晶闸管的派生系列与应用技巧

前面介绍了KP型普通晶闸管的结构、原理及主要参数。随着生产实际需求的增加，在KP型晶闸管基础上又派生出一些特殊型晶闸管，如快速晶闸管（KK）、双向晶闸管（KS）和逆导晶闸管（KN）等。本节介绍这几种特殊晶闸管的类型及主要用途，见表1-5。

表1-5 晶闸管的类型及主要用途

（续）

1.快速晶闸管（Fast Switching Thyristor，FST）

快速晶闸管的外形、符号、基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。但快速晶闸管制造工艺与普通晶闸管不同，因而快速晶闸管开通与关断时间短，允许的电流上升率高，开关损耗小。在规定的频率范围内，可获得比较平直的电流波形。

快速晶闸管可分为以开通快为主、以关断快为主及两者兼顾的三种类型。

快速晶闸管在中频冶炼电源、中频逆变器及一些较高频率设备上获得了广泛的应用。

2.双向晶闸管（Triode AC Switch or Bidirectional triode thyristor）

双向晶闸管不论从结构还是特性方面，都可以把它看成是一对反并联的普通晶闸管。它是功率调节、交流调压和交流电子开关等装置中一种理想的交流电力电子器件。

（1）结构与特性

双向晶闸管是一种五层（NPNPN）三端硅半导体闸流器件。双向晶闸管的核心部分是集成在一块硅片上具有公共门极的一对反并联普通晶闸管，其结构、等效电路和电气符号如图1-21a、b、c所示。

其中N₁区和P₂区，N₄区和P₁区，N₃区和P₂区分别被一金属膜连通构成双向晶闸管的一对主电极T₁和T₂及公共门极G。门极G与阳极T₂由同一侧引出。P₁N₁P₂N₂和P₂N₁P₁N₄分别构成双向晶闸管中一对反并联的晶闸管Ⅰ和Ⅱ，P₁N₁P₂N₃和N₁P₂N₃分别构成门极晶闸管与门极晶体管。

双向晶闸管的伏安特性如图1-21d所示。要使管子能通过交流电或正、反向均能导通，就必须有对称的伏安特性。所以双向晶闸管门极在每半个周期内被触发一次。当阳极（T₁和T₂）电流大于擎住电流I_L时，双向晶闸管导通；当阳极电流小于维持电流I_H时，则双向晶闸管关断。

（2）触发方式

由于双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负信号都能触发，因此有四种触发方式：

1）Ⅰ₊触发方式：阳极T₁电压为正，T₂电压为负，门极G电压为正，特性曲线在第Ⅰ象限，称为正触发。

2）Ⅰ_-触发方式：阳极T₁电压为正，T₂电压为负，门极G电压为负，特性曲线在第Ⅰ象限，称为负触发。

3）Ⅲ₊触发方式：阳极T₁电压为负，T₂电压为正，门极G电压为正，特性曲线在第Ⅲ象限，称为正触发。

4）Ⅲ_-触发方式：阳极T₁电压为负，T₂电压为正，门极G电压为负，特性曲线在第Ⅲ象限，称为负触发。(www.xing528.com)

双向晶闸管的触发方式及特性见表1-6。

图1-21 双向晶闸管

a）基本结构 b）等效电路 c）电气符号 d）主电极伏安特性

表1-6 双向晶闸管的触发方式及特性

从表1-6中可见，Ⅲ₊触发方式灵敏度最低，基本不用。通常采用Ⅰ₊和Ⅲ_-触发方式。由于两个方向的触发灵敏度不同，引起正负触发延迟角α不同，形成正负电流波形不对称，出现直流分量。解决的办法是采用实际触发电流幅值应满足I_g＞（2～4）I_GT。双向晶闸管接电感性负载时，由于负载电流的滞后作用，当一个方向的电流过零关断时，器件立即瞬时加上阶跃的反向电压。如果器件的du/dt承受能力低，就会引起失控。因此双向晶闸管虽然不需要过电压保护，但为了限制加在器件上的du/dt值，仍需在器件两端并联RC电路，一般取R≈50～100Ω，C≈0.1～0.47μF。

（3）主要参数

1）额定通态电流I_T（RSM）。由于双向晶闸管通常在交流电路中应用，因而不能用平均值，而用有效值表示它的额定通态电流I_T（RSM）。以100A（有效值）双向晶闸管为例，其峰值为，而普通晶闸管的额定值是用正弦半波平均值表示的，其峰值为141A的正弦半波的平均值为141/πA=45A。所以一个100A的双向晶闸管与两个反并联45A的普通晶闸管电流容量相等。

当双向晶闸管用于频繁起动和制动的场合时，要依据交流电动机的最大电流值来选取器件的额定通态电流I_T（RSM），即I_T（RSM）≈（1.5～2）I_dm。

2）额定电压U_TN。电压裕量通常取2倍，在380V线路中的交流开关，一般应选1000～1200V的双向晶闸管。（U₂为相电压）。

3）换相能力。一些双向晶闸管在交流电路中应用时，经常发生短路事故，而主要原因之一是器件允许的du/dt过小，解决办法是在交流开关的主电路串入空心电感或选用du/dt值高的器件，一般选du/dt=200V/μs。

3.逆导晶闸管（KN）

在逆变电路和斩波电路中，常将晶闸管和整流二极管反并联使用，逆导晶闸管就是依据这一应用要求而发展起来的一种新型器件。它是将晶闸管和整流二极管制作在同一硅片上，中间有一隔离区的集成器件。逆导晶闸管的基本结构、等效电路、电气符号及主电极伏安特性如图1-22所示。

图1-22 逆导晶闸管

a）基本结构 b）等效电路 c）电气符号 d）主电极伏安特性

逆导晶闸管在制造工艺上阴极和阳极均采用特殊工艺，从而获得耐高电压、耐高温和开关速度快的特性。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管可使器件数目减少，接线简单，体积减小，重量减轻，成本降低。不足的是整流管区所产生的载流子在换相时会通过隔离区作用到晶闸管区，使晶闸管失去阻断能力，而导致误导通，即换相失败。逆导晶闸管的换相能力随结温升高而降低。

逆导晶闸管的额定电流用分数表示，分子表示晶闸管电流，分母表示二极管电流。如300A/200A、300A/150A，两者的比值应依据使用要求而定，一般为1～3。

以上介绍的晶闸管均属于半控型器件，设置关断电路是必不可少的。如果采用全控型电力电子器件，如门极关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOS-FET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等，既可控制开通又可控制关断，那么不仅使逆变与斩波电路大大简化，而且可以改善电路性能，是今后发展的方向。