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1、第五章第五章 晶闸管及其整流电路（补充内容）晶闸管及其整流电路（补充内容）晶闸管（晶闸管（ThyristorThyristor）：晶体闸流管，可控硅整流）：晶体闸流管，可控硅整流器（器（S Silicon ilicon C Controlled ontrolled R RectifierSCRectifierSCR）19561956年美国贝尔实验室发明了晶闸管年美国贝尔实验室发明了晶闸管19571957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品19581958年商业化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，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应
2、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。使半导体器件的应用由弱电领域扩展到强电领域。2020世纪世纪8080年代以来，开始被全控型器件取代年代以来，开始被全控型器件取代一、晶闸管的基本结构一、晶闸管的基本结构K K K K G G G GA A A A(b) (b) (b) (b) 符号符号符号符号(a) (a) (a) (a) 外形外形外形外形晶闸管的外形及符号晶闸管的外形及符号PNPNPNPN结及其导电原理结及其导电原理结及其导电原理结及其导电原理N N型型半半导导体体-P P型型半半导导体体-+ + + + + +-PNPN结结( (耗耗尽尽层）层）-+-+-+ + +
3、 + +- -+ + + + +- - - -G G G G控制极控制极控制极控制极K K K K 阴极阴极阴极阴极阳极阳极阳极阳极 A A A AP1P1P2P2N1N1N2N2四四四四 层层层层 半半半半 导导导导 体体体体三三 个个PNPNPNPN 结结晶闸管的结构晶闸管的结构晶闸管的结构晶闸管的结构晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个PNPNPNPN结的四层结构结的四层结构结的四层结构结的四层结构, , , , 如图。如图。如图。如图。P1P2N1N2K GA晶闸管相当于晶闸管相当于晶闸管相当于晶闸管相当于PNPPNPPNPPNP和和和和NPNNPNNPNN
4、PN型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合KAT2T1+_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGP1P2N1N2N1P2AGK T T1 1T T2 2三、三、 工作原理工作原理A A A A 在极短时间内使两在极短时间内使两个三极管均饱和导通，个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。此过程称触发导通。形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程K K K KG G G GE E E EA A A A 0 0 0 0、E E E EG G G G 0 0 0 0E EG GE EA A+ +_ _R R晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后
5、，去掉晶闸管导通后，去掉E E E EG G G G ，依靠正反馈，仍可维，依靠正反馈，仍可维，依靠正反馈，仍可维，依靠正反馈，仍可维持导通状态。持导通状态。持导通状态。持导通状态。G GE E E EA A A A 0 0 0 0、E E E EG G G G 0 0 0 0K K K KE EA A+ +_ _R R T T1 1T T2 2E EG GA A A A形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程晶闸管导通的条件晶闸管导通的条件晶闸管正常导通的条件：晶闸管正常导通的条件： 1 1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压，）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压，U U
6、AKAK0 0 2 2）晶闸管门极和阴极之间必须施加适当的正向脉冲电压）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，和电流， U UGKGK00晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，晶闸管仍可晶闸管仍可晶闸管仍可晶闸管仍可维持导通状态。维持导通状态。维持导通状态。维持导通状态。. . 维持晶闸管导通的条件：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关断的条件晶闸管的
7、关断晶闸管的关断 只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下，可采用：只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下，可采用： 阳极电压反向阳极电压反向 减小阳极电压减小阳极电压 增大回路阻抗增大回路阻抗 正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性U URRMRRMU UFRMFRMI IG2 G2 I IG1 G1 I IG0 G0 U UBRBRI IF FU UBOBO正向转折电压正向转折电压正向转折电压正向转折电压I IH Ho oU UI II IG0G0I IG1G1I IG2G2+ + + +_ _ _ _+ + + +_ _ _ _反向转折电压反向转折电压反向
8、转折电压反向转折电压正向平均电流正向平均电流维持电流维持电流维持电流维持电流U U U U四、伏安特性（静特性）四、伏安特性（静特性）四、伏安特性（静特性）四、伏安特性（静特性）1)1)正向特性正向特性I IG G=0=0时，器件两端施加正时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向向电压，只有很小的正向漏电流，正向阻断状态。漏电流，正向阻断状态。正向电压超过正向转折电正向电压超过正向转折电压压U Ubobo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件开通。器件开通。随随着着门门极极电电流流幅幅值值的的增增大大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶晶闸闸管管本本身身的的压压降降很很小小，在在1 1
9、V V左右。左右。晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性( (I IG2G2 I IG1G1 I IG G) )晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性2)2) 反向特性反向特性施施加加反反向向电电压压时时，伏伏安安特特性类似二极管的反向特性。性类似二极管的反向特性。反反向向阻阻断断状状态态时时，只只有有极极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。当当反反向向电电压压达达到到反反向向击击穿穿电电压压后后，可可能能导导致致晶晶闸闸管管发热损坏。发热损坏。五五. . 动特性动特性晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形 1) 1) 开通过程开通过程延延 迟迟 时时 间间t td d (0.5-(0.
