1.2 晶闸管及派生器件

1.2.1 晶闸管的结构和工作原理

晶闸管（Thyristor）就是硅晶体闸管也称为可控硅整流器（SCR）。普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件，常简称为晶闸管。

1.2.1.1 晶闸管的结构

晶闸管是具有4层PNPN结构、3端引出线（A，K，G）的器件，晶闸管的外形、结构和符号如图1 1所示。常见晶闸管的外形有两种：螺栓形和平板形。其中，A为阳极、K为阴极、G为门极。容量大于200A的晶闸管都采用平板形结构。

1.2.1.2 晶闸管的工作原理

晶闸管在工作过程中，阳极A和阴极K与电源和负载相连，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的触发电路相连，组成晶闸管的控制回路。晶闸管是4层3端器件，有J₁、J₂和J₃3个PN结。可将中间的N₁和P₂分为两部分，构成一个P₁N₁P₂晶体管和N₁P₂N₂晶体管互连的复合管，每个晶体管的集电极电流同时又是另图11 晶闸管的外形结构和符号

（a）外形；（b）结构；（c）符号

一个晶体管的基极电流。其中，α₁和α₂分别为P₁N₁P₂和N₁P₂N₂的共基极电流放大倍数。其工作电路如图12所示。

图12 晶闸管的双晶体管模型与工作电路图

当晶闸管承受正向阳极电压，门极未承受电压的情况下，I_G=0，晶闸管处于正向阻断状态。若门极承受正向电压且门极流入电流I_G足够大，晶体管N₁P₂N₂发射极电流增加，α₂增大，使P₁N₁P₂发射极电流增加，α₁增大，强烈的正反馈过程迅速进行。具体程序如下：

I_G↑→I_C2 （I_bf）↑→I_C1↑

随着α₁和α₂增大，当达到α₁+α₂≥1之后，两个晶体管均饱和导通，因而晶闸管导通。由此可知晶闸管导通的必要条件是α₁+α₂≥1。晶闸管导通后，这时流过晶闸管的电流完全由主电路的电源电压和回路电阻决定。

当晶闸管导通后，即使I_G=0，因I_C1直接流入N₁P₂N₂的基极，晶闸管仍继续保持导通状态。此时，门极便失去控制作用。如果不断地减小电源电压或对晶闸管阳极和阴极加上反向电压，使I_C1的电流减小到晶体管接近截止状态时，晶闸管恢复阻断状态。

当晶闸管承受反向电压时，不论是否加上门极正向电压，晶闸管总是处于阻断状态。由上述讨论可得如下结论。

（1）欲使晶闸管导通需具备两个条件：

1）应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压；

2）应在晶闸管的门极与阴极之间加上正向电压和电流。

（2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。

（3）为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使极电压减小到零或反向的方法来实现。

1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数1.2.2.1 晶闸管的静态伏安特性

晶闸管阳极与阴极间的电压U_AK和阳极电流I_A的关系称为晶闸管伏安特性，如图13所示。晶闸管的伏安特性包括正向特性（第Ⅰ象限）和反向特性（第Ⅲ象限）两部分。

图13 晶闸管伏安特性曲线

晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时，晶闸管的伏安特性是一组随门极电流I_G的增加而不同的曲线簇。当I_G=0时，逐渐增大阳极电压U_AK，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断；随着阳极电压的增加，当达到正向转折电压U_BO时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断状态突变为正向导通状态。这种在I_G=0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”。“硬开通”使电路工作于非控制状态，并可能导致晶闸管损坏，因此通常需要避免。

随着门极电流I_G的增大，晶闸管的正向转折电压U_BO迅速下降；当I_G足够大时，晶闸管的正向转折电压很小，可以看成与一般二极管一样，只要加上正向阳极电压，管子就导通了。此时晶闸管正向导通的伏安特性与二极管的正向特性相似，即当流过较大的阳极电流时，晶闸管的压降很小。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减小阳极电流I_A，使I_A下降到小于维持电流I_H，则晶闸管又由正向导通状态变为正向阻断状态。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。在正常情况下，当承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增加到一定值时，反向漏电流增加较快，再继续增大反向阳极电压会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管永久性损坏，这时对应的电压称为反向击穿电压U_RO。综上所述，晶闸管的基本工作特性可以归纳如下。

