电力电子半导体器件SCR课件.ppt

第三章第三章 晶闸管晶闸管3.1 3.1 普通晶闸管普通晶闸管 Thyristor 硅可控整流器，可控硅，硅可控整流器，可控硅，SCR一、结构：四层一、结构：四层PNPN结构，三端器件结构，三端器件符号符号正向阻断：正向阻断：AK接正电压，接正电压，J2反偏，漏电流很小反偏，漏电流很小反向阻断：反向阻断：AK接负电压，接负电压，J1，J3反偏，漏电流很小反偏，漏电流很小等效电路：由等效电路：由PNP和和NPN两个晶体管互联，内部正反馈连接两个晶体管互联，内部正反馈连接正反馈过程正反馈过程令：两个晶体管共基极电流放大数令：两个晶体管共基极电流放大数 1、2 J2结反向漏电流为结反向漏电流为IC0则：则：共基极电流放大系数共基极电流放大系数1、2 与与发射极电流变化关系：发射极电流变化关系：I IG G=0=0时，时，1、2 约为约为0，IA IC0，晶闸管正向阻断晶闸管正向阻断I IG G00时，时，1、2 随射极电流随射极电流 增大而上升，当增大而上升，当1+2 1时，时，IA迅速增大，正向导通迅速增大，正向导通此时，即使再为此时，即使再为0，晶闸管仍继续导通，晶闸管仍继续导通半控型器件。

半控型器件1晶闸管导通的几种情况：晶闸管导通的几种情况：门极触发：极之间加正向电压；极间加正向电压门极触发：极之间加正向电压；极间加正向电压和电流通用方法通用方法阳极电压作用：阳极电压上升到相当数值时，阳极电压作用：阳极电压上升到相当数值时，J3结击穿，结击穿，IB2 增大，由正反馈作用导致导通增大，由正反馈作用导致导通会引起局部过会引起局部过 热，易击穿，不易控制热，易击穿，不易控制du/dt作用：阳极电压上升速率快，作用：阳极电压上升速率快，J3结电容结电容C产生位移电流产生位移电流 导致射极电流增大，引起导通导致射极电流增大，引起导通控制困难，过大的控制困难，过大的du/dt会会损坏管子损坏管子温度作用：结温增高，漏电流增大，引起导通温度作用：结温增高，漏电流增大，引起导通光触发：光照射下，产生电子空穴对，形成触发电流光触发：光照射下，产生电子空穴对，形成触发电流光触发晶闸管光触发晶闸管光触发：光照射下，产生电子空穴对，形成触发电流光触发：光照射下，产生电子空穴对，形成触发电流光触发晶闸管光触发晶闸管1晶闸管导通的几种情况：晶闸管导通的几种情况：门极触发：极之间加正向电压；极间加正向门极触发：极之间加正向电压；极间加正向 电压和电流。

电压和电流通用方法通用方法阳极电压作用：阳极电压上升到相当数值时，阳极电压作用：阳极电压上升到相当数值时，J3结击穿，结击穿，IB2增大，由正反馈作用导致导通增大，由正反馈作用导致导通会引起局部过热，易击穿，不易控制会引起局部过热，易击穿，不易控制du/dt作用：阳极电压上升速率快，作用：阳极电压上升速率快，J3结电容结电容C产生位移电流产生位移电流 导致射极电流增大，引起导通导致射极电流增大，引起导通控制困难，过大的控制困难，过大的du/dt会损坏管子会损坏管子温度作用：结温增高，漏电流增大，引起导通温度作用：结温增高，漏电流增大，引起导通2关断条件：阳极电压减小关断条件：阳极电压减小/反向，使阳极电流减小到维持电流反向，使阳极电流减小到维持电流 以下，以下，IAIH时，管子自动关断时，管子自动关断二、特性二、特性 1阳极伏安特性：阳极伏安特性：VAKIA关系关系 VBO：正向转折电压正向转折电压 VRSM：反向转折电压反向转折电压导通状态导通状态阻断状态阻断状态反向击穿反向击穿2门极伏安特性：门极伏安特性：VGIG关系（关系（P3结二极管伏安特性）结二极管伏安特性）IGTVGTPGM可靠触发区可靠触发区不可触发区不可触发区不可靠触发区不可靠触发区VGD：门极不触发电压门极不触发电压 IGD：门极不触发电流门极不触发电流VGT：最小门极触发电压最小门极触发电压 IGT：最小门极触发电流最小门极触发电流VFGM：门极正向峰值电压门极正向峰值电压 IFGM：门极正向峰值电流门极正向峰值电流说明：说明：门极触发电压、电流应处于可靠触发区内，触发功率过大，门极触发电压、电流应处于可靠触发区内，触发功率过大，会使会使SCRSCR结温上升，影响正常工作，甚至会烧坏门极。

