晶闸管的工作原理与应用

1、晶闸管的工作原理与应用1晶闸管(scr)晶体闸流管简称晶闸管，也称为可控硅整流元件(scr),是由三个pn结构成的一种大功 率半导体器件。在性能上,晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅-整流元件更为可贵的 可控性，它只有导通和关断两种状态。晶闸管的优点很多，例如：以小功率控制大功率,功率放大倍数高达儿i万倍;反应极快, 在微秒级内开通、关断;无触点运行，无火花、无噪声;效率高，成木低等。因此，特别是在人 功率ups供电系统屮，晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路屮得到广 泛的应用。晶闸管的弱点:静态及动态的过载能力较差，容易受干扰而误导通。晶闸管从外形上分类主要有:螺栓形、

2、平板形和平底形。2普通晶闸管的结构和工作原理晶闸管是pnpn四层三端器件，共冇三个pn结。分析原理时，可以把它看作是由一个pnp 管和一个npn管所组成，其等效图解如图1 (a)所示，图1 (b)为晶闸管的电路符号。a人厂vt.|/«| p- apnpnpnhi极 a 0门极g(m器件符号图1品闸管等效图鄆图2.1晶闸管的工作过程晶闸管是四层三端器件，它冇ji、j2、j3三个pn结，可以把它中间的np分成两部分，构 成一个pnp型三极管和一个npn型三极管的复合管。当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的pn结j2失去阻 挡作用。每个晶体管的集电极电流同时就是

3、另一个晶体管的基极电流。因此是两个互相复合 的晶体管电路，当有足够的门极电流ig流入时，就会形成强烈的止反馈，造成两晶体管饱和 导通。设pnp管和npn管的集电极电流分别为1c1和1c2,发射极电流相应为la和ik,电流放 大系数相应为a l=lcl/la和a 2二ic2/lk,设流过j2结的反相漏电流为ico,晶闸管的阳极电 流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：=/ci+/c2+/co=ot i厶 + a 厶+人0(1)若门极电流为ig,则晶闸管阴极电流为：tk=ia+igo因此,可以得出品闸管阳极电流为：t _【co +3 1-(6 +©) 硅pp管和硅npn管相应的电流放人系

4、数a 1和u 2随其发射极电流的改变而急剧变化。 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未接受电压的情况下,式中tg=0, (a l+a2)很小，故 晶闸管的阳极电流tatco,晶闸管处于正向阻断状态；当晶闸管在正向门极电压下，从门极 g流入电流tg,由于足够大的tg流经xpn管的发射结，从而提高放人系数a 2,产生足够人的 集电极电流ic2流过pnp管的发射结，并提高了 pnp管的电流放人系数a 1,产生更人的集电 极电流ic1流经npn管的发射结,这样强烈的正反馈过程迅速进行。当a 1和a 2随发射极电流增加而使得(a 1十°2)1吋,式中的分母1-(。1+a 2)0, 因此提高了晶闸

5、管的阳极电流tao这时，流过晶闸管的电流完全由主i叫路的电压和冋路电阻 决定，晶闸管已处于正向导通状态。晶闸管导通后,式屮1-2 l+u2)0,即使此时门极电 流tg二0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流b而继续导通，门极已失去作用。在晶闸管导通麻， 如果不断地减小电源电压或增大回路电阻，便阳极电流la减小到维持电流ih以下吋，由于 a 1和a 2迅速下降，晶闸管恢复到阻断状态。2.2晶闸管的工作条件由于品闸管只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性,这种特性需耍一定的 条件才能转化，此条件见表1。(1) 晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。(2) 晶闸管承

6、受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。(3) 晶闸管在导通情况下，只要有-定的正向阳极电压，无论门极电压如何，晶闸管保持 导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。(4) 晶闸管在导通情况下，当主回路电压(或电流)减小到接近于零时,晶闸竹关断。3晶闸管的伏安特性和主要参数3.1晶闸管的伏安特性品闸管阳极a与阴极k之间的电压与品闸管阳极电流之间关系称为品闸管伏安特性，如 图2所示。正向特性位于第一象限，反向特性位于第三象限。(1) 反向特性当门极g开路,阳极加上反向电压时(见图3), j2结正偏，但ji、j2结反偏。此时只能流 过很小的反向饱和电流,当电压进一步提高到j1结的雪丿

