第三讲 晶闸管

1、电力电子器件基础电力电子器件基础第1章第2页电力电子器件概述电力电子器件概述第一讲 功率二极管第二讲 功率晶体管第三讲第三讲 晶闸管晶闸管第四讲 功率MOS器件/IGBT第五讲 半导体器件的塑料封装第1章第3页第三讲第三讲 半控器件半控器件晶闸管晶闸管3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3.5 3.5 晶闸管的触发晶闸管的触发3.6 3.6 晶闸管的串并联晶闸管的串并联第1章第4页半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管（T

2、hyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化, 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 第1章第5页3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理为了能够直观地认识晶闸管的工作特性

3、，大家先看这块示教板(图3-1)。晶闸管VS与小灯泡EL串联起来，通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在1.5V直流电源的正极。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们把可变电阻R调到最小值,合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通,电压表的测量值约等于6V；再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了,即使把SB断开,小灯泡依然亮,电压表测量值在1V左右。如果这时候增加可变电阻R,会发现灯光在逐渐的暗淡,但电压表的值几乎不变,继续增加R

4、到一定程度,小灯泡会熄灭,电压表的值会增加到6V左右,表示晶闸管关断,再反方向减少R,灯也不会亮, 说明晶闸管依然关断。如果把4.5V电池反向连接,无论怎么连接开关,灯都不会亮.这个演示实验给了我们什么启发呢?第1章第6页图3-1KP1GVSKA4.5VELS1.5VSBVR第1章第7页这个实验告诉我们，要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。晶闸管的特点： 是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉冲

5、使晶闸管导通，却不能使它关断。那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源(图3-1中的开关S)或使阳极电流小于维持导通的最小值(称为维持电流Ih)。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。第1章第8页3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型以及塑料封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，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两个散热器将其夹在中间,有利于散热图3-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形

6、 b) 结构 c) 电气图形符号第1章第9页3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图3-3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理Ic1=1 IA + ICBO1 （3-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （3-2）第1章第10页3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 IK=IA+IG （3-3） IA=Ic1+Ic2 （3-4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基

7、极漏电流。由以上式（3-1）（3-4）可得 （3-5）晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 )(121CBO2CBO1G2AIIII第1章第11页3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。第1章第12页3.1 3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理其他几种可能导通的情况其他几种可能

8、导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发光触发只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段靠的控制手段,其它都因不易控制而难以应用其它都因不易控制而难以应用于实践。于实践。第1章第13页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性3.2.1. 静态特性静态特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下或

9、电极反向.第1章第14页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1. 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图3-4 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第1章第15页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性第一像限：IG=0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即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，可能使器件开通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

10、仿晶闸管本身的压降很小，在1V左右导通期间，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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。第三像限：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第1章第16页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。第1章第17页

11、3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2 晶闸管的反向转折电压VBR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 外加反向电压由J1和J3结承担, J3结两侧的掺杂浓度比J1结高23个数量级, 其耐压很低, 实际上可以看成是直通的欧姆接触。电压几乎全由J1结承担。当一个载流子进入反偏PN结的空间电荷区后， 会受到电场的加速作用，与晶格碰撞后会产生新的空穴-电子对。经过整个空间电荷区得到的载流子和进入该区的载流子数的比值， 称为倍增系数M 1 M= 1-（V/Vb)nVb为单PN结击穿电压，n =37第1章第18页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2 晶闸管的反向

12、转折电压VBRUP1 N1 P2 N2J1 J2 J3EU2U1第1章第19页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性J1结反偏，相当与PNP晶体管的集电结，J2结正偏，相当于发射结，J2结向N1区注入空穴电流IA但只有1IA到达J1的空间电荷区， 1为P1N1P2结构的电流放大系数。 J1结自身还有反向漏电流I0， 有倍增时： IA= MI0+ M1IA 得到 ： IA= MI0/（1- M1）举例：M=2， 1=0.4时， IA= 5MI0 M11时， IA 无穷大，表示击穿举例： 1=0.4， M=2.5时， M11第1章第20页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性单

