第四章 晶闸管（Thyristor）,第一节 晶闸管的工作原理与特性 第二节 特种用途晶闸管 第三节 晶闸管的应用基础,晶闸管（Thyristor）── PNPN四层结构开关器件 普通晶闸管（Silicon Controlled Rectifier ） SCR── 反向阻断三端晶闸管 派生器件有: 快速晶闸管（Fast Switching Thyristor） 反向导通的逆导晶闸管（ RCT ── Reverse Conducting Thyristor） 双向晶闸管（TRIAC ──Triode AC Switch Thyristor ） 门极可关断晶闸管（GTO ── Gate Turn Off Thyristor）,,门极辅助关断晶闸管（GATO ──Gate Assisted Turn Off Thyristor） 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor） 晶闸管（Thyristor）的定义: 主电压、电流特性至少在第一象限中 有导通、阻断两稳定态，且可在此 两稳态间转换的器件 逆阻型 双向开关型 DIAC 逆导型 TRIAC,,,,第一节 晶闸管（Thyristor）的工作原理与特性,,作可控整流、变频、逆变及无触点开关等。
弱电触发→ 强电输出 一. 基本结构和基本特性: 1. 螺栓型、压接型 2. 特性: A.正向偏置下: 电压触发、门极触发、 光触发、温触发、dv/dt触发 B.自锁式擎住（latch up） 可用脉冲门极触发电流触发第一节 晶闸管（Thyristor）的工作原理与特性,C. 自然关断（主电流小于维持电流） 强迫关断（主电路加反偏压，或门极加负信号） D. 第三象限为反偏态 二. 基本工作原理: （一）.两端PNPN器件正向导通的物理过程: 1. 正偏: J1 ， J3 正偏，J2 反偏 （正向阻断状态） 器件反向漏电流约为 J2 结的反向漏电流 J1 ，J3 正偏，多子注入，为 J2 结提供少子源2. 正偏转折状态: 电压转折触发 外加电压大于 J2 结雪崩击穿电压； 器件反向电流等于 J2 结的反向雪崩倍增电流 J2 结两侧: 长基区 N1 内有电子积累， 短基区 P2 内有空穴积累 3. (正偏)再生反馈负阻状态: J2 结的雪崩倍增 → P2 注入空穴， N1 注入电子 → 来不及复合而积累： ① 补偿 J2 结空间电荷区中的电离杂质 → 空间电荷区宽度减小 → 阻断电压减小。
② P2 空穴积累，N1 电子积累→ P2 电位升高， N1 电位降低 → J1 ，J3 正偏压升高 → 正向注入增大→ 反向电流增大 → 通过 结与结的晶体管作用，再生反馈 → 负阻态 （主电流增加，压降减小） 4. 正向导通状态: J1 、 J2 、 J3 均正偏，当雪崩倍增效应消失时， 若 J1 、 J3 正向注入→ J2 结积累载流子 → 最终使 J2 负偏转正偏 → SCR压降减小 （ J1 、J2 、 J3 均正偏） → 允许过大电流二）.两端PNPN器件反向阻断的物理过程: J1反偏， J3 反偏， J2 正偏 J1 结主要承受 外加电压， J3 结重掺杂区在低压下齐纳击穿， SCR反向特性与整流二极管反向特性类似 （三）.门极触发机理: PNPN → 门极电流触发→ 晶体管放大倍数α 随主 电流I 变化→ 再生反馈 门极电压 U` → 电流 IG → J3 结正向注入增大→,注入电子: ① 在 P2复合 → IG 的一部分 ② 过 J2 结时，被强电场拉向 N1 区，在 N1 区电子积累 → J1 结正偏增加→ 空穴注入增大→载流子再生反馈 运动， J1 、J3 结注入大大增大→ J2 结两侧载流子积累 增加→ J2 结由反偏变为正偏→ SCR由阻断态变为通态。
