第三讲 晶闸管

这个演示实验给了我们什么启发呢?
第1章第5页
S
4.5V G 1.5V SB R~ 图3-1
EL A VS KP1
K
V
第1章第6页
这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极A 与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极 K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮 开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。
1 ( 1 2 )
（3-5）
晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极 电流建立起来之后， 迅速增大。
第1章第10页
3.1
晶闸管的结构与工作原理
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏
电流稍大于两个晶体管漏电流之和
开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的 发射极电流增大以致 1+2 趋近于 1 的话，流过
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3.2
晶闸管的基本特性
单个PN结需要到VB时发生击穿，PNP结构时，在VBR时发生 击穿， VBR=VB（1- α 1）1/n 3 晶闸管正向转折电压）VBF 同样的分析用于 J2 结的转折电压（晶闸管正向转折电压） VBF，得到 VBF=VB（1- （α 1+ α
2
））1/n
α 2为N1P2N2结构的电流放大系数。
（3-1） （3-2）
第1章第9页
3.1
晶闸管的结构与工作原理
IK=IA+IG
IA=Ic1+Ic2
（3-3）
（3-4）
式中 1 和 2 分别是晶体管 V1 和 V2 的共基极电流增益； ICBO1 和 ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（3-1）~（34）可得
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
可以知道： VBF<=VBR。
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3.2
实际上:
晶闸管的基本特性
UB(V)
VBR VFR
T(°C)
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3.2
原因:
晶闸管的基本特性
P1 N1 P2 N2
J1 E
J2
J3
ຫໍສະໝຸດ Baidu
U2>U1
第1章第22页
3.2
晶闸管的基本特性
4 提高VBF 的方法 有目的地增加α 2可以导致正向的导通， 这就是门极的作用。但 又可以造成阻断态的VBF 降低。为提高VBF 需要减少α 2 在结构上采用短路点,可以在一定程度上,减小α 2。 短路点的作用：使 N2 区中间的压降低于 J3 结的开起电压 (0.5V), 起不到发射结的作用,注入很小, α 2几乎等于零。
第1章第16页
3.2
晶闸管的基本特性
2 晶闸管的反向转折电压VBR 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性 外加反向电压由J1和J3结承担, J3结两侧的掺杂浓度比J1结高2~3个数量 级, 其耐压很低, 实际上可以看成是直通的欧姆接触。电压几乎全由J1结 承担。 当一个载流子进入反偏PN结的空间电荷区后， 会受到电场的加速作用，与 晶格碰撞后会产生新的空穴-电子对。经过整个空间电荷区得到的载流子 和进入该区的载流子数的比值， 称为倍增系数M 1 M= 1-（V/Vb)n Vb为单PN结击穿电压，n =3~7
3.6 晶闸管的串并联
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半控型器件——晶闸管
晶 闸 管 （ Thyristor ） ： 晶 体 闸 流 管 ， 可 控 硅 整 流 器 （ Silicon Controlled Rectifier——SCR） 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品
3.2
晶闸管的基本特性
IA 正向 导通
1. 晶闸管的伏安特性
第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性
URS M URRM -UA
IH O
IG 2
IG 1
IG=0
UD RM Ub o +UA UD SM
雪崩 击穿
-IA
图3-4 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
第1章第14页
3.2
第一像限：
晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大， 实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
第1章第11页
3.1
晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应
阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发
只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可 靠的控制手段,其它都因不易控制而难以应用
第1章第17页
3.2
晶闸管的基本特性
P1 N1 P2 N2
2 晶闸管的反向转折电压VBR
U
J1 E
J2
J3
U2>U1
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3.2
晶闸管的基本特性
J1 结反偏，相当与 PNP 晶体管的集电结， J2 结正偏，相当 于发射结， J2 结向 N1 区注入空穴电流 IA 但只有 α 1IA 到达 J1 的空间电荷区， α 1为P1N1P2结构的电流放大系数。 J1结自身还有反向漏电流I0， 有倍增时： IA= MI0+ Mα 1IA 得到 ： IA= MI0/（1- Mα 1） 举例：M=2， α 1=0.4时， IA= 5MI0 Mα 1→1时， IA →无穷大，表示击穿 举例： α 1=0.4， M=2.5时， Mα 1→1
第1章第24页
3.2
状态
晶闸管的基本特性
条件 1.阳极电位高于阴极电位; 2.控制极有足够的电压和电流 1.阳极电位高于阴极电位; 2.阳极电流大于维持电流 1.阳极电位低于阴极电位; 2.阳极电流小于维持电流 说明 两者缺一不可 两者缺一不可 任一条件即可
可控硅导通和关断条件
从关断到导通 维持导通 从导通到关断
P1 A
N1
P2
N2 K
Rl
图3-5 短路发射极示意图
第1章第23页
3.2
晶闸管的基本特性
5. Ig 对正向导通到阻断特性的影响 Ig =0, Ioff= IH Ig >0, Ioff< IH Ig <0, Ioff> IH (IA= Ioff,） IA/ |Ig| 称为关断增益. α 2几乎等于1, α 1+α 2应该不比1大太多(GTO)
晶闸管的基本特性
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过， 正向电压超过临界极限即正向转折电压 Ubo，则漏电流急剧增大，可能使器件
