第五章   晶闸管及其整流电路(补充内容)
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第五章 晶闸管及其整流电路(补充内容). 晶闸管( Thyristor ):晶体闸流管,可控硅整流器( S ilicon C ontrolled R ectifier —— SCR ) 1956 年美国贝尔实验室发明了晶闸管 1957 年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品 1958 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,使半导体器件的应用由弱电领域扩展到强电领域。 20 世纪 80 年代以来,开始被全控型器件取代. A. G. K. (b) 符号. 一、晶闸管的基本结构. (a) 外形. 晶闸管的外形及符号. P 型 半

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第五章 晶闸管及其整流电路(补充内容)

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第五章 晶闸管及其整流电路(补充内容)

  • 晶闸管(Thyristor):晶体闸流管,可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier——SCR)

    • 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管

    • 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品

    • 1958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,使半导体器件的应用由弱电领域扩展到强电领域。

    • 20世纪80年代以来,开始被全控型器件取代


5590634

A

G

K

(b) 符号

一、晶闸管的基本结构

(a) 外形

晶闸管的外形及符号


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P

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

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-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

N

+

+

-

-

PN

(耗

层)

PN结及其导电原理


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阳极

A

个PN结

四 层 半 导 体

P1

N1

G

P2

控制极

N2

K 阴极

晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 如图。

晶闸管的结构


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A

A

+

IA

P1

P1

N1

N1

G

G

N1

P2

P2

IG

IK

N2

P2

_

K

N2

K

A

P1

N1

T1

G

P2

N1

P2

T2

N2

K

晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合


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R

T1

+

EA

T2

_

形成正反馈过程

A

三、 工作原理

G

在极短时间内使两个三极管均饱和导通,此过程称触发导通。

EG

K

EA > 0、EG > 0


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形成正反馈过程

A

R

T1

+

T2

EA

_

EG

G

晶闸管导通后,去掉EG,依靠正反馈,仍可维持导通状态。

K

EA > 0、EG > 0


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晶闸管导通的条件

  • 晶闸管正常导通的条件:

    1)晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压,UAK>0

    2)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, UGK>0

    晶闸管导通后,控制极便失去作用。依靠正反馈,晶闸管仍可维持导通状态。

    . 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


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晶闸管关断的条件

  • 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:

    阳极电压反向

    减小阳极电压

    增大回路阻抗


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四、伏安特性(静特性)

I

IF

_

+

IG2

IG1

IH

IG0

UBR

URRM

UFRM

UBO

U

o

U

_

+

正向平均电流

维持电流

IG2 > IG1 > IG0

反向转折电压

正向转折电压

正向特性

反向特性


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  • 正向特性

  • IG=0时,器件两端施加正向电压,只有很小的正向漏电流,正向阻断状态。

  • 正向电压超过正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通。

  • 随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低。

  • 晶闸管本身的压降很小,在1V左右。

晶闸管的伏安特性(IG2>IG1>IG)


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2)反向特性

施加反向电压时,伏安特性类似二极管的反向特性。

反向阻断状态时,只有极小的反相漏电流流过。

当反向电压达到反向击穿电压后,可能导致晶闸管发热损坏。

晶闸管的伏安特性


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五. 动特性

晶闸管的开通和关断过程波形


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1) 开通过程

  • 延迟时间td (0.5-1.5s)

  • 上升时间tr (0.5-3s)

  • 开通时间tgt以上两者之和,tgt=td+ tr

2) 关断过程

  • 反向阻断恢复时间trr

  • 正向阻断恢复时间tgr

  • 关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr

  • 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

晶闸管的开通和关断过程波形


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URRM:

反向重复峰值电压

控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元

件上的反向峰值电压。

一般取 URRM = 80% UBR

普通晶闸管 URRM为100V-3000V

六、主要参数

UFRM:

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,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。

一般取UFRM = 80% UB0 。

普通晶闸管 UFRM为100V- 3000V


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额定正向平均电流

环境温度为40C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电流的平均值。

IF:

IF

t

2

如果正弦半波电流的最大值为Im,则

普通晶闸管IF为1A — 1000A。


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IH:维持电流

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。

一般IH为几十 ~ 一百多毫安。

UF: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,

晶闸管阳、阴极间的电压平均值。

一般为1V左右。

UG、IG:控制极触发电压和电流

室温下,阳极电压为直流6V时,使晶闸管完

全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。

一般UG为1到5V,IG为几十到几百毫安。


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动态参数

除开通时间tgt和关断时间tq外,还有:

  • 断态电压临界上升率du/dt

    ——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。

    ——电压上升率过大,使充电电流足够大,就会使晶闸管误导通 。

  • 通态电流临界上升率di/dt

    ——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。

    ——如果电流上升太快,可能造成局部过热而使晶闸管损坏。


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K

P

(晶闸管类型)

P--普通晶闸管

K--快速晶闸管

S --双向晶闸管

普通型

晶闸管

七、晶闸管型号及其含义

导通时平均电压组别

共九级, 用字母A-I表示0.4-1.2V

额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者

额定正向平均电流(IF)

如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。


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部分晶闸管的型号与参数


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低掺杂的N型硅棒 扩散工艺 高掺杂P区 PN结 构成单结晶体管 (UJT)。

单结晶体管(双基极二极管)

P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电极,分别为基极B1和基极B2,B1和B2之间的N型区域可以等效为一个纯电阻,即基区电阻RBB。

单结晶体管的结构示意图

单结晶体管因有两个基极,故也称为双基极晶体管。


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(a)

(b)

单结晶体管得表示符号及等效电路

RB1表示E与B1之间的等效电阻,它的阻值受E-B1间电压的控制,所以等效为可变电阻。

RBB=RB1+RB2,

分压比: RB1与RBB的比值称为=RB1/RBB

一般在0.3~0.8之间。


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单结晶体管外形


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B2

RB2

iE

D

E

A

VBB

+

RE

UEB1

RB1

VEE

-

B1

B1

工作原理

当VBB固定,等效电路中,A点对B1的电压UA=VBB为定值。当VEE较小时,UEB1<UA,PN结反偏,此时只有很小的反向漏电流IE0(几微安)如图中曲线“1”段。

当UEB1增大,UEB1=UA时,PN结处于零偏,iE=0。


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B2

RB2

iE

D

E

A

VBB

+

RE

UEB1

RB1

VEE

-

B1

B1

UEB1继续增大,当UEB1>UA,iE开始大于零,由于硅二极管的正向压降UD为0.7V,所以iE不会有显著的增加。

当 UEB1=UA+UD时,二极管D仍不导通,此时的电压UEB1称为峰值电压UP,对应电流称为峰值电流IP。这一区域称为截止区。


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B2

RB2

iE

D

E

A

VBB

+

RE

UEB1

RB1

VEE

-

B1

B1

UEB1继续增加,UEB1>UA+UD,管子转向导通,PN结电流开始显著增加,这时将有大量的空穴进入基区,E、B1间载流子大量增加,使RB1迅速减小,而RB1的减小又使UA降低,导致iE又进一步加大,形成正反馈。


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B2

RB2

iE

D

E

A

VBB

+

RE

UEB1

RB1

VEE

-

B1

B1

正反馈过程使iE急剧增加,UA下降,单结管呈现了负阻特性,图中曲线“2”线段,到了“V”点负阻特性结束,V点电压UV称为谷点电压,一般为1~2.5V,对应的电流称为谷点电流Iv,一般为几毫安。

B2的电位高于E的电位,空穴型载流子不会向B2运动,电阻RB2基本不变。


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B2

RB2

iE

D

E

A

VBB

2

+

RE

1

UEB1

RB1

3

VEE

-

B1

B1

过了谷点之后,从发射极注入第一基极B1的空穴超过了一定的量,有部分空穴来不及与基区的电子复合,出现空穴的多余储存,使空穴的注入遇到阻力,从而使RB1增加,此时iE~UEB1曲线形状接近正向特性曲线,如曲线“3”线段,此时称为饱和区。饱和压降一般小于4~5V。

当改变VBB电压,改变了阀值电压UA,曲线的峰点电压也随之改变。


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单结晶体管的特点

1、当UEB1>UP时,单结晶体管导通;导通后,

当UEB1<Uv时,单结晶体管关断。

2、UP=ηVBB+VD, 分压比η=RB1/RBB,峰值电压

UP 随外加电压VBB和管子本身的分压比η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。


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BT3

基极B2的最大允许耗散功率mW/100

有三个电极

特种管

半导体

单结晶体管的型号


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