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1、电力晶体管和晶闸管电力晶体管和晶闸管1本讲稿第一页，共二十九页AKAKa)第一节第一节电力二极管电力二极管电电力力二二极极管管是是指指可可以以承承受受高高电电压压大大电电流流具具有有较较大大耗耗散散功功率率的的二二极极管管，它它与与其其他他电电力力电电子子器器件件相相配配合合，作作为为整整流流、续续流流、电电压压隔隔离离、钳钳位位或或保保护护元元件件，在在各种变流电路中发挥着重要作用；各种变流电路中发挥着重要作用；它它的的基基本本结结构构、工工作作原原理理和和伏伏安安特特性性与与信信息息电电子子电电路路中中的的二二极极管管相相同同，以以半半导导体体PNPN结结为基础；为基础；主要类型有普通二极
2、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；由由一一个个面面积积较较大大的的PNPN结结和和两两端端引引线线以以及及封封装装组组成成，从从外外形形上上看看，大大功功率率的的主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。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 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2本讲稿第二页，共二十九页第二节第二节 晶晶 闸闸 管管 晶闸管晶闸管(Thyristor)(T
3、hyristor)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，
4、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、控制特性好晶闸管具有体积小、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。等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。3本讲稿第三页，共二十九页一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构晶晶闸闸管管具具有有四四层层PNPNPNPN结结构构，引引出出阳阳极极A A、阴阴极极K K和和门门极极G G三三个个联联接端；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；螺栓型、平板型、塑封型；晶晶闸闸管管对对于于螺螺栓栓型型封封装装，通通常常螺螺栓栓是是其其阳阳极极，能能与与散散热热器器紧紧密密联联接接且且安
5、安装装方方便便；平平板板型型封封装装的的晶晶闸闸管管可可由由两两个个散热器将其夹在中间。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G G4本讲稿第四页，共二十九页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 管管耗耗将将产产生生热热量量，使使管管芯芯温温度度升升高高。如如果果超超过过允允许许值值，将将损损坏坏器器件件，所所以以必必须须进进行行散散热热和冷却。和冷却。冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风冷却
6、方式：自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷扇）、水冷5本讲稿第五页，共二十九页二、晶闸管的导通和关断条件二、晶闸管的导通和关断条件简简单单描描述述晶晶闸闸管管SCRSCR相相当当于于一一个个半半可可控控的的、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6本讲稿第六页，共二十九页解释解释当当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
7、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。）7本讲稿第七页，共二十九页图图1-4 1-4 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
8、，V2导通，产生导通，产生IC2（2IG）。它同时为。它同时为V1的基极电的基极电流，使流，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，从而形成强烈的正反馈，的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使使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，通过饱和导通，通过SCR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结加一个三极管的饱和压降约为结加一个三极管的饱和压降约为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
9、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极失极失去控制作用，去控制作用，V1V1和和V2V2完全饱和，完全饱和，SCRSCR饱和导饱和导通。通。8本讲稿第八页，共二十九页晶晶闸闸管管的的阳阳极极与与阴阴极极间间的的电电压压和和阳阳极极电电流流之之间间的的关关系系，称称为为阳阳极极伏伏安安特特性性。（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正向导正向导通通UBO正向特性正向特性反向特性反向特性雪崩击雪崩
10、击穿穿9本讲稿第九页，共二十九页1)正向特性正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，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只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。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。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，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右。左右。导导通通期期间间，如如果果门门极极电电流
11、流为为零零，并并且且阳阳极极电电流流降降至至接接近近于于零零的的某某一一数数值值IH以以下下，则则晶晶闸闸管管又又回回到到正向阻断状态。正向阻断状态。IH称为维持电流。称为维持电流。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、晶闸管的阳极伏安特性10本讲稿第十页，共二十九页2)2)反向特性反向特性n晶晶闸闸管管上上施施加加反反向向电电压压时时，伏伏安安特特性性类似二极管的反向特性。类似二极管的反向特性。n晶晶闸闸管管处处于于反反向向阻阻断断状状态态时时，只只有有极极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。n当当反反向向电电压压超超过过一一定定限限度度
