1.2 晶闸管
在实际应用中，往往要求直流电压能够进行调节，即具有可控性。晶闸管是一种能够通过控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。由于其导通时刻可控，满足了调压要求。晶闸管具有体积小、效率高、动作迅速、操作方便等特点，因而在生产实际中获得了广泛的应用。晶闸管也有许多派生器件，如双向晶闸管（TRIAC）、快速晶闸管（FST）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LATT）等。
1.2.1 晶闸管的结构、电气符号和外形
1.晶闸管的结构和电气符号
晶闸管是一种大功率半导体器件，它的内部是PNPN 4层结构，形成了3个PN结（J1，J2，J3），并对外引出3个电极，晶闸管的等效结构如图1-4a所示。由P1层和N2层引出的两个电极，分别为阳极A和阴极K，由P2层引出的电极是门极G（Gate），也称控制极。从晶闸管的结构图可知，晶闸管的内部可以看成是由3个二极管连接而成的。晶闸管的电气符号如图1-4b所示。
2.晶闸管外形
晶闸管外形如图1-4c所示。图中示出了塑封式、螺栓式、平板式和模块式晶闸管的外形图，常用的是螺栓式、平板式两种。
图1-4 晶闸管的等效结构、电气符号和外形图
a）等效结构 b）电气符号 c）外形
晶闸管在工作过程中会因损耗而发热，因此必须安装散热器。螺栓式晶闸管是靠阳极（螺栓）拧紧在铝制散热器上，可自然冷却；平板式晶闸管由两个相互绝缘的散热器夹紧晶闸管，靠冷风冷却。和功率二极管一样，额定电流大于200A的晶闸管采用平板式外形结构。此外，晶闸管的冷却方式还有水冷、油冷等。
1.2.2 晶闸管的工作原理
1.晶闸管的导通、关断实验
为了说明晶闸管的工作原理，先做一个实验，晶闸管导通关断条件实验电路如图1-5所示。阳极电源EA通过电位器RP连接负载RL（白炽灯），接到晶闸管的阳极A与阴极K，组成晶闸管的主电路。流过晶闸管阳极的电流称阳极电流IA，晶闸管阳极和阴极两端的电压称阳极电压UA。门极电源EG通过电阻Rg连接晶闸管的门极G，与阴极K组成控制电路（也称触发电路）。流过门极的电流称门极电流IG，门极与阴极之间的电压称门极电压UG。用灯泡来观察晶闸管的通断情况。该实验分9个步骤进行。
图1-5 晶闸管导通关断条件实验电路
第1步：按图1-5a接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间不加电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第2步：按图1-5b接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间加反向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第3步：按图1-5c接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间加正向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第4步：按图1-5d接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间不加电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第5步：按图1-5e接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间加反向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。
第6步：按图1-5f接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间也加正向电压，指示灯亮，晶闸管导通。
第7步：按图1-5g接线，去掉触发电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。
第8步：按图1-5h接线，门极和阴极之间加反向电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。
第9步：按图1-5i接线，去掉触发电压，将电位器阻值加大，晶闸管阳极电流减小，当电流减小到一定值时，指示灯熄灭，晶闸管关断。
实验现象与结论列于表1-1。
表1-1 晶闸管导通和关断实验
2.实验结论
通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件：
1）晶闸管阳极和阴极（A-K）间加正向电压。
2）晶闸管控制极和阴极（G-K）间加合适的正向电压。
晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，具体可通过增大负载使阳极电流减小到零或使阳极电压反向的方法来实现。
3.晶闸管的导通关断原理
为了进一步说明晶闸管的工作原理，下面通过晶闸管的等效电路来分析。
1）晶闸管的等效电路。将内部是4层PNPN结构的晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的等效电路，连接形式如图1-6所示。晶闸管的阳极A相当于PNP型晶体管VT1的发射极、阴极K相当于NPN型晶体管VT2的发射极。
图1-6 晶闸管导通、关断原理的等效电路
