3.4　晶閘管及其特性

3.4.1　晶閘管外形與符號

晶閘管也是利用半導體的PN結組成的半導體器件。它的種類很多，但最常見的是普通單向晶閘管和雙向晶閘管。一般無特殊說明，就是指普通單向晶閘管。晶閘管是可控制的硅整流元件——可控硅。晶閘管的結構如圖3-18所示，等效結構和符號如圖3-19所示。

圖3-18　晶閘管的結構

圖3-19　晶閘管的等效結構和符號

3.4.2　晶閘管的工作原理

晶閘管具有可控的單向導電性。

1）可控性：即當控制極（G）加電壓才導通。

2）單向導通：反向電壓時不導通。

從實驗可以看出，晶閘管導通必須同時具備兩個條件：

1）晶閘管陽極電路加正向電壓。

2）控制極電路加適當的正向電壓（實際工作中，控制極加正觸發脈沖信號）。

3.4.3　晶閘管的特性

在學習晶閘管的特性前，我們應注意以下三點：

1）起始時若控制極不加電壓，則無論陽極加正向電壓或反向電壓，晶閘管均不導通。

2）晶閘管的陽極和控制極同時加正向電壓晶閘管才導通，晶閘管導通同時具備的兩個條件。

3）晶閘管導通后，控制極就失去了作用；要使晶閘管由導通變為關斷，就要將晶閘管的正向電壓降到一定值（正向電壓關斷或正向電壓反向）。晶閘管PN結間可通過幾十安培至幾千安培的電流。

1.晶閘管的伏安特性

晶閘管陽極電壓與陽極電流的關系曲線如圖3-20所示。

晶閘管的導通和截止這兩個工作狀態是由陽極電壓U、陽極電流I及控制極電流I_G決定的，而這3個量又是互相有聯系的。在實際應用上常用實驗曲線來表示它們之間的關系，這就是晶閘管的伏安特性曲線。圖3-20所示的伏安特性曲線是在I_G=0的條件下做出的。

圖3-20　晶閘管陽極電壓與陽極電流的關系曲線

從圖3-20的晶閘管的正向伏安特性曲線可見，當陽極正向電壓高于轉折電壓時元件將導通。但是這種導通方法很容易造成晶閘管的不可恢復性擊穿而使元件損壞，在正常工作時是不采用的。晶閘管的正常導通受控制極電流I_G的控制。為了正確使用晶閘管，必須了解其控制極特性。

2.控制極特性

當控制極加正向電壓時，控制極電路就有電流I_G，晶閘管就容易導通，其正向轉折電壓降低，特性曲線左移?？刂茦O電流愈大，正向轉折電壓愈低，如圖3-21所示。

實際規定，當晶閘管的陽極與陰極之間加上6V直流電壓，能使元件導通的控制極最小電流（電壓）稱為觸發電流（電壓）。由于制造工藝上的問題，同一型號的晶閘管的觸發電壓和觸發電流也不盡相同。如果觸發電壓太低，則晶閘管容易受干擾電壓的作用而造成誤觸發；如果太高，又會造成觸發電路設計上的困難。因此，規定了在常溫下各種規格的晶閘管的觸發電壓和觸發電流的范圍。例如對KP50型的晶閘管，觸發電壓不大于3.5V，觸發電流為8～150mA。

3.主要參數

為了正確地選擇和使用晶閘管，還必須了解它的電壓、電流等主要參數的意義。晶閘管的主要參數有以下幾個：

（1）正向重復峰值電壓U_FRM　在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可以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，用符號U_FRM表示。按規定此電壓為正向轉折電壓的80%。

圖3-21　控制極電流對晶閘管轉折電壓的影響

（2）反向重復峰值電壓U_RRM　就是在控制極斷路時，可以重復加在晶閘管元件上的反向峰值電壓，用符號U_RRM表示。按規定此電壓為反向轉折電壓的80%。

（3）正向平均電流I_F　在環境溫度不大于40℃和標準散熱及全導通的條件下，晶閘管通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內的）平均值，稱為正向平均電流I_F，簡稱正向電流。通常所說多少安的晶閘管，就是指這個電流。如果正弦半波電流的最大值為I_m，則

