UpM 2反向重复峰值电压UkgM 在控制极断路时,可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压,此电压数值规定比实测 反向击穿电压小100V。 额定通态平均电流(额定正向平均电流)1r 在环境温度不大于40°C的标准散热及全导通的条件下,晶闸管元件可以连续通过的 工频正弦半波电流(在一个周期内)的平均值,称为额定通态平均电流Ir,简称为额定电 流。即 T= Im sin ord(or)Io 通常,在晶闸管型号中标示了这个参数。我们所说的多少安的晶闸管,就是指这个Ir 需要指出的是,晶闸管的发热主要是由通过它的电流的有效值决定的,所以,在选择晶 闸管时,应考虑流过晶闸管的电流的有效值是否在允许范围内。 因为有效值= 1.57 式中K称为波形系数 可见,当晶闸管流过的电流为工频正弦半波时,晶闸管允许正向通过的电流有效值l 和它的额定通态平均电流Ir之间的数量关系为
断状态，只有很小的反向漏电流流过。图中第三象限黄色段曲线。 (5) 反向击穿：当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的 电压称为反向不重复峰值电压（U RSM ），或称反向转折（击穿）电压（U BR ）。图中第三象 限绿色段曲线。 可见，晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。 四、晶闸管的主要参数 为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数 的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。 1.断态重复峰值电压U DRM 在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压， 其数值规定比实测正向转折电压小 100V。在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般 保证晶闸管实际承受的最大正向电压等于（2~3）U DRM 。 2.反向重复峰值电压U RRM 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，此电压数值规定比实测 反向击穿电压小 100V。 3.额定通态平均电流（额定正向平均电流） TI 在环境温度不大于 40°C的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的 工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流 TI ，简称为额定电 流。即： ( ) = ∫ = π π ω ω π 0 m T m sin d 2 1 I I I t t 通常，在晶闸管型号中标示了这个参数。我们所说的多少安的晶闸管，就是指这个 TI 。 需要指出的是，晶闸管的发热主要是由通过它的电流的有效值决定的，所以，在选择晶 闸管时，应考虑流过晶闸管的电流的有效值是否在允许范围内。 因为有效值 ( ) 2 sin d 2 1 m 0 2 2 e m I I = ∫ I t t = π ω ω π 故 1.57 2 2 / m m T e = = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = = π π I I K I I 式中 K 称为波形系数。 可见，当晶闸管流过的电流为工频正弦半波时，晶闸管允许正向通过的电流有效值 e I 和它的额定通态平均电流 TI 之间的数量关系为