静电感应晶闸管
第二章 - 5_IGBT(电力电子技术)
主要解决挚 住效应
改善饱和压降和开 关特性：N+缓冲 层、P+层浓度、 厚度最佳化、新 寿命控制，饱和 压降、下降时间 微细化工艺 均降低了30%以 上。
有选择的寿命控制，饱 和压降和关断时间 下降到1.5V/0.1ms。
沟槽技术
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2.5 其他新型电力电子器件
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件
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2.4.4 绝缘栅双极晶体管
■IGBT的主要参数 ◆前面提到的各参数。 ◆最大集射极间电压UCES ☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿 电压所确定的。 ◆最大集电极电流 ☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 ◆最大集电极功耗PCM ☞在正常工作温度下允许的最大耗散功率。
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正向电流密度（A/sp.cm)
1000
IGBT
100 10 1 0.1 0 1 2
300V 600V 1200V 300V 600V 1200V
MOSFET
正向压降（V） 16
3
温度特性
功率MOSFET 导通时温升沟道电阻速增，200度时可达室温时的3倍。考 虑温升必须降电流定额使用。 IGBT 可在近200度下连续运行。导通时，MOS段的N通 道电阻具有正温度系数，Q2的射基结具有负温度系数，总 通态压降受温度影响非常小。
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IGBT_5SNS 0300U120100
主要参数： • VCES 1200V • IC(DC) 300A • Tc(OP) -40~125oC • VCESAT IC300A ,VGE15V: 1.9V 25oC,2.1V125oC
晶闸管的发展及其应用
目 录第一章 电力电子技术简介及其器件发展 (1)第二章 晶闸管 (2)2.1 晶闸管的产生及符号 (2)2.2晶闸管的导通与关断条件 (3)2.3 晶闸管的工作原理 (4)2.4 晶闸管的阳极伏安特性 (5)2.5 晶闸管的主要参数 (6)2.5.1 晶闸管的重复峰值电压 (7)2.5.2晶闸管的额定通态平均电流额定电流T I （AV ） (7)2.6 通态平均电压T U （AV ） (8)2.7 门极触发电压GT U 和门极触发电流GT I (8)2.8 维持电流H T (9)2.8 掣住电流L I (9)2.9 断态电压临界上升率du ／dt (9)2.10 通态电流临界上升率di ／dt (10)第三章 双向晶闸管及其派生晶闸管 (11)3.1 双向晶闸管 (11)3.2 快速晶闸管 (12)3.4 光控晶闸管 (13)第四章 晶闸管的保护与串并联使用 (14)4.1 过电压保护 (14)4.1.1操作过电压 (14)4.1.2雷击过电压 (15)4.1.3换相过电压 (15)4.1.4关断过电压 (15)4.2 过电压保护措施 (15)4.2.1操作过电压的保护 (15)4.2.2浪涌（雷击）过电压的保护 (15)4.2.3 过电流保护 (17)4.4 晶闸管的串、并联 (18)第五章 晶闸管应用实例 (19)5.1 单相全控桥式整流电路 (19)5.2 三相全控桥式整流电路 (20)总结 (22)参考文献 (23)第一章电力电子技术简介及其器件发展第一章电力电子技术简介及其器件发展电力电子技术，即由国际电工委员会命名的，一门将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路进而实现电能的变换和控制的完整学科。
突出对“电力”的变换，变换的功率可以大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或更小。
电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制技术3个部分，其中电力电子器件是基础，变流电路是电力电子技术的核心。
第2章 全控型电力电子器件
第2章
电力场效应晶体管的特性与主要参数
1、静态输出特性 在不同的UGS下，漏极电 流ID 与漏极电压UDS 间的关系 1）截止区：当UGS＜UT(UT的典型 曲线族称为VDMOS的输出特性 曲线 。如图2.6.2所示，它可以 值为2~4V)时； 分为四个区域： 2）线性(导通)区：当UGS＞UT且
当栅极电压为零时漏 源极之间就存在导电 沟道；
3） 电力MOSFET
P沟道 N沟道
对于N（P）沟道器件, 栅极电压大于（小于） 零时才存在导电沟道
4）特点：输入阻抗高(可达40MΩ 以上)、开关速度快，工作频率高(开
关频率可达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、 无二次击穿问题、安全工作区(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适 用功率不超过10kW的电力电子装置。
GTO导通压降较大，一般为2～3V，门极触发电流较大，所以
GTO的导通功耗与门极功耗均较普通晶闸管大。 导通：同晶闸管，阳极与阴极之间承受 正向电压，门极与阴极间加正脉冲信号 关断：门极加上足够大的负脉冲电流 电力电子技术
主讲：李建文
3.特点
全控型 容量大
off较小 电流控制型
电流关断增益off ： 最大可关断 阳极电流与门极负脉冲电流最大 值IGM之比称为电流关断增益
IGBT：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor) 。 兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压 降特性两者优点的一种复合器件。 IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最 快而且很有前途的一种混合型器件。 目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A， 最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它 高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和 一部分MOSFET的市场。 电力电子技术
