第三講 晶閘管

1、電力電子器件基礎(chǔ)電力電子器件基礎(chǔ)第1章第2頁電力電子器件概述電力電子器件概述第一講 功率二極管第二講 功率晶體管第三講第三講 晶閘管晶閘管第四講 功率MOS器件/IGBT第五講 半導(dǎo)體器件的塑料封裝第1章第3頁第三講第三講 半控器件半控器件晶閘管晶閘管3.1 3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性3.3 3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3.5 3.5 晶閘管的觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)3.6 3.6 晶閘管的串并聯(lián)晶閘管的串并聯(lián)第1章第4頁半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管晶閘管晶閘管（T

2、hyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化, 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代20世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 第1章第5頁3.1 3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理為了能夠直觀地認(rèn)識晶閘管的工作特性

3、，大家先看這塊示教板(圖3-1)。晶閘管VS與小燈泡EL串聯(lián)起來，通過開關(guān)S接在直流電源上。注意陽極A是接電源的正極，陰極K接電源的負(fù)極，控制極G通過按鈕開關(guān)SB接在1.5V直流電源的正極。晶閘管與電源的這種連接方式叫做正向連接，也就是說，給晶閘管陽極和控制極所加的都是正向電壓?，F(xiàn)在我們把可變電阻R調(diào)到最小值,合上電源開關(guān)S，小燈泡不亮，說明晶閘管沒有導(dǎo)通,電壓表的測量值約等于6V；再按一下按鈕開關(guān)SB，給控制極輸入一個觸發(fā)電壓，小燈泡亮了，說明晶閘管導(dǎo)通了,即使把SB斷開,小燈泡依然亮,電壓表測量值在1V左右。如果這時候增加可變電阻R,會發(fā)現(xiàn)燈光在逐漸的暗淡,但電壓表的值幾乎不變,繼續(xù)增加R

4、到一定程度,小燈泡會熄滅,電壓表的值會增加到6V左右,表示晶閘管關(guān)斷,再反方向減少R,燈也不會亮, 說明晶閘管依然關(guān)斷。如果把4.5V電池反向連接,無論怎么連接開關(guān),燈都不會亮.這個演示實驗給了我們什么啟發(fā)呢?第1章第6頁圖3-1KP1GVSKA4.5VELS1.5VSBVR第1章第7頁這個實驗告訴我們，要使晶閘管導(dǎo)通，一是在它的陽極A與陰極K之間外加正向電壓，二是在它的控制極G與陰極K之間輸入一個正向觸發(fā)電壓。晶閘管導(dǎo)通后，松開按鈕開關(guān)，去掉觸發(fā)電壓，仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管的特點： 是“一觸即發(fā)”。但是，如果陽極或控制極外加的是反向電壓，晶閘管就不能導(dǎo)通?？刂茦O的作用是通過外加正向觸發(fā)脈沖

5、使晶閘管導(dǎo)通，卻不能使它關(guān)斷。那么，用什么方法才能使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷呢?使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，可以斷開陽極電源(圖3-1中的開關(guān)S)或使陽極電流小于維持導(dǎo)通的最小值(稱為維持電流Ih)。如果晶閘管陽極和陰極之間外加的是交流電壓或脈動直流電壓，那么，在電壓過零時，晶閘管會自行關(guān)斷。第1章第8頁3.1 3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有螺栓型和平板型以及塑料封裝引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間,有利于散熱圖3-2 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形

6、 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號第1章第9頁3.1 3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖3-3 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理Ic1=1 IA + ICBO1 （3-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （3-2）第1章第10頁3.1 3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 IK=IA+IG （3-3） IA=Ic1+Ic2 （3-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基

7、極漏電流。由以上式（3-1）（3-4）可得 （3-5）晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 )(121CBO2CBO1G2AIIII第1章第11頁3.1 3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。第1章第12頁3.1 3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能

8、導(dǎo)通的情況：陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段靠的控制手段,其它都因不易控制而難以應(yīng)用其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐。于實踐。第1章第13頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性3.2.1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下或

