晶闸管特性、作用
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当IA和IK的减小使1+2<1时，器件退出 饱和而关断
图1.17 关断过程等效电路
③由上述分析我们可以得到以下结论：
☆ GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是
导通时饱和程度较浅。 出饱和而关断。
☆ GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退
☆多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通
过程快，承受di/dt能力强 。
截止区
②动态特性
开通过程 90% I b1 延迟时间 t d 和上升时间 ， 10% I b1 t 二者之和为开通时间 。 0 on tr 加快开通过程的办法 。 关断过程 储存时间 和下降时间 ts 二者之和为关断时间 tf 加快关断速度的办法。 t o ff 。
90% ，Ics
ic t on td tr
1.5 晶闸管的派生器件
1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor— FST)
有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒， 高频晶闸管10s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。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
A IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K EA R
图1.16 晶闸管的工作原理
导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时
饱和程度较浅
关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲 即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和 Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又 进一步减小V2的基极电流。
⑵ GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间 t ，使等效晶体退出饱 s 和 。 下降时间 t ， f
iG
O
t
尾部时间 —残存载流子复 t 合。
t
iA IA 90%IA
td
tr
ts
tf
tt
பைடு நூலகம்
10%IA 0
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t
图1.14
GTO的开通和关断过程电流波形
。此外还有：
①最高工作电压
GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接
法有关。
B U B U B U B U B U c b o c e x c e s c e r c e o
⑵GTR的基本特性
①静态特性 共发射极接法时的典型输出 特性：截止区、放大区和饱和 区。 在电力电子电路中GTR工作 在开关状态。 在开关过程中，即在截止区 和饱和区之间过渡时，要经过 放大区。
Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 O 图1.16 ib1<ib2<ib3 Uce 共发射极接法时GTR的输 出特性
第一章
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
电力电子器件
不可控器件—电力二极管 晶闸管的可控单向导电性 晶闸管的工作原理与特性 晶闸管的主要特性参数 晶闸管的派生器件 典型全控型器件 电力电子器件的驱动 电力电子器件的保护 电力电子器件器件的串联和并联使用
1.3.2 晶闸管伏安特性： 1） 静态特性
ib
I b1
t
I b2 t off I cs ts tf
10% I cs 0
t0 t1
t2
t3
t4
t5
t
图1.17 GTR的开通和关断过程电流波形
GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。
⑶ GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极 间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断 时间toff
典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力 场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
常用的典型全控型器件
门极可关断晶闸管
IGBT单管及模块 图1.13 常用的典型全控型器件
电力MOSFET
1.6.1 门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，
图1.15 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具
有共基极电流增益1和2 。
1+2=1是器件临界导通的条件。
GTO 能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有 如下区别： 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO关断。 导通时1+2更接近1，导通 时接近临界饱和，有利门极 控制关断，但导通时管压降 增大。 多元集成结构，使得P2基区 横向电阻很小，能从门极抽 出较大电流。
3）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du/dt ——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上升率。 ——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导 通。 通态电流临界上升率di/dt ——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。 ——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
（1）正向特性 ○IG=0时，器件两端施加正向 电压，只有很小的正向漏 电流，为正向阻断状态。 ○正向电压超过正向转折电压 Ubo，则漏电流急剧增大， 器件开通。
○随着门极电流幅值的增大，
U R SM U R R M -U A
IA 正向 导通
IH O
IG 2
IG 1
IG = 0
U DR M U bo + U A U D SM
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
1.6.2
术语用法：
电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为 巨型晶体管） 。
耐高电压、大电流的双极结型晶体管（ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称 为Power BJT。 应用:
⑴GTR的结构和工作原理
在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流与基极电流之比为
ic ib
——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电
极电流的控制能力 。
当考虑到集电极和发射极间的漏电流时，
ic i iceo b
单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左 右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
G K O IG = 0 U
A
a)
b)
图1-9 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
4)光控晶闸管（Light Thyristor——LTT）
又称光触发晶闸管，是 利用一定波长的光照信 号触发导通的晶闸管。 光触发保证了主电路与 控制电路之间的绝缘， 且可避免电磁干扰的影 响。
不用平均值而用有效值 来表示其额定电流值。
图1-8 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
3) 逆导晶闸管（ Reverse Conducting Thyristor——RCT） I
将晶闸管反并联一个 二极管制作在同一管 芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关 断时间短、高温特性 好、额定结温高等优 点。
使用注意： 通常取晶闸管的 U D R M 和 U R R M 中较 小的标值作为该器 件的额定电压。 选用时，一般取额 定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰 值电压2-3倍。
2）电流定额
通态平均电流 IT(AV） ——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。标称其额定 电流的参数。 ——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 维持电流 IH ——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 擎住电流 IL ——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。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2-4倍。 浪涌电流ITSM ——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性 最大正向过载电流 。
不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 受反压时，应和电力二极管串联 。