（1）承受反向电压时（U_AK＜0），不论门极有否触发电流，晶闸管都不导通，反向伏安特性类似于二极管。

（2）承受正向电压时，仅门极有正向触发电流的情况下晶闸管才能导通（即U_AK＞0时，I_G＞0才能导通）。可以看出，SCR是一种电流控制型器件，导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿，压降在1V左右；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

（3）要使晶闸管关断，必须使晶闸管的电流下降到某一数值以下（I_A＜I_H）。

（4）晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出；为保证可靠、安全地触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区，既保证有足够的触发功率，又确保不损坏门极和阴极之间的PN结。

1.2.2.2 晶闸管的动态特性

晶闸管开通与关断过程中的伏安特性变化关系称为晶闸管的动态特性。晶闸管开通与关断过程的波形如图14所示，开通过程描述的是使门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况；而关断过程描述的是对已导通的晶闸管，外电路所加电压在某一时刻突然由正向变为反向（图14中点划线所示的波形）的情况。

图14 晶闸管开通和关断过程波形

由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外部电路电感的限制，晶闸管触发后阳极电流增长需要一个过程。从门极电流阶跃时刻开始至阳极电流上升到稳定值的10%，这段时间称为延迟时间t_d，此时晶闸管的正向电压也同步减小。阳极电流从10%上升到稳态值90%所需的时间称为上升时间t_r。开通时间t_gr定义为前两者之和，即t_gr=t_d+t_r。普通晶闸管延迟时间为0.5～1.5μs，上升时间为0.5～3μs。晶闸管开通时间与触发电流、外电路状态均有关系，通常增加触发电流可以加快开通过程。

原处于导通状态的晶闸管，当外加电压突然反向时，由于外电路电感的存在，其阳极电流的衰减也需要一个过程。与二极管反向恢复过程类似，晶闸管关断过程也会出现反向恢复电流，经过最大值I_RM后再反方向衰减。在恢复电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在晶闸管两端引起反向的尖峰电压U_RRM。从正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间称为反向阻断恢复时间t_rr。反向恢复过程结束后，由于载流于复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间t_gr。在正向阻断恢复时间内，如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通而不受门极控制。在实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，如此电路才能可靠工作。晶闸管的关断时间t_q定义为t_rr和t_gr之和，即t_q=t_rr+t_gr。普通晶闸管的关断时间约几百微秒，这是施加反向电压时间设计的依据。

为了正确选择和使用晶闸管，需要了解和掌握晶闸管的一些主要参数及其参数的实测值，如通态峰值电压、门极触发电压、门极触发电流和维持电流等。

1.2.2.3 晶闸管的主要参数

1.晶闸管的电压参数

（1）断态不重复峰值电压U_DSM。晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。它是一个不能重复且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。U_DSM值小于转折电压U_BO，其差值大小，由晶闸管制造厂自定。

（2）断态重复峰值电压U_DRM。晶闸管在门极开路及额定结温下，允许每秒50次，每次持续时间不大于10ms，重复施加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压U_DRM =

80%U_DSM。

（3）反向不重复峰值电压U_DRM。晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应于反10ms的反向最大脉冲电压。

（4）反向重复峰值电压U_RRM。晶闸管门极开路及额定结温下，允许每秒50次，每次持续时间不大于10ms、重复施加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。U_RRM=80%U_RSM。表11列出了晶闸管正反向重复峰值电压的等级。

（5）额定电压。将断态重复值电压U_DRM和反方向重复峰值电压U_RRM中较小的那个值取整后作为该晶闸管的额定电压值。在使用时，考虑瞬间过电压等因素，选择晶闸管的额定电压值要留有安全裕量。一般取电路正常工作时晶闸管所承受工作电压峰

值2～3倍。

（6）通态平均电压U_T（AV）。通过正弦半波的额定通态平均电流和额定结温时，晶闸管阳极与阴极间电压降的平均值，通称管压降。

表1 1

晶闸管正、反向重复峰值电压等级

2.晶闸管的电流参数

（1）通态平均电流I_T（AV）。在环境温度为+40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°的电阻性负载电路中，在额定结温时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取整数值，称为该晶闸管的通态平均电流，定义为该元件的额定电流。

