1晶闸管的结构与工作原理
晶闸管的结构原理及应用
晶闸管的结构原理及应用1. 晶闸管的概述晶闸管（Thyristor）是一种主要用于电能控制的半导体器件，广泛应用于电力电子技术领域。
晶闸管具有高压、大电流、能耗低、可靠性好等特点，被广泛应用于家电、工业控制、交通运输等领域。
2. 晶闸管的结构原理晶闸管的结构采用P-N-P-N四层结构，主要由控制极（G：Gate）、阳极（A：Anode）、阴极（K：Cathode）三个电极组成。
其结构和工作原理如下：•P层：阳极侧为P型半导体，控制极侧为薄的N型半导体层；•N层：阳极侧为N型半导体，控制极侧为一薄层的P型半导体层；•控制极：通过控制极加上一个触发脉冲，使得晶闸管的导通；•阳极：负责控制晶闸管的输出电流；•阴极：负责晶闸管的接地。
3. 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理可分为四个状态：关断（Off）、导通（On）、保持（Hold）、关断恢复（Off Recovery）。
1.关断状态：晶闸管在没有施加控制信号时处于关断状态，此时无法通过阳极和控制极之间的电流。
晶闸管的控制极与阳极之间存在电压可能会使其进入导通状态；2.导通状态：当控制极与阳极之间施加一个足够大的正向电压时，晶闸管进入导通状态。
此时，晶闸管的阳极和控制极之间的电流将开始流动；3.保持状态：在晶闸管进入导通状态后，控制极与阳极之间的电压可以降至较低水平，晶闸管仍然保持导通状态。
然而，如果该电压降至一定程度以下，则晶闸管将自动进入关断状态；4.关断恢复状态：当控制极与阳极之间的电压降至负值时，晶闸管将从导通状态恢复到关断状态。
4. 晶闸管的应用由于晶闸管具有可控性强、效率高、可靠性好等优点，被广泛应用于以下领域：•电力调节：晶闸管可用于交流电压调节，实现对电力的控制。
例如，晶闸管可以用于家庭用电中的调光灯、风扇等电器，以及电力工业中的电动机调速器、变频器等设备；•电流控制：晶闸管可用于控制电流的大小和方向。
例如，晶闸管可以用于电焊机，控制焊接电流，使焊接效果更加稳定和高效；•能量回收：晶闸管可以将电能回收并用于其他用途。
晶闸管导通和关断的条件
晶闸管导通和关断的条件晶闸管是一种半导体器件，广泛应用于电力电子领域。
它具有导通电压低、控制灵活等优点，因此在交流电源变换、直流调速、瞬变保护等方面得到了广泛应用。
晶闸管的导通和关断是其正常工作的基本条件，下面将详细介绍晶闸管导通和关断的条件。
一、晶闸管的结构与工作原理晶闸管由四层不同掺杂的半导体材料组成，分别为P型半导体（阳极）、N型半导体（阴极）、P型半导体（门极）和N型半导体（门极）。
当门极施加正向脉冲时，会在P型半导体中形成一个PN结，这个PN结相当于一个二极管。
当阳极施加正向电压时，PN结处形成漏斗状区域，在漏斗中央形成一个空穴区域。
当空穴区域扩散到PN 结时，会发生反向击穿现象，形成一个低阻态。
这个低阻态相当于一个开关，使得阳极与阴极之间产生一条低阻路径。
二、晶闸管导通的条件1. 门极施加正向脉冲晶闸管的导通需要施加正向脉冲，这个脉冲可以是一个短脉冲或者是一个持续时间较长的方波信号。
当门极施加正向脉冲时，会在PN结处形成漏斗状区域，在漏斗中央形成一个空穴区域。
当空穴区域扩散到PN结时，会发生反向击穿现象，形成一个低阻态。
这个低阻态相当于一个开关，使得阳极与阴极之间产生一条低阻路径。
2. 阳极施加正向电压晶闸管的阳极需要施加正向电压才能导通。
当阳极施加正向电压时，PN结处形成漏斗状区域，在漏斗中央形成一个空穴区域。
当空穴区域扩散到PN结时，会发生反向击穿现象，形成一个低阻态。
这个低阻态相当于一个开关，使得阳极与阴极之间产生一条低阻路径。
3. 门极电流大于保持电流晶闸管的门极电流需要大于保持电流才能导通。
保持电流是指在晶闸管导通状态下，门极电流减小到一定程度时，晶闸管仍然可以保持导通状态。
当门极电流大于保持电流时，PN结处形成漏斗状区域，在漏斗中央形成一个空穴区域。
当空穴区域扩散到PN结时，会发生反向击穿现象，形成一个低阻态。
这个低阻态相当于一个开关，使得阳极与阴极之间产生一条低阻路径。
晶闸管工作原理
晶闸管工作原理晶闸管是一种电子器件，常用于电力控制和电能变换领域。
它是一种双向可控硅，具有开关功能，能够控制电流的流动。
晶闸管的工作原理涉及到PN结、触发、导通和关断等过程。
1. PN结晶闸管由P型半导体和N型半导体构成的PN结组成。
在PN结上加之一个正向偏置电压时，会形成一个导电通道，电流可以流过。
而在反向偏置电压下，PN结会处于截止状态，电流无法通过。
2. 触发为了使晶闸管导通，需要对其进行触发。
触发电压可以通过控制电路提供。
当触发电压达到一定阈值时，晶闸管将开始导通。
3. 导通一旦晶闸管被触发，它将进入导通状态。
在导通状态下，晶闸管的正向电压降低，内部电流开始流动。
晶闸管的导通状态可以持续，直到电流降至零或者施加反向电压。
4. 关断要使晶闸管关断，需要通过控制电路施加一个关断电压。
当关断电压施加到晶闸管上时，PN结会进入截止状态，电流无法通过，晶闸管将住手导通。
晶闸管的工作原理可以总结为：通过控制电路对晶闸管施加触发电压，使其进入导通状态；通过施加关断电压，使其住手导通。
晶闸管的导通和关断状态可以通过外部控制，实现对电流的控制和变换。
晶闸管具有许多优点，例如响应速度快、可靠性高、功率损耗小等。
它在电力控制领域广泛应用，如交流电调压、交流电调速、交流电变频等。
同时，晶闸管还可以用于电力系统的保护和控制，如过电流保护、短路保护等。
总结起来，晶闸管是一种双向可控硅，通过控制电路对其施加触发和关断电压，实现对电流的控制和变换。
它在电力控制和电能变换领域具有重要的应用价值。
晶闸管的结构和工作原理课件