7、期击穿电压麻，同时.13结也击穿，电 流迅速增加，如图2的特性曲线or段开始弯曲，弯曲处的电压uro称为“反向转折电压”。此 后，晶闸管会发牛永久性反向击穿。(2) 正向特性当门极g开路，阳极a加上正向电压时(见图4), ji、j3结正偏，但j2结反偏，这与普通pn 结的反向特性相似,也只能流过很小电流，这叫正向阳断状态，当电压增加，如图2的特性曲线 0a段开始弯曲,弯曲处的电压ubo称为“正向转折电压”。图3 阳极加反向电压图4 阳极加正向电压由于电压升高到j2结的雪崩击穿电压示,j2结发生雪购倍增效应，在结区产生人量的电 子和空穴，电子进入n1区，空穴进入p2区。进入n1区的电子与由p1区

8、通过j1结注入n1区的 空穴复合。同样，进入p2区的空穴与由n2区通过j3结注入p2区的电子复合，雪崩击穿后， 进入n1区的电子与进入p2区的空穴各口不能全部复合掉。这样，在n1区就有电子积累，在 p2区就有空穴积累，结果使p2区的电位升高，n1区的电位卜降，j2结变成止偏，只要电流 稍有增加，电压便迅速下降,出现所谓负阻特性,见图2中的虚线ab段。这时ji、j2、j3三 个结均处于正偏，晶闸管便进入正向导电状态通态,此时，它的特性与普通的pn结正向 特性相似，如图2的bc段。图5阳极和门极均加正向电压(3)触发导通在门极g上加入正向电压时(如图5所示)，因j3正偏,p2区的空穴进入n2区,n

9、2区的电子 进入p2区,形成触发电流igt。在品闸管的内部正反馈作用(如图2)的基础上，加上igt的作 用，使晶闸管提前导通,导致图2中的伏安特性0a段左移，igt越大，特性左移越快。图5阳极和门极均加正向电压3.2晶闸管的主要参数(1)断态重复峰值电压udrm门极开路，重复率为每秒50次，每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压，udrm二90%udsm,udsm为断态不重复峰值电压。udsm应比ubo小,所留的裕量由生产厂家决定。(2)反向重复峰值电压urrm其定义同udrm相似,urrm=90%ursm, ursm为反向不重复峰值电压。a门极g阴极k °图i曲闸管等效图解图

10、(b)器件符号(3)额定电压选udrm和urrm中较小的值作为额定电氐选用时额定电床应为止常工作峰值电床的2 3倍，应能承受经常出现的过电压。(4)通态平均电流it(av)(简写为ita)丄频正弦半波的全导通电流在一个整周期内的平均值，是在坏境温度为40°c稳定结温情 况下不超过额定值,所允许的最人平均电流作为该器件的额定电流。用最人通态平均电流标 定晶闸管的额定电流是由于整流输出电流需用平均电流去衡址，但是器件的结温是由有效值 决定的。对于同一个有效值，不同的电流波形，其平均值不一样，因此选用一个晶闸管,要根据 使用的电流波形计算出允许使用的电流平均值。设单相工频半波电流峰值为tm

11、时波形，如图6所示。通态平均电流为：；ta=r；msin°=v- (3)图6晶闸管的通态平均电流正弦半波电流有效值:i 1 兀0i1 =2k jo (/msincor)d(00=l(4)品闸管何效值与通态平均电流比值为:根据冇效值相等原则来计算晶闸悸流过其它波形电流时的允许平均电流ido冇效值b 平均值的比为波形系数：mr amt快仗熔斷耳編护才k选用晶闸管时应选晶闸管的通态平均电流tta为其正常使丿ij电流平均值的122. 0倍, 才能可靠工作。(5) 通态平均电压ut (av)晶闸管通过止弦半波的额定通态平均电流时，器件阳极a和阴极k间电压的平均值，一般 称管压降，约0.8iv。

