問題21 半控型開關器件的結構與特點是什么？

通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷的電力電子器件被稱為半控型開關器件，如晶閘管。

晶閘管（Thyristor，TH）是晶體閘流管的簡稱，過去稱為可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR），簡稱為可控硅。

晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制，被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中，如圖3-2所示。

1．晶閘管的結構和工作原理

晶閘管由一個P-N-P-N四層半導體構成的，中間形成了三個PN結，如圖3-2b所示。

晶閘管在工作過程中，它的陽極（A）和陰極（K）與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路。晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。

當晶閘管加上正向電壓（陽極接正、陰極接負）時，若門極電路開路，則J₁、J₃結處于正偏，J₁結處于反偏，其伏安特性與二極管反向特性相似，晶閘管處于正向阻斷狀態。若門極對陰極加上一定的正向電壓，則N₂區向P₂區注入電子，這些電子經擴散，通過P₂區到達J₂結耗盡層（也稱高阻層、阻擋層）。因耗盡層電場的作用，注入電子到達N₁區，形成等效NPN型晶體管的射極電流，產生過剩電子。為了中和過剩電子，必將有等量空穴由P₁區注入N₁區。同理，這些空穴可到達P₂區，形成等效PNP型晶體管的射極電流。構成晶閘管的兩個晶體管，因內部載流子的輸運現象而相互供給基極電。當滿足兩個晶體管的共基極電流放大倍數之和α₁+α₂≥1時，晶閘管導通。晶閘管一旦導通，因流過的電流較大，α₁、α₂隨電流增大，足以繼續保證α₁+α₂≥1。這時，即使門極電路開路，晶閘管仍能處于導通狀態。當所加正向電壓大于或等于轉折電壓時，晶閘管也會導通，稱為硬開通。當晶閘管加上反向電壓時，因J₁、J₃結反偏，器件呈阻斷狀態。

2．晶閘管的伏安特性

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及門極電流I_G決定的。圖3-3所示的伏安特性曲線是在I_G=0的條件下做出的。

①正向特性。當I_G=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態，只有很小的正向漏電流通過。

如果正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓U_BO，則漏電流急劇增大，器件導通。

隨著門極電流幅度的增大，正向轉折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

如果門及電流為零，并且晶閘管又回到正向阻斷狀態，則I_H稱為維持電流。

②反向特性。其伏安特性類似二極管的反向特性。

當晶閘管處于反向阻斷狀態時，只有極小的反向漏電流通過。

當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，如外電路無限制措施，則會導致晶閘管發熱損壞。

3．晶閘管的主要參數

晶閘管的主要參數有以下幾項：

①正向重復峰值電壓U_FRM。在門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%。

②反向重復峰值電壓U_RRM。在門極斷路時，可以重復加在晶閘管器件上的反向峰值電壓，稱為反向重復峰值電壓，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，簡稱為正向電流。

④維持電流I_H。在規定的環境溫度和門極開路時，維持器件繼續導通的最小陽極電流稱為維持電流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。

4．晶閘管的派生器件

①快速開關晶閘管（Fast Switching Thyristor，FST）。FST包括所有專為快速響應而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。普通晶閘管的關斷時間為數百微秒，快速晶閘管為數十微秒，高頻晶閘管約為10ms。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易太高。

②雙向晶閘管（Triode AC Switch，TRIAC）。TRIAC可認為是一對反并聯連接的普通晶閘管的集成，有兩個主電極T₁和T₂，一個門極G。它與一對反并聯晶閘管相比，更為經濟，且控制電路簡單。

③逆導晶閘管（Reverse Conducting Thyristor，RCT）。RCT是將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。與普通晶閘管相比，逆導晶閘管具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點。

④光控晶閘管（Light Triggered Thyristor，LTT）。LTT又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。它在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據重要的地位。