晶闸管特性及应用

教学单元一

芜湖职业技术学院电气工程系晶闸管特性及应用第一节功率二极管第二节晶闸管教学内容课程单元晶闸管的认知

现将一种半导体基片（N型或P型）通过扩散或合金工艺，在其上形成相反导电类形，这两部分即形成PN结。

PN结形成原理，P区的空穴扩散到N区，N区中的电子扩散到P区，在交界面出现空间电荷区，形成由N区指向P区的内电场。内电场阻止多子继续扩散同时又帮助少子向各自对方漂移，在一定温度下，扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷达到稳定值。第一节功率二极管功率二极管的伏安特性，当外加正向电压大于ＵＴＯ（门槛电压）即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到UB（击穿电压），使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流ＩＲＲ剧增，导致二极管击穿损坏。用于工频整流的功率二极管亦称整流管，国产型号为ＺP，主要参数说明如下：

（1）额定正向平均电流ＩF（额定电流）指管子长期运行在规定散热条件下，允许流过正弦半波时的最大平均电流，将此电流值配规定系列的电流等级即为管子的额定电流。

ＩF受发热限制，因此在使用中按有效值相等来选取管子电流定额。对应额定电流ＩF，其有效值为1.57ＩF。（2）反向重复峰值电压ＵＲＲＭ（额定电压）指管子反向能重复施加的最高峰值电压，此值通常为击穿电压ＵB的2／3。（3）正向平均电压ＵF在规定条件下，管子流过额定正弦半波电流时，管子两端的正向平均电压亦称管压降，此值比直流压降小。（4）反向漏电流ＩＲＲ对应于反向重复峰值电压时的漏电流。ＺＰ系列参数。由于工作于工频，故动态参数不标出。开关二极管可分四种工作状态：静态为正向导通和反向阻断，动态为开通过程和关断过程。二极管工作状态转换的特性称为开关特性，现将关断特性与开通特性分析如下：（1）关断特性，开关二极管转换电路，当S从“1”位置立即倒向“2”时，由于PN结内存在大量载流子需要排除和复合，所以反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，在未恢复阻断之前二极管相当于短路状态。其关断过程，tf时刻开关Ｓ倒向“2”，导通的二极管突加反压UR，正向电流以dif／dt的速率减小，to时二极管电流降为零，电流变化率的大小为—UR／L，L为电路电感。t1时结内Ql电荷已被抽走，反向电流达最大值IRM，在此以前二极管仍为正偏，tl时刻后管子开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小，其dirr／dt值较大，在电感L中产生较高电动势，此电动势与电源电压叠加，使二极管承受很高的反向电压URM。（2）开通特性当图a开关Ｓ从“２”突然倒向“１”时，必须先将原先变厚的空间电荷释放，当正向电压上升到门槛电压UTO以上时，ＰＮ结才会有正向电流流过，二极管的开通特性，在开通过程中，二极管两端会出现几伏到几十伏的正向峰值电压Ｕfp,它比稳态的管压降大得多，且需要经过开通时间（正向恢复）tfr后才恢复正常，因此限制了正向电流上升率和开关速度。通常正向恢复时间tfr比反向恢复时间trr小。第二节晶闸管

§2.3晶闸管的主要参数

§2.2晶闸管的基本特性

§2.1晶闸管的结构与工作原理

§2.4晶闸管的检测及判别方法

§2.5晶闸管的派生器件

晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与平板式。

晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。图a为小电流塑封式，电流稍大时也需紧固在散热板上，图b、c为螺栓式，使用时必须紧栓在散热器上，图d为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。

§2.1晶闸管的结构与工作原理一、晶闸管的结构晶闸管实物图常用晶闸管的外形螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构

晶闸管散热器，图a适用于螺栓式，图b、c用于平板式。平板式两面散热效果好，电流在200Ａ以上的管子都采用平板式结构。

管芯由四层半导体（P1N1P2N2）组成,形成三个PN结（Ｊ1、Ｊ2、Ｊ3）。阳极阴极门极晶闸管的结构二、晶闸管的工作原理

晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管Ｖ1（Ｐ1—Ｎ1—Ｐ2）与V2（N1—Ｐ2—Ｎ2）的组成。PNPNPN外加反向电压（UA<UK）时J1、J3反偏，晶闸管反向阻断，只有很小的反向漏电流。导通的过程是一个正反馈过程。V1、V2饱和。IG（IB2）IC2（IB1）IC1（IB2）晶闸管工作原理

