任务1　认识晶闸管、双向晶闸管和单结晶体管

学习目标

（1）能分析晶闸管导通和关断的原理，认识晶闸管的主要类型、参数、功能。

（2）能用万用表测试晶闸管、双向晶闸管和单结晶体管的好坏。

相关知识

电力电子器件的种类很多，分类的方法也较多。根据门极信号的性质不同，可分为电流驱动型（current driving type）、电压驱动型（voltage driving type）；根据器件内部载流子导电的情况不同，可分为单极型（unipolar device）、双极型（bipolar device）、混合型（complex device）；根据器件的冷却方式不同，可分为自冷型、风冷型、水冷型等；根据器件的结构形式不同可分为塑封式、螺栓式、平板式、模块式。一般常用的分类方法是根据器件开关控制能力的不同，将其分为不控型、半控型、全控型，如表1-1所示。

一、晶闸管

1.晶闸管的型号及电极

晶闸管是一种大功率半导体元件，从外形上分类主要有：塑封式、螺栓式、平板式。具有三个极：阳极A、阴极K、门极（控制极）G。常见晶闸管引脚排列如图1-2（a）所示。晶闸管的图形符号及文字符号如图1-2（b）所示。

晶闸管的内部结构及等效电路如图1-3所示，是PNPN四层半导体元件，具有三个PN结。

晶闸管若从外观上判断，三个电极形状各不相同，无须做任何测量就可以识别。小功率晶闸管的门极比阴极细，大功率晶闸管的门极则用金属编制套引出，像一根辫子。有的在阴极上另引出一根较细的引线，以便和触发电路连接，这种晶闸管虽有四个电极，也无须测量就能识别。

2.晶闸管的导通与关断条件

实验电路如图1-4所示。阳极电源EA连接负载（白炽灯）接到晶闸管的阳极A与阴极K，组成晶闸管的主电路。流过晶闸管阳极的电流称为阳极电流IA，晶闸管阳极和阴极两端电压称为阳极电压UA。门极电源EG连接晶闸管的门极G与阴极K，组成控制电路亦称触发电路。流过门极的电流称为门极电流IG，门极与阴极之间的电压称为门极电压UG。用灯泡来观察晶闸管的通断情况。

（1）当晶闸管承受反向阳极电压时，无论门极是否有正向触发电压或者承受反向电压，晶闸管不导通，只有很小的反向漏电流流过晶闸管，这种状态称为反向阻断状态。说明晶闸管像整流二极管一样，具有单向导电性。

（2）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上反向电压或者不加电压，晶闸管不导通，这种状态称为正向阻断状态。这是二极管所不具备的。

（3）当晶闸管承受正向阳极电压时，门极加上正向触发电压，晶闸管导通，这种状态称为正向导通状态。这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。

（4）晶闸管一旦导通后维持阳极电压不变，将触发电压撤除，晶闸管依然处于导通状态。即门极对晶闸管不再具有控制作用。

结论：

（1）晶闸管导通条件：阳极加正向电压；门极加适当正向电压。

（2）关断条件：流过晶闸管的电流（IA）小于维持电流。

3.晶闸管的主要参数

在实际使用的过程中，往往要根据实际的工作条件进行晶闸管的合理选择，以达到令人满意的技术、经济效果。怎样才能正确选择晶闸管呢？这主要包括两方面：一方面要根据实际情况确定所需晶闸管的额定值；另一方面要根据额定值确定晶闸管的型号。

晶闸管的各项额定参数在晶闸管生产后，由厂家经过严格测试而确定，作为使用者来说，只需要能够正确地选择晶闸管即可。表1-2列出了晶闸管的一些主要参数。

1）晶闸管的电压定额

（1）额定电压UTn。将UDRM（断态重复峰值电压）和URRM（反向重复峰值电压）中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值。例如：一晶闸管实测UDRM=812V，URRM=756V，将两者较小的756V取整得700V，该晶闸管的额定电压为700V。

在晶闸管的铭牌上，额定电压是以电压等级的形式给出的，通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级，1000～3000V，每200V为一级，用百位数或千位和百位数表示级数。晶闸管标准电压等级见表1-3。

在使用过程中，环境温度的变化、散热条件以及出现的各种过电压都会对晶闸管产生影响，因此在选择晶闸管时，应当使晶闸管的额定电压是实际工作时可能承受的最大电压（即UTM）的2～3倍，即

UTn=（2～3）UTM　　（1-1）

（2）通态平均电压UT（AV）。在规定环境温度、标准散热条件下，器件通以额定电流时，阳极和阴极间电压降的平均值，称为通态平均电压（一般称为管压降），其数值按表1-4分组。从减小损耗和器件发热来看，应选择UT（AV）较小的晶闸管。实际上，当晶闸管流过较大的恒定直流电流时，其通态平均电压比出厂时定义的值（见表1-4）要大，约为1V。

