3.4　晶闸管及其特性

3.4.1　晶闸管外形与符号

晶闸管也是利用半导体的PN结组成的半导体器件。它的种类很多，但最常见的是普通单向晶闸管和双向晶闸管。一般无特殊说明，就是指普通单向晶闸管。晶闸管是可控制的硅整流元件——可控硅。晶闸管的结构如图3-18所示，等效结构和符号如图3-19所示。

图3-18　晶闸管的结构

图3-19　晶闸管的等效结构和符号

3.4.2　晶闸管的工作原理

晶闸管具有可控的单向导电性。

1）可控性：即当控制极（G）加电压才导通。

2）单向导通：反向电压时不导通。

从实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件：

1）晶闸管阳极电路加正向电压。

2）控制极电路加适当的正向电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。

3.4.3　晶闸管的特性

在学习晶闸管的特性前，我们应注意以下三点：

1）起始时若控制极不加电压，则无论阳极加正向电压或反向电压，晶闸管均不导通。

2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压晶闸管才导通，晶闸管导通同时具备的两个条件。

3）晶闸管导通后，控制极就失去了作用；要使晶闸管由导通变为关断，就要将晶闸管的正向电压降到一定值（正向电压关断或正向电压反向）。晶闸管PN结间可通过几十安培至几千安培的电流。

1.晶闸管的伏安特性

晶闸管阳极电压与阳极电流的关系曲线如图3-20所示。

晶闸管的导通和截止这两个工作状态是由阳极电压U、阳极电流I及控制极电流I_G决定的，而这3个量又是互相有联系的。在实际应用上常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线。图3-20所示的伏安特性曲线是在I_G=0的条件下做出的。

图3-20　晶闸管阳极电压与阳极电流的关系曲线

从图3-20的晶闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压时元件将导通。但是这种导通方法很容易造成晶闸管的不可恢复性击穿而使元件损坏，在正常工作时是不采用的。晶闸管的正常导通受控制极电流I_G的控制。为了正确使用晶闸管，必须了解其控制极特性。

2.控制极特性

当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流I_G，晶闸管就容易导通，其正向转折电压降低，特性曲线左移。控制极电流愈大，正向转折电压愈低，如图3-21所示。

实际规定，当晶闸管的阳极与阴极之间加上6V直流电压，能使元件导通的控制极最小电流（电压）称为触发电流（电压）。由于制造工艺上的问题，同一型号的晶闸管的触发电压和触发电流也不尽相同。如果触发电压太低，则晶闸管容易受干扰电压的作用而造成误触发；如果太高，又会造成触发电路设计上的困难。因此，规定了在常温下各种规格的晶闸管的触发电压和触发电流的范围。例如对KP50型的晶闸管，触发电压不大于3.5V，触发电流为8～150mA。

3.主要参数

为了正确地选择和使用晶闸管，还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。晶闸管的主要参数有以下几个：

（1）正向重复峰值电压U_FRM　在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压，用符号U_FRM表示。按规定此电压为正向转折电压的80%。

图3-21　控制极电流对晶闸管转折电压的影响

（2）反向重复峰值电压U_RRM　就是在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，用符号U_RRM表示。按规定此电压为反向转折电压的80%。

（3）正向平均电流I_F　在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通的条件下，晶闸管通过的工频正弦半波电流（在一个周期内的）平均值，称为正向平均电流I_F，简称正向电流。通常所说多少安的晶闸管，就是指这个电流。如果正弦半波电流的最大值为I_m，则

然而，这个电流值并不是一成不变的，晶闸管允许通过的最大工作电流还受冷却条件、环境温度、元件导通角、元件每个周期的导电次数等因素的影响。

（4）维持电流I_H　在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称为维持电流I_H。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。

3.4.4　晶闸管的保护

晶闸管虽然具有很多优点，但是它们承受过电压和过电流的能力很差，这是晶闸管的主要弱点，因此，在各种晶闸管装置中必须采取适当的保护措施。

1.晶闸管的过电流保护

由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升而可能把PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。

晶闸管发生过电流的主要原因：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管承受过电流能力很差，例如一个100A的晶闸管，它的过电流能力如表3-1所示。这就是说，当100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏。由此可知，晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以，过电流保护的作用就在于当发生过电流时，在通的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。

晶闸管过电流保护措施有下列几种：

（1）快速熔断器　普通熔丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数之下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。

表3-1　晶闸管的过电流倍数和时间的关系

快速熔断器的接入方式有三种，如图3-22所示。其一是快速熔断器接在输出（负载）端，这种接法对输出回路的过载或短路起保护作用，但对元件本身故障引起的过电流不起保护作用。其二是快速熔断器与元件串联，可以对元件本身的故障进行保护。以上两种接法一般需要同时采用。第三种接法是快速熔断器接在输入端，这样可以同时对输出端短路和元件短路实现保护，但是熔断器熔断之后，不能立即判断是什么故障。

熔断器的电流定额应该尽量接近实际工作电流的有效值，而不是按所保护的元件的电流定额（平均值）选取。

（2）过电流继电器　在输出端（直流侧）装直流过电流继电器，或在输入端（交流侧）经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的开关跳闸。这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，由于过电流继电气的动作及自动开关的跳闸都需要一定时间，如果短路电流比较大，这种保护方法不很有效。

（3）过电流截止保护　利用过电流的信号将晶闸管的触发脉冲移后，使晶闸管的导通角减小或者停止触发。

2.晶闸管的过电压保护

晶闸管耐过电压的能力极差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。如果正向电压超过其转折电压，则晶闸管误导通，这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流较大，也可能使元件损坏或使晶闸管的特性下降。因此必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。

引起过电压的主要原因是电路中一般都接有电感元件，在切断或接通电路时，从一个元件导通转换到另一个元件导通时，以及熔断器熔断时，电路中的电压往往都会超过正常值。有时雷击也会引起过电压。

晶闸管过电压的保护措施有下列几种：

（1）阻容保护　可以利用电容来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。这是过电压保护的基本方法。

图3-22　快速熔断器的接入方式

阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧（输入端）、直流侧（输出端）或元件侧，如图3-23所示。

（2）硒堆保护　硒堆（硒整流片）是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，如图3-23所示，也可以和阻容元件并联使用。

图3-23　阻容吸收元件与硒堆保护

练习题