晶闸管及其工作原理

（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流IT(AV)
1）定义：在环境温度为40℃和规定的冷却条件下,
晶 闸管在电阻性负载导通角不小于170°的单相工频正弦 半波电路中, 当结温稳定且不超过额定结温时所允许的 最大通态平均电流。
在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算 后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电 流裕量。

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 。

1.4.2 可关断晶闸管的特性
图1.4.2
可关断晶闸管的开关特性
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1.5、 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。 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名 称等效. 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。

MCT自20世纪80年代末问世，已生产出 300A/2000V、1000A/1000V的器件； 结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复 合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制 元件是MOSFET； 特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输 入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；
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1.8.4 MOS控制晶闸管（IGCT/GCT）
4. 光控晶闸管(LTT)
1)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。 2）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，因此目前在高压大功率的场合， 如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。 返
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1.4 可关断晶闸管
可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐 压高，电流大等。同时它又是全控型器件， 即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉 冲电流触发下关断。
桥臂的换流
一般来说，换流方式可分为以下四种：
（1 ）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能 力进行换流称为器件换流。 （2 ）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件 关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换流。 （3 ）负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器 件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载换 流。凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可以实现 负载换流。
1.9 、电力电子器件的驱动与保护
• （1）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出 的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关 器件的通、断状态。 • （2）过流、过压保护：包括器件保护和系统保护两个方 面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器 件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、 输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩 溃而造成事故。 • （3）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压和过 • 流，减小开关损耗。
1.9.1 电力电子器件的换流方式
定义：电流从一个臂向另一个臂转移的 过程称为换流（或换相）。

电力半导体器件可以用切断或接通电流 的开关表示。 • 在图1.9.1中，T1、T2表示由两个电力 半导体器件组成的导电臂，当T1关断，T2 导通时，电流流过T2；当T2关断，T1导通时， 电流i从T2转移到T1。 图1.9.1
P沟道
电力MOSFET
N沟道
增强型:
对于N（P）沟道器件, 栅极电压大于（小于） 零时才存在导电沟道
1、电力场效应管的结构
图1.6.1
N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号
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1.7 、绝缘栅双极型晶体管
IGBT：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。 兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性 两者优点的一种复合器件。 IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而 且很有前途的一种混合型器件。 目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高 电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速 低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分 MOSFET的市场。
（4）脉冲换流：
设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供 换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另 一个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电 容换流。

脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。
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1.9.2 驱动电路
驱动电路的基本任务： •
将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换 为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通 或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关 断控制信号。 在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进 行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。
模块一 调光灯
项目一 认识晶闸管和单结晶体管
• 1.1.1 晶闸管及其工作原理 • 1.1.2 晶闸管的特性与主要参数 • 1.1.3 晶闸管的派生器件
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1.1 、晶闸管
晶闸管 (Thyristor) 包括：普通晶闸管 (SCR) 、快速 晶 闸 管 (FST) 、 双 向 晶 闸 管 (TRIAC) 、 逆 导 晶 闸 管 (RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 普 通 晶 闸 管 ： 也 称 可 控 硅 整 流 管 (Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大 , 电压耐量高以及开通的可控性 (目前生产水平： 4500A/8000V)已被广泛应用于相控整 流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率 低频(200Hz以下)装置中的主要器件。
（4）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器 用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直 流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用 的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以 及输出至负载的电力质量。 （5）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热， 减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。 （6）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制， 综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、 关断信号，开机、停机信号和保护信号。
1、GTR共射电路输出特性
输出特性：截止区(又叫阻断区)、 线性放大区、准饱和区和深饱和 区四个区域。


截止区：类似于开关的断态； 线性放大区： 准饱和区：
图1.5.3共发射极接法 时GTR的输出特性 返

深饱和区：类似于开关的通态。
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1.6 电力场效应晶体管
耗尽型： 增强型 耗尽型
当栅极电压为零时漏 源极之间就存在导电 沟道；
• • • • • 1.8.1 1.8.2 1.8.3 1.8.4 1.8.5 静电感应晶体管 静电感应晶闸管 MOS控制晶闸管 集成门极换流晶闸管 功率模块与功率集成电路
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1.8.1 静电感应晶体管（SIT）

它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、 输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力 强等优点； 广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的 高频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、 大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以 及空间技术等领域。
1.1.1 晶闸管及其工作原理
1、晶闸管的结构：
图1.1.1
晶闸管的外型及符号
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
3. 晶闸管的主要特性参数
（1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压Ute 1）正向重复峰值电压UDRM : 2）反向重复峰值电压URRM : 3 ）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取 UDRM 与 URRM 中的最小值 , 选用时，额定电压要留有 一定裕量 , 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。
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1.3.3 晶闸管的派生器件
1. 快速晶闸管(Fast Switching Thyristor—FST

可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶 闸管(Fast Switching Thyristor，简称FST)，开关频率 在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通 晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一 般在2000V以下。

3、可关断晶闸管的应用
GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地 方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦 级的数量级。 用门极正脉冲可使GTO开通， 用门极负脉冲可以使 其关断， 这是GTO最大的优点。 但要使GTO关断的门极 反向电流比较大， 约为阳极电流的１/５左右。

GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型， 在使 用时要特别注意。
1、IGBT的伏安特性和转移特性
（1）IGBT的伏安特性（如图a) 反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输出端 电压UCE与电流Ic的关系。 IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和 区和击穿区。
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图1.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性
1.8 、其它新型电力电子器件
2. 双向晶闸管(TRIAC)
有两个主电极T1和T2，一 个门极G。 正反两方向均可触发导通， 所以双向晶闸管在第Ｉ和 第III象限有对称的伏安特性。
图1.3.6 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 (RCT)
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。
（5）维持电流ＩＨ 和掣住电流ＩL
• 1）维持电流ＩＨ： 在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好 能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH 。 • 2）掣住电流ＩL ： 给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转 为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需 要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。
1、可关断晶闸管的结构 PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门 极
图1.4.1 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 (c) 电气图形符号
• 2、可关断晶闸管的工作原理
1）GTO的导通机理与SCR是相同的。 2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉 冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存 的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和 而关断。
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1.8.2 静电感应晶闸管（SITH）
它自1972年开始研制并生产； 优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压 降低、开关速度快、损耗小及耐量高等； 应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开 关电源等领域；
缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；
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1.8.3 MOS控制晶闸管（MCT）
20世纪90年代后期出现。结合了IGBT与GTO的优点， 容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而 复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；
•
IGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优 选功率器件之一。
•
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1.8.5 功率模块与功率集成电路
20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封 装在一个模块中，称为功率模块。 • 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 • 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而 简化对保护和缓冲电路的要求。 • 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断 等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成返 回 电路（Power Integrated Circuit——PIC）。
（3）门极触发电流IGT和门极触发电压 UGT
在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使 元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触 发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门 极触发电压UGT。
（4）通态平均电压UT(AV )
在规定环境温度、标准散热条件下， 元件通以 正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值， 称通态平均电压(又称管压降)