特种半导体器件及其应用_1

1、2021-10-311特种半导体器件及其应用电力、敏感、光子、微波器件特种半导体器件及其应用2021-10-312第一章 电力半导体器件概述n1.1电力电子学与电力半导体n电力电子学是介于电力、电子、控制三者的边缘学科。n电力半导体器件的发展历史。特种半导体器件及其应用2021-10-3131.2电力半导体器件的分类不可控器件普通型普通二极管快速型快恢复二极管,肖特基二极管可控制器件换流关断型双极晶闸管相控晶闸管(P.C.T)逆变晶闸管(I.T)非对称晶闸管(ASDR)逆导晶闸管(RCT)门级辅助关断晶闸管(GATT)光控晶闸管(LTT)双向晶闸管(BCT)自关断型双极GTO门级可关断晶闸管G

2、TR单一型,达林顿型MOSMOS型MOS_FETMOS双极混合场控晶闸管(FCT)MOS双极功能集成绝缘栅晶体管(IGT)MOS栅晶闸管(MGT)高压集成电路(HVIC)组合型器件功率模块(Power Modules) 组件(Stacks)特种半导体器件及其应用2021-10-3141.3 电力器件的基本应用n开关电路n整流电路n逆变电路n直流斩波电路与交流调压电路特种半导体器件及其应用2021-10-315第二章 特种可控硅n可控硅元件是一种大功率半导体器件，它是用硅半导体材料做成的硅晶体闸流管，因而又称为晶闸管。它的特点是容量大、电压高、损耗小、控制灵便，可用于大功率的电能转换与控制。随着

3、生产的发展，对可控硅的使用提出了一些特殊的要求，另一方面，由于半导体技术对PN结作用的研究不断深入发展，从而在普通可控硅的基础上，又逐步研制出许多不同性能的其他类型的可控硅。这些可控硅在某些特定场合使用有明显的优越性，为了与普通型可控硅有所区别，对其它类型的可控硅常称为特种可控硅。下表中概括了各种类型可控硅的主要内容。随着科学技术和生产的不断发展，具有新性能的其它类型可控硅元件也在研制中如光控可控硅、热敏可控硅。特种半导体器件及其应用2021-10-3162.1 高频可控硅特种半导体器件及其应用2021-10-3172.1 高频可控硅n普通可控硅n对开、关时间等瞬态参数没有特殊要求，并主要用于

4、工频的反向阻断型。n快速可控硅n能在400HZ以上频率下工作。n高频可控硅n能在10KHZ或以上频率下工作。特种半导体器件及其应用2021-10-3182.1 高频可控硅n一、高频可控硅的理想特性n元件具有两种工作状态，即断态和通态。处于断态的元件均无输出电流；对于任何输出电流，通态下的元件端电压均为零。即元件是无损耗的。n元件导通的条件是同时满足两个条件：必须有正向阳极电压；必须有正向门极电压；否则元件处于断态，它表示元件具有单向导电性质。n对于任意频率的输入端电流，元件具有相同的载流能力；即元件的频带为无限宽。n元件的工作状态的转换是瞬时完成的，即元件是无惯性的。特种半导体器件及其应用20

5、21-10-3192.1 高频可控硅n实际性能接近理想特性，但存在的问题n虽然元件具有导通和阻断两个状态，但在断态下存在漏电流，通态下存在饱和压降，即元件是有损耗的。n由于半导体中发生的电流属于传导电流，因而产生和控制这些载流子的运动都需要时间，因此电路工作状态的转换不可能瞬时完成，即电路是有惯性的。n虽然电路具有正向和反向阻断能力，但这种能力是有限的。n电路的开通增益很大，而关断增益很小，以至在大功率条件下失去控制价值。特种半导体器件及其应用2021-10-31102.1 高频可控硅n 1可控硅中的损耗与频率的关系 可控硅在工作过程中通常总是从断态即正向阻断状态经过开通过程和扩展过程进入导通

6、状态，即通态；然后转入反向电流恢复时期，即从正向电流过零至反向电流恢复到反向电压所对应的漏电流值所经历的时间，进而过渡到反向阻断状；接着又工作到断态，如此反复地进行下去。可控硅在以上工作过程的每一阶段都有电流通过并且在器件阳、阴极两端出现电压降落，这些电压和电流的乘积就构成了各个阶段的功率损耗，这些阶段功率损耗的总和，再加上门极损耗，就是可控硅在工作中总的功率损耗。特种半导体器件及其应用2021-10-31112.1 高频可控硅n按平均功率损耗定义，各部分功率损耗可表示为式中 f工作频率； i通过可控硅的电流瞬时值； u可控硅阳、阴极两端的电压瞬时值； ts某一阶段的起始时刻； te某一阶段的

7、终了时刻；esttiudtfP特种半导体器件及其应用2021-10-31122.1 高频可控硅n由上式可知，各部分功率损耗都与工作频率有关，随着工作频率的提高，(te-ts)的数值也发生变化，因此可控硅中各部分的损耗也随着频率而发生变化。在可控硅中，主要的损耗有通态损耗、开通损耗、扩展损耗与反向恢复损耗，而正、反向阻断损耗和门极损耗是比较小的可以忽略。表2给出1000V400A、20s(关断时间)、3kHz用的快速可控硅在不同频率下工作时各部分损耗占总损耗的百分比。从表中可看出：开通损耗和反向恢复损耗所占总损耗的比例随着频率的增高而加大；而通态损耗占总损耗的比例随着频率增高而减少，当达到某一频

