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晶闸管及其电路

第12章 晶闸管及其电路

本章要点

●晶闸管结构、符号、工作原理与伏安特性

●单相桥式半控整流电路

●单结晶体管结构与工作原理

●双向晶体管结构与工作原理

本章难点

电阻性负载和电感性负载的单相桥式半控整流电路工作原理

晶体闸流管简称晶闸管（T），曾经称做可控硅（SCR），是一种功率半导体元件。

它具有体积小、重量轻、效率高、使用维护方便等优点，在电机控制、电磁阀控制、灯光控制、稳压控制、逆变电源等方面有普遍的应用。

12.1 晶闸管概述

晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。

从控制的观点看，它的功率放大倍数很大，用几十到一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压，换句话说，它的功率放大倍数可以达到数十万倍以上。

由于元件的功率增益可以做得很大，所以在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以发挥作用。

从电能的变化与调节方面看，它可以实现交流—直流、直流—交流、交流—交流、直流—直流以及变频等各种电能的变换和大小的控制。

晶闸管是半导体型功率器件，对超过极限参数运用很敏感，实际运用时应该注意留有较大电压、电流余量，并应尽量解决好器件的散热问题。

我国自己生产的晶闸管都是大型的，电流上千安培，甚至要通水冷却。

国外厂家则推出许多小功率的塑料封装晶闸管，外型像晶体三极管，使得晶闸管广泛应用于消费类电子产品中（如彩电电源保护、电子调光灯）。

根据结构及用途的不同，晶闸管有很多类型，比较常用的有普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、无控制晶闸管、光控晶闸管和热敏晶闸       管等。

12.2 晶 闸 管

12.2.1 晶闸管结构、符号与外形

晶闸管的外形有螺栓形、平板形和金属外壳、塑料外壳等不同形式，如图12-1所示。

由于晶闸管一般用于高压大电流的场合，常常需要加散热片，所以其外形都制造得易于安装和散热。

晶闸管的内部结构示意图和图形符号如图12-2所示。

它由PNPN四层半导体构成，其间形成三个PN结，引出三个电极，分别为阳极a、阴极k和控制极g。

图12-1 晶闸管的外形图          图12-2 晶闸管的内部结构和符号

12.2.2 晶闸管的工作原理

为了说明晶闸管的工作原理，可将晶闸管等效地看成由PNP和NPN型两个三极管连接而成，每个三极管基极与另一个三极管的集电极相连，如图11-3所示，阳极a相当于PNP型三极管T2的发射极，阴极k相当于NPN型T1三极管的发射极。

图12-3 等效电路

若按图12-4所示电路图连接，在晶闸管阳极a和阴极k之间加正向电压，同时在控制极g和阴极k之间也加正向电压时，则可使晶闸管导通。

导通过程如下：

电源UGG在NPN型三极管T1的发射结上加了正向偏转装置，使T1导通，形成基极电流IG和集电极电流β1IG。

而PNP型三极管T2的基极电流即是T1的集电极电流β1IG，且T2发射结也为正向偏置，所以T2导通，其集电极电流IC2=β1β2IG，IC2又流入T1基极，再一次放大，形成正反馈。

在很短的时间内（一般不超过几微秒）使两个三极管均达到饱和导通的状态，从而使晶闸管去掉触发电压UGG，晶闸管仍能靠正反馈维持导通。

综上所述，控制极的作用只是使晶闸管触发导通，而导通后，控制极就失去了控制作用，所以控制极g又称做       门极。

晶闸管导通后，其正向压降一般为0.6～1.2V，电源电压几乎全部加在负载上。

如果由于负载变动，使阳极电流IA减少到小于某一数值IH时，晶闸管就不能维持正反馈过程而变为关断，此时称为正向阻断，IH称为维持电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压时，晶闸管亦不可导通，称为反向阻断。

