可控硅工作原理 晶闸管工作原理

图1晶闸管等效图

2.1、晶闸管的工作过程

晶闸管是一种四层三端器件，有三个PN结J1、J2和JBOY3乐队。晶闸管中间的NP可以分成两部分，形成PNP三极管和NPN三极管的复合管。

当晶闸管承受正向阳极电压时，为了导通晶闸管，承受反向电压的PN结J2必须失去其阻断效应。每个晶体管的集电极电流也是另一个晶体管的基极电流。因此，它是两个相互复合的晶体管电路。当有足够的栅极电流Ig流入时，会形成很强的正反馈，导致两个晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流为IC1和IC2，发射极电流为Ia和Ik，电流放大系数为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik，设流经J2结的反向漏电流为ICO，晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流之和:

Ia=IC1+IC2+ICO

=α1Ia+α2Ik+ICO (1)

如果栅极电流为Ig，晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig。

因此，可以得出晶闸管的阳极电流为:

(2)硅PNP和硅NPN管对应的电流放大系数α1和α2随着发射极电流的变化而迅速变化。当晶闸管承受正向阳极电压，但栅极不接收电压时，Ig=0，(α1+α2)在公式(1)中很小，所以晶闸管的阳极电流Ia≈ICO处于正向阻断状态；当晶闸管处于正向栅极电压下时，一个电流Ig从栅极G流出，由于Ig大到足以流过NPN管的发射极结，放大系数α2增大，一个大的集电极电流IC2流过PNP管的发射极结，PNP管的电流放大系数α1增大，导致更大的集电极电流IC1流过NPN管的发射极结，从而快速进行强正反馈过程。

当α1和α2随发射极电流增大以致(α1+α2)≈1时，公式(1)中分母1-(α1+α2)≈0，从而增大晶闸管阳极电流Ia。此时流经晶闸管的电流完全由主电路的电压和电路的电阻决定，晶闸管处于正向导通状态。晶闸管导通后，公式(1)中1-(α1+α2)≈0，即使栅极电流Ig=0，晶闸管仍能保持原阳极电流Ia继续导通，栅极已失去作用。晶闸管导通后，如果电源电压持续降低或回路电阻增加，使得阳极电流Ia降低到保持电流IH以下，则晶闸管返回阻断状态，因为α1和α2迅速下降。

2.2、晶闸管工作条件

因为晶闸管只有通断两种工作状态，所以具有开关特性，需要一定的条件进行变换。这种情况见表1。

表1晶闸管的导通和关断条件

(1)当晶闸管承受反向阳极电压时，无论栅极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。

(2)晶闸管承受阳极正电压时，晶闸管只有在栅极承受直流电压时才导通。

(3)晶闸管导通时，只要有一定的正阳极电压，不管门极电压如何，晶闸管都保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

(4)晶闸管导通时，当主电路电压(或电流)下降到接近于零时，晶闸管关断。

3.晶闸管的伏安特性及主要参数

3.1晶闸管的伏安特性

阳极a和阴极k之间的电压与晶闸管阳极电流之间的关系称为晶闸管伏安特性，如图2所示。正向特性在第一象限，反向特性在第三象限。

图2晶闸管伏安特性参数示意图

(1)反向特性

当栅极G打开且阳极施加反向电压时(见图3)，J2结正向偏置，但J1和J2结反向偏置。此时，只有很小的反向饱和电流可以流动。当电压进一步增加到J1结的雪崩击穿电压时，JBOY3乐队结也击穿，电流迅速增加。如图2所示，特性曲线的“或”部分开始弯曲，弯曲处的电压URO称为“反向转折电压”。之后晶闸管会有永久性反向击穿。

图3阳极加反向电压

图4阳极加直流电压

(2)积极特征

当栅极G打开，将直流电压加到阳极A(见图4)时，4)、J1、JBOY3乐队结正向偏置，但J2结反向偏置，类似于普通PN结的反向特性，只能流过很小的电流，称为正向阻断状态。当电压升高时，如图2所示，特性曲线OA开始弯曲，弯曲处的电压UBO称为“正向转折电压”。

电压上升到J2结雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，结区产生大量电子和空空穴，电子进入N1区，空空穴进入P2区。进入N1区的电子与从P1区通过J1结注入N1区的空空穴复合。同样，进入P2区的空空穴与从N2区通过JBOY3乐队结注入P2区的电子重新结合。雪崩击穿后，进入N1区的电子和进入P2区的空空穴不能完全复合。这样，电子在N1区积累，空空穴在P2区积累。结果，P2区域的电势增加，N1区域的电势降低，并且J2结变得正向偏置。只要电流稍微增加，电压就迅速下降，显示出所谓的负电阻特性，如图2中虚线AB所示。此时，接点J1、J2和JBOY3乐队都处于正向偏置，晶闸管进入正向导通状态——导通状态。此时其特性与普通PN结相似，如图2 BC节所示。

(3)触发传导

当栅极G加上直流电压时(如图5所示)，由于JBOY3乐队正向偏置，P2区的空空穴进入N2区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在晶闸管内部正反馈功能(如图2所示)和IGT功能的基础上，晶闸管提前导通，导致图2中伏安特性OA左移。IGT越大，特征的左移越快。

图5阳极和栅极都加有直流电压

3.2、晶闸管的主要参数

(1)关断状态重复峰值电压UDRM

门开着，重复频率每秒50次，每次持续时间不超过10ms，udrm = 90% udsm，udsm为不重复的峰值电压。UDSM应该比UBO小，剩下的余量由厂家决定。

(2)反向重复峰值电压

其定义类似于UDRM，URRM = 90% URSM，URSM为反向非重复峰值电压。

(3)额定电压

选择UDRM和URRM较小的值作为额定电压，额定电压应为正常工作峰值电压的2 ~ 3倍，并应能承受频繁的过电压。

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