一文(wén)读懂晶闸管工作原理(lǐ)
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发布时间：2023-06-02 11:38:36
晶體(tǐ)闸流管简称晶闸管，也称為(wèi)可(kě)控硅整流元件（SCR），是由三个PN结构成的一种大功率半导體(tǐ)器件。在性能(néng)上，晶闸管不仅具有(yǒu)单向导電(diàn)性，而且还具有(yǒu)比硅整流元件更為(wèi)可(kě)贵的可(kě)控性，它只有(yǒu)导通和关断两种状态。
晶闸管的优点很(hěn)多(duō)，例如：以小(xiǎo)功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒(miǎo)级内开通、关断；无触点运行，无火花(huā)、无噪声；效率高，成本低等。因此，特别是在大功率UPS供電(diàn)系统中，晶闸管在整流電(diàn)路、静态旁路开关、无触点输出开关等電(diàn)路中得到广泛的应用(yòng)。
晶闸管的弱点：静态及动态的过载能(néng)力较差，容易受干扰而误导通。
晶闸管从外形上分(fēn)类主要有(yǒu)：螺栓形、平板形和平底形。
晶闸管是PNPN四层三端器件，共有(yǒu)三个PN结。分(fēn)析原理(lǐ)时，可(kě)以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1（a）所示，图1（b）為(wèi)晶闸管的電(diàn)路符号。
晶闸管是四层三端器件，它有(yǒu)J1、J2、J3三个PN结，可(kě)以把它中间的NP分(fēn)成两部分(fēn)，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。
当晶闸管承受正向阳极電(diàn)压时，為(wèi)使晶闸管导通，必须使承受反向電(diàn)压的PN结J2失去阻挡作用(yòng)。每个晶體(tǐ)管的集電(diàn)极電(diàn)流同时就是另一个晶體(tǐ)管的基极電(diàn)流。因此是两个互相复合的晶體(tǐ)管電(diàn)路，当有(yǒu)足够的门极電(diàn)流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶體(tǐ)管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集電(diàn)极電(diàn)流分(fēn)别為(wèi)IC1和IC2，发射极電(diàn)流相应為(wèi)Ia和Ik，電(diàn)流放大系数相应為(wèi)α1＝IC1／Ia和α2＝IC2／Ik，设流过J2结的反相漏電(diàn)流為(wèi)ICO，晶闸管的阳极電(diàn)流等于两管的集電(diàn)极電(diàn)流和漏電(diàn)流的总和：
Ia＝IC1＋IC2＋ICO＝α1Ia＋α2Ik＋ICO （1）
若门极電(diàn)流為(wèi)Ig，则晶闸管阴极電(diàn)流為(wèi)：Ik＝Ia＋Ig。
因此，可(kě)以得出晶闸管阳极電(diàn)流為(wèi)：
（2）硅PNP管和硅NPN管相应的電(diàn)流放大系数α1和α2随其发射极電(diàn)流的改变而急剧变化。当晶闸管承受正向阳极電(diàn)压，而门极未接受電(diàn)压的情况下，式（1）中Ig＝0，（α1＋α2）很(hěn)小(xiǎo)，故晶闸管的阳极電(diàn)流Ia≈ICO，晶闸管处于正向阻断状态；当晶闸管在正向门极電(diàn)压下，从门极G流入電(diàn)流Ig，由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高放大系数α2，产生足够大的集電(diàn)极電(diàn)流IC2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的電(diàn)流放大系数α1，产生更大的集電(diàn)极電(diàn)流IC1流经NPN管的发射结，这样强烈的正反馈过程迅速进行。
当α1和α2随发射极電(diàn)流增加而使得（α1＋α2）≈1时，式（1）中的分(fēn)母1－（α1＋α2）≈0，因此提高了晶闸管的阳极電(diàn)流Ia。这时，流过晶闸管的電(diàn)流完全由主回路的電(diàn)压和回路電(diàn)阻决定，晶闸管已处于正向导通状态。晶闸管导通后，式（1）中1－（α1＋α2）≈0，即使此时门极電(diàn)流Ig＝0，晶闸管仍能(néng)保持原来的阳极電(diàn)流Ia而继续导通，门极已失去作用(yòng)。在晶闸管导通后，如果不断地减小(xiǎo)電(diàn)源電(diàn)压或增大回路電(diàn)阻，使阳极電(diàn)流Ia减小(xiǎo)到维持電(diàn)流IH以下时，由于α1和α2迅速下降，晶闸管恢复到阻断状态。