8、率(表中5kHz)时降到零。因此，可控硅在低频工作时，通态损耗占主要部分；当频率增高到某一数值时，开关损耗(开通损耗和反向恢复损耗)和扩展损耗开始占主导地位；进一步增加工作频率，只出现开关损耗和扩展损耗。特别是开通损耗随着频率提高而单调地增加，频率越高，开通损耗越大。大的开通损耗将使平均结温升高，这一开通损耗并不是分散在整个阴极结面上，而是集中在局部的初始导通区内，引起初始导通区的瞬时温升增高，从而导致器件在短期内出现热疲劳损坏，缩短元件的工作寿命，严重时可能立即烧毁。特种半导体器件及其应用2021-10-31132.1 高频可控硅n 由上看出，随着工作频率的提高，可控硅中的开关损耗和扩展损耗

9、越来越突出，特别是开通损耗随着频率的提高，损耗值越大。为了使可控硅在高频下可靠地工作，必须提高器件的di/dt耐量。特种半导体器件及其应用2021-10-31142.1 高频可控硅n不同频率下主要损耗的百分比特种半导体器件及其应用2021-10-31152.1 高频可控硅n2.高频可控硅的特点及特性参数n降低可控硅损耗采取的方法措施特种半导体器件及其应用2021-10-31162.1 高频可控硅n高频可控硅与快速可控硅相比较具有以下性能特点:n高频特性好，在高频条件下具有比一般快速可控硅高得多的di/dt耐量，并可通过比较大的高频电流。n高频可控硅的关断时间比一般快速可控硅短。在最高允许结温下

10、约10s。n在短时间内（3 s以内），高频可控硅可以承受比工频阻断电压还要高的反向尖峰电压，这时器件并不遭遇过压而击穿。n重复阻断电压比快速可控硅低，为8001000Vn高频可控硅承受逆变失败后的直通电能力差，因此必须设置快速过流保护环节。特种半导体器件及其应用2021-10-31172.1 高频可控硅n国产三种高频可控硅的主要参数典型值n高频可控硅主要技术参数典型值n高频可控硅di/dt耐量典型值n高频可控硅的动态参数比一般快速可控硅高，特别是高频di/dt耐量高，并具有良好的高频特性，因而比一般快速可控硅更适合高频电路。特种半导体器件及其应用2021-10-31182.1 高频可控硅n二、

11、选用高频可控硅应注意事项：（1）可控硅di/dt值直接关系到器件的高频性能和工作寿命。选择时对di/dt要留有余量。（2）因高频可控硅的重复阻断电压比快速可控硅低，尽量采用重复阻断电压稍低（700800V）的器件，以便安全使用。（3）在逆变电路中使用高频可控硅时，只要du/dt耐量满足线路要求且有一定裕量，就可以考虑不在可控硅上并接阻容保护电路。（4）在设计触发源时，要注意提高触发源的抗干扰能力。（5）目前生产的高频可控硅的额定结温下的关断时间通常为室温下关断时间为23倍，如只给出室温关断时间，可按此倍数换算。（6）在选用高频可控硅时，要注意室温下和高温下的du/dt值。随温度上升du/dt有

12、上升和下降两种，选用时请注意。（7）在设计高频逆变电路时，为防止发生逆变失败产生直通现象，为了提高器件承受直通电流的次数，应该设置快速过流保护环节。特种半导体器件及其应用2021-10-31192.1 高频可控硅n三、高频可控硅应用举例n1.超声波电源超声电源主电路通过T1、T2的电流波形特种半导体器件及其应用2021-10-31202.1 高频可控硅n左图是由两只高频可控硅组成的串联逆变超声电源电路，该逆变电路可以驱动宽频带压电晶体换能器，把直流配置转换成超声波，驱动清洗槽中的清洗液波动进行清洗工作。当高频可控硅采用20A20kHz型号时，输给换能器的电功率超过1kw。电源整机效率可达0.7

13、左右。触发脉冲源采用正弦波振荡器，并加有过流保护环节，防止损坏高频可控硅。它完全可以代替大功率电子管超声电源，且具有体积小、重量轻、工作可靠、效率高和寿命长等 优点。特种半导体器件及其应用2021-10-31212.1 高频可控硅n2.电脉冲加工电源 电火花加工机床在进行粗加工时，要求脉冲电源输出低频大电流，在进行精加工时，又要求脉冲电源输出高频小电流。因此时电火花加工机床所用的脉冲电源要求有很宽的频率可调范围(约500Hz一60kHz)和足够的输出功率，以满足各种不同的加工要求。普通可控硅和一般快速可控硅均很难满足上述要求，而利用高频可控硅具有在低频下可以输出大电流的特点，在高频下也能可靠地

14、工作。左图为采用高频可控硅组成的电脉冲加工电源主电路。改变触发脉冲频率，就可以改变加工频率。电脉冲加工电源主电路特种半导体器件及其应用2021-10-31222.1 高频可控硅电脉冲加工电源输出脉冲 左图所示为输出波形。当同时触发T1、T4时，电容C充电为上正下负，其充电电流通过负载，得到一个尖脉冲电压波，T1、T4自然关断，如左图(a)所示。随后同时触发T2、T3，也得到一个尖脉冲波，这时电容充电电压极性相反。如在触发T1、T4之后接着触发T1、T2，这时电源电压就直接通过T1、T2输出，负载上得到一个方波电压，此时电容C上电压保持不变，经过一段时间后再触发T2、T3，这时电容通过T1逆向放

15、电，迫使T1关断，此时负载上方波电压叠加上一个尖脉冲波而自然关断，如左图 (b)所示。同理在触发T2、T3之后再触发T3、T4，又得到一个方波。改变触发T1、T2和T3、T4的延时时间(t0)，即可改变方波的持续时间。电火花加工都要求这种出波形，从输出波形的特点看出，无论高频还是低频波形，通过高频可控硅的电流波形都具有前沿陡峭的特点，要求可控硅具有高的didt值，而高频可控硅正好满足这一点。特种半导体器件及其应用2021-10-31232.2 可关断可控硅（GTO）n 普通可控硅在门极加正信号可使其从关断转为导通状态，可控硅一旦导通，门极就失去控制作用，在门极加上负信号也不能使它关断。要想关断

