1.3Half-controlleddevice—Thyristor

Anothername:SCR—siliconcontrolledrectifier（晶體閘流管半控型器件，可控硅整流器）Thyristoropenedthepowerelectronicsera–1956,invention,BellLaboratories–1957,developmentofthe1stproduct,GE–1958,1stcommercializedproduct,GE–Thyristorreplacedvacuumdevicesinalmosteverypower

processingarea.Stillinuseinhighpowersituation.Thyristorstillhasthehighestpower-handlingcapability.（能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位）History1.AppearanceandsymbolofthyristorStudandplate3terminals螺栓型封裝,通常螺栓是陽極,能與散熱器緊密連接且安裝方便平板型晶閘管可由兩片散熱器將其夾在中間2.Static靜態(tài)characteristicsofthyristor

Blockingwhenreversebiased,nomatterifthereisgatecurrentapplied當反向偏置為阻斷狀態(tài)，不管門極是否施加觸發(fā)電流，也不開通Conductingonlywhenforwardbiasedandthereistriggeringcurrentappliedtothegate.Oncetriggeredon,willbelatchedon僅僅1、當正向偏置，2、門極施加觸發(fā)電流管子導通一旦導通之后持續(xù)導通狀態(tài)Conductingevenwhenthegatecurrentisnolongerapplied導通之后門極觸發(fā)電流撤銷仍舊導通Turningoff:decreasingcurrenttobenearzerowiththeeffectofexternalpowercircuit通過外電路把流過晶閘管的電流減小接近維持電流以下晶閘管視為關斷GateV-IcharacteristicsHoldingCurrent(晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用)雪崩擊穿3.Staticcharacteristicsofthyristor（1）ForwardConductingWhenIG=0，iftheanodevoltageismadepositivewithrespecttothecathode,onlyasmallforwardleakagecurrentflowsthroughthedevice,thenSCRissaidtobeintheforwardblocking,oroff-state.1Withtheincreasingoftheamplitudeofgatecurrent，theforwardbreak-overvoltagedecreases.2Thevoltagedropissmall,typically,about1V.正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMThethyristorwillbeturnedonbyincreasingtheforwardvoltagebeyondUbo34.Staticcharacteristicsofthyristor(2)ReverseblockingSimilartothatofdiode.Inreverseblockingstate,onlyverysmallreverseleakagecurrentflowsthedevice.Whenthereversevoltagereachesthereversebreakdownvoltage,thedevicewillbeinthethermaldeterioration.1正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMConclusions：TheconductingconditionofSCR：UAK>0andUGK>0Theconditionfromon-statetooff-stateofSCR：tomaketheforwardanodecurrentbebelowtheholdingcurrent.(一般通過減小EA,,直至EA<0來實現(xiàn)。）5.StructureandequivalentcircuitofthyristorStructureEquivalentcircuit:Apnptransistorandannpntransistorinterconnectedtogether(等效為兩個晶體管V1和V2串級而成)6.PhysicsofthyristoroperationAfterTriggering,RegenerativeeffectorPositivefeedbackCannotbeturnedoffbycontrolsignalHalf-controllableWorkingprocess：UGK>0→generatesIG→V2isturnedon→generates

IC2→V1isturnedon

→IC1↗→IC2↗→StrongPositivefeedbackoccurs，terminalGlosesthefunctionofcontrol，V1andV2areincompletesaturationstate

，thenSCRisinon-state.通過SCR的電流由R確定為EA/R。UAK之間的壓降約為1V。此時，將IG調(diào)整為0，即UGK<0，也不能解除正反饋，G極失去控制作用。7.Quantitativedescriptionofthyristoroperation

Where1and2arethecommon-basecurrentgainofV1andV2,respectively；ICBO1andICBO2arethecommon-baseleakagecurrentofV1andV2,respectively。阻斷狀態(tài)：此時流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：IA很大.但IA實際上由于外電路負載的限制，會維持有限值。8.Othermethodstotriggerthyristoron

Highvoltageacrossanodeandcathode—avalanchebreakdownHighrisingrateofanodevoltagte—du/dttoohighHighjunctiontemperatureLightactivation(光觸發(fā):當強光直接照射在硅片上，產(chǎn)生電子空穴對，在電場的作用，產(chǎn)生觸發(fā)SCR的電流。)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（LTT）只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。9.Switchingcharacteristicsofthyristor

Turn-ontransient–Delaytimetd(0.5~1.5s)–Risetimetr(0.5~3s)–Turn-ontimetgt=td+tr

Turn-offtransient–Reverserecoverytimetrr:正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間–Forwardrecoverytimetgr:晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間–Turn-offtimetq=trr+tgr

100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA10.Specificationsofthyristor

Peakrepetitiveforwardblockingvoltage(斷態(tài)重復峰值電壓)UDRM——在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。Peakrepetitivereverseblockingvoltage(反向重復峰值電壓)URRM——在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。Peakon-statevoltage(通態(tài)（峰值）電壓)UTM——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。Notice:Usuallytakemin{UDRM,URRM}astheratedvoltageofSCR。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。11.Specificationsofthyristor

