晶闸管的工作原理详解

晶闸管在什么条件下从正向阻断状态转变为正向导通状态呢？又在什么条件下，再从导通状态转变为阻断状态呢？现以灯泡作负载，按图1-9连接晶闸管的导通、关断实验电路。阳极电源E_a经双刀双掷开关S₁、白炽灯、晶闸管的阳极、阴极组成晶闸管的主电路。流过晶闸管阳极的电流称阳极电流I_a。晶闸管阳、阴极间的电压称阳极电压U_a。门极电源E_g经双刀双掷开关S₂连接门极G与阴极K，组成控制电路，也称触发电路。流过门极的电流称门极电流I_g。门极、阴极间的电压称门极电压U_g。通过此电路对晶闸管进行导通与关断实验，其结果见表1-1。

图1-9 晶闸管导通关断实验电路

表1-1 晶闸管导通和关断实验

（续）

从表1-1可见，晶闸管具有闸流特性，电流I_a只能从阳极流向阴极，即具有单向导电性质。晶闸管从关断变为导通必须使阳、阴极间承受正向电压；与此同时，还必须在门、阴极间加正向门极电压，亦称触发电压，两条件同时具备时，晶闸管从关断变为导通。晶闸管一旦导通后，门极便失去控制作用。可见门极在上述条件下触发控制晶闸管导通，但不能控制晶闸管关断，因而普通晶闸管也称半控型变流元件。

要使晶闸管从导通变为关断，可降低阳极电压或增大负载电阻，使阳极电流I_a小于晶闸管维持电流（I_H）时便可关断，I_H是维持晶闸管导通的最小阳极电流（约几十毫安），也称维持电流。

晶闸管具有上述导通与关断特性的原因需要从晶闸管内部结构来分析。晶闸管是四层半导体（P₁、N₁、P₂、N₂）、3个PN结（J₁、J₂、J₃）器件，可以将N₁和P₂分为两部分，构成一对互补晶体管的电路。图1-10所示为一个晶体管VT₁（P₁-N₁-P₂）与另一个晶体管VT₂（N₁-P₂-N₂）相接图。从图1-10可见，一个晶体管的集电极电流恰是另一个晶体管的基极电流。当晶闸管的阳极加正向电压，门极流入足够的触发电流I_g时，就会产生VT₁和VT₂两个晶体管集电极电流I_c1和I_c2及发射极电流I_a和I_k。两个晶体管VT₁、VT₂共基极接法的电流放大倍数分别是α₁=I_c1/I_a和α₂=I_c2/I_k。流过J₂结的反向漏电流为I_c0。晶闸管阳极电流I_a为

图1-10 晶闸管的工作原理

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晶体管的电流放大倍数（α₁，α₂）与发射极电流的关系如图1-11所示。当门极开路时，I_g=0，I_a=I_k，α₁、α₂很小，由式（1-4）可知，I_a≈I_c0，管子处于正向阻断状态。

当门极流入足够大的触发电流I_g时，将形成正反馈过程：

随着α₁、α₂的增大达到α₁+α₂≈1时，由式（1-4）可知，I_a将急剧增大，这时流过晶闸管的I_a由电源电压和回路电阻所决定。晶闸管处于正向导通状态。

图1-11 两个晶体管电流放大系数 与发射极电流关系

由式（1-4）可见，晶闸管导通后，1-（α₁+α₂）≈0，即使I_g=0，I_a仍不变，管子继续导通，即门极失去控制作用。

如果使晶闸管阳极电流I_a减小，则α₁、α₂随之减小，当I_a＜I_H，即α₁+α₂≈0时，由式（1-4）可知，晶闸管恢复阻断状态。

例1-1 如图1-12所示，主电路加正弦交流电源u₂，门极开关S在t₁时闭合，t₄时打开，求负载灯上的电压波形u_d。

解：分析u₂、u_g波形可得u_d波形，在t=0～t₁区间，晶闸管VT承受正向阳极电压，但门极电压为零，晶闸管VT处于阻断状态，u_d=0；在t=t₁～t₂区间，阳极电压为正，门极有触发电压，晶闸管VT处于导通状态，忽略管压降，则u_d=u₂；在t=t₂～t₃区间，阳极电压过零反向，I_a减小至I_a＜I_H，晶闸管VT恢复阻断状态，u_d=0；在t=t₃～t₄区间，晶闸管VT又符合导通条件，u_d≈u₂；在t=t₄～t₅区间，晶闸管VT已导通，尽管u_g=0，晶闸管VT仍能继续导通，u_d=u₂。

图1-12 例1-1电路和波形