图12-4 晶闸管的导通原理

综上所述，晶闸管的导通条件为：

（1）  在阳极和阴极间加正向电压。

（2）  在控制极和阴极间加正向触发电压。

（3）  阳极电流不小于维持电流。

12.2.3 晶闸管的伏安特性及其主要参数

1.晶闸管的伏安特性

晶闸管的伏安特性如图12-5所示。

以下分别讨论其正向特性和反向特性。

（1）  正向特性 

当U >0时对应的曲线称正向特性。

由图12-5可看出，晶闸管的正向特性可分为阻断状态OA段和导通状态BC段两个部分。

当控制极电流IG＝0时，逐渐增大正向电压U，观察阳极电流I的变化情况。

开始时，三个PN结中有一个为反向偏置，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。

当电压加大到正向转折电压（即U＝UBO）时，晶闸管突然导通，进入伏安特性的BC段。

此时晶闸管可通过较大的电流，而管压降很小。

这种导通方法极易造成晶闸管击穿而损坏，所以应尽量避免。

若在控制极与阴极间加上触发电压，则会降低转折电压。

控制极电流IG越大，转折电压就越低（IG2>IG1>0）。

导通后，若电流降低到小于维持电流IH时，晶闸管将由导通变为关断。

（2）  反向特性 

当U<0时，对应的曲线称为反向特性。

当晶闸管加反向电压时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流IR。

反向电压增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压UBR。

晶闸管的反向特性与二极管相似，此时，晶闸管状态与控制极上是否加触发电压无关。

图12-5 晶闸管的伏安特性

2.晶闸管的主要参数

（1）  正向重复峰值电压UDRM 

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UDRM与正向转折电压UBO之间的关系为UDRM=UBO·80%。

（2）  反向重复峰值电压URRM 

控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的反向电压。

一般 URRM与反向转折电压UBR之间的关系为URRM=UBR·80%。

（3）  额定正向平均电流IF 

在规定环境温度（不高于40℃）和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管的工频正弦波电流的平均值。

（4）  维持电流IH 

在控制极开路和规定环境温度下，维持晶闸管导通的最小电流。

当晶闸管正向电流小于维持电流IH时，会自行关断。

（5）  触发电压UGG和触发电流IG 

在室温和晶闸管上加U=6V直流电压的条件下，使晶闸管从关断到完全导通所需的最小控制极直流电压和电流。

一般UGG为1～5V，IG为几十至几百毫安。

除以上几个主要参数外，晶闸管还有一些其他参数，如需要选择晶闸管时，可查阅半导体器件手册。

12.2.4 晶闸管的型号

目前我国生产的晶闸管的型号有两种表示方法，即KP系列和3CT系列。

额定通态平均电流的系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、900、1000（A）等14种规格。

额定电压在1000V以下的，每100V为一级；1000V～3000V的每200V为一级，用百位数字或千位数字组合表示级数。

其通态平均电压分为9级，用A～I各字母表示0.4～1.2V的范围，每隔0.1V为一级。

KP系列表示参数的方式如图12-6所示。

3CT系列表示参数的方式如图12-7所示。

图12-6 KP系列参数表示方式

图12-7 3CT系列参数表示方式

12.2.5 普通型晶闸管质量粗测

1.测量晶闸管内部的PN结

晶闸管内部有三个PN结，这三个PN结的好坏直接影响晶闸管的质量。

所以使用前，应该先对这三个PN结进行测量，测量方法如图12-8所示。

控制极g和阴极k之间只有一个PN结，利用PN结的单向导电特性，就可以用万用表的电阻挡对它进行测量。

万用表先置在R1或R10挡，用红表棒接晶闸管的阴极，黑表棒接控制极，这时PN结属于正向连接，显示电阻比较小。

如果表针几乎不动，显示的电阻接近于无穷大，说明这个PN结已经断路，晶闸管已损坏，不能使用。

再把万用表的红、黑表棒交换，这时PN结属于反向连接，测出电阻比较大，如图12-8（a）所示。

如果两次测量，表上的指针几乎都指向零，说明这个PN结已经击穿短路，不能使用。

图12-8 晶闸管的测量

晶闸管的阳极a与控制极g之间有两个PN结，它们反向串联在一起，因此把万用表置在R×1档电阻挡后，用红表棒接阳极，黑表棒接控制极，或者红表棒接控制极，黑表棒接阳极，表上显示的电阻都应很大，如图12-8（b）所示，否则说明晶闸管已经损坏。

