一、  晶閘管的結構、符號和類型

1、結構

晶閘管是一種大功率半導體變流器件， 它具有三個PN結的四層結構，其外形、結構和圖形符號如圖1-1所示。由最外的P₁層和N₂層引出兩個電極，分別為陽極A和陰極K，由中間P₂層引出的電極是門極G（也稱控制極）。

圖 1-1晶閘管的外形、結構和圖形符號

(a) 外形； (b) 結構； (c) 圖形符號

2、類型

    常用的晶閘管有螺栓式和平板式兩種外形，如圖1-1(a)所示。晶閘管在工作過程中會因損耗而發熱，因此必須安裝散熱器。螺栓式晶閘管是靠陽極（螺栓）擰緊在鋁制散熱器上，可自然冷卻；平板式晶閘管由兩個相互絕緣的散熱器夾緊晶閘管， 靠冷風冷卻。 額定電流大于200 A的晶閘管都采用平板式外形結構。此外，晶閘管的冷卻方式還有水冷、油冷等。

二、晶閘管的工作原理

    我們通過圖1-2所示的電路來說明晶閘管的工作原理。 在該電路中，由電源E_a、白熾燈、晶閘管的陽極和陰極組成晶閘管主電路； 由電源E_g、開關S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路, 也稱觸發電路。

圖 1-2 晶閘管導通試驗電路圖

當晶閘管的陽極A接電源E_a的正端，陰極K經白熾燈接電源的負端時， 晶閘管承受正向電壓。當控制電路中的開關S斷開時， 白熾燈不亮， 說明晶閘管不導通。 

    當晶閘管的陽極和陰極承受正向電壓，控制電路中開關S閉合，使控制極也加正向電壓（控制極相對陰極）時，白熾燈亮， 說明晶閘管導通。 

     當晶閘管導通時，將控制極上的電壓去掉（即將開關S斷開），白熾燈依然亮，說明一旦晶閘管導通，控制極就失去了控制作用。

     當晶閘管的陽極和陰極間加反向電壓時，不管控制極加不加電壓，燈都不亮， 晶閘管截止。如果控制極加反向電壓，無論晶閘管主電路加正向電壓還是反向電壓，晶閘管都不導通。

通過上述實驗可知，晶閘管導通必須同時具備兩個條件：

    （1） 晶閘管主電路加正向電壓。

    （2） 晶閘管控制電路加合適的正向電壓。 

    為了進一步說明晶閘管的工作原理，可把晶閘管看成是由一個PNP型和一個NPN型晶體管連接而成的，連接形式如圖1-3所示。陽極A相當于PNP型晶體管V₁的發射極，陰極K相當于NPN型晶體管V₂的發射極。

圖 1-3 晶閘管工作原理等效電路
 

當晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時， 晶體管V₂處于正向偏置，E_C產生的控制極電流I_G就是Ｖ₂的基極電流I_B2，V₂的集電極電流I_C2 =β₂ I_G 。而I_C2 又是晶體管Ｖ₁的基極電流，Ｖ₁的集電極電流I_C1=β₁I_C2 =β₁β₂ I_G （ β₁和β₂分別是Ｖ₁和V₂的電流放大系數）。電流I_C1又流入V₂的基極， 再一次放大。這樣循環下去，形成了強烈的正反饋，使兩個晶體管很快達到飽和導通，這就是晶閘管的導通過程。導通后，晶閘管上的壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負載上，晶閘管中流過的電流即負載電流。

在晶閘管導通之后，它的導通狀態完全依靠管子本身的正反饋作用來維持， 即使控制極電流消失，晶閘管仍將處于導通狀態。因此， 控制極的作用僅是觸發晶閘管使其導通，導通之后，控制極就失去了控制作用。要想關斷晶閘管， 最根本的方法就是必須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，也就是將晶閘管的陽極電流減小到小于維持電流。 可采用的方法有： 將陽極電源斷開；改變晶閘管的陽極電壓的方向， 即在陽極和陰極間加反向電壓。 

第二節 晶閘管的特性、參數和型號

一、晶閘管的電壓電流特性

    晶閘管陽極與陰極間的電壓U_A和陽極電流I_A的關系稱為陽極伏安特性， 正確使用晶閘管必須要了解其伏安特性。 圖1-4所示即為晶閘管陽極伏安特性曲線，包括正向特性（第一象限）和反向特性（第三象限）兩部分。

