1、電子元器件知識晶閘管晶閘管在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示（舊標準中用字母“SCR”表示）。 晶閘管是晶體閘流管的簡稱，又叫可控硅；晶閘管是PNPN四層半導體結構，它有三個極：陽極，陰極和門極； 晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻等電子電路中。 晶閘管的分類按關斷、導通及控制方式分類類晶閘管按其關斷、導通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導晶閘管、門極關斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。 按引腳和極性分類晶閘管按其引腳和極性可分為二極晶閘管、三極

2、晶閘管和四極晶閘管。 按封裝形式分類晶閘管按其封裝形式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。 按電流容量分類晶閘管按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種。通常，大功率晶閘管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或陶瓷封裝。 按關斷速度分類晶閘管按其關斷速度可分為普通晶閘管和高頻（快速）晶閘管。（備注：高頻不能等同于快速晶閘管）    工作原理晶閘管是P1N1P2N2四層三端結構元件,共有三個PN結,分析原理時,可以把它看作

3、由一個PNP管和一個NPN管所組成,其等效圖解如下圖，晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。晶閘管的工作條件： 1. 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態 2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。這時晶閘管處于正向導通狀態,這就是晶閘管的閘流特性,即可控特性. 3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。門極只起觸發作用 4. 晶閘管在導通情況下，

4、當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 等效電路晶閘管的基本特性1 靜態特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通；承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通；晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。 晶閘管的陽極伏安特性是指晶閘管陽極電流和陽極電壓之間的關系曲線，如圖3所示。其中：第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性圖3 晶閘管陽極伏安特性IG2>IG1>IGIG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態，只有

5、很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。這種開通叫“硬開通”，一般不允許硬開通；隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低；導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿；晶閘管本身的壓降很小，在1V左右；導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態。IH稱為維持電流。晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性；陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端；晶閘管的門極觸發電流從門極流入晶閘管，從陰極流出，門極觸發電流也往往是通過觸發電路在門極和陰極之間施加觸發電壓而產生的。晶閘管的門極和陰極之

6、間是PN結J3，其伏安特性稱為門極伏安特性，如圖4所示。圖中ABCGFED所圍成的區域為可靠觸發區；圖中陰影部分為不觸發區；圖中ABCJIH所圍成的區域為不可靠觸發區。為保證可靠、安全的觸發，觸發電路所提供的觸發電壓、電流和功率應限制在可靠觸發區。圖4 晶閘管門極伏安特性2 動態特性晶閘管的動態特性主要是指晶閘管的開通與關斷過程，動態特性如圖5所示。圖5 晶閘管的開通和關斷過程波形開通過程:開通時間包括延遲時間與上升時間，即 （6）延遲時間：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩態值的10%的時間上升時間：陽極電流從10%上升到穩態值的90%所需的時間普通晶閘管延遲時間為0.51.5ms，上

7、升時間為0.53ms關斷過程:關斷時間：包括 反向阻斷恢復時間與正向阻斷恢復時間，即 （7）普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。反向阻斷恢復時間：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復時間：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間注:1）在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通2）實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作 晶閘管的主要參數1 電壓定額1) 斷態重復峰值電壓在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的 正向峰值電壓。2) 反向重復峰值電壓 在門極斷路而結溫為

8、額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。3) 通態（峰值）電壓晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。通常取晶閘管的和中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍2 電流定額1) 通態平均電流(額定電流) 額定電流-晶閘管在環境溫度為40oC和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。舉例說明：使用時應按實際電流與通態平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管，應留一定的裕量，一般取1.52倍2) 維持電流使晶閘管維持導通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結

9、溫有關，結溫越高，則越小3)擎住電流 晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，能維持導通所需的最小電流 對同一晶閘管來說，通常約為IH的24倍4)浪涌電流指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流3 動態參數除開通時間包括延遲時間外，還有：1) 斷態電壓臨界上升率 指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態轉換的外加電壓最大上升率。在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當于一個電容的J2結會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經J3結時，起到類似門極觸發電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。2) 通態電流

10、臨界上升率指在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流上升率。如果電流上升太快，則晶閘管剛開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區域內，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。單相半波可控整流電路 把不可控的單相半波整流電路中的二極管用晶閘管代替，就成為單相半波可控整流電路。下面將分析這種可控整流電路在接電阻性負載和電感性負載時的工作情況。一、 阻性負載圖5.1.5 接電阻性負載的單相半波可控整流電路圖5.1.5是接電阻性負載的單相半波可控整流電路，負載電阻為RL。從圖可見，在輸入交流電壓u的正半周時，晶閘管T承受正向電壓，如圖5.1.6（a）。假如在t1時刻給控制極加上觸發脈沖如圖5.1