晶闸管的导通实验二
实验 顺序
实验时晶闸管条件
阳极电压 Ua
门极电压 Ua
பைடு நூலகம்
实验后灯 的情况
1
正向
反向
暗
结论
2
正向
零
晶闸管同时在正向阳极电压与正向门
暗
极电压作用下才能导通。
3
正向
正向
亮
电力电子技术
晶闸管的结构和工作原理课件
晶闸管导通后的实验（原来灯亮）
实验 顺序
实验时晶闸管条件
阳极电压 Ua
门极电压 Ua
晶闸管的导通关断条件
实 验 电 路 图
电力电子技术
晶闸管的结构和工作原理课件
点击进入仿真
晶闸管的导通实验一
实验 顺序
实验时晶闸管条件
阳极电压 Ua
门极电压 Ua
实验后灯 的情况
1
反向
反向
暗
结论
2
反向
零
晶闸管在反向阳极电压作用下，不论
暗
门极为何种电压，它都处于关断状态。
3
反向
正向
暗
电力电子技术
晶闸管的结构和工作原理课件
K
晶闸管的结构和工作原理课件
有关晶闸管的几个名词
触发：当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压， 使晶闸管导通的过程称为触发。
维持电流IH：维持晶闸管导通所需的最小阳极电流。 正向阻断：晶闸管加正向电压未超过其额定电压，门极未加电压的情 况下，晶闸管关断。
硬开通：给晶闸管加足够的正向阳极电压，即使晶闸管未加门极电压 也会导通的现象叫硬开通。
实验后灯 的情况
1
正向
反向
04第四章 晶闸管及其应用
第四章晶闸管及其应用第一节晶闸管的构造、工作原理、特性和参数晶闸管—可控硅，是一种受控硅二极管。
优点：体积小、重量轻、耐压高、容量大、响应速度快、控制灵活、寿命长、使用维护方便。
缺点：大多工作与断续的非线性周期工作状态，产生大量谐波干扰电网；过载能力和抗扰能力较差、控制电路复杂。
（由于技术进步，近年有改善）1.1晶闸管的基本结构：晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。
1.2晶闸管的工作原理在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。
晶闸管导通后，去掉EG ，依靠正反馈，仍可维持导通状态。
晶闸管导通必须同时具备两个条件：1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。
2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。
晶闸管导通后，控制极便失去作用。
依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。
晶闸管关断的条件：1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。
2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。
1.3晶闸管的伏安特性静态特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳极电压之间的关系曲线，如图3所示。
其中：第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性图3 晶闸管阳极伏安特性I G2>I G1>I GI G=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压U bo，则漏电流急剧增大，器件开通。
这种开通叫“硬开通”，一般不允许硬开通；随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿；晶闸管本身的压降很小，在1V左右；导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值I H以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。
晶闸管的结构以及工作原理
晶闸管的结构以及工作原理晶闸管是一种异型双极结构的电子器件，由三层PNPN结构组成。
它的结构和工作原理可以分为几个方面进行介绍。
1.结构晶闸管由P型和N型半导体材料交叉组成的四层PNPN结构，形成了三个PN结的结构，即P1-N1-P2-N2、两个P型区域称为主极（anode，A）和触发极（gate，G），两个N型区域称为P型区域的发射层（emitter，E）和P型区域的集电层（collector，C）。
晶闸管的主极两端接有外部电源，而触发极一般连接到控制电路。
2.工作原理当晶闸管的控制电极施加一个低于临界电压的阳极电压时，即晶闸管处于关断状态，没有电流通过。
当控制电极施加一个高于临界电压的阳极电压时，即晶闸管处于导通状态，电流可以通过。
晶闸管的导通过程可以分为四个阶段：保持阶段、启动阶段、加强阶段和饱和阶段。
-保持阶段：当触发电压上升时，晶闸管开始导通，但此时并没有电流通过。
主极处于反向偏置，控制电压从触发极上扩展到集电极端，使得内部的PNPN结正向偏置。
-启动阶段：当控制电压达到晶闸管的启动电压时，发射极和集电极之间的电流开始增加。
这个过程是正反馈的，因为电流的增加会引起发射层电压的降低，从而增加集电层电压。
这种正反馈的作用会使晶闸管持续导通而不需要保持电流。
-加强阶段：在启动阶段之后，电流从发射层向集电层继续增加，响应时间非常快，仅为纳秒级别。
晶闸管的涉及电压变小，其间接穿晶闸管的电流开始逐渐加强。
-饱和阶段：在集电极电流和发射极电流足够大的情况下，晶闸管进入饱和状态，其电压降只有几个伏特，并且电流保持在一个稳定的值。
晶闸管的导通和关断是通过控制电极的电压来实现的。
