第1章电力晶体管和晶闸管

1、1第一章：电力二极管和晶闸管第一章：电力二极管和晶闸管n第一节第一节 电力二极管电力二极管n第二节第二节 晶闸管晶闸管n第三节第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管n本章小节本章小节2AKAKa)第一节第一节电力二极管电力二极管电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；它的基本结构、工作原理和伏

2、安特性与信息电子电路中的二极管相同，它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同，以半导体以半导体PNPN结为基础；结为基础；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；由一个面积较大的由一个面积较大的PNPN结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。 IKAPNJb)c)图图1-1 1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号

3、 a) a) 外形外形 b) b) 结构结构 c) c) 电气图形符号电气图形符号3第二节第二节 晶晶 闸闸 管管 晶闸管晶闸管(Thyristor(Thyristor) )就是硅晶体闸流管，普就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅通晶闸管也称为可控硅SCRSCR，普通晶闸管是一种，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件具有开关作用的大功率半导体器件。从从19571957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品 ；晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几晶闸管作

4、为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对强电的控制流，实现了弱电对强电的控制 ； 晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。 4一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构晶闸管具有四层晶闸管具有四层PNPNPNPN结构，结构，引出引出阳极阳极A A、阴极、阴极K K和和门极门极G G三个联接端；三个联接端；晶闸管的常见封装外形有晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；螺栓

5、型、平板型、塑封型；晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散晶闸管对于螺栓型封装，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。两个散热器将其夹在中间。图图1-2 1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) a) 外形外形 b) b) 结构结构 c) c) 电气图形符号电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G G5晶闸管的管耗和散热：晶闸管的管耗和散热： 管耗流过器件的电流管耗流过器件的电流器件两端的电压器件两端的电压 管耗

6、将产生热量，使管芯温度升高。如果超管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。和冷却。 冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷扇）、水冷6二、晶闸管的导通和关断条件二、晶闸管的导通和关断条件简单描述简单描述晶闸管晶闸管SCRSCR相当于一个半可控的、相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。可开不可关的单向开关。图图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管的工作条件的试验电路7解释解释当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0时，且时，且EGk0，SCR才能才能

7、导通导通。SCR一旦导通，门极一旦导通，门极G将失去控制作用将失去控制作用，即无论，即无论EG如何，均保持导通状态。如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流左右，主电路中的电流I由由R和和RW以及以及EA的大小决定；的大小决定；当当UAK0 同时同时 UGK0由导通由导通关断的条件：关断的条件：使流过使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降低至维持电流以下。 (一般通过减小一般通过减小EA,直至直至EA0来实现。）来实现。）8RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图1-4 1-4

8、晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) b) 工作原理工作原理三、晶闸管的工作原理分析三、晶闸管的工作原理分析具体描述具体描述如果如果IG(门极电流门极电流)注入注入V2基极，基极，V2导通，产生导通，产生IC2（ 2IG ）。它同时。它同时为为V1的基极电流，使的基极电流，使V1导通，且导通，且IC1= 1IC2,IC1加上加上IG进一步加大进一步加大V2的基极电流，的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使从而形成强烈的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通饱和导通，通过过SCR

9、的电流由的电流由R确定为确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的结加一个三极管的饱和压降约为饱和压降约为1V。此时，将。此时，将I IG G调整为调整为0，即，即UGK0 0 产生产生I IGG V2 V2通通产生产生I IC2C2 V1 V1通通 I IC1C1 I IC2C2 出现强烈的正反馈，出现强烈的正反馈，GG极失去控制作用，极失去控制作用，V1V1和和V2V2完全饱和，完全饱和，SCRSCR饱和导通。饱和导通。9晶闸管的阳极与阴晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极极间的电压和阳极电流之间的关系，电流之间的关系，称为称为阳极伏安特性阳极伏安特性。