开通 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在1V左右 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值 IH以下， 则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。
1958年商业化, 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭 新时代
20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具 有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管。 广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
第1章第4页
3.1
晶闸管的结构与工作原理
为了能够直观地认识晶闸管的工作特性，大家先看这块示教板(图3-1)。 晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注意阳 极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关 SB接在1.5V直流电源的正极。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正 向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现 在我们把可变电阻R~调到最小值,合上电源开关S，小灯泡不亮，说明 晶闸管没有导通,电压表的测量值约等于6V；再按一下按钮开关SB， 给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了,即使 把SB断开,小灯泡依然亮,电压表测量值在1V左右。如果这时候增加可 变电阻R~,会发现灯光在逐渐的暗淡,但电压表的值几乎不变,继续增加 R~到一定程度,小灯泡会熄灭,电压表的值会增加到6V左右,表示晶闸 管关断,再反方向减少R~,灯也不会亮, 说明晶闸管依然关断。 如果把4.5V电池反向连接,无论怎么连接开关,灯都不会亮.
晶闸管的特点： 是“一触即发”。但是，如果阳极或控 制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作 用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关 断。那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导 通的晶闸管关断，可以断开阳极电源(图3-1中的开关S)或 使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流Ih)。如 果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电 压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。
tgt=td+ tr
（3-6）
普 通 晶 闸 管 延 迟 时 间 为 0.5~1.5s ， 上 升 时 间 为 0.5~3s
第1章第27页
3.2
2) 关断过程:
晶闸管的基本特性
关断的方法:i) 断开负载电路, ii) 改变电源电压极性 iii) 负的门极电流 通常讨论的是改变电源电压极性过程中的关断机理。 关断过程中主要是靠复合来减少N1区的存储电荷。. 反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向 导通 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其 对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr （3-7） 普通晶闸管的关断时间约几百微秒, 快速晶闸管的关断时间为十几到几十个微秒。
第三像限：
晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性
第1章第15页
3.2
晶闸管的基本特性
晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴 极流出
阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端
门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极 之间施加触发电压而产生的
晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称 为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发 电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠 触发区。
于实践。
第1章第12页
3.2
晶闸管的基本特性
3.2.1. 静态特性
承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况 下晶闸管才能开通
晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接 近于零的某一数值以下或电极反向.
第1章第13页
第1章第25页
3.2
3.2.2. 动态特性
iA 100% 90%
晶闸管的基本特性
10% 0 td uA K
tr IRM
t
O
t
tr r
URRM t gr
图3-6 晶闸管的开通和关断过程波形
第1章第26页
3.2
1) 开通过程
晶闸管的基本特性
延迟时间 td ：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电 流上升到稳态值的10%的时间 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90% 所需的时间 开通时间tgt以上两者之和，
电力电子器件基础
电力电子器件概述 第一讲 功率二极管 第二讲 功率晶体管
第三讲 晶闸管
第四讲 功率MOS器件/IGBT 第五讲 半导体器件的塑料封装
第1章第2页
第三讲 半控器件—晶闸管
3.1 晶闸管的结构与工作原理 3.2 晶闸管的基本特性 3.3 晶闸管的主要参数 3.4 晶闸管的派生器件
3.5 晶闸管的触发
3.1
晶闸管的结构与工作原理
A A P1 N1 G P2 N2 K a) b) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K R EA
图3-3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
Ic1=1 IA + ICBO1 Ic2=2 IK + ICBO2
第1章第7页
3.1
晶闸管的结构与工作原理
外形有螺栓型和平板型以及塑料封装 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间,有利于散热
a
g k
图3-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 第1章第8页
第1章第28页
3.2
晶闸管的基本特性
3) 晶闸管的电流上升率di/dt耐量 1. 电流上升过快, 导通时的瞬间功率大到几个千瓦, 而硅的比热很小, 导热率低, 会使温度显著上升, 载 流子增多, 电流密度更大, 进入恶性的正反馈过程, 最后使先导通区域的硅熔化. 2. 提高di/dt耐量的方法: i. 强触发法, Ig大, 效果一般