电力电子器件45章

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1、第四章 晶闸管（Thyristor） 第一节 晶闸管的工作原理与特性 第二节 特种用途晶闸管 第三节 晶闸管的应用基础晶闸管（Thyristor） PNPN四层结构开关器件普通晶闸管（Silicon Controlled Rectifier ） SCR 反向阻断三端晶闸管。派生器件有: 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor） 反向导通的逆导晶闸管（ RCT Reverse Conducting Thyristor） 双向晶闸管（TRIAC Triode AC Switch Thyristor ） 门极可关断晶闸管（GTO Gate Turn Off Thyristor）

2、门极辅助关断晶闸管（GATO Gate Assisted Turn Off Thyristor）光控晶闸管（Light Triggered Thyristor）晶闸管（Thyristor）的定义: 主电压、电流特性至少在第一象限中 有导通、阻断两稳定态，且可在此 两稳态间转换的器件。 逆阻型 双向开关型 DIAC 逆导型 TRIAC第一节 晶闸管（Thyristor）的工作原理与特性 作可控整流、变频、逆变及无触点开关等。 弱电触发 强电输出。一一. 基本结构和基本特性基本结构和基本特性: 1. 螺栓型、压接型。 2. 特性: A.正向偏置下: 电压触发、门极触发、 光触发、温触发、dv/dt

3、触发。 B.自锁式擎住（latch up） 可用脉冲门极触发电流触发。第一节 晶闸管（Thyristor）的工作原理与特性 C. 自然关断（主电流小于维持电流）。 强迫关断（主电路加反偏压，或门极加负信号）。 D. 第三象限为反偏态。二二. 基本工作原理基本工作原理:（一）（一）.两端两端PNPN器件正向导通的物理过程器件正向导通的物理过程:1. 正偏: J1 ， J3 正偏，J2 反偏。 （正向阻断状态）。 器件反向漏电流约为 J2 结的反向漏电流。 J1 ，J3 正偏，多子注入，为 J2 结提供少子源。2. 正偏转折状态: 电压转折触发。 外加电压大于 J2 结雪崩击穿电压； 器件反向电流

4、等于 J2 结的反向雪崩倍增电流。 J2 结两侧: 长基区 N1 内有电子积累， 短基区 P2 内有空穴积累。3. (正偏)再生反馈负阻状态: J2 结的雪崩倍增 P2 注入空穴， N1 注入电子 来不及复合而积累： 补偿 J2 结空间电荷区中的电离杂质 空间电荷区宽度减小 阻断电压减小。 P2 空穴积累，N1 电子积累 P2 电位升高， N1 电位降低 J1 ，J3 正偏压升高 正向注入增大 反向电流增大 通过 结与结的晶体管作用，再生反馈 负阻态。 （主电流增加，压降减小）4. 正向导通状态: J1 、 J2 、 J3 均正偏，当雪崩倍增效应消失时， 若 J1 、 J3 正向注入 J2 结

5、积累载流子 最终使 J2 负偏转正偏 SCR压降减小 （ J1 、J2 、 J3 均正偏） 允许过大电流。（二）（二）.两端两端PNPN器件反向阻断的物理过程器件反向阻断的物理过程: J1反偏， J3 反偏， J2 正偏。 J1 结主要承受 外加电压， J3 结重掺杂区在低压下齐纳击穿， SCR反向特性与整流二极管反向特性类似。（三）（三）.门极触发机理门极触发机理: PNPN 门极电流触发 晶体管放大倍数 随主 电流I 变化 再生反馈。 门极电压 U 电流 IG J3 结正向注入增大注入电子: 在 P2复合 IG 的一部分。 过 J2 结时，被强电场拉向 N1 区，在 N1 区电子积累 J1

6、 结正偏增加 空穴注入增大载流子再生反馈 运动， J1 、J3 结注入大大增大 J2 结两侧载流子积累 增加 J2 结由反偏变为正偏 SCR由阻断态变为通态。 晶闸管的双晶体管模型： 2个 P1 N1 P2 和 N2 P2 N1 晶体管复合成一个晶闸管。晶闸管电流方程为:其中: ，表示 J2 结反向漏电流。物理意义: 正向阻断态的晶闸管，当 时， IA 趋于无穷大，晶闸管被门极信号触发导通。 ，是晶闸管被门极信号 触发导通的必要条件。)(1212COGAIII21CBOCBOCOIII121121（四）（四）.非门极触发机理非门极触发机理: 1.热触发：T增大 增大 导通。 2.dv/dt触发