16、可控硅通常有两种方法，如图所示。图(a)为电流过零关断，常用于交流电路中，当阴极电流下降至维持电流以下时，阳极电流关断。在图(a)中，合上开关K，把正向导通的可控硅加以旁路，使流经可控硅的电流变为零，可控硅随之关断。图(b)为电流反向关断。在直流电路中，必须改变阳极电压极性，使阳极电流反向，可控硅才能关断。图(b)中，合上开关K，阴极和阳按之间加一反向电压E，由于可控硅阳极电压反向，使阳极电流关断。因此，要想关断可控硅必须设置比较复杂的控制电路。这样，就增加了整机的体积、重量，提高成本，降低效率。特种半导体器件及其应用2021-10-31242.2 可关断可控硅（GTO）可控硅的关断方法n可控

17、硅的关断方法特种半导体器件及其应用2021-10-31252.2 可关断可控硅（GTO）n根据生产需要，人们希望既可用门极正信号控制可控硅导通；又可用门极负信号控制其关断。根据这一设想，研制成门极可关断可控硅，简称可关断可控硅。所用名称有GTO（门极关断晶闸管），GCT（门极控制晶闸管），GCS（门极控制开关），GTS（门极关断开关），GTO（门极关断可控硅）。常用名称为GTO。n可关断可控硅具备可控硅的全部特点，又有自己独特的优点。就其控制方式来说，可关断可控硅与功率晶体管非常相似，所以，它是可控硅与晶体管之间的一种过渡器件，它既有普通可控硅耐压高、电流大的优点；又有晶体管控制方便的长处。是

18、一种比较理想的直流开关。在中小容量的逆变器、斩波器、变频器以及各种开关电路中得到广泛应用。特种半导体器件及其应用2021-10-31262.2 可关断可控硅（GTO）n一、可关断可控硅的基本原理 GTO和普通可控硅一样，均为PNPN四层三端元件，只是GTO的关断结构和关断机理与普通可控硅有所不同。GTO和普通可控硅最重要的区别就是回路增益1+21，而近似等于1，因而处于临界导通状态。这就为GTO用门极负信号关断阳极电流提供了有利条件。而普通可控硅的1+2比1大很多，器件饱和程度较深，因而难以用门极负信号去关断阳极电流。 当阳极加正电压，门极加触发正信号后，GTO导通过程：特种半导体器件及其应用

19、2021-10-31272.2 可关断可控硅（GTO）nGTO导通必要条件是： 1+21GTO的四层结构及晶体管等效电路特种半导体器件及其应用2021-10-31282.2 可关断可控硅（GTO）n 这是一个正反馈过程。若门极注入电流IG的大小足以使晶体管N1P1N2发射极电流增加，进而使P1N1P2晶体管的发射极电流增加，于是1和2也增大。当1+21之后，两个晶体管均饱和导通。GTO完成导通过程。由此可知，GTO导通的必要条件是： 1+21特种半导体器件及其应用2021-10-31292.2 可关断可控硅（GTO）nGTO的关断机理及关断方式与普通可控硅不同。当要关断时，合上开关K，门极加上

20、负偏置电压EG。晶体管P1N1P2的集电极电流IC1被抽出来，形成门极负电流-IG。由于IC1的被抽走，使N1P2N2晶体管基极电流减小，进而使其集电极IC2也减小，引起IC1的进一步下降，如此循环下去，导致GTO阳极电流的关断。当门极负电流IG达到最大值时，阳极电流IA开始下降，随着阳极电流的不断下降，1和2也不断下降。当1+2 1时，器件内部正反馈作用停止，阳极电流逐渐下降到零。由此可见，GTO的关断条件为： 1+21特种半导体器件及其应用2021-10-31302.2 可关断可控硅（GTO）nGTO关断时等效电路及阳极电流与门极负电流的波形GTO关断时的等效电路及阳极和门极电流波形特种半

21、导体器件及其应用2021-10-31312.2 可关断可控硅（GTO）n 由上述可知，普通可控硅导通后处于深度饱和状态，用门极抽出电流的办法并不可能使其关断；而GTO导通后，处于临界饱和状态，可用抽出部分阳极电流的办法，破坏其临界状态，使器件关断。特别指出，GTO关断时门极负电流是从阳极抽出的部分电流，而不是门极-阴极PN结的反向雪崩电流。特种半导体器件及其应用2021-10-31322.2 可关断可控硅（GTO）n二、可关断可控硅的特性 可关断可控硅的特性可分为静特性与动特性。静特性是稳态时的特性，而动特性是从断态到通态，由通态到断态转换过程中的特性。可关断可控硅通常工作在一定频率的开关状态

22、，因此，应正确掌握它的开关特性和频率特性。这些特性分为两个方面：一是门极特性，它表示关断过程中门极电流、电压与阳极电流的关系。二是阳极特性，它表示关断过程中阳极电流和电压随时间而变化的特性。特种半导体器件及其应用2021-10-31332.2 可关断可控硅（GTO）n1.无阳极电流时门极伏安特性 下图给出了阳极电流为零时，门极静态和动态伏安特性，UGR为门极反向雪崩电压， IGR为反向漏电流。图（a）为静态特性，图（b）为动态特性。它是当门极输入图(c)所示的脉冲信号时测得的伏安特性。当门极加入前沿很陡的负电压脉冲时，由于-dU/dt作用，结电容产生位移电流。结电容不同，位移电流也不同。 无阳

