在实际工作中，有时希望整流器的输出直流电压能够根据需要调节，例如交、直流电动机的调速、随动系统和变频电源等。在这种情况下，需要采用可控整流电路，而晶闸管正是可以实现这一要求的可控整流元件。

9．1  晶闸管简介

晶闸管是最基本的电力电子器件，它的全称是晶体闸流管，又称可控硅，简称SCR，是一种“以小控大”的功率（电流）型器件，它象闸门一样，能够大电流的流通。其特点是体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、控制灵敏、使用寿命长等优点。主要用于可控整流、逆变、调压、无触点开关等方面。其主要缺点是过载能力和抗干扰能力较差，控制电路比较复杂等。

图９．１  晶闸管的外形与符号

（a） 小电流塑封式      （b） 小电流螺旋式     （c） 大电流螺旋式

（d） 大电流平板式     （e）  图形符号

图９．２  晶闸管的散热器

（a）螺旋式散热器   （b） 平板式风冷散热器   （c）平板式水冷散热器

9．1．1               晶闸管的结构及工作原理

1．   晶闸管的结构

晶闸管是一种四层功率半导体器件，有三个引出极，阳极A、阴极K和门极G。常用的有螺旋式和平板式，外形与符号如图９．１所示。

晶闸管是电力电子器件，工作时发热量大，必须安装散热器，如图９．２所示。晶闸管必须与散热器配合使用。如图９．１（a）所示为小电流塑封式，电流稍大时也需紧固在散热板上。图９．１（b）和（c）为螺旋式，使用时必须紧拴在散热器上。图９．１中的（d）为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器将其紧夹在中间。

而图９．２（a）适用于螺旋式，图９．２（b）、（c）则适用于平板式。因平板式两面散热效果好，电流在200A以上的管子都采用平板式结构。

晶闸管的内部结构示意图如图９．３（a）所示，它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，分别为P₁、N₁、P₂和N₂，它们的接触面形成三个PN结，分别为J₁、J₂和J₃，引出的三个电极分别为阳极A，阴极K和控制极G。为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成是PNP和NPN两个三极管相连，如图９．３（b）所示；用晶体管的符号表示等效电路，如图９．３（c）所示；晶闸管的符号如图９．３（d）所示。

absolute; HEIGHT: 134.25pt; mso-position-horizontal: right" type="#_x0000_t75">

图９．３ 晶闸管的结构、等效电路和符号

2．晶闸管的工作原理

当晶闸管的阳极A和阴极K 之间加正向电压而控制极不加电压时，J₂处于反向偏置，管子不导通，称为关断状态。

absolute; HEIGHT: 15pt; TEXT-ALIGN: left" type="#_x0000_t75">当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时，如图9。4所示，J₃处于导通状态。若T₂管的基极电流为I_B2，则其集电极电流为；    T₁管的基极电流I_B1 等于T₂管的集电极电流      ，因而T₁管的集电极电流I_C1为        ；该电流又作为T₂管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内（一般不超过几微秒），两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。当它导通后，控制极就失去控制台作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此时阳极和阴极之间的电压一般为0.6~1.2V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上；阳极电流I_A可达几十~几千安。

图９．４ 晶闸管的工作原理

那么，怎样才能使晶闸管从导通状态变为关断状态？如果能够使阳极电流I_A减小到小于一定数值I_H，导致晶闸管不能维持正反馈过程而变为关断，这种关断称为正向关断，I_H称为维持电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反向关断。因此，晶闸管的导通条件为：在阳极和阴极间加电压，同时在控制极和阴极间加正向触发电压。其关断方法为：减小阳极电流或改变阳极与阴极的极性。

