1.3 晶闸管及其派生器件

电力行业使用的晶闸管是一种大功率半导体器件，可控硅（SCR）是指普通晶闸管，所有派生器件（如快速晶闸管、逆导晶闸管和双向晶闸管等）则属于特殊晶闸管。目前在工业上，晶闸管仍然是相控式电力电子技术的核心器件，它主要用于整流、逆变、调压、开关等，其中应用最多的是整流。

1.3.1 晶闸管的结构与特性

1.晶闸管的结构

晶闸管是由3个PN结组成的半导体器件，大功率晶闸管外形有螺栓式和平板式两种，其管芯一般做成圆形薄片，如图1.6所示。晶闸管的内部结构示意及电路符号如图1.7所示，它有三个电极，分别称为阴极K、阳极A和控制极G（又称门极）。

电力用晶闸管是大功率半导体器件，它在工作过程中会有损耗，损耗的电能主要转变为热能，产生的热量主要依靠与晶闸管紧密接触的散热器释放出去。额定通态平均电流在200A以上的晶闸管采用平板式结构。

2.晶闸管的电压电流特性

晶闸管的导通和关断是由阳极电压UA、阳极电流IA及门极电压UG（电流IG）等决定的。在实际应用中常用实验曲线来表示它们之间的关系，此曲线就称为晶闸管的电压—电流特性曲线，如图1.8所示。

横坐标表示阳极电压UA，纵坐标表示阳极电流IA。曲线表明：在门极电流IG=0的情况下，阳极正向电压小于某一数值范围时，阳极电流一直很小，这个电流称为正向漏电流，这时晶闸管处于正向关断状态。当正向漏电流突然增大，晶闸管由正向关断状态突然转化为导通，这时的正向电压称为正向转折电压UBO，这样的导通称为晶闸管硬开通。硬开通易造成晶闸管的损坏，一般是不允许的。

当门极加上正向电压后，即IG＞0时，晶闸管仍有一定的正向阻断能力，但此时使晶闸管从正向阻断转化为正向导通所对应的阳极电压比 UBO要低，且 IG越大，相应的阳极电压低得越多。也就是说，当晶闸管的阳极加上一定的正向电压时，在其门极再加一适当的触发电压，晶闸管便触发导通，这就是可以利用的晶闸管的可控导通性。晶闸管导通后可以通过很大的电流，而它本身的压降只有1V左右，可见这一段特性曲线（BC段）靠近纵坐标而且陡直，与二极管的正向特性曲线相似。

晶闸管的反向状态特性与一般二极管相似，当反向电压在某一数值以下时，只有很小的反向漏电流，晶闸管处于反向阻断状态。当反向电压增加到某一数值时，反向漏电流急剧增大，使晶闸管反向击穿，这时所对应的电压称为反向转折电压UBR。晶闸管一旦反向击穿就永久损坏，在实际应用时应避免。

晶闸管只有当阳极回路和门极回路均加正向电压（即UAK＞0、UGK＞0）时，晶闸管才能被触发导通；而当阳极回路加反向电压（即 UAK＜0=时，无论控制极是否加触发信号，晶闸管均不会导通，因此晶闸管是逆阻型器件。晶闸管一旦导通，控制极便失去控制作用，此时即使去掉控制极信号，晶闸管仍继续导通。去掉控制极信号使晶闸管能继续导通的最小阳极电流，称为擎住电流 IL。只有当晶闸管中电流小于维持电流 IH时，晶闸管才会关断。故晶闸管为开通可控、关断不可控的半控型器件。

晶闸管的触发电压UGT和触发电流IGT要保证晶闸管可靠触发，UGT不能太低，否则容易受外界干扰造成误触发。为防止误触发，可在控制极加上负电压，其量值在 3～5V范围，负电压的量值不宜过大，否则可能会击穿控制极PN结。

晶闸管的触发装置必须有足够的输出功率，以保证同型号晶闸管可用同一个触发装置。控制极触发信号只能采用脉冲形式，触发脉冲信号的宽度应保证晶闸管可靠导通，以使触发脉冲消失前，晶闸管先达到擎住电流IL，触发信号必须与电源同步，触发信号应能够移相，以便调整晶闸管主电路的输出。

1.3.2 晶闸管的参数与型号

1.晶闸管的参数

晶闸管手册中记录的工作参数较多，在电工生产实践中，最关心的是晶闸管在阻断状态下能够承受多大正、反向电压，它在导通时能通过多大的电流，要使它可靠触发导通门极需加多大的电流（电压）等。在实际使用时考虑的晶闸管参数主要有以下几项。

（1）正向断态重复峰值电压UDRM

在额定的结温、门极断路和晶闸管正常阻断的条件下，允许重复加在晶闸管上的最大正向峰值电压。一般取值比UB0低100V。

（2）反向重复峰值电压URRM

在额定的结温下，门极断路，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压，一般取值比UBR低100V。它反映了阻断状态下晶闸管承受的反向电压大小。通常UDRM和URRM大致相等，习惯上统称峰值电压。如果 UDRM和 URRM不相等，则取其中较小的那个电压定义为“正反向峰值电压”，且作为该晶闸管的“额定电压”。选择晶闸管时应考虑2～3倍的电压安全裕量，再结合晶闸管系列的等级取整。（3）通态平均电流IT（AV）

在环境温度不超过 40℃和规定的散热条件下，允许通过的工频正弦半波电流在一个周期内的最大平均值称为通态平均电流，简称正向电流。

晶闸管的导通角一般小于 180°，若晶闸管中流过的平均电流相同，则导通角越小，相应的电流的波形越尖，峰值越大（这样才能保持电流的平均值相同）。但是波形越尖、峰值越大的电流其有效值和发热量（与有效值有关）也越大。因此当晶闸管的导通角变小时，允许的平均电流必须适当降低。选择晶闸管时应考虑 1.5～2 倍的电流安全裕量，再结合晶闸管系列的等级取整。