结温上升，影响正常工作，甚至会烧坏门极触发电压、电流应大于触发电压、电流应大于VGT和和IGT，方可，方可保证正常触发保证正常触发不触发时，触发电路输出电压应低于门极不触发电压不触发时，触发电路输出电压应低于门极不触发电压VGD （0.2V）；）；为提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可加负为提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可加负 偏压（偏压（13V；不大于不大于5V），），负偏压过大，会使器件触发灵负偏压过大，会使器件触发灵 敏度下降，不利于快速导通，同时门极损耗增大敏度下降，不利于快速导通，同时门极损耗增大三、动态特性：三、动态特性：P(功耗）功耗）iAIA0.9IA0.1IA000UAKtdtrtstontrrtGrtoff开通损耗开通损耗通态损耗通态损耗关断损耗关断损耗断态损耗断态损耗td:延迟时间延迟时间tr:上升时间上升时间（局部导通（局部导通)ts:扩展时间扩展时间（全导通）（全导通）trr:反向恢复时间反向恢复时间 非平衡少子耗散时间非平衡少子耗散时间tGr:门极恢复时间门极恢复时间 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间开通时间：开通时间：ton=td+tr 普通普通SCR，td为：为：0.51.5us；tr 为：为：0.53us；IG越大，越大，ton越小。

越小关断时间：关断时间：toff=trr+tGr；一般为几百一般为几百us说明：说明：1开通时间开通时间ton随门极电流增大而减小；阳极电压提高，可使随门极电流增大而减小；阳极电压提高，可使内部正反馈加速，上升时间、延迟时间显著缩短内部正反馈加速，上升时间、延迟时间显著缩短2正向电流越大，关断时间正向电流越大，关断时间toff越长；外加反向电压越高，反越长；外加反向电压越高，反向电流越大，关断时间可缩短；结温越高，关断时间越长向电流越大，关断时间可缩短；结温越高，关断时间越长3关断时，过早施加正向电压，会引起误导通关断时，过早施加正向电压，会引起误导通三、参数三、参数（一）电压参数一）电压参数 1断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压VDSM 门极开路，加在门极开路，加在SCRSCR阳极正向电压上升到正向伏安特性曲线阳极正向电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值不能重复，每次持续时间不大于急剧弯曲处所对应的电压值不能重复，每次持续时间不大于10ms10ms的脉冲电压转折电压，小于的脉冲电压转折电压，小于V VBOBO)断态重复峰值电压断态重复峰值电压VDRM 门极开路，额定结温下，允许门极开路，额定结温下，允许5050次次/s/s，持续时间不大于持续时间不大于10ms10ms，重复施加在阳极上的正向最大脉冲电压。

重复施加在阳极上的正向最大脉冲电压VDRM 90%VDSM反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压VRSM 门极开路，加在门极开路，加在SCRSCR阳极反向电压上升到反向伏安特性曲线急阳极反向电压上升到反向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值不能重复，每次持续时间不大于剧弯曲处所对应的电压值不能重复，每次持续时间不大于10ms10ms的脉冲电压的脉冲电压反向重复峰值电压反向重复峰值电压VRRM 门极开路，额定结温下，允许门极开路，额定结温下，允许5050次次/s/s，持续时间不大于持续时间不大于10ms10ms，重复施加在重复施加在SCRSCR上的反向最大脉冲电压上的反向最大脉冲电压VRRM 90%VRSM额定电压额定电压 将将VDRM和和VRRM中中较小的一个取整后，做额定电压使用时，较小的一个取整后，做额定电压使用时，选择选择23倍；倍；倍）倍）通态峰值电压通态峰值电压VTM SCR通以两倍通以两倍/或规定倍数额定通态平均电流时，在额定结温下，或规定倍数额定通态平均电流时，在额定结温下，AK之间瞬态峰值电压（管压降）越小，通态损耗越小之间瞬态峰值电压（管压降）越小，通态损耗越小二）电流参数二）电流参数 1通态平均电流通态平均电流I T(AV)环境温度环境温度400C，规定冷却条件下，规定冷却条件下，不少于不少于1700，电阻性负，电阻性负载，额定结温时；允许通过的工频正弦半波电流的平均值。

