晶闸管是半控型器件，主电压—电流特性至少在1个象限内导通、阻断两个稳定状态，可在两个稳定状态间转换，包括普通、快速和双向晶闸管等。一般指普通晶闸管。

1.结构与原理

晶闸管属大功率半导体变流器件，其外形、结构和图形符号见图4-7。由最外P₁层和N₂层引出两个电极，阳极A和阴极K，中间P₂层引出门极G。常用晶闸管有螺栓式和平板式，见图4-7a。螺栓式晶闸管阳极（螺栓）拧紧在铝制散热器上，自然冷却；平板式晶闸管由两个相互绝缘的散热器夹紧晶闸管，风冷却。额定电流200A以上为平板式结构。其结构可看成由1个PNP型和1个NPN型晶体管组成，见图4-8。A极相当于PNP型V₁的发射极，K极相当于NPN型V₂的发射极。当A承受正向电压，G极加正向电压时，V₂处于正向偏置，E_C提供门极电流I_G就是V₂的基极电流I_B2，V₂集电极电流I_C2=β²I_G。I_C2等于V₁基极电流，V₁集电极电流I_C1=β₁I_C2=β₁β₂I_G。电流I_C1又流入V₂的基极再放大，形成正反馈，两个晶体管很快达饱和导通，即晶闸管的导通过程。导通后晶闸管压降很小，晶闸管中的电流即负载电流。

导通后靠晶闸管本身的正反馈维持，G失去作用。要关断晶闸管，必须将A电流减到小于维持电流。具体是将阳极极电源断开、在A和K间加反向电压。

2.伏安特性

阳极与阴极间电压U_A和阳极电流I_A的关系，见图4-8。正向特性分为阻断和导通状态。正向阻断状态时，伏安特性随门极电流I_G增加而呈不同的曲线簇。当I_G=0时，逐渐增大阳极极电压U_A，正向漏电流很小，为正向阻断；继续增加阳极电压达正向转折电压U_BO时，漏电流突然剧增，由正向阻断突变为正向导通，在I_G=0时增大阳极极电压强迫导通为“硬开通”，多次“硬开通”晶闸管将损坏。继续增大I_G，U_BO迅速下降，当I_G足够大时，U_BO很小，即正向电压导通。晶闸管正向导通特性与二极管相似。正向导通后，如要恢复晶闸管阻断，只有减小阳极电流I_A降到小于维持电流I_H，晶闸管由正向导通变为正向阻断状态。图4-8中U_DRM、U_RRM为正、反向断态重复峰值电压；U_DSM、U_RSM为正、反向断态不重复峰值电压；U_BO为正向转折电压；U_RO为反向击穿电压。

晶闸管承受反向阳极电压时，呈阻断状态，反向漏电流很小。当反向电压增到一定值时，反向漏电流增加较快；再继续增大，导致晶闸管反向击穿，晶闸管永久性损坏，此电压为反向击穿电压U_RO。

图4-7 晶闸管的外形、结构和图形符号

图4-8 晶闸管工作原理等效电路与伏安特性

3.门极特性

导通由门极信号控制，包括门极触发电流I_GT和电压U_GT、门极不触发电压U_GD和电流I_GD、门极正向峰值电压U_GFM和电流I_GFM、门极峰值功率P_GM，见图4-9。由7个参数构成A1、A2、A3三区域。A1称为不触发区，A2为不可靠触发区，A3为可靠触发区。触发电路必须保证触发信号位于可靠触发区，同时保证可能引起的误触发信号在不触发区。触发灵敏度受温度影响很大，温度高易触发，I_GT越小。

图4-9 门极正向伏安特性曲线

图4-10 晶闸管开通电流、电压波形

4.动态特性

动态特性包含开通、扩展和关断三部分，开通电流、电压波形见图4-10。开通时，经延迟上升到稳态阳极电流，阴阳极电压从额定阻断电压经过延迟逐步下降到通态电压。开通时间t_gt=t_d+t_r，t_d为延迟时间，t_r为上升时间。延迟时间受门极电流峰值影响，门极脉冲信号陡且高可缩短开通时间。延迟时间与门极正向峰值电流的关系见图4-11。关断电流与电压波形见图4-12，从阳极电流下降到零，经历关断时间t_q器件才能再次承受断态电压。t_q含反向恢复时间t_rr和门极恢复时间t_gr。t_q增加了关断损耗，限制使用频率。t_q随结温上升而增大，随反向电压增加而减小，随通态电流增大而增加。