共基极电流增益忽略ICBO：

Ic1=1IA+ICBO1

（1-1）Ic2=2IK+ICBO2

（1-2）IK=IA+IG

（1-3）IA=Ic1+Ic2

外加正向电压（UA>UK）（1-4）开通（门极触发）：在晶闸管门极加正向触发脉冲。

门极触发注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。UAK

很小（1V左右）IA实际由外电路决定。一管基极电流能维持另一管的饱和，此时除去门极正向电压晶闸管仍导通。（不可控）晶闸管通断规律承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（反向阻断）承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断状态。承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（半控）。要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。

阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高

以上三种情况，因不易控制，难以应用于实践光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管。

只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段其他几种可能导通的情况：

1、晶闸管的导通、关断实验由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。

（a）(b)(c)

实验顺序实验前灯的情况实验时晶闸管条件实验后灯的情况结论阳极电压UA门极电压UG导通实验1暗反向反向暗晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何电压，它都处于关断状态。2暗反向零暗3暗反向正向暗1暗正向反向暗晶闸管在正向阳极电压与正向门极电压的共同作用下，才能导通。2暗正向零暗3暗正向正向亮关断实验1亮正向正向亮已导通的晶闸管在正向阳极作用下，门极失去控制作用。2亮正向零亮3亮正向反向亮4亮正向（逐渐减小到接近于零）任意暗晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，晶闸管关断。2、实验说明3、实验结论通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件:

（1）晶闸管主电路加正向电压。（2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。

晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。

晶闸管伏安特性，当Ｉg=0晶闸管正向电压Ｕa增大到正向转折电压ＵBO前，器件处于正向阻断状态，其正向漏电流随Ｕa电压增高而逐渐增大，当Ｕa达到ＵBO时管子突然从阻断状态转为导通，导通后器件的特性与整流二极管正向伏安特性相似。

晶闸管加反向阳极电压时，只流过很小的反向漏电流，当反向电压升高到ＵRO时管子反向击穿损坏，ＵRO称为反向击穿电压。

§2.2晶闸管的基本特性一、晶闸管的伏安特性（静态特性）第一象限正向特性第三象限反向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在1V左右导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。1、正向特性2、反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。晶闸管的伏安特性二、晶闸管的门极伏安特性门极电流IG与门极和阴极之间电压UGK的关系。晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。极限高阻伏安特性极限低阻伏安特性IFGM：门极正向峰值电流UFGM：门极正向峰值电压IGT：门极触发电流UGT：门极触发电压IGD：门极不触发电流UGD：门极不触发电压PG：平均功率PGM：瞬时最大功率可靠触发区不触发区不可靠触发区为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。门极参数晶闸管的门极伏安特性三、晶闸管的动态特性开通过程关断过程动态参数1、开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间开通时间tgt以上两者之和，

tgt=td+tr

普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s2、关断过程正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间

在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。

实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr

（1-6）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。3、动态损耗导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗这两部分属于静态损耗开通损耗关断损耗在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，是动态损耗还有扩展损耗和过渡损耗，也是动态损耗对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素

§2.3晶闸管的主要参数一、电压参数

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。使用注意：断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。1、额定电压UTnUm工作电路中夹在管子上的最大瞬时电压值所以取700~1000V的管子均可。相反过程也应会计算。例：单相半波整流电路，电源电压有效值为220V，选择晶闸管。晶闸管额定电压的选择2、通态平均电压UT(AV)

在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降)表1.3晶闸管通态平均电压分组组别ABC通态平均电压（V）ＵT≤0.40.4＜ＵT≤0.50.5＜ＵT≤0.6组别DEF通态平均电压（V）0.6＜ＵT≤0.70.7＜ＵT≤0.80.8＜ＵT≤0.9组别GHI通态平均电压（V）0.9＜ＵT≤1.01.0＜ＵT≤1.11.1＜ＵT≤1.2在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择ＵT(AV)

小的晶闸管。二、电流参数1、通态平均电流

IT(AV)（额定电流）

晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

决定晶闸管容许电流大小的是温度，即管芯PN结的温度。

造成发热的原因是损耗。主要是通态损耗，希望正向压降小些；其次是断态损耗，希望IDRM和IRRM小些；还有开关损耗，工作频率要加以考虑；门极损耗通常较小。晶闸管正向电流愈大，通态损耗愈大。