10、5-1.51.5 s)s)上上 升升 时时 间间t tr r (0.5-(0.5-3 3 s)s)开开通通时时间间t tgtgt以以上上两两者者之之和，和，t tgtgt= =t td d+ + t tr r晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形2) 2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间t tgrgr关关断断时时间间t tq q以以上上两两者者之之和和t tq q= =t trrrr+ +t tgrgr普普通通晶晶闸闸管管的的关关断断时时间间约几百微秒。约几百微秒。六、主要参数六、主要参数U UFRMFRM: :正向
11、重复峰值电压（晶闸管耐压值）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晶闸管控制极开路且正向阻断情况下, ,允许重允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取一般取U UFRM FRM = 80% = 80% U UB0 B0 。普通晶闸管普通晶闸管 U UFRMFRM 为为100V- 3000V100V- 3000V反向重复峰值电压反向重复峰值电压控制极开路时控制极开路时, ,允许重复作用在晶闸管元允许重复作用在晶闸管元 件上的反向峰值电压。件上的反向峰值电压。一般取一般取 U URRMRRM = 80% = 80% U UBR BR 普
12、通晶闸管普通晶闸管 U URRMRRM为为100V100V- -3000V3000VU URRMRRM：额定正向平均电流额定正向平均电流环境温度为环境温度为4040 C C及标准散热条件下，晶闸管及标准散热条件下，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。电流的平均值。 I IF F：I IF F t t 2 2 如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为I Im m, ,则则普通晶闸管普通晶闸管I IF F为为1A 1000A1A 1000A。U UF F: : 通态平均电压（管压降）通态平均电压（管压降） 在规定的条件下，通过
13、正弦半波平均电流时，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。晶闸管阳、阴极间的电压平均值。 一般为一般为1V1V左右。左右。I IH H: : 维持电流维持电流 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导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。通状态所必须的最小电流。 一般一般I IH H为几十为几十 一百多毫安。一百多毫安。U UG G、I IG G：控制极触发电压和电流控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流室温下，阳极电压为直流6V6V时，使晶闸管完时，使晶闸管完 全导通所必须的最小控制极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直
14、流电压、电流 。 一般一般U UG G为为1 1到到5V5V，I IG G为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。 动态参数动态参数 除开通时间除开通时间t tgtgt和关断时间和关断时间t tq q外，还有：外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/ /d dt t 指指在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路的的情情况况下下，不不导导致致晶晶闸闸管管从从断断态态到通态转换的外加电压最大上升率。到通态转换的外加电压最大上升率。 电电压压上上升升率率过过大大，使使充充电电电电流流足足够够大大，就就会会使使晶晶闸闸管管误误导导通通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di
15、i/d/dt t 指指在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管能能承承受受而而无无有有害害影影响响的的最最大大通通态态电流上升率。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。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七、晶闸管型号及其含义七、晶闸管型号及其含义七、晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级, , 用字母用字母A-IA-I表示表示0.4-1.2V0.4-1.2V额定电压额定电压, ,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取U UFRMFRM或或U URRMRRM较小者较小者额定正向平均电流额定正向平均电流(