5.功耗

若纯阻性负载，正弦半波电流时，普通晶闸管通态平均损耗为

当导通角为180°时，有

在电阻性负载条件下开通损耗P_on为

P_on=fI_TU_BFt_r/4.4 （4-3）

式中，f为开关频率；I_T为开通后阳极电流；U_BF为开通前阳极-阴极间电压；t_r为上升时间。

在电阻性负载条件下关断损耗P_off为

P_off=fI_RU_Rt_rr/4.4 （4-4）

式中，f为开关频率；I_R为反向恢复电流；U_R为反向恢复电压；t_rr为反向恢复时间。

图4-11 延迟时间与门极正向峰值电流的关系

图4-12 晶闸管关断电流与电压波形

6.额定值

①通态平均电流I_T（AV）：规定壳温且工作在不超过额定最大结温条件下，电阻性负载的工频正弦半波、导通角180°电路中，可通过一个周期内最大电流平均值。

②通态电流临界上升率di/dt：规定条件下晶闸管承受而无影响的最大通态电流上升率，测试di/dt通态电流波形见图4-13；虚（实）线为大（小）电流器件测试；di/dt与器件扩展过程有关，如上升率太快，出现较小导通区域内通过大电流导致器件失效；di/dt与工作结温、门极触发条件、断态电压及通态电流有关，使用时要选择适当的di/dt。

③断态重复峰值电压U_DRM：门极开路，额定结温下晶闸管可承受重复的最大正向峰值电压。

④反向重复峰值电压U_RRM：门极开路，额定结温下晶闸管可承受重复的最大反向峰值电压。

⑤门极峰值功率P_GM：在规定条件下，门极正向所允许的最大门极峰值电流和门极峰值电压的乘积。

⑥门极平均功率P_G（AV）：规定条件下，门极正向允许的最大平均功率。

7.特性值

①维持电流I_H：室温和门极断路时，晶闸管保持导通状态的最小通态电流。

②擎住电流I_L：晶闸管从断态到通态时，移除触发信号，维持通态的最小通态电流，通常为（2～4）I_H。

③门极触发电流I_GT：常温且主电压直流6V时，晶闸管由断态到通态所需的最小门极电流。

④门极触发电压U_GT：产生门极触发电流必需的最小门极电压。

⑤门极不触发电流I_GD：额定结温下主电压为断态重复峰值电压时，晶闸管不能由断态到通态的最大门极电流。

⑥门极不触发电压U_GD：晶闸管不能从断态到通态的最大门极电压。

⑦通态峰值电压U_TM：晶闸管通以π倍或规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

⑧开通时间t_gt。门极加信号从开始到导通到通态电流90%所需要的时间。

图4-13 di/dt通态电流波形

图4-14 du/dt电压波形

⑨电路换向关断时间t_q：从阳极电流I_A下降到零时起至器件能承受规定的断态电压为止的时间间隔。

⑩断态电压临界上升率du/dt：规定条件下，不产生从断态到通态的最大主电压上升率，测试电压波形见图4-14。断态du/dt会导致对J2结的充电电流，如du/dt太大，充电电流足够大晶闸管可能误导通，尤其在晶闸管散热不好时；di/dt值如太大，导通时很大电流集中在门极附近内，局部过热，晶闸管烧坏。普通晶闸管额定di/dt及du/dt级别分别按表4-1及表4-2规定。建议di/dt=100～300。

表4-1 普通晶闸管di/dt级别 （单位：A/μs）

表4-2 普通晶闸管du/dt级别 （单位：V/μs）

8.典型参数

某型号普通晶闸管主要参数，见表4-3，门极参数见表4-4。表中dv/dt、di/dt参数满足一般要求，但主电路电压较高、器件发热比较严重、击穿比平常频繁时，要适当考虑dv/dt、di/dt选择或定制。

表4-3 普通晶闸管主要参数

（续）

表4-4 晶闸管的门极参数

9.保护功能

晶闸管可实现高压、大电流快速开关切换，因器件与电路的非理想特性，如通断的非瞬时性，元器件和线路寄生电容、杂散电感等，开关过程偏离理想状况或造成损坏。主要有过电压、过电流和过热保护。因此，需要正确选用控制电路、合理的线路设计与工艺布线等。

（1）过电流保护

①用快熔、快速开关、交流断路器等。快熔动作20ms、交流断路器动作0.1～0.2s，限制过电流故障进一步扩大。当快熔在交流侧时，熔体额定电流为I_rn≥KIz_max，K与整流电路形式及导通角有关，见表4-5。

表4-5 晶闸管整流电路不同导通角时的K值(www.daowen.com)

当快熔接在整流桥臂时，熔体额定电流I_rn≥1.5I_T（AV）。三相电源电压为AC 380V，三相整流输出电压为DC 300～500V时，K取值较小；三相电源为AC 660V，整流电压在DC 300～500V时，K取值适中；三相电源电压为AC 1140V，整流电压还是DC 300～500V时，K取值较大。

