晶闸管的阳极伏安特性和特点

晶闸管（thyristor）又称为可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）。

1.结构

普通晶闸管具有可控的单向导电性，它有三个电极：阳极A、阴极K和门极（或称控制极）G。

晶闸管的外形有螺栓形和平板形两种。螺栓形晶闸管的螺栓一端是阳极，另一端的粗引线是阴极，细引线是门极。平板形晶闸管中间金属环的细引线是门极，离门极近的一面是阴极，远的一面是阳极。由于平板形晶闸管的阳极和阴极都直接与散热器接触，故散热较好，容易制成大功率元件。一般额定电流在200 A以上的晶闸管采用平板形。

2.工作原理

晶闸管由四层半导体材料构成3个PN结：1J、J2、J3，从工作原理看，相当于一个PNP型三极管和一个NPN型三极管连接起来，等效原理图如图5-7所示。其中，NPN管用V1T，表示，PNP管用V2T表示。晶闸管的阳极A是V2T的发射极，门极G是V1T的基极和V2T的集电极，阴极K是V1T的发射极。

图5-7　晶闸管的等效原理图

当在晶闸管阳极和阴极间施加一定的正向电压而门极开路时，V1T、V2T都截止，晶闸管阳极-阴极之间没有电流通过，晶闸管不导通。

当在晶闸管阳极和阴极间施加正向电压Ua时，同时在门极和阴极间加一定的正向电压Ug时，VT1有基极电流流过，此时VT1的基极电流Ib1等于门极电流Ig，VT1导通。其集电极电流为β1Ib1，这个电流就是VT2的基极电流。因此，VT2的集电极电流为 β2β1Ib1，它又流入VT1的基极，再次放大。即

Ig=Ib1→Ic1=β1Ib1=Ib2→Ic2=β2β1Ib1

如此循环下去，V1T、V2T迅速饱和，晶闸管开通。这个过程很快，一般只有几微秒，称为触发过程。

晶闸管导通后，Ib1≥Ig，门极电压不起作用，去掉门极正向电压，晶闸管仍然保持导通。由于这个特点，加在门极上的正向电压通常为脉冲电压，称为触发脉冲。

晶闸管导通后，阳极电流的大小由阳极-阴极回路的电源电压和负载决定，如果降低电源电压或增大负载电阻，则阳极电流下降，当阳极电流减少到“维持电流”以下时，晶闸管就由导通变为关断。

由此可得出晶闸管导通和关断的条件。

晶闸管从阻断变为导通，必须同时满足两个条件，二者缺一不可：

（1）晶闸管的阳极与阴极之间必须加一定值的正向电压。

（2）晶闸管的门极与阴极之间必须加适当的正向电压。

晶闸管从导通变为关断的条件是：使晶闸管的阳极电流小于“维持电流”。将正向阳极电源电压降到接近零，或加上反向阳极电压，都能使原来导通的晶闸管关断。

3.伏安特性

1）阳极伏安特性

晶闸管阳极与阴极间的电压au和阳极电流ai的关系称为晶闸管的阳极伏安特性。

晶闸管阳极伏安特性由位于第一象限的正向特性和位于第三象限的反向特性组成，如图5-8所示。

图5-8　晶闸管的阳极伏安特性

（1）正向特性。

正向特性包括正向阻断状态（简称断态）和导通状态（简称通态）。在门极电流ig=0时（门极断路），逐渐增加晶闸管的正向阳极电压，只有很小（约几毫安）的正向漏电流，这时晶闸管处于断态。当正向阳极电压增加到断态不重复峰值电压VDSM时，正向电流开始急剧上升，继续增大正向阳极电压，晶闸管将由阻断状态突然转折为导通状态。晶闸管导通后的特性与二极管的正向特性相似，即管子通过较大的阳极电流，本身压降却很小，约为1 V。(www.xing528.com)

正常工作时，不允许把正向阳极电压加到断态不重复峰值电压来使晶闸管导通，而应靠门极输入正向触发电流gi来使晶闸管导通。从图5-8可以看出，门极电流gi越大，阳极电压转折点越低，当门极电流大到一定程度时，只需在阳极-阴极间加上较小的正向电压，晶闸管就能导通。

