1、第一章 電力半導體器件對應電力二極管，由于要求承受高壓，與普通的P-N結(jié)不同，其內(nèi)部一個N-層，其雜質(zhì)濃度很低，電阻率很高，通過它實現(xiàn)很高的耐壓能力。IOIFUTOUFU3.比較：比較：1 擊穿實質(zhì)不同：一個是通過碰撞產(chǎn)生載流子；一個是通過擊穿實質(zhì)不同：一個是通過碰撞產(chǎn)生載流子；一個是通過 強電場直接破壞共價鍵；強電場直接破壞共價鍵； 2 產(chǎn)生條件不同：齊納擊穿要求高雜濃度，雪崩擊穿濃度較低；產(chǎn)生條件不同：齊納擊穿要求高雜濃度，雪崩擊穿濃度較低； 3. 聯(lián)系：發(fā)生齊納擊穿一定產(chǎn)生雪崩擊穿；而發(fā)生雪崩聯(lián)系：發(fā)生齊納擊穿一定產(chǎn)生雪崩擊穿；而發(fā)生雪崩 擊穿則未必發(fā)生齊納擊穿。擊穿則未必發(fā)生齊納擊穿。

2、熱擊穿是永久損壞。電擊穿發(fā)生時，若外電路將反向電流限制在一定熱擊穿是永久損壞。電擊穿發(fā)生時，若外電路將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，反向電壓降低后范圍內(nèi)，反向電壓降低后PN節(jié)仍可恢復。若電流未控制住，發(fā)生了節(jié)仍可恢復。若電流未控制住，發(fā)生了熱擊穿，則二極管永久損壞。熱擊穿，則二極管永久損壞。特點：工藝上多采用摻金措施，結(jié)構(gòu)上多采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)。或改進的PIN型結(jié)構(gòu)，但耐壓不高。Silicon Controlled Rectifier 圖圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理

3、 按照晶體管工作原理，按照晶體管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中式中 1和和 2分別是晶體管分別是晶體管V1和和V2的共基極電流增益；的共基極電流增益；ICBO1和和ICBO2分別是分別是V1和和V2的共基極漏電流。的共基極漏電流。晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。迅速增大。在晶體管在晶體管阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。由

4、上式是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致 1+ 2趨近于趨近于1的話，流過晶閘管的電流的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）（陽極電流）將將趨近于趨近于無窮大無窮大，從而實現(xiàn)器件，從而實現(xiàn)器件飽和導通飽和導通。由于外電路負載的限制，由于外電路負載的限制，IA實際上會維持實際上會維持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(1-3)

5、2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 正常工作時的特性正常工作時的特性 當晶閘管承受當晶閘管承受反向電壓反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通晶閘管都不會導通 。 當晶閘管承受當晶閘管承受正向電壓正向電壓時，僅在時，僅在門極門極有有觸發(fā)電流觸發(fā)電流的情的情況下晶閘管才能開通況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通 。 若要使已導通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外若要使已導通的晶閘管關(guān)斷，只能利

6、用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值電流降到接近于零的某一數(shù)值以下以下。 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 正向特性正向特性 當當IG=0時，如果在器件時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向閘管處于正向阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流只有很小的正向漏電流流過。過。 如果正向電壓超過臨界如果正向電壓超過臨界極限即極限即正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件則漏電流急劇增大，器件開通開通 。 隨著隨著門極電流幅值門極電流幅值的增的增大，大，正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓降低，降低，晶閘管本身的壓降

7、很小，晶閘管本身的壓降很小，在在1V左右。左右。 如果門極電流為零，并如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值的某一數(shù)值IH以下，則晶以下，則晶閘管又回到閘管又回到正向阻斷正向阻斷狀態(tài)，狀態(tài)，IH稱為稱為維持電流維持電流。 圖圖1-8 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)正向轉(zhuǎn)折電壓折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+反向特性反向特性 其伏安特性類似其伏安特性類似二極管二極管的的反向特性。反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小