7、：PN结的势垒电容 位移电流。 ( ) 3.光触发：光照 IA 增大 增大 导通。三三.晶闸管的静态特性与参数晶闸管的静态特性与参数:（一）（一）.正、反向阻断电压正、反向阻断电压:（二）（二）.门极触发特性门极触发特性:dtdvCITdis A.门极触发电流 IGT : 在室温下，UAK6V时， 能使SCR导通的最小门极直流电流。 B.门极触发电压 UGT :对应于IGT 的 UGT 直流电压。 C. 门极不触发电流 IGD :在额定室温下，器件 端电压为断态重复峰值电压 UDRM 时，保持器件 不导通所允许施加的最大门极直流电流。 D. 门极不触发电压 UGD : 对应于 UGK 的 UG

8、K 直流电压。既灵敏，又无误触发。1. 门极伏安特性门极伏安特性: UGK IG 。 J3 结正偏。结正偏。(P2区横向电阻存在偏差范围)2. 门极触发特性门极触发特性: T增大 面积S减小 可触发区 （ACDBEF所围区域）增大。3. 门极偏置门极偏置: A. 门极负偏置:（不超过 P2 N2 的击穿电压） UGK 增大（负的）: 正向阻断电压增大 dv/dt 增大 t off 减小。 B. UAK 反偏时: 不宜加反向电压。4. GTGDIIGTGDUU（三）（三）.电流特性电流特性: 阀值电压 UTH 和等效电阻 rT ； 通态功率损耗 PT ； 擎住电流 IL 和维持电流 IH : 擎

9、住电流: 是当SCR用门极信号触发时，使其导通 所需的最小 IAK 电流。 维持电流: 是当SCR稳定导通后，减小 IAK ， 维持导通的最小 IAK 电流。HLII 四四.晶闸管的动态特性与参数晶闸管的动态特性与参数: （阻断导通） 开通时间 tgt ，关断时间 tq ， 通态电流临界上升率 di/dt ， 断态电压临界上升率 dv/dt 。（一）（一）.开通特性开通特性: 局部导通横向扩展阴极面全面导通。1. 开通时间开通时间:（阻断局部导通）。rdgtttt延迟时间 td : 电子和空穴渡越长短基区到达 J2 结两侧 积累所需的时间。上升时间 tr : J2 结两侧的载流子使 J2 由反

10、偏正偏， IAK 大大增大，SCR局部导通的时间。开通时间的测试定义: 波形图图412。 影响开通时间的因素: 放大门极结构 减小开通时间； IG 前沿陡度增加 td 延迟时间减小； 温度T升高 开通时间减小； 主回路负载阻抗性质决定开通I、V波形变化 使 tr 上升时间减小或增大。2. 扩展时间扩展时间 ts : 扩展速度: 由门极形状和阴极形状决定。 强触发可使扩展时间减小。 3. 通态电流临界上升率（通态电流临界上升率（ di/dt 容量）容量）: 图415注意: 前沿陡，高幅值， IG 强触发 临界上升率容量增加。 饱和电抗器大电流饱和: 图418。（三）（三）. 断态电压临界上升率（

11、断态电压临界上升率（ dv/dt 耐量）耐量）: 误导通，间接影响主电路。 G开路， J1 ， J3 正偏， J2 反偏 势垒电容 CJ2 , 扩散 电容CJ1 , CJ2位移电流 电子流向 J1 ，空穴流向 J3 J3 ， J1正偏加强 1 ，2 增大 SCR导通。 防止误导通的措施: 阴极短路发射极结构； 在门极和阴极间接入电阻；在门极加负偏压。(二二). 关断特性关断特性:（自学）（自学） 强迫关断: UAK 加反偏压。五五. SCR特性参数表特性参数表: 见书P72。第二节 特种用途晶闸管一一. 快速晶闸管（快速晶闸管（FST）工作频率大于400赫兹。 1. 要求要求: 关断时间 tq