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可控硅

一、可控硅概述

可控硅（SCR）国际通用名称为Thyristor，中文称为硅晶体闸流管，简称晶闸管。

由于晶闸管最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅（SCR）。

在电路中用文字符号“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

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。

可控硅的优点很多，例如：

能在高电压、大电流条件下工作，体积小；以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。

可控硅的缺点：

静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。

二、晶闸管（thyristor）的分类

晶闸管（thyristor）有多种分类方法。

（一）按关断、导通及控制方式分类

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR）即单向可控硅、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

（二）按引脚和极性分类

晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

（三）按封装形式分类

晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。

其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

（四）按电流容量分类

晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。

通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

（五）按关断速度分类

晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管

三、单向可控硅（SCR）

（一）单向晶闸管的特性

普通晶闸管（SCR）是由PNPN四层半导体材料构成的三端半导体器件，三个引出端分别为阳极A、阴极K和门极G。

电路符号如下图：

当单向晶闸管反向连接（即A极接电源负端，K极接电源正端）时，无论门极G所加电压是什么极性，晶闸管均处于阻断状态。

当晶闸管正向连接（即A极接电源正端，K极接电源负端）时，若门极G所加触发电压为负时，则晶闸管也不导通，只有其门极G加上适当的正向触发电压时，晶闸管才能由阻断状态变为导通状态。

此时，晶闸管阳极A极与阴极K极之间呈低阻导通状态，A、K极之间压降约为1V。

普通晶闸管受触发导通后，其门极G即使失去触发电压，只要阳极A和阴极K之间仍保持正向电压，晶闸管将维持低阻导通状态。

只有把阳极A电压撤除或阳极A、阴极K之间电压极性发生改变（如交流过零）时，普通晶闸管才由低阻导通状态转换为高阻阻断状态。

普通晶闸管一旦阻断，即使其阳极A与阴极K之间又重新加上正向电压，仍需在门极G和阴极K之间重新加上正向触发电压后方可导通。

普通晶闸管的导通与阻断状态相当于开关的闭合和断开状态，用它可以制成无触点电子开关，去控制直流电源电路。

（二）单向可控硅的原理分析

单向可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示

图1可控硅等效图解图

当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。

此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。

因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。

此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。

这个电流又流回到BG2的基极，形成正反馈，使ib2不断增大，如此正向反馈循环使两个管子的电流剧增，可控硅饱和导通。

由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦单向可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，单向可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种单向可控硅是不可关断的。