取整载，额定结温时；允许通过的工频正弦半波电流的平均值取整后为额定电流选择管子以有效值相同的原则）后为额定电流选择管子以有效值相同的原则）维持电流维持电流IH 导通后，室温下，导通后，室温下，G极开路，维持通态所需最小阳极电流极开路，维持通态所需最小阳极电流擎住电流擎住电流IL 门极触发门极触发，SCR刚从断态转入通态时，去掉触发信号，能刚从断态转入通态时，去掉触发信号，能使使SCR维持导通所需最小电流维持导通所需最小电流IL（24）IH 断态重复峰值电流断态重复峰值电流IDRM；反向重复峰值电流反向重复峰值电流IRRM；对应于对应于VDRM和和VRRM电压下的峰值电流电压下的峰值电流浪涌电流浪涌电流ITSM 规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流由电路发生故障引起，使管子超过结温损坏，用于设计保流由电路发生故障引起，使管子超过结温损坏，用于设计保护电路三）门极参数三）门极参数门极触发电压门极触发电压VGT 触发导通所需最小门极直流电压，触发导通所需最小门极直流电压，15V门极反向峰值电压门极反向峰值电压VRGM J3结反偏电压，小于结反偏电压，小于10V。

门极触发电流门极触发电流IGT 在规定条件下，触发在规定条件下，触发SCR导通所需最小门极直流电流导通所需最小门极直流电流几十几十几百几百mA（与通态电流与通态电流I T(AV)有关）有关）（四）动态参数四）动态参数断态电压临界上升率断态电压临界上升率dv/dt 在额定结温，门极开路时，在额定结温，门极开路时，SCR保持断态所能承受的最大电保持断态所能承受的最大电压上升率（压上升率（V/us)过大会引起误导通，如：雷电、合闸，分闸大会引起误导通，如：雷电、合闸，分闸通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 规定条件下，规定条件下，SCR用门极触发信号开通时，能够承受而不会用门极触发信号开通时，能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率（导致损坏的通态电流最大上升率（A/us)过大会局部发热，损坏过大会局部发热，损坏管子选用时，管子选用时，di/dt留留余量，如：余量，如：di/dt减小到一半，器件寿命提减小到一半，器件寿命提高近高近4倍门极控制开通时间门极控制开通时间ton；电路换向关断时间电路换向关断时间toff例：国产KP系列SCR主要参数、门极参数3.2 3.2 特殊晶闸管特殊晶闸管 为了满足晶闸管使用中的一些特殊要求，在科学技术和为了满足晶闸管使用中的一些特殊要求，在科学技术和工艺水平不断提高的前提下，研制出许多不同性能的特殊晶工艺水平不断提高的前提下，研制出许多不同性能的特殊晶闸管，都是普通晶闸管的派生器件。

闸管，都是普通晶闸管的派生器件一、高频晶闸管一、高频晶闸管 普通普通SCR开关时间较长，开关时间较长，di/dt小，工作频率低（小于小，工作频率低（小于400Hz）当工作频率升高时，开关损耗增加，器件发热增大当工作频率升高时，开关损耗增加，器件发热增大采用特殊工艺采用特殊工艺:(1)在器件中掺入金或铂的重金属杂质；在器件中掺入金或铂的重金属杂质；(2)辐照；辐照；(3)电子辐照缩短开关时间，增大电子辐照缩短开关时间，增大di/dt，产生了快速晶闸管，产生了快速晶闸管，工作频率工作频率1K2KHz。