12、(6) 维持电流ih晶闸管从通态到断态，维持通态的最小通态电流(数十亳安到一百多亳安)。(7) 擎住电流il晶闸管从断态到通态，移去触发信号,维持晶闸管通态的最小电流(il>th)o(8) 门极参数产品样本屮门极触发电流1gt,门极触发电压ugt是产品合格标准,触发电路供给的触发 电流和电压比这个数值人，才能町靠触发。使川中不能超过门极的峰值电流、峰值电压、峰 值功率和平均功率。(9) 动态参数断态电压临界上升率du/dto过大的du/dt会导致pn结j2(它相当于一个电容)产牛的 充电电流而引起课导通。对丁通态电流临界上升率di/dt,晶闸管rfl断态到通态，百先是由门 极g附近小面积

13、范i韦i内导电后展开，如果di/dt过大将造成局部过热，损坏器件。(10) 额定结温tjm器件正常匚作时允许的最高结温，在此结温下，有关额定值和特性才能得以保证，因此晶 闸管的散热器选择和冷却效果十分重要。3.3其它晶闸管(1) 快速晶闸管快速晶闸管-与普通晶闸管结构原理相同，特点是开关时间短，主要用于逆变器、斩波器及 频率为40011z的变流器，比普通晶闸管反向恢复电流小，关断时间在10us以f。(2) 逆导晶闸管在逆变电路、斩波电路屮，常将晶闸管和二极管反向并联使用，将晶闸管和整流管做成一 个器件就是逆导晶闸管，优点是器件数量少、装證体积小、正向电压小、关断时间短等。(3) 双向晶闸管双向

14、品闸管结构和特性,可以等效为一对反并联的普通晶闸管。双向品闸管常作为ups 的交流开关使用。(4) n极辅助关断晶闸管在品闸管关断的同时在门极g与阴极k之间加反压，把残留的载流子强迫地吸出来，这样 起到缩短关断时间的作用，它比快速晶闸管关断的时间述能缩矩一半。3.4晶闸管的保护电路品闸管的保护电路，人致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例 如,r-c阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再种则是采用电子 保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流 触发控制系统使整流桥在短时间内匚作于有源逆变匸作状态，从而抑制过电圧或过电流

15、的数 值。(1) 晶闸管的过流保护晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因，如整流晶 闸管损坏、触发电路或控制系统有故障等。其中整流桥品闸管损坏较为严重，般是由于品 闸管因过电压而击穿，造成无正、反向阻断能力，它相当于整流桥臂间发牛了永久性短路，使 在另外两桥臂间的品闸管导通时,无法正常换流，因而产牛线间短路引起过电流。另类则是 整流桥负载外电路发牛:短路而引起的过电流，这类情况吋有发牛，因为整流桥的负载实质上 是逆变桥，逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。另外，如整流变压器中心点接地, 当逆变负载回路接触人地时，也会发牛整流桥相对地来说就是短路。对于第一类过流

16、，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载冋路接地时，可以采 用笫一种保护措施，最常见的就是接入快速熔断器的方式，如图7所示(f)。快速熔断器的接入 方式共有三种，其特点和快速熔断器的额定电流见表2。abc一 5 一 一 订一 5 2 il5/m co、f 1“).3 )5 55 21 jf1tj111 j54 15 6 )abcabc-v53 j$n rib图7品闸管快速熔断器保护方式表2快速熔断皤的接入方式.特点和额定电涼方式特点額定电流1补备汪as焙断器与毎一个元件申联能可施地保护毎一个元件氐vi 27厶/t：a«管通态平均电流b型能在交滾.直滚和器件袒路时起保护作用.其可施

