晶闸管：工作原理、设计、类型和包含方法

晶闸管的工作原理

晶闸管是一种电力电子开关，不是完全可控的。因此，有时在技术文献中将其称为单动作晶闸管，只需要一个控制信号就可以切换到导通状态，即可以导通。要将其关闭（在直流电操作中），必须采取特殊措施以确保直流电降至零。

晶闸管开关只能在一个方向上传导电流，在闭合状态下它能够承受正向和反向电压。

晶闸管具有四层p-n-p-n结构，三根引线：阳极（A）、阴极（C）和栅极（G），如图1所示。 1个

米。 1.常规晶闸管：a)——常规图形标识； b)——伏安特性。

在图。图 1b 显示了在不同控制电流 iG 值下的一系列输出静态 I-V 特性。晶闸管在不导通的情况下所能承受的极限正向电压在iG=0时有最大值。随着电流的增加，iG 降低晶闸管可以承受的电压。晶闸管的导通状态对应于支路II，关断状态对应于支路I，开关过程对应于支路III。保持电流或保持电流等于晶闸管保持导通时允许的最小正向电流iA。该值也对应于导通晶闸管正向压降的最小可能值。

分支 IV 表示漏电流对反向电压的依赖性。当反向电压超过 UBO 的值时，反向电流开始急剧增加，这与晶闸管的故障有关。击穿的性质可能对应于半导体齐纳二极管操作中固有的不可逆过程或雪崩击穿过程。

晶闸管是最强大的电子开关，能够以不超过 1 kHz 的频率切换电压高达 5 kV、电流高达 5 kA 的电路。

晶闸管的设计如图 1 所示。 2.

米。 2、晶闸管盒的设计： a)——平板； b) — 一个别针

直流晶闸管

传统的晶闸管通过将电流脉冲施加到相对于阴极具有正极性的控制电路来导通。导通期间的瞬变持续时间受负载性质（有源、电感等）、控制电流脉冲 iG 的幅度和上升速率、晶闸管半导体结构的温度、施加的电压和负载电流。在包含晶闸管的电路中，正向电压上升率 duAC / dt 不应有不可接受的值，其中在没有控制信号 iG 和从当前的 diA / dt 上升。同时，控制信号的斜率必须很高。

在关断晶闸管的方式中，习惯上区分自然关断（或自然投切）和强制（或人工投切）。当晶闸管在交流电路中工作时，在电流降至零的瞬间发生自然换向。

强制开关的方法多种多样，其中最典型的有以下几种：将预充电电容C与开关S相连（图3，a）；将 LC 电路与预充电电容器 CK 连接（图 3 b）；在负载电路中使用瞬态过程的振荡特性（图 3，c）。

米。 3.晶闸管人工投切的方法： a)——通过充电电容器C； b)——通过 LC 电路的振荡放电； c) — 由于负载的波动性

切换时如图所示。 3 并连接一个反极性的开关电容器，例如连接到另一个辅助晶闸管，将导致它向导电的主晶闸管放电。由于电容器的放电电流与晶闸管的正向电流相反，晶闸管的正向电流减小到零，晶闸管关断。

在图的图表中。如图3、b、LC电路的接通引起开关电容CK的振荡放电。在这种情况下，开始时，流过晶闸管的放电电流与其正向电流相反，当它们相等时，晶闸管关断。此外，LC 电路的电流从晶闸管 VS 流向二极管 VD。当环路电流流过二极管 VD 时，等于开路二极管压降的反向电压将施加到晶闸管 VS。

在图的图表中。 3、将晶闸管VS接在复杂的RLC负载上会引起瞬变。对于负载的某些参数，随着负载电流 in 极性的变化，此过程可能具有振荡特性。在这种情况下，在关断晶闸管 VS 后，二极管 VD 导通，开始传导电流相反的极性。有时这种切换方法被称为准自然切换，因为它涉及负载电流极性的变化。

交流晶闸管

当晶闸管接入交流电路时，可以进行以下操作：

• 接通和断开带有有源和有源无功负载的电路；

• 由于可以调整控制信号的时间，因此通过负载的平均和有效电流值发生变化。

由于晶闸管开关只能在一个方向上传导电流，因此对于交流晶闸管的使用，使用它们的并联连接（图4，a）。

米。 4. 晶闸管的反并联 (a) 和有源负载的电流形状 (b)