11、.6（b），晶閘管導通，負載上得到電壓。當交流電壓u下降到接近于零值時，晶閘管正向電流小于維持電流而關斷。在電壓u原負半周時，晶閘管承受反向電壓，不可能導通，負載電壓和電流均為零。在第二個正半周內，再在相應的t2時刻加入觸發脈沖，晶閘管再行導通。這樣，在負載RL上就可以得到如圖5.1.6.（c）所示的電壓波形。圖5.1.6（d）所示的波形為晶閘管所承受的正向和反向電壓，其最高正向和反向電壓均為輸入交流電壓的幅值 U。圖5.1.6 接電阻性負載時單相半波可控整流電路的電壓與電流波形顯然，在晶閘管承受正向電壓的時間內，改變控制極觸發脈沖的輸入時刻（移相），負載上得到的電壓波形就隨著改變，這樣就控制

12、了負載上輸出電壓的大小。圖5.1.6是接電阻性負載時單相半波可控整流電路的電壓與電流的波形。 晶閘管在正向電壓下不導通的電角度為控制角（又稱移相角），用表示，而導通的電角度則稱為導通角，用表示如圖5.1.6.（c）。很顯然，導通角愈大，輸出電壓愈高。整流輸出電壓的平均值可以用控制角表示，即 （5.1） 從式（5.1）看出，當=0時（=180o）晶閘管在正半周全導通，UO=0.45U，輸出電壓最高，相當于不可控二極管單相半波整流電壓。若=180o，U0 =0，這時=0，晶閘管全關斷。 根據歐姆定律，電阻負載中整流電流的平均值為 (5.2)此電流即為通過晶閘管的平均電流。 二、電感性負載與續流二極

13、管上面所講的是接電阻性負載的情況，實際上遇到較多的是電感性負載，象各種電機的勵磁繞組、各種電感線圈等，它們既含有電感，又含有電阻。有時負載雖然是純電阻的，但串了電感線圈等，它們既含有電感，又含有電阻。有時負載雖然是純電阻的，但串了電感濾波器后，也變為電感性的了。整流電路接電感性負載和接電阻性負載的情況大不相同。圖5.1.7接電感性負載的可控整流電路電感性負載可用串聯的電感元件L和電阻元件R表示（圖5.1.7）。當晶閘管剛觸發導通時，電感元件中產生阻礙電流變化的感應電動勢（其極性在圖5.1.7中為上正下負），電路中電流不能躍變，將由零逐漸上升如圖5.1.8 (a)，當電流到達最大值時，感應電動勢

14、為零，而后電流減小，電動勢eL也就改變極性，在圖5.1.7中為下正上負。此后，在交流電壓u到達零值之前，eL和u極性相同，晶閘管當然導通。即使電壓u經過零值變負之后，只要eL大于u，晶閘管繼續承受正向電壓，電流仍將繼續流通，如圖5.1.8 (a)。只要電流大于維持電流時，晶閘管不能關斷，負載上出現了負電壓。當電流下降到維持電流以下時，晶閘管才能關斷，并且立即承受反向電壓，如圖5.1.8 (b)所示。綜上可見，在單相半波可控整流電路接電感性負載時，晶閘管導通角將大于（180o-）。負載電感愈大，導通角愈大，在一個周期中負載上負電壓所占的比重就愈大，整流輸出電壓和電流的平均值就愈小。為了使晶閘管在

15、電源電壓u降到零值時能及時關斷，使負載上不出現負電壓，必須采取相應措施。我們可以在電感性負載兩端并聯一個二極管D來解決上述出現的問題，如圖5.1.9。當交流電壓u過零值變負后，二極管因承受正向電壓而導通，于是負載上由感應電動勢eL產生的電流經過這個二極管形成回路。因此這個二極管稱為續流二極管。圖5.1.8 接電感性負載時單相半波可控整流電路的電壓與電流波形圖5.1.9電感性負載并聯續流二極管這時負載兩端電壓近似為零，晶閘管因承受反向電壓而關斷。負載電阻上消耗的能量是電感元件釋放的能量。單相半控橋式整流電路 單相半波可控整流電路雖然具有電路簡單、調整方便、使用元件少的優點，但卻有整流電壓脈動大、

