第二章電力電子器裝置件

上次課內(nèi)容回顧PN結(jié)的結(jié)電容勢(shì)壘電容（CB）擴(kuò)散電容（CD）上次課內(nèi)容回顧功率二極管電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：當(dāng)二極管導(dǎo)通，正向電流較大時(shí)，空穴穿過(guò)PN-結(jié)，進(jìn)入N-區(qū)，并在N-區(qū)得到積累，使得N-區(qū)空穴濃度增加，為了維持其電中性的條件其電子濃度也將增加，從而使其電阻率明顯下降。上次課內(nèi)容回顧靜態(tài)特性（伏安特性）上次課內(nèi)容回顧動(dòng)態(tài)特性阻性機(jī)制感性機(jī)制上次課內(nèi)容回顧動(dòng)態(tài)特性

特征：1）在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖2）須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)上次課內(nèi)容回顧主要參數(shù)：正向平均電流

IF(AV)正向壓降

UF反向重復(fù)峰值電壓URRM最高工作結(jié)溫TJM浪涌電流IFSM反向恢復(fù)時(shí)間trr上次課內(nèi)容回顧主要類(lèi)型：普通二極管、快恢復(fù)二極管、與肖特基二極管肖特基二極管2.4半控型器件—晶閘管

晶閘管概述晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的基本特性晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的派生器件晶閘管的觸發(fā)晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier-SCR）按照IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）的定義，晶閘管是指那些具有3個(gè)以上的PN結(jié)，主電壓—電流特性至少在一個(gè)象限內(nèi)具有導(dǎo)通、阻斷兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，且可在這兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件。1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國(guó)通用電氣（GE）公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化，開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)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(chǎng)合具有重要地位2.4半控型器件——晶閘管2.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型——普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件引出陽(yáng)極(Anode)A、陰極(Kathode)K和門(mén)極(Gate)（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)2.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器(Radiator)緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器(Radiator)將其夾在中間

晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)2.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理如前所述，晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。四個(gè)區(qū)分別命名為P1、N1、P2、N2。P1

區(qū)引出A極，N2

區(qū)引出K極，P2區(qū)引出G極。四個(gè)區(qū)形成三個(gè)PN結(jié)：J1、J2、J32.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理P2N2GKP1N1AJ1J2J3P2N1晶體管回顧2.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理開(kāi)通過(guò)程S閉合晶閘管門(mén)極注入電流IG流經(jīng)V2的基極經(jīng)V2放大后，集電極電流IC2構(gòu)成了V1的基極電流經(jīng)V1放大后，進(jìn)一步增大了V2的基極電流IGIB2IC2IB1IC1正反饋過(guò)程2.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理假設(shè)1=Ic1/Ie1、2=Ic2/Ie2-分別為V1、V2的共基極電流增益2.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的特性是：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(lái)之后，迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和開(kāi)通（門(mén)極觸發(fā)）：2.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理即使門(mén)極電流被撤除，IG=0，由于1+2≈1，IK=IA仍將很大，內(nèi)部已形成強(qiáng)烈正反饋，晶閘管處于通態(tài)。IK=IA=EA/R晶閘管導(dǎo)通的條件，1+2≥1，此時(shí)對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電流成為“擎住電流”，門(mén)極便失去了控制能力。2.4.1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（非門(mén)極出發(fā)機(jī)構(gòu)）：正向轉(zhuǎn)折導(dǎo)通：在IG=0時(shí)，提高陽(yáng)極-陰極之間的正向電壓VAK，使反向偏置的J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，電流IA迅速上升，1+2≈1，IA增加到EA/R。熱觸發(fā)：當(dāng)溫度增加，反向飽和電流隨之增加，IA、IK增大，直到1+2≈1，晶閘管導(dǎo)通。2.4.1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：du/dt導(dǎo)通：各PN結(jié)都存在結(jié)電容，當(dāng)外加正向電壓VAK的du/dt很高時(shí)，各PN結(jié)將流過(guò)很大的充電電流：i=C·du/dt。

P1N1之間充電電流→IA、IK增大

P2N2之間充電電流→IB2增大→IA、IK增大→1+2≈1以上導(dǎo)通都不加門(mén)極信號(hào)→非正常導(dǎo)通，這是必須防止和避免的。要提高器件本身du/dt