2.测量晶闸管的关断状态

晶闸管在反向连接时是不导通的，如果正向连接，但是没有控制电压，它也是不导通的。

在这两种情况下，晶闸管中没有电流流过，属于关断状态。

把万用表置在R×1k挡，黑表棒接晶闸管的阳极a，红表棒接阴极k，属于正向连接，表上显示的电阻应很大，把两根表棒对换后，再分别接晶闸管的阳极和阴极，使晶闸管处于反向连接状态，表上显示的电阻仍然应该很大，如图12-8（c）所示。

3.测量晶闸管的触发能力

检查小功率晶闸管触发电路如图12-9所示。

万用表置于R×1挡。

测量分两步进行。

（1）  先断开开关S，此时晶闸管尚未导通，测出的电阻值应是无穷大。

然后合上开关，将控制极与阳极接通，使控制极电位升高，这相当于加上正触发信号，因此晶闸管导通，此时，其电阻值为几欧至几十欧。

（2）  再把开关断开，若阻值不变，证明晶闸管质量良好。

图中的开关可用一根导线代替，导线的一端固定在阳极上，另一端搭在控制极上时相当于开关闭合。

本方法仅适用于检查KP1～KP5等小功率晶闸管或小功率快速晶闸管。

对于大功率晶闸管，因其通态压降较大，加之R×1挡提供的阳极电流低于维持电流IH，所以晶闸管不能完全导通，在开关断开时晶闸管会随之关断。

此时，可采用双表法，把两只万用表用R1k串联起来使用，得到3V电源电压。

具体检测步骤同小功率晶闸管。

12.3 单相桥式半控整流电路

可控整流电路是应用广泛的电能变换电路，其作用是将交流电变换成大小可调的直流电，作为直流用电设备的电源。

将二极管桥式整流电路中的两个二极管用两个晶闸管替换，就构成了半控桥式整流电路。

当电路带有电阻性负载和电感性负载时，其工作情况是不同的。

1.电阻性负载

当单相桥式半控整流电路的负载为纯电阻时，称电阻性负载，其电路如图12-10（a）         所示。

图12-10 电阻性负载单相半控桥式整流电路及波形

（1）  电路原理 

当电源电压u2为正半周时，晶闸管T1和二极管D2上为正向电压作用。

在t1时刻，控制极上加触发脉冲uG，使T1和D2导通，负载RL中流过输出电流io，形成输出整流电压uo。

此时，晶闸管T2和二极管D1因承受反向电压而截止。

在t2时刻，电源电压u2过零，使T1和D2关断。

当电源电压u2为负半周时，T2和D1上加正向电压。

在t3时刻，控制极加触发脉冲，使T2和D1导通，在负载RL上有io和uo，直到t4时刻u2过零时关断。

此时，T1和D2截止。

电阻性负载半控整流电路的工作波形图如图12-10（b）所示。

（2）  电路的计算 

设电源电压u2=

，则整流电压的直流分量即是输出电压的平均值，其大      小为 

故            

             （12-1）

式中U2为电源电压u2的有效值，α越大，则输出电压UO就越小。

输出电流的平均值

（12-2）

晶闸管T和二极管D中流过的电流平均值

（12-3）

晶闸管所承受的最高正向电压和二极管所承受的最高反向电压均为

。

根据以上关系式，即可选择整流元件。

【例12-1】电阻负载的单向半控桥式整流电路如图12-10所示。

若变压器副方电压有效值U2=200V，负载电阻RL=20Ω，当导通角

，

~

时，可得控制角

~

。

由式12-1~12-3，有

考虑到留有适当的余量，根据以上数据查手册，可选用KP10-5型晶闸管，并相应地选择ZP10-5型硅整流二极管。

2.电感性负载

若整流电路的负载为直流电动机的励磁线圈或其他各种电感线圈时，则构成电感性负载的半控桥式整流电路，如图12-11（a）所示，图中与负载并联的二极管D称为续流二极管，将电感性负载等效成电阻R和电感L两部分。

