1.1　晶闸管

晶闸管曾称可控硅，全称晶体闸流管，简称SCR。晶闸管是一种大功率半导体器件，能利用其整流可控特性对大功率电源进行控制和变换。晶闸管的数量很多，主要包括普通晶闸管、双向晶闸管、快速晶闸管、可关断晶闸管、光控晶闸管和逆导晶闸管等。目前运用最多的是单向晶闸管和双向晶闸管。

1.1.1　单向晶闸管

1.单向晶闸管的结构和符号

单向晶闸管是由P型和N型四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极[见图1.1（a）]：第一层P型半导体引出的电极称为阳极A，第三层P型半导体引出的电极称为门极（或控制极）G，第四层N型半导体引出的电极称为阴极K。从单向晶闸管的图形符号[见图1.1（b）]可以看到，它和二极管一样，是一种单向导电的器件，关键是多了一个门极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。常见单向晶闸管的外形如图1.2所示，各引脚（A、K、G）已标于图中。

2.单向晶闸管的工作特性

单向晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成单向晶闸管的主电路，单向晶闸管的门极G和阴极K与控制单向晶闸管的装置连接，组成单向晶闸管的控制电路。

1）单向晶闸管的触发演示实验

在图1.3所示的电路中，单向晶闸管的A、K极、指示灯HL和电源VAA构成的回路称为主电路。单向晶闸管的G、K极、开关S和电源VGG构成的回路称为触发电路或控制电路。

按图1.3接通电路，指示灯不亮，说明单向晶闸管没有导通；再按一下开关S，给门极输入一个触发电压，指示灯亮了，说明单向晶闸管导通了。

（1）正向阻断。在图1.4所示电路中，指示灯不亮。这说明单向晶闸管加正向电压，但门极未加正向触发电压时，晶闸管不会导通，这种状态称为单向晶闸管的正向阻断状态。

（2）触发导通。在图1.5所示电路中，单向晶闸管加正向电压，在门极上加正向触发电压，此时指示灯亮，表明单向晶闸管导通，这种状态称为单向晶闸管的触发导通状态。

（3）反向阻断。在图1.6所示电路中，单向晶闸管加反向电压，即阳极A接电源负极，阴极K接电源正极，此时不论开关S闭合与否，指示灯始终不亮。这说明当单向晶闸管加反向电压时，不管门极加怎样的电压，它都不会导通，而处于截止状态，这种状态称为单向晶闸管的反向阻断状态。

2）单向晶闸管触发实验分析

由单向晶闸管触发实验可知，要使单向晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的门极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。单向晶闸管导通后，松开开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。单向晶闸管相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关，如图1.6所示，当单向晶闸管的阳极和阴极电压UAK<0，即VAA下正上负，无论门极G加什么电压，单向晶闸管始终处于关断状态；UAK>0且VGK>0时，单向晶闸管才能导通。

在图1.5中，单向晶闸管一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论VGG如何，单向晶闸管均保持导通状态。单向晶闸管导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流由RHL和RW以及VAA的大小决定；当UAK<0时，无论单向晶闸管原来的状态如何，都会使指示灯HL熄灭，即此时单向晶闸管关断。其实，在主电路中的电流逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持单向晶闸管导通。如果继续降低主电路中的电流，则单向晶闸管同样会关断。该小电流称为单向晶闸管的维持电流。

3.单向晶闸管的导通关断原理

如图1.7所示，单向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。当单向晶闸管承受正向阳极电压时，为使单向晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图1.7中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，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，即“一触即发”，换句话说，即当条件满足的时候，晶闸管就导通。但是，如果阳极或门极外加的是反向电压，单向晶闸管就不能导通。门极的作用是通过外加正向电压使单向晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通的单向晶闸管关断呢？使导通的单向晶闸管关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值（即维持电流）。如果单向晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，单向晶闸管会自行关断。

4.单向晶闸管的阳极伏安特性

单向晶闸管的阳极与阴极间电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性，其伏安特性曲线如图1.8所示。

图1.8中第Ⅰ象限为单向晶闸管的正向伏安特性，当IG=0时，如果在单向晶闸管两端所加正向电压UA未增到正向转折电压UBO时，单向晶闸管都处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流。当UA增到UBO时，则漏电流急剧增大，单向晶闸管导通，正向电压降低，其特性和二极管的正向伏安特性相仿，称为正向转折或“硬开通”。多次“硬开通”会损坏晶闸管，通常不允许晶闸管这样工作。一般采用对单向晶闸管的门极加足够大的触发电流的方法使其导通，门极触发电流越大，正向转折电压越低。

单向晶闸管的反向伏安特性如图1.8中第Ⅲ象限所示，它与整流二极管的反向伏安特性相似。处于反向阻断状态时，只有很小的反向漏电流，当反向电压超过反向击穿电压URSM时，反向漏电流急剧增大，造成单向晶闸管反向击穿而损坏。

5.单向晶闸管的主要参数

（1）断态不重复峰值电压UDSM。单向晶闸管门极开路时，施加于单向晶闸管的阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧转折处所对应的电压值为UDSM。它是一个不能重复施加，且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。UDSM值应小于转折电压UBO。

（2）断态重复峰值电压UDRM。单向晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于单向晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。

（3）反向不重复峰值电压URSM。门极开路，单向晶闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折处的反向峰值电压值为URSM。它是一个不能重复施加，且每次持续时间不大于10ms的反向脉冲电压。反向不重复峰值电压URSM应小于反向击穿电压。

（4）反向重复峰值电压URRM。单向晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于单向晶闸管上的反向最大脉冲电压。每秒50次，每次持续时间不大于10ms。规定URRM为URSM的90％。