23、极电流时门极伏安特性(a)静态特性 (b)动态特性 (c)门极电压信号特种半导体器件及其应用2021-10-31342.2 可关断可控硅（GTO）n2.有阳极电流时门极静态伏安特性 图(a)为门极低频伏安特性，图(b)为测试电路。GTO关断时门极静态伏安特性特种半导体器件及其应用2021-10-31352.2 可关断可控硅（GTO）n因为输入信号是前沿变化缓慢的50Hz正弦波，所以把这种特性称为低频特性或静态伏安特性。当门极加正触发信号，阳极加正向电压时，在(UGF、IGF)点，器件回路增益1+2=1，正反馈作用开始，可关断可控硅很快饱和导通。该点是可关断可控硅由阻断到导通的转折点。n当负电压

24、加在导通的可关断可控硅门极时，首先克服门极-阴极结上的正向电压降，然后，门极负电压逐步增加，门极负电流也不断增加。伏安特性由第一象限转入第四象限，随后又进入第三象限。曲线上A1点上GTO由导通到关断的转折点。在该点1+2=1，回路正反馈作用停止，GTO开始关断。当门极负电压继续增加，门极电流将逐步减小。到达点C1后与无阳极电流时的特性曲线重合。C1点所对应的电压UG1叫门极关断电压，这时GTO才彻底关断。特种半导体器件及其应用2021-10-31362.2 可关断可控硅（GTO）n由以上分析可看出，要关断阳极电流I1，门极必须加入负电压，其值应比门极关断电压UG1大，而又要比门极雪崩电压UGR

25、小，这是一种比较理想的工作状态，假如，门极所加电压高于雪崩电压UGR，那么GTO阳极电流关断之后，门极将工作在雪崩状态，如图(a)中曲线所示。当外加门极电压为E2时，在C2点阳极电流I2已被关断。但由于外加电压超过了UGR ，于是门极又产生雪崩电流，直线D2E2由门极回路参数决定。这个电流对GTO的关断不起任何作用，只会增加门极功耗，因此，实际应用时要尽量避免雪崩电流的出现。特种半导体器件及其应用2021-10-31372.2 可关断可控硅（GTO）n三、GTO的主要参数 GTO的许多参数与普遍可控硅相同，如正反向阳极阻断电压、浪涌电流、结温、dUdt耐量、didt耐量以及门极触发电流、电压等

26、等。此外，GTO还有一些特有的参数，规格主要参数说明如下： 1.最大可关断阳极电流IATO 在规定条件下，用门极控制可关断的最大阳极电流值，称最大可关断阳极电流。 最大可关断阳极电流与门极关断电路的驱动条件、主电路条件以及吸收电路条件等有密切关系。 IATO是GTO的一个特征参数，GTO的容量一般用这个参数表示。例如600A1300V的GTO，即指最大可关断阳极电流为600A，耐压1300V。应当注意，国外GTO的标称值也有用有效值或直通电流值的，使用时应加注意。特种半导体器件及其应用2021-10-31382.2 可关断可控硅（GTO）n 根据GTO的外部应用参数对电流关断增益和最大可关断阳

27、极电流的影响，在实际应用中应注意以下几点： (1)由于额定工作结温决定了GTO的平均电流额定值，另外当阳极电流过大时， 1+2略大于1的临界导通条件被破坏，使器件饱和程度加深，可能导致门极关断失效。因此，GTO的阳极电流不能超过最大可关断电流IATO 。 (2)最大可关断阳极电流IATO 随着阳极电压的增加而降低。因此在GTO应用中，应根据不同阳极电压，合理选择IATO ，以保证器件可靠工作。 (3)由于GTO结温过高时，关断能力下降，甚至出现关不断的现象。因此在实际应用中，GTO应安装良好的散热器，以改善散热条件。 (4)由于工作频率升高后，电流关断增益和最大可关断阳极电流IATO 下降。因

28、此在实际应用中，GTO工作频率较高时，要适当降低最大可关断阳极电流，以保证器件能可靠工作。特种半导体器件及其应用2021-10-31392.2 可关断可控硅（GTO）2.关断增益off 关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流IGM之比。电流关断增益越大，用门极关断越容易。此外，当可关断电流一定时，关断增益随门极电流的上升率的增加而减小。采用适当的门极电路，很容易获得上升率较快、幅度足够的门极负电流。在实际应用中不必追求过高的关断增益。当前大功率GTO的关断增益一般做到5左右。GMATOIIoff特种半导体器件及其应用2021-10-31402.2 可关断可控硅（GTO）n3.掣

29、住电流IL GTO门极加触发信号后，阳极大面积饱和导通时的临界电流IL值称为掣住电流。阳极电流必须超过掣住电流，GTO才能大面积饱和导通，如图所示，图中L点为掣住点，掣住电流根据工作条件是变化的。在触发脉冲作用时间内，若负载电流增加较快，阳极电流可以超过掣住电流，GTO可以导通；若负载电流增加较慢，阳极电流达不到掣住电流值，则GTO不能够导通。GTO的掣住电流特种半导体器件及其应用2021-10-31412.2 可关断可控硅（GTO）n4.关断时间toff GTO是一种快速器件。而关断时间是标志快速性能好坏的主要参数。关断时间由三部分组成： （1）储存时间ts：是指从门极负信号开始到阳极电流减

30、小至导通电流的90%所需要的时间。 （2）下降时间tf ：是指阳极电流从90%降到10%所需要的时间。 （3）尾部时间tT ：是指阳极电流从10%到彻底关断所需要的时间。 GTO总的关断时间为 toff= ts + tf + tT 一般工程应用中只取前两部分，即 toff= ts + tf 实际应用中应注意，器件结温、重加dudt、阳极电流、再加电压、门极负电流幅度及其前沿上升速度等对GTO的关断时间均有较大影响。特种半导体器件及其应用2021-10-31422.2 可关断可控硅（GTO）四、GTO的应用举例GTO具有高电压、大电流、自关断以及快速性等特点，它主要用于高电压大功率的斩波器、逆变