晶闸管的双晶体管模型： 2个 P1 N1 P2 和 N2 P2 N1 晶体管复合成一个晶闸管晶闸管电流方程为: 其中: ，表示 J2 结反向漏电流 物理意义: 正向阻断态的晶闸管，当 时， IA 趋于无穷大，晶闸管被门极信号触发导通 ，是晶闸管被门极信号 触发导通的必要条件四）.非门极触发机理: 1.热触发：T增大 → α 增大→ 导通 2.dv/dt触发：PN结的势垒电容 → 位移电流 ( ) 3.光触发：光照 → IA 增大 → α 增大→ 导通 三.晶闸管的静态特性与参数: （一）.正、反向阻断电压: （二）.门极触发特性:,A.门极触发电流 IGT : 在室温下，UAK＝6V时， 能使SCR导通的最小门极直流电流 B.门极触发电压 UGT :对应于IGT 的 UGT 直流电压 C. 门极不触发电流 IGD :在额定室温下，器件 端电压为断态重复峰值电压 UDRM 时，保持器件 不导通所允许施加的最大门极直流电流 D. 门极不触发电压 UGD : 对应于 UGK 的 UGK 直流电压。
既灵敏，又无误触发 1. 门极伏安特性: UGK → IG J3 结正偏 (P2区横向电阻存在偏差范围),2. 门极触发特性: T增大 → 面积S减小 → 可触发区 （ACDBEF所围区域）增大 3. 门极偏置: A. 门极负偏置:（不超过 P2 N2 的击穿电压） UGK 增大（负的）: →正向阻断电压增大 → dv/dt 增大 → t off 减小 B. UAK 反偏时: 不宜加反向电压 4.,（三）.电流特性: 阀值电压 UTH 和等效电阻 rT ； 通态功率损耗 PT ； 擎住电流 IL 和维持电流 IH : 擎住电流: 是当SCR用门极信号触发时，使其导通 所需的最小 IAK 电流 维持电流: 是当SCR稳定导通后，减小 IAK ， 维持导通的最小 IAK 电流四.晶闸管的动态特性与参数: （阻断→导通） 开通时间 tgt ，关断时间 tq ， 通态电流临界上升率 di/dt ， 断态电压临界上升率 dv/dt （一）.开通特性: 局部导通→横向扩展→阴极面全面导通 1. 开通时间:（阻断→局部导通）延迟时间 td : 电子和空穴渡越长短基区到达 J2 结两侧 积累所需的时间。
上升时间 tr : J2 结两侧的载流子使 J2 由反偏→正偏， IAK 大大增大，SCR局部导通的时间 开通时间的测试定义: 波形图图4－12影响开通时间的因素: 放大门极结构 → 减小开通时间； IG 前沿陡度增加 → td 延迟时间减小； 温度T升高 →开通时间减小； 主回路负载阻抗性质决定开通I、V波形变化 →使 tr 上升时间减小或增大 2. 扩展时间 ts : 扩展速度: 由门极形状和阴极形状决定 强触发可使扩展时间减小3. 通态电流临界上升率（ di/dt 容量）: 图4－15 注意: 前沿陡，高幅值， IG 强触发→ 临界上升率容量增加 饱和电抗器大电流饱和: 图4－18三）. 断态电压临界上升率（ dv/dt 耐量）: 误导通，间接影响主电路 G开路， J1 ， J3 正偏， J2 反偏→ 势垒电容 CJ2 , 扩散 电容CJ1 , CJ2→位移电流→ 电子流向 J1 ，空穴流向 J3 → J3 ， J1正偏加强→ α1 ，α2 增大→ SCR导通 防止误导通的措施: 阴极短路发射极结构； 在门极和阴极间接入电阻；在门极加负偏压二). 关断特性:（自学） 强迫关断: UAK 加反偏压。
