一文读懂晶闸管工作原理

  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，晶闸管不仅仅具备单向导电性，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，功率放大倍数高达几十万倍；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，成本低等。因此，特别是在大功率UPS供电系统中，晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到普遍的应用。晶闸管的弱点：静态及动态的过载能力比较差，容易受干扰而误导通。晶闸管从外形上分类主要有：螺栓形、平板形和平底形。

  晶闸管是PNPN四层三端器件，共有三个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。

  晶闸管是四层三端器件，它有J1、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，就会形成强烈的正反馈，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IC1和IC2，发射极电流相应为Ia和Ik，电流放大系数相应为α1＝IC1／Ia和α2＝IC2／Ik，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：

  （2）硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2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（1）中Ig＝0，（α1＋α2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO，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Ig，由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，来提升放大系数α2，产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数α1，产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结，这样强烈的正反馈过程迅速进行。

  当α1和α2随发射极电流增加而使得（α1＋α2）≈1时，式（1）中的分母1－（α1＋α2）≈0，因此提高了晶闸管的阳极电流Ia。这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定，晶闸管已处于正向导通状态。晶闸管导通后，式（1）中1－（α1＋α2）≈0，即使此时门极电流Ig＝0，晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通，门极已失去作用。在晶闸管导通后，如果不断地减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于α1和α2迅速下降，晶闸管恢复到阻断状态。

  由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要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，只要有一定的正向阳极电压，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，晶闸管关断。

  晶闸管阳极A与阴极K之间的电压与晶闸管阳极电流之间关系称为晶闸管伏安特性，如图2所所示。正向特性位于第一象限，反向特性位于第三象限。

  当门极G开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提升到J1结的雪崩击穿电压后，同时J3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，晶闸管会发生永久性反向击穿。

  当门极G开路，阳极A加上正向电压时（见图4），J1、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，这叫正向阻断状态，当电压增加，如图2的特性曲线OA段开始弯曲，弯曲处的电压UBO称为“正向转折电压”。

  由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，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区的空穴各自不能全部复合掉。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区的电位下降，J2结变成正偏，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。

  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，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在晶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OA段左移，IGT越大，特性左移越快。

  门极开路，重复率为每秒50次，每次维持的时间不大于10ms的断态最大脉冲电压，UDRM＝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商决定。

  （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。

  （3）标称电压选UDRM和URRM中较小的值作为标称电压，选用时标称电压应为正常工作峰值电压的2～3倍，应能承受常常会出现的过电压。

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