单向晶闸管器件：特性、检修方法与工作方式

（1）单向晶闸管器件的结构和原理

单向晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种集成式半导体器件。单向晶闸管的等效原理及测量电路如图5-4所示。

图5-4 单向晶闸管等效原理及测量电路

单向晶闸管为具有三个PN结的四层结构，由最外层的P层、N层引出两个电极——阳极A和阴极K，是工作电流回路；由中间的P层引出门极G。电路符号接近二极管，但是多了一个引出电极——门极或称触发极G。K极和G极之间，又称作栅阴结。是触发电流的回路。SCR或MCR为英文缩写名称。

从控制原理上，晶闸管可等效为一只PNP晶体管与一只NPN晶体管的连接电路，两管的基极电流和集电极电流互为通路，具有强烈的正反馈作用。一旦从G、K回路输入NPN管子的基极电流，由于正反馈作用，两管将迅即进入饱和导通状态。晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制电流（电压）消失，晶闸管仍会处于导通状态。控制信号U_GK的作用仅仅是触发晶闸管使其导通，一般采用直流或脉冲触发信号。

单向晶闸管的导通和截止均需要两个条件。

单向晶闸管的导通条件：

1）阳极A、阴极K之间加正向电压；2）门极G和阴极K之间输入一个正向触发电流信号，无论是直流或脉冲信号。

晶闸管的关断条件：使正向导通电流值小于其工作维持电流值；使A、K之间电压反向。

可见，晶闸管器件若用于直流电路，一旦为触发信号导通，并保持一定幅度的流通电流的话，则晶闸管会一直保持导通状态。除非将电源开断一次，才能使其关断。若用于交流电路，则在其承受正向电压期间，若接受一个触发信号，则一直保持导通，直到电压过零点到来，因无流通电流而自行关断。在承受反向电压期间，即使送入触发信号，晶闸管也因为A、K极间电压反向，而保持于截止状态。

晶闸管器件因工艺上的离散性，其触发电压、触发电流值与导通压降很难有统一的标准。晶闸管器件在控制本质上如同晶体管一样，为电流控制器件。功率越大，所需触发电流也越大。触发电压范围一般为1.5～3V，触发电流为10mA～几百mA。峰值触发电压不宜超过10V，峰值触发电流也不宜超过2A。A、K极间导通压降在1～2V以内。主要工作参数有正、反向耐压值和正向平均电流、触发电流（电压）值、维持电流值等。

（2）晶闸管器件的检测方法

1）用万用表粗测晶闸管的好坏。用电阻×1k档，正、反向测量A、K极之间的电阻值，均接近无穷大；用电阻×10档测量G、K极之间的电阻，从十几欧姆至百欧姆，功率越大欧姆值越小。正、反向电阻值相等或差异极小，说明晶闸管的G、K极之间，并不像一般晶体管的发射结，有明显的正、反向电阻差异。这种测量方式是有局限性的，当A、K极之间已呈故障开路状态时，则无法测出好坏。大功率晶闸管器件的G、K极间电阻值极小，也难以判别两G极和K极之间是否已经短路损坏。

2）较为准确的测量方法，是如图5-4所示中给晶闸管器件连接上电源和负载进行测试，才能得出好坏的确切结论。方法是：将晶闸管接入电路，晶闸管因无触发信号输入，小灯泡HL1无电流通路不发光；将A、G短接一下再断开，晶闸管受触发而导通，并能维持导通（灯泡的额定电流应大于100mA），灯泡一直发光，直到断开电源。再接通电源时，灯泡不亮，说明晶闸管器件基本上是好的。

不要小看这一个由6V直流电池和一只小灯泡构成的“晶闸管检测仪”，它确实是检测和确定晶闸管器件好坏的一件利器。

3）晶闸管有以下几种损坏情况。

A、K极间短路或断路；G、A极间短路或断路；三个电极之间的短路。

还有一种损坏情况很让人迷惑，用上述前两种检测方法检测，晶闸管是好的，但接到交流电路中，便失去可控整流作用。故障晶闸管在未接受触发信号前，呈开路状态，是对的。触发电流输入后，晶闸管开通了，交流输入的正、负半波都一起过去了，单向晶闸管成了一只“交流开关”！即故障晶闸管元件，测量是好的，只有接入电路中，才表现异常，这是需要引起注意的一个问题。

4）晶闸管器件的在线测量方法。

在晶闸管交、直流调压装置处于关断供电电源的情况下，对晶闸管模块（或单管）进行测量，如对图5-5所示三相半控桥整流电路中3只晶闸管器件进行的测量。

图5-5 晶闸管在线测量示意图

用小型6V电池1块、6V小灯泡1只、万用表的表笔（触碰针）一支和鳄鱼夹2只，可以组装于肥皂塑料盒或其他适宜的壳体中，那么一只高效准确和使用方便的“晶闸管检测仪”就制作成功了！

关断装置的供电电源，不需将模块从电路中拆下，整机正常连接状态下，即可对晶闸管模块进行测试了。测试步骤如下：

用鳄鱼夹连接任一只晶闸管模块的阳极和阴极（注意电池负端的鳄鱼夹连接阴极），触碰针不去触碰晶闸管的门极以前，小灯泡不亮；触碰针碰触门极（送入触发信号）再拿开后，小灯泡能一直点亮；将一只鳄鱼夹断开再连接上，小灯泡处于熄灭状态。以上检测说明单向晶闸管器件是好的。

