第二章 电力电子器件2

杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院电力电子技术PowerElectronicTechnology2.4半控型器件—晶闸管晶闸管概述晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件晶闸管的触发晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier-SCR）按照IEC（国际电工委员会）的定义，晶闸管是指那些具有3个以上的PN结，主电压—电流特性至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管•1957年美国通用电气（GE）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•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2.4半控性器件——晶闸管2.4.1晶闸管的结构与工作原理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引出阳极(Anode)A、阴极(Kathode)K和门极(Gate)（控制端）G三个联接端2.4.1晶闸管的结构与工作原理螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构AGKAGK2.4.1晶闸管的结构与工作原理对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器(Radiator)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(Radiator)将其夹在中间AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号2.4.1晶闸管的结构与工作原理•如前所述，晶闸管是PNPN四层半导体结构。•四个区分别命名为P1、N1、P2、N2。•P1区引出A极，N2区引出K极，P2区引出G极。•四个区形成三个PN结：J1、J2、J3AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3GN2N2P2N1J1AKKGJ2J3P12.4.1晶闸管的结构与工作原理P2N2GKP1N1AJ1J2J3P2N1RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N2晶体管回顾bec空穴流电子流EbEcibic=ibie=(1+ibNPN截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3UceCECBOIIICBCEOIIIEBCIII2.4.1晶闸管的结构与工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N2P1AGKN1P2P2N1N2J2J1J3•开通过程•S闭合晶闸管门极注入电流IG流经V2的基极•经V2放大后，集电极电流IC2构成了V1的基极电流•经V1放大后，进一步增大了V2的基极电流IGIB2IC2IB1IC1正反馈过程2GCBO1CBO2A121()IIII2.4.1晶闸管的结构与工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N2P1AGKN1P2P2N1N2J2J1J3假设1=Ic1/Ie1、2=Ic2/Ie2-分别为V1、V2的共基极电流增益111cACBOIII222cKCBOIIIKAGIII2222cAGCBOIIII12AccIII2.4.1晶闸管的结构与工作原理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。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）：2GCBO1CBO2A121()IIII引入门极电流IGIA、IK增大α1、α2增大正反馈RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N211221EI2.4.1晶闸管的结构与工作原理11221EI2GCBO1CBO2A121()IIII即使门极电流被撤除，IG=0，由于1+2≈1，IK=IA仍将很大，内部已形成强烈正反馈，晶闸管处于通态。IK=IA=EA/R晶闸管导通的条件，1+2≥1，此时对应的阳极电流成为“擎住电流”，门极便失去了控制能力。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N22.4.1晶闸管的结构与工作原理其他几种可能导通的情况（非门极出发机构）：正向转折导通：在IG=0时，提高阳极-阴极之间的正向电压VAK，使反向偏置的J2结发生雪崩倍增效应，电流IA迅速上升，1+2≈1，IA增加到EA/R。2GCBO1CBO2A121()IIIIAAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G热触发：当温度增加，反向饱和电流随之增加，IA、IK增大，直到1+2≈1，晶闸管导通。2.4.1晶闸管的结构与工作原理其他几种可能导通的情况：du/dt导通：各PN结都存在结电容，当外加正向电压VAK的du/dt很高时，各PN结将流过很大的充电电流：i=C·du/dt。P1N1之间充电电流→IA、IK增大P2N2之间充电电流→IB2增大→IA、IK增大→1+2≈1以上导通都不加门极信号→非正常导通，这是必须防止和避免的。要提高器件本身du/dt耐量，减小漏电流，提高耐压，特别是提高高结温下的耐压等。同时在电路中采取保护措施，降低电路上的干扰信号的影响。以防止晶闸管误动作。