问题21 半控型开关器件的结构与特点是什么？

通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型开关器件，如晶闸管。

晶闸管（Thyristor，TH）是晶体闸流管的简称，过去称为可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR），简称为可控硅。

晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，如图3-2所示。

1．晶闸管的结构和工作原理

晶闸管由一个P-N-P-N四层半导体构成的，中间形成了三个PN结，如图3-2b所示。

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，组成晶闸管的主电路。晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

当晶闸管加上正向电压（阳极接正、阴极接负）时，若门极电路开路，则J₁、J₃结处于正偏，J₁结处于反偏，其伏安特性与二极管反向特性相似，晶闸管处于正向阻断状态。若门极对阴极加上一定的正向电压，则N₂区向P₂区注入电子，这些电子经扩散，通过P₂区到达J₂结耗尽层（也称高阻层、阻挡层）。因耗尽层电场的作用，注入电子到达N₁区，形成等效NPN型晶体管的射极电流，产生过剩电子。为了中和过剩电子，必将有等量空穴由P₁区注入N₁区。同理，这些空穴可到达P₂区，形成等效PNP型晶体管的射极电流。构成晶闸管的两个晶体管，因内部载流子的输运现象而相互供给基极电。当满足两个晶体管的共基极电流放大倍数之和α₁+α₂≥1时，晶闸管导通。晶闸管一旦导通，因流过的电流较大，α₁、α₂随电流增大，足以继续保证α₁+α₂≥1。这时，即使门极电路开路，晶闸管仍能处于导通状态。当所加正向电压大于或等于转折电压时，晶闸管也会导通，称为硬开通。当晶闸管加上反向电压时，因J₁、J₃结反偏，器件呈阻断状态。

2．晶闸管的伏安特性

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及门极电流I_G决定的。图3-3所示的伏安特性曲线是在I_G=0的条件下做出的。

①正向特性。当I_G=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流通过。

如果正向电压超过临界极限即正向转折电压U_BO，则漏电流急剧增大，器件导通。

随着门极电流幅度的增大，正向转折电压降低，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。

如果门及电流为零，并且晶闸管又回到正向阻断状态，则I_H称为维持电流。

②反向特性。其伏安特性类似二极管的反向特性。

当晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。

当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，如外电路无限制措施，则会导致晶闸管发热损坏。

3．晶闸管的主要参数

晶闸管的主要参数有以下几项：

①正向重复峰值电压U_FRM。在门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%。

②反向重复峰值电压U_RRM。在门极断路时，可以重复加在晶闸管器件上的反向峰值电压，称为反向重复峰值电压，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，简称为正向电流。

④维持电流I_H。在规定的环境温度和门极开路时，维持器件继续导通的最小阳极电流称为维持电流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。

4．晶闸管的派生器件

①快速开关晶闸管（Fast Switching Thyristor，FST）。FST包括所有专为快速响应而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。普通晶闸管的关断时间为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管约为10ms。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易太高。

②双向晶闸管（Triode AC Switch，TRIAC）。TRIAC可认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成，有两个主电极T₁和T₂，一个门极G。它与一对反并联晶闸管相比，更为经济，且控制电路简单。

③逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor，RCT）。RCT是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。

④光控晶闸管（Light Triggered Thyristor，LTT）。LTT又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。它在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。