10、（见图（见图1-51-5）四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性IG =0=0图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向正向导通导通UBO正向特性正向特性反向特性反向特性雪崩雪崩击穿击穿101) 正向特性正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻时，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电压超过临界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏，则漏电流急剧增大，器件开通。电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降随着门极电流幅值的增大

11、，正向转折电压降低。低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。仿。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右。左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电导通期间，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流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。称为维持电流。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳

12、极伏安特性112) 2) 反向特性反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性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。类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。热损坏。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMUR

13、RMURSM图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG121. 1. 额定电压（额定电压（U UTnTn）1)1) 正向断态重复峰值电压正向断态重复峰值电压U UDRMDRM在门极断路而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结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。值电压。2)2) 反向阻断重复峰值电压反向阻断重复峰值电压U URRMRRM 在门极断路而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结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。值电压。3)3) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM晶闸管通以某一规晶闸管通以某一规定

14、倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数13通常取通常取晶闸管的晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器中较小的标值作为该器件的额定电压件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕。选用时，额定电压要留有一定裕量量, ,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压值电压2 23 3倍：倍：U UTnTn（）（）U UTMTM ( (在交流市电中在交流市电中U UTMTM311V)311V)一般来说，一般来说，SCRSCR的额定电压等级规范标准为：的

15、额定电压等级规范标准为：100V100V1000V1000V，每，每100V100V一个等级；一个等级；1000V1000V3000V3000V，每每200V200V一个等级。一个等级。14举例：举例： 一一晶闸管用于相电压晶闸管用于相电压一一晶闸管用于相晶闸管用于相电压为电压为220V 的单相电路中时，器件的的单相电路中时，器件的电压等级选择如下：电压等级选择如下： 933.2V7 .6202322VUUnT）（考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：VUnT700152. 2. 额定电流（通态平均电流）额定电流（通态平均电流）I IT(AV)T(

16、AV)定义：在环境温度为定义：在环境温度为+140度和规定的散热度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于）、正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。度时所允许的通态平均电流。n注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算，它而整流电路往往按直流平均值来计算，它是以电流的平均值而非有效值作为它的电是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。流定额。16闸管的通态平

17、均电流闸管的通态平均电流IT(A V)和正弦电流最大值和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为：正弦半波电流的有效值为： 平均电流平均电流IT(A V)与有效值关系为：与有效值关系为： m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTII17n流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选用晶闸管时，电

18、流电流参数还应取用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.52)倍的安全裕量，即倍的安全裕量，即57. 1)25 . 1 ()(TAVTII式中式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值18 有一晶闸管的电流额定值有一晶闸管的电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过的，用于电路中流过的电流波形如图所示，允许流过的电流峰值电流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？分析：分析： I（TAV）=100A的晶闸管的晶闸管对应的电流有效值为：对应的电流有效值为： IT=1.57 I（TAV） 157A ；波形对应的电流有效值：波形对应的电流有效值： 考虑考虑

19、2倍的安全雨量后得：倍的安全雨量后得： 举例：举例：MMItdII6121310AIM3 .192157621191 1）通态平均电压通态平均电压U UT(AV)T(AV)：当晶闸管中流过额定电流并达当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。通态平均电压值，称为通态平均电压。通态平均电压U UT(AV)T(AV)分为分为A A，对应为，对应为0.4V0.4V1.2V1.2V共九个组别。共九个组别。 2)2) 维持电流维持电流 I IH H ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流：使晶闸管维持导通所必需

20、的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则则I IH H越小越小3)3) 擎住电流擎住电流 I IL L：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，信号后， 能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为I IH H的的2 24 4倍。倍。3. 3. 其他参数其他参数204)4)断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du ud dt t ：在额定结温和门极在额定结温和门极开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大开路情况下，不使元件

21、从断态到通态转换的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。5 5）通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di id dt t ：在规定条件下，在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。 21六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1 1、门极伏安特性、门极伏安特性 指门极电压与电流的关系指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只晶闸管的门极和阴极之间只有一个有一个PNPN结，结， 所以电压与所以电压与电流的关系和普通