2）晶闸管的电流定额

（1）额定电流IT（AV）。由于整流设备的输出端所接负载常用平均电流来表示，晶闸管额定电流的标定与其他电气设备不同，采用的是平均电流，而不是有效值，又称通态平均电流。所谓通态平均电流，是指在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管通态平均电流取值（见表1-2），称为晶闸管的额定电流。

但是决定晶闸管结温的是晶闸管损耗的热效应，表征热效应的电流是以有效值表示的（即ITn），二者的关系为

ITn=1.57IT（AV）　　（1-2）

例如，额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157A。

由于电路不同、负载不同、导通角不同，流过晶闸管的电流波形不一样，从而它的电流平均值和有效值的关系也不一样，晶闸管在实际选择时，其额定电流的确定一般按以下原则：在额定电流时的电流有效值大于其所在电路中可能流过的最大电流的有效值（即ITM），同时取1.5～2倍的裕量，即

1.57IT（AV）=ITn≥（1.5～2）ITM　　（1-3）

所以

例1-1　一晶闸管接在220V交流电路中，通过晶闸管电流的有效值为50A，如何选择晶闸管的额定电压和额定电流？

解　晶闸管的额定电压

按晶闸管参数系列取800V，即八级。

晶闸管的额定电流

按晶闸管参数系列取50A。

（2）维持电流IH。在室温下门极断开时，器件从较大的通态电流降到刚好能保持导通的最小阳极电流称为维持电流IH。维持电流与器件容量、结温等因素有关。额定电流大的晶闸管维持电流也大，同一晶闸管结温低时维持电流增大，维持电流大的晶闸管易关断；同一型号的晶闸管其维持电流也各不相同。

（3）擎住电流IL。在晶闸管加上触发电压，当器件从阻断状态刚转为导通状态时就去除触发电压，此时要保持器件持续导通所需要的最小阳极电流，称为擎住电流IL。对同一个晶闸管来说，通常擎住电流比维持电流大数倍。

（4）断态重复峰值电流IDRM和反向重复峰值电流IRRM。IDRM和IRRM分别是对应于晶闸管承受断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM时的峰值电流。它们都应不大于表1-2中所规定的数值。

（5）浪涌电流ITSM。在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流称为浪涌电流ITSM。ITSM是一种由于电路异常情况（如故障）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，用峰值表示，见表1-2。

4.晶闸管的型号

根据国家的有关规定，普通晶闸管的型号及含义如下：

二、双向晶闸管

1.双向晶闸管的结构

双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式、平板式。但其内部是一种NPNPN五层结构的三端器件。有两个主电极T1、T2，一个门极G，其外形如图1-5所示。

双向晶闸管的内部结构、等效电路及图形符号如图1-6所示。

从图1-6可见，双向晶闸管相当于两个晶闸管反并联（P1N1P2N2和P2N1P1N4），不过它只有一个门极G，由于N3区的存在，使得门极G相对于T1端无论是正的还是负的，都能触发，而且T1相对于T2既可以是正，也可以是负。

常见双向晶闸管引脚排列如图1-7所示。

2.双向晶闸管的特性与参数

双向晶闸管有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第Ⅰ象限，反向部分位于第Ⅲ象限，如图1-8所示。

双向晶闸管的主要参数中只有额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电流不用平均值而是用有效值来表示。定义为：在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170°，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用IT（RMS）表示。

双向晶闸管额定电流与普通晶闸管额定电流之间的换算关系为

依此推算，一个100A的双向晶闸管与两个反并联45A的普通晶闸管电流容量相等。

国产双向晶闸管用KS表示。例如，型号KS50-10-21表示额定电流50A，额定电压10级（1000V）断态电压临界上升率du/dt为2级（不小于200V/μs），换向电流临界下降率（di/dt）c为1级（不小于1％IT（RMS））的双向晶闸管。有关KS型双向晶闸管的主要参数和分级的规定见表1-5。

3.双向晶闸管的触发方式

双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：

（1）Ⅰ+触发方式。主极电压T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅰ象限。

（2）Ⅰ-触发方式。主极电压T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅰ象限。

（3）Ⅲ+触发方式。主极电压T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅲ象限。

（4）Ⅲ-触发方式。主极电压T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅲ象限。

由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式的灵敏度不相同，以Ⅲ+触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为Ⅰ+和Ⅲ-。

