标准器件在大功率电子学中的应用

9.10.1.1 晶闸管

（1）结构 如图9-132所示，晶闸管包括有P区和N区相互交替的4个区。晶闸管分为测量50～5000V电压用晶闸管和测量0.4～1500A电流用晶闸管，其结构形状如图9-133所示，阳极与金属壳体相连接。在工作中，电压施加在晶闸管的壳体上。

图9-132 晶闸管类型及线路符号

图9-133 晶闸管的结构形状（举例）

（2）分类 如图9-132所示，晶闸管分为P控制极晶闸管和N控制极晶闸管，实践中，大都采用P控制极晶闸管。外部P层为阳极，外部N层为阴极，内P层为控制极。

实验9-15：把一只晶闸管如BSt01或TIC106M的阳极串联到一只白炽灯或电阻上，如图9-134所示，把电路接到一个直流电源上，并使电源正极接用电器，负极接晶闸管阴极，把一个调整电阻和一只毫安量程的电流表串接到控制极上。提高控制电流并注意电流表的显示。

当控制电流较小时（按晶闸管型号为1～100mA），白炽灯能被点亮。

图9-134 晶闸管的结与特征值

晶闸管是电可控的元件，有4个彼此相互叠在一起可交换接线方式的半导体区：PNPN。

流过内部P区的控制极电流很大，并能消除位于中间的PN结，如图9-134a所示。剩余的PN结根据阳极与阴极之间接线电压方向不是在导通方向接通，就是在阻塞方向接通，作用如同PN结半导体二极管，如图9-134c所示。

只要晶闸管有控制极电流流动，其作用就如同一个二极管。导通电压U_F=0.6～3V，触发所需要的控制极电压U_GK=0.6～2.5V，如图9-134c所示。

晶闸管内部的3个PN结是活性的。在阳极与阴极之间施加一个电压，则在这3个PN结中最少一个PN结在截止方向被极化。在晶闸管中仅在截止方向上PN结被极化的电压方向称为反向。在截止方向上有两个PN结导通的方向称为正向。

晶闸管可用作整流器或用作无触点开关。由于控制电流消除了中间的PN结，如果控制电流和负载电流返回，则一个新的阻挡层阻止了负载电流的载流子。如果控制极电流完全消失和负载电流小于保持电流I_H，见图9-135和表9-45，则重新形成阻挡层。保持电流称为晶闸管在I_G=0A时仍保持导电状态的最小直流导通电流。因此，触发电流随阳极电压的增高而减少。

图9-135 晶闸管的特性曲线

在以交流电工作时，在每半个周期终结时保持电流下降，导致晶闸管截止。

表9-45 晶闸管TIC 106D的特征值与极限值

晶闸管的一般触发方式是通过控制极的电流脉冲触发。当负载电流换向时，如交流电流，晶闸管截止。然后在正半波之内需要一个重新触发。

（3）晶闸管的触发 一个恰好与最小值相符的控制极电流控制的晶闸管，首先导通控制极触点的直接外围。晶闸管的其余部分是随着阳极-阴极区中电流强度的增加才导通。这种晶闸管的逐渐触发，因其PN结加热太强而对晶闸管不利，因此，为了触发则采用远高于控制极-直流电流最大允许值的最大电流脉冲值。

为快速触发晶闸管，则用增强的电流脉冲控制控制极。

由于是标本控制，所以没有精确地规定控制电流所必需的电流强度。如图9-136所示，把控制电流区分为可靠触发区、不可靠触发区和可靠不触发区。为了避免最不希望的、有误差的晶闸管触发，则应注意断开时间。断开时间（10～100μs）是在导通电流流过零点时必须转到再次出现正电压的最小时间，因此具有安全性的晶闸管不再翻转到导通状态。对直流电压触发的晶闸管所必需的电压U_GK和电流I_G，可以用图9-137所示的测量电路来确定。

晶闸管工作时，因为可能导致所谓的误触发的自动触发，所以应避免工作电压和工作电流的快速提高。把无控制极电流的晶闸管触发理解为误触发。工作电压的提高用电压斜率ΔU/Δt来表示。常用的极限值为200～2000V/μs。临界电流斜率Δi/Δt按型号在20A/μs与200A/μs之间。