平均值和 有效电流 由于打开信号施加到晶闸管 VS1 和 VS2 的时间发生变化，即通过改变角度和（图 4，b）。调节期间晶闸管 VS1 和 VS2 的这个角度值由控制系统同时更改。该角度称为晶闸管的控制角或触发角。

在电力电子设备中应用最广泛的是相位控制（图 4，a，b）和带脉冲宽度的晶闸管控制（图 4，c）。

米。 5. 负载电压类型： a) — 晶闸管的相位控制； b) — 带强制换向的晶闸管的相位控制； c)——脉宽晶闸管控制

使用强制换向晶闸管控制的相位方法，可以通过改变角度 α 和角度 β 来调节负载电流……人工开关是使用特殊节点或使用完全控制（锁定）晶闸管进行的。

通过 Totkr 期间的脉冲宽度控制（脉冲宽度调制 - PWM），控制信号被施加到晶闸管，它们打开并且电压 Un 被施加到负载。在 Tacr 时间内，控制信号不存在，晶闸管处于非导通状态。负载电流的有效值

其中 In.m. — Tcl = 0 时的负载电流。

具有晶闸管相位控制的负载中的电流曲线是非正弦曲线，这会导致供电网络电压形状失真，并干扰对高频干扰敏感的消费者的工作 - 所谓的发生。电磁不兼容。

锁定晶闸管

晶闸管是用于切换高压、大电流（大电流）电路的最强大的电子开关。然而，它们有一个明显的缺点——不完全的可控性，这表现在为了关闭它们，必须创造条件将正向电流降低到零。在许多情况下，这限制了晶闸管的使用并使其复杂化。

为了消除这个缺点，已开发出由来自控制电极 G 的信号锁定的晶闸管。这种晶闸管称为栅极关断晶闸管 (GTO) 或双操作。

锁定晶闸管（ZT）具有四层p-p-p-p结构，但同时具有多项显着设计特点，赋予其完全不同于传统晶闸管的特性——完全可控性。正向关断晶闸管的静态 I-V 特性与常规晶闸管的 I-V 特性相同。但是，锁定晶闸管通常无法阻断较大的反向电压，常接一个反并联的二极管。此外，锁定晶闸管的特征在于显着的正向压降。要关断闭锁晶闸管，必须向合闸电极电路施加一个强大的负电流脉冲（与恒定关断电流值的比例约为 1: 5），但持续时间很短（10- 100 微秒）。

锁定晶闸管的截止电压和电流也比传统晶闸管低（约 20-30%）。

晶闸管的主要种类

除了锁定晶闸管外，已经开发出范围广泛的各种类型的晶闸管，它们在速度、控制过程、导通状态下的电流方向等方面各不相同。其中，应注意以下类型：

• 晶闸管二极管，相当于一个反并联二极管的晶闸管（图6.12，a）；

• 二极管晶闸管（可控硅），当超过一定的电压电平时切换到导通状态，应用于 A 和 C 之间（图 6，b）；

• 锁定晶闸管（图 6.12，c）；

• 对称晶闸管或双向晶闸管，相当于两个反并联连接的晶闸管（图 6.12，d）；

• 高速逆变晶闸管（关断时间5-50μs）；

• 场晶闸管，例如，基于MOS晶体管与晶闸管的组合；

• 由光通量控制的光晶闸管。

米。 6、晶闸管常用图形标识： a)——晶闸管二极管； b)——二极管晶闸管（可控硅）； c)——锁定晶闸管； d) — 三端双向可控硅

晶闸管保护

晶闸管是影响正向电流上升率 diA/dt 和压降 duAC/dt 的关键器件。晶闸管与二极管一样，具有反向恢复电流现象，其急剧下降至零加剧了过电压的可能性，duAC/dt 值很高。这种过电压是电路电感元件中电流突然中断的结果，包括 小电感 安装。因此，通常使用各种 CFTCP 方案来保护晶闸管，晶闸管在动态模式下提供针对不可接受的 diA / dt 和 duAC / dt 值的保护。

在大多数情况下，包含在所含晶闸管电路中的电压源的内部电感电阻就足够了，因此不会引入额外的电感 LS。因此，在实践中，通常需要 CFT 来降低跳闸浪涌的水平和速度（图 7）。

米。 7、典型晶闸管保护电路

与晶闸管并联的 RC 电路通常用于此目的。对于晶闸管的不同使用条件，RC 电路有多种电路修改和计算其参数的方法。

对于锁定晶闸管，电路用于形成开关路径，类似于 CFTT 晶体管的电路。