圖 1-4晶閘管陽極伏安特性曲線

1、正向特性

     晶閘管的正向特性又有阻斷狀態和導通狀態之分。在正向阻斷狀態時， 晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流I_G的增加而不同的曲線簇。當I_G =0時，逐漸增大陽極電壓U_A，只有很小的正向漏電流，晶閘管正向阻斷；隨著陽極電壓的增加，當達到正向轉折電壓U_BO時，漏電流突然劇增，晶閘管由正向阻斷突變為正向導通狀態。 這種在I_G =0時，依靠增大陽極電壓而強迫晶閘管導通的方式稱為“硬開通”。多次“硬開通”會使晶閘管損壞，因此通常不允許這樣做。

隨著門極電流I_G的增大，晶閘管的正向轉折電壓U_BO迅速下降，當 I_G足夠大時，晶閘管的正向轉折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣，只要加上正向陽極電壓，管子就導通了。 晶閘管正向導通的伏安特性與二極管的正向特性相似，即當流過較大的陽極電流時，晶閘管的壓降很小。

晶閘管正向導通后，要使晶閘管恢復阻斷，只有逐步減小陽極電流I_A，使I_A下降到小于維持電流I_H（維持晶閘管導通的最小電流），則晶閘管又由正向導通狀態變為正向阻斷狀態。圖1-7中各物理量的含義如下：

U_DRM、 U_RRM——正、 反向斷態重復峰值電壓； 

U_DSM、U_RSM——正、 反向斷態不重復峰值電壓； 

U_BO——正向轉折電壓； 

U_RO——反向擊穿電壓。

2、反向特性

     晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。在正常情況下，當承受反向陽極電壓時，晶閘管總是處于阻斷狀態，只有很小的反向漏電流流過。當反向電壓增加到一定值時，反向漏電流增加較快，再繼續增大反向陽極電壓會導致晶閘管反向擊穿，造成晶閘管永久性損壞，這時對應的電壓為反向擊穿電壓U_RO。

二、晶閘管的主要參數

    1．正向重復峰值電壓U_DRM

  在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓稱為正向重復峰值電壓U_DRM。一般規定此電壓為正向轉折電壓U_BO的80%。    2．反向重復峰值電壓U_RRM

在控制極斷路時，可以重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓稱為反向重復峰值電壓U_RRM  此電壓取反向擊穿電壓U_RO的80%。 

3．通態平均電流I_V(AV)

在環境溫度小于40℃和標準散熱及全導通的條件下， 晶閘管可以連續導通的工頻正弦半波電流平均值稱為通態平均電流I_V(AV)或正向平均電流，通常所說晶閘管是多少安就是指這個電流。 如果正弦半波電流的最大值為I_M，則

額定電流有效值為

然而在實際使用中，流過晶閘管的電流波形形狀、波形導通角并不是一定的，各種含有直流分量的電流波形都有一個電流平均值（一個周期內波形面積的平均值），也就有一個電流有效值（均方根值）?，F定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流的波形系數，用K_f表示，即

根據上式可求出正弦半波電流的波形系數

這說明額定電流I_V(AV)=100 A的晶閘管，其額定電流有效值為I_V=K_fI_V(AV)=157 A。

不同的電流波形有不同的平均值與有效值，波形系數K_f也不同。在選用晶閘管的時候，首先要根據管子的額定電流（通態平均電流）求出元件允許流過的最大有效電流。不論流過晶閘管的電流波形如何，只要流過元件的實際電流最大有效值小于或等于管子的額定有效值，且散熱冷卻在規定的條件下，管芯的發熱就能限制在允許范圍內。由于晶閘管的電流過載能力比一般電機、電器要小得多，因此在選用晶閘管額定電流時，根據實際最大的電流計算后至少要乘以1.5～2的安全系數，使其有一定的電流裕量。

4．維持電流I_H和掣住電流I_L     在室溫且控制極開路時，維持晶閘管繼續導通的最小電流稱為維持電流I_H。維持電流大的晶閘管容易關斷。維持電流與元件容量、結溫等因素有關，同一型號的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標明了常溫下I_H的實測值。 

    給晶閘管門極加上觸發電壓，當元件剛從阻斷狀態轉為導通狀態時就撤除觸發電壓，此時元件維持導通所需要的最小陽極電流稱為掣住電流I_L。對同一晶閘管來說，掣住電流 I_L要比維持電流I_H大2～4倍。 

