模电知识复习：晶闸管的构造与等效电路

一、模电知识复习

由于晶闸管在电力电子中讨论的场景一般为高压大电流场景，因此三极管放大区的相关描述在此略去不表，仅介绍截止区与饱和区状态。

npn三极管的工作状态：

当UC>UB，UE>UB时，三极管处于截止状态，ICE≈0(同样由于电力电子讨论场景的缘故，PN结的导通电压在此忽略不计)

当UB>UC>UE时，三极管处于导通状态。

pnp三极管的工作状态：

当UB>UE，UB>UC时三极管处于截止状态。

当UE>UB>UC时，三极管处于导通状态。

二、晶闸管的构造与等效电路

1.晶闸管的符号与构造

晶闸管，又称可控硅，是半控型器件。晶闸管共有三个端子，分别为阳极(Anode)，门极(Gate)和阴极(Cathode)，内部结构与电路等效示意图也如图中所示。

2.晶闸管工作原理的分析

参照单向晶闸管的内部结构图与等效电路图可以看出，晶闸管实际上等效于一个pnp三极管与一个npn三极管将集电极与基极互联形成的元件。基于此，我们可以对元件的工作状态进行大致的分析：

1)当UA

可以看到，此时无论怎么变换G极电压，影响的只有等效电路图中下方的npn三极管，上方的pnp三极管始终处于截止状态，因而在击穿元件前电流不可能通过，可以看出晶闸管具有反向截止功能。

2)当UA>UK，UG<=UK时

通过分析可以看到，下方npn三极管仍处于关断状态，此时仅有少部分漏电流通过器件，在正向电压达到正向转折电压之前电流一直很小，晶闸管未开通。

3)当UA>UK，UG>UK时

由于门极有触发电流(注意此电流必须大于晶闸管擎住电流IL)，下方的npn三极管首先打开，由于两三极管将基极与集电极互联，三极管从发射极到集电极的电流也是另一个三极管从基极流入或流出的电流;通过三极管的工作特性可以知道，当源极电流增大且未到达饱和区时，从发射极流向集电极的电流会以一定比例增大，由此再增大了基极电流，形成了一个正反馈的关系。此时如果在一定程度内降低UG也无法关断晶闸管，因此晶闸管为半控型器件。

3.晶闸管的关闭方式

晶闸管的关闭方式从本质上来说就是要破坏两个三极管之间的正反馈关系与三极管的导通条件，这两个条件必须同时满足方可关闭晶闸管，在这里讨论两个关断晶闸管的方法：

1)移除阳极与阴极之间的电压

移除电压之后，pnp三极管的导通状态被破坏，且阳极与阴极之间的电流也一并被移除，达成了上述的两个条件，晶闸管被关断。

2)在门极与阴极之间施加反向电压与反向电流

需要注意的是，必须同时施加反向电压与反向电流。反向电压用来破坏npn三极管的导通状态，反向电流则是为了破坏两个三极管之间的正反馈状态，实现对晶闸管的关断。

4.晶闸管的特性

1)伏安特性

正向特性：

可以看到，当电压小于正向转折电压时，晶闸管内流过的漏电流很小，小于维持电流IH，晶闸管不导通。当正向电压大于正向转折电压时，会产生类似于雪崩击穿的效果，此时漏电流增大，通过我们前面的分析可以知道晶闸管可能会进入正反馈状态，晶闸管会进入导通状态。此时如果没有门电流，且阳极电流在维持电流以下，晶闸管会恢复到正向阻断状态。

反向特性：

当反向电压未达到反向击穿电压时，仅有极少的漏电流通过晶闸管，高于击穿电压后器件被击穿损坏。

2)开关特性

开通特性：

当阳极电流小于擎住电流时，晶闸管未开通，仍维持在较大水平(td阶段);当阳极电流上升至稳态值的90%左右时，阳极与阴极之间的电压达到稳态值。

关断特性：

在关断时，首先应减小阳极电流，与二极管的关断过程类似，此时在P区与N区中仍存在电荷，因而电荷的运动产生了反向电流，在这个过程中电压继续下降，由于外电路电感作用电压会出现一个波谷。从电压开始变化到电压恢复至施加的反向电压这段时间成为反向阻断恢复时间，从反向阻断恢复时间到晶闸管恢复正向阻断能力的时间称为正向阻断恢复时间，反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间之和为关断时间，约为几百微秒(开通时间的百倍左右)。

如果在晶闸管正向阻断恢复时间内对晶闸管再次施加正向电压，晶闸管会再次导通，不受门电极控制。

5.晶闸管的电流关系

由三极管原理及KCL定律可得：

由上式可导出：

由于博主也是正在学习这一块的内容，讲的有错漏的地方欢迎大家讨论斧正，我们一同进步。