耐量，減小漏電流，提高耐壓，特別是提高高結(jié)溫下的耐壓等。同時(shí)在電路中采取保護(hù)措施，降低電路上的干擾信號(hào)的影響。以防止晶閘管誤動(dòng)作。2.4.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1）外加正向電壓下J1、J3正偏J2反偏；2）在GK間正向電壓作用下，N2區(qū)有電子注入到P2區(qū)；3）注入到P2區(qū)的電子除了形成門(mén)極電流外，將被J2空間場(chǎng)捕獲，掃向N1區(qū)；4）N1區(qū)電子的增加，將進(jìn)一步增加J1結(jié)的正偏電壓，進(jìn)而增加了P1區(qū)向N1區(qū)的空穴注入，并由J2電場(chǎng)將其掃向P2區(qū)，進(jìn)而形成了再生反饋效應(yīng)；5）隨著J1、J3注入的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)J2結(jié)兩側(cè)有足夠的載流子積累，J2結(jié)極性正偏，晶閘管導(dǎo)通。開(kāi)通的物理過(guò)程2.4.2晶閘管的基本特性晶閘管工作特性：承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都將保持導(dǎo)通要使晶閘管關(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，即維持電流以下。2.4.2晶閘管的基本特性靜態(tài)特性晶閘管陽(yáng)極伏安特性第I象限是正向特性；第III象限是反向特性晶閘管陽(yáng)極伏安特性IG2>IG1>IG2.4.2晶閘管的基本特性正向特性反向擊穿正向阻斷反向阻斷當(dāng)AK兩端施加反壓時(shí)，即使有門(mén)極信號(hào)也不可能在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生電流正反饋。當(dāng)反向電壓過(guò)大而達(dá)到反向折轉(zhuǎn)電壓，則反向漏電流迅速上升。類(lèi)似二極管。2.4.2晶閘管的基本特性晶閘管陽(yáng)極伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管陽(yáng)極伏安特性2.4.2晶閘管的基本特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。這種開(kāi)通叫“硬開(kāi)通”，一般不允許硬開(kāi)通。隨著IG幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低當(dāng)IG增加到超過(guò)某一臨界值以后，正向阻斷區(qū)幾乎消失，類(lèi)似于二極管的正向伏安特性。晶閘管陽(yáng)極伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管陽(yáng)極伏安特性2.4.2晶閘管的基本特性有外加正向電壓，只要加至晶閘管上IG超過(guò)某一臨界值，晶閘管會(huì)立即導(dǎo)通，等效于一個(gè)正向?qū)щ姸O管。導(dǎo)通期間，如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)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(chēng)為維持電流。晶閘管陽(yáng)極伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管陽(yáng)極伏安特性2.4.2晶閘管的基本特性轉(zhuǎn)變區(qū)（亞穩(wěn)態(tài)）維持電流擎住電流2.4.2晶閘管的基本特性門(mén)極伏安特性門(mén)極觸發(fā)電流IGT，室溫條件下，陽(yáng)極陰極間施加6V（或12V）電壓時(shí)，能使器件導(dǎo)通所需要的最小門(mén)極直流電流，于此對(duì)應(yīng)的直流電壓為門(mén)極觸發(fā)電壓UGT。門(mén)極不觸發(fā)電流IGD，額定結(jié)溫下，當(dāng)器件端電壓為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM時(shí)，保持器件不導(dǎo)通所容許施加的最大門(mén)極直流電流，與其對(duì)應(yīng)的電壓為門(mén)極不觸發(fā)電壓UGD。2.4.2晶閘管的基本特性門(mén)極伏安特性晶閘管門(mén)極伏安特性指門(mén)極電壓和門(mén)極電流之間的關(guān)系，呈現(xiàn)二極管的伏安特性。與二極管特性有所不同，正向電壓中P2橫向電阻壓降占的比重較大，且不同器件電阻差異較大；門(mén)極電壓可從幾伏到幾十伏，門(mén)極電流可從幾毫安到幾百毫安；通常以一條典型的極限高阻抗門(mén)極伏安曲線和一條極限低阻抗門(mén)極伏安曲線表示門(mén)極特性2.4.2晶閘管的基本特性門(mén)極伏安特性不觸發(fā)區(qū)可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)門(mén)極極高阻抗曲線門(mén)極極低阻抗曲線平均功率損耗曲線2.4.2晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性反映晶閘管在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性1）開(kāi)通過(guò)程①延遲時(shí)間td：