17、性稍有陆低乐k：“d系见n3k(:交流储线电流与侯比矗液输出电流cs直流负代储有故应时动作器件内部短路时不能起保护作用zrx</did：矗滦输出电流表3整流电路凹式与系数心的关系表型式单相全波单相桥式三相冬式三相桥式六相枣式六相桥式双y带平衡电抗器系数匕电感负栽0.70710.5770.8160.1080.289电阻负玻0.7851.90.5780.8180.4090.290对于第二类过流，即整流桥负载外电路发牛:短路而引起的过电流，则应当采用电子电 路进行保护。常见的电子保护原理如图8所示。触发系统qqoabc图8过流保护原理图(2) 晶闸管的过压保护晶闸管设备在运行过程屮，会受到由交

18、流供电电网进入的操作过电压和雷占过电圧的侵 袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。过电压保护的第种方法是并接r-c阻容吸收回路，以及用压敏电阻rv或硒堆等非线 性元件加以抑制，如图9(a) (b)所示。icccsjyyyvarc捋制r ji刃1 o 品i词苦过电压电子侏护电#各过电压保护的第二种方法是采用电犷电路进行保护。常见的电/保护原理如图10所 示。_过流整定控制门-触发系统偏移量图10晶闸管过电压电子保护电路(3) 电流上升率、电压上升率的抑制保护电流上升率di/dt的抑制。品闸管初开通时电流集小在靠近门极的阴极表面较小的区 域，局部电流密度很人，然示以0. 1mm/

19、u s的扩展速度将电流扩展到整个阴极而，若晶闸管开 通时电流上升率di/dt过大,会导致pn结击穿，必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的 范围内，其有效办法是在晶闸管的阳极回路串入电感，如图11所示。l图11串联电感抑制回路电压上升率du/dt的抑制。加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt也应有所限制,如 果du/dt过大，由于品闸管结电容的存在而产牛:较大的位移电流，该电流nj以实际上起到触 发电流的作用，使品闸管i洞阻断能力下降，严重时会引起品闸管误导通。为抑制du/dt的作 用，可以在晶闸管两端并联r-c阻容吸收回路，如图12所示。3.5晶闸管损坏原因判别rtc图12并联尺c阻容吸收回

20、路(1) 电压击穿。晶闸管因不能承受电压而损坏,其芯片中有一个光洁的小孔，有时需用放 大镜才能看见。其原因可能是管子本身耐压卜降或被电路断开时产生的高电压击穿。(2) 电流损坏。电流损坏的痕迹特征是芯片被烧成一个凹坑,且粗糙，其位置远离门极。(3) 电流上升率损坏。其痕迹与电流损坏相同，而其位置在门极附近或就在控制极上。(4) 边缘损坏。它发生在芯片外圆倒角处，有细小光洁小孔。用放人镜可看到倒角面上有 细细金属物划痕，这是制造厂家安装不慎所造成的，会导致电压击穿。3.6晶闸管的检测(1)单向晶闸管的检测方法取力用表选电阻rx1q扌当，红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻，宜至找岀读 数为数

21、十欧姆的一对引脚，此时，黑表笔的引脚为门极g,红表笔的引脚为阴极k,另一空脚为 阳极ao此时将黑表笔接已判断的阳极a,红表笔仍接阴极k,此时力用表指针应不动;用短线 瞬间短接阳极a和门极g,此吋万用表电阻挡指针应向右偏转，阻值读数为10q力右。如阳极 a接黑表笔，阴极k接红表笔时，丿j川表指针发牛偏转，说明该单向晶闸管己被击穿损坏。双向晶闸管的检测収万用表电阻rx1q挡,用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻，结果是其中 两组读数为无穷人。若组为数i 欧姆时，该组红、黑表所接的两引脚为第阳极a1和门极 g,另一空脚即为第二阳极a2。确定al、g极后，再仔细测量al、g极间正、反向电阻，读数 相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为笫阳极a1,红表笔所接引脚为控制极go将黑 表笔接已确定的第二阳极a2,红表