（5）额定电压UR。断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM两者中较小的一个电压值规定为额定电压UR。在选用单向晶闸管时，应该使其额定电压为正常工作电压峰值UM的2～3倍，以作为安全裕量。

（6）通态峰值电压UTM。规定为额定电流时单向晶闸管导通的管压降峰值。一般为1.5～2.5V，且随阳极电流的增加而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。

（7）通态平均电流IT（AV）。在环境温度为+140℃和规定的散热冷却条件下，单向晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载的单相、工频正弦半波导电，结温稳定在额定值125℃时，所允许通过的最大电流平均值，即允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

选用一个单向晶闸管时，要根据所通过的具体电流波形来计算容许使用的电流有效值，该值要小于单向晶闸管额定电流对应的有效值，单向晶闸管才不会损坏。

设单相、工频正弦半波电流峰值为Im时，通态平均电流为

正弦半波电流有效值为

有效值与通态平均电流比值为

则有效值为

I=1.57IT（AV）　　（1.4）

根据有效值相等原则来计算单向晶闸管的额定电流。若电路中实际流过单向晶闸管的电流有效值为I，平均值为Id，定义波形系数为

则

I≤1.57IT（AV）⇒KfId≤1.57IT（AV）　　（1.6）

由于单向晶闸管的热容量小、过载能力低，因此在实际选择时，一般取1.5～2倍的安全系数，则

（8）维持电流IH（针对关断过程）。维持电流IH是指单向晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，单向晶闸管越难关断。

（9）断态电压临界上升率du/dt。断态电压临界上升率du/dt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致单向晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，会使单向晶闸管误导通。

（10）通态电流临界上升率di/dt。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使单向晶闸管损坏。

6.单向晶闸管的品质及极性检测

（1）品质检测。具体步骤如下：

①万用表置于R×10挡，红表笔接阴极K，黑表笔接阳极A，万用表指针应接近∞，如图1.9（a）所示。

②用黑表笔在不断开阳极的同时接触门极G，万用表指针向右偏转到低阻值，表明单向晶闸管能触发导通，如图1.9（b）所示。

③在不断开阳极A的情况下，断开黑表笔与门极G的接触，万用表指针应保持在原来的低阻值上，表明单向晶闸管撤去控制信号后仍将保持导通状态。

（2）极性的检测。选用万用表的R×100或R×1k挡，由上述可知，单向晶闸管G、K极之间是一个PN结，相当于一个二极管，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是门极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A。

1.1.2　双向晶闸管

1.双向晶闸管的外形与结构

双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其内部是一种NPNPN五层结构引出三个端线的器件。不同公司生产的单向晶闸管的引脚排列通常不一致，而双向晶闸管的引脚多数是按T1、T2、G的顺序从左至右排列（电极引脚向下，面对有字符的一面）。对于采用螺栓式封装的双向晶闸管，通常螺栓是其阳极，这样就能与散热器紧密连接且方便安装。常见双向晶闸管外形及引脚排列如图1.10所示。

双向晶闸管的内部结构、等效电路、图形符号及伏安特性如图1.11所示。

2.双向晶闸管的特性与参数

双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第Ⅰ象限，反向部分位于第Ⅲ象限，如图1.11（d）所示。

双向晶闸管的主要参数中只有额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电流不用平均值而是用有效值来表示。定义为，在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170°，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用IT（RMS）表示。

双向晶闸管电流有效值与普通晶闸管电流平均值之间的换算关系式为

以此推算，一个100A的双向晶闸管与两个反向并联45A的普通晶闸管电流容量相等。

3.双向晶闸管的触发方式

双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：

Ⅰ+触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅰ象限。

Ⅰ-触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅰ象限。

Ⅲ+触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅲ象限。

Ⅲ-触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅲ象限。

由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏度不相同，以Ⅲ+触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为Ⅰ+和Ⅲ-。

4.双向晶闸管的识别与检测

（1）判定T1极。由图1.12可见，G极与T2极靠近，距T1极较远。因此，G-T2之间的正、反向电阻都很小。在用R×1挡测任意两引脚之间的电阻时，只有在G-T2之间呈现低阻，正、反向电阻仅几十欧，而T1-G、T2-T1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明，如果测出某引脚和其他两引脚都不通，就肯定是T1极。另外，采用TO-220封装的双向晶闸管，T1极通常与小散热板连通，据此亦可确定T1极。

（2）区分G极和T2极。步骤如下：

①找出T1极之后，首先假定剩下两引脚中某一引脚为T2极，另一引脚为G极。

②把黑表笔接T2极，红表笔接T1极，电阻为无穷大。接着用红表笔把T1极与G极短路，给G极加上负触发信号，电阻值应为10Ω左右，证明双向晶闸管已经导通，导通方向为T2→T1。再将红表笔与G极脱开（但仍接T1），若电阻值保持不变，证明双向晶闸管在触发之后能维持导通状态。

③把红表笔接T2极，黑表笔接T1极，然后使T1极与G极短路，给G极加上正向触发信号，电阻值仍为10Ω左右，与G极脱开后若电阻值不变，则说明双向晶闸管经触发后，在T1→T2方向上也能维持导通状态，因此具有双向触发性质。由此证明，上述假定正确。否则，是假定与实际不符，需要再进行假定，重复以上测量。显见，在识别G极、T2极的过程中，也就检查了双向晶闸管的触发能力。如果按哪种假定去测量，都不能使双向晶闸管触发导通，证明双向晶闸管已损坏。对于1A的双向晶闸管，亦可用R×10挡检测，对于3A及3A以上的双向晶闸管，应选R×1挡，否则难以维持导通状态。