2.2.1 SCR的原理与特性

晶闸管全称晶体闸流管，曾称可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）。1957年问世后逐步形成新兴的电力电子学科。晶闸管在20世纪六七十年代获得迅速发展，除器件的性能与电压、电流容量不断提高外，还派生出快速晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管等，形成晶闸管系列。普通晶闸管应用最广，本书如不特别说明，所述晶闸管即为普通晶闸管。

晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与板式，外形与符号如图2-4所示。晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。图2-4（a）所示为小电流塑封式，电流稍大时也要紧固在散热板上，图2-4（b），（c）所示为螺栓式，使用时必须紧固在散热器上，图2-4（d）所示为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。图2-5所示为晶闸管散热器，图2-5（a）所示适用于螺栓式，图2-5（b），（c）所示适用于平板式，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。

图2-4 晶闸管的外形与符号

图2-5 晶闸管散热器及外形

晶闸管内部结构如图2-6所示，管芯由四层半导体（P1、N1、P2、N2）组成，形成三个PN结（J1、J2、J3）。在管子的阳极与阴极之间加上反向电压时，J1、J2结处于反向阻断状态；当加上正向电压时J2结处于反向阻断状态，管子仍不导通。若此时门极与阴极间加上正向电压ug使门极G流入一定大小的电流Ig，晶闸管就会像二极管一样正向导通。由此可见，晶闸管与二极管一样具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极。与二极管不同的是，晶闸管具有正向阻断特性，当加正向电压时管子还不能导通，必须同时加上门极电压，有足够的门极电流流入后才能使晶闸管正向导通。因此，晶闸管具有正向导通的可控特性，这种以电流输入来控制导通的器件称为电流控制器件。晶闸管通入门极电流Ig使其导通的过程称为触发，管子一旦触发导通后门极就失去控制作用。这种门极可触发导通但无法使其关断的器件称为半控器件。要使已导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源电压或增加阳极回路电阻，使流过管子的阳极电流Ia减小，当Ia减至一定值（一般为几十毫安）时，Ia会突然降为零，之后即使再调高电压或减小电阻，电流也不会增大，说明管子已恢复正向阻断。当门极断开时，能维持管子导通所需的最小阳极电流称为维持电流IH，因此管子关断的条件是Ia＜IH。

图2-6 晶闸管的内部结构

晶闸管为什么有上述特性？现进一步从内部结构来分析。晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成由两个晶体管VT1（P1-N1-P2）与VT2（N1-P2-N2）组成，如图2-7所示。

图2-7 晶闸管的工作原理

当管子阳极加上正向电压后，要使管子正向导通的关键是使J2结反向失去阻挡作用。从图2-7（d）可见，当Q打开时VT1管的集电极电流Ic1即为VT2管的基极电流Ib2；VT2管集电极电流Ig又是VT1的基极电流Ib1；当Q合上时有足够的门极电流Ig流入，通过两管的电流放大立即形成强烈的正反馈，过程为

瞬时使两管饱和导通，也就是晶闸管导通。

设VT1、VT2管共基接法的电流放大倍数为a1，a2，流过J2结的反向漏电流为Ic0，由图2-7（b），（d）可见，VT1管流过J2结的电流为a1Ia，VT2管流过J2结的电流为a2Ik，流过J2结总电流为

当门极流入电流Ig时，阴极电流为

将式（2-3）代入式（2-4）得

由晶体管知识可知，共基电流放大倍数a随发射极电流增大而逐渐增大，当Ig增大到一定值使两管发射极电流也相应增大，致使（a1+a2）增大到接近1时，式（2-4）中管子阳极电流Ia将急剧增大变为不可控，此时Ia值由电源电压值Ea与负载电阻Rd来决定，晶闸管正向导通压降约为1.5V。由于正反馈的作用，导通的管子即使门极电流降为零或负值，也不能使管子关断，只有设法使管子的阳极电流Ia减小到维持电流IH以下，此时a1和a2也相应减小，导致内部正反馈无法维持时晶闸管才恢复阻断。