13、个PN结需要到VB时发生击穿，PNP结构时，在VBR时发生击穿， VBR=VB（1- 1）1/n3 晶闸管正向转折电压）VBF同样的分析用于J2结的转折电压（晶闸管正向转折电压）VBF，得到 VBF=VB（1- （1+ 2 ）1/n2为N1P2N2结构的电流放大系数。可以知道： VBFU1原因:第1章第23页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性4 提高VBF 的方法有目的地增加2可以导致正向的导通， 这就是门极的作用。但又可以造成阻断态的VBF 降低。为提高VBF 需要减少2 在结构上采用短路点,可以在一定程度上,减小2。短路点的作用：使N2区中间的压降低于J3结的开起电压(0.5

14、V),起不到发射结的作用,注入很小, 2几乎等于零。P1 N1 P2 N2RlAK图3-5 短路发射极示意图第1章第24页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性5. Ig 对正向导通到阻断特性的影响 Ig =0, Ioff= IH Ig 0, Ioff IH Ig IH (IA= Ioff,） IA/ |Ig| 称为关断增益. 2几乎等于1, 1+2应该不比1大太多(GTO)第1章第25页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性可控硅导通和关断条件状态条件说明从关断到导通1.阳极电位高于阴极电位;2.控制极有足够的电压和电流两者缺一不可维持导通1.阳极电位高于阴极电位;2.阳

15、极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1.阳极电位低于阴极电位;2.阳极电流小于维持电流任一条件即可第1章第26页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性3.2.2. 动态特性动态特性 图3-6 晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第1章第27页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间上升时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间开通时间开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （

16、3-6） 普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为0.53 s第1章第28页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2) 关断过程关断过程:关断的方法:i) 断开负载电路, ii) 改变电源电压极性 iii) 负的门极电流通常讨论的是改变电源电压极性过程中的关断机理。关断过程中主要是靠复合来减少N1区的存储电荷。.反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通实际应用中，应对晶闸管

17、施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作 关断时间关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr （3-7）普通晶闸管的关断时间约几百微秒, 快速晶闸管的关断时间为十几到几十个微秒。第1章第29页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性3) 晶闸管的电流上升率晶闸管的电流上升率di/dt耐量耐量1. 电流上升过快电流上升过快, 导通时的瞬间功率大到几个千瓦导通时的瞬间功率大到几个千瓦, 而硅的比热很小而硅的比热很小, 导热率低导热率低, 会使温度显著上升会使温度显著上升, 载载流子增多流子增多, 电流密度更大电流密度更大, 进入恶性

18、的正反馈过程进入恶性的正反馈过程, 最后使先导通区域的硅熔化最后使先导通区域的硅熔化.2. 提高提高di/dt耐量的方法耐量的方法:i. 强触发法强触发法, Ig大大, 效果一般效果一般第1章第30页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性ii. 放大门极法放大门极法:N2P2N1P1 FFRpG小晶闸管主晶闸管KKAAG图3-7放大门极结构a)示意图, b)等效电路图a)b)第1章第31页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性iii. 横向场阴极法横向场阴极法:N2P2N1P1KAG图3-8 横向电场阴极结构示意图ab段只在初始导通阶段起作用,在P2基区产生一个漂移电场，会

19、产生很大的空穴电流，导致晶闸管阴极的大面积导通。在主晶闸管导通后不再流电流,它的面积只有百分比之几, 但对提高的di/dt耐量作用明显, 一般可以提高一个数量级Gab第1章第32页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性iv. 再生门极结构再生门极结构:N2P2N1P1KAG图3-9 横向电场阴极结构示意图ab会有一个横向压降, 把a点的压降通过电极引到阴极面的其它点附近, 如c附近, 会使c点及时导通.再生门极abc第1章第33页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性4) 晶闸管的电压上升率晶闸管的电压上升率du/dt耐量耐量1. 电压上升过快电压上升过快, J2结的空间电