9、電極反向.第1章第14頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1. 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖3-4 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG第1章第15頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性第一像限：IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，可能使器件開通隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相

10、仿晶閘管本身的壓降很小，在1V左右導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。第三像限：晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性第1章第16頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。第1章第17頁

11、3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2 晶閘管的反向轉(zhuǎn)折電壓VBR晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性 外加反向電壓由J1和J3結(jié)承擔(dān), J3結(jié)兩側(cè)的摻雜濃度比J1結(jié)高23個數(shù)量級, 其耐壓很低, 實際上可以看成是直通的歐姆接觸。電壓幾乎全由J1結(jié)承擔(dān)。當(dāng)一個載流子進入反偏PN結(jié)的空間電荷區(qū)后， 會受到電場的加速作用，與晶格碰撞后會產(chǎn)生新的空穴-電子對。經(jīng)過整個空間電荷區(qū)得到的載流子和進入該區(qū)的載流子數(shù)的比值， 稱為倍增系數(shù)M 1 M= 1-（V/Vb)nVb為單PN結(jié)擊穿電壓，n =37第1章第18頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2 晶閘管的反向

12、轉(zhuǎn)折電壓VBRUP1 N1 P2 N2J1 J2 J3EU2U1第1章第19頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性J1結(jié)反偏，相當(dāng)與PNP晶體管的集電結(jié)，J2結(jié)正偏，相當(dāng)于發(fā)射結(jié)，J2結(jié)向N1區(qū)注入空穴電流IA但只有1IA到達J1的空間電荷區(qū)， 1為P1N1P2結(jié)構(gòu)的電流放大系數(shù)。 J1結(jié)自身還有反向漏電流I0， 有倍增時： IA= MI0+ M1IA 得到 ： IA= MI0/（1- M1）舉例：M=2， 1=0.4時， IA= 5MI0 M11時， IA 無窮大，表示擊穿舉例： 1=0.4， M=2.5時， M11第1章第20頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性單

13、個PN結(jié)需要到VB時發(fā)生擊穿，PNP結(jié)構(gòu)時，在VBR時發(fā)生擊穿， VBR=VB（1- 1）1/n3 晶閘管正向轉(zhuǎn)折電壓）VBF同樣的分析用于J2結(jié)的轉(zhuǎn)折電壓（晶閘管正向轉(zhuǎn)折電壓）VBF，得到 VBF=VB（1- （1+ 2 ）1/n2為N1P2N2結(jié)構(gòu)的電流放大系數(shù)?？梢灾溃?VBFU1原因:第1章第23頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性4 提高VBF 的方法有目的地增加2可以導(dǎo)致正向的導(dǎo)通， 這就是門極的作用。但又可以造成阻斷態(tài)的VBF 降低。為提高VBF 需要減少2 在結(jié)構(gòu)上采用短路點,可以在一定程度上,減小2。短路點的作用：使N2區(qū)中間的壓降低于J3結(jié)的開起電壓(0.5

14、V),起不到發(fā)射結(jié)的作用,注入很小, 2幾乎等于零。P1 N1 P2 N2RlAK圖3-5 短路發(fā)射極示意圖第1章第24頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性5. Ig 對正向?qū)ǖ阶钄嗵匦缘挠绊?Ig =0, Ioff= IH Ig 0, Ioff IH Ig IH (IA= Ioff,） IA/ |Ig| 稱為關(guān)斷增益. 2幾乎等于1, 1+2應(yīng)該不比1大太多(GTO)第1章第25頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件狀態(tài)條件說明從關(guān)斷到導(dǎo)通1.陽極電位高于陰極電位;2.控制極有足夠的電壓和電流兩者缺一不可維持導(dǎo)通1.陽極電位高于陰極電位;2.陽

15、極電流大于維持電流兩者缺一不可從導(dǎo)通到關(guān)斷1.陽極電位低于陰極電位;2.陽極電流小于維持電流任一條件即可第1章第26頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性3.2.2. 動態(tài)特性動態(tài)特性 圖3-6 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第1章第27頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開通過程開通過程延遲時間延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間上升時間上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間開通時間開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （

16、3-6） 普通晶閘管延遲時間為0.51.5 s，上升時間為0.53 s第1章第28頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2) 關(guān)斷過程關(guān)斷過程:關(guān)斷的方法:i) 斷開負(fù)載電路, ii) 改變電源電壓極性 iii) 負(fù)的門極電流通常討論的是改變電源電壓極性過程中的關(guān)斷機理。關(guān)斷過程中主要是靠復(fù)合來減少N1區(qū)的存儲電荷。.反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)▽嶋H應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管

17、施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作 關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr （3-7）普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒, 快速晶閘管的關(guān)斷時間為十幾到幾十個微秒。第1章第29頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性3) 晶閘管的電流上升率晶閘管的電流上升率di/dt耐量耐量1. 電流上升過快電流上升過快, 導(dǎo)通時的瞬間功率大到幾個千瓦導(dǎo)通時的瞬間功率大到幾個千瓦, 而硅的比熱很小而硅的比熱很小, 導(dǎo)熱率低導(dǎo)熱率低, 會使溫度顯著上升會使溫度顯著上升, 載載流子增多流子增多, 電流密度更大電流密度更大, 進入惡性

18、的正反饋過程進入惡性的正反饋過程, 最后使先導(dǎo)通區(qū)域的硅熔化最后使先導(dǎo)通區(qū)域的硅熔化.2. 提高提高di/dt耐量的方法耐量的方法:i. 強觸發(fā)法強觸發(fā)法, Ig大大, 效果一般效果一般第1章第30頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性ii. 放大門極法放大門極法:N2P2N1P1 FFRpG小晶閘管主晶閘管KKAAG圖3-7放大門極結(jié)構(gòu)a)示意圖, b)等效電路圖a)b)第1章第31頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性iii. 橫向場陰極法橫向場陰極法:N2P2N1P1KAG圖3-8 橫向電場陰極結(jié)構(gòu)示意圖ab段只在初始導(dǎo)通階段起作用,在P2基區(qū)產(chǎn)生一個漂移電場，會

19、產(chǎn)生很大的空穴電流，導(dǎo)致晶閘管陰極的大面積導(dǎo)通。在主晶閘管導(dǎo)通后不再流電流,它的面積只有百分比之幾, 但對提高的di/dt耐量作用明顯, 一般可以提高一個數(shù)量級Gab第1章第32頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性iv. 再生門極結(jié)構(gòu)再生門極結(jié)構(gòu):N2P2N1P1KAG圖3-9 橫向電場陰極結(jié)構(gòu)示意圖ab會有一個橫向壓降, 把a點的壓降通過電極引到陰極面的其它點附近, 如c附近, 會使c點及時導(dǎo)通.再生門極abc第1章第33頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性4) 晶閘管的電壓上升率晶閘管的電壓上升率du/dt耐量耐量1. 電壓上升過快電壓上升過快, J2結(jié)的空間電

20、荷區(qū)擴展的快結(jié)的空間電荷區(qū)擴展的快, J1結(jié)和結(jié)和J3結(jié)的注入電流增大結(jié)的注入電流增大, 在一定的條件下會導(dǎo)致在一定的條件下會導(dǎo)致1+ 2 =1,晶閘管誤導(dǎo)通晶閘管誤導(dǎo)通.2. 提高提高du/dt耐量的方法耐量的方法:i. 短路點結(jié)構(gòu)短路點結(jié)構(gòu), 加密加密/增大面積增大面積3. 使用中要注意器件的使用中要注意器件的du/dt耐量必須超過線路中耐量必須超過線路中可能出現(xiàn)的可能出現(xiàn)的du/dt值。否則改線路或換器件。值。否則改線路或換器件。第1章第34頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性5) 晶閘管功率損耗晶閘管功率損耗, 包括包括:1. 通態(tài)損耗通態(tài)損耗PF2. 正反向阻斷損耗正反