2）晶闸管的导通原理。当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，晶体管VT2处于正向偏置，EG产生的控制极电流IG就是VT2的基极电流IB2；VT2的集电极电流IC2=β2IG。而IC2又是晶体管VT1的基极电流IB1，VT1的集电极电流IC1=β1IC2=β1β2IG（β1和β2分别是VT1和VT2的电流放大系数）。电流IC1又流入VT2的基极，再一次被放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。其正反馈过程如下：
IG↑→IB2↑→IC2（IB1）↑→IC1↑→IB2↑
在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，此时IB2=IC1+IG，而IC1>>IG，即使控制极电流消失IG=0，IB2仍足够大，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。
3）晶闸管的关断原理。要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的方法有：增大负载使晶闸管阳极电流减小到一定数值下，使其不能维持导通；将阳极电源断开，使阳极电流为零；改变晶闸管阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压，破坏等效晶体管的工作条件。
1.2.3 晶闸管的伏安特性
晶闸管的伏安特性是指晶闸管阳、阴极间电压UA和阳极电流IA之间的关系特性，晶闸管的伏安特性曲线如图1-7所示。
图1-7中各物理量的含义如下：UDRM、URRM——正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM——正、反向断态不重复峰值电压；UBO——正向转折电压；URO——反向击穿电压。
晶闸管的伏安特性包括正向特性（第Ⅰ象限）和反向特性（第Ⅲ象限）两部分。
图1-7 晶闸管的伏安特性曲线
1）正向特性。晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在门极电流Ig1=0的情况下，逐渐增大晶闸管的正向阳极电压，这时晶闸管处于断态，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，漏电流突然剧增，特性从正向阻断状态突变为正向导通状态。导通状态时的晶闸管状态和二极管的正向特性相似，即流过较大的阳极电流，而晶闸管本身的压降却很小。正常工作时，不允许把正向阳极电压加到转折值UBO，而是从门极输入触发电流Ig，使晶闸管导通。门极电流越大阳极电压转折点越低（图中Ig5>Ig4>Ig3>Ig2>Ig1）。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。当IA小到等于维持电流IH时，晶闸管由导通变为阻断。维持电流IH是维持晶闸管导通所需的最小电流。
2）反向特性。晶闸管的反向特性是指晶闸管的反向阳极电压（阳极相对阴极为负电位）与阳极漏电流的伏安特性。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值时，反向漏电流增加较快。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。
1.2.4 晶闸管的主要参数
晶闸管的各项额定参数在晶闸管生产后，由厂家经过严格测试而确定。表1-2列出了晶闸管的一些主要参数。
表1-2 晶闸管的主要参数
1.额定电压UTn
1）正向重复峰值电压UDRM。在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可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UDRM。国标规定：额定电压3000V以下，此电压取正向不重复峰值电压UDSM的80%。
2）反向重复峰值电压URRM。在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM，此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。
将UDRM和URRM中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值。例如：一晶闸管实测UDRM=812V，URRM=756V，将两者较小的756V，按表1-3取整得700V，则该晶闸管的额定电压为700V。
3）额定电压UTn。在晶闸管的铭牌上，额定电压是以电压等级的形式给出的，通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级，1000V到3000V，每200V为一级。晶闸管标准电压等级见表1-3。
表1-3 晶闸管标准电压等级
在使用过程中，环境温度的变化、散热条件以及出现的各种过电压都会对晶闸管产生影响，因此，在选择时，应当使晶闸管的额定电压大于等于实际工作时可能承受的最大正向或反向电压的2～3倍，即：
UTn≥（2～3）UTM
2.额定电流IT（AV）
晶闸管的额定电流又称为通态平均电流，它是指在规定的条件下、晶闸管允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值。晶闸管额定电流的标定采用的是平均电流，而不是有效值电流。