当控制电压去除或降低，晶闸管将自动进入关断状态。
晶闸管的关断过程相对较长，需要通过外部电路才能完全关断。
总结：晶闸管是一种PNPN结构的电子器件，由四个区域（P1-N1-P2-N2）组成。
其工作原理是通过控制电压对其导通和关断进行控制。
晶闸管的结构与工作原理
晶闸管的结构与工作原理一、晶闸管简介晶闸管（Thyristor）：又称晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件（如：双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等）二、晶闸管的结构与封装外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形b) 结构c) 电气图形符号三、晶闸管基本工作特性三、晶闸管基本工作特性晶闸管基本工作特性归纳：承受反向电压时(UAK <0)，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通(即UAK >0，IGK >0才能开通)；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
从这个角度可以看出，SCR是一种电流控制型的电力电子器件。
四、晶闸管的工作机理在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。
其工作过程如下：UGK>0 →产生IG → V2通→产生IC2 → V1通→ IC1↗→ IC2 ↗→出现强烈的正反馈，G 极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。
晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型b) 工作原理。
电力电子技术
电子电力技术考纲序言：提玄勾要，弃小留大，以飨读者第1考点晶闸管1 . 1 内容归纳与总结1 . 1 . 1 晶闸管的结构与工作原理(1 ) 晶闸管可用图1-1 的符号表示, 阳极———A, 阴极———K,门极(控制极) ———G。
图1-1 晶闸管符号其结构为三个PN 结、四层结构、三端的半控型半导体开关管。
(2) 它的工作原理可理解为一个PNP三极管与一个NPN 三极管的连接, 这种连接是以电流正反馈的原理按特殊工艺制造而成的。
一旦晶闸管导通, 其控制极就失去作用。
普通晶闸管有平板型与螺旋型两种1 . 1 .2 关断与导通条件(1 ) 导通的充分必要条件。
1) 阳极与阴极间承受正向电压。
2) 门极施加相对阴极来说为正的脉冲信号。
(2 ) 关断条件为下列之一。
1) 阳极与阴极间承受反向电压。
2) 阳极电流减小到小于维持电流1 . 1 . 3 晶闸管的主要参数(1 ) 晶闸管的通态平均电流I F 。
在规定的条件下, 为晶闸管通以工频、正弦半波电流, 且负载 为纯电阻负载, 导通角不小于170°。
此时这个电流的平均值就是 半波电流的平均值。
若正弦半波电流的峰值为I m , 则I F =1/2π⎰0πI m sin ωt d ωt = I m /π.通过的电流有效值为I =1/2π 0π⎰( I m sin ωt ) 2d ωt =I m /2.波形系数: 通过晶闸管的电流的(一般为非正弦) 有效值与平 均值之比K f , 在此I / I F = 1 . 57 , 即I = 1 . 57 I F = K f I FK f 称波形系数。
还有其他参数: 额定电压、维持电流、擎住电流以及一些动态 参数和门极特性等。
(2 ) 实际应用中晶闸管的选择。
主要按实际承受的电压、电流选择晶闸管。
电压的选择:按晶闸管实际在线路中承受的电压的峰值, 还要乘以一个安全裕量。
电流的选择:按晶闸管中实际通过电流的有效值与所选晶闸管( 通态平均电流为I F ) 允许通过的电流有效值相等的原则, 再乘以安全裕量, 这被称做有效值相等的原则。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
7
1.1
晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高
光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘 而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
IH O
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
随着门极电流幅值的增大， 正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小， 在1V左右。
雪崩 击穿
-IA
图1-3 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
11
1.2 晶闸管的基本特性
（2）反向特性
反向特性类似二极管的反 向特性。 反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿
1.3
2）电流定额
晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV）
——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定 结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定 电流的参数。
——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