8、的時，只有極小的反向漏電流反向漏電流通通過。過。 當反向電壓超過一定限度，當反向電壓超過一定限度，到到反向擊穿電壓反向擊穿電壓后，外電路如后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導致晶閘管損壞。劇增大，導致晶閘管損壞。 圖圖1-8 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折電壓電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性動態(tài)特性動態(tài)特性 開通過程開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的由于晶閘管內(nèi)部的正反饋正反饋 過程過程需要時間，再加上需要時間，再加

9、上外電路外電路 電感電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不可能后，其陽極電流的增長不可能 是是瞬時瞬時的。的。 延遲時間延遲時間td (0.51.5 s) 上升時間上升時間tr (0.53 s) 開通時間開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨延遲時間隨門極電流門極電流的增的增 大而減小大而減小,上升時間除反映晶上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還受到閘管本身特性外，還受到外電外電 路電感路電感的嚴重影響。提高的嚴重影響。提高陽極陽極 電壓電壓,延遲時間和上升時間都延遲時間和上升時間都 可顯著縮短。可顯著縮短。 圖圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開

10、通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%關(guān)斷過程關(guān)斷過程 由于由于外電路電感外電路電感的存在，原的存在，原處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。有過渡過程的。 反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr 正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr 關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq=trr+tgr 關(guān)斷時間約幾百微秒。關(guān)斷時間約幾百微秒。 在在正向阻斷恢復時間正向

11、阻斷恢復時間內(nèi)如果內(nèi)如果重新對晶閘管施加重新對晶閘管施加正向電壓正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ǎ痪чl管會重新正向?qū)ǎ皇鞘荛T極電流控制而導通。是受門極電流控制而導通。圖圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復反向恢復電流最大電流最大值值尖峰電壓尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA因此，在實際應用中，應對晶閘管施加足夠長的反向電壓。晶閘管門極與陰極之間的PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電壓定額電壓定額 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值

12、時，允許是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖1-8）。）。 國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復峰值電壓（即為斷態(tài)不重復峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的的90%。 斷態(tài)不重復峰值電壓應低于斷態(tài)不重復峰值電壓應低于正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖1-9）。）。 規(guī)定反向重復峰值電壓規(guī)定反向重

13、復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向為反向不重復峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）最大瞬態(tài)電壓）URSM的的90%。 反向不重復峰值電壓應低于反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓反向擊穿電壓。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)峰值電壓通態(tài)峰值電壓UTM 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電 壓。壓。 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較小的標值作為該器件的中較小的標值作為該器件的額定電壓額定電壓。 選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓選用時，一般取額定電壓為正常工作

14、時晶閘管所承受峰值電壓23倍倍。電流定額電流定額 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV） 國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40 C和規(guī)定的和規(guī)定的冷冷 卻狀態(tài)卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半 波電流的平均值。波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應發(fā)熱效應來定義的。來定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的 原則來選取晶閘管的電

15、流定額。原則來選取晶閘管的電流定額。 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)維持電流維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小最小電流，電流，一般為幾十到幾百毫安。一般為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫結(jié)溫越高，則越高，則IH越小。越小。 擎住電流擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的后，能維持導通所需的最小最小電流。電流。 約為約為IH的的24倍倍 浪涌電流浪涌電流ITSM 指結(jié)溫為額定值時，在工頻正弦波半周期期間器件能承指結(jié)溫為額定值時，在工頻正弦波半周期期

16、間器件能承受的最大過載電流，而且緊接浪涌后的半周期內(nèi)應能承受受的最大過載電流，而且緊接浪涌后的半周期內(nèi)應能承受規(guī)定的反向電壓。規(guī)定的反向電壓。動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 開通時間開通時間tgt和關(guān)斷時間和關(guān)斷時間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通誤導通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受

17、而無有害影響的在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通最大通態(tài)電流上升率態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。壞。1.3.2 雙向晶閘管雙向晶閘管a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以認為是一對可以認為是一對反并聯(lián)聯(lián)反并聯(lián)聯(lián) 接接的普通晶閘管的集成的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，在第反兩方向均可觸發(fā)導通，在第和第和第III象限有象

