双向晶闸管

1．5双向晶闸管

双向晶闸管(TRIAC，Bidirectional Triode Thyrister，Triode AC Switch)是把两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上，用一个门极控制触发的组合型器件。这种结构使它在两个方向都具有和晶闸管同样的对称的开关特性，且伏安特性相当于两只反向并联的晶闸管，不同的是它由一个门极进行两个方向控制，因此可以认为是一种控制交流功率的理想器件，主要应用于交流无触点继电器、交流相位控制等。

1．5．1双向晶闸管的基本结构和伏安特性

双向晶闸管是一种交流器件，其伏安特性是对称的。即正向或反向都具有能触发导通的开关特性，因此无所谓阳极与阴极。通常，把通向主回路的两个引出端子分别称为Tl，T2端，并假定靠近门极的端子为T1端，也就是常规的阴极，见图1．9。

1、特性与符号

双向晶闸管的外形与普通晶闸管相同，也有塑封式、螺栓式和平板式，也有三个电极，其中一个是门极G，另外两

个则分别叫做第一阳极和第二阳极。

图1．9(a)给出了双向晶闸管的典型结构。它内部有NPNPN五层结构；T2，Tl，G为三个引出端子。其中P1N1P2N2 称为正向晶闸管，其伏安特性画在第1象限，称为(I)特性。而把与正向晶闸管反向并联的N4P1N1P2 称为反向晶闸管，其伏安特性画在第1II象限，称为(111)特性。如图1．9(b)所示，这两个晶闸管的触发导通都是由门极G来控制的。

2、触发方式

双向晶闸管的触发信号加在门极与第一阳极之间。不论触发信号的极性如何，都能被触发。因此可用交流信号做触发信号。因双向晶闸管的主电路加正、反向电压都能被触发的特性双向晶闸管的触发方式有四种。

（1）Ⅰ+触发方式：曲线在第一象限，a2为正，a1为负，g对a1为正。

（2）Ⅰ-触发方式：曲线在第一象限，a2为正，a1为负，g对a1为负。

（3）Ⅲ+触发方式：曲线在第三象限，a2为负，a1为正，g对a1为正

（4）Ⅲ-触发方式：曲线在第三象限，a2为负，a1为

正，g对a1为负

四种触发方式中其中以Ⅲ+方式要求触发电流最大，因而触发灵敏度最低，使用中应尽量避免使用这种触发方式。

1．5．2双向晶闸管的主要参数

双向晶闸管的参数与普通晶闸管相似，但因其结构及使用条什的差异又有所不同。

1．额定电流、通态压降

普通晶闸管在半波下使用，其峰值电流是平均值的兀倍，而双向晶闸管在全波下使用，其峰值电流是有效值的2倍。通常，双向闸管的额定电流是指有效值电流。双向晶闸管每个半波都有各自的通态压降。由于结构及工艺的原因，其正、反两个通态压降值可能有较大的差别，使用时应尽量选用偏差小的，即具有比较对称的正、反向通态压降的器件。

2．动态参数

(1) 电流上升率di／dt。双向晶闸管通常不用于逆变电路，对dildt的要求不高。但实际上，仍然存在因di／dt 损坏器件的可能。因此，提高双向晶闸管di／dt容量的方法

及保护电路和普通晶闸管的一样考虑。

(2) 开通时间和关断时间。双向晶闸管的触发导通过程需经过多个晶体管的相互作用后才能完成，故载流子渡越时间较长，导致开通延迟时间较长。关断时间不是双向晶闸管的必测参数，但关断时间与存储电荷有关。所以，实际上关断时间是反映换向能力强弱的重要参数。

(3) 电压上升率du／dt。du／dt是双向晶闸管的一个重要参数。因为双向晶闸管作为开关器件使用时，有可能出现相当高的du／dt值，du／dt是一项必测参数。

1．6功率晶体管

功率晶体管(GTR，Giant Transistor)是一种双极型大功率高反压晶体管。它大多作为功率开关使用，对其要求与模拟电子技术讨论的小信号晶体管不同。由于电力晶体管的工作电流大、功率损耗也大，故其工作状况出现了一些新的问题，在结构上也有新的特点。

功率晶体管是电力电子学领域不可缺少的器件，也是电力半导体器件的重要组成部分，在交直流调速、不间断电源、中频电源等电力变流装置中被广泛应用。在中小功率应用方面，功率晶体管是取代晶闸管的白关断器件之一。目前GTR的容量已达400A／1200V．，1000A／400V，耗散功率已达3kw以上。

在电力开关电路中，广泛应用的功率晶体管有NPN和PNP 两种结构。其电流由两种载流子(电子和空穴)的运动形成，所以通常又称为双极型晶体管(BJT)。目前常用的功率晶体管器件有单管GTR、达林顿管和GTR模块三大系列

。

1．6．1功率晶体管的结构与工作原理

1．单管GTR的结构

图1．10所示为GTR的结构示意图。其内部结构原理

及电极的命名与晶体三极管相同，所用概念与小信号晶体管电路相同。

在小功率信号处理方面，晶体管的主要用途是放大信号，要求晶体管的增益适当、本征频率高、噪声系数低、线性度好、温度漂移小以及时问漂移小等。作为功率开关使用的功率晶体管，要求有足够大的容量(大电流、高电压)、适当的增益、较高的开关速度和较低的功率损耗等。

由于功率晶体管的工作电流大、功率损耗大，故在分析小信号晶体管时所忽略的一些因素(如基区注入效应、扩展效应和发射极电流集边效应等)将严重地影响GTR的品质，造

成电流增益低、特征频率降低、局部过热等问题。

为了削减上述三种物理效应影响，在GTR的制造过程中

采取了特别措施以保证功率应用的需要，如扩大结片的面积，采用特殊形状的管心、精细结构等制造工艺，以增大电流、提高开关速度和提高直流增益。

2．单管GTR的基本工作原理

I E = I C + I B

I C /I E = α

I C / I B = I C/(I E– I C) = (I C/I E)/(I E/I E– I C/I E) = α/（1 –α）= β

对于单管GTR来说，受其结构特点的限制，电流增益都较低，最大约为20倍。电流增益决定了需要限制饱和压降达到理想值时基极驱动的电流量。

作为大功率开关管应用时，GTR工作截止和饱和导通两种状态，在理想情况卜，晶体管饱和导通时可以看做短路，截止时可看做开路(断路)。