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2.2器件物理基础与晶闸管额定参数

(第三讲)第1页

2.2.1惯用开关器件及分类

(1)器件及分类(2)型号命名法(3)器件额定值2.2.2pnpn器件导通物理过程

(1)晶闸管结构及等效电路

(2)导通物理过程(3)导通机制内容提要第2页2.2.1惯用开关器件及分类按照器件被控程度，分为以下三类：不可控器件(PowerDiode)——不需用控制信号来控制其通断。半控型器件(相控Thyristor等)——经过控制信号能够控制其导通而不能控制其关断。全控型器件(IGBT,MOSFET等)——经过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。(1)器件及分类第3页

按照驱动电路信号性质，分为两类：电流驱动型(双极型器件)——经过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断器件。电压驱动型(MOS栅器件)——仅经过在控制端和公共端之间施加一定电压信号就可实现导通或者关断器件。2.2.1惯用开关器件及分类第4页2.2.1惯用开关器件及分类按照器件关断方式可分为：换流关断型(Thyristor)——利用施加反向电压使电流反向而实现器件关断。自关断型(功率晶体管、GTO、电压型器件)——仅经过在控制端和公共端之间施加一正电压信号实现导通，施加一负电压信号实现关断器件。第5页2.2.1惯用开关器件及分类按照器件触发方式可分为：电触发型(Thyristor、MOS器件)

——门极用电信号来触发使其开通器件。光触发型(LTT)

——用光直接来触发使其开通器件。热触发型(温控晶闸管)

——当温度到达某一值，热激发使之开通器件。第6页2.2.1惯用开关器件及分类惯用主要功率器件二极管(整流/雪崩/快恢复/软恢复/浪涌保护/肖特基…)晶闸管相控晶闸管PhaseControlledThyristor双向晶闸管BidirectionalTriodeThyristor

(TriodeACSwitch——TRIAC)逆变晶闸管InverseThyristor逆导晶闸管ReverseConductingThyristor光控晶闸管LightTriggeredThyristorGTOGate-Turn-OffThyristor

IGCTIntegratedGate-CommutatedThyristorIGBT

(MOSFET类)

InsulatedGateBipolarTransistor

IEGT

InjectionEnhancedGateTransistor

组合器件(IPM)IntelligentPower

Module(SOP/SOC/MCM/IPEM)第7页2.2.1惯用开关器件及分类(2)型号命名法(国产器件)拼音符号额定电流ZK1%峰值电压 P—普通、K—快速、S—双向、N—逆导、Q—汽车、B—雪崩、L—光触发….例:ZK1000-8表示额定平均正向电流1000A，反向阻断电压800VKS200-12表示额定电流（有效值）200A，断态阻断电压1200V注意：电流—平均值（KS除外）电压—峰值—第8页2.2.1惯用开关器件及分类(3)晶闸管额定参数电压额定值断态重复峰值电压VDRM

(Max.rep.peakdirectvoltage)——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上正向峰值电压。反向重复峰值电压VRRM

(Max.rep.peakreversevoltage)——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上反向峰值电压。通态（峰值）电压VT——晶闸管通以某一要求倍数额定通态平均电流时瞬态峰值电压。

第9页第10页2.2.1惯用开关器件及分类电流额定值通态平均电流IT(AV）——允许流过工频正弦半波电流在一周期平均值。维持电流IH（HoldingCurrent)——维持晶闸管导通所必需最小阳极电流(通→断)。擎住电流IL

(LatchingCurrent)——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL＞IH。浪涌电流ITSM(Surge

Current)——指因为电路异常情况引发并使结温超出额定结温不重复性最大正向过载电流。第11页2.2.1惯用开关器件及分类门极额定值门极触发电流IG——晶闸管由断态转为通态最小门极电流。门极触发电压VG——指产生门极触发电流所需最小门极电压。第12页2.2.1惯用开关器件及分类动态参数断态电压临界上升率dV/dt

——指在额定结温和门极开路和正向阻断条件下，器件在单位时间内所允许上升正向电压。

通态电流临界上升率di/dt——指在要求条件下，晶闸管开通时在单位时间内所允许上升最大电流。第13页2.2.2pnpn器件导通物理过程

(1)晶闸管结构及等效电路四层：PNPN三端:A、K、G三结：J1、J2、J3基本结构掺杂浓度分布第14页2.2.2pnpn器件导通物理过程等效电路正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM伏－安特征第15页2.2.2pnpn器件导通物理过程晶闸管导通需具备两个条件：

正向偏置；G、K间有“＋”信号。晶闸管关断亦需具备两个条件：阳极电压反向或过零；流过A、K间电流小于IH以下。第16页第17页2.2.2pnpn器件导通物理过程螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形第18页2.2.2pnpn器件导通物理过程先讨论四层两端器件正向偏置pnpn四层两端器件含有两个特点：①含有通态和断态两个稳定状态；②有负阻现象。反偏PN结是怎样变为正偏？？(2)导通物理过程第19页2.2.2pnpn器件导通物理过程雪崩区：当外加电压上升到靠近J2结击穿电压VB时，空间电荷区内电场变得很大，引发雪崩倍增。反向产生电流经过势垒区由碰撞电离而增加M倍。经过J2结电流由原来反向电流转变为由J1、J3结注入载流子经过基区后衰减而又在势垒区倍增了电流。

断态区：当外加正向电压V<<J2结雪崩电压，复合与补充维持电中性。只有小电流流过J2结，类似二极管反向特征。第20页2.2.2pnpn器件导通物理过程V较小时，M→1；当V→VB时，M急剧增加；当电流放大系数与雪崩倍增因子积等于1时，所对应外加电压即为转折电压VB0。第21页2.2.2pnpn器件导通物理过程负阻区：当外加电压大于转折电压时，势垒区内雪崩倍增产生大量电子空穴对，这些载流子受反向电场抽取作用，电子进入n1区，空穴进入p2区。因为不能很快复合，将使J2结两侧产生载流子积累，即p2区有空穴积累，n1区有电子积累以赔偿离化杂质，使空间电荷区变薄。p2区电位升高，n1区电下降。降落在J2结上电压减小，雪崩倍增减弱，J1、J3结注入增强，从而出现电压减小、电流增强负阻现象。第22页2.2.2pnpn器件导通物理过程通态区：因为上述积累增加，J2结电压下降直至M=1雪崩倍增停顿时，仍能维持使p2区相对n1区为正，J2结倒向，三个结均处于正向，有类似二极管正向特征。反向阻断区：反向电压由J1结负担，与单个pn结反向特征相同。第23页2.2.2pnpn器件导通物理过程(3)导通机制由等效电路，pnp晶体管基极电流为

npn晶体管集电极电流为

因且则有得到开通条件为：

第24页2.2.2pnpn器件导通物理过程P2区有空穴积累，即由物理机制：亦得到：开通条件为：

第25页2.2.2pnpn器件导通物理过程晶闸管触发机构:用各种使增大方法来实现器件开通:门极电流触发;热触发;阳极电压触发;触发;光触发.第26页晶闸管正常工作时特征总结以下：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，只能使晶闸管电流降到靠近于零某一数值以下。第27页题例:

(1)图示电路,晶闸管IL=15mA，要使晶闸管导通，门