由于单向可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表1

表1可控硅导通和关断条件

状态

条件

说明

从关断到导通

1、阳极电位高于阴极电位

2、控制极有足够的正向电压和电流

两者缺一不可

维持导通

1、阳极电位高于阴极电位

2、阳极电流大于维持电流

两者缺一不可

从导通到关断

1、阳极电位低于阴极电位

2、阳极电流小于维持电流

任一条件即可

四、双向可控硅（TRIAC）

双向晶闸管属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。

T1、T2统称为主电极或第一电极（T1）、第二电极（T2），不再划分成阳极或阴极。

其结构如图2所示，双向可控硅等效于两只单向可控硅反向并联而成：

即其中一只单向硅阳极与另一只单向硅阴极相连，其引出端称T1极，其中一只单向硅阴极与另一只阳极相连，其引出端称T2极，剩下则为控制极（G）。

双向晶闸管可以双向导通。

对主端子T1、T2来说无所谓正向和反向。

但一般为了叙述方便和普通晶闸管对应，则把T2对应阳极，而和门极在一侧的T1端对应阴极端。

于是，T2为正T1为负时称为正向，伏安特性画在第Ⅰ象限；T2为负T1为正时称为反向，伏安特性画在第Ⅲ象限。

双向晶闸管具有四种触发方式，既可在正向时触发导通，也可在反向时触发导通；门极信号既可是正的触发信号，也可是负的触发信号。

它可有Ⅰ+,Ⅰ-,Ⅲ+,Ⅲ-四种触发方式：

Ⅰ+触发：

器件T2端相对T1端为正时，在门极G上加一相对于T1为正的触发信号使晶闸管在第Ⅰ象限导通。

这和普通晶闸管触发导通完全相同。

Ⅰ-触发：

器件T2端相对T1端为正时，在门极G上加一相对于T1为负的触发信号使晶闸管在第Ⅰ象限导通。

Ⅲ+触发：

器件T1端相对T2端为正时，在门极G上加一相对于T1为正的触发信号使晶闸管在第Ⅲ象限导通。

Ⅲ-触发：

器件T1端相对T2端为正时，在门极G上加一相对于T1为负的触发信号使晶闸管在第Ⅲ象限导通。

由于四种触发方式作用原理不同，触发灵敏度也不同。

一般是Ⅰ+＞Ⅲ-＞Ⅰ-＞Ⅲ+。

Ⅲ+触发由于灵敏度太低，即门极触发电流很大，比其他三种状态触发电流大一倍乃至数倍，功率稍大一点的双向晶闸管一般不用Ⅲ+这种状态。

因此使用双向可控硅时应尽量使用Ⅰ+和Ⅲ-触发方式，避免采用Ⅲ+触发方式。

当采用Ⅰ+和Ⅲ-触发方式时，具有特点为：

当G极和T2极相对于T1的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极；当G极和T2极相对于T1的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。

晶闸管触发导通后呈低阻状态。

此时，主电极T1、T2间压降约为1V左右。

双向晶闸管一旦导通，即使失去触发电压，也能继续维持导通状态。

当主电极T1、T2电流减小至维持电流以下或T1、T2间电压改变极性，且无触发电压时，双向晶闸管阻断，只有重新施加触发电压，才能再次导通。

单向、双向可控硅具有的共同特点是：

当有一触发信号输入其控制极而使管子导通后，即使是断开其触发控制极，该管子仍能正常维持导通，直至其导通的正向电流低于管子维持电流，或是加大其反向电压方能使其截止。

五、门极关断晶闸管（GTO）

门极关断晶闸管（GTO）（以P型门极为例）是由PNPN四层半导体材料构成，其三个电极分别为阳极A、阴极K和门极G。

门极关断晶闸管也具有单向导电特性，即当其阳极A、阴极K两端为正向电压，在门极G上加正的触发电压时，晶闸管将导通，导通方向A→K。

在门极关断晶闸管处于导通状态时，若在其门极G上加一个适当的负电压，则能使导通的晶闸管关断（普通晶闸管在靠门极正电压触发之后，撤掉触发电压也能维持导通，只有切断电源使正向电流低于维持电流或加上反向电压，才能使其关断）。

六、光控晶闸管

光控晶闸管（LTT——LightTriggeredThyristor）俗称光控硅，内部由PNPN四层半导体材料构成，可等效为由两只晶体管和一只电容、一只光敏二极管组成的电路。

光控晶闸管不但可以作为光电耦合器的输出部分，而且可以直接做成各种各样的交直流继电器、接触器，还可以用于光电逻辑电路、光控计数电路以及各种检测和保护电路。

光控晶闸管包括两端器件、三端器件、四端器件。

就三端器件来说，又有单向光控晶闸管及双向光控晶闸管。

就功率来分，有小功率和大功率之分。

由于光控晶闸管的控制信号来自光的照射，门极为受光窗口（小功率晶闸管）或光导纤维、光缆等。

当在光控晶闸管的阳极A加上正向电压、阴极K上加负电压时，再用足够强的光照射一下其受光窗口，晶闸管即可导通。

晶闸管受光触发导通后，即使光源消失也能维持导通，除非加在阳极A和阴极K之间的电压消失或极性改变，晶闸管才能关断。

光控晶闸管的触发光源有激光器、激光二极管和发光二极管等。

七、逆导晶闸管

逆导晶闸管（RCT）俗称逆导可控硅，它在普通晶闸管的阳极A与阴极K间反向并联了一只二极管（制作于同一管芯中）。

逆导晶闸管较普通晶闸管的工作频率高，关断时间短、误动作小，可广泛应用于超声波电路、电磁灶、开关电源、电子镇流器、超导磁能储存系统等领域。

八、BTG晶闸管

BTG晶闸管也称程控单结晶体管PUT，是由PNPN四层半导体材料构成的三端逆阻型晶闸管，其电路图形符号，内部结构和等效电路如下图：

BTG晶闸管的参数可调，改变其外部偏置电阻的阻值，即可改变BTG晶闸管门极电压和工作电流。

它还具有触发灵敏度高、脉冲上升时间短、漏电流小、输出功率大等优点，被广泛应用于可编程脉冲电路、锯齿波发生器、过电压保护器、延时器及大功率晶体管的触发电路中，既可作为小功率晶闸管使用，还可作为单结晶体管〔双基极二极管（UJT）〕使用。