在电源电压u2的正半周，加入了触发脉冲后，T1和D2导通，输出电流io除供给负载外，还将在电感中储存磁场能。

在u2过零达到负半周时，T1和D2截止，而电感中存贮的能量则可通过二极管D3释放，经负载形成通路，使输出uo和io能继续维持，故将D3称为续流二极管。

在电源电压u2的负半周，加入触发脉冲使T2和D1导通，提供与前面半周同方向的负载电流io，并在电感中存储磁场能，而u2过零使T2和D1关断，续流二极管又为电感L提供释放能量的通路。

当负载满足ωL

R的条件时，输出电流io是连续的，波形近似为一条直线。

电路中各工作波形图如图12-11（b）所示。

图12-11 电感性负载半控桥式整流电路及波形

12.4 单结晶体管触发电路

要使晶闸管导通，除了加正向阳极电压外，还必须在控制极和阴极之间加触发电压。

提供触发电压的电路称为触发电路。

触发电路的种类很多，常用的有单结晶体管触发电路、阻容移相触发电路、集成触发电路以及晶体管触发电路等。

本节重点介绍单结晶体管触发电路。

12.4.1 对触发电路的要求

（1）  应能提供足够大的触发功率。

一般触发电压为4～10V，触发电流为几十至几百毫安。

（2）  触发脉冲应有足够的宽度。

普通晶闸管的开通时间约为6μs，故触发脉冲宽度应大于10μs（通常为20～50μs），以保证晶闸管可靠触发。

（3）  为了保证触发时间准确，要求触发脉冲具有陡峭上升沿。

（4）  触发脉冲应与主电路的交流电源同步，即要求触发脉冲在晶体管每个导电周期的同一时刻作用到其控制极上，以保证晶闸管在每个周期的控制角相等。

（5）  触发脉冲应能在足够宽的范围内平稳地移相。

12.4.2 单结晶体管的结构与特性

1.单结晶体管的外形符号与结构

图12-12所示为单结晶体管的外形图。

可以看出，它的外形与普通三极管相似，具有三个电极，但不是三极管，而是具有三个电极的二极管，管内只有一个PN结，所以称之为单结晶体管。

三个电极中，一个是发射极，两个是基极，所以也称为双基极二极管。

单结晶体管有P型和N型两种，图中箭头指向第一基极b1的为N型单结晶体管，箭头若背离第一基极b1的则为P型单结晶体管，N型单结晶体管的电路符号如图12-12（a）所示，文字符号用T表示。

其中，有箭头的表示发射极e，箭头所指方向对应的基极为第一基极b1，表示经PN结的电流只流向b1极；第二基极用b2表示。

N型单结晶体管的结构如图12-12（b）所示，它是在一块电阻率比较高的N型硅片两头制作两个接触电极，分别叫第一基极b1和第二基极b2。

在靠近第二基极b2的一侧中间，用合金或扩散法掺入P型杂质，形成一个PN结，引出电极，称为发射极e。

单结晶体管可用图12-12（c）所示的电路来等效，PN结等效为二极管D，存在于基极b1和b2之间的电阻是硅片本身的体电阻，Rbb=Rb1+Rb2为上部基区体电阻，其值为一常数，约为2～15kΩ；Rb1为可变的下部基区体电阻，当eb1之间的PN结未导通时，Rb1为数千欧姆，一旦PN结导通，Rb1则下降到几十欧姆。