21、向阻斷損耗PD3. 開通損耗開通損耗Pon4. 關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗PRC5. 門極損耗門極損耗PG第1章第35頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1. 通態(tài)損耗通態(tài)損耗PF正弦半波電流正弦半波電流 iF =IFMsin時時: IFM 通通態(tài)峰值電流和平均值態(tài)峰值電流和平均值IF的關(guān)系的關(guān)系IFM =IF通態(tài)壓降平均值通態(tài)壓降平均值VF=V0/2+IFRe利用簡化的伏安特性可得到利用簡化的伏安特性可得到: PF=2.46VFIF -0.23V0IFi(v)v1.5IFIF0.5IF開放電壓V0斜率=1/Re圖3-10 通態(tài)特性示意圖第1章第36頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管

22、的基本特性2. 正反向阻斷損耗正反向阻斷損耗PD, (比較小可以忽略比較小可以忽略)正向正向:PDF= VMF IOF 反向反向:PDR= VMR IOR VMF ,VMR 正反向阻斷電壓峰值正反向阻斷電壓峰值 IOF , IOR 正反向阻斷峰值電壓下的平均漏電流正反向阻斷峰值電壓下的平均漏電流第1章第37頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性3. 開通損耗開通損耗Pon在同樣的波形和頻率的情況下，在同樣的波形和頻率的情況下， 元件的開通損耗顯著元件的開通損耗顯著的大于關(guān)斷損耗，大多數(shù)情況下，的大于關(guān)斷損耗，大多數(shù)情況下， 開通損耗是主要的。開通損耗是主要的。在電感負(fù)載電路中，在電

23、感負(fù)載電路中， 開通損耗為：開通損耗為：Pon = IonVo tr f/(1+2.2)*(L/R)* tr )*4.4tr: 器件的上升時間R/L: 電路的時間常數(shù)f: 使用頻率Vo: 開通前的陽極電壓Ion: 開通后的陽極電流(3微秒左右的正態(tài)分布, 峰值約300瓦)第1章第38頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性4. 關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗PRCPRC=IRVRtqf/4.4IR反向恢復(fù)電流峰值VR反向恢復(fù)電壓tq 關(guān)斷時間f 頻率(小于3微秒的一個偏左分布, 峰值約80瓦)第1章第39頁3.2 3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性5. 門極損耗門極損耗PG: 與工作頻率有關(guān)

24、與工作頻率有關(guān),工頻條件下工頻條件下可認(rèn)為可認(rèn)為:對對200A元件元件 PG =2W 對對500A元件元件 PG =5W所占比例很小所占比例很小,可用上述值進行估算可用上述值進行估算.晶閘管功率損耗為前述五項之和晶閘管功率損耗為前述五項之和:P=PF+PD+Pon+PRC+PG第1章第40頁3.3 3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)1. 電壓定額電壓定額1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。2) 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3) 通態(tài)（峰值）

25、電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM晶閘管通以正弦半波的額定通態(tài)平均電流和穩(wěn)定的結(jié)溫時, 元件陽極和陰極間電壓降的平均值。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額額定電壓定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍第1章第41頁3.3 3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2. 電流定額電流定額 1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(A V) 額定電流-晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波、導(dǎo)通角不小于170時， 穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大通態(tài)電流的平均值。使用時應(yīng)按實際電流與

26、通態(tài)平均電流有效值發(fā)熱效應(yīng)相等的原則來選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍第1章第42頁3.3 3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2) 維持電流維持電流 IH 室溫和門極斷開的情況下，晶閘管從較大導(dǎo)通電流下降時，維持導(dǎo)通所必需的最小電流。一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小3) 擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流， 對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍4) 浪涌電流浪涌電流ITSM在額定結(jié)溫條件下， 在工頻正弦波半周期內(nèi)晶閘管所能承受的最大過載電流， 在浪涌后的半周期應(yīng)能承受規(guī)定的反向電壓。第1章第43

