晶闸管(Thyristor)晶体闸流管课件.ppt

1、章晶闸管及其整流电路（补充内容）章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（SiliconControlledRectifierSCRSiliconControlledRectifierSCR）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开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，使半导体器件的应用由弱电领域扩展到强电领代，使半导体器件的应用由弱电领域扩展到强电领域。域。2020世纪世纪8

2、080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、晶闸管的基本结构晶闸管的外形及符号晶闸管的外形及符号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）-+-+-+-+-P1P1P2P2N1N1N2N2P1P2N1N2K GAKAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGP1P2N1N2N1P2AGK T T1 1T T2 2三、三、工作原理工作原理G2Bii 1BG22Ciii 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。211CCii 2BG21ii

3、 E EG GE EA A+_ _R RGi2BiG21iG2iG GE EA A+_ _R R T T1 1T T2 2Gi2BiGi21Gi2E EG GG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 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 UAKAK0 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.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

4、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 U URRMRRMU UFRMFRMI IG2 G2 I IG1 G1 I IG0 G0 U UBRBRI IF FU UBOBOI IH Ho oU UI II IG0G0I IG1G1I IG2G2正向平均电流正向平均电流)(曲线UfI 正向特性正向特性I IG G=0=0时，器件两

5、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。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1 1V V左右。左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM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

6、特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2)2)反向特性反向特性 施加反向电压时，伏安特施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管电压后，可能导致晶闸管发热损坏。发热损坏。五五.动特性动特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA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迟时间延迟时间

7、t td d(0.5-1.5(0.5-1.5 s)s)上升时间上升时间t tr r (0.5-3(0.5-3 s)s)开通时间开通时间t tgtgt以上两者之以上两者之和，和，t tgtgt=t td d+t tr r100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA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关断时间关断时间t tq q以上两者之以上两者之和和t tq q=t trrrr+t tgrgr普通晶闸管的关断时间普通晶闸管的关断时间约几百

8、微秒。约几百微秒。六、主要参数六、主要参数U UFRMFRM:正向重复峰值电压（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=8

9、0%=80%U UBR BR 普通晶闸管普通晶闸管 U URRMRRM为为100V-3000V100V-3000VU URRMRRM：)(sin21m0mFIttdII 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 i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

10、压（管压降）通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过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

11、极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直流电压、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。态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。通态电流临

12、界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt t 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。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。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(I IF F)晶闸管晶闸管K KP P普通型普通型如如KP5-7

13、KP5-7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 URRMRRM(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(mA)(mA)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

14、极门极不触不触发电发电流流I IGDGD(mA)(mA)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/KP10010011510250410080188010.15/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

15、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 可以等可以等效为一个纯电阻，即基区电阻效为一个纯电阻，即基区电阻RBB。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管。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表示表示E与与B1之间的之间的等效电阻，它的阻值等效电阻，它的阻值受受E-B1间电压的控制，间电压的控制，所以等效为可变电阻。所以等效为可变电阻。RBB=RB1+RB2，分

16、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固定，等效电路中，固定，等效电路中，A 点 对点 对 B1的 电 压的 电 压UA=VBB为定值。当为定值。当VEE较小时，较小时，UEB1UA，iE开始大于零，由于硅二开始大于零，由于硅二极管的正向压降极管的正向压降UD为为0.7V，所以所以iE不会有显著的增加。不会有显著的增加。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

17、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 续 增 加，继 续 增 加，UEB1UA+UD，管子转向导管子转向导通，通，PN结电流开始显著增结电流开始显著增加，这时将有大量的空穴进加，这时将有大量的空穴进入基区，入基区，E、B1间载流子大间载流子大量增加，使量增加，使RB1迅速减小，迅速减小，而而RB1的减小又使的减小又使UA降低，降低，导致导致iE又进一步加大，形成又进一步加大，形成正反馈。正反馈。ADiEREVEERB1RB2VBBEB2B1B1+

18、-UEB1正反馈过程使正反馈过程使iE急剧增加，急剧增加，UA下降，单结管呈现了下降，单结管呈现了负负阻特性阻特性，图中曲线，图中曲线“2”线段，到了线段，到了“V”点负阻特点负阻特性结束，性结束，V点电压点电压UV称为称为谷 点 电 压谷 点 电 压，一 般 为，一 般 为 1 2.5V，对应的电流称为对应的电流称为谷谷点电流点电流Iv，一般为几毫安。一般为几毫安。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过了过了谷点谷点之后，从发射极之后

19、，从发射极注入第一基极注入第一基极B1的空穴超的空穴超过了一定的量，有部分空过了一定的量，有部分空穴来不及与基区的电子复穴来不及与基区的电子复合合，出现空穴的多余储存，出现空穴的多余储存，使空穴的注入遇到阻力，使空穴的注入遇到阻力，从而使从而使RB1增加，此时增加，此时iEUEB1曲线形状接近正向特曲线形状接近正向特性曲线，如曲线性曲线，如曲线“3”线线段，此时称为段，此时称为饱和区饱和区。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