九、温控晶闸管

温控晶闸管是一种新型温度敏感开关器件，它将温度传感器与控制电路结合为一体，输出驱动电流大，可直接驱动继电器等执行部件或直接带动小功率负荷。

温控晶闸管的结构与普通晶闸管的结构相似（电路图形符号也与普通晶闸管相同），也是由PNPN半导体材料制成的三端器件，但在制作时，温控晶闸管中间的PN结中注入了对温度极为敏感的成分（如氩离子），因此改变环境温度，即可改变其特性曲线。

在温控晶闸管的阳极A接上正电压，在阴极K接上负电压，在门极G和阳极A之间接入分流电阻，就可以使它在一定温度范围内（通常为–40~+130℃）起开关作用。

温控晶闸管由断态到通态的转折电压随温度变化而改变，温度越高，转折电压值就越低。

十、四极晶闸管

四极晶闸管也称硅控制开关管（SCS），是一种由PNPN四层半导体材料构成的多功能半导体器件，其电路图形符号、内部结构和等效电路如下图：

四极晶闸管的四个电极分别为阳极A、阴极K、阳极控制极GA和阴极控制极GK。

若将四极晶闸管的阳极控制极GA空着不用，则四极晶闸管可以代替普通晶闸管或门极关断晶闸管使用；若将其阴极控制极GK空着不用，则可以代替BTG晶闸管或门极关断晶闸管、单结晶体管使用；若将其阳极门极GA与阳极A短接，则可以代替逆导晶闸管或NPN型硅晶体管使用。

十一、晶闸管模块

晶闸管模块，它是将两只参数一致的普通晶闸管串联（跟图中所示不同，有疑问）在一起构成的，如下图：

晶闸管模块具有体积小、重量轻、散热好、安装方便等优点，被广泛应用于电动机调速、无触点开关、交流调压、低压逆变、高压控制、整流、稳压等电子电路中。

十二、快速可控硅

快速可控硅元件的特点是，开通时间和关断时间短，开关损耗小，能承受较高的电流上升率和电压上升率，因此它可以在一般可控硅不能胜任的较高的频率的场合工作。

例如，一般快速可控硅开通时间减小到l—2微秒，关断时间也只需数微秒，电流上升率可达数百安/微秒，所以允许工作在数十或数百千周/秒的频率范围。

十三、参数符号说明

以下参数符号说明的1～11符合1985年颁布的国家标准GB4940-85

1、断态及反向重复峰值电压VDRM和VRRM

控制极断路，在一定的温度下，允许重复加在管子上的正向电压为断态重复峰值电压，用VDRM表示。

这个数值是不重复峰值电压VDSM的90％，而不重复峰值电压即为正向伏安特性曲线急剧弯曲点所决定的断态峰值电压。

反向重复峰值电压用VRRM表示，它也是在控制极开路条件下，规定一定的温度，允许重复加在管子上的反向电压，同样，VRRM为反向不重复峰值电压VRSM的90％。

“重复”是指重复率为每秒50次．持续时间不大于10ms。

VDRM和VRRM随温度的升高而降低，在测试条件中，将对温度作严格的规定。

生产厂把VDRM和VRRM中较小的一个数值作为管子的额定电压。

2、断态漏电流IDRM和反向漏电流IRRM

对应VDRM和VRRM的漏电流为断态漏电流和反向漏电流，分别用IDRM和IRRM表示。

这个数值用峰值表示。

3、额定通态电流IT

在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，在单相工频（即50Hz）正弦半波电路中，导通角为不小于170°，负载为电阻性，当结温稳定且不超过额定结温时，管子所允许的最大通态电流为额定通态电流。