②电子电路作为过电流保护。电子电路快速检测过电流，具有灵活、快速的优点。

③过电流常用检测法。用电阻（分流器）或电流互感器检测流过功率器件的电流；检测流过负载上的电流是间接的测量方法，常用于电路中功率器件个数较多的场合。

过电流保护电路分集中和分散保护。前者检测逆变桥直流母线上的电流，当该电流值超阈值时，封锁所有桥臂功率器件驱动信号，见图4-15。检测电流的霍尔传感器在直流侧，正常时保护电路输出OC高电平，当直流母线电流超阈值，LM311输出由高电平变为低电平，经RC延时后，OC将由高电平变为低电平。此低电平信号封锁逆变桥上所有IGBT驱动信号。RC延迟电路用于抗干扰。

后者检测逆变桥各个桥臂上电流（或每一只功率器件的电流），当该电流超阈值时，封锁该桥臂上功率器件驱动信号。过电流分为过载和短路两种情况。图4-16为过电流保护及配置情况，常用快熔、过电流继电器。此法用于易发生短路的晶闸管，以及工作频率较高、难用快熔保护的全控型器件。

（2）过电压保护 分为外因和内因过电压两种情况。前者来自雷击和操作过程等，后者来自装置内部器件开关过程。图4-17包含各种过电压保护措施及配置情况，F为避雷器，D为变压器静电屏蔽层，C为静电感应过电压抑制电容，RC₁、RC₂、RC₃、RC₄为阻容保护电路，分别位于交直流侧，RV为压敏电阻，RCD为关断过电压抑制电路。视具体情况只采用其中的保护方式。过电压保护有交流和直流侧两种，交流侧保护有阻容保护、桥式阻容吸收电路和非线性电阻保护。

图4-15 集中过电流保护原理

图4-16 过电流保护措施及配置情况

图4-17 过电压保护措施及配置情况

①交流侧阻容保护。具体阻容保护接法，见图4-17，阻容取值经验计算公式为

式中 U_Z——整流变压器的阻抗电压，用额定电压%表示，10～1000kV·A变压器，U_Z取（4～10）%；

I₀——变压器空载电流，用额定电流%表示，10～560kV·A变压器，取（4～10）%；

U₂——变压器二次相电压有效值；

S——变压器每相平均视在功率。

因变压器连接方式不同，以上阻容数值需要按表4-6修正。阻容保护△联结时，C要小但耐压要高；阻容保护△联结时，C要大但耐压要求不高、电阻值小。一般在增加C能降低作用在晶闸管的Ldi/dt和du/dt，但C太大，导致R功耗大、晶闸管导通时的Ldi/dt上升；增加电阻利于抑制振荡，但R太大，降低电容抑制Ldi/dt的效果。根据经验，R一般5～100Ω。

表4-6 变压器连接方式不同时的阻容值

②交流侧桥式阻容吸收电路。具体电路见图4-18，阻容经验取值如下：

③交流侧非线性电阻保护。阻容保护只将过电压限制在允许范围内时，当雷击、浪涌电压等产生超允许范围时，在采用阻容保护时再设置非线性电阻保护，如压敏电阻等。

④直流侧保护。晶闸管两端并联阻容吸收，见图4-18。经验取值C=（2～4）I_T/1000μF，R=10～30Ω。阻容保护的经验数据见表4-7。

图4-18 晶闸管关断过程和器件的阻容保护

表4-7 阻容保护的经验数据

10.晶闸管串联

多只晶闸管串联或并联时，如电压和电流分配不均衡，器件容量不能充分利用，可能会造成损坏。因此要考虑特性选配、门极驱动特性、均压和均流电路等。

（1）串联电压分配 晶闸管电路工作周期中有正向阻断状态、反向阻断状态、导通状态、开通过程和关断过程。串联在导通时通态压降很小，不考虑电压分配均衡。阻断状态时，各串联器件漏电流相同。器件伏安特性的分散性引起阻断电压分配不均。串联伏安特性及静态分压见图4-19，如VT1漏电流小，承受阻断电压较大。伏安特性受工作结温影响明显，同一器件在不同结温下运行时，漏电流不同，伏安特性不同，串联阻断电压分配不均衡，串联器件阻断时承受均衡电压，必须采取静态均压措施。串联晶闸管开通或关断时，两端电压急剧变化。因器件开通、关断时间分散，开关过程中的动态电压分配不均。关断时先关断器件承受动态电压高。器件开关时间与器件结构参数、触发信号等有关，影响串联器件的动态均压。