16、 (I IF F) )（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）P-P-普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管K-K-快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管S -S -双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管 晶闸管晶闸管K KP P普通型普通型如如KP5-7KP5-7表示额定正向平均电流为表示额定正向平均电流为5A,5A,额定电压为额定电压为700V700V。部分晶闸管的型号与参数部分晶闸管的型号与参数型型号号通态通态平均平均电流电流I IT(AV)T(AV)(A)(A)断态断态重复重复峰值峰值电压电压U UDRMDRM(V)(V)反向反向重复重复峰值峰值电压电压U URR
17、MRRM(V)(V)额额定定结结温温T TJMJM( ( ) )门极门极触发触发电流电流I IGTGT( (mAmA) )门极门极触发触发电压电压V VGTGT(V)(V)断态断态电压电压临界临界上升上升率率通态通态电流电流临界临界上升上升率率浪涌浪涌电流电流I ITSMTSM(A)(A)门极门极不触不触发电发电流流I IGDGD( (mAmA) )门极门极不触不触发电发电压压V VGDGD(V)(V)门极门极正向正向峰值峰值电流电流I IGFMGFM(A)(A)KP5050100300010081503.5305094010.15/KP10010011510250410080188010.1
18、5/KP50050011520300510080942010.154单结晶体管单结晶体管（双基极二极管）（双基极二极管）单结晶体管的结构示意图单结晶体管的结构示意图低掺杂的低掺杂的N型硅棒型硅棒 扩散工艺扩散工艺 高掺高掺杂杂P区区 PN结结 构成构成单结晶体管单结晶体管 (UJT)。P型半导体引出的电极为发射极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型半导体的两端引出两个电极，分别为电极，分别为基极基极B1和基极和基极B2，B1和和B2之间的之间的N型区域型区域 可以可以等效为一个纯电阻，即基区电等效为一个纯电阻，即基区电阻阻RBB。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管
19、。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单结晶体管得表示符号及等效电路RB1表表示示E与与B1之之间间的的等等效效电电阻阻，它它的的阻阻值值受受E-B1间间电电压压的的控控制制，所以等效为可变电阻。所以等效为可变电阻。RBB=RB1+RB2，分压比分压比: RB1与与RBB的比值称为的比值称为 =RB1/RBB 一般在一般在0.30.8之间。之间。 单结晶体管外形单结晶体管外形工作原理工作原理ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1当当VBB固固定定，等等效效电电路路中中，A点点 对对 B1的的 电电 压压UA= VBB
20、为为 定定 值值 。 当当VEE较较小小时时，UEB1UA，iE开开始始大大于于零零，由由于于硅硅二二极极管管的的正正向向压压降降UD为为0.7V，所所以以iE不不会会有有显显著著的增加。的增加。 当当 UEB1=UA+UD时，二极时，二极管管D仍不导通，此时的电压仍不导通，此时的电压UEB1称为峰值电压称为峰值电压UP，对对应电流称为峰值电流应电流称为峰值电流IP。这这一区域称为截止区。一区域称为截止区。ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1UEB1继继续续增增加加，UEB1UA+UD，管管子子转转向向导导通通，PN结结电电流流开开始始显显著著增增加加，这这时时将将有
21、有大大量量的的空空穴穴进进入入基基区区，E、B1间间载载流流子子大大量量增增加加，使使RB1迅迅速速减减小小，而而RB1的的减减小小又又使使UA降降低低，导导致致iE又又进进一一步步加加大大，形形成成正反馈。正反馈。ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1正正反反馈馈过过程程使使iE急急剧剧增增加加，UA下下降降，单单结结管管呈呈现现了了负负阻阻特特性性，图图中中曲曲线线“2”线线段段，到到了了“V”点点负负阻阻特特性性结结束束，V点点电电压压UV称称为为谷谷点点电电压压，一一般般为为12.5V，对对应应的的电电流流称称为为谷谷点电流点电流Iv，一般为几毫安。一般为几毫安
22、。B2的电位高于的电位高于E的电位，的电位，空穴型载流子不会向空穴型载流子不会向B2运运动，电阻动，电阻RB2基本不变。基本不变。ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+-UEB1123过过了了谷谷点点之之后后，从从发发射射极极注注入入第第一一基基极极B1的的空空穴穴超超过过了了一一定定的的量量，有有部部分分空空穴穴来来不不及及与与基基区区的的电电子子复复合合，出出现现空空穴穴的的多多余余储储存存，使使空空穴穴的的注注入入遇遇到到阻阻力力，从从而而使使RB1增增加加，此此时时iEUEB1曲曲线线形形状状接接近近正正向向特特性性曲曲线线，如如曲曲线线“3”线线段段，此此时时称称为为饱
23、饱和和区区。饱饱和压降一般和压降一般小于小于45V。当改变当改变VBB电压，改变了阀值电压电压，改变了阀值电压UA，曲线的峰点电压也随之改变。曲线的峰点电压也随之改变。单结晶体管的特点单结晶体管的特点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=VBB+VD, 分压比=RB1/RBB，峰值电压UP 随外加电压VBB和管子本身的分压比的变化 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基极基极B2的最大允许耗散功率的最大允许耗散功率mW/100有三个电极有三个电极特种管特种管半导体半导体