器件的损坏，在测试过程中表现为以下几种情况：

①将鳄鱼夹连接器件的阳极和阴极后，未送入触发信号以前，小灯泡即发出亮光，说明器件的阳、阴极间已有漏电或短路损坏。(www.xing528.com)

②用触碰针触碰晶闸管门极时，小灯泡点亮，但拿掉触碰针后，小灯泡熄灭，说明器件不能维持导通状态，内部电路已经损坏。

③用触碰针触碰晶闸管门极时，小灯泡不亮，说明器件内部有断路故障。

在测试过程中，通过用触碰针对器件送入触发信号和观察小灯泡的亮/灭状态，已将器件的正常或损坏状态，明白无误地表现（检测）出来了。分别用鳄鱼夹连接另两只模块的阳极和阴极对其进行测试，3只晶闸管功率模块的好坏情况便一目了然了。

这种检测方法最为安全可靠，操作简便，测试的准确度也较高。

（3）单向晶闸管的工作参数

晶闸管的工作参数较多，器件分类也较多，但本章涉及电路内容为50Hz工频环境下的交流调压电路，从应用和维修的角度考虑，可进一步压缩我们所必须关注的参数项和参数值。单向晶闸管最重要的参数值只有4个：额定通态电流I_T、反向重复峰值电压（也简称反向耐压）V_RRM、门极触发电流I_GT、维持电流I_H。前3个参数是选购和代换配件必须要考虑的，第4个参数是维修中需使晶闸管主电路的“负载电流”大于此值，以保障其处于开通状态，为检修提供方便。

1）额定通态电流I_T。

在环境温度40℃和规定的冷却条件下，在单相工频正弦半波电路中，导通角为小于170°，负载为电阻性，当结温稳定且不超过额定结温时，管子所允许的最大通态电流为额定通态电流。这个值用平均值和有效值分别表示。

2）断态及反向重复峰值电压V_DRM和V_RRM。

门极G断路，允许重复加在管子上的正向电压称为断态重复峰值电压，用V_DRM表示，这个数值为不重复峰值电压V_DSM的90%；反向重复峰值电压用V_RRM表示，是指允许重复加在管子上的反向电压，这个电压为反向不重复峰值电压V_RSM的90%。

“重复”是指重复率为每秒50次，持续时间不大于10ms。

3）门极触发电流I_GT和触发电压V_GT

在室温条件下，晶闸管阳极和阴极间施加6V或12V的正向直流电压，使管子完全开通所必需的最小门极直流电流为门极触发电流I_GT。普通晶闸管的I_GT一般为数毫安至几百毫安；高灵敏度小功率晶闸管的I_GT小至数微安。

对应门极触发电流的门极电压称为门极触发电压V_GT。

4）维持电流I_H。

在室温下，门极开路，晶闸管被触发后，维持导通状态所必需的最小电流。在管子导通后，去掉触发极信号，缓慢减小正向电流，管子突然关断瞬间的电流即为维持电流。

故障检修中，重点根据1）、2）项参数，选用配件或代换配件。

（4）单向晶闸管的工作方式

将普通整流二极管与单向晶闸管的工作方式进行比较，可以对单向晶闸管的工作方式有更好的了解。参见图5-6，以器件输入AC220V为例，说明其工作方式（输出电压）的不同。

图5-6 二极管与晶闸管整流电路比较

从图5-6中二极管与晶闸管整流电路的比较可以看出，二极管输出电压为固定电压，负载RL上得到约100V的脉动直流电压。将电网的每个正半波切分为t₀～t₂的2个时间段和3个时刻，二极管总是在电网过零点的t₀时刻导通，并且在承受正向电压期间一直导通，电网负半波期间，承受反向电压而截止，输出完整的电网正半波电压。

而晶闸管的开通，只有在其承受正向电压期间，控制信号在t₁时刻给出，晶闸管在得到触发控制信号的正半波的t₁～t₂后半段，才得以导通。因而控制触发脉冲出现的时刻，控制晶闸管的导通时刻（或导通时间的长短），则能使晶闸管完成可控整流（调压）的任务。

可控整流的实质在于控制晶闸管在电网过零点时刻后某一时刻导通，晶闸管的导通时刻，要滞后于电网过零点，导通电压波形对电网来说产生了滞后——移相。晶闸管的工作状态——移相角度还通常以导通角或控制角来加以描述，导通角与控制角的意义正好相反。图5-6中，t₀～t₁时间段晶闸管不导通的范围称为控制角α，而t₁～t₂时间段，晶闸管导通的范围称为导通角θ。若t₁时刻在正半波的中心点，晶闸管的导通角为90°，控制角也恰好为90°，则晶闸管在正半波期间只导通一半的时间，输出等效直流电压为二极管整流电路的一半，约为50V。在单相半波整流电路中，晶闸管最大移相范围是180°，当控制角α为180°（即导通角θ为0°）时，晶闸管全关断，输出电压为零；若使晶闸管在电网过零点附近开通，则使导通角变大为170°，控制角变小为10°。反之，若使导通角θ为180°（即控制角α为0°）时，晶闸管全导通。相当于不可控的单相二极管半波整流。

如果将两只单向晶闸管反向并联，并且同时送入移相角度一致的触发信号，使输入交流电压的正、负半波各有通路，则在输出端即能得到交流调压输出。如图5-7所示。

图5-7 由两只并联单向晶闸管构成的交流调压电路及输出电压波形示意图