这个值用平均值和有效值分别表示。

4、通态电压VTM

在规定环境温度和标准散热条件下，管子在额定通态电流IT时所对应的阳极和阴极之间的电压为通态电压，即一般称为管压降。

此值用峰值表示。

这是一个很重要的多数，晶闸管导通时的正向损耗主要由IT与VTM之积决定，希望VTM越小越好。

5、维持电流IH

在室温下，控制极开路，晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。

也就是说，在室温下，在控制极回路通以幅度和宽度都足够大的脉冲电流，同时在阳极和阴极之间加上电压，使管子完全开通。

然后去掉控制极触发信号，缓慢减小正向电流，管子突然关断前瞬间的电流即为维持电流。

6、控制极触发电流IGT和触发电压VGT

在室温条件下，晶闸管阳极和阴极间施加6v或12v的直流电压，使管子完全开通所必须的最小控制极直流电流为控制极触发电流IGT。

普通晶间管的IGT一般为数毫安至几百毫安；高灵敏晶闸管的IGT小至数微安。

对应控制极触发电流的控制极电压称为控制极触发电压VGT。

7、浪涌电流

在规定条件下，晶闸管通以额定电流，稳定后，在工频正弦波半周期间内管子能承受的最大过载电流。

同时，紧接浪涌后的半周期间应能承受规定的反向电压。

浪涌电流用峰值表示，是不重复的额定值；在管子的寿命期内，浪涌次数有一定的限制。

8、断态电压临界上升率（dv/dt）

在额定结温和控制极断路条件下，使管子从截止转人导通的最低电压上升率称为断态电压临界上升率，用dv/dt表示，希望这个数值愈大愈好。

50-100A晶闸管的dv/dt≥25V/μs，200A以上管子的dv/dt≥50V/μs。

9、通态电流临界上升率（di/dt）

在规定条件下，管子在控制极开通时能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，用di/dt表示。

管子在开通瞬间产生很大的功率损耗，而且这种损耗由于导通扩展速度有限，总是集中在控制极附近的阴极区域，如果管子的di/dt耐力不够，就容易引起过热点，导致控制权永久性破坏，对大电流的管子，这个问题更为突出。

10、控制极开通时间（tgt）

当控制极加上足够的触发信号后，晶闸管并不立即导通，而是要延迟一小段时间。

这延迟的一小段时间称为开通时间tgt。

具体规定是控制极触发脉冲前沿的10％到阳极电压下降至10％的时间为tgt。

11、电路换向关断时间（tq）

从通态电流降至零这一瞬间起到管子开始能承受规定的断态电压瞬间为止的时间间隔称为电路换向关断时间tq。

开通时间tgt和关断时间tq决定管子的工作频率，工作频率较高的电路要选用tq小的管子（tq小，tgt会更小）。

这一参数是普通晶闸管和快速晶闸管的主要区别。

关断时间tq的大小除了和管子内部结构有关以外，还与应用条件有很大关系，关断前晶闸管所通电流大小、温度、关断时所加反向电压大小，重加dv/dt，反向di/dt对关断时间tq的影响：

温度、重加dv/dt、正向电流、重加电压、反向di/dt增加，则关断时间增大；反向电压增加，则关断时间减小。

以下内容供参考：

1、反向不重复峰值电压VRSM：

控制极开路条件下，反向伏安特性曲线急剧弯曲点所决定的反向峰值电压；

2、正向转折电压VBO：

晶闸管的正向转折电压VBO是指在额定结温为100℃且门极（G）开路的条件下，在其阳极（A）与阴极（K）之间加正弦半波正向电压、使其由关断状态转变为导通状态时所对应的峰值电压。

3、断态重复峰值电压VDRM：

断态重复峰值电压VDRM，是指晶闸管在正向阻断时，允许加在A、K（或T1、T2）极间最大的峰值电压。

此电压约为正向转折电压减去100V后的电压值。

4、通态平均电流IT：

通态平均电流IT，是指在规定环境温度和标准散热条件下，晶闸管正常工作时A、K（或T1、T2）极间所允许通过电流的平均值。

5、反向击穿电压VBR：

反向击穿电压是指在额定结温下，晶闸管阳极与阴极之间施加正弦半波反向电压，当其反向漏电电流急剧增加时反对应的峰值电压。

6、反向重复峰值电压VRRM：

反向重复峰值电压VRRM，是指晶闸管在门极G断路时，允许加在A、K极间的最大反向峰值电压。

此电压约为反向击穿电压减去100V后的峰值电压。

7、正向平均电压降VF：

正向平均电压降VF也称通态平均电压或通态压降VT，是指在规定环境温度和标准散热条件下，当通过晶闸管的电流为额定电流时，其阳极A与阴极K之间电压降的平均值，通常为0.4~1.2V。

8、门极触发电压VGT：

门极触发VGT，是指在规定的环境温度和晶闸管阳极与阴极之间为一定值正向电压的条件下，使晶闸管从阻断状态转变为导通状态所需要的最小门极直流电压，一般为1.5V左右。