12、，到到反反向向击击穿穿电电压压后后，外外电电路路如如无无限限制制措措施施，则则反反向向漏漏电电流流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。急剧增加，导致晶闸管发热损坏。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG11本讲稿第十一页，共二十九页1.1.额定电压（额定电压（U UTnTn）1)1)正正向向断断态态重重复复峰峰值值电电压压U UDRMDRM在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的正正向向峰峰值电压。值电压。2)2)反反向向阻阻断断重重复复峰峰值值电电压压U URRMRRM 在在
13、门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的反反向向峰值电压。峰值电压。3)3)通通态态（峰峰值值）电电压压U UTMTM晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定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12本讲稿第十二页，共二十九页通通常常取取晶晶闸闸管管的的U UDRMDRM和和U URRMRRM中中较较小小的的标标值值作作为为该该器器件件的的额额定定电电压压。选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电
14、压定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 23 3倍：倍：U UTnTn（）（）U UTMTM (在交流市电中在交流市电中U UTMTM311V)311V)一一 般般 来来 说说，SCRSCR的的 额额 定定 电电 压压 等等 级级 规规 范范 标标 准准 为为：100V100V1000V1000V，每每100V100V一一个个等等级级；1000V1000V3000V3000V，每每200V200V一个等级。一个等级。13本讲稿第十三页，共二十九页2.2.额定电流（通态平均电流）额定电流（通态平均电流）I IT(AV)T(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
15、定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（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度时度时所允许的通态平均电流。所允许的通态平均电流。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，它是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流定以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。额。14本讲稿第十四页，共二十九页闸管的通态平均电流闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流
16、最大值和正弦电流最大值Im之间之间的关系表示为：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(AV)与有效值关系为：与有效值关系为：15本讲稿第十五页，共二十九页n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)倍倍的安全裕量，即的安全裕量，即式中式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值是流
17、过晶闸管中可能出现的最大电流有效值16本讲稿第十六页，共二十九页1 1）通通态态平平均均电电压压U UT(AV)T(AV)：当当晶晶闸闸管管中中流流过过额额定定电电流流并并达达到到稳稳定定的的额额定定结结温温时时，阳阳极极与与阴阴极极之之间间电电压压降降的的平平均均值值，称称为为通通态态平平均均电电压压。通通态态平平均均电电压压U UT(AV)T(AV)分分为为A A，对对应应为为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的最小电流一一般般为为几几十十到到几几百百毫毫安安，与与结结温
18、温有有关关，结结温温越越高高，则则I IH H越小越小3)3)擎擎住住电电流流 I IL L：晶晶闸闸管管刚刚从从断断态态转转入入通通态态并并移移除除触触发发信信号号后后，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17本讲稿第十七页，共二十九页4)4)断断态态电电压压临临界界上上升升率率d du ud dt t ：在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路情情况况下下，不不使使元元件件从从断断态态到到通通态态转转换换的的最最大大阳阳极极电电压上升率称为断态电压临界
19、上升率。压上升率称为断态电压临界上升率。5 5）通通态态电电流流临临界界上上升升率率d di id dt t ：在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管在在门门极极触触发发开开通通时时所所能能承承受受不不导导致致损损坏坏的的通通态态电电流流最最大大上上升升率称为通态电流临界上升率。率称为通态电流临界上升率。18本讲稿第十八页，共二十九页六、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，所以电压与电所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安流的关系和普通二极管的伏
20、安特性相似。门极伏安特性曲线特性相似。门极伏安特性曲线可通过实验画出，如图可通过实验画出，如图1-61-6所所示。示。19本讲稿第十九页，共二十九页 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）门门极极不不触触发发电电压压U UGDGD和和门门极极不不触触发发电电流流I IGD GD：不不能能使使晶晶闸闸管管从从断断态态转转入入通通态态的的最最大大门门极极电电压压称称为为门门极极不不触触发发电电压压U UGDGD，相相应应的的最最大大电电流流称称为为门门极极不不触触发发电电流流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触发电流I IGTG