18、限有對稱的伏安特對稱的伏安特性性。 雙向晶閘管通常用在交流雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用電路中，因此不用平均值而用有效值有效值來表示其額定電流值。來表示其額定電流值。圖圖1-11 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 雙向晶閘管的觸發(fā)方式 雙向晶閘管正反兩個方向都能導通，門極加正負電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式： + 觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負；門極電壓G為正（對T2）。特性曲線在第象限。 - 觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負；門極電壓G為負(對T2)。特

19、性曲線在第象限。 + 觸發(fā)方式：主極T1為負，T2為正；門極電壓G為正(對T2)。特性曲線在第象限。 - 觸發(fā)方式：主極T1為負，T2為正；門極電壓G為負(對T2)。特性曲線在第象限。 由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以+ 觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時要盡量避開。常采用的觸發(fā)方式為+ 和- 。 +觸發(fā)靈敏度最高。 1.3.3 光控晶閘管光控晶閘管AGKa)AK光強度強弱b)OUIA光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長的是利用一定波長的光光照信號照信號觸發(fā)導通的晶閘管。觸發(fā)導通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證

20、由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間了主電路與控制電路之間的的絕緣絕緣，而且可以避免電，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在晶閘管目前在高壓大功率高壓大功率的場合的場合。圖圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性號和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于電流使其關(guān)斷，因而屬于全控全控型器件型器件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理

21、 GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 是是PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)四層半導體結(jié)構(gòu)。 是一種多元的功率集成是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出器件，雖然外部同樣引出3個電個電極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的數(shù)百個共陽極的小小GTO元元，這，這些些GTO元的元的陰極陰極和和門極門極則在器則在器件內(nèi)部件內(nèi)部并聯(lián)并聯(lián)在一起。在一起。 多元集成結(jié)構(gòu)，陰極很小，門、多元集成結(jié)構(gòu)，陰極很小，門、陰極間距很小，使得陰極間距很小，使得P2基區(qū)基區(qū)橫橫向電阻很小，能從門極抽出較向電阻很小，能從門極抽出較大電流。大電流。 圖圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a

22、)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號 1.4 可關(guān)斷器件可關(guān)斷器件GTO的工作原理的工作原理 ：導通過程：導通過程 仍然可以用如左所示的仍然可以用如左所示的雙晶體管雙晶體管模型模型來分析來分析GTO工作原理：關(guān)斷過程工作原理：關(guān)斷過程 當門極施加負脈沖時，門極負電流排除P2區(qū)非平衡空穴載流子的積累，門極負電壓阻止N2區(qū) 陰極非平衡載流子的注入。門極負電流，意味著P2基區(qū)中的空穴通過門極流出器件，而電子則通過J3結(jié)從陰極排出。 隨著空穴和電子的排除，在J3結(jié)附近形成了耗盡層。此耗盡層

23、從陰極靠近門極的區(qū)域逐漸向陰極中心部分擴展。這樣，從N2陰極沒有電子注入P2基區(qū)，P2區(qū)與N2區(qū)中的過剩載流子復合一直到達電中性為止。J3結(jié)如能維持反偏置狀態(tài)，將為J2結(jié)迅速恢復阻斷能力創(chuàng)造條件，只要J2結(jié)恢復了反向阻斷能力，GTO就進入關(guān)斷狀態(tài)。關(guān)斷過程的內(nèi)部機理：關(guān)斷過程的內(nèi)部機理：1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時只不過導通時飽和程度飽和程度較淺。較淺。 而關(guān)斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽而關(guān)斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和和IK的的減小使減小使 1+ 21時，器件退出時，器件退出飽和飽和而關(guān)斷。而關(guān)斷。 GTO的的多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管使得其比普通晶閘管開通過程開通過程更快，承受更快，承受di/dt的能力增強。的能力增強。 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性 開通過程與普通晶閘管開通過程與普通晶閘管類似。類似。 關(guān)斷過程關(guān)斷過程 儲存時間儲存時間ts 下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 通常通常tf比比ts小得多