图9-136 晶闸管的触发图

图9-137 确定触发电压和触发电流的测量电路

晶闸管在接通方向上的电压的高低同样应以注意。不允许电压达到图9-135所示的零触发电压，否则会使晶闸管无控制电流而触发。

（3）晶闸管的保护 对于晶闸管应采取以下保护措施：

1）电流过载。

2）临界电压斜率和临界电流斜率。

3）过电压。

如图9-138所示，晶闸管或晶闸管部件有一个用于固定在散热器上的光滑面。

因为晶闸管只有小的热容量，因此对晶闸管要有足够的冷却，以防过电流保护。因此，必须采用特快的过电流保护装置。

图9-138 安装在一个散热器上的由两个反向导通晶闸管组成的晶闸管部件

为了保护晶闸管过电流，则采用工作等级为aR的熔断器或超小的保护开关。

如图9-139所示，对于过电流保护装置，若作为相线熔断器则放在晶闸管电路之前；若作为分路熔断器，则放在晶闸管电路中。

为了限制电流快速升高，则采用晶闸管保护扼流圈（饱和扼流线圈）。极快速的电流升高是出现在接通电容器或接通无电感的用电设备时。

图9-139 晶闸管的过电流保护

晶闸管对过电压（过电压峰值）敏感。在断开电感时会形成过电压峰值。

为了保护晶闸管抗过电压，则主要用图9-140所示的电容和有效电阻组成的串联电路（RC布线）。变压器处的布线（变压器阻尼）阻尼了来自电网的过电压。负载处的RC布线（负载阻尼）阻尼了由换接过程所形成的过电压。所要求的电容和电阻的大小是按阻尼方式、电压以及电流强度的不同而不同（参见电工技术图表手册）。

9.10.1.2 GTO晶闸管

普通的晶闸管通过控制极电流不可能被消除。但GTO晶闸管（闸门开关断开晶闸管）经过控制极能消除。

图9-140 晶闸管抗过电压的RC布线

为了触发GTO晶闸管，则采用一个正控制极电流脉冲；为消除，则采用一个负电流脉冲。

仅用一个电源导通或截止GTO晶闸管时，则应按图9-141所示采用附加的电容器。在断路的静止状态时，电容器C₁经过电阻R₁和负载电阻R_L充电。操作开关S₁，则电容器C₁可通过晶闸管控制极-阴极放电，晶闸管被触发。电容器C₂经过已导通的晶闸管充电。操作开关S₂，电容器C₂接到晶闸管控制极上，控制极电流与触发时的方向相反，则GTO晶闸管截止。

GTO晶闸管的测定电流为3000A，测定电压为5000V。GTO晶闸管可用作直流调节器或电动车辆的接通与断开。

9.10.1.3 三层二极管

如图9-142a所示，称为二端交流开关器件的三层二极管由一块有PNP层的硅板组成。当超过表9-46中规定的操作电压时，如图9-142b所示，三层二极管与极性无关导通，并且为低电阻。如图9-142c所示，两接线上的电压极快地降到75%操作电压，当低于保持电压（n伏）时，三层二极管闭塞。

图9-141 接到电源上的GTO晶闸管控制电路

图9-142 三层二极管的线路符号与特性曲线

表9-46 三层二极管A9903的特征值

三层二极管主要用于产生电压脉冲，并以此触发晶闸管和三端双向晶闸管（开关）。为此目的，则如图9-143所示把其接在所关系到的器件的控制接线（控制极）前。

功能。施加电压后，电容器C₁经过电阻R₁充电，达到操作电压后，三层二极管导通。充了电的电容器触发三端双向晶闸管（开关）并且负载获得电压。通过改变R₁可以延迟三端晶闸管（开关）的触发时间点，由此使负载仅得到小部分电源电压。这种功率控制的电路可用于白炽灯。有关相位截止控制见9.10.3.2.1和9.10.5.1。

9.10.1.4 三端双向晶闸管（开关）(www.xing528.com)

如图9-144a所示，为了控制交流电流可在反向并联电路中采用反向截止的闸流管，如一个P-控制极晶闸管和一个N-控制极晶闸管。

图9-143 带三层二极管的三端可控硅的控制

图9-144 三端晶闸管（开关）的结构、等效电路与电路图形符号

把图9-144a所示的两个晶闸管结构组合在一起，则获得一个有反向并联电路的特性但只需要一个电极的半导体元件，如图9-144b和图9-144c所示。

在控制电极与邻近电极间任意极化了的脉冲接通在负载电流回路中处在导通状态的与电压方向无关的两个晶闸管中的一个晶闸管上，如见图9-145所示。在两方向可控制的晶闸管称为三端晶闸管（开关）（表9-47）。