9.1.2   晶闸管的伏安特性

晶闸管的阳极、阴极间的电压u 和阳极电流i以及控制极电流I之间的关系称为晶闸管的伏安特性，即

i=f(u)/IG

若用曲线表示这种关系，则称为伏安特性曲线，如图9.5所示，曲线分为正向特性和反向特性两部分。

图９．５  晶闸管的伏安特性曲线

absolute; HEIGHT: 10.25pt; TEXT-ALIGN: left" type="#_x0000_t75">absolute; HEIGHT: 14px; mso-ignore: vglayout">1. 正向特性   当u>0时对应的曲线是正向特性。由图９．５可看出，晶闸管的正向特性可分为关断状态OA段和导通状态BC段两个部分。当控制极电流I_G=0时，逐渐增加正向电压 ，观察阳极电流 的变化情况。开始时，三个PN结中有一个为反向偏置，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。当电压加大到正向转折电压（即 ）时，晶闸管突然导通，进入伏PV安特性的BC段。此时晶闸管可通过较大电流，而管压降很小，这种导通方法极易造成晶闸管击穿而损坏，应尽量避免。若在控制极与阴极间加上触发电压，则会降低转折电压。控制极I_G越大，转折电压就越低(IG2>IG1>0)。导通后，若电流降低到小于维持电流I_H时，晶闸管将由导通变为关断。

2.反向特性   当u<0时，对应的曲线称为反向特性。当晶闸管加反向电压 时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流I_R。反向电压增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压U_BR。晶闸管的反向特性与二极管相似，此时，晶闸管状态与控制极上是否加触目惊心发电压无关。

9.1.3晶闸管的主要参数

1. 额定正向平均电流I_F：在环境温度小于40℃和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管的工频正弦半波电流的平均值。

2. 维持电流I_H：在控制极开路和规定环境温度下，维持晶闸管导通的最小阳极电流。当晶闸管正向电流小于维持电流I_H时，会自行关断。

3. 触发电压U_G和触发电流I_G：在室温时，晶闸管上加 直流电压的条件下，使晶闸管从关断到完全导通所需的最小控制极直流电压和电流。一般U_G为（1~5）V，I_G为几十至几百mA。

4. 正向转折电压U_BO：在额定结温和控制极开路条件下，晶闸管从关断转为导通的正弦波半波正向电压峰值。

5. 正向重复峰值电压U_DRM：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般U_DRM与正向转折电压U_BO之间的关系为U_DRM=80％U_BO。

6. 反向重复峰值电压U_RRM：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般U_RRM与反向转折电压U_BR之间的关系为U_RRM=80％U_BR。

除以上几个主要参数外，昌闸管还有一些其他参数，如：正向平均电压U_F，控制极反向电压U_GRM和浪涌电流I_FSM等。

9.1.4  国产晶闸管的型号

按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：

晶闸管的种类较多，其他代号还有：K—快速型、S—双向型 、N—逆导型、G—可关断型。如KS100—12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降为1V的双向型晶闸管。

9.1.5            晶闸管的简易判别和使用注意事项

1.        晶闸管的简易判别

一般可用万用表欧姆档检查晶闸管阳极与阴极之间以及阳极与门极（控制极）之间有无短路。将万用表置于R的欧姆挡，测量阳极与阴极之间、阳极与门极之间的正反向电阻，正常时应很大（几百千欧以上）。再检查门极与阴极间有无短路或断路。可将万用表置于R或R欧姆挡，测出门极对阴极正向电阻，一般应为几欧至几百欧，反向电阻比正向电阻要大一些。其反向电阻不太大不能说明昌闸管不好，但其正向电阻不能为零或大于几千欧，正向电阻为零时，说明门极与阴极间短路；大于几千欧时，说明书门极与阴极间断开。

2.        晶闸管的使用注意事项

选用晶闸管的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电压的大小，并留出一定的余量。

（1）选用晶闸管的额定电流时，除了考虑通过元件的平均电流外，还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。

（2）使用晶闸管之前，应该用万用表检查晶闸管是否良好。发现有短路或断路现象时，应立即更换。

（3）严禁用兆欧表即摇表检查元件的绝缘情况。

（4）电流为5A以上的晶闸管要装散热器，并且保证所规定的冷却条件。为保证散热器与晶闸管管心接触良好，它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂。

（5）按规定对主电路中的晶闸管采用过压及过流保护装置。

（6）要防止晶闸管门极的正向过载和反向击穿。