31、器及其他变换器中。 1GTO直流斩波器 直流斩波器是一种直流变换器，它广泛应用在恒定直流电源中需要调节电压的设备上，其输入为直流电压，输出仍为直流电压，而且输出电压平均值可以高于输入电压，也可低于输入电压。 GTO斩波器较可控硅直流斩波器有如下优点： GTO斩波器不需要辅助关断电路。因而电路简单。由于GTO工作频率高。所以GTO斩波器具有较高的工作频率。 GTO斩波器输出功率较大。 特种半导体器件及其应用2021-10-31432.2 可关断可控硅（GTO） 1.GTO直流斩波器 （1）GTO降压斩波电路 图所示为GTO降压斩波电路。Ed为直流电源电压，RL和LL为感性负载，GTO为斩波器的主

32、开关。控制GTO的通断时间，负载即可得到可调节的直流电压。D3为续流二极管，当GTO关断时，通过D3释放负载电感LL中的贮能，以便减小GTO承受的再加电压。二极管DL、电容C和电阻R，组成极性缓冲器，限制GTO的重加dudt，并降低GTO的关断损耗。电感L是限制GTO导通时，电流上升速度，同时限制二极管D3的反向降值电流。电阻R2、二极管D2组成电感L的阻尼缓冲器，限制GTO关断时所承受的再加电压。GTO降压斩波器特种半导体器件及其应用2021-10-31442.2 可关断可控硅（GTO）n（2）GTO升压斩波电路 右图为直流-直流升压斩波器电路。图中GTO为主开关，Lf为滤波电路，D3为隔离

33、二极管，CL为滤波电容，L为限制didt的电感。为限制GTO承受的dudt和关断损耗，GTO两端并联一个R1、D1和C组成的缓冲器。为限制C上的超调电压，加有R2、D2阻尼电路。电路工作原理如下；当GTO导通时，Lf中建立电流，因而贮存一定的能量。当GTO关断后，由于Lf中的电流不能突变，D3处于导通状态。贮存在Lf中的一部分能量便传送到CL和负载上，且输出电压E0高于电源电压Ed。若滤波电容CL足够大，输出电压可视为恒定值E0。GTO升压斩波器特种半导体器件及其应用2021-10-31452.2 可关断可控硅（GTO）n2. GTO逆变器 逆变器就是将直流电转换为交流电的装置。由于逆变器输出

34、频率、输出电压及输出功率范围很宽并且容易调整，所以，它的应用非常广泛。如中频加热、交流调速、不停电电源以及直流-交流变换系统等。特种半导体器件及其应用2021-10-31462.2 可关断可控硅（GTO）n(1)GTO并联逆变器电路 右图为GTO并联逆变器电路。ED为直流电源电压，电感L是限制GTO导通的di/dt，C1、R1和D3组成极性缓冲器，限制GTO1的重加du/df，并降低GTO1n的关断损耗。C2、R2和D4组成极性缓冲器，限制GTO2的重加du/dt和关断损耗。D1、D2为续流二极管，当GTO1或GTO2关断时，为变压器反电势提供通路。图中用虚线连接的元件为稳压二极管，其作用是避

35、免GTO两端电压过高。在一般情况下，极性缓冲器能够在一定范围内限制超调电压，因此，该元件也可省去。该逆变器可将28V直流电压转换成120V、1200Hz的交流电压。GTO并联逆变器特种半导体器件及其应用2021-10-31472.2 可关断可控硅（GTO）n 3. GTO静态开关 所谓静态开关是与带触头的电器开关相对比而言的。因为GTO具有关断和导通两种稳定工作状态，可以作为信号和功率系统的开关。GTO比起普通可控硅和功率晶体管具有许多优点： GTO比普通可控硅工作频率高，快速性能好，门极回路控制功率较小，驱动电路比较简单。GTO比功率晶体管有较大的过载能力和较宽的安全工作范围。GTO特别适用

36、于电流较大、电压较高的开关电路。 静态开关可分为直流开关和交流开关两类。它可用于电机控制、电加热、电镀、电焊、蓄电池组充放电、照明、逆变电源等各个领域。下面介绍两种GTO的开关电路。特种半导体器件及其应用2021-10-31482.2 可关断可控硅（GTO）n(1) 直流功率开关电路 右图为直流双位功率开关，它可以完成从一个负载到另一个负载的直流静态转换。电路的工作原理如下：假定GTO1导通， GTO2关断。电源E通过负载RL2和R2对电容C2充电，C2两端电压极性如图中所示。当按下AT2时C2对GTO2的门极放电， GTO2导通。同时，C2的放电电流反向通过GTO1的门极，使GTO1关断。此

37、后，C1充电，电压极性如图中所示。当AT1闭合时， C1对GTO1 的门极放电， GTO1导通， GTO2关断。直流双位功率开关特种半导体器件及其应用2021-10-31492.2 可关断可控硅（GTO）n(2) GTO交流断路器 GTO1和GTO2反向并联组成主开关，控制交流电源通断。电流检测元件CT用于检测负载电流。当负载电流达到IATO时，检测元件使门极控制电路产生关断信号，关断GTO1和GTO2，使静态断路器开路。GTO交流断路器原理图特种半导体器件及其应用2021-10-31502.3 双向可控硅n双向可控硅元件，又称双向晶闸管，它是可控硅的主要派生元件之一。可控硅本质上是一种直流电