晶闸管的额定电流用通态平均电流来标定，是因为整流电路输出端的负载常需用平均电流。但是，决定晶闸管允许电流大小的是管芯的结温；而结温的高低是由允许发热的条件决定的，造成晶闸管发热的原因是损耗，其中包括晶闸管的通态损耗、断态时正、反向漏电流引起的损耗以及晶闸管元件的开关损耗，此外还有门极损耗等。为了减小损耗，希望元件的通态平均电压和漏电流要小些。一般门极的损耗较小，而元件的开关损耗随工作频率的增加而加大。影响晶闸管发热的条件主要有散热器尺寸及元件与散热器的接触状况、采用的冷却方式（自冷却、强迫通风冷却、液体冷却）及环境温度等。晶闸管发热和冷却的条件不同，其允许通过的通态平均电流值也不一样。

各种有直流分量的电流波形都有一个电流平均值（一个周期内电流波形面积的平均），也就是直流电流表的读数值；也都有一个有效值（均方根值）。现定义电流波形的有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用K_f表示。如整流电路直流输出负载电流i_d的波形系数为

K_f=

I I_d

（1 1）

式中 I———负载电流有效值；

I_d———负载电流平均值。流过晶闸管电流的波形系数为

K_ft=I_T

（1 2）

I_dT

式中 I_T———晶闸管电流有效值；

I_dT———晶闸管电流平均值。

根据规定条件，流过晶闸管为工频正弦半波电流波形。设电流峰值为I_m，则通态平均电流：

I_Tav=21π∫₀πI_msinωtd（ωt）=I2mπ（-cosωt）0π=I_mπ

（1 3）

该电流波形的有效值：

I_T=㊣

₂1π∫₀π（I_msinωt）²d（ωt）=I_m㊣

₂1π∫₀π（12-cos22ωt）d（ωt）=I2m（14）

正弦半波电流波形系数K_f应有

K_f=IITTav=IImm//2π=1.57

（1 5）

由式（15）知，如果额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为1.57×

100=157（A）。

在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦波形，如何去计算和选择晶闸管的额定电流值，应根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦半波电流的有效值I_T或平均值I_d折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值，即

I_T=K_fI_d=1.57I_Tav

I_Tav=K_fI_d

=I_T

（1 6）

1.57

1.57

式（16）中的K_f为非正弦波形的波形系数。由于晶闸管元件的热容量小、过载能力低，故在实际选用时，一般取1.5～2倍的安全裕量，故

I_Tav=（1.5～2）K_fI_d

（1 7）

1.57

根据式（17）在给定晶闸管的额定电流值后可计算流过该晶闸管任意波形允许的电流平均值。

I_d=（11..55～7I2Tav）K_f

（1 8）

（2）维持电流I_H。晶闸管被触发导通以后，在室温和门极开路的条件下，减小阳极电流，使晶闸管维持通态所必需的最小阳极电流。

（3）掣住电流I_L。晶闸管一经触发导通就去掉触发信号，能使晶闸管保持导通所需要的最小阳极电流。一般晶闸管的掣住电流I_L为其维持电流I_H的几倍。如果晶闸管从断态转换为通态，其阳极电流还未上升到掣住电流值就去掉触发脉冲，晶闸管将重新恢复阻断状态，故要求晶闸管的触发脉冲有一定宽度。

（4）断态重复平均电流I_DR和反向重复平均电流I_RR。额定结温和门极开路时，对应于断态重复峰值电压和反向重复峰值电压下的平均漏电流。

（5）浪涌电流I_TSM。在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。由于元件体积不大，热容量较小，所以能承受的浪涌过载能力是有限的。在设计晶闸管电路时，考虑到电路中电流产生的波动，这是必须要注意的问题。通常电路虽然有过流保护装置，但由于保护不可避免地存在延时，因此，仍然会使晶闸管在短暂时间内通过一个比额定值大得多的浪涌电流，显然这个浪涌电流值不应大于元件的允许值。

对于持续时间比半个周期更短的浪涌电流，通常采用I²t这个额定值来表示允许通过浪涌电流的能力。其中，电流I是浪涌电流有效值，t为浪涌持续时间。因为PN结热容量很小，在这样短的时间内没有必要考虑热量从结面传到其他部位上去。I²t与由此引起的结温成正比，所以若结温的允许值已定，I²t的额定值也就定下来了。

3.动态参数

（1）断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率。在晶闸管断态时，如果施加于晶闸管两端的电压上升率超过规定值，即使此时阳极电压幅值并未超过断态正向转折电压，也会由于du/dt过大而导致晶闸管的误导通。这是因为晶闸管在正向阻断状态下，处于反向偏置J₂结的空间电荷区相当于一个电容器，电压的变化会产生位移电流；如果所加正向电压的du/dt较高，便会有过大的充电电流流过结面，这个电流通过J₃结时，起到类似触发电流的作用，从而导致晶闸管的误导通。因此在使用中必须对du/dt有一定的限制，du/dt的