5．晶閘管的開通與關斷時間

    1） 開通時間t_gt

    一般規定：從門極觸發電壓前沿的10%到元件陽極電壓下降至10%所需的時間稱為開通時間t_gt ，普通晶閘管的t_gt約為6 μs。開通時間與觸發脈沖的陡度大小、結溫以及主回路中的電感量等有關。為了縮短開通時間，常采用實際觸發電流比規定觸發電流大3～5倍、前沿陡的窄脈沖來觸發，稱為強觸發。另外， 如果觸發脈沖不夠寬， 晶閘管就不可能觸發導通。一般說來，要求觸發脈沖的寬度稍大于t_gt ，以保證晶閘管可靠觸發。

2）關斷時間t_q 

    晶閘管導通時，內部存在大量的載流子。晶閘管的關斷過程是： 當陽極電流剛好下降到零時，晶閘管內部各PN結附近仍然有大量的載流子未消失，此時若馬上重新加上正向電壓， 晶閘管仍會不經觸發而立即導通，只有再經過一定時間，待元件內的載流子通過復合而基本消失之后，晶閘管才能完全恢復正向阻斷能力。我們把晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復正向阻斷能力所需要的這段時間稱為關斷時間t_q。 

    晶閘管的關斷時間與元件結溫、關斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關。普通晶閘管的t_q約為幾十到幾百微秒。

6．通態電流臨界上升率di/dt

   門極流入觸發電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區域內導通，隨著時間的推移，導通區才逐漸擴大到PN結的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會導致門極附近的PN結因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。因此，對晶閘管必須規定允許的最大通態電流上升率，稱通態電流臨界上升率di/dt。 

7．斷態電壓臨界上升率du/dt

    晶閘管的結面積在阻斷狀態下相當于一個電容，若突然加一正向陽極電壓， 便會有一個充電電流流過結面，該充電電流流經靠近陰極的PN結時，產生相當于觸發電流的作用，如果這個電流過大，將會使元件誤觸發導通，因此對晶閘管還必須規定允許的最大斷態電壓上升率。我們把在規定條件下，晶閘管直接從斷態轉換到通態的最大陽極電壓上升率稱為斷態電壓臨界上升率du/dt。

三、晶閘管的型號及簡單測試方法

   1．晶閘管的型號

圖 1-5 晶閘管型號的含義
 

2．晶閘管的簡單測試方法

對于晶閘管的三個電極，可以用萬用表粗測其好壞。依據PN結單向導電原理，用萬用表歐姆擋測試元件的三個電極之間的阻值，可初步判斷管子是否完好。如用萬用表R×1 kΩ 擋測量陽極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大，在幾百千歐以上，且正、反向電阻相差很?。挥肦×10或R×100擋測量控制極G和陰極K之間的阻值，其正向電阻應小于或接近于反向電阻，這樣的晶閘管是好的。如果陽極與陰極或陽極與控制極間有短路，陰極與控制極間為短路或斷路， 則晶閘管是壞的。

其他 晶閘管

1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor-FST）

    快速晶閘管的外形、符號、基本結構和伏安特性與普通晶閘管相同，但它專為快速應用而設計。快速晶閘管的開通與關斷時間短，允許的電流上升率高，開關損耗小，在規定的頻率范圍內可獲得較平直的電流波形。普通晶閘管的關斷時間為數百微秒，快速晶閘管則為數十μs。

2）雙向晶閘管（Triode AC Switch-TRIAC或Bidirectional Triode Thyristor）

    雙向晶閘管可被認為是一對反并聯連接的普通晶閘管的集成。圖1-9所示為它的基本結構、等效電路及伏安特性。雙向晶閘管有兩個主電極V₁和Ｖ₂，一個門極G。門極使器件在主電極的正、反兩個方向均可觸發導通，因此雙向晶閘管在第一和第三象限有對稱的伏安特性。

雙向晶閘管門極加正、負觸發脈沖都能使管子觸發導通， 因此有四種觸發方式： Ⅰ+、Ⅰ-表示V₁、Ｖ₂間加正向電壓時，正、負脈沖能觸發晶閘管導通；Ⅲ+、Ⅲ-表示Ｖ₁、Ｖ₂間加反向電壓時，正、負脈沖能觸發晶閘管導通。圖1-9(c)中注明了兩個主電極Ｖ₁和Ｖ₂相對的電壓極性，并注明門極G相對主電極Ｖ₂的電壓極性。四種觸發方式的靈敏度各不相同， 其中Ⅲ+方式最低，因此在實際應用中只采用(Ⅰ+、 Ⅲ-)與(Ⅰ-、 Ⅲ-)兩組觸發方式。