由于它只有一个PN结，故得名单结晶体管。

图12-12 N型单结晶体管

2.单结晶体管的伏安特性

单结晶体管的伏安特性是指当参变量UBB为常数时，发射极电流IE与EB1之间加上电压UBB

图12-13（a）为测试单结晶体管伏安特性的试验电路。

在基极b2和b1之间电压UBB，点a的电位为两个基区体电阻的分压，即

（12-4）

式中称

为分压比，与管子的结构有关，是单结晶体管的主要参数之一，其值一般约在1.3～0.9之间。

图12-13（b）为单结晶体管的伏安特性曲线，可将其分为三个区域。

（1）  截止区

当电压Ue

（2）  负阻区 

当Ue≥UP后，PN结导通，电流IE显著增加，同时Ue下降。

这是由于P区向N型基片注入大量空穴载流子，在e和b1之间基片中的载流子参与导电，使电阻Rb1随着PN结导通而急剧下降，又引起维持PN结导通的Ue进一步下降，这样如此反复，直至到达谷点V。

从峰点P到谷点V的PV段曲线表现出单结晶体管的负阻特性（随电流Ie的增加，Ue下降），故称为负阻区。

（3）  饱和区 

当Ie>Iv后，Rb1不再下降，反而随Ie增加，Ue也缓慢上升，这是由于当空穴注入量增大到一定程度时，将会有一部分空穴来不及与基片中的电子复合，出现空穴的储存，而使e与b1间基区带正电而排斥空穴的注入，相当于Rb1变大，所以Ue随Ie缓慢增加，此现象称为饱和，将伏安特性的这一段称为饱和区。

结论：

当单结晶体管的发射结电压Ue≥Up时，管子导通；若导通后，Ue

图12-13 单结晶体管的伏安特性曲线

12.4.3 单结晶体管张弛振荡器

利用单结晶体管的负阻特性可构成自激振荡电路，产生控制脉冲，用以触发晶闸管，如图12-14（a）所示。

当电源接通后，电路立即出现两路电流，一路流经R2、Rb2b1和Y；另一路经R向电容C充电，使电容两端电压逐渐升高。

当C两端电压上升到能使PN结导通的峰点电压时，单结晶管的发射极电流突然增大，电容C通过发射极、第一基极以及扬声器Y迅速放电，C两端电压随之下降，降至谷点电压时，单结晶管重新处于截止状态。

接着电源又重新开始对C充电，再重复上述过程，一张一弛，在电容C两端获得锯齿波电压，而在扬声器两端获得尖脉冲电压，其波形如图12-14（b）所示。

图12-14 张驰振荡电路图及波形图

12.4.4 单结晶体管同步触发电路

振荡的电路的输出可作为触发脉冲，但必须使它与主电路同步，以保证在每个周期内整流电路的控制角相等。

单结晶体管同步触发可控整流电路如图12-15（a）所示，图中下半部分为主回路，是一单相半控桥式整流电路。

上半部分为单结晶体管触发电路。

T为同步变压器，它的初级线圈与可控桥路均接在220V交流电源上，次级线圈得到同频率的交流电压，经单相桥式整流，变成脉动直流电压UAD，再经稳压管削波变成梯形波电压UBD，此电压为单结管触发电路的工作电压，加削波环节的目的首先是起到稳压作用，使单结管输出的脉冲幅值不受交流电源波动影响，提高了脉冲的稳定性；其次，经过削波后，可提高交流同步电压的幅值，增加梯形的陡度，扩大移相范围。

由于主、触回路接在同一交流电源上，起到了很好的同步作用。

调整电位RP，使触发脉冲移相，改变控制角，从而改变输出电压uo的直流分量，达到可控整流的目的。

电路中各点波形如图12-15（b）所示。

（a）电路图

图12-15 单结晶体管同步触发电路

（b）波形图

图12-15 （续）

12.5 双向晶闸管

双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅用一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。

双向晶闸管广泛用于工业、交通、家电领域、实现交流调压、交流调速、交流开关、舞台调光和台灯调光等多种功能。

此外，它还被用在固态继电器和固态接触电路中。

12.5.1 双向晶闸管

1.结构与外型符号

双向晶闸管的结构如图12-16（a）所示，包含NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。

因该器件可以双向导通，故控制极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2表示，不再划分成阳极和阴极。

