【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ctifier—— SCR） ，以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅。 ■ 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（ Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，1957年美國(guó)通用電氣公司（ General Electric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于 1958年使其商業(yè)化。 ■ 其承受的 電壓和電流容量 仍然是目前電力電子器件中最高，而且工作可靠，因此在 大容量 的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。 晶閘管及模塊 49/89 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ■ 晶閘管的結(jié)構(gòu) ◆ 從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有 螺栓型 和 平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 ◆ 引出 陽(yáng)極 A、 陰極 K和門(mén)極（控制端） G三個(gè)聯(lián)接端。 ◆ 內(nèi)部是 PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 圖 27 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) 50/89 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖 28 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 ■ 晶閘管的工作原理 ◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程： 111 C B OAc III ?? ?222 C B OKc III ?? ?GAK III ??21 ccA III ??（ 22） （ 21） （ 23） （ 24） 式中 ?1和 ?2分別是晶體管V1和 V2的共基極電流增益；ICBO1和 ICBO2分別是 V1和 V2的共基極漏電流。 51/89 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ◆ 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 ? 是很小的，而當(dāng) 發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， ? 迅速增大。 ◆ 在晶體管 阻斷狀態(tài) 下， IG=0，而 ?1+?2是很小的。由上式 可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管 漏電流之和。 ◆ 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致 ?1+?2趨近于 1的話，流過(guò)晶閘管的電流 IA（陽(yáng)極電流） 將 趨近于 無(wú)窮大 ，從而實(shí)現(xiàn)器件 飽和導(dǎo)通 。 ◆ 由于外電路負(fù)載的限制， IA實(shí)際上會(huì)維持 有限值 。 )(1 21C B O 2C B O 1G2A ???????? IIII 由以上式（ 21） ~（ 24）可得 (25) 52/89 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ■ 除門(mén)極觸發(fā)外 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 ◆ 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成 雪崩效應(yīng) ◆ 陽(yáng)極電壓上升率 du/dt過(guò)高 ◆ 結(jié)溫 較高 ◆ 光觸發(fā) ■ 這些情況除了 光觸發(fā) 由于可以保證控制電路與 主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中 之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只 有 門(mén)極觸發(fā) 是最精確、迅速而可靠的控制手段。 53/89 晶閘管的基本特性 ■ 靜態(tài)特性 ◆ 正常工作時(shí)的特性 ? 當(dāng)晶閘管承受 反向電壓 時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 ? 當(dāng)晶閘管承受 正向電壓 時(shí)，僅在 門(mén)極 有 觸發(fā)電流 的情況下晶閘管才能開(kāi)通 。 ? 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 ? 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的 電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。 54/89 晶閘管的基本特性 ◆ 晶閘管的伏安特性 ? 正向特性 √當(dāng) IG=0時(shí) ， 在器件兩端施加正向電壓 ， 則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài) ， 只有很小的正向漏電流流過(guò) 。 √如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓 Ubo， 則漏電流急劇增大 ， 器件 開(kāi)通 。 √隨著 門(mén)極電流幅值 的增大 ， 正向轉(zhuǎn)折電壓 降低 ， 晶閘管本身的壓降很小 ， 在 1V左右 。 √如果門(mén)極電流為零 ， 并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值 IH以下 ， 則晶閘管又回到 正向阻斷 狀態(tài) ， IH稱(chēng)為 維持電流 。 圖 29 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O + U A U A I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 55/89 晶閘管的基本特性 ? 反向特性 √其伏安特性類(lèi)似 二極管 的反向特性。 √晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的 反向漏電流 通過(guò)。 √當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到 反向擊穿電壓 后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖 29 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O + U A U A I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 56/89 晶閘管的基本特性 ■ 動(dòng)態(tài)特性 ◆ 開(kāi)通過(guò)程 ? 陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是 瞬時(shí)： 晶閘管內(nèi)部的 正反饋過(guò)程 需要時(shí)間； 外電路電感 的限制 ? 延遲時(shí)間 td (~?s) 上升時(shí)間 tr (~3?s) 開(kāi)通時(shí)間 tgt=td+tr ? 延遲時(shí)間隨 門(mén)極電流 的增大而減小 ,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外 ， 還受到 外電路電感的嚴(yán)重影響 。 提高 陽(yáng)極電壓 ,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短 。 圖 210 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的 90% 100% 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的 10% 57/89 晶閘管的基本特性 ◆ 關(guān)斷過(guò)程 ? 由于 外電路電感 的存在，原處 于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突 然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流 在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。 ? 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間 trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間 tgr 關(guān)斷時(shí)間 tq=trr+tgr ? 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 ? 在 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間 內(nèi)如果重 新對(duì)晶閘管施加 正向電壓 ，晶閘管 會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門(mén)極電 流控制而導(dǎo)通。 圖 210 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 100% 反向恢復(fù)電流最大值 尖峰電壓 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 58/89 晶閘管的主要參數(shù) ■ 電壓定額 ◆ 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 UDRM ? 是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許 重復(fù) 加在器件上的 正向 峰值電壓 （見(jiàn)圖 29）。 ? 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓） UDSM的 90%。 ? 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于 正向轉(zhuǎn)折電壓 Ubo。 ◆ 反向重復(fù)峰值電壓 URRM ? 是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許 重復(fù) 加在器件上的 反向 峰值電壓 （見(jiàn)圖 28）。 ? 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓 URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓） URSM的 90%。 ? 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于 反向擊穿電壓 。 59/89 晶閘管的主要參數(shù) ◆ 通態(tài)（峰值）電壓 UT： 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電 壓。 ◆ 額定電壓： 通常取晶閘管的 UDRM和 URRM中較小的標(biāo)值。 選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓 2~3倍 。 ■ 電流定額 ◆ 通態(tài)平均電流 IT(AV） ? 國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為 40?C和規(guī)定的 冷 卻狀態(tài) 下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 ? 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的 發(fā)熱效應(yīng) 來(lái)定義的。 ? 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的 ~2倍。 60/89 晶閘管的主要參數(shù) ◆ 維持電流 IH ? 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的 最小 電流， 一般為幾十到幾百毫安。 ? 結(jié)溫 越高，則 IH越小。 ◆ 擎住電流 IL ? 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào) 后，能維持導(dǎo)通所需的 最小 電流。 ? 約為 IH的 2~4倍 ◆ 浪涌電流 ITSM ? 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的 不重復(fù)性 最大正向過(guò)載電流 。 61/89 晶閘管的主要參數(shù) ■ 動(dòng)態(tài)參數(shù) ◆ 開(kāi)通時(shí)間 tgt和關(guān)斷時(shí)間 tq ◆ 斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt ? 在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的 外加電壓最大上升率 。 ? 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 ◆ 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt ? 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的 最大通態(tài)電流上升率 。 ? 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。 62/89 晶閘管的派生器件 ■ 快速晶閘管（ Fast Switching Thyristor——FST） ◆ 有 快速晶閘管 和 高頻晶閘管 。 ◆ 快速晶閘管的 開(kāi)關(guān)時(shí)間 以及 du/dt和 di/dt的耐量都有了 明顯改善。 ◆ 從 關(guān)斷時(shí)間 來(lái)看，普通晶閘管一般為 數(shù)百 微秒，快速 晶閘管為 數(shù)十 微秒，而高頻晶閘管則為 10?s左右。 ◆ 高頻晶閘管的不足在于其 電壓 和 電流 定額都不易做高。 ◆ 由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的 通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其 開(kāi)關(guān)損耗 的發(fā)熱效應(yīng)。 63/89 晶閘管的派生器件 a) b) I O U I G = 0 G T 1 T 2 ■ 雙向晶閘管 （ Triode AC Switch—— TRIAC或Bidirectional triode thyristor） ◆可以認(rèn)為是一對(duì) 反并聯(lián)聯(lián) 接 的普通晶閘管的集成 。 ◆門(mén)極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ 和第 III象限有 對(duì)稱(chēng)的伏安特性 。 ◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值 來(lái)表示其額定電流值。 圖 211 雙向晶閘管的電氣圖形 符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 64/89 晶閘管的派生器件 a) K G A b) U O I I G = 0 ■ 逆導(dǎo)晶閘管 （ Reverse Conducting Thyristor——RCT） ◆是將 晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管 制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受 反向電壓 的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。 ◆具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。 圖 212 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào) 和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 65/89 晶閘管的派生器件 A G K a) AK 光強(qiáng)度 強(qiáng) 弱 b) O U I A ■ 光控晶閘管 （ Light Triggered Thyristor——LTT） ◆是利用一定波長(zhǎng)的 光照信號(hào) 觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 ◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的 絕緣 ，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在 高壓大功率的場(chǎng)合 。 圖 213 光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 66/89 典型全控型器件