晶闸管的工作原理与应用

时间：2022-01-20

作者：上海秦邦电子科技有限公司

1 晶闸管(SCR)

晶闸管简称晶闸管，又称可控硅整流元件(SCR),是由三个PN一种由结构组成的大功率半导体设备。在性能方面，晶闸管不仅具有单向导电性，而且比硅整流元件具有更有价值的可控性。它只有两种状态：导电和关闭。

晶闸管有许多优点，如：小功率控制大功率，功率放大倍数高达数十万倍；反应快，微秒内开关；无接触操作，无火花，无噪音；效率高，成本低。因此，特别是在大功率方面UPS晶闸管广泛应用于整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路。

晶闸管的弱点：静态和动态过载能力差，易受干扰和误导。

晶闸管主要分为螺栓形、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四层三端器件有三个PN结。在分析原理时，可以认为是由一个PNP管和一个NPN管所由图1组成(a)所示,图1(b)是晶闸管的电路符号。

图1 晶闸管等效图

2.1 晶闸管的工作过程

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结，可以在中间NP分为两部分，形成一个部分PNP型三极管和一个NPN三极管复合管。

当晶闸管承受正向阳极电压时，必须承受反向电压才能导通晶闸管PN结J2.失去阻挡。每个晶体管的集电极电流是另一个晶体管的基较电流。因此，当有足够的门较电流时，两个相互复合的晶体管电路Ig流入时，会形成强烈的正反馈，导致两晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2.发射较电流相应Ia和Ik,电流放大系数对应α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管集电极电流和漏电流的总和：

Ia="IC1" IC2 ICO

=α1Ia α2Ik ICO (1)

若门较电流为Ig,晶闸管阴极电流为：Ik=Ia Ig。

因此,可以得出晶闸管阳极电流为:

(2)

硅PNP管和硅NPN相应的电流放大系数α1和α随着发射较电流的变化而迅速变化。当晶闸管承受正阳极电压，门较不接受电压时，类型（1）Ig=0,(α1 α2)很小，所以晶闸管的阳极电流Ia≈ICO,晶闸管处于正阻状态；当晶闸管处于正向门较电压下时，从门较G流入电流Ig,足够大Ig流经NPN从而提高放大系数α2.产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管道的发射结得到了改善PNP管道的电流放大系数α1.产生更大的集电极电流IC1流经NPN如此强烈的正反馈过程烈的正反馈过程快速进行。

当α1和α随着发射较电流的增加，2(α1 α2)≈1时，分母1中的分母1-(α1 α2)≈因此，晶闸管的阳极电流增加了Ia。此时，流过晶闸管的电流完全由主电路的电压和电路电阻决定，晶闸管处于正向导通状态。晶闸管导通后，类型（1）中的1-(α1 α2)≈即使此时门较电流Ig=0.晶闸管仍能保持原阳极电流Ia如果继续导通，门较就失去了功能。晶闸管导通后，如果不断降低电源电压或增加电路电阻，阳极电流Ia减少到维持电流IH因为α1和α2迅速下降，晶闸管恢复到阻断状态。

2.2 晶闸管工作条件

由于晶闸管只有两种工作状态：导通和关闭，因此具有开关特性，需要一定的条件才能转换，见表1。

表1 晶闸管导通及关闭条件

(1)当晶闸管承受反向阳极电压时，无论门较承受什么电压，晶闸管都处于关闭状态。

(2)当晶闸管承受正向阳极电压时，晶闸管只能在门较承受正向电压时导通。

(3)只要晶闸管有一定的正阳极电压，无论门较电压如何，晶闸管都会保持导通，即晶闸管导通后，门较就会失去功能。

(4)当主电路电压(或电流)降低到接近零时，晶闸管关闭。

3 晶闸管的伏安特性及主要参数

3.1 晶闸管的伏安特性

晶闸管阳极A与阴极K电压与晶闸管阳极电流的关系称为晶闸管伏安特性，如图2所示。正向特性位于**象限，反向特性位于*三象限。

图2 晶闸管伏安特性参数示意图

(1) 反向特性

当门较G开路时，阳极加反向电压(见图3)，J2结正偏,但J1、J2结反偏。当电压进一步升高到时，只能流过小的反向饱和电流J1结雪崩击穿电压后，同时J3结也被击穿，电流迅速增加，如图2所示OR段开始弯曲，弯曲处的电压URO称为反向转折电压。此后，晶闸管将*反向击穿。

图3 阳极反向电压图4 阳极正向电压

(2) 正特性

当门较G开路,阳极A加上正电压(见图4)，J1、J3结正偏,但J结反偏，这与普通有关PN结的反向特性相似，只能流过小电流，称为正阻状态。当电压升高时，如图2所示OA段开始弯曲,弯曲处的电压UBO称为正转折电压。

由于电压升高到J2结雪崩击穿电压后，J2.雪崩倍增效应在结区产生大量电子和空穴，电子进入N1区，空穴进入P2区。进入N1区电子与由P1区通过J1结注入N1区空穴复合。同样，进入P2区空穴与由N2区通过J3结注入P2区电子复合，雪崩击穿后，进入N电子与进入1区P2区的空穴不能全部复合。这样，在N一区有电子积累，在P2区有空穴积累，结果使得P2区电位升高，N1区电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍微增加，电压就会迅速下降，出现所谓的负阻特性，见图2中的虚线AB段。这时J1、J2、J三个结均处于正偏，晶闸管进入正导电状态-通态。此时，它的特性和普通性PN结正向特性相似，如图2所示BC段。

(3) 触发导通

在门较G当添加正向电压时(如图5所示)J3正偏,P进入2区空穴N2区,N电子进入2区P二区形成触发电流IGT。在晶闸管内部正反馈功能(如图2所示)的基础上，加上IGT晶闸管的作用是提前导通，导致图2中的伏安特性OA段左移,IGT特征左移越大越快。

图5 阳极和门的较端正电压

3.2 晶闸管主要参数

(1)峰值电压断态重复UDRM

门较开路，重复率为每秒50次，每次持续时间不**过10次ms断态较大脉冲电压，UDRM=90%UD ** ,UD ** 峰值电压不重复为断态。UD ** 应比UBO小，由厂家决定留下的余量。

(2)反向重复峰值电压URRM

其定义同UDRM相似,URRM=90%UR ** ,UR ** 峰值电压反向不重复。

(3)额定电压

选UDRM和URRM额定电压为中小值，正常工作峰值电压为2～三倍，应能承受频繁的过电压。(未完待续)

注：文章中的公式和符号主要发表在杂志上。

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