【模电】晶闸管

晶闸管

结构和等效模型
工作原理
晶闸管的伏安特性
晶闸管的主要参数

晶体闸流管简称晶闸管，也称为硅可控元件(SCR)，是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关。

结构和等效模型

由于晶闸管是大功率器件，一般均用在较高电压和较大电流的情况，故其外形均便于安装散热片和有利于散热。常见的晶闸管外形有螺栓型和平板形，此外其封装形式有金属外壳和塑封外壳等。
晶闸管的内部结构示意图如下所示，它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，分别为 ${P\tiny 1}$ 、 ${N\tiny 1}$ 、 ${P\tiny 2}$ 、 ${N\tiny 2}$ ，它们的接触面形成三个PN结，分别为 ${J\tiny 1}$ 、 ${J\tiny 2}$ 、 ${J\tiny 3}$ ，故晶闸管也称为四层器件或PNPN器件。 ${P\tiny 1}$ 区的引出线为阳极A， ${N\tiny 2}$ 区的引出线为阴极C， ${P\tiny 2}$ 区的引出线为控制极G。
晶闸管的结构示意图

为更好地理解晶闸管的工作原理，常将其 ${N\tiny 1}$ 和 ${N\tiny 2}$ 两个区域分解成两部分，使得 ${P\tiny 1}$ - ${N\tiny 1}$ - ${P\tiny 2}$ 构成一只PNP型管， ${N\tiny 1}$ - ${P\tiny 2}$ - ${N\tiny 2}$ 构成一只NPN型管，如下图所示。
晶闸管等效为两只相连的晶体管

用晶体管的符号表示，如下图所示。
晶闸管的等效电路

晶闸管的符号如下所示。

工作原理

当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压而控制极不加电压时， ${J\tiny 1}$ 处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。
当晶闸管的阳极A和阴极C之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时，如下图所示，图(a)为实际电路，图(b)为等效电路。
晶闸管的工作原理
${J\tiny 3}$ 处于导通状态。若 ${T\tiny 2}$ 管的基极电流为 ${i\tiny B2}$ ，则其集电极电流为 ${\beta}{\tiny 2}{i\tiny B2}$ ； ${T\tiny 1}$ 管的基极电流 ${i\tiny B1}$ 等于 ${T\tiny 2}$ 管的集电极电流 ${\beta}{\tiny 2}{i\tiny B2}$ ，因而 ${T\tiny 1}$ 管的集电极电流 ${i\tiny C1}$ 为 ${\beta}{\tiny 1}{\beta}{\tiny 2}{i\tiny B2}$ ；该电流又作为 ${T\tiny 2}$ 管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内(一般不超过几微秒)，两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。晶闸管一旦导通，控制极就失去控制作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。晶闸管导通后，阳极和阴极之间的电压一般为0.6 ~ 1.2V，电源电压几乎全部加在负载上；阳极电流 ${i\tiny A}$ 因型号不同可达几十 ~ 几千安。
&emsp晶闸管如何从导通变为阻断呢？如果能够使阳极电流 ${i\tiny A}$ 减小到小于一定数值 ${I\tiny H}$ ，导致晶闸管不能维持正反馈过程，管子将关断，这种关系称为正向阻断， ${I\tiny H}$ 称为维持电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反向阻断。因此，控制极只能通过加正向电压控制晶闸管从阻断状态变为导通状态；而要使晶闸管从导通状态变为阻断状态，则必须通过减小阳极电流或改变A - C电压极性的方法实现。

晶闸管的伏安特性

以晶闸管的控制极电流 ${i\tiny G}$ 为参变量，阳极电流i与A - C之间u的关系称为晶闸管的伏安特性，即
$i=f(u){\huge \mid_{{\small I}\tiny C}}$
下图所示为晶闸管的伏安特性曲线。

u＞0时的伏安特性称为正向特性，从上图所示的伏安特性曲线可知当 $I{\tiny C}=0$ 时，u逐渐增大，在一定限度内，由于 ${J\tiny 2}$ 处于反向偏置，i为很小的正向漏电流，曲线与二极管的反向特性类似；当u增大到一定数值后，晶闸管导通，i骤然增大，u迅速下降，曲线与二极管的正向特性类似；这种导通方式容易造成晶闸管击穿而损坏，应当避免；使晶闸管从阻断到导通的A - C电压u称为转折电压 $U\tiny BO$ 。正常工作时，应在控制极和阴极间加触发电压，因而 $I\tiny G$ 大于零；而且， $I\tiny G$ 越大，转折电压越小，如上图所示。A - C所在回路的电阻(通常为负载电阻)限制了阳极电流。
u＜0时的伏安特性称为反向特性。从上图所示的伏安特性曲线可知，，晶闸管的反向特性与二极管的反向特性类似。当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压时，由于 ${J\tiny 1}$ 和 ${J\tiny 3}$ 均处于反向偏置，因而只有很小的反向电流 $I\tiny R$ ；当反向电压增大到一定数值时，反向电流骤然增大，管子击穿。

晶闸管的主要参数

额定正向平均电流 $I\tiny F$

在环境温度小于40℃和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管阳极的工频(50Hz)正弦波半波电流的平均值。

维持电流 $I\tiny H$

在控制极开路且规定的环境温度下，晶闸管维持导通时的最小阳极电流。正向电流小于 $I\tiny H$ 时，管子自动阻断。

触发电压 $U\tiny G$ 和触发电流 $I\tiny G$

室温下，当u=6V时使晶闸管从阻断到完全导通所需最小的控制极直流电压和电流。一般， $U\tiny G$ 为1 ~ 5V， $i\tiny G$ 为几十至几百毫安。

正向重复峰值电压 $U\tiny DRM$

控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般 ${U\tiny DRM}={U\tiny BO}*80\%$ ， ${U\tiny BO}$ 是晶闸管在 $I\tiny G$ 为零时的转折电压。

反向重复峰值电压 $U\tiny RRM$

控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般 ${U\tiny RRM}={U\tiny BO}*80\%$ 。

除以上参数外，还有正向平均电压、控制极反向电压等。
晶闸管具有体积小、重量轻、耐压高、效率高、控制灵敏和使用寿命长等优点，并使半导体器件的应用从弱电领域进入强电领域，广泛用于整流、逆变和调压等大功率电子电路中。

下图所示为可控半波整流电流电路。

已知输入电压 $u\tiny i$ 和晶闸管控制极的电压 $u\tiny G$ 波形如下所示；在阳极和阴极间电压合适的情况下， ${u\tiny G}={U\tiny H}$ 时可以使管子导通；管子的导通管压降可忽略不计。试定性画出负载电阻 $R\tiny L$ 上的电压 $u\tiny O$ 的波形。
![可控半波整流电流电路波形图

解：当 $u\tiny i$ ＜0时，不管 ${u\tiny G}$ 为 ${U\tiny H}$ 还是为 ${U\tiny L}$ ，晶闸管均处于截止状态。当 $u\tiny i$ ＞0且 ${u\tiny G}={U\tiny H}$ 时，在 ${u\tiny G}$ 的触发下，晶闸管导通。此时，即使 ${u\tiny G}$ 变为 ${U\tiny L}$ ，管子仍维持导通状态。只有当 $u\tiny i$ 下降使阳极电流减小到很小时，管子才阻断；可以近似认为当 $u\tiny i$ 下降到零时，管子关断。若管子的导通管压降可忽略不计，在管子导通时， $u\tiny o$ ≈ $u\tiny i$ 。因此， $u\tiny o$ 的波形如下所示。
在这里插入图片描述