1、杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院安徽省高等学校精品课程电 力 电 子 技 术Power Electronic Technology1.31.3、半控型器件、半控型器件晶闸管晶闸管 晶闸管概述 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件 晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier-SCR）按照IEC（国际电工委员会）的定义，晶闸管是指那些具有3个以上的PN结，主电压电流特性至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。1956
2、年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管 1957年美国通用电气（GE）公司开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位1.3 1.3 半控性器件半控性器件晶闸管晶闸管上次课内容回顾上次课内容回顾1、二极管的静态特性上次课内容回顾上次课内容回顾2、二极管的动态特性上次课内容回顾上次课内容回顾3、二极管的参数正向平均电流正向平均电流 I IF(AV)F(AV)使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，即实际波形电流与正向平均电
3、流有效值相等。并应留有一定的裕量。100A的二极管，对下图波形，最大能送出的的平均电流为多少？141.4A90.7A上次课内容回顾上次课内容回顾4、电力二极管的应用5、电力二极管的主要类型电力二极管是都是基于PN结的吗？电力二极管是都是多级性器件吗？晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 引出阳极(Anode)A、阴极(Kathode)K和门极(Gate)（控制端）G三个联接端1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构1
4、.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器(Radiator)紧密联接且安装方便平 板 型 封 装 的 晶 闸 管 可 由 两 个 散 热 器(Radiator)将其夹在中间AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 如前所述，晶闸管是PNPN四层半导体结构。四个区分别命名为P1、N1、P2、N2。P1 区引出A极，N2 区引出K极，P2区引出G极。四个区形
5、成三个PN结：J1、J2、J31.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理P2N2GKP1N1AP2N1晶体管回顾晶体管回顾CECBOIIICBCEOIIIEBCIII1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理P1AGKN1P2P2N1N2J2J1J3 开通过程开通过程 S闭合晶闸管门极注入电流IG流经V2的基极 经V2放大后，集电极电流IC2构成了V1的基极电流 经V1放大后，进一步增大了V2的基极电流IGIB2IC2IB1IC1正反馈过程正反馈过程2GCBO1CBO2A121()IIII1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的
6、结构与工作原理P1AGKN1P2P2N1N2J2J1J3假设1=Ic1/Ie1、2=Ic2/Ie2-分别为V1、V2的共基极电流增益111cACBOIII222cKCBOIIIKAGIII2222cAGCBOIIII12AccIII1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和 开通（门极触发）：2GCBO1CBO2A121()IIII1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2GCBO1
7、CBO2A121()IIII 即使门极电流被撤除，IG=0，由于 1+21，IK=IA仍将很大，内部已形成强烈正反馈，晶闸管处于通态。IK=IA=EA/R 晶闸管导通的条件，1+21，此时对应的阳极电流成为“擎住电流”，门极便失去了控制能力。1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况（非门极出发机构）（非门极出发机构）：正向转折导通：在IG=0时，提高阳极-阴极之间的正向电压VAK，使反向偏置的J2结（N1P2）击 穿，电 流 IA迅 速 上 升，1+21，IA增加到EA/R。2GCBO1CBO2A121()IIII热触发
8、：当温度增加，反向饱和电流随之增加，IA、IK增大，直到1+21，晶闸管导通。1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：du/dt导通：各PN结都存在结电容，当外加正向电压VAK的du/dt很高时，各PN结将流过很大的充电电流：i=Cdu/dt。P1N1之间充电电流 IA、IK增大 P2N2之间充电电流 IB2增大 IA、IK增大 1+21 以上导通都不加门极信号非正常导通，这是必须防止和避免的。要提高器件本身du/dt 耐量，减小漏电流，提高耐压，特别是提高高结温下的耐压等。同时在电路中采取保护措施，降低电路上的干扰信
9、号的影响。以防止晶闸管误动作。1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1）外加正向电压下J1、J3正偏J2反偏；2）在GK间正向电压作用下，N2区有电子注入到P2区；3）注入到P2区的电子除了形成门极电流外，将被J2空间场捕获，扫向N1区；4）N1区电子的增加，将进一步增加J1结的正偏电压，进而增加了P1区向N1区的空穴注入，并由J2电场将其扫向P2区，进而形成了再生反馈效应；5）随着J1、J3注入的优势越来越大，结构J2结两侧有足够的载流子积累，J2结极性反转，晶闸管导通。开通的物理过程开通的物理过程1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管工
10、作特性：晶闸管工作特性：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都将保持导通要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即维持电流以下。1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性第I象限是正向特性；第III象限是反向特性图图1-8(a)1-8(a)晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性I IG2G2 I IG1G1 I IG G1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管
11、的基本特性正向特性反向击穿正向阻断反向阻断当AK两端施加反压时，即使有门极信号也不可能在晶闸管内部产生电流正反馈。当反向电压过大而达到反向折转电压，则反向漏电流迅速上升。类似二极管。1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性图图1-8(a)1-8(a)晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性I IG2G2 I IG1G1 I IG G晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”，一般不允许
12、硬开通。随着IG幅值的增大，正向转折电压降低 当IG增加到超过某一临界值以后，正向阻断区几乎消失，类似于二极管的正向伏安特性。图图1-8(a)1-8(a)晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性I IG2G2 I IG1G1 I IG G晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 所以有外加正向电压，只要加至晶闸管上IG超过某一临界值，晶闸管会立即导通，等效于一个正向导电二极管。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。图图1-8(a)1-8(a)晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳
13、极伏安特性I IG2G2 I IG1G1 I IG G晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性转变区（亚稳态）擎住电流维持电流1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性门 极 伏 安 特门 极 伏 安 特性性 晶闸管门极伏安特性指门极电压和门极电流之间的关系，呈现二极管的伏安特性。1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性门极伏安特性门极伏安特性 晶闸管门极伏安特性指门极电压和门极电流之间的关系，呈现二极管的伏安特性。不触发区可靠触发区不可靠触发区1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态
14、特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性1 1）开通过程）开通过程 延迟时间：延迟时间：1+2向1逼近的过程，晶闸管电流不大，主要电子、空穴向J2移动的渡越时间；影响延迟时间的因素：影响延迟时间的因素：触发脉冲的前沿陡度和幅值；1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性1 1）开通过程）开通过程上升时间：上升时间：J2靠近门极的区域开始导通扩展时间：扩展时间：J2导通区由门极横向扩展开通时间：开通时间：tgt=td+tr 影响影响上升时间的因素：上升时间的因素：回路阻抗1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的
15、基本特性动态特性动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性2 2）关断过程）关断过程 强迫关断：强迫关断：阳极阴极间施加反压完成关断；在反向电压和电路电感的作用下电流衰减与二极管类似，电流过零后体内大量的非平衡载流子需靠反向电流抽取；1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性2 2）关断过程）关断过程电流到达反向最大值后，迅速衰减，J1、J3恢复反向阻断能力，trr反向恢复时间；J2结电子需要较长的时间进行复合，tgr正向阻断时间；关断时间：tq=trr+tgr1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特
16、性动态特性动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性2 2）关断过程）关断过程在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通;实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性2 2）关断过程）关断过程影响关断时间的因素影响关断时间的因素：从应用电路设计看，有结温，反向恢复电流下降率，反向电压及再加的du/dt等。以结温和反向电压对关断时间影响最大，结温越高，关断时间越长，反向电压增高，关断时间缩
17、短。1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额注意：注意：晶闸管正向既可处于阻断状态又可处于导通状态。断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压（国标规定重复频率50Hz，持续时间不超过10ms,UDRM=90%UDSMUbo)。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压(国标中有类似规定）。通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。额定电压额定电压U UN NMi
18、n（UDRM，URRM），选用时，要留有一定安全裕量裕量，一般取UN（23）晶闸管所承受峰值电压1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电流定额电流定额通态平均电流通态平均电流 I IT(AV)T(AV)：晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值额定电流额定电流使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管应留一定的裕量，一般取1.51.52 2倍1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流 I IH H晶闸管触发导通以后，在室温和门极开路条件下，使晶闸管维持导通所必需
19、的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则I IH H越小3 3）擎住电流擎住电流 I IL L晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流同一晶闸管来说，通常I IL L约为I IH H的24倍4 4）浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复最大正向过载电流1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt（防止位移电流致使其导通）指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大
20、上升率通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt（考虑导通时的扩展时间）指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFast Switching ThyristorFSTFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规快速晶闸管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及d du u/d/dt t和d di i/d/dt t耐量都有明显改善普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数
21、十微秒，高频晶闸管1010 s s左右高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高，不能忽略开关损耗多用在频率较高的斩波和逆变电路中开关损耗不可忽视。1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTriode AC SwitchTRIACTRIAC或或Bidirectional Bidirectional triode thyristortriode thyristor）a)b)IOUIG=0GT1T2图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号 b)伏安特性1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派
22、生器件1）一般可认为是一对反并联连接晶闸管的集成2）比反并联晶闸管经济，且控制简单3）多用于交流调压电路、固态继电器以及交流电机软起、调速中4）电流定额不用平均值而用有效值进行标定逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCTReverse Conducting ThyristorRCT）1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件b)a)UOIKGAIG=0图1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号 b)伏安特性1）晶闸反并联一个二极管制作在同一管芯上2）不具有承受反向电压的能力3）相比与普通晶闸管，他正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点4）其电流定额有两个：晶闸管、反并联二极管光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件光强度强弱b)AGKa)OUAKIA图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号 b)伏安特性1）又称之为光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管2）大功率LTT装有光缆，光缆上装有发光二极管或半导体激光器3）提供了电气隔离，避免电磁干扰的影响4）多用于高压大功率场合