由于晶闸管只有(yǒu)导通和关断两种工作状态，所以它具有(yǒu)开关特性，这种特性需要一定的条件才能(néng)转化，此条件见表1。
（1）晶闸管承受反向阳极電(diàn)压时，无论门极承受何种電(diàn)压，晶闸管都处于关断状态。
（2）晶闸管承受正向阳极電(diàn)压时，仅在门极承受正向電(diàn)压的情况下晶闸管才导通。
（3）晶闸管在导通情况下，只要有(yǒu)一定的正向阳极電(diàn)压，无论门极電(diàn)压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用(yòng)。
（4）晶闸管在导通情况下，当主回路電(diàn)压（或電(diàn)流）减小(xiǎo)到接近于零时，晶闸管关断。
晶闸管阳极A与阴极K之间的電(diàn)压与晶闸管阳极電(diàn)流之间关系称為(wèi)晶闸管伏安特性，如图2所所示。正向特性位于第一象限，反向特性位于第三象限。
当门极G开路，阳极加上反向電(diàn)压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2结反偏。此时只能(néng)流过很(hěn)小(xiǎo)的反向饱和電(diàn)流，当電(diàn)压进一步提高到J1结的雪(xuě)崩击穿電(diàn)压后，同时J3结也击穿，電(diàn)流迅速增加，如图2的特性曲線(xiàn)OR段开始弯曲，弯曲处的電(diàn)压URO称為(wèi)“反向转折電(diàn)压”。此后，晶闸管会发生永久性反向击穿。
当门极G开路，阳极A加上正向電(diàn)压时（见图4），J1、J3结正偏，但J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能(néng)流过很(hěn)小(xiǎo)電(diàn)流，这叫正向阻断状态，当電(diàn)压增加，如图2的特性曲線(xiàn)OA段开始弯曲，弯曲处的電(diàn)压UBO称為(wèi)“正向转折電(diàn)压”。
由于電(diàn)压升高到J2结的雪(xuě)崩击穿電(diàn)压后，J2结发生雪(xuě)崩倍增效应，在结區(qū)产生大量的電(diàn)子和空穴，電(diàn)子进入N1區(qū)，空穴进入P2區(qū)。进入N1區(qū)的電(diàn)子与由P1區(qū)通过J1结注入N1區(qū)的空穴复合。同样，进入P2區(qū)的空穴与由N2區(qū)通过J3结注入P2區(qū)的電(diàn)子复合，雪(xuě)崩击穿后，进入N1區(qū)的電(diàn)子与进入P2區(qū)的空穴各自不能(néng)全部复合掉。这样，在N1區(qū)就有(yǒu)電(diàn)子积累，在P2區(qū)就有(yǒu)空穴积累，结果使P2區(qū)的電(diàn)位升高，N1區(qū)的電(diàn)位下降，J2结变成正偏，只要電(diàn)流稍有(yǒu)增加，電(diàn)压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图2中的虚線(xiàn)AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，晶闸管便进入正向导電(diàn)状态——通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，如图2的BC段。
在门极G上加入正向電(diàn)压时（如图5所示），因J3正偏，P2區(qū)的空穴进入N2區(qū)，N2區(qū)的電(diàn)子进入P2區(qū)，形成触发電(diàn)流IGT。在晶闸管的内部正反馈作用(yòng)（如图2）的基础上，加上IGT的作用(yòng)，使晶闸管提前导通，导致图2中的伏安特性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。
门极开路，重复率為(wèi)每秒(miǎo)50次，每次持续时间不大于10ms的断态max脉冲電(diàn)压，UDRM＝90％UDSM，UDSM為(wèi)断态不重复峰值電(diàn)压。UDSM应比UBO小(xiǎo)，所留的裕量由生产厂家决定。
其定义同UDRM相似，URRM＝90％URSM，URSM為(wèi)反向不重复峰值電(diàn)压。
选UDRM和URRM中较小(xiǎo)的值作為(wèi)额定電(diàn)压，选用(yòng)时额定電(diàn)压应為(wèi)正常工作峰值電(diàn)压的2～3倍，应能(néng)承受经常出现的过電(diàn)压。
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