【正文】 ■ 浪涌電流 IFSM ◆ 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流 。 ◆ 普通二極管（ General Purpose Diode） ? 又稱(chēng) 整流二極管（ Rectifier Diode） ，多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（ 1kHz以下）的整流電路中。 ? 其 正向電流定額 和 反向電壓定額 可以達(dá)到很高。 ? 快恢復(fù)外延二極管 （ Fast Recovery Epitaxial Diodes—— FRED） ，采用 外延型 PiN結(jié)構(gòu) ，其 反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于 50ns），正向壓降也很 低（ ）。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則 在 100ns以下，甚至達(dá)到 20~30ns。 ? 弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其 正向壓降 也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于 200V以下的低壓場(chǎng) 合； 反向漏電流 較大且對(duì) 溫度 敏感，因此 反向穩(wěn)態(tài)損耗 不 能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。 引言 ■ 晶閘管（ Thyristor）是 晶體閘流管 的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作 可控硅整流器 （ Silicon Controlled Rectifier—— SCR） ，以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅。 ■ 由于其能承受的 電壓和電流容量 仍然是目前電力電子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在 大容量 的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地 位。 ◆ 引出 陽(yáng)極 A、 陰極 K和 門(mén)極（控制端） G三個(gè)聯(lián)接端。 圖 27 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 圖 28 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 ■ 晶閘管的工作原理 ◆ 按照晶體管工作原理，可列出如下方程： 111 C B OAc III ?? ?222 C B OKc III ?? ?GAK III ??21 ccA III ??（ 22） （ 21） （ 23） （ 24） 式中 ?1和 ?2分別是晶體管V1和 V2的共基極電流增益；ICBO1和 ICBO2分別是 V1和 V2的共基極漏電流。 ◆ 在晶體管 阻斷狀態(tài) 下， IG=0，而 ?1+?2是很小的。 ◆ 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致 ?1+?2趨近于 1的話，流過(guò)晶閘管的電流 IA（陽(yáng)極電流） 將 趨近于 無(wú)窮大 ，從而實(shí)現(xiàn)器件 飽和導(dǎo)通 。 )(1 21C B O2C B O1G2A ???????? IIII 由以上式（ 21） ~（ 24）可得 (25) 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ■ 除門(mén)極觸發(fā)外 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 ◆ 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成 雪崩效應(yīng) ◆ 陽(yáng)極電壓上升率 du/dt過(guò)高 ◆ 結(jié)溫 較高 ◆ 光觸發(fā) ■ 這些情況除了 光觸發(fā) 由于可以保證控制電路與 主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中 之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。 晶閘管的基本特性 ■ 靜態(tài)特性 ◆ 正常工作時(shí)的特性 ? 當(dāng)晶閘管承受 反向電壓 時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 ? 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 晶閘管的基本特性 ◆ 晶閘管的伏安特性 ? 正向特性 √當(dāng) IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向 阻斷狀態(tài) ，只有很小的正向漏電流流過(guò)。 √隨著 門(mén)極電流幅值 的增大， 正向轉(zhuǎn)折電壓 降低，晶閘管本身的壓降很小，在 1V左右。 圖 29 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O + U A U A I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 晶閘管的基本特性 ? 反向特性 √其伏安特性類(lèi)似 二極管 的反向特性。 √當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到 反向擊穿電壓 后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 ? 延遲時(shí)間 td (~?s) 上升時(shí)間 tr (~3?s) 開(kāi)通時(shí)間 tgt=td+tr ? 延遲時(shí)間隨 門(mén)極電流 的增 大而減小 ,上升時(shí)間除反映晶 閘管本身特性外，還受到 外電 路電感 的嚴(yán)重影響。 圖 210 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的 90% 100% 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的 10% 晶閘管的基本特性 ◆ 關(guān)斷過(guò)程 ? 由于 外電路電感 的存在，原處 于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突 然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流 在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。 ? 在 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間 內(nèi)如果重 新對(duì)晶閘管施加 正向電壓 ，晶閘管 會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門(mén)極電 流控制而導(dǎo)通。 ? 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓） UDSM的 90%。 ◆ 反向重復(fù)峰值電壓 URRM ? 是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許 重復(fù) 加在器件上的 反向 峰值電壓 （見(jiàn)圖 28）。 ? 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于 反向擊穿電壓 。 ◆ 通常取晶閘管的 UDRM和 URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的 額定電壓 。 ■ 電流定額 ◆ 通態(tài)平均電流 IT(AV） ? 國(guó)標(biāo)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 冷 卻狀態(tài) 下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 ? 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計(jì)算結(jié)果的 ~2倍。 ? 結(jié)溫 越高，則 IH越小。 ? 約為 IH的 2~4倍 ◆ 浪涌電流 ITSM ? 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的 不重復(fù)性 最大正向過(guò)載電流 。 ? 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 ? 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。 ◆ 快速晶閘管的 開(kāi)關(guān)時(shí)間 以及 du/dt和 di/dt的耐量都有了 明顯改善。 ◆ 高頻晶閘管的不足在于其 電壓 和 電流 定額都不易做高。 晶閘管的派生器件 a) b) I O U I G = 0 G T 1 T 2 ■ 雙向晶閘管（ Triode AC Switch—— TRIAC或Bidirectional triode thyristor） ◆ 可以認(rèn)為是一對(duì) 反并聯(lián)聯(lián) 接 的普通晶閘管的集成 。 ◆ 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值 來(lái)表示其額定電流值。 ◆ 具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。 ◆ 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的 絕緣 ，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在 高壓大功率的場(chǎng)合 。引言 ■ 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。 ■ 典型代表 —— 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。 ■ GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ GTO的結(jié)構(gòu) ? 是 PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu) 。 圖 214 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào) 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 圖 28 晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 ◆ GTO的工作原理 ? 仍然可以用如圖 28所示的 雙晶體管模型 來(lái)分析， V V2的共基極電流增益分別是 ? ?2。 ? GTO與普通晶閘管的不同 √設(shè)計(jì) ?2較大，使晶體管 V2控制 靈敏，易于 GTO關(guān)斷。 √多元集成結(jié)構(gòu)，使得 P2基區(qū) 橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。 ? 而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽 出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流 IA和 IK的 減小使 ?1+?21時(shí)，器件退出 飽和 而關(guān)斷。 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ■ GTO的動(dòng)態(tài)特性 ◆ 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)似。 ? 門(mén)極負(fù)脈沖電流 幅值越大， 前沿 越陡， ts就越短。 圖 215 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 O t 0 t i G i A I A 90% I A 10% I A t t t f t s t d t r t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間 殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 ■ GTO的主要參數(shù) ◆ GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 ◆ 電流關(guān)斷增益 ?off ? 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 IATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比。 ◆ 開(kāi)通時(shí)間 ton ? 延遲 時(shí)間與 上升 時(shí)間之和。 ◆ 關(guān)斷時(shí)間 toff ? 一般指 儲(chǔ)存 時(shí)間和 下降 時(shí)間之和，而不包括 尾部 時(shí)間。 ■ 不少 GTO都制造成 逆導(dǎo)型 ，類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管。 電力晶體管 ■ 電力晶體管（ Giant Transistor—— GTR） 按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、 大電流的 雙極結(jié)型晶體管（ Bipolar Junction Transistor—— BJT） ■ GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 ◆ 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一 樣的。 ◆ GTR的結(jié)構(gòu) ? 采用至少由兩個(gè)晶體管按 達(dá)林頓接法 組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集 成電路工藝將許多這種單元 并聯(lián) 而成。 電力晶體管 圖 216 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) +表示高摻雜濃度， 表示低摻雜濃度 電力晶體管 Iii c e obc ?? ?空穴流 電 子 流 c) E b E c i b i c = ? i b i e =(1+ ? ) i b 圖 216 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) iibc??? 在應(yīng)用中， GTR一般采用共發(fā)射極接法。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流 Iceo時(shí)， ic和 ib的關(guān)系為 ? 單管 GTR的 ? 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為 10左右，采用達(dá)林頓接法 可以有效地增大電流增益。 ? 在電力電子電路中，