单位为V/μs。

在实际电路中常采取在晶闸管两端并联RC阻容吸收回路的方法，利用电容器两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。

（2）通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管用门极触发信号开通时，晶闸管能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率。在使用中，应使实际电路中出现的电流上升率di/dt小于晶闸管允许的电流上升率。di/dt的单位为A/μs。

晶闸管在触发导通过程中，开始只在靠近门极附近的小区城内导通，然后以大致0.03～0.1mm/μs的速度向整个结面扩展，逐渐发展到全部结面导通。如果电流上升率过大，则过大的电流将集中在靠近门极附近的小区域内，致使晶闸管因局部过热而损坏。因此，必须对di/dt的数值加以限制。为了提高晶闸管承受di/dt的能力，可以采用快速上升的强触发脉冲，加大门极电流，使起始导通区增加；还可在阳极电路串联一个不大的电感。

（3）开通时间t_on。在室温和规定的门极触发信号作用下，使晶闸管从断态变成通态时，从门极触发脉冲前沿的10%到阳极电压下降至10%的时间间隔，称为门极控制开通时间，如图15所示。

开通时间t_on由延迟时间t_d和上升时间t_r组成。门极的开通时间就是载流子积累和电流上升所需要的时间。晶闸管的开通时间不一致，会使串联的晶闸管在开通时不能均压，图15 门极控制开通时间

并联时不能均流。增加门极电流的幅值和前沿陡度即采用强脉冲触发，可以减少开通时间，并使t_on的离散性显著减少，有利于晶闸管的均压和均流。此外，门极控制开通时间还和元件结温等因素有关。

（4）关断时间t_off。从通态电流降至零瞬间起，到晶闸管开始能承受规定的断态电压瞬间的时间间隔。关断时间包括反向恢复时间t_rr和门极恢复时间t_gr两部分，如图16所示。晶闸管的阳极电流降到零以后，J₁、J₃结附近积累的载流子，在反向电压作用下产生反向电流并随载流子的复合下降至零，J₁和J₃结开始恢复阻断能力，这段时间即为反向恢复时间t_rr。此后，随着J₂结两侧载流子复合完毕并建立起新的阻挡层，晶闸管完全关断而恢复了阻断能力，这段时间即为门极恢复时间t_gr。

图16 晶闸管电路换向关断时间

晶闸管的关断时间与结温、关断时施加的反向电压等因素有关。结温越高，关断时间也越长。如晶闸管在120℃时的关断时间为25℃时的2～3倍，反向电压增大，关断时间减少。在实际电路中，必须使晶闸管承受反压的时间大于它的关断时间，并考虑一定的安全裕量。

1.2.2.4 晶闸管的型号

按照原机械工业部标准JB1144—75的规定，KP型普通晶闸管的型号及其含义如下。

例如，KP200 15G的型号，具体表示为额定电流200A，额定电压为1500V，通态平均电压为1V的普通型晶闸管。

1.2.3 晶闸管的触发

晶闸管的触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时候由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求。

（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管能可靠导通。（2）触发脉冲应有足够的幅度。

（3）触发脉冲不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

图1 7（a）为常见的带强触发的晶闸管触发电路。使用整流桥可获得约50V的直流

图17 晶闸管触发电路和理想的晶闸管触发脉冲电流波形

（a）触发电路；（b）触发脉冲电流波形

t₁～t₂—脉冲前沿上升时间（＜1μs）；t₁～t₃—强脉冲宽度；

I_M—强脉冲幅值（3I_GT～5I_GT）；t₁～t₄—脉冲宽度；I—脉冲平顶幅值（1.5I_GT～2I_GT）

电源，在V₂导通前，50V电源通过R₅向C₆充电，C₇很大，C₆很小，C₆两端电压接近50V。当脉冲放大环节V₁、V₂导通时，C₆迅速放电，通过脉冲变压器TM向晶闸管的门极和阴极之间输出强触发脉冲。当C₆两端电压低于15V时，VD₁₅导通，此时C₆两端电压被钳位在15V，进入触发脉冲平稳阶段。当V₁、V₂由导通变为截止时，脉冲变压器储存的能量通过VD₁和R₃释放。理想的晶闸管触发脉冲电流波形如图1 7（b）所示，强触发脉冲能缩短晶闸管的开通时间，有利于降低开通过程损耗。