晶閘管的工作原理及特性

1、晶閘管（SCR）

晶體閘流管簡稱晶閘管，也稱為可控硅整流元件（SCR），是由三個PN結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件。在性能上，晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦?，而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性，它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。

晶閘管的優(yōu)點很多，例如：以小功率控制大功率，功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍；反應(yīng)極快，在微秒級內(nèi)開通、關(guān)斷；無觸點運行，無火花、無噪聲；效率高，成本低等。因此，特別是在大功率UPS供電系統(tǒng)中，晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開關(guān)、無觸點輸出開關(guān)等電路中得到廣泛的應(yīng)用。

晶閘管的弱點：靜態(tài)及動態(tài)的過載能力較差，容易受干擾而誤導(dǎo)通。

晶閘管從外形上分類主要有：螺栓形、平板形和平底形。

2、普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理

晶閘管是PNPN四層三端器件，共有三個PN結(jié)。分析原理時，可以把它看作是由一個PNP管和一個NPN管所組成，其等效圖解如圖1（a）所示，圖1（b）為晶閘管的電路符號。

圖1 晶閘管等效圖解圖

2．1、晶閘管的工作過程

晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結(jié)，可以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復(fù)合管。

當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此是兩個互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)有足夠的門極電流Ig流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通。

設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流分別為IC1和IC2，發(fā)射極電流相應(yīng)為Ia和Ik，電流放大系數(shù)相應(yīng)為α1＝IC1／Ia和α2＝IC2／Ik，設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電流為ICO，晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和：

Ia＝IC1＋IC2＋ICO＝α1Ia＋α2Ik＋ICO （1）

若門極電流為Ig，則晶閘管陰極電流為：Ik＝Ia＋Ig。

因此，可以得出晶閘管陽極電流為：

（2）硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)α1和α2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未接受電壓的情況下，式（1）中Ig＝0，（α1＋α2）很小，故晶閘管的陽極電流Ia≈ICO，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)；當(dāng)晶閘管在正向門極電壓下，從門極G流入電流Ig，由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提高放大系數(shù)α2，產(chǎn)生足夠大的集電極電流IC2流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)α1，產(chǎn)生更大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，這樣強烈的正反饋過程迅速進行。

當(dāng)α1和α2隨發(fā)射極電流增加而使得（α1＋α2）≈1時，式（1）中的分母1－（α1＋α2）≈0，因此提高了晶閘管的陽極電流Ia。這時，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定，晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。晶閘管導(dǎo)通后，式（1）中1－（α1＋α2）≈0，即使此時門極電流Ig＝0，晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通，門極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷地減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時，由于α1和α2迅速下降，晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。

2．2、晶閘管的工作條件

由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表1。

表1 晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷條件

（1）晶閘管承受反向陽極電壓時，無論門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。

（2）晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。

（3）晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，無論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。

（4）晶閘管在導(dǎo)通情況下，當(dāng)主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。

3、晶閘管的伏安特性和主要參數(shù)

3．1、晶閘管的伏安特性

晶閘管陽極A與陰極K之間的電壓與晶閘管陽極電流之間關(guān)系稱為晶閘管伏安特性，如圖2所所示。正向特性位于第一象限，反向特性位于第三象限。

圖2 晶閘管伏安特性參數(shù)示意圖

（1） 反向特性

當(dāng)門極G開路，陽極加上反向電壓時（見圖3），J2結(jié)正偏，但J1、J2結(jié)反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后，同時J3結(jié)也擊穿，電流迅速增加，如圖2的特性曲線OR段開始彎曲，彎曲處的電壓URO稱為“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此后，晶閘管會發(fā)生永久性反向擊穿。

圖3 陽極加反向電壓

圖4 陽極加正向電壓

（2） 正向特性

當(dāng)門極G開路，陽極A加上正向電壓時（見圖4），J1、J3結(jié)正偏，但J2結(jié)反偏，這與普通PN結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓增加，如圖2的特性曲線OA段開始彎曲，彎曲處的電壓UBO稱為“正向轉(zhuǎn)折電壓”。

由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后，J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子進入N1區(qū)，空穴進入P2區(qū)。進入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合。同樣，進入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿后，進入N1區(qū)的電子與進入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉。這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍有增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負阻特性，見圖2中的虛線AB段。這時J1、J2、J3三個結(jié)均處于正偏，晶閘管便進入正向?qū)щ姞顟B(tài)——通態(tài)，此時，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，如圖2的BC段。

（3） 觸發(fā)導(dǎo)通

在門極G上加入正向電壓時（如圖5所示），因J3正偏，P2區(qū)的空穴進入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在晶閘管的內(nèi)部正反饋作用（如圖2）的基礎(chǔ)上，加上IGT的作用，使晶閘管提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖2中的伏安特性O(shè)A段左移，IGT越大，特性左移越快。

圖5 陽極和門極均加正向電壓

3．2、晶閘管的主要參數(shù)

（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

門極開路，重復(fù)率為每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms的斷態(tài)最大脈沖電壓，UDRM＝90％UDSM，UDSM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓。UDSM應(yīng)比UBO小，所留的裕量由生產(chǎn)廠家決定。

（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM

其定義同UDRM相似，URRM＝90％URSM，URSM為反向不重復(fù)峰值電壓。

（3）額定電壓

選UDRM和URRM中較小的值作為額定電壓，選用時額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍，應(yīng)能承受經(jīng)常出現(xiàn)的過電壓。
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