普通型晶闸管：选型、应用和维护

1.工作原理

晶闸管内部有一个由硅半导体材料做成的四层（P.N.P.N）三端（阳极A阴极K和门极G）器件，其工作原理通常用串联的双晶体管模型来解释，该模型如图2-6所示。普通型晶闸管在型号命名中以KP标识。

图2-6 晶闸管的模型

1）当晶闸管承受正向阳极电压UA时只在门极加上正向电压UG的情况下晶闸管才能导通，称为晶闸管处于通态，导通后的阳极A-阴极K间的管压降为1V左右。

2）当晶闸管承受反向阳极电压（－UA）时，门极G与阴极E间即使加上正向电压UG，晶闸管总是处于关断状态，称为断态。

3）晶闸管一旦导通，门极G就失去控制作用。

4）要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压（UA＝0），或者给阳极A加上反向电压，或者降低阳极正向电压，使导通晶闸管的电流降低到一定数值之下。能保持晶闸管导通的最小阳极电流称为维持电流。图2-7中的电流IH为维持电流。

5）当门极未加触发电压（UG＝0）时，晶闸管即使加上阳极正向电压UA也不会导通，我们说晶闸管具有正向阻断能力。此特征是一般二极管所不具备的。

图2-7 晶闸管的伏安特性

2.晶闸管的特性

（1）晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管阳极A与阴极K间的电压和它的阳极电流IA间的关系，称为晶闸管的阳极伏安特性，如图2-7所示。当IG＝0时，如果在A-K两端施加正向电压UA，晶闸管处于阻断状态，只流过很小的正向漏电流。如果正向电压UA超过临界极限，即正向转折电压UBO，则阳极电流急剧增大，晶闸管导通，且有与二极管正向特征相似的特征。但正常工作时不允许把正向阳极电压加到UBO以上，而是靠门极电流IG来触发导通晶闸管。当IG≠0时，IG大则转折电压低，IG小则转折电压高。晶闸管导通后，在UG＝0的情况下，如阳极电流降到维持电流IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。图中，UDSM称为断态不重复峰值电压，UDRM称为重复峰值电压，UDRM一般等于90％UDSM，而UDSM与UBO的差值一般由制造厂自定。

当在晶闸管A-K间施加反向电压（－UA）时，晶闸管处于反向阻断状态只有极小的反向漏电流流过。当反向电压超过一定限度到反向击穿电压URSM后反向漏电流便急剧增大，导致晶闸管反向击穿而损坏。因此，加于晶闸管的反向电压只能小于反向重复峰值电压URRM，URRM一般等于90％URSM。

（2）门极伏安特性 晶闸管的门极电压UG与门极电流IG间的关系曲线称为晶闸管的门极伏安特性，如图2-8所示。为应用方便，常以一条典型的极限低阻门极伏安特性OD和一条极限高阻门极伏安特性OG之间的区域来代表，称为门极伏安特性区域。图中AKDEFGL-CBA称为可靠触发区，即在正常使用时，门极的触发电流和电压都应该处在这个区域内。但施加于门极的电压、电流和功率是有一定的限制的，否则会使门极烧坏。因此，可靠触发区就是由门极正向峰值电流IFGM、允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域。此外，门极的平均功率损耗不应超过规定的平均功率PG（图中KL曲线）图中的门极触发电流IGT是在室温下阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。门极触发电压UGT是产生门极触发电流所必需的最小门极电压。

图2-8 晶闸管的门极伏安特性

（3）晶闸管（SCR）的动态特性 由于晶闸管在电路中起开关作用，并存在开通与关断时间，这将影响晶闸管及电路的动态特性。当开关频率低时（如50Hz），可认为晶闸管是瞬时开通和关断的，不需考虑其动态性能与损耗。当工作频率较高时，因工作周期缩短，晶闸管的开通和关断时间就不能忽略，动态损耗所占比例相对增大，并逐渐转化成晶闸管发热的主要原因，这就必须考虑其动态特性和动态损耗。

1）开通时间tgt。设门极电流从t＝0的时刻阶跃开始，到阳极电流上升到稳定值的10％，这段时间称为延迟时间td，如图2-9所示。与此同时，阳极A和阴极K间的电压也在减少，阳极电流从10％上升到稳定值的90％所需的时间称为上升时间tr。开通时间tgt定义为两者之和，即tgt＝td＋tr。普通晶闸管的td＝0.5～1.5μs，tr＝0.5～3μs。(www.xing528.com)

图2-9 晶闸管的开通和关断过程

2）关断时间t_q。当阳极与阴极间的电压U_A在_t＝T／2时刻反向后，从正向电流降为零起，到能够重新施加正向电压为止的时间间隔，定义为晶闸管的电路换向关断时间t_q，它由两部分组成，即

t_q＝t_rr＋t_gr （2-1）

式中 t_rr——反向阻断恢复时间；

t_gr——正向阻断恢复时间。

3）动态损耗。在图2-9中，每一瞬时晶闸管电流与电压相乘，可得到从导通到关断整个过程的晶闸管瞬时损耗曲线，分别为①开通损耗—晶闸管在开通过程中出现的瞬时功耗；②通态损耗—晶闸管在稳定导通期的功率损耗；③关断损耗—在关断的过程中出现的瞬时功耗；④断态损耗—晶闸管在稳定断态期的功率损耗。

3.晶闸管的主要参数

为正常使用晶闸管，要定量地掌握晶闸管的主要参数。

1）断态重复峰值电压U_DRM（见图2-7）、反向重复峰值电压U_RRM、维持电流I_H、门极触发电压U_GT（见图2-8）、门极触发电流IGT。

2）通态平均电压U_TAV。这是指晶闸管通过正弦半波的额定通态平均电流时的阳极电压平均值。通态最大阳极电压以U_TM表示。

3）通态平均电流I_TAV。这是指在额定温度下，允许通过工频正弦半波电流的平均值。通态最大阳极电流以I_TM表示。

4）断态电压临界上升率d_u／d_t。这是指在额定结温和门极断路条件下，不会导致晶闸管开通的最大阳极电压上升率。

5）通态电流临界上升率d_i／d_t。这是指门极触发使晶闸管开通时，晶闸管所能承受的最大通态电流上升率。

6）开通时间t_gt和关断时间t_q。

7）额定结温T_jm。这是指晶闸管正常工作时，芯片所允许的最高温度。

晶闸管应用在工频整流电路中时，一般只要根据上述前三项的参数选用即可。但用在逆变器电路中时，除了要满足这些参数外，还要求关断时间t_q必须和逆变器的工作频率相匹配，以及要求按照所选晶闸管的d_u／d_t和d_i／d_t值来设计逆变器的缓冲元件参数。