第五章晶闸管-欢迎进入山东大学材料科学与工程学院

第五章晶闸管及其整流电路（补充内容）•晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）–1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管–1957年美国通用电气公司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，使半导体器件的应用由弱电领域扩展到强电领域。–20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代一、晶闸管的基本结构KGA(b)符号(a)外形晶闸管的外形及符号PN结及其导电原理N型半导体-------------P型半导体----------++++++------PN结(耗尽层）-------------+--------------+-+++++---+++++-------G控制极K阴极阳极AP1P2N1N2四层半导体三个PN结晶闸管的结构晶闸管是具有三个PN结的四层结构,如图。P1P2N1N2KGA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合KAT2T1+_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGP1P2N1N2N1P2AGKT1T2三、工作原理AG2Bii1BG22Ciii在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。211CCiβi2BG21ii形成正反馈过程KGEA0、EG0EGEA+_RGi2BiG21iββG2iβ晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。GEA0、EG0KEA+_RT1T2Gi2BiGiββ21Giβ2EGAG2Bii1BG22Ciii211CCiβi2BG21ii形成正反馈过程晶闸管导通的条件•晶闸管正常导通的条件：1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压，UAK02）晶闸管门极和阴极之间必须施加适当的正向脉冲电压和电流，UGK0晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。.维持晶闸管导通的条件：保持流过晶闸管的阳极电流在其维持电流以上晶闸管关断的条件•晶闸管的关断只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下，可采用：阳极电压反向减小阳极电压增大回路阻抗正向特性反向特性URRMUFRMIG2IG1IG0UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U四、伏安特性（静特性）))((曲线UfI1)正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，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。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性(IG2IG1IG)晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2)反向特性施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。五.动特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形1)开通过程延迟时间td(0.5-1.5s)上升时间tr(0.5-3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形2)关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。六、主要参数UFRM:正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM=80%UB0。普通晶闸管UFRM为100V-3000V反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。一般取URRM=80%UBR普通晶闸管URRM为100V-3000VURRM：π)(sinπ21mπ0mFIttdII额定正向平均电流环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。IF：IFt2i如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A—1000A。UF:通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。IH:维持电流在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。一般IH为几十~一百多毫安。UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：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压最大上升率。——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。七、晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A-I表示0.4-1.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）P--普通晶闸管K--快速晶闸管S--双向晶闸管晶闸管KP普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。部分晶闸管的型号与参数型号通态平均电流IT(AV)(A)断态重复峰值电压UDRM(V)反向重复峰值电压URRM(V)额定结温TJM(℃)门极触发电流IGT(mA)门极触发电压VGT(V)断态电压临界上升率通态电流临界上升率浪涌电流ITSM(A)门极不触发电流IGD(mA)门极不触发电压VGD(V)门极正向峰值电流IGFM(A)KP5050100~30001008~1503.5305094010.15/KP10010011510~250410080188010.15/KP50050011520~300510080942010.154单结晶体管（双基极二极管）单结晶体管的结构示意图低掺杂的N型硅棒扩散工艺高掺杂P区PN结构成单结晶体管(UJT)。P型半导体引出的电极为发射极E；N型半导体的两端引出两个电极，分别为基极B1和基极B2，B1和B2之间的N型区域可以等效为一个纯电阻，即基区电阻RBB。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管。(a)(b)单结晶体管得表示符号及等效电路RB1表示E与B1之间的等效电阻，它的阻值受E-B1间电压的控制，所以等效为可变电阻。RBB=RB1+RB2，分压比:RB1与RBB的比值称为=RB1/RBB一般在0.3～0.8之间。单结晶体管外形工作原理ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1当VBB固定，等效电路中，A点对B1的电压UA=VBB为定值。当VEE较小时，UEB1UA，PN结反偏，此时只有很小的反向漏电流IE0（几微安）如图中曲线“1”段。当UEB1增大，UEB1=UA时，PN结处于零偏，iE=0。ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1UEB1继续增大，当UEB1UA，iE开始大于零，由于硅二极管的正向压降UD为0.7V，所以iE不会有显著的增加。当UEB1=UA+UD时，二极管D仍不导通，此时的电压UEB1称为峰值电压UP，对应电流称为峰值电流IP。这一区域称为截止区。ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1UEB1继续增加，UEB1UA+UD，管子转向导通，PN结电流开始显著增加，这时将有大量的空穴进入基区，E、B1间载流子大量增加，使RB1迅速减小，而RB1的减小又使UA降低，导致iE又进一步加大，形成正反馈。ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1正反馈过程使iE急剧增加，UA下降，单结管呈现了负阻特性，图中曲线“2”线段，到了“V”点负阻特性结束，V点电压UV称为谷点电压，一般为1～2.5V，对应的电流称为谷点电流Iv，一般为几毫安。B2的电位高于E的电位，空穴型载流子不会向B2运动，电阻RB2基本不变。ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1123过了谷点之后，从发射极注入第一基极B1的空穴超过了一定的量，有部分空穴来不及与基区的电子复合，出现空穴的多余储存，使空穴的注入遇到阻力，从而使RB1增加，此时iE～UEB1曲线形状接近正向特性曲线，如曲线“3”线段，此时称为饱和区。饱和压降一般小于4～5V。当改变VBB电压，改变了阀值电压UA，曲线的峰点电压也随之改变。单结晶体管的特点1、当UEB1UP时，单结晶体管导通；导通后，当UEB1Uv时，单结晶体管关断。2、UP=ηVBB+VD,分压比η=RB1/RBB，峰值电压UP随外加电压VBB和管子本身的分压比η的变化而变化。3、不同单结晶体管的谷点电压和谷点电流不同，应用中常选择分压比和谷点电流大，谷点电压小的单结晶体管。单结晶体管的型号BT3基极B2的最大允许耗散功率mW/100有三个电极特种管半导体