38、力元件，在用于交流电力控制时，需要用一对反并联的可控硅。而双向可控硅具有正、反两个方向都能控制导通的特性，而且又有触发电路简单、工作稳定可靠等优点，在灯光调节、温度控制、交流电机调速、各种交流调压和无触点交流开关电路中得到广泛应用。特种半导体器件及其应用2021-10-31512.3 双向可控硅n一、双向可控硅的基本结构 双向可控硅的外形结构和普通可控硅相似，有螺栓型、平板型及塑封型等结构。额定电流在200安以上的一般都是平板型的；中等电流大小的采用螺栓型；额定电流为几安或几百毫安的，通常采用塑封外形结构。从内部结构来看，如右图所双向可控硅是一种NPNPN型五层结构的三端元件.它有两个主电极T

39、1和T2，一个门极G。主电压加在T1和T2之间，控制电压加在G和T2之间。它的符号也和普通可控硅不同。特种半导体器件及其应用2021-10-31522.3 双向可控硅n二、双向可控硅的特性曲线 双向可控硅的特性曲线是由一、三两个象限内的曲线合成的。第一象限的曲线说明当加到主电极上的电压使这个电压T1对T2的极性为正时，称为正向电压。当这个电压逐渐增加到等于转折电压UDSM时，双向可控硅就触发导通，这时通态电流方向是从T1流向和T2。这种情形和普通可控硅的触发导通规律是一致的。 当加到主电极上的电压使T2对T1的极性为正时，叫做反向电压。当这个电压达到转折电压值时，双向可控硅触发导通，电流方向是

40、从T2到T1 。这时双向可控硅的特性曲线，如图所示。因此，双向可控硅无论主电极加上正向或反向电压，它都能被触发导通。双向可控硅还有一个重要特点：不管触发信号的极性如何，即不管所加触发信号电压UG对T2是正向还是反向，双向可控硅都能被触发导通。双向可控硅的这个特点是普通可控硅所没有的。特种半导体器件及其应用2021-10-31532.3 双向可控硅n双向可控硅元件的主电极伏安特性双向可控硅元件的主电极伏安特性特种半导体器件及其应用2021-10-31542.3 双向可控硅n三、双向可控硅的触发方式 由于在双向可控硅的主电极上，无论加正向电压或反向电压，也不管触发信号是正向还是反向，都能被触发导通

41、，因此双向可控硅元件有四种触发方式：n 1I+触发方式：当主电极T1对T2所加的电压为正向电压，控制极G对第二电极T2所加电压也是正向触发信号，这时双向可控硅触发导通规律是按第一象限的特性进行的，又因为触发信号是正向的，所以把这种触发叫做第一象限的正向触发或称I+触发方式。n 2I -触发方式：如果主电极T1仍加正向电压，而把触发信号改为反向信号，双向可控硅触发导通后，我们把这种触发叫做第一象限的负触发或称I -触发方式。特种半导体器件及其应用2021-10-31552.3 双向可控硅n3+触发方式：如果主电极T1为负，即加反向电压，控制极G输入正向触发信号，双 向可控硅导通后，通态电流从T2

42、流向T1。双向可控硅按第三象限特性曲线工作，把这种触发叫做+触发方式。n 4 -触发方式：主电极T1仍为负，控制极G输入为反向触发信号，这种触发叫做-触 发方式。 双向可控硅元件由于结构关系，采用+触发方式时所需控制极功率相当大，所以不采用+触发方式进行触发。在实际应用中，只能在I+I-、 -的两个组合中(I+ - 或I- -)任选一组。 特种半导体器件及其应用2021-10-31562.3 双向可控硅n四、双向可控硅的特性参数 表征双向可控硅元件性能的电参数很多，下面介绍与应用直接有关的主要电参数。n 1双向可控硅的伏安特性曲线 双向可控硅的伏-安特性是其主要技术参数之一。它与KP型元件的伏

43、-安特性不同之处在于，KS型元件具有正反向对称的伏-安特性。UDSM称为元件的断态不重复峰值电压，它是指在额定结温和控制极开路状态下，在主电极T1和T2上分别施加正弦半波电压时，于示波器上观察到的伏安曲线上的拐点所对应的电压值。UDRM称为元件的断态重复峰值电压， UDRM 80 UDSM 。 UDRM是元件出厂合格证上给出的允许最高工作电压。伏安特性曲线上UDSM所对应的电流，称为元件的断态不重复峰值电流； UDRM对应的电流称为断态重复峰值电流，用IDRM表示，习惯上称IDRM为元件的漏电流。在选用双向可控硅元件时，漏电流应适当选小一些；对电压的选择，要求有一定的余量，以保证使用的可靠性。

44、特种半导体器件及其应用2021-10-31572.3 双向可控硅n 2额定通态平均电流和额定通态平均电压 在标准散热条件下，当元件的单向导通角170时，允许流过元件的最大交流正弦电流的有效值，称为元件的额定通态电流，用IT(RMS)表示；而普通可控硅元件的通态电流则用与其对应的直流平均值标出。两者的换算关系为： 在导通角很小并以脉冲形式输出的运行过程中，虽然元件的电流有效值不太大，但电流峰值却很大。因此在选用元件时应适应提高其容量。有效有效平均III45. 0/2特种半导体器件及其应用2021-10-31582.3 双向可控硅n 元件的额定通态电流所对应的电压平均值，称为元件的通态平均电压，用

45、UT（AV）表示，亦可简写为UT 。元件的主电极T1到T2方向上的压降，用UT1表示；从T2到T1方向上的压降，用UT2表示。元件的通态平均电压的上限值，必须满足| UT1-UT2|0.5伏，即元件的正反向平均电压之差不得高于0.5伏。在选用元件时，一般应将管压降UT选小一些，因为管压降小的元件结温升较低；同时还应尽量使UT1和UT2的差值小一些。特种半导体器件及其应用2021-10-31592.3 双向可控硅n 3门极可触发电流IGT和门极可触发电压UGT 在室温、主电压为直流12伏，用直流电源对门极进行触发的条件下，使双向可控硅全开通的最小门极电流与门极电压，分别称为门极可触发电流(IGT