然而，這個電流值并不是一成不變的，晶閘管允許通過的最大工作電流還受冷卻條件、環境溫度、元件導通角、元件每個周期的導電次數等因素的影響。

（4）維持電流I_H　在規定的環境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續導通的最小電流稱為維持電流I_H。當晶閘管的正向電流小于這個電流時，晶閘管將自動關斷。

3.4.4　晶閘管的保護

晶閘管雖然具有很多優點，但是它們承受過電壓和過電流的能力很差，這是晶閘管的主要弱點，因此，在各種晶閘管裝置中必須采取適當的保護措施。

1.晶閘管的過電流保護

由于晶閘管的熱容量很小，一旦發生過電流時，溫度就會急劇上升而可能把PN結燒壞，造成元件內部短路或開路。

晶閘管發生過電流的主要原因：負載端過載或短路；某個晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發電路工作不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發，引起過電流。晶閘管承受過電流能力很差，例如一個100A的晶閘管，它的過電流能力如表3-1所示。這就是說，當100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續0.02s，否則將因過熱而損壞。由此可知，晶閘管允許在短時間內承受一定的過電流，所以，過電流保護的作用就在于當發生過電流時，在通的時間內將過電流切斷，以防止元件損壞。

晶閘管過電流保護措施有下列幾種：

（1）快速熔斷器　普通熔絲由于熔斷時間長，用來保護晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷，這樣就起不了保護作用。因此必須采用用于保護晶閘管的快速熔斷器。快速熔斷器用的是銀質熔絲，在同樣的過電流倍數之下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護的主要措施。

表3-1　晶閘管的過電流倍數和時間的關系

快速熔斷器的接入方式有三種，如圖3-22所示。其一是快速熔斷器接在輸出（負載）端，這種接法對輸出回路的過載或短路起保護作用，但對元件本身故障引起的過電流不起保護作用。其二是快速熔斷器與元件串聯，可以對元件本身的故障進行保護。以上兩種接法一般需要同時采用。第三種接法是快速熔斷器接在輸入端，這樣可以同時對輸出端短路和元件短路實現保護，但是熔斷器熔斷之后，不能立即判斷是什么故障。

熔斷器的電流定額應該盡量接近實際工作電流的有效值，而不是按所保護的元件的電流定額（平均值）選取。

（2）過電流繼電器　在輸出端（直流側）裝直流過電流繼電器，或在輸入端（交流側）經電流互感器接入靈敏的過電流繼電器，都可在發生過電流故障時動作，使輸入端的開關跳閘。這種保護措施對過載是有效的，但是在發生短路故障時，由于過電流繼電氣的動作及自動開關的跳閘都需要一定時間，如果短路電流比較大，這種保護方法不很有效。

（3）過電流截止保護　利用過電流的信號將晶閘管的觸發脈沖移后，使晶閘管的導通角減小或者停止觸發。

2.晶閘管的過電壓保護

晶閘管耐過電壓的能力極差，當電路中電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。如果正向電壓超過其轉折電壓，則晶閘管誤導通，這種誤導通次數頻繁時，導通后通過的電流較大，也可能使元件損壞或使晶閘管的特性下降。因此必須采取措施消除晶閘管上可能出現的過電壓。

引起過電壓的主要原因是電路中一般都接有電感元件，在切斷或接通電路時，從一個元件導通轉換到另一個元件導通時，以及熔斷器熔斷時，電路中的電壓往往都會超過正常值。有時雷擊也會引起過電壓。

晶閘管過電壓的保護措施有下列幾種：

（1）阻容保護　可以利用電容來吸收過電壓，其實質就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容器中，然后釋放到電阻中去消耗掉。這是過電壓保護的基本方法。

圖3-22　快速熔斷器的接入方式

阻容吸收元件可以并聯在整流裝置的交流側（輸入端）、直流側（輸出端）或元件側，如圖3-23所示。

（2）硒堆保護　硒堆（硒整流片）是一種非線性電阻元件，具有較陡的反向特性。當硒堆上電壓超過某一數值后，它的電阻迅速減小，而且可以通過較大的電流，把過電壓能量消耗在非線性電阻上，而硒堆并不損壞。硒堆可以單獨使用，如圖3-23所示，也可以和阻容元件并聯使用。

圖3-23　阻容吸收元件與硒堆保護

練習題