晶闸管导通后，逐步将阳极电流减小，当它小到一定值时，晶闸管便突然由导通变为阻断。在室温和门极断路条件下，保持晶闸管处于通态所必需的最小阳极电流，称为维持电流，用IH表示。通常IH约为数十毫安。

（2）反向特性。

晶闸管的反向特性表示晶闸管反向阳极-阴极间电压与反向阳极电流的关系。晶闸管的反向伏安特性与一般二极管的反向伏安特性相似。在正常情况下，当晶闸管承受反向阳极电压时，只有很小（几毫安）的反向漏电流，晶闸管总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值时，反向电流将急剧上升，使晶闸管反向击穿。反向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压，称为反向不重复峰值电压VRSM，此电压不可重复施加。

2）门极伏安特性

门极伏安特性是指晶闸管门极正向电压ug与门极正向电流gi的关系。实际产品的门极伏安特性分散性很大，同一型号的晶闸管也只能用一个区间来表示，只要门极伏安特性在高阻极限曲线与低阻极限曲线范围以内，就为合格品。某型号晶闸管的门极伏安特性如图5-9所示。

图5-9　晶闸管门极伏安特性

在环境温度为室温、阳极与阴极之间加6 V直流电压的条件下，使晶闸管完全导通所必需的最小门极直流电压称为门极触发电压VGT，对应的门极电流称为门极触发电流IGT。额定电流1A的元件 VGT≤2.5 V，额定电流为5～50 A的元件 VGT≤3.5 V，额定电流100～200 A的元件VGT≤4 V，额定电流300 A以上的元件VGT≤5 V。为了防止晶闸管受干扰信号作用而误触发，当门极正向电压小于一定值时，晶闸管应能可靠地处于断态。在额定结温和额定断态电压下保持晶闸管处于断态所能施加的最大门极直流电压，称为门极不触发电压VGD。额定电流为1 A和5 A的元件VGD≥0.3 V，为10 A和20 A的元件VGD≥0.25 V，为30～500 A的元件VGD≥0.15 V。

国产晶闸管的门极正向峰值电压VGFM为10 V，门极反向峰值电压VGFM为5 V，使用中不得超过这个值。

4.主要参数

1）通态平均电流IT

通态平均电流即晶闸管的额定电流，是指规定条件下元件所允许的工频正弦半波电流的最大平均值。

一般应选晶闸管的通态平均电流为其正常工作电流平均值的1.5～2倍。

2）通态平均电压VT

通态平均电压是指元件在规定条件下通以工频正弦半波电流，其平均值达到通态平均电流时阳极和阴极间电压的平均值。通态平均电压约为正向压降的1/2。

3）断态重复峰值电压VDRM

断态重复峰值电压是指门极开路、晶闸管正向阻断时，阳极和阴极间允许重复施加的50 Hz正弦半波正向电压的峰值。此电压规定为断态不重复峰值电压VDSM的80%。

4）反向重复峰值电压VRRM

反向重复峰值电压是指门极开路、晶闸管反向阻断时，阳极和阴极间允许重复施加的50 Hz正弦半波反向电压的峰值。此电压规定为反向不重复峰值电压VRSM的80%。

5）断态电压临界上升率dv/dt

断态电压临界上升率是指在额定结温和门极断路的条件下，使元件从断态转入通态的最低电压上升率，单位符号为V/μs。

门极断路时，即使阳极电压低于断态重复峰值电压，若加在晶闸管上的正向电压上升过快，则N1与P2间结电容充电电流较大，相当于门极电流，将会引起晶闸管误导通。实际使用中，元件上的正向电压上升率必须小于断态电压临界上升率。

6）通态电流临界上升率di/dt

通态电流临界上升率是指在规定条件下，元件用门极开通时，能承受而不会导致损坏的通态电流的最大上升率，单位符号为A/μs。

门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大，直到全部结面导通。如果电流上升太快，则刚一导通就有大电流流经门极附近的小区域，会造成局部过热而使晶闸管损坏。

晶闸管种类很多，可分为普通晶闸管（SCR）、快速晶闸管（EST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、光控晶闸管（IATT）、静电感应品闸管（SITH）、门极关断晶闸管（GTO），MOS控制晶闸管（MCT）等。前面及以后整流电路中提到的晶闸管均指普通晶闸管。