21、T 在在室室温温下下，对对晶晶闸闸管管加加上上V V正正向向阳阳极极电电压压时时，使使元元件件由由断断态态转转入入通通态态所所必必须须的的最最小小门门极极电电流流称称为为门门极极触触发发电电流流I IGTGT，相应的门极电压称为门极触发电压，相应的门极电压称为门极触发电压U UGTGT。）门门极极正正向向峰峰值值电电压压U UGMGM、门门极极正正向向峰峰值值电电流流I IGMGM和和门门极峰值功率极峰值功率P PGMGM 20本讲稿第二十页，共二十九页 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 双双向向晶晶闸闸管管的的外外形形与与普普通通晶晶闸闸管管
22、类类似似，有有塑塑封封式式、螺螺栓栓式式和和平平板板式式。但但其其内内部部是是一一种种NPNPNNPNPN五五层层结结构构引引出出三个端线的器件。如图三个端线的器件。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 21本讲稿第二十一页，共二十九页2.2.双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管的特性与参数双双向向晶晶闸闸管管具具有有正正反反向向对对称称的的伏伏安安特特性性曲曲线线。正正向向部部分分位位于于第第I I象象限限，反反向向部部分分位位于于第第IIIIII象象限限。如如图图1-71-7（d d）所示。所示。双双向向晶晶闸闸管管均均方方根根
23、值值电电流流与与普普通通晶晶闸闸管管平平均均值值电电流流之之间的换算关系式为间的换算关系式为 22本讲稿第二十二页，共二十九页 3.3.双向晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式双双向向晶晶闸闸管管正正反反两两个个方方向向都都能能导导通通，门门极极加加正正负负电电压压都都能能触触发发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：+触触发发方方式式：主主极极T T1 1为为正正，T T2 2为为负负；门门极极电电压压G G为为正正，T T2 2为为负负。特特性曲线在第性曲线在第象限。象限。-触触发发方方式式：主主极极T T1 1为为正正，T T2
24、 2为为负负；门门极极电电压压G G为为负负，T T2 2为为正正。特特性曲线在第性曲线在第象限。象限。+触触发发方方式式：主主极极T T1 1为为负负，T T2 2为为正正；门门极极电电压压G G为为正正，T T2 2为为负负。特特性性曲线在第曲线在第象限。象限。-触触发发方方式式：主主极极T T1 1为为负负，T T2 2为为正正；门门极极电电压压G G为为负负，T T2 2为为正正。特特性性曲线在第曲线在第象限。象限。由由于于双双向向晶晶闸闸管管的的内内部部结结构构原原因因，四四种种触触发发方方式式中中触触发发灵灵敏敏度度不不相相同同，以以+触触发发方方式式灵灵敏敏度度最最低低，使使用用
25、时时要要尽尽量量避避开开，常常采采用用的的触触发发方方式式为为+和和-。23本讲稿第二十三页，共二十九页4.4.双向晶闸管的门极控制双向晶闸管的门极控制双双向向晶晶闸闸管管的的控控制制方方式式常常用用的的有有两两种种，第第一一种种为为移移相相触触发发，与与普普通通晶晶闸闸管管一一样样，是是通通过过控控制制触触发发脉脉冲冲的的相相位位来来达达到到调调压压的的目目的的。第第二二种种是是过过零零触触发发，适适用于调功电路及无触点开关电路。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
26、晶闸管组成的交流开关电路。成的交流开关电路。24本讲稿第二十四页，共二十九页包包括括所所有有专专为为快快速速应应用用而而设设计计的的晶晶闸闸管管，有有快快速速晶晶闸闸管管和和高高频频晶闸管（晶闸管（10kHz10kHz以上）；以上）；管管芯芯结结构构和和制制造造工工艺艺进进行行了了改改进进，开开关关时时间间以以及及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明显改善；耐量都有明显改善；普普通通晶晶闸闸管管关关断断时时间间数数百百微微秒秒，快快速速晶晶闸闸管管数数十十微微秒秒，高高频频晶晶闸管闸管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
27、在于其电压和电流定额都不易做高；由由于于工工作作频频率率较较高高，选选择择通通态态平平均均电电流流时时不不能能忽忽略略其其开开关关损损耗的发热效应；耗的发热效应；FSTFST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。二、快速晶闸管二、快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)25本讲稿第二十五页，共二十九页 逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极逆导晶闸管是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，这种管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受器件不具有承受反向电
28、压的能力，一旦承受反向电压即开通。反向电压即开通。三、逆导晶闸管三、逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）图图1-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性26本讲稿第二十六页，共二十九页四、四、光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）n光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。图图1-10 1-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性光控晶
29、闸管的电气图形符号和伏安特性a)a)电气图形符号电气图形符号 b)b)伏安特性伏安特性27本讲稿第二十七页，共二十九页本章小结本章小结n普通晶闸管导通条件是：对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适当的正向电压。关断条件是：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。n熟悉晶闸管的阳极和门极伏安特性和主要参数，对正确使用和选择元件有着重要的意义。选择晶闸管的额定电压应为元件在电路中可能承受的最大瞬时值电压的23倍。晶闸管为单向可控器件,故其额定电流定义为平均值，但由于晶闸管的结温与流过器件的有效电流有关，所以选择额定电流参数时，应使额定电流有效值大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值，一般取1.52倍安全裕量。28本讲稿第二十八页，共二十九页 n双向晶闸管内部结构可看作两只普通晶闸管反并联，引出的三个端子为主极T1、T2和门极G。它具有正反向对称的伏安特性，主要参数有断态重复峰值电压UDRM和额定通态电流IT，因双向晶闸管正反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效值。双向晶闸管有四种触发方式：+、-、+、-，其中以+触发灵敏度最高，+最低，使用时一般采用+、-接法。29本讲稿第二十九页，共二十九页