静电感应晶体管
静电感应晶体管静电感应器件自从七十年代产生以来，由于它自身特有的优势，在八十年代取得了迅速的发展。
在这期间出现了许多形形色色的静电感应器件，其中就有静电感应晶体管（SIT）、双极型静电感应晶体管（BSIT）、静电感应晶闸管（SITH）这三种比较有价值的器件，这类器件均具有噪声低，线性度好，失真小等优点，现已广泛应用于电子行业。
2.1 静电感应晶体管的基本类型由于SIT、BSIT、SITH是静电感应器件中有代表性的三种器件，在此对它们作以简单介绍。
1、静电感应晶体管（SIT）SIT作为唯一一种具有类三极管特性的半导体器件，一般为常开型器件。
主要有以下特点[4]：（1）是单极性器件，所以工作速度比较快；（2）栅极是利用pn结的反偏控制，沟道中没有来自栅极的少子注入，器件的高速开关特性优异；（3）器件是垂直沟道，相比于场效应晶体管，沟道更短更窄；（4）电压控制型器件，驱动功率小；（5）栅电阻小，高频信号损失小，因此高频特性优异；（6）无电流集中，所以耐击穿强度比较高。
2、双极型静电感应晶体管（BSIT）与SIT不同，BSIT工作在正栅压下，具有饱和类五极管特性，一般是常关型器件，与其他功率器件相比，具有以下优点[4]：（1） BSIT是多子导电器件，相比于双极型器件，稳定性更好；（2）与MOSFET相比，通态电阻较低；（3）与IGBT相比，稳定性好，工艺简单，关断时间短；（4）与GTO相比，关断时间短。
另外，BSIT在很宽的电流范围内都具有很高的电流放大倍数，能实现对大功率电路的控制。
3、静电感应晶闸管（SITH）与SIT和BSIT不同，SITH有常开型和常关型两种类型，它的结构相当于在SIT的阳极串联了一个二极管。
主要有以下特点[4]：（1）栅极也是应用pn结反偏控制的，所以器件的开关速度比较高；（2）导通沟道大部分为耗尽区占据，正向导通压降低；（3）电流电压容量大，阻断增益高，工作频率高。
2.2 静电感应晶体管的基本结构根据静电感应晶体管栅体结构、分布和制造工艺的不同，静电感应晶体管的基本结构可分为：埋栅型、表面栅型、复合栅型、介质盖栅型、槽栅型和双栅型结构等。
电力电子器件的最新发展现状
静电感应晶体管 SIT是一种电压控制器件。在零栅压或很小旳负栅压 时，沟道区已全部耗尽，呈夹断状态，接近源极一侧旳沟道中出现呈马 鞍形分布旳势垒，由源极流向漏极旳电流完全受此势垒旳控制。在漏极 上加一定旳电压后，势垒下降，源漏电流开始流动。漏压越高,越大,亦即 SIT旳源漏极之间是靠漏电压旳静电感应保持其连接旳,所以称为静电感 应晶体管。
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和双极型晶体管相比,SIT具有下列旳优点：①线性好、噪声小。用 SIT制成旳功率放大器,在音质、音色等方面均优于双极型晶体管。②输 入阻抗高、输出阻抗低，可直接构成OTL电路。③SIT是一种无基区晶体 管，没有基区少数载流子存储效应，开关速度快。④它是一种多子器件， 在大电流下具有负温度系数，器件本身有温度自平衡作用，抗烧毁能力 强。⑤无二次击穿效应，可靠性高。⑥低温性能好，在-19℃下工作正常。 ⑦抗辐照能力比双极晶体管高50倍以上。
电子技术旳开端。今后，晶闸管(SCR)旳派生器件越来越多， 到了70年代
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已经派生了迅速晶ห้องสมุดไป่ตู้管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半 控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是因为晶闸管本身工作频 率较低（一般低于400Hz），大大限制了它旳应用。另外，关断这些器 件，需要逼迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。 全控型器件——第二代电力电子器件
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器件中是最高旳。另外，MCT可承受极高旳di/dt和du/dt， 使得其保护电路能够简化。MCT旳开关速度超高GTR,开关 损耗也小。
MCT曾一度被以为是一种最有发展前途旳电力电子器件 。所以，20世纪80年代以来一度成为研究旳热点。但经过十 数年旳 研 究 ，其关键技术问题没有大旳突破，电压和电流容 量都远未到达预期旳数值，未能投入实际应用。而其竞争对 手IGBT却进展飞速，所以，目前从事MCT研究旳人不是诸 多。
静电感应晶体管(SIT)
也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）。
• 20世纪90年代后期出现。结合了IGBT与GTO的优点， 容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而 复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；
五、 其它新型电力电子器件
➢ 一、静电感应晶体管（SIT）
➢ 它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输 入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优 点；
➢ 广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的高 频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、大功率 中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术 等领域。
第1 4-5 其它新型电力电子器（SITH）
2、SITH的特性：
• 栅极负压-UGK可控制阳极电流关断，已关断的 SITH，A-K间只有很小的漏电流存在。 • SITH 为场控双极器件，其动态特性比GTO优越。其 通态电阻比SIT小、压降低、电流大，但因器件内有大量 的存储电荷， 所以其关断时间比SIT要长、工作频率要低。
的恶性循环；T0C ↑→ID↓ ➢ SIT的漏极电流通路上不存在PN结,一般不会发生热不稳定 性和二次击穿现象,其安全工作区范围较宽； ➢ 栅极驱动电路简单：关断SIT需加数十伏的负栅压-UGS；导
通时，也可加5～6V的正栅偏压&#
4-5 缓冲电路
➢ 1）原因： 电力电子器件断态时承受高电压，通态时承载大电
流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、 过流、过大的du／dt和di／dt 以及过大的瞬时功率。