图9-145 三端晶闸管（开关）特性曲线

表9-47 三端晶闸管（开关）的特征值与极限值

三端晶闸管（开关）可用交流电和直流电在两个方向上进行触发。

以G和A₁之间在一个交流电压每半个周中任意已极化的触发电压进行触发，原则上是可能的。为了区别，相应坐标系的四个象限有以下4种情况：

第一象限：

电压从接线A₂到接线A₁为正，从G到A1为正。

第二象限：

电压从接线A₂到接线A₁为正，从G到A₁为负。

第三象限：

电压从接线A₂到接线A₁为负，从G到A₁为负。

第四象限：

电压从接线A₂到接线A₁为负，从G到A₁为正。

三端双向晶闸管（开关）是以达1200V电压和达120A电流加工制造，它可以用于交流用电器的执行机构，如光强调节器，和用于电子保护。

复习题

1.简述晶闸管硅板的结构。

2.解释晶闸管正向的概念。

3.晶闸管的控制极电流有何任务？

4.为什么晶闸管可用作整流器？

5.如何理解晶闸管的零触发电压？

6.三层二极管有何用途？

7.三层二极管的操作电压为多高？

8.三端双向晶闸管（开关）存在什么样的接线？

9.三端双向晶闸管（开关）有何用途？

10.如何理解三端晶闸管（开关）的四象限工作？

11.为了触发三端晶闸管（开关）在第四象限应为何极性的电压？

9.10.1.5 IGBT（双极绝缘层晶体管）

提要：IGBT的使用与应用

•交流电动机和直流电动机控制。

•传动技术中的变频器。

•换向器与直流调节器。

•不中断的供电（USV）。

•大功率用开关电源设备。

•焊接设备用脉冲供电。

•家用电器，如空调设备、洗衣机、电冰箱、微波炉等。

•风力发电装置与太阳能装置。

IGBT是一种在功率电子技术中用作电子开关的半导体电子器件。IGBT具有场效应晶体管（无功率控制）和双极晶体管（导通性好）的主要优点。

半导体组件的结构。IGBT的结构类似于功率场效应晶体管，其不同点是在图9-146所示的N衬底下面放置了一个构成IGBT集电极接线C的P材料。如图9-147a所示，IGBT的场效应晶体管控制双极晶体管。如同MOS场效应晶体管一样，IGBT是由许多与一个共同的集电极并联的元件组成。如图9-147c所示，IGBT有3个引线。器件的控制是经过控制极_-发射极区G-E实现的。负载电流流经集电极-发射极区C-E。

图9-146 IGBT半导体的结构

图9-147 IGBT的电路图形符号与壳体

IGBT的开关特性。如图9-148a所示，通过所施加在控制极上的U_GE≈15V的正电压来实现IGBT的控制。当超过控制极-发射极的典型2～5V截止电压时，集电极-发射极区首先连接。C-E区在导通状态时，IGBT处于饱和，即集电极-发射极电压下降到约2～4V的饱和电压U_CEsat。图9-148b所示为I_C=f（U_CE）时的输出特性曲线族。

IGBT的特性：

1）IGBT具有如双极晶体管一样小的导通电阻。

2）与场效应晶体管相比，其导通损耗小。

3）IGBT的控制如同场效应晶体管一样几乎无功率实现。

4）IGBT仅在反向应加以限制，因此必要时应按图9-148a所示安装一个具有短时断路时间的续流二极管接线。

使用。IGBT在截止电压超过4kV的大功率范围内使用并可以接高达3000A的导通电流。如具有接通频率达300Hz的600V-IGBT可以在开关电源设备和不中断的供电中使用。在图9-149所示的传动技术中，由于其相对于MOSFET有良好特性而获得使用。

图9-148 带输出特性曲线族的IGBT

图9-149 用作变频器中开关的IGBT

IGBT既可以制成不连续的单个器件、图9-149所示的组合器件，也可以制成排列式。