（2）串联静态均压 正或反向阻断时，为克服各器件因伏安特性分散引起的静态阻断电压分配不均，在串联器件二端并联均压电阻R_P，见图4-20。当R_P远小于串联器件阻断时的漏电阻，电压分配取决于R_P。串联n个器件，发生静态阻断电压分配最不均衡时如VT1漏电流最小，漏电流为I_a，min，其余（n-1）只器件的漏电流均最大I_a，max。VT1在阻断时承受电压最高，其余器件各自承受电压相同。当各 器件并联静态均压电阻均为R_P。R_P越小，静态均压效果越好。通常R_P≤（0.1～0.25）U_KED/I_DRM，其中U_KED为晶闸管的额定电压（V）；I_DRM为断态重复峰值电流I_DRM（mA），见表4-4。

（3）串联动态均压 串联动态电压分配不均是因器件本身特性和门极驱动等引起的开关速度不同产生的，可串联动态均压。

（4）关断时动态均压 串联晶闸管关断电荷影响关断速度，关断电荷少，关断速度快，先关断晶闸管动态电压最高，引起关断过程中动态电压不均衡。可在各串联晶闸管两端并联均压RC，图4-21中n只晶闸管串联，C_S是均压电容，R_S是为限制电阻。C_S越大，关断动态均压效果越好，但R_S功率损耗增加，当器件工作频率f高时，损耗更大。器件串联时动态均压阻容的经验数据见表4-8。

图4-19 串联器件伏安特性及静态分压

图4-20 串联器件静态均压电路

表4-8 晶闸管串联时动态均压阻的容经验数据

C的交流耐压可选择稍大于Vm/n。

图4-21 串联器件动态均压电路

图4-22 多个串联器件开通动态均压电路

（5）开通时动态均压 串联晶闸管开通时因延迟时间，开通时间不同，后开通的晶闸管必须承受最高动态过冲电压。图4-22为多个串联器件开通动态均压电路，VT1是在串联中先开通的，VT2为后开通的。VT1开通时，负载电流流入VT2的RC电路，在VT2上引起的过冲电压ΔU为

式中，Δt_d为VT1和VT2开通延迟时间差。电压不均衡是开通延迟时间差Δt_d和串联电阻R_S造成的，可引入电感L。

（6）串联应用 串联应用是柔性交流输电和高压直流输电技术的核心。元器件保护、动态和静态均压、反向恢复过冲的抑制、开通关断缓冲等技术，由RC完成，见图4-23。串联高压电路中各晶闸管触发不一致或有器件丢失脉冲，后导通或不导通的晶闸管可能造成过电压击穿。一般用有雪崩击穿特性的转折二极管BOD作为过电压保护。因BOD反向阻断能力差，高压二极管VD阻断反向电压。

当主晶闸管承受开通过程中过电压电超BOD转折U_BO时，BOD击穿，R₂上的电压超稳压二极管VS的击穿电压使晶闸管触发导通，抑制过电压升高。R₁限制BOD击穿时的正向电流，R_S、C_S是晶闸管门极抗干扰。R_S抑制回路电感与C_S引起的振荡，并抑制晶闸管开通时C_S放电电流。R_S=10～30Ω，见图4-24。

图4-23 晶闸管串联高压电路

图4-24 由BOD构成的晶闸管保护电路

11.晶闸管并联

（1）电流分配 并联时各晶闸管伏安特性的分散性、通断不同步、各路阻抗差异等，稳态电流和开关过程中动态电流不均衡。稳定导通状态时，通态压降相同；当稳态伏安特性不一致，导通电阻R_on失配时，R_on值小的晶闸管电流大，引起静态电流不均。稳态伏安特性分散对静态分流的影响见图4-25。

（2）解决措施

1）串联电阻法：无实际价值。

2）串联电抗法：用1个铁心带2个相同的线圈均流电抗器，接在2个并联晶闸管中，当2个线圈电流相同，铁心内励磁抵消；如电流不同就产生环流，此环流使电流小的晶闸管电流加大，电流大的管子电流减小，实现均流。并联较多器件时，可采用与晶闸管数量相同的均流电抗器，相邻支路中串联极性相反、匝数相同的线圈，电流不均衡时，感应电动势使各支路保持平衡。对均流电抗器选择，确定铁心截面积A和线圈匝数N，N≤4时，有

A=ΔU_T/K_jfNB （4-9）

式中 ΔU_T——并联器件正向压降差的最大值（V）；

K_j——周期与器件导通时间之比，单相时K_j=2，三相时K_j=3；

f——电网频率；

B——铁心磁通密度（T），根据经验按额定电流I_T（AV）和匝数从表4-9中选择。

表4-9 均衡电抗器磁通密度B的选择

选用特性参数分散性小的器件，以及同厂家、同型号、同批次的器件进行并联。晶闸管并联均流电路见图4-26。

12.晶闸管模块

晶闸管模块常用内部结构见图4-27。