20、荷区扩展的快结的空间电荷区扩展的快, J1结和结和J3结的注入电流增大结的注入电流增大, 在一定的条件下会导致在一定的条件下会导致1+ 2 =1,晶闸管误导通晶闸管误导通.2. 提高提高du/dt耐量的方法耐量的方法:i. 短路点结构短路点结构, 加密加密/增大面积增大面积3. 使用中要注意器件的使用中要注意器件的du/dt耐量必须超过线路中耐量必须超过线路中可能出现的可能出现的du/dt值。否则改线路或换器件。值。否则改线路或换器件。第1章第34页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性5) 晶闸管功率损耗晶闸管功率损耗, 包括包括:1. 通态损耗通态损耗PF2. 正反向阻断损耗正反

21、向阻断损耗PD3. 开通损耗开通损耗Pon4. 关断损耗关断损耗PRC5. 门极损耗门极损耗PG第1章第35页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1. 通态损耗通态损耗PF正弦半波电流正弦半波电流 iF =IFMsin时时: IFM 通通态峰值电流和平均值态峰值电流和平均值IF的关系的关系IFM =IF通态压降平均值通态压降平均值VF=V0/2+IFRe利用简化的伏安特性可得到利用简化的伏安特性可得到: PF=2.46VFIF -0.23V0IFi(v)v1.5IFIF0.5IF开放电压V0斜率=1/Re图3-10 通态特性示意图第1章第36页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管

22、的基本特性2. 正反向阻断损耗正反向阻断损耗PD, (比较小可以忽略比较小可以忽略)正向正向:PDF= VMF IOF 反向反向:PDR= VMR IOR VMF ,VMR 正反向阻断电压峰值正反向阻断电压峰值 IOF , IOR 正反向阻断峰值电压下的平均漏电流正反向阻断峰值电压下的平均漏电流第1章第37页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性3. 开通损耗开通损耗Pon在同样的波形和频率的情况下，在同样的波形和频率的情况下， 元件的开通损耗显著元件的开通损耗显著的大于关断损耗，大多数情况下，的大于关断损耗，大多数情况下， 开通损耗是主要的。开通损耗是主要的。在电感负载电路中，在电

23、感负载电路中， 开通损耗为：开通损耗为：Pon = IonVo tr f/(1+2.2)*(L/R)* tr )*4.4tr: 器件的上升时间R/L: 电路的时间常数f: 使用频率Vo: 开通前的阳极电压Ion: 开通后的阳极电流(3微秒左右的正态分布, 峰值约300瓦)第1章第38页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性4. 关断损耗关断损耗PRCPRC=IRVRtqf/4.4IR反向恢复电流峰值VR反向恢复电压tq 关断时间f 频率(小于3微秒的一个偏左分布, 峰值约80瓦)第1章第39页3.2 3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性5. 门极损耗门极损耗PG: 与工作频率有关

24、与工作频率有关,工频条件下工频条件下可认为可认为:对对200A元件元件 PG =2W 对对500A元件元件 PG =5W所占比例很小所占比例很小,可用上述值进行估算可用上述值进行估算.晶闸管功率损耗为前述五项之和晶闸管功率损耗为前述五项之和:P=PF+PD+Pon+PRC+PG第1章第40页3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1. 电压定额电压定额1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 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值电压。3) 通态（峰值）

25、电压通态（峰值）电压UTM晶闸管通以正弦半波的额定通态平均电流和稳定的结温时, 元件阳极和阴极间电压降的平均值。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额额定电压定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍第1章第41页3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2. 电流定额电流定额 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) 额定电流-晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170时， 稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大通态电流的平均值。使用时应按实际电流与通

