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2023-06-28
晶闸管的正向特性及选用方法
【摘要】：晶闸管是晶体闸流管的简称。图3-35所示为晶闸管结构与符号示意图。由图3-37可看出，晶闸管的正向特性可分为关断状态OA段和导通状态BC段两个部分。由于这种导通方法极易造成晶闸管击穿而损坏，应尽量避免。IH是维持晶闸管导通的最小电流，简称维持电流。选用器件的额定电压应比实际工作的电压峰值大2～3倍，作为晶闸管工作时的安全裕量。
晶闸管是晶体闸流管的简称。它包括普通晶闸管、双向晶闸管、门极关断（GTO）晶闸管和逆导晶闸管等电力半导体器件。普通晶闸管俗称可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，简称SCR），简称可控硅。
普通的晶闸管广泛应用于焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊和熔化极气体保护焊等焊接方法的整流式弧焊电源中。
1.晶闸管的结构
晶闸管的外形有三种：螺栓式、平板式和模块式，如图3-34所示。
图3-34 晶闸管外形及符号
a）螺栓式 b）平板式 c）模块式 d）模块式晶闸管符号
螺栓式和平板式晶闸管一般属单管结构；模块式晶闸管往往由两个、三个甚至六个晶闸管构成，或者由晶闸管和二极管构成。图3-34c所示为两个晶闸管组成的模块。模块式晶闸管具有结构紧凑，易安装，占地小等特点，因此其应用越来越广泛。
晶闸管的内部有一个由硅半导体材料做成的管芯，它是四层（P、N、P、N）三端（A、K、G）器件，它的三个极为阳极A、阴极K、门极G。图3-35所示为晶闸管结构与符号示意图。
2.晶闸管的工作原理
图3-35 晶闸管结构与符号
a）晶闸管结构 b）符号
如图3-36a所示，晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结。把它中间的N1和P2分为两个部分，构成一个PNP型晶体管和一个NPN型晶体管的复合管，如图3-36b所示。它的等效电路和最简单的工作主电路如图3-36c、d所示。
图3-36 晶闸管工作原理
a）晶闸管的PN结 b）两个晶体管复合管 c）等效电路 d）晶闸管主电路
当晶闸管上加的电压使其阳极A的电位高于阴极K的电位时，晶闸管承受正向阳极电压；反之，晶闸管承受反向阳极电压。
可以把晶闸管看成是一个导通可控的二极管，晶闸管导通和关断条件如下：
1）当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极G承受何种电压，晶闸管均处于阻断状态。
2）当晶闸管承受正向阳极电压，且在门极G承受正向电压的情况下，晶闸管才能导通。也就是说，必须同时具备正向阳极电压和正向门极电压两个条件才能实现晶闸管由阻断到导通的转换。
3）晶闸管导通后，只要仍有一定的正向阳极电压，不论门极G电压如何，它仍维持导通。
4）晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近零，或者对它施加一个反向电压时，晶闸管会自然关断或被强迫关断。
3.晶闸管的基本特性
晶闸管阳极与阴极间的电压和晶闸管阳极电流的关系，简称晶闸管的伏安特性。如图3-36所示，晶闸管伏安特性位于第Ⅰ象限（正向特性）和第Ⅲ象限（反向特性）。
晶闸管的正向特性是指晶闸管承受正向阳极电压时，电压与电流之间的关系。当UAK＞0时对应的曲线是正向特性。由图3-37可看出，晶闸管的正向特性可分为关断状态OA段和导通状态BC段两个部分。在门极电流IG=0时，逐渐增大晶闸管的正向阳极电压，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，当达到正向转折电压UBO时，晶闸管突然导通，进入正向特性的BC段。
导通状态时的晶闸管特性和二极管的正向特性相似，即可以通过较大的阳极电流，而晶闸管本身的压降却很小。由于这种导通方法极易造成晶闸管击穿而损坏，应尽量避免。一般采用在门极上施加触发电流IG，使晶闸管导通所需要的转折电压降低，IG越大，转折电压就越低（图3-37中IG2＞IG1＞0）。
晶闸管导通后，逐步减小阳极电流，当IA小到等于IH时，晶闸管由导通变为阻断。IH是维持晶闸管导通的最小电流，简称维持电流。
图3-37 晶闸管的伏安特性
晶闸管的反向特性是指晶闸管承受反向阳极电压时，电压与电流之间的关系。即当UAK＜0时，对应的曲线称为反向特性。当晶闸管承受反向阳极电压时，只有很小的反向漏电流，晶闸管处于阻断状态。但是，当反向电压增加到一定数值时，反向漏电流增加变快，再继续增大反向阳极电压，会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管的损坏。
晶闸管在正向阻断和反向阻断时晶闸管的电阻不是无穷大，断态时有漏电流。正向导通时晶闸管的电阻不是零，通态时有管压降。实际晶闸管在使用时，施加的阳极电压不能超过其转折电压UBO，通过的电流不得超过允许值（即晶闸管的损耗和温升不超过允许值）。
4.晶闸管的主要参数
（1）转折电压UBO 门极开路，漏电流突然增加，晶闸管从正向阻断状态转入导通状态的最小瞬态电压。
（2）反向击穿电压URO 晶闸管承受反向阳极电压，其漏电流突然增加，晶闸管反向阻断作用消失的最小瞬态电压。
（3）额定电压UTe 该电压即为晶闸管铬牌标出的额定电压。
选用器件的额定电压应比实际工作的电压峰值大2～3倍，作为晶闸管工作时的安全裕量。
（4）通态（平均）电压UT 在一定条件下，晶闸管通过其额定电流时，阳极与阴极之间电压降的平均值。通态平均电压一般俗称为管压降，从减小损耗及发热的角度来说，应选择UT较小的器件。
（5）断态重复峰值电流IDRM和反向重复峰值电流IRRM 一般俗称为晶闸管正向和反向漏电流。其值在几十毫安以内。
（6）维持电流IH 晶闸管从导通状态转变为阻断状态时所需的最小阳极电流。
（7）擎住电流IL 晶闸管加上门极触发电压，从阻断状态转变为导通状态后消除触发电压，能维持导通状态所需的最小阳极电流。一般IL=（2～4）IH。
（8）通态平均电流IT 该电流也称为晶闸管的额定电流。在环境温度为+40℃和规定的冷却条件下，晶闸管处在电阻性负载的单相工频正弦半波，导通角不小于170°的电路中，当结温稳定并不超过额定结温时，所允许通过的最大平均电流。
因为晶闸管的过载能力比一般电动机和电工电子器件低，因而选用晶闸管时，应使其通态平均电流为实际所需最大电流的2～3倍，使其有一定裕量。
（9）门极触发电流IG 使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。
（10）门极触发电压UGT 对应于门极触发电流IG的门极电压。
（11）门极控制的开通时间tgt 晶闸管门极引入触发电流后，要经过一段时间才能导通。这段时间称为门极控制的开通时间tgt，简称开通时间。
（12）关断时间tq从阳极电流IA 降到零时起，到晶闸管开始有能力再一次承受规定的断态电压为止的时间间隔，称为关断时间tq，可达100μs以上。
（13）额定结温Tj 晶闸管在正常工作时所允许的最高结温。在此结温范围内，晶闸管的有关特性才能保证。
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