46、)和门极可触发电压(UGT)。对于双向可控硅的触发功率来说，-触发一般大于I+和I-触发。元件门极所需的触发功率太小，容易导致双向可控硅元件误导通；所需的触发功率太大，则元件不易开通。特种半导体器件及其应用2021-10-31602.3 双向可控硅n 4维持电流(IH)和掣住电流(IL) 双向可控硅元件在触发导通后，不会自行关断；只有当主电流下降到某一数值以下时元件才关断，这个主电流值就是该元件的维持电流(IH)值。双向可控硅有两个维持电流值，即IH1和IH2。维持电流是用以描述元件由全开通转入阻断的参数。 门极触发导通后，触发脉冲一旦消失仍能使元件保持继续导通的最小主电流就是掣住电流IL。I

47、L是表征元件由阻断进入全导通的参数。特种半导体器件及其应用2021-10-31612.3 双向可控硅n 5浪涌电流ITSM 普通可控硅的浪涌电流是半波电流。而双向可控硅标准规定的浪涌电流是全波电流，浪涌电流后不要求元件能承受正向或反向断态电压，以过载后元件不损坏和耐压不降级来考核。因此，双向可控硅的过载能力比普通可控硅略低，应用时要特别注意。特种半导体器件及其应用2021-10-31622.3 双向可控硅n6.换向电流临界下降率di/dt|c 要使双向元件可靠运行，必须要求元件有很强的换向能力。现行标准规定：（di/dt）c表述元件换向能力的主要依据。标准中的（di/dt）c值，分为0.2级、

48、0.5级、1级、2级。对200安的元件来说，0.2级为 对大功率双向元件，0.2级的(di/dt)c值尚嫌不足。一般，可根据实际情况来选用做(di/dt)c的等级. 双向可控硅元件由于存在特殊的换向问题，而且工作频率低，所以，一般应用在工频场合。 微秒安/4 . 0%2 . 0200cdtdi特种半导体器件及其应用2021-10-31632.3 双向可控硅n 7结温 大功率双向可控硅元件的额定结温为115。为了保证元件在此结温以下可靠地工作，必须根据设计要求提供标准散热条件。特种半导体器件及其应用2021-10-31642.3 双向可控硅n五、双向可控硅的应用 双向可控硅是一种交流器件，因此主

49、要用于交流电路，作静态开关、零电压开关、相位控制、固体继电器和固体接触器。可控硅的应用本质上是利用它的开断特性，实现对电路的接通和切断。它不但在工业中得到广泛应用，还在家用电器上得到广泛应用。随着应用技术的发展，多功能电路愈来愈多，下面列举一些常用电路。特种半导体器件及其应用2021-10-31652.3 双向可控硅n 1双向可控硅静态开关 双向可控硅作静态开关是一种理想的快速交流开关，因其在主电路中没有电气开关的触点及可动的机械机构，因而不存在电弧、触点磨损和熔焊等问题。由于双向可控硅总是在电流过零时关断，所以在关断时不会因负载或线路中电感储存有能量而造成出现暂态电压现象。双向可控硅交流开关

50、可以用很小的功率控制相当大的电流，并且适用于操作频繁、及有易燃气体的场合，电路比其他半导体静态开关简单、元件少。特种半导体器件及其应用2021-10-31662.3 双向可控硅n图(a)是最简单的静态开关，双向可控硅的触发方式为I+和-。电路中R是限流电阻，防止电压较高信况下关闭S时，因门极电流过大而烧坏双向可控硅。RL为负载电阻。开关S视工作要求可采用各种机械或电气开关，如小型继电器、光电继电器、压力开关和程序定时开关等。特种半导体器件及其应用2021-10-31672.3 双向可控硅n 图(b)开关S有三种工作状态，开关S在位置1上，双向可控硅处于断态，电路不接通。在位置2上，门极只允许半

51、波电流通过，这时双向可控硅相当于普通可控硅，负载RL上得到半波脉动直流功率，触发方式为I+。在位置3上，门极全波接通，触发方式为I +和-。特种半导体器件及其应用2021-10-31682.3 双向可控硅n 图(c)开关S接在门极回路变压器次级，当S闭合时，变压器次级接通，初级有电流流通，并从双向可控硅门极流入或流出，触发双向可控硅，使其导通。当开关S打开时，变压器次级开路，初级电流很小，不能触发双向可控硅，使其处于断态。触发方式为I +和-。特种半导体器件及其应用2021-10-31692.3 双向可控硅n 图(d)电路中开关S是作为门极触发的直流电流通断控制的交流开关，开关S可用热敏电阻、

52、光敏电阻和光电池等控制元件来代替。触发方式为I -和-。特种半导体器件及其应用2021-10-31702.3 双向可控硅n 图(e)采用交流电源控制的静态开关，四种触发方式均可使用，可根据双向可控硅触发特性进行选择。特种半导体器件及其应用2021-10-31712.3 双向可控硅n2双向可控硅交流调压器 交流调压器是通过改变双向可控硅的导通角来改变负载上的平均电压。亦称相位控制电路。 图示出电阻负载上的交流有效电压、半波平均电压、峰电压及平均功率与导通角的关系。 负载上交流有效值电压为 负载上的平均功率为3212siniUU22sin1MPP特种半导体器件及其应用2021-10-31722.3

53、 双向可控硅式中: Ui交流电源有效值电压， PM全导通时的最大负载平均功率 触发延迟角，它与导通角互为补角。特种半导体器件及其应用2021-10-31732.3 双向可控硅n 图所示为最简单的相位控制灯光调节电路，双向二极管2CTS、R1和C1组成触发电路。当电源电压为正半周时，电源电压通过R1向C1充电，电容C1上的电压极性是上正下负。当这个电压增高达到双向二极管的转折电压时，双向二极管导通，使双向可控硅的门极G相对主电极T2得到一个正向触发脉冲，使双向可控硅导通。这相当于I+触发方式。在电源电压过零的瞬间，双向可控硅自动阻断；当电源电压处于负半周时，电源电压对C1反向充电，C1上电压的极