16、輸出整流電流小的缺點。較常用的是半控橋式整流電路，簡稱半控橋，其電路如圖5.1.20所示。電路與單相不可控橋式整流電路相似，只是其中兩個臂中的二極管被晶閘管所取代。在變壓器副邊電壓u的正半周（a端為正）時，T1和D2承受正向電壓。這時如對晶閘管T1引入觸發信號，則T1和D2導通，電流的通路為aT1RLD2b圖5.1.20 電阻性負載的單相半控橋式整流電路這時T2和D1都因承受反向電壓而截止。同樣，在電壓u的負半周時，T2和D1承受正向電壓。這時，如對晶閘管T2引入觸發信號，則T2和D1導通，電流的通路為：bT2RLD1a圖5.1.21 電阻性負載時單相半控橋式 整流電路的電壓與電流的波形這時T

17、1和D2處于截止狀態。電壓與電流的波形如圖5.1.21所示。顯然，與單相半波整流圖5.1.6（c）相比，橋式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍，即 (5.3)輸出電流的平均值為 (5.4)例5.1有一純電阻負載，需要可調的直流電源：電壓U0=0180V，電流I0=06A。現采用單相半控橋式整流電路圖5.1.20，試求交流電壓的有效值，并選擇整流元件。解 設晶閘管導通角為180o（控制角=0）時，U0=180V，I0=6A。交流電壓有效值實際上還要考慮電網電壓波動、管壓降以及導通角常常到不了180o（一般只有160 o170 o左右）等因素，交流電壓要比上述計算而得到的值適當加大10左右，即大約

18、為220V。因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到220V的交流電源上。晶閘管所承受的最高正向電壓UFM、最高反向電壓URM和二極管所承受的最高反向電壓都等于流過晶閘管和二極管的平均電流是 為了保證晶閘管在出現瞬時過電壓時不致損壞，通常根據下式選取晶閘管的UFRM和URRM： UFRM(2-3)UFM=(2-3)×310V=(620-930)V URRM(2-3)URM=(2-3)×310V=(620-930)V根據上面計算，晶閘管可先用KP5-7型，二極管可先用2CZ5/300型。因為二極管的反向工作峰值電壓一般是取反向擊穿電壓的一半，已有較大余量，所以選300V已足

19、夠。晶閘管的保護晶閘管雖然具有很多優點，但是，它們承受過電壓和過電流的能力很差，這是晶閘管的主要弱點，因此，在各種晶閘管裝置中必須采取適當的保護措施。一、晶閘管的過電流保護由于晶閘管的熱容量很小，一旦發生過電流時，溫度就會急劇上升而可能把PN結燒壞，造成元件內部短路或開路。晶閘管發生過電流的原因主要有：負載端過載或短路；某個晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發電路工作不正常或受干擾，使晶閘管誤觸發，引起過電流。晶閘管承受過電流能力很差，例如一個100A的晶閘管，它的過電流涌力如表5.1所列。這就是說，當100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續0.02s，否則將因過熱而損壞。由此可

20、知，晶閘管允許在短時間內承受一定的過電流，所以，過電流保護的作用就在于當發生過電流時，在通的時間內將過電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流保護措施有下列幾種：（1）快速熔斷器普通熔斷絲由于熔斷時間長，用來保護晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷，這樣就起不了保護作用。因此必須采用用于保護晶閘管的快速熔斷器。快速熔斷器用的是銀質熔絲，在同樣的過電流倍數之下，它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護的主要措施。表6.3.1晶閘管的過載時間和過載倍數的關系過載時間0.02s5s5 min過載倍數421.25圖5.1.22 快速熔斷器的接入方式快速熔斷器的接入方式有三種，如圖5.1.22所示。其一是快速熔斷器接在輸出（負載）端，這種接法對輸出回路的過載或短路起保護作用，但對元件本身故障引起的過電流不起保護作用。其二是快速熔斷器與元件串聯，可以對元件本身的故障進行保護。以上兩種接法一般需要同時采用。第三種接法是快速熔斷器接在輸入端，這樣可以同時對輸出端短路和元件短路實現保護，但是熔斷器熔斷之后，不能立即判斷是什么故障。熔斷器的電流定額應該盡量接近實際工作電流的有效值，而不是按所保護的元件的電流定額（平均值）選取。（2）過電流繼電器在輸出端（直流側）裝直流過電