晶闸管额定电流以通态平均电流来标定。电流平均值与电流有效值的比较电流平均值：各种直流分量（成分）的电流波形都有一个电流平均值平均值计算方法：一个周期内电流波形面积的平均电流平均值是直流电流表的读数值电流有效值：各种直流分量（成分）的电流波形也有一个电流有效值平均值计算方法：一个周期内电流波形的均方根电流有效值是发热成比例关系有效值相等发热相同电流波形不同，平均值和有效值的关系也不一样。因此要进行换算。电流平均值与电流有效值的计算以正弦半波为例有效值：平均值：均方根波形系数：有效值平均值电流平均值与电流有效值的换算额定波形（正弦半波）条件下的电流有效值：

I额定=1.57IT（AV）某种波形的电流有效值：

I=Kf

Id有效值相等：

KfId=1.57IT（AV）晶闸管额定电流的选择IT（AV）：晶闸管的额定电流（通态平均电流）ITn：晶闸管额定有效电流（此值制造厂不提供）ITm：晶闸管所处电路中最大电流有效值I

Tn=1.57IT（AV）ITn≥ITm不论流过管子波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值ITn小于管子流过的最大有效电流ITn

，散热冷却符合规定，则晶闸管的发热与温升就能限制在允许范围内注意事项：应留一定的裕量，一般取1.5～2倍1.57IT（AV）=ITn≥（1.5～2）ITm∴

IT（AV）≥（1.5～2）计算中常用的积分式：用于有效值计算：用于平均值计算：矩形波有效值：矩形波平均值：周期的

周期的

2、维持电流IH

在标准室温且门极断开时，管子从较大通态电流降到刚能保持导通的最小阳极电流。额定电流大的管子其IH值亦大一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小同型号的管子其IH各不相同，IH大的管子容易关断3、擎住电流IL(掣住电流）

晶闸管加上触发脉冲使其开通的过程中，当脉冲消失此时要保持管子维持导通所需的最小阴极电流。晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍使晶闸管维持导通所必需的最小电流如管子在开通过程中阳极电流Ia尚未上升到IL，当触发脉冲去除后管子又会恢复阻断三、晶闸管的门极参数1、门极触发电流IGT

IGT是在室温下，阳极电压直流6V时使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。2、门极触发电压UGT

UGT是产生门极触发电流的最小门极电压。

由于晶闸管门极伏安特性的分散性很大，标准只规定了IGT和UGT的下限，使用时应注意产品合格证上所列的实测数值。并大于此值，但不应超过其峰值IFGM和UFGM。门极平均功率PG（AV）和峰值功率

PGM也不应超过规定值。晶闸管门极伏安特性

在实际使用时，多采用脉冲电流来触发，因此触发脉冲电流幅值允许可达5倍的常规触发电流来进行触发。四、晶闸管的动态参数1、开通时间tgt普通晶闸管的tgt在6μs左右，快速晶闸管可达1μs.开通时间与门极触发脉冲前沿上升的陡度与幅值的大小、器件的结温、开通前的电压、开通后的电流以及负载电流的时间常数（L/R）有关，电感性负载时可达几十至几百微妙。为了缩短开通时间常采用触发脉冲前沿陡、幅度大的窄脉冲，称强脉冲2、开通时间tqtq与管子结温、关断前阳极电流及所加反压的大小有关普通晶闸管的tq约在几十至几百微妙，用于工频电路完全不考虑开关时间；当工作在中频或高频时，必须选用快速晶闸管，其关断时间可短至1μs。晶闸管动态特性3、断态电压临界上升率du/dt

指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。4、通态电流临界上升率di/dt

指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。三、国产晶闸管的型号

按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：

如KP100—12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降（通态平均电压）为1V的普通型晶闸管。

有的制造厂采用老型号3CT□／□。如3CT100／800表示额定电流为100A，额定电压为800V的可控硅整流元件，即现在定名的晶闸管。3CTK为快速管，3CTS为双向管。

晶闸管ＫＰ型主要特性参数。指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流1.按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压UTM的2～3倍来选择晶闸管的额定电压，即

UTn=(2～3)UTM(1-3)2.按电流有效值相等的原则进行换算，选择晶闸管的额定电流即

IT=1.57IT(AV)

IT(AV)=IT/1.57

由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取(1.5～2)的安全裕量，即

IT(AV)=(1.5～2)ITm/1.57选用晶闸管的原则

例1-1一晶闸管接在220V交流回路中，通过器件的电流有效值为100A，问选择什么型号的晶闸管?

