晶闸管的原理和工作方式

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：当晶闸管AK 间承受正向阳极电压时，其J1 和J3 结为正向偏置，而J2 结处于反向偏置，晶闸管处于阻断状态。为使晶闸管导通，必须使晶闸管结构中承受反向电压的J2 结失去阻挡作用。从图1.13 的双晶体管模型的工作原理可以看出，此时如果门极有足够大的门极电流IG流入，J1 和J3 结向邻近的基区注入少数载流子，起发射极的作用，处于反向偏置的J2 结起着集电极的作用。从式中可知，晶闸管的阳极电流趋于无穷大，即晶闸管迅速饱和导通。

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图1.12　晶闸管电路工作原理

下面首先通过如图1.12 所示的电路来说明晶闸管的工作原理。

在该电路中，由晶闸管的阳极A 和阴极K、电源ES、白炽灯组成晶闸管的主电路；由晶闸管的门极G 和阴极K、电源E、开关S 组成控制电路，也称为触发电路。当晶闸管的阳极A 接电源ES 的正端，阴极K 经白炽灯接电源的负端时，晶闸管阳极A 和阴极K 之间已经承受正向电压ES，但当控制电路中的开关S 断开时，白炽灯却不亮，说明晶闸管不导通；如果此时开关S 闭合，使控制极G 与阴极K 之间也承受正向电压，白炽灯点亮，说明晶闸管导通，此时主电路中流过的电流称阳极电流，控制极中流过的电流称为门极电流；如果控制极G 加反向电压，无论晶闸管主电路加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通；当晶闸管导通时，将控制极G 上的电压去掉（即将开关S 断开），白炽灯依然亮，说明一旦晶闸管导通，控制极没有关断晶闸管的控制作用；当晶闸管的阳极和阴极间加反向电压时，灯熄灭，说明晶闸管关断。

晶闸管的工作原理也可用双晶体管模型来说明。晶闸管的双晶体管模型及工作原理如图1.13 所示。

从图1.13 所示晶闸管的结构可知，晶闸管为四层三端器件，其中P1、N1、P2、N2 分别构成J1、J2 和J3 三个PN 结。而晶闸管的四层结构可等效看作两个晶体管，如图1.13（a）所示；上层为PNP 管，下层为NPN 管，其工作原理如图1.13（b）所示。从图中可以看出，两个晶体管的联接有以下特点：PNP 管的集电极电流为NPN 管的基极电流，NPN 管的集电极电流又为PNP 管的基极电流。

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图1.13　晶闸管的双晶体管模型及工作原理

从图1.13 可知，当晶闸管门极不加控制信号时，晶闸管阳极和阴极之间无论是承受正向电压还是反向电压，其PNPN 四层结构中的三个PN 结总有PN 结处于反偏状态，所以器件中只有少数载流子漂移作用形成很小的漏电流，晶闸管处于阻断工作状态（Blocking State）。

当晶闸管AK 间承受正向阳极电压时，其J1 和J3 结为正向偏置，而J2 结处于反向偏置，晶闸管处于阻断状态。为使晶闸管导通，必须使晶闸管结构中承受反向电压的J2 结失去阻挡作用。从图1.13 的双晶体管模型的工作原理可以看出，此时如果门极有足够大的门极电流IG流入，J1 和J3 结向邻近的基区注入少数载流子，起发射极的作用，处于反向偏置的J2 结起着集电极的作用。这时，两个复合晶体管电路形成强烈的正反馈，造成两个晶体管饱和导通，晶闸管由阻断状态进入饱和导通状态：

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在晶闸管饱和导通后，如果去掉外加的门极电流IG，晶闸管由于内部已形成强烈的正反馈，仍然维持导通。要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或施加阳极反向电压，当流过晶闸管的电流降低到某一较小电流（维持电流）时，使饱和导通的双晶体管退出饱和状态，晶闸管才能关断。

从前面的分析可以看出，通过对门极电流的控制可以控制晶闸管的开通，而不能控制其关断，所以晶闸管为半控型器件。

从图1.13（b）可以看出，PNP 管的发射极电流为晶闸管的阳极电流IA，NPN 管的发射极电流为晶闸管的阴极电流IK。设图中PNP 管和NPN 管共基极放大系数分别为α1 和α2，在晶体管饱和导通时，有Ic1=α1IA，Ic2=α2IK。晶闸管阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的之和，即

式中，Ico为两个晶体管的漏电流之和，即晶闸管J2 结的反向漏电流。

晶闸管阳极电流、阴极电流和门极电流之间的关系为

根据式（1.3）和式（1.4），有

两个晶体管的放大系数α1 和α2 随发射极电流的变化而非线性变化，在发射极电流较小时，α1 和α2 很小，随着发射极电流的增大，α1 和α2 也迅速增大。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极电流IG 为零时。由于漏电流Ico很小，致使α1 和α2 很小，所以IA 也很小，IA≈Ico，为晶闸管的正向漏电流。此时，晶闸管处于正向阻断状态，不导通。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极电流IG 不为零时，当IG 增大到一定程度，NPN 管的电流放大系数α2 增大，同时，使NPN 管的集电极电流Ic2即PNP 管的基极电流Ib1 增大，使PNP 管的电流放大系数α1+α2≈1。从式中可知，晶闸管的阳极电流趋于无穷大，即晶闸管迅速饱和导通。实际电路中，由于外电路负载的限制，流过晶闸管的电流不可能是无穷大，而是由主电路的电源电压和负载大小决定。

由式（1.5）可以看出，在晶闸管导通后，阳极电流完全由外电路决定，和晶闸管的门极电流无关，门极失去控制作用。此时，即使去掉门极电流，即IG=0，晶闸管仍然保持导通。所以，驱动晶闸管只需要施加一脉冲电流即可。对于晶闸管的驱动过程，一般称为触发，产生注入门极触发电流IG 的电路称为触发电路。

晶闸管导通后，如果不断减小电源电压或是增大负载电阻，使阳极电流IA 减小，当减小至维持电流以下时，电流放大系数α1 和α2 迅速下降，此时1-（α1+α2）≈1，晶闸管关断。

晶闸管开通和关断具有以下特点：

①晶闸管只有同时承受正向阳极电压和正向门极电压时才能导通，二者缺一不可。

②晶闸管一旦稳定导通后，其门极就失去控制作用，即门极电压对晶闸管导通后的状态不产生影响，故门极控制电压只要是有一定宽度的正向脉冲电压即可，这个脉冲称为触发脉冲。

③要使已经导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到维持电流以下，这可以通过增加负载电阻使阳极电流下降，也可以通过给晶闸管施加反向电压来实现。

前面讨论的是晶闸管正常导通的情况，除了给晶闸管同时加正向阳极电压和正向门极电压的正常导通情况外，下列因素也可能引起晶闸管导通：

①阳极电压升高到一定数值，由于漏电流增大造成雪崩效应而使晶闸管开通。

②阳极电压上升率du/dt 太高，由于晶闸管结电容的作用使晶闸管误导通。

③晶闸管结温过高，漏电流增大使晶闸管导通。

④光直接照射在硅片上，在电场作用下产生电流而使晶闸管导通，即光触发导通。

以上可能引起晶闸管导通方法中，除了光触发导通外，其他均为非正常导通，在实际电路中要避免产生这些情况。