圖 1-6雙向晶閘管的結構及伏安特性

(a) 基本結構； (b) 等效電路； (c) 伏安特性

雙向晶閘管與一對反并聯晶閘管相比是經濟的，并且控制電路比較簡單， 但有以下局限性： 

   （1）雙向晶閘管重新施加du/dt的能力差，這使它難以用于感性負載。雙向晶閘管在交流電路中使用時，須承受正、反兩個半波電流和電壓。它在一個方向導電雖已結束，但當管芯硅片各層中的載流子還沒有回復到阻斷狀態的位置時就立即承受反向電壓，這些載流子電流有可能成為晶閘管反向工作時的觸發電流而使之誤導通，造成換相失敗。另外，其換相能力隨結溫升高而有所下降。

   （2）電路靈敏度比較低。

（3）管子的關斷時間t_q比較長。 

      雙向晶閘管常在電阻性負載電路中用作相位控制，也用作固態繼電器，有時還用于電動機控制，其供電頻率通常被限制在工頻附近。就目前的工藝水平而言，雙向晶閘管的電壓和電流定額比普通晶閘管低些。

由于雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示它的額定電流值。以200 A(有效值)雙向晶閘管為例,其峰值電流即為        。而由公式可知，一個峰值為283 A的普通晶閘管的平均電流值為283 A/π＝90 A, 所以一個200 A(有效值)的雙向晶閘管可代替兩個90 A(平均值)的普通晶閘管。

實驗一 晶閘管的簡易測試

1. 實驗目的

(1) 掌握晶閘管的簡易測試方法。 

(2) 驗證晶閘管的導通條件及判斷方法。

           圖 1-7晶閘管導通關斷條件實驗線路

2. 實驗線路

3. 實驗設備

(1) 晶閘管導通關斷實驗板一塊。 

(2) 30 V直流穩壓電源一臺，    萬用表一塊。 

(3) 晶閘管（好、 壞）各一支。

4. 實驗內容及步驟

    1)  鑒別晶閘管好壞

    用萬用表R×1 kΩ電阻擋測量兩只晶閘管的陽極(A)與陰極(K)之間、 門極(G)與陽極(A)之間的正、反向電阻。

    用萬用表R×10 Ω電阻擋測量兩只晶閘管的門極(G)與(K)陰極之間的正、反向電阻，將所測得數據填入表1-1，并鑒別被測晶閘管好壞。

2) 晶閘管的導通條件

    (1）實驗線路如圖1-7所示，將開關S₁、S₂處于斷開狀態。

    (2） 加30 V正向陽極電壓，門極開路或接-3.5 V電壓，觀察晶閘管是否導通，燈泡是否亮。 

    (3） 加30 V反向陽極電壓，門極開路或接-3.5 V(+3.5 V)電壓，觀察晶閘管是否導通，燈泡是否亮。 

    (4）陽極、門極都加正向電壓，觀察晶閘管是否導通，燈泡是否亮。 

    (5）燈亮后去掉門極電壓，觀察燈泡是否繼續亮；再在門極加-3.5 V的反向門極電壓，觀察燈泡是否繼續亮。

    (6) 將以上結果填入表1-2中。

3) 晶閘管關斷條件實驗

    (1）實驗線路如圖1-7所示，將開關S₁、S₂處于斷開狀態。

    (2）陽極、門極都加正向電壓，使晶閘管導通，燈泡亮。 斷開控制極電壓，觀察燈泡是否亮。斷開陽極電壓，觀察燈泡是否亮。

     (3）重新使晶閘管導通，燈泡亮。而后閉合開關S₁，斷開門極電壓，然后接通S₂，看燈泡是否熄滅。 

     (4） 在1、2端換接上0.22 μF/50 V的電容再重復步驟(3）， 觀察燈泡是否熄滅。

5. 實驗結果

表1-1 晶閘管好壞的判斷（電阻單位歐姆）

表1-2  晶閘管導通條件（陽極A與陰極K之間為30 V電壓）

6. 實驗報告要求

(1) 總結晶閘管導通的條件和晶閘管關斷條件。 

(2) 總結簡易判斷晶閘管好壞的方法。

習題及思考題

1.晶閘管導通的條件是什么? 導通后流過晶閘管的電流怎樣確定? 負載電壓是什么？  2. 如何用萬用表判別晶閘管元件的好壞？