54、性为下正上负，当这个电压值达到双向二极管的转折电压时，双向二极管导通，使双向可控硅得到一个负向触发信号，使双向可控硅导通。这相当于-触发方式。在电路中，调节R1的阻值，可以改变R1C1的时间常数，从而改变了触发脉肿的出现时刻，即改变了双向可控硅的导通角，因而使负载上得到的平均电压不同，达到调节灯光的目的。电阻R2、R3和电容C2是为了防止灯从关开，产生灯突然亮的“突跳”，而且可将移相范围扩大。特种半导体器件及其应用2021-10-31742.3 双向可控硅双向可控硅灯光调节电路特种半导体器件及其应用2021-10-31752.3 双向可控硅n 3双向可控硅零压开关 零电压开关相当于一个电压过零

55、时闭合，电流过零时断开的交流电路开关触点。零压开关电路；通常在阳极瞬时电压小于5V时触发，这样既可以把可控硅射频干扰限制在允许的范围的，而且不会造成电源波形畸变。 图示是双晶体管开关控制的“零压开关”控温电路。当温度较低时，热敏电阻RT的阻值较高，在正常温度下阻值约几千欧，双晶体管开关处于关闭状态，流过晶体管的电流很小，双向可控硅可在零压附近被I+方式触发，加热器被加热。同时，对电容器C充电到电源电压。在负半周时，电容器C对双向可控硅门极的放电电流使双向可控硅在零压附近被+方式触发，负载RL上通过几乎为整周的电流。当温度达到所要求的数值时，热敏电阻阻值降低，晶体管开关接通，将双向可控硅的门极-

56、阴极短路，这时正、负半周均不能使双向可控硅导通。加热器得不到功率，温度开始下降。当到达某一下限时，双向可控硅再次导通。如此反复达到控温目的。特种半导体器件及其应用2021-10-31762.3 双向可控硅双晶体管开关控制的“零压开关”控温电路（RT为热敏电阻)特种半导体器件及其应用2021-10-31772.4 逆导可控硅n一、逆导可控硅的主要特点和类型 逆导可控硅也称逆导晶闸管，它是七十年代末发展起来的一种可控硅派生元件。制做这种派生元件的主要目的是：利用阴极和阳极发射极都短路的结构，可以更好地解决制做高温、高压、快速可控硅时各参量间的矛盾。所谓逆导可控硅是由一个可控硅和一个反并联的二极管集

57、成在同一硅片内的电力半导体复合元件。逆导可控硅和普通逆阻可控硅相比效，其共同特点是：逆导可控硅的正向特性和普通可控硅正向特性相同，所不同的是：逆导可控硅反向特性具有导电特性，和硅整流管的正向特性相同，而逆阻可控硅的反向特性具有阻断特性。 逆导可控硅的结构、伏安曲线、等值电路和符号如图所示。在同图中相应地给出了普通逆阻可控硅的上述各项参数。特种半导体器件及其应用2021-10-31782.4 逆导可控硅特种半导体器件及其应用2021-10-31792.4 逆导可控硅n 逆导可控硅根据其性能特点可分为四种类型示于表中。n第一种类型为快速开关型。其主要特点是高压、大电流和快速，主要用于大功率直流开关

58、电路，如斩波器和直交逆变电路中。但这种类型元件其工作频率并不高，一般在200-350Hz左右。在这种元件中，可控硅的允许电流与二极管的允许电流之比通常为3:1或1:1。前者主要用在直流斩波电路中，后者主要用在输出频率不高的直交逆变器电路中。n 第二种逆导可控硅是频率型。它的产生易为适应交流电机调速的要求。它是在功率型元件的基础上，采取降低关断时间，减小开关损耗等措施研制成的元件。其工作频率为500-1000Hz。频率型逆导可控硅主要用于高频脉宽调制逆变器、高频感应加热逆变器及各种稳频稳压逆变电源等设备中。n 第三种逆导可控硅是高压型。它采用阳极短路有利于高温和高压，相对薄的基区有利于减小通态电

59、压降和缩短关断时间，目前试品水平为7000V，电流容量为400A。这种逆导可控硅主要用于：电流高压输电、高压静止开关等高压电路中。特种半导体器件及其应用2021-10-31802.4 逆导可控硅n第四种逆导可控硅是可关断型。前三种逆导可控硅的正向都不具备自关断特性，由于可关断可控硅的发展，研制者将可关断可控硅的自关断特性和逆导可控硅的反向导通特性结合起来，研制成可关断型逆导可控硅。这种可控硅目前处于研制阶段。特种半导体器件及其应用2021-10-31812.4 逆导可控硅特种半导体器件及其应用2021-10-31822.4 逆导可控硅n二、逆导可控硅的主要特性参数 逆导可控硅特性参数的测试项目

60、和测试方法目前尚无全国统一标准，各制造单位均参照普通可按硅的测试标推进行若干项目的测试。国产逆导可控硅的电流等级分为200A70A，300A100A，400A150A和600A200A四种，耐压等级为1000-2500V，通常以200V为一级进行分档，最常用的是1000V，1600V，2000V和2500V四档。下面将主要特性参数加以说明。n1正向重复断态电压UDRM，正向断态漏电流IDS（AV） 测试方法有两种：全动态测试法和半动态测试法。全动态法的测试条件是：在标准散热条件下，正向通以50Hz工频正弦半波额定平均电流，等待元件温升稳定后，测量元件的正向重复断态峰值电压及其平均漏电流。在正向