26、态平均电流有效值发热效应相等的原则来选取晶闸管应留一定的裕量，一般取1.52倍第1章第42页3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2) 维持电流维持电流 IH 室温和门极断开的情况下，晶闸管从较大导通电流下降时，维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小3) 擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流， 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍4) 浪涌电流浪涌电流ITSM在额定结温条件下， 在工频正弦波半周期内晶闸管所能承受的最大过载电流， 在浪涌后的半周期应能承受规定的反向电压。第1章第43页

27、3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 3. 门极定额门极定额 1) 门极触发电流门极触发电流 IGT 在室温条件下，阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必须的最小门极直流电流2) 门极触发电压门极触发电压 VGT 对应的门极触发电流的门极触发电压4. 额定结温额定结温TJM： 元件在正常工作条件下所允许的最高PN结温度第1章第44页3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数5. 动态参数动态参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电

28、压最大上升率在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 用户在选择晶闸管时，应注意元件的临界上升率必须大于线路中可能出现的上升率。第1章第45页3.3 3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数(2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。同样，用

29、户在选择晶闸管时，应注意元件的临界上升率必须大于线路中可能出现的上升率。第1章第46页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1. 快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管(400Hz)和高频晶闸管(10kHz)管芯结构和制造工艺进行了改进(基片减薄基片减薄, 门极图形优化，门极图形优化，阴极条宽窄，扩金浓度高，少子寿命短阴极条宽窄，扩金浓度高，少子寿命短)，开关时间以及du/dt和di/dt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，高频晶闸管10 s左右高频晶闸管的不足在于其

30、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开关损耗的发热效应第1章第47页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2. 双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）图3-11 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a)b)IOUIG=0GT1T2第1章第48页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件P1N2P2N1N3N4T1GT2图3-11A 双向晶闸管的内部结构示意图第1章第49页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件可

31、认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成有两个主电极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和第III象限有对称的伏安特性第1章第50页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3. 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）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具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流图3-12 逆导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b)a)UOIKGAIG=0第1章第51

32、页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3. 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）图3-12A 逆导晶闸管的内部结构P1N3N2P2N1N3GAK第1章第52页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件4 . 光 控 晶 闸 管 （光 控 晶 闸 管 （ L i g h t T r i g g e r e d ThyristorLTT）图3-13 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性光强度强弱b)AGKa)OUAKIA第1章第53页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件又称光触发晶闸管

33、，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器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，占据重要的地位第1章第54页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件大功率光控晶闸管存在的问题和解决方案:1.由于要求触发灵敏, 要求把元件的电流增益设计的很大, 或者是取消短路发射极, 使的电压上升率和高温阻断能力下降方案1:减小触发区的面积, 周界缩短, 灵敏度提高方案2: J2结延伸到表面, 灵敏度提

34、高, dv/dt不下降.方案3. 灵敏度和dv/dt取折衷.方案4: 双重门极放大结构, 第1章第55页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2. 把发射极的内周界取得很小, 提高单位长度的电流密度, 元件易于触发, 但初始导通区域小, 电流上升率低方案1: 特殊的几何尺寸和工艺配合第1章第56页3.4 3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3. 触发电流 不能很大, 使得延迟时间增长, 并增加了不同元件之间延迟时间的差别, 这对元件的串联是不利的, 因为后触发的元件将承担整个电网上的电压.方案: 强激光触发, 增加吸收深度, 可使体内反向结电场瞬间崩溃. 如铷玻璃激光所产生的5X

35、103erg, 可使元件在1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图3-15 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理第1章第61页GTO能够通过门极关断的原因能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于 GTO关断（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15） 导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基

36、区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流第1章第62页 导通过程导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程 度较浅 关断过程：关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门 极抽出电流，则Ib2减小，使IK和和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流当IA和和IK的减小使 1+ 21时，器件退出饱和而关断多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 第1章第63页2. GTO的动态特性的动态特性开通过程：开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr Ot0t图1-14iGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图3-16 GTO的开通和关段过程电流波形第1章第64页关断过程：关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和等效