➢ 2）缓冲电路作用：防止高电压和大电流可能使器件 工作点超出安全工作区而损坏器件。
GTR (2)
理想的基极 驱动电流波形
3、GTR驱动电路实例
1）抗饱和电路
3、具有自保护功能的基极驱动电路
（1）信号隔离电路 ：V1、B （2）工作状态检测与信号综合电路 ：VD、LM311 （3）输出级： V4 、 V5 、 V6 、VD7
4．GTR的双电源驱动电路
图1.9.8 双电源驱动电路
UAA4002组成的GTR驱动电路
四、 GTR驱动电路
1、驱动电路的基本任务：
• 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换 为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通 或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关
断控制信号。
在高压变换电路中，需要在控制系统和主电路之间进 行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。
电力电子器件分类
不控型器件
按开关控制性能分 半控型器件 全控型器件 单极型 功率MOSFET SIT（静电感应晶体管） GTR 按参与导电的载流子不同 双极型 混合型 GTO SITH（静电感应晶闸管） IGBT
MCT（MOS控制晶闸管）
一、电力晶体管及其工作原理
•
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。
GTR的主要参数 GTR的主要参数有：电流放大倍数b、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极 间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff。 此外还有： 1\最高工作电压 :GTR上电压超过规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性 有关，还与外电路接法有关： BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。 2\集电极最大允许电流IcM :通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。实际使 用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3\集电极最大耗散功率PcM :最高工作温度下允许的耗散功率GTR的二次击穿现象与安全 工作区。 1）一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一 般不会损坏，工作特性也不变。 2）二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立 即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。 3）安全工作区（Safe Operating Area——SOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。
电力电子技术答案
第2章 思考题与习题2.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定? 答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。
导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压U A 决定。
2.2晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流I A 减小，I A 下降到维持电流I H 以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。
进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压U A 决定。
2.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流I H 会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。
2.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：(1) I g =0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt 过高；(3) 结温过高。
2.5请简述晶闸管的关断时间定义。
答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。
即gr rr q t t t +=。
2.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。
2.7请简述光控晶闸管的有关特征。
答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。
主要用于高压大功率场合。
2.8型号为KP100-3，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)图题1.8答：（a ）因为HA I mA K VI <=Ω=250100，所以不合理。
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静电感应晶闸管
静电感应晶闸管SITH（Static Induction Thyristor）诞生于1972年，是在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。
因为其工作原理也与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor--FCT)。
由于比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，因而SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。
其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。
SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。
此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。