32晶閘管95606教材課程

第3章功率電子器件(第七講)

1本節(jié)主要內(nèi)容

3.2半控型器件

3.2.1

雙向晶閘管3.2.2

逆導晶閘管3.2.3光控晶閘管23.2.1

雙向晶閘管雙向晶閘管BidirectionalControlledThyristor

(TriodeACSwitch—TRIAC)

1.結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu)：為五層三端中心門極結(jié)構(gòu)。33.2.1

雙向晶閘管雙向晶閘管有四個pn結(jié)；采用結(jié)型門極結(jié)構(gòu)，門極接觸下面不僅有p型層，同時還有n型層，門極的極性可正可負，以便開通兩個反并聯(lián)的晶閘管；它是一種交流元件，其伏安特性是對稱的。

在第一象限和第三象限都能導通，同時門極可正可負，故有四種觸發(fā)方式，通常稱為I+、I-、Ⅲ+、Ⅲ-觸發(fā)。2.BCT的四種觸發(fā)方式及原理53.2.1

雙向晶閘管I＋觸發(fā)：T1端相對T2端為正，門極G相對T2為正器件在I象限導通

門極p2區(qū)注入的電流由n2區(qū)下進入T2端右側(cè)短路區(qū)，橫向壓降使n2區(qū)在門極附近發(fā)生電子注入，p1n1p2n2通。從門極注入而流向T2左側(cè)的電流對晶閘管的導通無效，J4、J5結(jié)不起作用?！?/p>

I+觸發(fā)原理與普通晶閘管的觸發(fā)原理完全相同。

63.2.1

雙向晶閘管I_觸發(fā)：T1端相對T2端為正，門極G相對T2為負

器件在I象限導通

門極電流從T2流向門極，在n3下面產(chǎn)生的橫向壓降大于J4結(jié)擴散電位時，n3向p2發(fā)射電子，使小晶閘管p1n1p2n3導通。根據(jù)場引入原理，T1端的高電位引入到門極下，結(jié)果使n2發(fā)射區(qū)受到一很強的正偏壓，p1n1p2n2晶閘管迅速導通?！?/p>

導通過程類似放大門極原理

73.2.1

雙向晶閘管Ⅲ＋觸發(fā)：T1端相對T2端為負，門極G相對T2為正

器件在Ⅲ象限導通

門極電流從G流向T2端，當一部分電流在p2區(qū)產(chǎn)生的橫向壓降大于J3結(jié)電位時，使n2向p2發(fā)射電子。電子達到n1區(qū)、降低了n1區(qū)的電位，從而引起門極下的p2區(qū)向n1區(qū)發(fā)射空穴，T1端的n4向門極正下方的p1區(qū)發(fā)射電子；電子達到n1區(qū)使J2結(jié)更正偏，p2區(qū)左側(cè)向n1區(qū)注入空穴，最終導致p2n1p1n4導通。83.2.1

雙向晶閘管Ⅲ－觸發(fā)：T1端相對T2端為負，門極G相對T2為負器件在Ⅲ象限導通

門極電流從T2經(jīng)左側(cè)p2區(qū)流出門極G，首先使n3向p2區(qū)發(fā)射電子并達到n1區(qū)，使n1區(qū)電位下降，從而使J2結(jié)更加正偏，導致p2區(qū)向n1注入空穴，最終使p2n1p1n4導通。93.2.1

雙向晶閘管3.BCT的額定電流雙向晶閘管工作在交流回路中，因而不用平均值而用有效值耒表征其額定電流。普通晶閘管在正弦半波下使用，其峰值電流為平均值的π倍，而一個雙向晶閘管在全波下使用時其峰值為有效值的倍，即一個雙向晶閘管可以代替兩個具有下述額定值的普通晶閘管。式中IKP(AV)為普通晶閘管的額定值電流、IKS(RMS)為雙向晶閘管的有效值電流。如一個50A的雙向晶閘管可以代替兩個額定正向平均電流為22A的普通晶閘管。103.2.2逆導晶閘管逆導晶閘管ReverseConductingThyristor單片集成的思路.該器件正向具有與普通晶閘管完全相同的特性，反向可以流過大的電流，稱這一新的器件為反向?qū)ňчl管，即RCT。斬波與逆變應用中，通常把晶閘管與一續(xù)流二極管反并聯(lián)113.2.2逆導晶閘管1.RCT的結(jié)構(gòu)、特點結(jié)構(gòu)：左側(cè)為一pnpn晶閘管，右側(cè)是一二極管，中間是pnp隔離區(qū)；陽極和陰極均分布有短路點；采用中心門極結(jié)構(gòu)，二極管一般放在中心區(qū)域。RCT的基本結(jié)構(gòu)123.2.2逆導晶閘管RCT的符號、伏安特性伏安特性：其正向與晶閘管相同；反向與二極管的正向相同。133.2.2逆導晶閘管(1)

陽極采用短路結(jié)構(gòu)，正向轉(zhuǎn)折電壓比普通晶閘管的高。

在正向阻斷狀態(tài)下，二極管處于反向，只有當J2結(jié)的電壓上升到雪崩電壓VB時，J2結(jié)被擊穿，逆導晶閘管才由斷態(tài)進入通態(tài)，因此有:

RCT的特點：

143.2.2逆導晶閘管(2)電流容量大。在同等耐壓下，基區(qū)寬度可以大幅度減薄，因而可以獲得大的電流容量。(3)易于提高開關(guān)速度。在同等電流下，由于Wn大幅度減薄，存貯電荷減少，toff可減小；由于陽極短路，反向漏電流對器件的影響減小，因此摻金量可以加大，摻金溫度可提高40℃，易于實現(xiàn)快速化。153.2.2逆導晶閘管(4)高溫特性。

pn結(jié)的雪崩電壓是隨溫度的上升而增加的，逆導晶閘管可以在150℃以上工作(5)減小了接線電感?？s小了裝置體積。由逆導晶閘管和二極管串聯(lián)組合，可以制成超高壓型晶閘管，其電壓可達7kV，toff可作到200～300μs以下，適于直流輸電中應用。163.2.3光控晶閘管LTT的發(fā)展：LASCR命名的pnpn四層結(jié)構(gòu)晶閘管

LTT的應用：瞄準高壓直流輸電（HVDC）

還可用于電動機控制，電力系統(tǒng)的無功補償，核聚變裝置以及高頻電源系統(tǒng)。三種類型：（1）光間接觸發(fā)；（2）光直接輔助晶閘管觸發(fā)；（3）光直接主晶閘管觸發(fā)。光控晶閘管LightTriggeredThyristor1.概述173.2.3光控晶閘管特征:非接觸控制:實現(xiàn)主回路與控制回路的良好隔離；提高系統(tǒng)的抗干擾能力；快速動作:獲得高速化性能、以利串聯(lián)支路中若干個器件的同時開通，且大大簡化系統(tǒng)，減小裝置體積，提高系統(tǒng)可靠性。183.2.3光控晶閘管2.LTT的結(jié)構(gòu)及工作原理LTT的結(jié)構(gòu)LTT的等效電路

結(jié)構(gòu):193.2.3光控晶閘管電子空穴對主要產(chǎn)生在下述三個區(qū)域:（1）J2結(jié)勢壘區(qū)。受強電場的作用，在小于10-9s的時間內(nèi)被電場分開并分別掃向nB區(qū)和pB區(qū)，各自成為pnp晶體管和npn晶體管的基極電流。它們大小相同，與載流子產(chǎn)生率相比，其時間延遲可以忽略。（2）nB基區(qū)。在J2結(jié)勢壘區(qū)以外nB區(qū)一個少子擴散長度范圍內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對，由擴散作用到達J2結(jié)勢壘區(qū)邊緣。（3）pB基區(qū)。同理，pB基區(qū)Ln范圍內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對也向兩個晶體管的基極提供多子電流。工作原理:203.2.3光控晶閘管假定硅表面反射系數(shù)為R，吸收系數(shù)為，量子產(chǎn)生率為，注入到硅表面的光子數(shù)為，距入射表面x處光的吸收由Lambert法則表示為：三個區(qū)域在正偏、光照下產(chǎn)生的電流為Ip，有式中I1x——空間電荷區(qū)受光照后產(chǎn)生的電流；I2L——nB和pB區(qū)一個擴散長度范圍內(nèi)光照產(chǎn)生的電流。xm表示空間電荷區(qū)寬度，Lp和Ln分別表示nB和pB區(qū)的空穴、電子擴散長度。213.2.3光控晶閘管光觸發(fā)靈敏度:

定義使LTT開通的最小光能為最小光觸發(fā)功率，也稱為光觸發(fā)靈敏度。對于連續(xù)光源通常稱功率，單位為mW；對脈沖光源一般稱能量單位為nJ。3.光觸發(fā)靈敏度223.2.3光控晶閘管高靈敏度的LTT須滿足下述四個要求：（1）有與Si的禁帶能量相適應的波長的光源；（2）光容易入射到硅內(nèi)部，表面無遮蓋物、吸收物，沒有光的散射面；（3）J2結(jié)與J3結(jié)間的距離盡可能?。唬?）光照產(chǎn)生的載流子對的平均壽命長。233.2.3光控晶閘管當λ>1.12μm，光子沒有足夠的能量產(chǎn)生電子空穴對。波長越短雖具有的能量大，但硅的吸收也增大，光的穿透深度小，不能到達有效產(chǎn)生電子空穴對的J2結(jié)附近勢壘區(qū)。因此作為LTT的光源只能是適當波長范圍的光。理論和實踐結(jié)果表明，當0.9μm<λ<1.06μm，光的靈敏度有最大值。λ=hc/Eg光譜靈敏度

硅內(nèi)部有效地產(chǎn)生電子、空穴，對應Eg=1.11eV光的波長：24要求掌握的內(nèi)容1.雙向晶閘管的四種觸發(fā)方式，一般采用

什么極性的信號觸發(fā)？雙向晶閘管的國內(nèi)型號，額定值。

2.逆導晶閘管的電特性有些什