③最大可关断阳极电流 I A T O ——GTO额定电流。 ④ 电流关断增益off ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电 流最大值IGM 之比称为电流关断增益。
o ff
I ATO I GM
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
A
Triggered
IA
强 G K O
光强度
弱
U AK
a)
b)
因此目前在高压大功率 的场合。
图1-10 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
1.6
典型全控型器件
1.6.0 引言
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时 代。
通常 t f 比 t s 小得多，而 t t 比 t s 要长。门极负脉冲电流幅值 t s 越短。 越大，
⑶ GTO的主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 以下只介绍意义不同的参数。 ①开通时间ton
—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般 约1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而 增大。 ② 关断时间toff —— 一般指储存时间和下降时间之和，不包 括尾部时间。下降时间一般小于2s。
图1.14 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 电气图形符号
c)
②工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型 来分析。 A A
P1 N1 G P2 N2 K a) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK b) K EA R
2）双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC 或Bidirectional triode thyristor）
可认为是一对反并联联接的普 通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门 极G。 G 在第Ｉ和第III象限有对称的伏 安特性。
a) I T1
IG = 0 O T2
U
b)
iA 100% 90%
10% 0 td uAK
tr IRM
t
O
t
trr
URRM t gr
图1.7 晶闸管的开通和关断过程波形
1.4 闸管的主要特性参数
1）电压定额
断态重复峰值电压UDRM ——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。 反向重复峰值电压URRM ——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。 通态（峰值）电压UT ——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。
雪崩 击穿
正向转折电压降低。 1V左右。
- IA
○晶闸管本身的压降很小，在
图1.6 晶闸管伏安特性
（2）反向特性
IA 正向 导通
反向特性类似二极管的反 向特性。
U R SM U R R M
IH O
IG 2
IG 1
IG = 0
反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。
当反向电压达到反向击穿 电压后，可能导致晶闸管 发热损坏。
-U A
U DR M U bo + U A U D SM
雪崩 击穿
- IA
图1.6 晶闸管伏安特性
2） 动态特性
(1) 开通过程 延迟时间td (0.5-1.5s) 上升时间tr (0.5-3s) 开通时间tgt以上两者之 和，tgt=td+ tr 2) 关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq以上两者之和 tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几 百微秒
20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸 管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
图1.15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
⑴ GTO的结构和工作原理
①结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引 出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO 元的阴极和门极在器件内部并联在一起
图1.17 关断过程等效电路
③由上述分析我们可以得到以下结论：
☆ GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是
导通时饱和程度较浅。 出饱和而关断。
☆ GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退
☆多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通
过程快，承受di/dt能力强 。
截止区
②动态特性
开通过程 90% I b1 延迟时间 t d 和上升时间 ， 10% I b1 t 二者之和为开通时间 。 0 on tr 加快开通过程的办法 。 关断过程 储存时间 和下降时间 ts 二者之和为关断时间 tf 加快关断速度的办法。 t o ff 。
90% ，Ics
ic t on td tr
1.5 晶闸管的派生器件
1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor— FST)
有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒， 高频晶闸管10s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。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
A IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K EA R
图1.16 晶闸管的工作原理
导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时
饱和程度较浅
关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲 即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和 Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又 进一步减小V2的基极电流。
⑵ GTO的动态特性
开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间 t ，使等效晶体退出饱 s 和 。 下降时间 t ， f
iG
O
t
尾部时间 —残存载流子复 t 合。
t
iA IA 90%IA
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பைடு நூலகம்
10%IA 0
t0
t1
t2
t3
t4
t5
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t
图1.14
GTO的开通和关断过程电流波形
。此外还有：
①最高工作电压
GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接
法有关。
B U B U B U B U B U c b o c e x c e s c e r c e o
⑵GTR的基本特性
①静态特性 共发射极接法时的典型输出 特性：截止区、放大区和饱和 区。 在电力电子电路中GTR工作 在开关状态。 在开关过程中，即在截止区 和饱和区之间过渡时，要经过 放大区。
Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 O 图1.16 ib1<ib2<ib3 Uce 共发射极接法时GTR的输 出特性
第一章
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9
电力电子器件
不可控器件—电力二极管 晶闸管的可控单向导电性 晶闸管的工作原理与特性 晶闸管的主要特性参数 晶闸管的派生器件 典型全控型器件 电力电子器件的驱动 电力电子器件的保护 电力电子器件器件的串联和并联使用
1.3.2 晶闸管伏安特性： 1） 静态特性
ib
I b1
t
I b2 t off I cs ts tf
10% I cs 0
t0 t1
t2
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t5
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图1.17 GTR的开通和关断过程电流波形
GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。
⑶ GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极 间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断 时间toff
典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力 场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。
常用的典型全控型器件
门极可关断晶闸管
IGBT单管及模块 图1.13 常用的典型全控型器件
电力MOSFET
1.6.1 门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，