规定的条件是指：环境温度为40℃、规定的冷却条件下、电阻性负载、晶闸管导通角不小于170°和结温不超过额定值。
但是决定晶闸管结温的是管子损耗的发热效应，表征热效应的电流是以有效值表示的。
根据晶闸管额定电流IT（AV）的定义，设流过管子的正弦半波电流的最大值为Im。依据电流平均值、有效值的定义（导通角不小于170°），得：
电流平均值：
电流有效值：
现定义电流有效值与电流平均值之比为电流的波形系数Kf。则管子的电流波形系数为：
则ITn=1.57IT（AV），即在正弦半波时，额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。当波形系数不同时，标注额定电流为100A的晶闸管，其实际允许流过的平均值电流是不同的。常见波形的Kf与额定电流为100A的晶闸管允许流过的电流平均值见表1-4。
3.通态平均电压UT（AV）
在规定环境温度、标准散热条件下，通过额定电流时，晶闸管阳极和阴极间电压降的平均值，称为通态平均电压（一般称管压降），其数值按表1-5分组。从减小损耗和元件发热来看，应选择UT（AV）较小的管子。实际当晶闸管流过较大的恒定直流电流时，其通态平均电压比元件出厂时定义的值（如表1-5所示）要大，约为1.5V。
表1-4 常见波形的Kf值与额定电流为100A的晶闸管允许流过的电流平均值
表1-5 晶闸管通态平均电压分组
4.维持电流IH和擎住电流IL
在室温且控制极开路时，能维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH。维持电流大的晶闸管容易关断。给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态时就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为擎住电流IL。对同一晶闸管来说，擎住电流IL要比维持电流IH大2～4倍。
5.门极触发电流IGT
门极触发电流IGT为在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。
6.门极触发电压UGT
对应于门极触发电流时的门极触发电压。对于晶闸管的使用者来说，为使触发器适用于所有同型号的晶闸管，触发器送给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM和UGFM。门极平均功率PG和峰值功率（允许的最大瞬时功率）PGM也不应超过规定值。
7.断态电压临界上升率du/dt
把在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态的最低电压上升率称为断态电压临界上升率du/dt。
8.通态电流临界上升率di/dt
把在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率di/dt。晶闸管所允许的最大电流上升率应小于此值。
另外还有晶闸管的开通与关断时间等参数。
1.2.5 普通晶闸管的型号和选择原则
1.普通晶闸管的型号
国产普通晶闸管的型号规定如下：
按国家机械部标准JB 1144—1975的规定，普通晶闸管型号中各部分的含义如下。
如：KP100—12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降为1V的普通晶闸管。
2.普通晶闸管的选择原则
1）选择额定电流IT（AV）的原则。在选用晶闸管额定电流时，首先确定管子在电路中实际通过的最大电流有效值ITm，然后要求所选管子额定电流所对应的有效值电流ITn大于等于最大电流有效值ITm，即ITn≥ITm；再根据管子的额定电流（通态平均电流）与对应的有效值电流关系求出额定电流（通态平均电流）；考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.5～2倍的安全裕量。即：
式中，ITm为管子在电路中实际流过的最大电流有效值。
然后取相应标准系列值。
2）选择额定电压UTn的原则。选择普通晶闸管额定电压的原则，应为管子在所工作的电路中可能承受的最大正向或反向瞬时值电压UTM的2～3倍，即：
UTn=（2～3）UTM
式中，UTM为电路中最大正向或反向瞬时值电压。
然后取相应标准系列值。
【例1-1】 某一晶闸管接在220V交流电路中，通过晶闸管的电流有效值为50A，问如何选择晶闸管的额定电压和额定电流？
解：晶闸管额定电压
：按晶闸管参数系列取800V,即8级。
晶闸管的额定电流
；按晶闸管参数系列取50A。
【例1-2】 220V交流输入的单相半波可控整流电路带40W白炽灯，确定晶闸管的型号。
解：额定电压的计算：
第1步：单相半波可控整流电路中晶闸管可能承受的最大电压：
第2步：考虑2～3倍的余量：（2～3）UTM=（2～3）2×220V=622～933V
第3步：确定所需晶闸管的额定电压等级，因为电路无储能元器件，因此选择电压等级为7的晶闸管就可以满足正常工作的需要了。
额定电流的计算：第4步：白炽灯为电阻性负载，根据白炽灯的额定值计算出其阻值的大小：
第5步：确定实际流过晶闸管电流的有效值为：
在单相半波可控整流电路中，当控制角α=0°时，流过晶闸管的电流最大，且电流的有效值是平均值的1.57倍。单相半波整流电路在α=0°时，流过晶闸管的平均电流为：
由此可得，当α=0°时流过晶闸管的电流最大有效值为：
