晶闸管(Thyristor)是thyristor的缩写,也称为可控硅整流器(SCR),以前简称可控硅整流器。晶闸管可以通过信号控制其导通,但不能控制其关断,所以称为半控器件。晶闸管这个名称通常指的是晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管。但从广义上讲,晶闸管还包括许多衍生器件,如三端双向可控硅开关、FST、RCT和LTT。
一、晶闸管的结构
目前,大功率晶闸管常见的外部结构有螺栓型和扁平型。它具有三个PN结的四层结构,其外形、结构和图形符号如图所示。
晶闸管内部为PNPN四层半导体结构,分别命名为四个区域:P1、n1、 P2、 N2。从最外面的P层和N层引出的两个电极分别是阳极A和阴极K,从中间的P2层引出的电极是栅极G(也叫控制电极)。这四个区域形成三个PN结。因此,晶闸管可以通过串联三个PN结来等效。如图8-2所示,晶闸管的国际通用名称是晶闸管,缩写为VT。
晶闸管是电力电子器件,工作时会因损耗产生热量,所以必须安装散热器。对于螺栓式封装,螺栓通常是其阳极,为了与散热器紧密连接,便于安装,将其做成螺栓状。通过将阳极(螺栓)拧在铝制散热器上自然冷却。扁平晶闸管由两个相互绝缘的散热器夹紧,并由冷空气冷却。
两侧平板散热效果好,额定电流大于200A的晶闸管全部采用平板结构。此外,还可以采用水冷、油冷等冷却方式。
二、晶闸管的工作原理
通过对如图所示的电路做一个简单的实验,说明晶闸管的工作原理。晶闸管的主电路由电源Us、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成。由电源Uc、开关S、晶闸管门极和阴极组成的控制电路也叫触发电路。
当晶闸管的阳极A连接到电源Us的正端时。阴极K通过白炽灯接入电源负端,此时晶闸管承受直流电压。当控制电路中的开关S断开时,白炽灯不亮,说明晶闸管不导通。
当晶闸管的阳极和阴极受到直流电压时,控制电路中的开关S闭合,从而将直流电压加到控制电极上(控制电极和阴极之间的电压)。此时白炽灯亮,表示晶闸管导通。
晶闸管导通时,控制极上的电压被去掉(即卡缪S关断),白炽灯仍然亮着。说明晶闸管一旦开通,控制电极就失去了控制功能。
当晶闸管的阳极和阴极之间施加反向电压时,无论电压是否加在控制电极上,灯都不会点亮,此时晶闸管将被关断。如果在控制极上加反向电压,无论晶闸管主电路上加的是直流电压还是反向电压,晶闸管都不会导通。
通过以上实验结果,得出以下结论。
(1)为了接通晶闸管,必须同时满足两个条件:
在晶闸管的阳极A和阴极K之间加直流电压,在晶闸管的栅极G和阴极K之间加适当的直流电压和电流。
(2)晶闸管一旦开通,门极就失去了控制功能,所以晶闸管是半控器件。
(3)为了关断晶闸管,阳极A电流必须减小到零或低于某个值,这可以通过将阳极A电压减小到零或向阳极施加反向电压来实现。
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