其特点是，当G极和T2极相对于T1的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。

反之，当G极和T2极相对于T1的电压均为负时，T1变为阳极，T2为阴极。

双向晶闸管的电路符号如图12-16（b）所示，文字符号用SCR、KS、T等表示，本书用T表示。

小功率双向晶闸管一般用塑料封装，有的还带小散热板，外形如图12-17所示。

典型产品有BCM1AM、BCM3AM等。

图12-16双向晶闸管的结构与符号

图12-17小功率双向晶闸管外形

2.双向晶闸管的伏安特性

图12-18是双向晶闸管的伏安特性。

显然，它具有比较对称的正反向伏安特性。

第一象限的曲线表明，T2极电压高于T1极电压，我们称正向电压，用U21表示。

若控制极加正极性触发信号，则晶闸管被触发导通，电流方向是从T2流向T1。

第三象限的曲线表明，T1极的电压高于T2极电压，我们称为反向电压，用U12表示。

若控制极加负极性触发信号，则晶闸管也被触发，电流方向是从T1流向T2。

由此可见，双向晶闸管只用一个控制极，就可以控制它的正向导通和反向导通了。

双向晶闸管不管它的控制极电压极性如何，它都可以被触发导通，这个特点是普通晶闸管所没有的。

图12-18 双向晶闸管的伏安特性

12.5.2 触发二极管

触发二极管是双向触发二极管的简称，亦称二端交流器件，它与双向晶闸管同时问世。

触发二极管的结构简单，价格低廉，常用来触发双向晶闸管，构成过电压保护电路、定时器等。

双向触发二极管的电路符号如图12-19所示，文字符号用T表示。

它属于三层构造、具有对称性的二端半导体器件。

正、反伏安特性与双向晶闸管相似，由于没有控制极，所以工作在图12-18中IG=0那条曲线上，当器件两端的电压U小于正向转折电压UBO时，呈高阻态；当U >UBO时，管子进入负阻区，当U超过反向转折电压UBR时，管子也能进入负阻区，双向触发二极管的耐压值UBO大致分为三个等级：

20～60V、100～150V、200～250V。

图12-19 双向触发二极管符号

12.6 其他晶闸管介绍

12.6.1 光控晶闸管

光控晶闸管也称GK型光开关管，是一种光敏器件。

通常晶闸管有三个电极：

控制极G、阳极A和阴极C。

而光控晶闸管由于其控制信号来自光的照射，没有必要再引出控制极，所以只有两个电极（阳极A和阴极C）。

但它的结构与普通晶闸管一样，是由四层PNPN器件构成的。

光控晶闸管除了触发信号不同以外，其他特性基本与普通晶闸管是相同的，因此在使用时可按照普通晶闸管选择，只要注意它是光控这个特点就行了。

光控晶闸管对光源的波长有一定的要求，即有选择性。

波长在0.8～0.9μm的红外线及波长在1μm左右的激光，都是光控晶闸管较为理想的光源。

光控晶闸管具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电（HDC）、静止无功功率补偿（SVC）等领域。

其研制水平大约为8000V/3600A。

12.6.2 温控晶闸管

温控晶闸管是一种新型温度敏感开关器件，它将温度传感器与控制电路结合为一体，输出驱动电流大，可直接驱动继电器等执行部件或直接带动小功率负荷。

温控晶闸管的结构与普通晶闸管的结构相似（电路图形符号也与普通晶闸管相同），也是由PNPN半导体材料制成的三端器件，但在制作时，温控晶闸管中间的PN结中注入了对温度极为敏感的成分（如氩离子），因此改变环境温度，即可改变其特性曲线。

在温控晶闸管的阳极A接上正电压，在阴极K接上负电压，在门极G和阳极A之间接入分流电阻，就可以使它在一定温度范围内（通常为–40～+130℃）起开关作用。

温控晶闸管由断态到通态的转折电压随温度变化而改变，温度越高，转折电压值就越低。