igbt晶闸管的工作原理（晶闸管IGBT电路进阶学习）

前面我们曾说过，为了使晶闸管 “导通”，我们需要在晶闸管正向时向栅极（G）端子注入一个小的电流触发脉冲（不是连续电流）。但是请记住，尽管晶闸管一旦开始导通，即使没有门信号也将继续导通，直到阳极电流降至低于保持电流的器件（I H）并低于该值时，它会自动变为“ OFF”。然后，与双极型晶体管和FET不同，晶闸管不能用于放大或受控开关。

晶闸管是专门设计用于大功率开关应用的半导体器件，不具备放大器的能力。晶闸管只能在开关模式下操作，就像打开或关闭开关一样。一旦晶闸管的栅极端子触发导通，晶闸管将始终保持导通（通过电流）。因此，在直流电路和某些高电感交流电路中，必须通过单独的开关或关断电路来人为地减小电流。

当直接连接到直流电源时，晶闸管可用作直流开关，以控制较大的直流电流和负载。当将晶闸管用作开关时，其行为就像电子闩锁一样，因为一旦激活，它就保持在“ ON”状态，直到手动复位为止。考虑下面的直流晶闸管电路。

这个简单的“开-关”晶闸管触发电路使用晶闸管作为开关来控制灯，但是它也可以用作电动机，加热器或其他一些此类DC负载的开关控制电路。晶闸管正向偏置，并通过短暂关闭常开的“ON”按钮S1来触发导通，该按钮通过栅极电阻RG将栅极端子连接到直流电源，从而使电流流入栅极。如果将RG的值相对于电源电压设置得过高，则晶闸管可能不会触发。

一旦电路被打开到“ON”，即使负载电流大于晶闸管的闩锁电流，即使释放了按钮，它也会自锁并保持“ON”。按钮“S1”的附加操作将不会对电路状态产生任何影响，因为一旦“锁定”了门，就会失去所有控制权。晶闸管现在完全“接通”（导通），使满载电路电流正向流过器件，然后流回电池电源。

在直流电路中使用晶闸管作为开关的主要优点之一是它具有很高的电流增益。晶闸管是电流操作的器件，因为小的栅极电流可以控制更大的阳极电流。

栅极-阴极之间的电阻器RGK，一般用来降低栅极的灵敏度并提高其dv / dt能力，从而防止器件的误触发。

由于晶闸管已经自锁为“ ON”状态，因此只能通过中断电源并将阳极电流减小到晶闸管最小保持电流（IH）以下来复位电路。

打开常闭的“ OFF”按钮，S2断开电路，将流经晶闸管的电路电流减小至零，从而迫使其关闭，直到再次施加另一个栅极信号。

但是，这种直流晶闸管电路设计的缺点之一是，机械常闭“ OFF”开关S2必须足够大，以在触点断开时处理流经晶闸管和灯的电路功率。如果是这种情况，我们可以使用大型机械开关来代替晶闸管。克服此问题并避免使用更大功率开关的一种方法是，如图所示，将开关与晶闸管并联连接。

在这里，晶闸管开关像以前一样接收所需的端子电压和栅极脉冲信号，但是先前电路的较大的常闭开关已由与晶闸管并联的较小的常开开关代替。开关S2的激活会在瞬间将可控硅阳极和阴极之间施加短路，方法是将保持电流减小到其最小值以下，从而阻止器件导通。

当连接到交流电源时，晶闸管的行为不同于先前的直流连接电路。这是因为交流电源会周期性地极性反转，因此，交流电路中使用的任何晶闸管都会自动反向偏置，从而在每个周期的一半期间将其关断。思考下面的交流晶闸管电路。

上面的晶闸管触发电路在设计上与直流晶闸管电路相似，只是省去了一个额外的“ OFF”开关，并包括了二极管D1，可以防止向栅极施加反向偏置。在正弦波形的正半周期内，该器件被正向偏置，但在开关S1断开的情况下，晶闸管将施加零栅极电流，并且保持“ OFF”状态。在负半周，该器件将被反向偏置，并且无论开关S 1处于何种状态，都将保持“ OFF”状态。

如果开关S1闭合，则在每个正半周期开始时，晶闸管将完全“关断”，但不久之后将有足够的正触发电压，因此栅极上会出现电流以使晶闸管和灯“接通” 。

现在，可控硅在正半周期内被锁存为“ ON”，当正半周期结束且阳极电流降至保持电流值以下时，晶闸管将自动再次“ OFF”。

在下一个负半周期内，器件将完全“关闭”，直到下一个正半周期，过程重复进行，只要开关闭合，晶闸管便再次导通。

然后，在这种情况下，由于晶闸管起整流二极管的作用，该灯将仅从交流电源接收一半的可用功率，并且仅在正向半周期正向偏置时才导通电流。晶闸管继续为灯提供一半的功率，直到开关断开。

如果可以快速将开关S1接通和断开，以使晶闸管在每个正半周期的“峰值”（90 °）点接收其门信号，则该器件将仅导通正半个周期的一半。半周期。换句话说，传导只会在正弦波的一半的一半发生，并且这种情况会使灯接收到“四分之一”即从交流电源获得的总功率的四分之一。

通过精确改变门脉冲和正半周期之间的时序关系，可以使晶闸管向负载提供所需百分比的任何功率，介于0％和50％之间。显然，使用这种电路配置，它不能向灯提供超过50％的功率，因为当它反向偏置时，它不能在负半周期内导通。考虑下面的电路。

相位控制是晶闸管交流功率控制的最常见形式，可以如上所述构建基本的交流相位控制电路。在这里，晶闸管的栅极电压通过触发二极管D1从RC充电电路获得。

在正半周期中，当晶闸管正向偏置时，电容器C随交流电源电压通过电阻R 1充电。仅当点A处的电压升高到足以引起触发二极管D 1导通并且电容器放电到晶闸管的栅极并将其导通时，才激活门。导通开始的周期的正半段中的持续时间由可变电阻R1设置的RC时间常数控制。

增加R1的值具有延迟提供给晶闸管栅极的触发电压和电流的作用，这反过来又导致器件导通时间的滞后。结果，可以将器件导通的半周期的分数控制在0到180°之间，这意味着可以调节灯的平均功耗。但是，晶闸管是单向器件，因此在每个正半周期内最多只能提供50％的功率。(However, the thyristor is a unidirectional device so only a maximum of 50% power can be supplied during each positive half-cycle.)

有多种方法可使用“晶闸管”实现100％全波AC控制。一种方法是在二极管桥式整流器电路中包含单个晶闸管，该二极管将交流电转换为通过晶闸管的单向电流，而更常见的方法是使用两个反向并联连接的晶闸管。一种更实用的方法是使用单个双向可控硅，因为该设备可以在两个方向上触发，因此使其适合交流开关应用。