Averageon-statecurrent(通態(tài)平均電流)IT(AV)——在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r應按有效值相等的原則來選取晶閘管。實際使用時應留一定的裕量，一般取1.5~2倍。電流平均值(averagevalue)：指一個周期內(nèi)的電流算數(shù)平均值；電流有效值(effectivevalue)：指一個周期內(nèi)的電流的方均根值(rootmeansquare)。波形系數(shù)(formfactor)：Kf=I/IT(AV)

12.Specificationsofthyristor

SCR產(chǎn)品參數(shù)給出的額定電流是平均值，應根據(jù)實際電路計算有效值來選定SCR。(SCR管芯的發(fā)熱效應是與流過電流的有效值有關系的)

在實際選用SCR時，根據(jù)電流有效值相等原則。即：

實際波形的電流有效值I1≤SCR額定電流IT(AV)對應的電流有效值I

由于測量IT(AV)

的電路為正弦半波電路。此時額定有效值I與IT(AV)之間的關系為：I=IT(AV)*1.57。則I1≤IT(AV)*1.57

，因此,選用SCR可以采用以下公式來確定額定電流：IT(AV)≥(M*I1)/1.57其中，IT(AV)為選用SCR的額定電流（未知）；M為裕量系數(shù)(MarginFactor)，一般為1.5～2；

I1為實際電路的電流有效值(已知)。13.〔Example1-1〕Thewaveformofarectifiercircuitisinthefollowing,theaveragecurrentofitI’T(AV)=20A，pleasechooseSCR（M=1.5)。

iπ2πω0Imπ/2積分公式Key:14.Specificationsofthyristor

Holdingcurrent(維持電流)IH

——使晶閘管維持導通所必需的最小電流。Latchingupcurrent(擎住電流)IL——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。Peakforwardsurgecurrent(浪涌電流)ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流15.Specificationsofthyristor

du/dt(斷態(tài)電壓臨界上升率)——指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使結電容充電電流足夠大，造成晶閘管誤導通。di/dt(通態(tài)電流臨界上升率)——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。16.ThefamilyofthyristorsFastswitchingthyristor—FST包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。17.ThefamilyofthyristorsTriodeACswitch(雙向晶閘管)—TRIAC(Bi-directionaltriodethyristor)可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。通常用在交流電路中，不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機調(diào)速等領域應用較多.18.ThefamilyofthyristorsLight-triggered(activited)thyristor—LTTReverse-conductingthyristor(逆導晶閘管)—RCT將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點。常應用于各類逆變器和斬波器的應用中。又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前用在高壓大功率的場合。如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。19.HomeworkRequirements:Translatethefollowingquestionsandthenanswerthem。1.使晶閘管導通的條件是什么？2.如圖為調(diào)試晶閘管的電路，在斷開Rd測量輸出電壓Ud是否正確可調(diào)式，發(fā)現(xiàn)電壓表讀數(shù)不正常，接上Rd后一切正常，為什么？3.用萬用表怎么區(qū)分晶閘管的陽極、陰極與門極？判斷晶閘管好壞有哪些簡便實用的方法？4.用萬用表測量晶閘管門極時，為什么正反向電阻不同？是否阻值越小越好？20.1.4Typicalfully-controlleddevices

1.4.1Gate-turn-offthyristor—GTO1.4.2Gianttransistor—GTR1.4.3Powermetal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor—PowerMOSFET1.4.4Insulated-gatebipolartransistor—IGBTFeatures–ICfabricationtechnology,fully-controllable,highfrequencyApplications–Begintobeusedinlargeamountin1980s–GTRisobsoleteandGTOisalsoseldomusedtoday.–IGBTandpowerMOSFETarethetwomajorpowersemiconductordevicesnowadays.21.1.4.1Gate-turn-offthyristor—GTO

Majordifferencefromconventionalthyristor:GTOiskindofpowerintegrateddevicewithmultiple-units，anditcontainsdozensof,evenhundredsofsmallGTOunitsincommon-anode，whosethecathodesandgatesareparallelconnectedinGTOThegateandcathodestructuresarehighlyinterdigitated(交叉排列)StructureSymbol各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結構斷面示意圖(PNPN)22.PhysicsofGTOoperation

ThebasicoperationofGTOisthesameasthatoftheconventionalthyristor.Theprincipaldifferenceslieinthemodificationsinthestructuretoachievegateturn-offcapability.–Largeα2(使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關斷)–α1+α2isjustalittlelargerthanthecriticalvalue1(導通時飽和不深接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大).–Shortdistancefromgatetocathodemakesitpossibletodrawcurrentoutofgate(多元集成結構使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短,使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流).23.PhysicsofGTOoperation

Turn-offprocess：●Astrongpositivefeedbackexistsinit—ifalargenegativepulsecurrentisappliedinthegate,whichwilldrawcurrentsoutofthegate,thenIb2↓,whichmakesIKandIc2↓，thedecreasementofIc2makesIAandIc1↓，whichdecreasesthebasecurrentofV2further；whenthedecreasementofIAandIKmakes1+2<1，GTOexitssaturationandthenisturnedoff；

multiple-unitsandintegratedstructuresmakeGTOhaveashorterturn-ontime,andtheabilityofbearingdi/dtisalsostrongerthanSCR.24.CharacteristicsofGTO