维持电流 IH 擎住电流 IL
——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
UA IH O IA 正向 导通
URSMURRM
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
雪崩 击穿
电压后，可能导致晶闸管
发热损坏。
-IA
图1-4 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
12
1.2 晶闸管的基本特性
2） 动态特性
1) 开通过程
延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间 tgt 以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
8
1.2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸 管都不会导通。
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶 闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于 零的某一数值以下 。
A K P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K
G
K
J1 J2 J3
A
图1-1 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
I A I c1 I c 2
式中1和2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2 分别是V1和V2的共基极漏电流。 由以上式可得 ： 2 I G I CBO1 I CBO2 图1-2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 IA （1-5） 1 ( 1 2 ) a) 双晶体管模型 b) 工作原理
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。
3
1.1
晶闸管的结构与工作原理
I T ( AV )
1 I 2
1 2
0
I M sin td (t )
2
2) 关断过程
反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关 断 时 间 tq 以 上 两 者 之 和tq=trr+tgr （1-7)
普通晶闸管的关断时间 约几百微秒
13
1.3
1）电压定额
晶闸管的主要参数
断态重复峰值电压UDRM
—— 在门极断路而结温为额定值时，允 许重复加在器件上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
—— 在门极断路而结温为额定值时，允 许重复加在器件上的反向峰值电压。
使用注意： 通常取晶闸管的 UDRM和URRM中较小 的标值作为该器件 的额定电压。 选用时，一般取额 定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰 值电压2~3倍。
14
通态（峰值）电压UT
—— 晶闸管通以某一规定倍数的额定通 态平均电流时的瞬态峰值电压。
DATASHEET
9
电力电子变流技术
第三讲
主讲教师：隋振
学时：32
10
1.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性 （1）正向特性
IG=0时，器件两端施加正 向电压，只有很小的正向 漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电 压Ubo，则漏电流急剧增大， 器件开通。
UA IA 正向 导通
URSMURRM
4
1.1
晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
5
1.1
晶闸管的结构与工作原理
（1-1）
按晶体管的工作原理 ，得：
I c1 1I A I CBO1
I c 2 2 I K I CBO2
（1-2）
（1-3） （1-4）
I K I A IG
电力电子变流技术
第二讲
主讲教师：隋振
学时：32
1
第 1章
晶闸管
1.1 晶闸管的结构与工作原理 1.2 晶闸管的基本特性 1.3 晶闸管的主要参数
1.4 晶闸管的派生器件
2
1.1晶闸管的结构与工作原理
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
6
1.1
晶闸管的结构与工作原理
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立
起来之后， 迅速增大。
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致 1+2 趋近于 1 的话，流过晶闸管的电流 IA ，将趋
——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需 的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。
浪涌电流ITSM
——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性 最大正向过载电流 。
15
1.3 正弦半波 平均值 正弦半波 有效值 比值
晶闸管的主要参数
有效值相等的原则