22、二极管的电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特伏安特性相似。门极伏安特性曲线可通过实验画出，如性曲线可通过实验画出，如图图1-61-6所示。所示。22 2 2、门极几个主要参数的标准、门极几个主要参数的标准 1 1）门极不触发电压门极不触发电压U UGDGD和门极不触发电流和门极不触发电流I IGD GD ： 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极不触发电压为门极不触发电压U UGDGD，相应的最大电流称为门极，相应的最大电流称为门极不触发电流不触发电流I IGDGD。 ）门极触发电压）门极触发电压U UGTGT和门极触发电流和门极

23、触发电流I IGTGT 在室温下，对晶闸管加上在室温下，对晶闸管加上V V正向阳极电压时，正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发电流为门极触发电流I IGTGT，相应的门极电压称为门极触，相应的门极电压称为门极触发电压发电压U UGTGT。 ）门极正向峰值电压门极正向峰值电压U UGMGM、门极正向峰值电流、门极正向峰值电流I IGMGM和门极峰值功率和门极峰值功率P PGMGM 23 一、双向晶闸管一、双向晶闸管 1.1.双向晶闸管的外形与结构双向晶闸管的外形与结构 双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、双向晶闸管

24、的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其内部是一种螺栓式和平板式。但其内部是一种NPNPNNPNPN五层结构五层结构引出三个端线的器件。如图引出三个端线的器件。如图1-71-7所示。所示。 第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管图图1-7 1-7 双向晶闸管双向晶闸管 242.2.双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第向部分位于第I I象限，反向部分位于第象限，反向部分位于第IIIIII象限。象限。如如图图1-71-7（d d）所示。所示。双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电双

25、向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为流之间的换算关系式为 )()()(45. 02RMSTRMSTAVTIII25 3. 3. 双向晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：+ + 触发方式触发方式：主极主极T T1 1为正，为正，T T2 2为负；门极电压为负；门极电压G G为正，为正，T T2 2为为负。特性曲线在第负。特性曲线在第象限。象限。- - 触发方式触发方式

26、：主极主极T T1 1为正，为正，T T2 2为负；门极电压为负；门极电压G G为负，为负，T T2 2为为正。特性曲线在第正。特性曲线在第象限。象限。+ + 触发方式触发方式：主主极极T T1 1为负，为负，T T2 2为正；门极电压为正；门极电压G G为正，为正，T T2 2为为负。特性曲线在第负。特性曲线在第象限。象限。- - 触发方式触发方式：主极主极T T1 1为负，为负，T T2 2为正；门极电压为正；门极电压G G为负，为负，T T2 2为为正。特性曲线在第正。特性曲线在第象限。象限。由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中

27、触发灵敏度不相同，以度不相同，以+ + 触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为常采用的触发方式为+ + 和和- - 。 264. 4. 双向晶闸管的门极控制双向晶闸管的门极控制双向晶闸管的控制方式常用的有两种，双向晶闸管的控制方式常用的有两种，第一种第一种为移相触发为移相触发，与普通晶闸管一样，是通过控制，与普通晶闸管一样，是通过控制触发脉冲的相位来达到调压的目的。触发脉冲的相位来达到调压的目的。第二种是第二种是过零触发过零触发，适用于调功电路及无触点开关电路。，适用于调功电路及无触点开关电路。本相电压强触发电路本相电压强触发电路 这种触

28、发方式电路简单、工作这种触发方式电路简单、工作可靠，主要用于双向晶闸管组可靠，主要用于双向晶闸管组成的交流开关电路。成的交流开关电路。 27包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管（管和高频晶闸管（10kHz10kHz以上）；以上）；管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明显改善；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，普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管高频晶闸管1010 s s左右；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；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，选择通态平均电流时不能忽略其由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应；开关损耗的发热效应；FSTFST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下