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Power Electronic Technology2.4 半控型器件—晶闸管Ø 晶闸管概述 Ø 晶闸管的结构与工作原理Ø 晶闸管的基本特性Ø 晶闸管的主要参数Ø 晶闸管的派生器件Ø 晶闸管的触发Ø 晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管的简称，又称作可控 硅整流器（Silicon Controlled Rectifier-SCR） Ø 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 Ø 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（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Ø 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Ø 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2.4.1 晶闸管的结构与工作原理Ø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 Ø平板型封装的晶闸管可由两个散热器 (Radiator)将其夹在中间晶闸管的外形、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、J32.4.1 晶闸管的结构与工作原理P2N2GKP1N1AJ1J1J2J2J3J3P2N1晶体管回顾2.4.1 晶闸管的结构与工作原理• 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2.4.1 晶闸管的结构与工作原理假设1=Ic1/Ie1、 2=Ic2/Ie2-分别为V1、V2的共 基极电流增益2.4.1 晶闸管的结构与工作原理Ø 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。
Ø 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Ø 开通（门极触发）：2.4.1 晶闸管的结构与工作原理Ø 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/RØ 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2.4.1 晶闸管的结构与工作原理Ø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Ø 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/dtP1N1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2.4.1 晶闸管的结构与工作原理1）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电力二极管的关断过程上次课主要内容回顾电力二极管的过程电力二极管的关断过程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)1. 2）正向压降 UF3）反向重复峰值电压URRM－额定电压1. 4）最高工作结温TJM1. 5）反向恢复时间trr1. 6）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晶闸管的基本结构和工作原理擎住电流2.4.2 晶闸管的基本特性晶闸管工作特性：Ø 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Ø 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Ø 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Ø 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Ø 静态特性 Ø 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IG2IG1IG2.4.2 晶闸管的基本特性正向特性反向击穿正向阻断反向阻断Ø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Ø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IG2IG1IGØ 晶闸管阳极伏安特性2.4.2 晶闸管的基本特性Ø 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Ø 随着IG幅值的增大，正向转折 电压降低Ø 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IG2IG1IGØ 晶闸管阳极伏安特性2.4.2 晶闸管的基本特性Ø 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Ø 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IG2IG1IGØ 晶闸管阳极伏安特性2.4.2 晶闸管的基本特性转变区（亚 稳态）维持电流擎住电流2.4.2 晶闸管的基本特性Ø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2.4.2 晶闸管的基本特性Ø门极伏安特性不触发 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• 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1）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；2.4.2 晶闸管的基本特性• 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 1）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+tr ④影响上升时间的因素： 回 路阻抗2.4.2 晶闸管的基本特性• 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 1）开通过程⑥扩展时间ts： J2导通区由门极横向扩展2.4.2 晶闸管的基本特性• 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 2）关断过程① 强迫关断： 阳极阴极间施 加反压完成关断； ②在反向电压和电路电感的 作用下电流衰减③与二极管类似，电流过零 后体内大量的非平衡载 流子需靠反向电流抽取 ；2.4.2 晶闸管的基本特性• 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 2）关断过程④电流到达反向最大值后， 迅速衰减，J1、J3恢复反 向阻断能力，trr反向恢复 时间；⑤J2结电子需要较长的时间 进行复合，tgr正向阻断 时间； ⑥关断时间：tq=trr+tgr2.4.2 晶闸管的基本特性• 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 2）关断过程⑦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;⑧ 实际应用中，应对晶闸管 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2.4.2 晶闸管的基本特性• 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 2）关断过程⑨影响关断时间的因素：从 应用电路设计看，有结温， 反向恢复电流下降率，反向 电压及再加的du/dt等。
以结 温和反向电压对关断时间影 响最大，结温越高，关断时 间越长，反向电压增高，关 断时间缩短Ø电压定额 • 注意：晶闸管正向既可处于阻断状态又可处于导通状态 • 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（国标规定重复频 率50Hz，持续时间不超过10ms,UDRM=90%UDSMUbo ) • 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(国标中有类似规定 ） • 通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数的额定 通态平均电流时的瞬态峰值电压 Ø 额定电压UN＝Min（UDRM，URRM），选用时，要留有一定 安全裕量，一般取UN＝（2～3）晶闸管所承受峰值电压2.4.3 晶闸管的主要参数Ø 电流定额• 通态平均电流 IT(AV)：晶闸管在环境温度为40C和规定的冷 却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大 工频正弦半波电流的平均值→额定电流Ø 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来 选取晶闸管Ø 应留一定的裕量，一般取1.5～2倍2.4.3 晶闸管的主要参数Ø 维持电流 IHØ 晶闸管触发导通以后，在室温和门极开路条件下，使晶闸管维持导通所 必需的最小电流Ø 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 ILØ 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Ø 同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍4） 浪涌电流ITSMØ 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复最大正向过 载电流2.4.3 晶闸管的主要参数Ø动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：Ø 断态电压临界上升率du/dt（防止位移电流致使其导通）• 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Ø 通态电。