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N2AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G2.4.1晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AKGUAKUGKP1N1P2N2J1J2J3AKGUAKUGK1）外加正向电压下J1、J3正偏J2反偏；2）在GK间正向电压作用下，N2区有电子注入到P2区；3）注入到P2区的电子除了形成门极电流外，将被J2空间场捕获，扫向N1区；4）N1区电子的增加，将进一步增加J1结的正偏电压，进而增加了P1区向N1区的空穴注入，并由J2电场将其扫向P2区，进而形成了再生反馈效应；5）随着J1、J3注入的优势越来越大，结构J2结两侧有足够的载流子积累，J2结极性正偏，晶闸管导通。开通的物理过程上次课主要内容回顾电力二极管的过程DCViL()it()Fit()Lit()FUt电力二极管的关断过程IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt上次课主要内容回顾电力二极管的过程DCViL()it()Fit()Lit()FUt电力二极管的关断过程IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt上次课主要内容回顾电力二极管的主要参数1）正向平均电流IF(AV)2）正向压降UF3）反向重复峰值电压URRM－额定电压4）最高工作结温TJM5）反向恢复时间trr6）浪涌电流IFSM电力二极管的主要类型1）普通二极管2）快恢复二极管（快速和超快速）3）肖特基二极管上次课主要内容回顾AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3GAKG晶闸管的基本结构和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N2擎住电流2.4.2晶闸管的基本特性晶闸管工作特性：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，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都将保持导通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，即维持电流以下。2.4.2晶闸管的基本特性1.静态特性晶闸管阳极伏安特性第I象限是正向特性；第III象限是反向特性晶闸管阳极伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2.4.2晶闸管的基本特性正向特性反向击穿正向阻断反向阻断当AK两端施加反压时，即使有门极信号也不可能在晶闸管内部产生电流正反馈。当反向电压过大而达到反向折转电压，则反向漏电流迅速上升。类似二极管。2.4.2晶闸管的基本特性晶闸管阳极伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管阳极伏安特性2.4.2晶闸管的基本特性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，器件开通。这种开通叫“硬开通”，一般不允许硬开通。随着IG幅值的增大，正向转折电压降低当IG增加到超过某一临界值以后，正向阻断区几乎消失，类似于二极管的正向伏安特性。晶闸管阳极伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管阳极伏安特性2.4.2晶闸管的基本特性所以有外加正向电压，只要加至晶闸管上IG超过某一临界值，晶闸管会立即导通，等效于一个正向导电二极管。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。晶闸管阳极伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管阳极伏安特性2.4.2晶闸管的基本特性0UAKIAIHIG2IG1IG=0UDBUDSMUDRMURRMURSMILURB转变区（亚稳态）维持电流擎住电流0UFGMIFGM2.4.2晶闸管的基本特性门极伏安特性•晶闸管门极伏安特性指门极电压和门极电流之间的关系，呈现二极管的伏安特性。•与二极管特性有所不同，正向电压中P2横向电阻压降占的比重较大，且不同器件电阻差异较大；•门极电压可从几伏到几十伏，门极电流可从几毫安到几百毫安；•通常以一条典型的极限高阻抗门极伏安曲线和一条极限低阻抗门极伏安曲线表示门极特性RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N22.4.2晶闸管的基本特性门极伏安特性DEGFLK0BCAUGTUGTMPGMIGTIFGMAIHJUGDUGTIGDIGT不触发区可靠触发区不可靠触发区门极极高阻抗曲线门极极低阻抗曲线平均功率损耗曲线2.4.2晶闸管的基本特性2.动态特性•反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1）开通过程①延迟时间td：1+2向1逼近的过程，晶闸管电流不大，主要电子、空穴向J2移动的渡越时间；②影响延迟时间的因素：触发脉冲的前沿陡度和幅值；P1N1P2N2J1J2J3AKGUAKUGK2.4.2晶闸管的基本特性2.动态特性•反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1）开通过程③上升时间tr：J2靠近门极的区域开始导通⑥扩展时间ts：J2导通区由门极横向扩展⑤开通时间：tgt=td+tr④影响上升时间的因素：回路阻抗2.4.2晶闸管的基本特性2.动态特性•反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性门极1）开通过程⑥扩展时间ts：J2导通区由门极横向扩展门极门极门极2.4.2晶闸管的基本特性2.动态特性