五. SCR特性参数表: 见书P72第二节 特种用途晶闸管,,一. 快速晶闸管（FST）──工作频率大于400赫兹 1. 要求: 关断时间 tq 小于50微秒；通态压降低； 开关损耗小；di/dt 容量高；dv/dt 耐量高 2. 晶闸管高频应用的主要问题： 高频应用时，其电流容量 di/dt 下降，因为: 频率升高 → 开关功率损耗增加 频率升高 → 器件有效阴极面积减小 →热阻增大 3. 采用强门极驱动 → 降低 PSW 4. 主要用于中频感应加热电源第二节 特种用途晶闸管,二. 逆导晶闸管（RCT）──不对称晶闸管 1. RCT── Reverse Conduction Thyristor 晶闸管和二极管反并联 集成于一硅片上 2. RCT集成器件比分立RCT的优点: 体积小，高温特性好； 将大电流，高电压，快速三者矛盾统一； 有利于提高频率 （一）. 基本结构及伏── 安特性：,（二）. 器件特点: ── 阳、阴极采用发射极短路结构 1. 提高了器件抗漏电流能力，高温特性优于 普通SCR，最大工作温度=175℃ 2. 由于小电流时，电流放大系数约为零 → RCT的长基区宽度对于一定的正向耐压要求， 可以做得最薄 → 通态压降减小； 开通时间和关断时间降低；浪涌电流增大。
（三）. 主要特性及特性参数: 1. 额定电流: 流过二极管的电流与流过晶闸管的电流之比， 若等于1，为逆变；若等于0.3――0.4，为斩波2. 开关特性: A. 换向性能：换向失败── RCT的弱点 从正向导通到反偏关断再到正向阻断时，反向导通的 二极管的反向恢复电流将扩展到晶闸管区，有可能引 起晶闸管的误导通而失去正向阻断能力──换向失败 B. 逆导晶闸管的换向能力与结温，二极管区的电流 下降率，二极管区的通态电流，换向时的电压上升 率等密切相关 C. 提高换向能力的措施: 在器件方面采用隔离结构； 在电路应用方面限制二极管的 di/dt 和dv/dt 等 D. 关断时间:（自学）,两个反并联的晶闸管集成在同一硅片上， 用一个门极触发控制的双方向功率器件── 交流功率控制（无触点继电器，交流相位控制） （一）.基本结构及伏──安特性曲线: 它的伏安特性是对称的，其正向和反向都具有 触发导通的开关特性三. 双向晶闸管（TRIAC） ── Triode AC Switch Thyristor,（二）.触发方式及触发原理: 1. 触发方式: 一、三象限，门极正负触发── 即有四种触发方式。
2. 触发原理: A. 第一象限正触发 I + : 相当于P型门极对正偏 晶闸管 P1N1P2N2 的触发与普通晶闸管相同 B. 第一象限负触发 I - : T2 相对于 T1 为正， G相对于 T1 为负，主晶闸管和门极晶闸管都处 于正向偏置，触发电流由 T1 流向G，于是门极 晶闸管首先触发导通，横向扩展的结果 使主晶闸管触发导通C．第三象限正触发 Ⅲ + : T2 相对于 T1 为负， G相对于 T1 为正，门极触发电流由G流向 T1 ， 门极下方的辅助晶闸管首先触发导通， 横向扩展的结果使主晶闸管触发导通 D．第三象限负触发 Ⅲ - : T2 、G相对于 T1 为负， 门极触发电流由 T1 流向G，使主晶闸管 触发导通 触发灵敏度: Ⅰ+ Ⅰ- ， Ⅲ - Ⅲ + 三）. 特性及主要参数:(自学) 1.换向性能:换向失败 2.额定电流、通态压降: 3.门极特性: 4.动态特性: A.电流上升率: B.开通时间，关断时间: C.电压上升率和换向能力:,四. 光控晶闸管（LTT）: 用光信号代替电信号 进行触发导通的特殊触发型晶闸管， 其伏安特性曲线与普通晶闸管一样。
主要应用于高压直流输电装置 和高压核聚变装置等第三节 晶闸管应用基础,,一. 晶闸管的串并联: （一）. 串联应用: N个器件串联，其耐压是单个器件的N倍 实际上的耐压比理想的低 1. 静态分压: 在稳定阻断状态下，晶闸管的正、反向阻断电 压 的偏差或其相应的漏电流的偏差引起电压分 。