1+2向1逼近的過(guò)程，晶閘管電流不大，主要電子、空穴向J2移動(dòng)的渡越時(shí)間；②影響延遲時(shí)間的因素：

觸發(fā)脈沖的前沿陡度和幅值；2.4.2晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性反映晶閘管在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性1）開(kāi)通過(guò)程③上升時(shí)間tr：

J2靠近門(mén)極的區(qū)域開(kāi)始導(dǎo)通⑥擴(kuò)展時(shí)間ts：

J2導(dǎo)通區(qū)由門(mén)極橫向擴(kuò)展⑤開(kāi)通時(shí)間：tgt=td+tr

④影響上升時(shí)間的因素：

回路阻抗2.4.2晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性反映晶閘管在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性1）開(kāi)通過(guò)程⑥擴(kuò)展時(shí)間ts：

J2導(dǎo)通區(qū)由門(mén)極橫向擴(kuò)展2.4.2晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性反映晶閘管在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性2）關(guān)斷過(guò)程①?gòu)?qiáng)迫關(guān)斷：

陽(yáng)極陰極間施加反壓完成關(guān)斷；②在反向電壓和電路電感的作用下電流衰減③與二極管類(lèi)似，電流過(guò)零后體內(nèi)大量的非平衡載流子需靠反向電流抽??；2.4.2晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性反映晶閘管在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性2）關(guān)斷過(guò)程④電流到達(dá)反向最大值后，迅速衰減，J1、J3恢復(fù)反向阻斷能力，trr反向恢復(fù)時(shí)間；⑤J2結(jié)電子需要較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行復(fù)合，tgr正向阻斷時(shí)間；⑥關(guān)斷時(shí)間：tq=trr+tgr2.4.2晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性反映晶閘管在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性2）關(guān)斷過(guò)程⑦在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?⑧實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作2.4.2晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性反映晶閘管在開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的特性2）關(guān)斷過(guò)程⑨影響關(guān)斷時(shí)間的因素：從應(yīng)用電路設(shè)計(jì)看，有結(jié)溫，反向恢復(fù)電流下降率，反向電壓及再加的du/dt等。以結(jié)溫和反向電壓對(duì)關(guān)斷時(shí)間影響最大，結(jié)溫越高，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，反向電壓增高，關(guān)斷時(shí)間縮短。電壓定額注意：晶閘管正向既可處于阻斷狀態(tài)又可處于導(dǎo)通狀態(tài)。斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（國(guó)標(biāo)規(guī)定重復(fù)頻率50Hz，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)10ms,UDRM=90%UDSM<Ubo)

。反向重復(fù)峰值電壓URRM——

在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓(國(guó)標(biāo)中有類(lèi)似規(guī)定）。通態(tài)（峰值）電壓UTM——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。額定電壓UN＝Min（UDRM，URRM），選用時(shí)，要留有一定安全裕量，一般取UN＝（2～3）晶閘管所承受峰值電壓2.4.3晶閘管的主要參數(shù)電流定額通態(tài)平均電流IT(AV)：晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值→額定電流使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5～2倍2.4.3晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通以后，在室溫和門(mén)極開(kāi)路條件下，使晶閘管維持導(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IL晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2～4倍4）浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)最大正向過(guò)載電流2.4.3晶閘管的主要參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt（防止位移電流致使其導(dǎo)通）指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt（考慮導(dǎo)通時(shí)的擴(kuò)展時(shí)間）指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率2.4.3晶閘管的主要參數(shù)2.4.3晶閘管的主要參數(shù)快速晶閘管（FastSwitchingThyristor－FST)包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有常規(guī)快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)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(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高，不能忽略開(kāi)關(guān)損耗多用在頻率較高的斬波和逆變電路中開(kāi)關(guān)損耗不可忽視。2.4.4晶閘管的派生器件2.4.4晶閘管的派生器件雙向晶閘管（TriodeACSwitch－TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）

1）一般可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)連接晶閘管的集成2）比反并聯(lián)晶閘管經(jīng)濟(jì)，且控制簡(jiǎn)單3）多用于交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器以及交流電機(jī)軟起、調(diào)速中4）電流定額不用平均值而用有效值進(jìn)行標(biāo)定2.4.4晶閘管的派生器件雙向晶閘管（TriodeACSwitch－TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）