三、单结晶体管

1.单结晶体管的结构

单结晶体管的结构如图1-9（a）所示，图中e为发射极，b1为第一基极，b2为第二基极。由图1-9可见，在一块高电阻率的N型硅片上引出两个基极b1和b2，两个基极之间的电阻就是硅片本身的电阻，一般为2～12kΩ。在两个基极之间靠近b1的地方以合金法或扩散法掺入P型杂质并引出电极，称为发射极e。它是一种特殊的半导体器件，有三个电极，只有一个PN结，因此称为“单结晶体管”，又因为单结晶体管有两个基极，所以又称“双基极二极管”。

单结晶体管的等效电路如图1-9（b）所示，两个基极之间的电阻rbb=rb1+rb2，在正常工作时，rb1随发射极电流大小而变化，相当于一个可调电阻。PN结可等效为二极管VD，它的正向导通压降常为0.7V。单结晶体管的图形符号如图1-9（c）所示。触发电路常用的国产单结晶体管的型号主要有BT31、BT33、BT35，其外形与引脚排列如图1-9（d）所示。其实物及引脚如图1-10所示。

2.单结晶体管的伏安特性及主要参数

1）单结晶体管的伏安特性

单结晶体管的伏安特性：当两基极b1和b2间加某一固定直流电压Ubb时，发射极电流Ie与发射极正向电压Ue之间的关系曲线称为单结晶体管的伏安特性Ie=f（Ue），实验电路及特性曲线如图1-11所示。

当开关S断开，Ibb为零，加发射极电压Ue时，得到如图1-11（b）中①所示伏安特性曲线，该曲线与二极管伏安特性曲线相似。

（1）截止区——aP段。当开关S闭合，电压Ubb通过单结晶体管等效电路中的rbl和rb2分压，得到A点电位UA，可表示为

式中　　η——分压比，是单结晶体管的主要参数，η一般为0.3～0.9。

当Ue从零逐渐增加，但Ue<UA时，单结晶体管的PN结反向偏置，只有很小的反向漏电流；当Ue增加到与UA相等时，Ie=0，即如图1-11（b）所示特性曲线与横坐标交点b处。进一步增加Ue，PN结开始正偏，出现正向漏电流，直到当发射结电位Ue增加到高出ηUbb一个PN结正向压降UD（0.7V）时，即Ue=UP=ηUbb+UD时，等效二极管VD才导通，此时单结晶体管由截止状态进入到导通状态，并将该转折点称为峰点P。P点所对应的电压称为峰点电压UP，所对应的电流称为峰点电流IP。

（2）负阻区——PV段。当Ue>UP时，等效二极管VD导通，Ie增大，这时大量的空穴载流子从发射极注入A点到b1的硅片，使rb1迅速减小，导致UA下降，因而Ue也下降。UA的下降，使PN结承受更大的正偏，引起更多的空穴载流子注入硅片中，使rb1进一步减小，形成更大的发射极电流Ie，这是一个强烈的增强式正反馈过程。当Ie增大到一定程度，硅片中载流子的浓度趋于饱和时，rb1已减小至最小值，A点的分压UA最小，因而Ue也最小，得曲线上的V点。V点称为谷点，谷点所对应的电压和电流称为谷点电压UV和谷点电流IV。这一区间称为特性曲线的负阻区。

（3）饱和区——VN段。当硅片中载流子饱和后，欲使Ie继续增大，必须增大电压Ue，单结晶体管处于饱和导通状态。

改变Ubb，器件由等效电路中的UA和特性曲线中的UP也随之改变，从而可获得一族单结晶体管伏安特性曲线，如图1-11（c）所示。

2）单结晶体管的主要参数

单结晶体管的主要参数有基极间电阻rbb、分压比η、峰点电流IP、谷点电压UV、谷点电流IV及耗散功率等。国产单结晶体管的型号主要有BT31、BT33、BT35等，BT表示特种半导体管。

任务要求

（1）判别晶闸管的好坏。

（2）判别双向晶闸管的好坏。

（3）判别单结晶体管的好坏。

任务分析

晶闸管、双向晶闸管是电力电子器件中最基本的器件，需要对晶闸管的极性、好坏进行判断；而单结晶体管是晶闸管基本触发电路里面的核心器件。本任务为下一任务做了很好的铺垫。