（4）通态平均电压UT（AV）

晶闸管正向通过正弦半波额定的平均电流、结温稳定时，阳极和阴极间的电压平均值称为通态平均电压，习惯上称为导通时的管压降。这个电压当然越小越好。出厂时规定的上限值即为该型合格产品的最大管压降，它由工厂根据合格的形式试验自订。按照国家有关规定，通态平均电压的组别共分为九级，用A～I表示，A级为0.4V，I级为1.2V，额定电流小于100A时不标。

（5）维持电流IH

在规定的环境温度和门极断路的情况下，维持晶闸管继续导通时需要的最小阳极电流称为维持电流。它是晶闸管由通到断的临界电流，要使导通的晶闸管关断，必须使它的正向电流小于IH。

2.晶闸管的型号

根据原机械工业部颁发的标准JB 1144—1975规定，KP系列普通晶闸管的型号及含义如下：

例如，KP100—12G 的晶闸管表示额定电流为 100A，额定电压为 1200V，正向导通平均压降组别为G（1V）的普通反向阻断型晶闸管。再如，KP10—20表示额定通态平均电流为10A，正反向重复峰值电压为2000V的普通反向阻断型晶闸管。

1.3.3 派生器件

1.双向晶闸管（TRIAC）

双向晶闸管的结构、符号与伏安特性曲线如图1.9所示，可以认为它是两个反并联连接的普通晶闸管的集成：它有三个电极，分别是两个主电极A1、A2和一个门极G，在门极 G 的作用下主电极的正、反两个方向均可触发导通，所有双向晶闸管在第Ⅰ、Ⅲ象限的伏安特性曲线是对称的。

无论主电极A1、A2之间加的是正向还是反向电压，门极加的是正脉冲还是负脉冲，双向晶闸管都能被触发导通。

双向晶闸管较一对反并联晶闸管经济，且控制简单，但门极电路灵敏度低，双向晶闸管关断时间较长，有误导通的可能从而造成换相失败。双向晶闸管主要用于电阻性负载的相位控制，也可用于固态继电器及电动机的控制等，其供电频率通常被限制在50Hz左右，一般不能用于感性负载。

2.逆导晶闸管（RCT）

普通晶闸管具有反向电压阻断性，即给晶闸管加反向电压，晶闸管截止，但在各类逆变器或斩波器的应用中，往往不需要晶闸管阻断反向电压，因此产生了反向电压耐量较低的不对称晶闸管（ASCR），逆导晶闸管是不对称晶闸管的特例，它是将晶闸管与一个二极管反向并联后制作在同一管芯上的功率集成器件。如图 1.10 所示分别为逆导晶闸管的等效电路、符号及伏安特性。

当逆导晶闸管承受正向偏置电压时，内部二极管截止，内部晶闸管可以被触发导通，其特性相当于一个普通的晶闸管。当它承受反向偏置电压时，内部晶闸管关断，内部二极管导通，管内流过反向电流，相当于一个导通的二极管，因它只有正向阻断能力没有反向阻断能力，所以称为逆导晶闸管。

与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、额定结温高等优点，使用时器件数量减少，大大减小了装置的体积，减轻了装置的重量，且配线简单，价格便宜，广泛应用于直流供电、调压、调速等设备中。但由于晶闸管和二极管制作在同一管芯上，使晶闸管和二极管的载流容量的比值固定，限制了它的灵活应用。

逆导晶闸管的额定电流由两个值决定，一是晶闸管的电流，一般位于分子；另一个是二极管电流，一般列于分母，如300/150A，300/300A等，两者比值一般为1～3，应根据要求而定。

3.快速晶闸管

在斩波电路和高频逆变电路等快速应用的场合，往往需要晶闸臂不仅具有良好的静态特性，还要具有良好的动态特性，如要求晶闸管开通和关断的时间短等。快速晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管，包括常规的快速晶闸管和工作在高频率（10kHz以上）的高频晶闸管。

快速晶闸管的结构、符号与普通晶闸管相同，但它采用了特殊的制造工艺，使它的导通时间大大缩短。

从关断时间比较，一般普通晶闸管为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管为10μs左右。

4.光控晶闸管

光控晶闸管实际上是用光信号代替普通晶闸管的门极触发信号触发导通的晶闸管。光控晶闸管的符号及伏安特性如图1.11所示。它与普通晶闸管一样有三个PN结，从构造上看，有两端型和三端型两种。

两端型光控晶闸管没有门极，用光照射时，晶闸管的中间层激发产生出大量的电子、空穴，相当于产生了门极电流，当此电流足够大时，光控晶闸管就由阻断转为导通，光控晶闸此时去掉照射光，光控晶闸管仍能维持导通。要使光控晶闸管关断只有去掉阳极正向电压。此种光控晶闸管对红外线更加敏感，它的开通时间与光的强度有关，一般为几微秒。响应速度比较快，且由于它的主电路和控制电路在电气上是完全绝缘的，从而大大简化了光控电路的结构，广泛应用在路灯开关、高压直流输电线路、自动化生产监控等多种场合。

三端型光控晶闸管接有门极，光控晶闸管的导通既可用光激发控制，也可用门极电流触发控制。

5.其他特殊晶闸管

随着电子技术的迅速发展，新型晶闸管得到了不断的发展和应用，很多特殊晶闸管相继问世，如温控晶闸管、场控晶闸管、四极晶闸管等。另外，晶闸管正不断地向大功率化、快速化、集成化、模块化（几个晶闸管安装在一个外壳中）和廉价可靠等方向发展。这将不断推动变流技术的发展和应用。