ITm=1.57IdT=1.57×0.08A=0.126A
第6步：确定晶闸管的额定电流IT（AV）为：
或者，因流过晶闸管的平均电流为IdT=0.08A，考虑1.5～2倍的安全裕量后：
IT（AV）≥（1.5～2）IdT=0.12～0.16A
因为电路无储能元器件，因此选择额定电流为1A的晶闸管就可以满足正常工作的需要了。
由以上分析可以确定晶闸管应选用的型号为：KP1—7。
1.2.6 晶闸管的其他派生器件
1.双向晶闸管（TRIAC）
双向晶闸管是把一对反并联的普通晶闸管集成在同一硅片上，只用一个门极触发的组合器件。双向晶闸管具有正、反两个方向都能控制导通的特性，同时还具有触发电路简单、工作稳定可靠的优点，是一种用于交流变换的理想器件。
1）双向晶闸管的外形、内部结构、等效电路及电气符号。双向晶闸管的外形结构与普通晶闸管类似，也有螺栓型、平板型和塑封型等结构。它的内部是一种NPNPN五层结构、三端引线的器件，有两个主电极T1、T2，一个门极G。P1、N4表面用金属连通构成第一阳极T1，P2、N2也用金属连通构成第二阳极T2，N3与P2的一部分作为公共门极G，门极G与第二阳极T2在同一侧面。双向晶闸管的外形如图1-8所示。
图1-8 双向晶闸管的外形
双向晶闸管的内部结构、等效电路及电气符号如图1-9所示。其中P1N1P2N2称为正向晶闸管，P2N1P1N4称为反向晶闸管，且这两个晶闸管的触发导通都由同一个门极G来控制。
由图1-9可见，双向晶闸管相当于两个晶闸管反并联，不过它只有一个门极G，由于N3区的存在，使得门极G相对于T1端无论是正的或是负的，都能触发，而且T1相对于T2既可以是正，也可以是负。
2）双向晶闸管的伏安特性和触发方式。双向晶闸管的伏安特性如图1-10所示。在第Ⅰ象限、第Ⅲ象限具有对称的阳极伏安特性，均可由门极触发导通，因此双向晶闸管是一种半控交流开关器件。
图1-9 双向晶闸管的内部结构、等效电路及电气符号
图1-10 双向晶闸管的伏安特性
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°时，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用IT（RMS）表示。
国产双向晶闸管用KS表示，有关KS型双向晶闸管的主要参数见表1-6。
由于门极的特殊结构，双向晶闸管的触发电压极性可正可负，以便开通两个反向并联的晶闸管，根据主电极间电压极性以及门极信号极性的不同组合，双向晶闸管有4种触发方式，即Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+、Ⅲ-触发。
①Ⅰ+触发方式：阳极电压UT1T2>0（T1为正、T2为负），门极电压UG>0（G为正、T2为负），特性曲线在第Ⅰ象限，为正触发，触发灵敏度最高。
表1-6 双向晶闸管的主要参数
②Ⅰ-触发方式：阳极电压UT1T2>0（T1为正、T2为负），门极电压UG<0（G为负、T2为正），特性曲线在第Ⅰ象限，为负触发，触发灵敏度较高。
③Ⅲ-触发方式：阳极电压UT1T2<0（T1为负、T2为正），门极电压UG<0，（G为负、T2为正），特性曲线在第Ⅲ象限，为负触发，触发灵敏度较高。
④Ⅲ+触发方式：阳极电压UT1T2<0（T1为负、T2为正），门极电压UG>0（G为正、T2为负），特性曲线在第Ⅲ象限，为正触发，触发灵敏度最低。
尽管双向晶闸管有4种触发方式，但在实际应用中只采用（Ⅰ+、Ⅲ-）与（Ⅰ-、Ⅲ-）两组触发方式，其中（Ⅰ-、Ⅲ-）方式适用于直流门极触发信号，（Ⅰ+、Ⅲ-）方式适用于交流门极触发信号。
双向晶闸管常在电阻性负载电路中用作相位控制，也用作固态继电器，有时还用于电动机控制。
3）双向晶闸管的型号
根据国家机械部标准JB 2173—1977的规定，双向晶闸管的型号规格为：
如KS100—8—21表示双向晶闸管，额定电流为100A，断态重复峰值电压8级（800V），断态电压临界上升率（du/dt）为2级（不小于200V/μs），换向电流临界下降率（di/dt）为1级（不小于1%A/μs）。
2.快速晶闸管（FST）
快速晶闸管是为提高工作频率，缩短开关时间，而采用特殊工艺制造的器件，其工作频率在400Hz以上。快速晶闸管包括常规的快速晶闸管（简称为KK管）和工作频率更高的高频晶闸管（简称为KG管）两种。
快速晶闸管的外观、电气符号、基本结构、伏安特性与普通晶闸管相同。快速晶闸管的特点是：
1）开通时间和关断时间比普通晶闸管短。一般开通时间为1～2μs，关断时间为几～几十微秒。
2）开关损耗小。
3）有较高的电流上升率和电压上升率。通态电流临界上升率di/dt≥100A/μs，断态电压临界上升率du/dt≥100V/μs。
4）允许使用频率范围几十～几千赫兹。
3.光控晶闸管（LATT）
光控晶闸管是一种以光信号代替电信号来进行触发导通的特殊晶闸管，其结构也是由P1N1P2N2四层构成的，光控晶闸管的工作原理基本同于普通晶闸管器件，不同的只是J2结及附近区域在光能的激发下，可产生大量的电子和空穴，在外加电压作用下穿过J2阻挡层，起到了普通晶闸管注入IG的作用，使光控晶闸管触发导通。
光控晶闸管的结构、电气符号及伏安特性如图1-11所示，与普通晶闸管类似，只不过伏安特性的转折电压是随光照强度的增大而降低。
图1-11 光控晶闸管的结构、电气符号及伏安特性
激光是光控晶闸管的理想光源。光触发与电触发相比，具有抗噪波干扰，主电路与控制电路间高度绝缘、重量轻、体积小等优点。