图1.15 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具
有共基极电流增益1和2 。
1+2=1是器件临界导通的条件。
GTO 能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有 如下区别： 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO关断。 导通时1+2更接近1，导通 时接近临界饱和，有利门极 控制关断，但导通时管压降 增大。 多元集成结构，使得P2基区 横向电阻很小，能从门极抽 出较大电流。
3）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du/dt ——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上升率。 ——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导 通。 通态电流临界上升率di/dt ——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。 ——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
（1）正向特性 ○IG=0时，器件两端施加正向 电压，只有很小的正向漏 电流，为正向阻断状态。 ○正向电压超过正向转折电压 Ubo，则漏电流急剧增大， 器件开通。
○随着门极电流幅值的增大，
U R SM U R R M -U A
IA 正向 导通
IH O
IG 2
IG 1
IG = 0
U DR M U bo + U A U D SM
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。
1.6.2
术语用法：
电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为 巨型晶体管） 。
耐高电压、大电流的双极结型晶体管（ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称 为Power BJT。 应用:
⑴GTR的结构和工作原理
在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流与基极电流之比为
ic ib
——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电
极电流的控制能力 。
当考虑到集电极和发射极间的漏电流时，
ic i iceo b
单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左 右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。
G K O IG = 0 U
A
a)
b)
图1-9 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
4)光控晶闸管（Light Thyristor——LTT）
又称光触发晶闸管，是 利用一定波长的光照信 号触发导通的晶闸管。 光触发保证了主电路与 控制电路之间的绝缘， 且可避免电磁干扰的影 响。
不用平均值而用有效值 来表示其额定电流值。
图1-8 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
3) 逆导晶闸管（ Reverse Conducting Thyristor——RCT） I
将晶闸管反并联一个 二极管制作在同一管 芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关 断时间短、高温特性 好、额定结温高等优 点。
使用注意： 通常取晶闸管的 U D R M 和 U R R M 中较 小的标值作为该器 件的额定电压。 选用时，一般取额 定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰 值电压2-3倍。
2）电流定额
通态平均电流 IT(AV） ——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。标称其额定 电流的参数。 ——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 维持电流 IH ——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 擎住电流 IL ——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。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2-4倍。 浪涌电流ITSM ——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性 最大正向过载电流 。
不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 受反压时，应和电力二极管串联 。
③最大可关断阳极电流 I A T O ——GTO额定电流。 ④ 电流关断增益off ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电 流最大值IGM 之比称为电流关断增益。
o ff
I ATO I GM
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
A
Triggered
IA
强 G K O
光强度
弱
U AK
a)
b)
因此目前在高压大功率 的场合。
图1-10 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
1.6
典型全控型器件
1.6.0 引言
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时 代。
通常 t f 比 t s 小得多，而 t t 比 t s 要长。门极负脉冲电流幅值 t s 越短。 越大，
⑶ GTO的主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同， 以下只介绍意义不同的参数。 ①开通时间ton
—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般 约1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而 增大。 ② 关断时间toff —— 一般指储存时间和下降时间之和，不包 括尾部时间。下降时间一般小于2s。
图1.14 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 电气图形符号
c)
②工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型 来分析。 A A
P1 N1 G P2 N2 K a) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK b) K EA R
2）双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC 或Bidirectional triode thyristor）
可认为是一对反并联联接的普 通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门 极G。 G 在第Ｉ和第III象限有对称的伏 安特性。
a) I T1
IG = 0 O T2
U
b)
iA 100% 90%
10% 0 td uAK
tr IRM
t
O
t
trr
URRM t gr
图1.7 晶闸管的开通和关断过程波形
1.4 闸管的主要特性参数
1）电压定额
断态重复峰值电压UDRM ——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。 反向重复峰值电压URRM ——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。 通态（峰值）电压UT ——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。
雪崩 击穿
正向转折电压降低。 1V左右。
- IA
○晶闸管本身的压降很小，在
图1.6 晶闸管伏安特性
（2）反向特性
IA 正向 导通
反向特性类似二极管的反 向特性。
U R SM U R R M
IH O
IG 2
IG 1
IG = 0
反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。
当反向电压达到反向击穿 电压后，可能导致晶闸管 发热损坏。
-U A
U DR M U bo + U A U D SM
雪崩 击穿
- IA
图1.6 晶闸管伏安特性
2） 动态特性
(1) 开通过程 延迟时间td (0.5-1.5s) 上升时间tr (0.5-3s) 开通时间tgt以上两者之 和，tgt=td+ tr 2) 关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq以上两者之和 tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几 百微秒
20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸 管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
图1.15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。
⑴ GTO的结构和工作原理
①结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引 出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。 内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO 元的阴极和门极在器件内部并联在一起