任务实施

1.判别晶闸管的好坏

在实际的使用过程中，很多时候需要对晶闸管的好坏进行简单的判断，经常采用万用表法进行判别。

（1）万用表挡位放至于欧姆挡R×100，将红表笔接在晶闸管的阳极，黑表笔接在晶闸管的阴极观察指针摆动情况。

（2）将黑表笔接晶闸管的阳极，红表笔接晶闸管的阴极观察指针摆动情况。

结果：正反向阻值均很大。

原因：晶闸管是四层三端半导体器件，在阳极和阴极之间有三个PN结，无论如何加电压，总有一个PN结处于反向阻断状态，因此正反向阻值均很大。

（1）将红表笔接晶闸管的阴极，黑表笔接晶闸管的门极观察指针摆动情况。

（2）将黑表笔接晶闸管的阴极，红表笔接晶闸管的门极观察指针摆动情况。

理论结果：当黑表笔接门极，红表笔接阴极时，阻值很小；当红表笔接门极，黑表笔接阴极时，阻值较大。

实测结果：两次测量的阻值均不大。

原因：在晶闸管内部门极与阴极之间反并联了一个二极管，对加到门极与阴极之间的反向电压进行限幅，防止晶闸管门极与阴极之间的PN结反向击穿。

2.判别双向晶闸管的好坏

（1）用万用表R×1k挡，黑表笔接T1，红表笔接T2，指针应不动或微动，调换两表笔，指针仍不动或微动为正常。

（2）将万用表量程换到R×1挡，黑表笔接T1，红表笔接T2，将触发极与T2短接一下后离开，万用表应保持到几欧到几十欧的读数；调换两表笔，再次将触发极与T2短接一下后离开，万用表指针情况同上。

经过（1）、（2）两项测量，情况与所述相符，表示元器件是好的，若情况与第（2）次结果不符，可采用（3）所示方法测量。

（3）对功率较大或功率较小但质量较差的双向晶闸管，应将万用表接1～2节干电池，黑表笔接干电池负极；然后再按（2）所述方法测量判断。

3.判别单结晶体管的好坏

用万用表R×1k挡，将黑表笔接发射极e，红表笔依次接两个基极（b1和b2），正常时均应有几千欧至十几千欧的阻值；再将红表笔接发射极e，黑表笔依次接两个基极，正常时阻值为无穷大。

双基极二极管两个基极（b1和b2）之间的正、反向阻值均在2～10kΩ范围内，若测得某两极之间的阻值与上述正常值相差较大时，则说明该单结晶体管已损坏。

课后练习

一、单选题

1.晶闸管内部有（　）PN结。

A.一个　　B.二个　　C.三个　　D.四个

2.单结晶体管内部有（　）PN结。

A.一个　　B.二个　　C.三个　　D.四个

3.晶闸管可控整流电路中的控制角α减小，则输出的电压平均值会（　）。

A.不变　　B.增大　　C.减小

4.某型号为KP100-10的普通晶闸管工作在单相半波可控整流电路中，晶闸管能通过的电流有效值为（　）。

A.100A　　B.157A　　C.10A　　D.15.7A

5.普通晶闸管的通态电流（额定电流）是用电流的（　）来表示的。

A.有效值　　B.最大值　　C.平均值

6.双向晶闸管的通态电流（额定电流）是用电流的（　）来表示的。

A.有效值　　B.最大值　　C.平均值

7.双向晶闸管是用于交流电路中的，其外部有（　）电极。

A.一个　　B.两个　　C.三个　　D.四个

8.双向晶闸管的四种触发方式中，灵敏度最低的是（　）。

A.Ⅰ+　　B.Ⅰ-　　C.Ⅲ+　　D.Ⅲ-

9.以下各项功能或特点，晶闸管所不具有的为（　）。

A.放大功能　　B.单向导电　　C.门极控制　　D.大功率

10.单结晶体管触发电路输出的脉冲宽度主要决定于（　）。

A.单结晶体管的特性　　B.电源电压的高低

C.电容的放电时间常数　　D.电容的充电时间常数

二、填空题

1.晶闸管在其阳极与阴极之间加上________________电压的同时，门极上加上________________电压，晶闸管就导通。

2.晶闸管的工作状态有正向________________状态，正向________________状态和反向________________状态。

3.某半导体器件的型号为KP50-7，其中，KP表示该器件的名称为________________，50表示________________，7表示________________。

4.KP100-12G，表示该器件为________________器件，额定电流为________________A，额定电压为________________V，G是________________参数。

5.某半导体器件的型号为KS50-7，其中，KS表示该器件的名称为________________，50表示________________，7表示________________。

6.只有当阳极电流小于________________电流时，晶闸管才会由导通转为截止。

7.通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中的________________作为该器件的额定电压，选用时额定电压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时的晶闸管所承受峰值电压的________________倍。

8.当单结晶体管的发射极电压高于________________电压时就导通；低于________________电压时就截止。

三、简答题

1.简述电力电子变流技术的概念。一般应用在哪些方面？

2.简述电力电子器件的分类。

3.晶闸管的正常导通条件是什么？关断条件是什么？

4.如何用万用表检查晶闸管的好坏？

5.正确使用晶闸管应该注意哪些事项？

6.晶闸管能否和晶体管一样构成放大器？为什么？

7.双向晶闸管的导通条件是什么？关断条件是什么？

8.双向晶闸管有哪几种触发方式？用得最多的是哪两种？