1.2 半控型器件——晶閘管

晶閘管（Thyristor）是硅晶體閘流管的簡稱，又稱為可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）。1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管，從而開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代，雖然20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代，但其能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，因此在大容量的場合仍具有重要地位，目前仍是使用量最多、應(yīng)用最廣泛的電力器件。

1.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)

晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，其外形有螺栓型和平板型兩種封裝。引出陽極A、陰極K和門極G（控制端）三個連接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密連接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管由兩個散熱器將其夾在中間。

圖1-1-7為晶閘管的外形、電氣圖形符號和模塊外形。

1.2.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

晶閘管是一個四層（P1—N1—P2—N2）三端（A、K、G）的功率半導(dǎo)體器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與等效復(fù)合三極管效應(yīng)，如圖1-1-8所示。

可以看出，兩個晶體管連接的特點是，一個晶體管的集電極電流就是另一個晶體管的基極電流，當(dāng)有足夠的門極電流IG流入時，兩個相互復(fù)合的晶體管電路就會形成強烈的正反饋，導(dǎo)致兩個晶體管飽和導(dǎo)通，即晶閘管的導(dǎo)通。

如果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管VT1、VT2均處于反壓狀態(tài)，即使有無門極電流IG，晶閘管都不能導(dǎo)通。

因此，得出以下結(jié)論。

（1）當(dāng)晶閘管A-K承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。

（2）當(dāng)晶體閘管A-K承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不必是一個持續(xù)的直流電壓，只要是一個具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負載性質(zhì)有關(guān)。這個脈沖常稱為觸發(fā)脈沖。

（3）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。

（4）要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。這可以通過增大負載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn)。這個能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流，是晶閘管的一個重要參數(shù)。

其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)；陽極電壓上升率du/dt過高；結(jié)溫較高；光直接照射硅片，即光觸發(fā)。在這些情況中，除了光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，對于其他情況，在晶閘管的應(yīng)用中都要采取預(yù)防措施，以免出現(xiàn)晶閘管誤導(dǎo)通的狀況。

因此只有晶閘管門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。

1.2.3 晶閘管的基本特性

1.靜態(tài)特性

靜態(tài)特性又稱為伏安特性，是指器件端電壓與電流的關(guān)系。圖1-1-9為晶閘管的伏安特性。

1）第Ⅰ象限的是正向特性

當(dāng)IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。

2）第Ⅲ象限的是反向特性

在晶閘管上施加反向電壓時，其反向特性類似二極管的反向特性。在反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

2.動態(tài)特性

晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路，有時也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時，需要嚴格地考慮晶閘管的開關(guān)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。晶閘管的動態(tài)過程及相應(yīng)的損耗，如圖1-1-10所示。

1）開通過程

晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程稱為開通過程。

（1）延遲時間td：從門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。

（2）上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。

（3）開通時間tgt：以上兩者之和，即tgt=td+tr。

延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。

普通晶閘管延遲時間為0.5～1.5μs，上升時間為0.5～3μs。

2）關(guān)斷過程

通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。

（1）反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間。

（2）正向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要的一段時間。

在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ā?/p>

在實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。

關(guān)斷時間tq為trr與tgr之和，即tq=trr+tgr。普通晶閘管的關(guān)斷時間約為幾百微秒。

1.2.4 晶閘管的主要參數(shù)

要正確使用一個晶閘管，除了了解晶閘管的靜態(tài)、動態(tài)特性外，還必須定量地掌握晶閘管的一些主要參數(shù)。

1.電壓參數(shù)

1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。

2）反向重復(fù)峰值電壓URRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。

3）通態(tài)平均電壓UT（AV）

通態(tài)平均電壓是指在晶閘管通過單相工頻正弦半波電流，在額定結(jié)溫、額定平均電流下，晶閘管陽極與陰極間電壓的平均值，又稱為管壓降。在晶閘管型號中，常按通態(tài)平均電壓的數(shù)值進行分組，以大寫英文字母A～I表示。通態(tài)平均電壓影響元件的損耗與發(fā)熱，應(yīng)該選用管壓降小的元件來使用。

4）晶閘管的額定電壓UR

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電壓等級來作為該器件的額定電壓。額定電壓在1000V以下是每100V一個電壓等級，1000～3000V則是每200V一個電壓等級。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2～3倍。

2.電流參數(shù)

1）通態(tài)平均電流IT（AV）（額定電流）

晶閘管在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。選用晶閘管時應(yīng)根據(jù)有效電流相等的原則來確定晶閘管的額定電流。由于晶閘管的過載能力小，為保證安全可靠工作，所選用晶閘管的額定電流IT（AV）應(yīng)使其對應(yīng)有效值電流為實際流過電流有效值的1.5～2倍。按晶閘管額定電流的定義，一個額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為157A。晶閘管額定電流的選擇可按下式計算：

式中IT——電流有效值。

2）維持電流IH

維持電流是使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小，晶閘管越難關(guān)斷。

3）擎住電流IL

擎住電流是指晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。

對同一晶閘管來說，通常IL為IH的2～4倍。

4）浪涌電流ITSM

浪涌電流是指電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。

3.動態(tài)參數(shù)

除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有以下兩種。

1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

斷態(tài)電壓臨界上升率是指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓的最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。

2）通態(tài)電流臨界上升率di/dt

通態(tài)電流臨界上升率是指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。

4.晶閘管的型號

普通型晶閘管型號可表示如下：

KP[電流等級]—[電壓等級/100][通態(tài)平均電壓組別]

表1-1-1為螺栓型晶閘管產(chǎn)品參數(shù)，其中UGT為門極觸發(fā)電壓，IGT為門極觸發(fā)電流，UTM為通態(tài)峰值電壓，TJM為允許最高結(jié)溫。

1.2.5 晶閘管的派生器件

1.快速晶閘管（Fast Switching Thyristor，F(xiàn)ST）

快速晶閘管包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管，其管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進行了改進，開關(guān)時間及du/dt和di/dt的承受值都有明顯改善。

普通晶閘管關(guān)斷時間為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管為10μs左右。

高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高，由于工作頻率較高，因此選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

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

雙向晶閘管可認為是一對反并聯(lián)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。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有對稱的伏安特性。其與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State Relay，SSR）和交流電機調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。通常用在交流電路中，不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。

雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性如圖1-1-11所示。

3.逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor，RCT）

逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管與反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。

逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流。

逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性如圖1-1-12所示。

4.光控晶閘管（Light Triggered Thyristor，LTT）

光控晶閘管又稱為光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子；大功率光控晶閘管還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。

由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此，目前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(jù)重要的地位。

光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性，如圖1-1-13所示。