9、门极触发电流IGT：

门极触发电流IGT，是指在规定环境温度和晶闸管阳极与阴极之间为一定值电压的条件下，使晶闸管从阻断状态转变为导通状态所需要的最小门极直流电流。

10、门极反向电压：

门极反向电压是指晶闸管门极上所加的额定电压，一般不超过10V。

11、断态重复峰值电流IDR：

断态重复峰值电流IDR，是指晶闸管在断态下的正向最大平均漏电电流值，一般小于100μA

12、反向重复峰值电流IRRM：

反向重复峰值电流IRRM，是指晶闸管在关断状态下的反向最大漏电电流值，一般小于100μA。

ITSM

通态非重复冲击电流（浪涌电流）

ID

断态重复峰值电压时漏电流

IDRM

断态重复峰值电流

IDR（AV）

断态重复平均电流

IRRM

反向重复峰值电流

IRR（AV）

反向重复平均电流

IT（RMS）

额定通态有效电流

IT（AV）

额定通态平均电流

VT（AV）

通态平均电压

Tjm

额定结温

VISO

模块绝缘电压

Rthjc

结壳热阻

十四、单向可控硅应用举例

可控硅在实际应用中电路花样最多的是其栅极触发回路，概括起来有直流触发电路，交流触发电路，相位触发电路等等。

1、直流触发电路：

如下图是一个电视机常用的过压保护电路，当E+电压过高时A点电压也变高，当它高于稳压管DZ的稳压值时DZ道通，可控硅D受触发而道通将E+短路，使保险丝RJ熔断，从而起到过压保护的作用。

2、相位触发电路：

相位触发电路实际上是交流触发电路的一种，如下图，这个电路的方法是利用RC回路控制触发信号的相位。

当R值较少时，RC时间常数较少，触发信号的相移A1较少，因此负载获得较大的电功率；当R值较大时，RC时间常数较大，触发信号的相移A2较大，因此负载获得较少的电功率。

这个典型的电功率无级调整电路在日常生活中有很多电气产品中都应用它。

十五、晶闸管的选用经验

1．选择晶闸管的类型晶闸管有多种类型，应根据应用电路的具体要求合理选用。

若用于交直流电压控制、可控整流、交流调压、逆变电源、开关电源保护电路等，可选用普通晶闸管。

若用于交流开关、交流调压、交流电动机线性调速、灯具线性调光及固态继电器、固态接触器等电路中，应选用双向晶闸管。

若用于交流电动机变频调速、斩波器、逆变电源及各种电子开关电路等，可选用门极关断晶闸管。

若用于锯齿波生发器、长时间延时器、过电压保护器及大功率晶体管触发电路等，可选用BTG晶闸管。

若用于电磁灶、电子镇流器、超声波电路、超导磁能储存系统及开关电源等电路，可选用逆导晶闸管。

若用于光电耦合器、光探测器、光报警器、光计数器、光电逻辑电路及自动生产线的运行监控电路，可选用光控晶闸管。

2．选择晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数应根据应用电路的具体要求而定。

所选晶闸管应留有一定的功率裕量，其额定峰值电压和额定电流（通态平均电流）均应高于受控电路的最大工作电压和最大工作电流1.5~2倍。

晶闸管的正向压降、门极触发电流及触发电压等参数应符合应用电路（指门极的控制电路）的各顶要求，不能偏高或偏低，否则会影响晶闸管的正常工作。

十六、晶闸管的代换经验

晶闸管损坏后，若无同型号的晶闸管更换，可以选用与其性能参数相近的其它型号晶闸管来代换。

应用电路在设计时，一般均留有较大的裕量。

在更换晶闸管时，只要注意其额定峰值电压（重复峰值电压）、额定电流（通态平均电流）、门极触发电压和门极触发电流即可，尤其是额定峰值电压与额定电流这两个指标。

代换晶闸管应与损坏晶闸管的开关速度一致。

例如，在脉冲电路、高速逆变电路中使用的高速晶闸管损坏后，只能选用同类型的快速晶闸管，而不能用普通晶闸管来代换。

选取代用晶闸管时，不管什么参数，都不必留有过大的裕量，应尽可能与被代换晶闸管的参数相近，因为过大的裕量不仅是一种浪费，而且有时还会起副作用于，出现不触发或触发不灵敏等现像。

另外，还要注意两个晶闸管的外形要相同，否则会给安装工作带来不利