解:选择晶闸管额定电压UTn=(2～3)UTM=(2～3)×220V=622～933V

按晶闸管参数系列取800V，即8级。选择晶闸管的额定电流

IT(AV)=(1.5～2)IT/1.57=(1.5～2)×100/1.57=95～127A

按晶闸管参数系列取100A。所以选取晶闸管型号KPl00-8E。例1-2现有晶闸管型号为KP50-7，用于某电路中时，流过的电流波形如图所示，试求Im允许多大?解：KP50-7晶闸管允许流过的电流有效值为

IT=1.57IT(AV)=1.57×50A=78.5A实际流过该管的电流有效值

当考虑2倍的安全余量时，Im的允许值为

流过晶闸管的电流波形例题：220V交流输入单相半波可控整流电路带40W白炽灯，确定晶闸管型号。220V~解：步骤一：

单相半波可控整流电路中，晶闸管可能承受的最大电压：考虑2~3倍余量：

确定所需晶闸管的额定电压等级，因为电路无储能元器件，因此选择电压等级为7的晶闸管可以满足正常工作的需要。步骤二：

根据白炽灯的额定值计算出其阻值大小：步骤三：

在单相半波相控整流电路中，当a=0时，即晶闸管阳极A与阴极K之间一承受正向电压立即触发导通时（相当于二极管），流过晶闸管的电流最大。

根据对于电路的分析可以看出流过晶闸管的电流与流过负载白炽灯的电流相同。

流过晶闸管的电流最大时的波形为正弦半波，电流的有效值是平均值的1.57倍（波形系数）。流过晶闸管的电流最大值为：

根据课本13页表1-2公式可知，流过晶闸管电流的有效值：

根据课本14页选取晶闸管额定电流的公式1-4，可知：

因为电路无储能元器件，因此选择额定电流为1A的晶闸管就可以满足正常的工作了。

由以上分析可以确定晶闸管应选用的型号为：KP1-7一、外形上判别极性螺栓型：螺栓为阳极，粗辫子为阴极，细辫子为门极平板型：靠近门极的为阴极小电流塑封型：3个电极的引脚是一致的二、万用表测量极性和好坏

AK正反向电阻（RAK/RKA）：数百K

AG正反向电阻（RAG/RGA）：数百K

GK正反向电阻（RGK/RKG）：数十～数百但RGK<RKG（RKG为内部旁路电阻）注意:红表笔接的是万用表电源负极,

黑表笔接的是万用表电源正极。晶闸管的测试

§2.4晶闸管的检测及判别方法如何用万用表判定晶闸管的3个电极？步骤一：选择万用表的R100档步骤二：判定门极步骤三：判定阳极和阴极

不能使用万用表的高阻档（10K），以防表内高压电池击穿晶闸管。

万用表黑表笔（内部电池正端）接某一电极，红表笔依次触碰另外两个电极。假如一次阻值很小，约几百欧，另一次电阻很大，约几千欧，说明黑表笔接的是门极。否则，换其他电极进行以上实验，直到找到门极。

在步骤二中，电阻小的那次测量中，红表笔接的是阴极K；阻值大的那次测量中，红表笔接的是阳极A。三、晶闸管的单相可控性测试晶闸管的单相可控性测试10VLVTS序号器件名称参数1灯泡L2晶闸管VTBT169S断开，VT截止，灯L熄灭；S闭合，VT导通，灯L点亮。四、万用表检测晶闸管的触发能力

以下方法都采用万用表的1KW档。因为此时电池电压仅为1.5V，低于UG值（一般约为2.5-4V）,故不会损坏晶闸管。方法一：1.按照右图连接电路，开关可以用一根导线代替；

2.先断开开关S，此时晶闸管未导通，测出电阻值较大；

3.闭合开关S，门极与阳极短路，使门极电位升高，相当于加上触发电压，晶闸管导通，阻值为几到几十欧姆；

4.再次断开开关