27、頁3.3 3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 3. 門極定額門極定額 1) 門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流 IGT 在室溫條件下，陽極電壓為6V直流電壓時，使晶閘管從阻斷到完全開通所必須的最小門極直流電流2) 門極觸發(fā)電壓門極觸發(fā)電壓 VGT 對應(yīng)的門極觸發(fā)電流的門極觸發(fā)電壓4. 額定結(jié)溫額定結(jié)溫TJM： 元件在正常工作條件下所允許的最高PN結(jié)溫度第1章第44頁3.3 3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)5. 動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有： (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加

28、電壓最大上升率在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當(dāng)于一個電容的J2結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 用戶在選擇晶閘管時，應(yīng)注意元件的臨界上升率必須大于線路中可能出現(xiàn)的上升率。第1章第45頁3.3 3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)(2)通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。同樣，

29、用戶在選擇晶閘管時，應(yīng)注意元件的臨界上升率必須大于線路中可能出現(xiàn)的上升率。第1章第46頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件1. 快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管(400Hz)和高頻晶閘管(10kHz)管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進行了改進(基片減薄基片減薄, 門極圖形優(yōu)化，門極圖形優(yōu)化，陰極條寬窄，擴金濃度高，少子壽命短陰極條寬窄，擴金濃度高，少子壽命短)，開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10 s左右高頻晶閘管的不足在于

30、其電壓和電流定額都不易做高由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)第1章第47頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2. 雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）圖3-11 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2第1章第48頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件P1N2P2N1N3N4T1GT2圖3-11A 雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖第1章第49頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件

31、可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成有兩個主電極T1和T2，一個門極G正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性第1章第50頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3. 逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流圖3-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性b)a)UOIKGAIG=0第1章第5

32、1頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3. 逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）圖3-12A 逆導(dǎo)晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)P1N3N2P2N1N3GAK第1章第52頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件4 . 光 控 晶 閘 管 （光 控 晶 閘 管 （ L i g h t Tr i g g e r e d ThyristorLTT）圖3-13 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性光強度強弱b)AGKa)OUAKIA第1章第53頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件又稱光觸發(fā)晶閘管

33、，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位第1章第54頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件大功率光控晶閘管存在的問題和解決方案:1.由于要求觸發(fā)靈敏, 要求把元件的電流增益設(shè)計的很大, 或者是取消短路發(fā)射極, 使的電壓上升率和高溫阻斷能力下降方案1:減小觸發(fā)區(qū)的面積, 周界縮短, 靈敏度提高方案2: J2結(jié)延伸到表面, 靈敏度提

34、高, dv/dt不下降.方案3. 靈敏度和dv/dt取折衷.方案4: 雙重門極放大結(jié)構(gòu), 第1章第55頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2. 把發(fā)射極的內(nèi)周界取得很小, 提高單位長度的電流密度, 元件易于觸發(fā), 但初始導(dǎo)通區(qū)域小, 電流上升率低方案1: 特殊的幾何尺寸和工藝配合第1章第56頁3.4 3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3. 觸發(fā)電流 不能很大, 使得延遲時間增長, 并增加了不同元件之間延遲時間的差別, 這對元件的串聯(lián)是不利的, 因為后觸發(fā)的元件將承擔(dān)整個電網(wǎng)上的電壓.方案: 強激光觸發(fā), 增加吸收深度, 可使體內(nèi)反向結(jié)電場瞬間崩潰. 如銣玻璃激光所產(chǎn)生的5X

35、103erg, 可使元件在1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+21時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖3-15 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理第1章第61頁GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：（1）設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于 GTO關(guān)斷（2）導(dǎo)通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15） 導(dǎo)通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基

36、區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流第1章第62頁 導(dǎo)通過程導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程 度較淺 關(guān)斷過程：關(guān)斷過程：強烈正反饋門極加負(fù)脈沖即從門 極抽出電流，則Ib2減小，使IK和和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流當(dāng)IA和和IK的減小使 1+ 21時，器件退出飽和而關(guān)斷多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 第1章第63頁2. GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性開通過程：開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖3-16 GTO的開通和關(guān)段過程電流波形第1章第64頁關(guān)斷過程：關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和等效晶