Staticcharacteristic–Identicaltoconventionalthyristorintheforwarddirection–Ratherlowreversebreakdownvoltage(20-30V)SwitchingcharacteristicOt0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6Turn-ontransient：isthesameasthatofSCRTurn-offtransient：differentfromthatofSCRStoragetimets，使等效晶體管退出飽和。FalltimetfTailtimett

—殘存載流子復合。Usuallytf<<ts，tt>ts。門極負脈沖電流幅值越大，ts越短。25.SpecificationsofGTO

MostGTOspecificationshavethesamemeaningsasthoseofconventionalthyristor.Specificationsdifferentfromthyristor’s–Maximumcontrollableanodecurrent(最大可關斷陽極電流)IATO——GTO額定電流–Currentturn-offgain(電流關斷增益)βoff——最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。

βoff=

IATO/

IGM

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A。–Turn-ontime(開通時間)ton——延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。–Turn-offtime(關斷時間)toff——一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。26.1.4.2GiantTransistor—GTR

GTRisactuallytheBipolarJunctionTransistorthatcanhandlehighvoltageandlargecurrent.SoGTRisalsocalledpowerBJT(電力晶體管),orjustBJT.BasicstructureSymbolNPNSeealsoChapter4inP122oftextbook27.StructuresofGTRdifferentfromitsinformation-processingcounterpart

Multiple-emitterstructureDarlingtonconfigurationThemajorfeaturesincludehighvoltage,largecurrentandgoodswitchingcharacteristics.Darlington-unitconfigurationtoobtainalargereffectivecurrentgainbeta.(單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。目前更多地使用GTR模塊)AdoptICtechniquestomaketheseunitsbeingparallelconnectedTheoperationprinciplesofPowerGTRisthesameasthatofconventionalBJT28.StaticcharacteristicsofGTR

TypicalI-Vcharacteristicsincommonemitterconnection：

cut-offregion,amplifyingregionandsaturationregion.Inpowerelectronicscircuits,GTRworksinswitchingstates。29.SwitchingcharacteristicsofGTR

Turn-ontransient–Turn-ondelaytimetd–Risetimetr–Turn-ontimetonTurn-offtransient–Storagetimets–Fallingtimetf–Turn-offtimetoff30.SecondbreakdownofGTR

Primarybreakdown：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大,出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

Secondbreakdown：一次擊穿發(fā)生時，如不能有效的限制電流，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。31.Safeoperatingarea(SOA)ofGTRSOA最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線PsB限定。32.oxideAclassificationBasicstructureSymbolinsulatedgateNChannel33.StructuresofpowerMOSFETPowerMOSFET:Depletion-type——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。

Enhancement-type——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。Unipolardevice:OnlymajoritycarriersparticipatetheconductingconductionmechanismisthesameasthatoflowpowerMOS，butpowerMOSFET

differsvastlyfromMOSinthestructures采用多元集成結構，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設計。34.PhysicsofMOSFEToperation

P-N-junctionisreverse-biased(漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零,P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結反偏，漏源極之間無電流流過)。off-statevoltageappearsacrossn-regionOff-state(截止)

35.PhysicsofMOSFEToperationp-n-junctionisslightlyreversebiasedpositivegatevoltageinducesconductingchannel(在柵源極間加正電壓UGS,當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為Inversionlayers(反型層)，該反型層形成N溝道而使PN結消失，漏極和源極導電)draincurrentflowsthroughn-regionandconductingchannelOn-state(導電)onresistance=totalresistancesofn-region,36.StaticcharacteristicsofpowerMOSFET

I-VCharacteristicsofDrain（OutputCharacteristics）Cut-offarea（對應于GTR的截止區(qū)）Activearea（對應于GTR的amplificationarea）Ohmicarea（對應GTR的saturationarea）Worksinswitchingstates,i.e.,itconvertsandreconvertsbetweencut-offareaandohmicarea。On-resistancehasapositivetemperaturecoefficient，whichisadvantageoustocurrentsharinginparallelconnectionofdevices(Becauseifthecurrent↑,thentemperature↑,atlaston-resistance↗，thentheincreasementofcurrentislimited)37.ThebodydiodeofpowerMOSFETThebodydiodeEquivalentcircuit38.SwitchingcharacteristicsofpowerMOSFET

Turn-ontransient–Turn-ondelaytimetd(on)–RisetimetrTurn-offtransient–Turn-offdelaytimetd(off)–FallingtimetfTestcircuitb)Switchingcurvesup—脈沖信號源，Rs—信號源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負載電阻，RF—檢測漏極電流39.SwitchingcharacteristicsofpowerMOSFET

Turn-ontransient開通延遲時間td(on)——從Up前沿時刻到UGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段上升時間tr——UGS從UT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定；UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關；UGS達到UGSP后，在Up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。

開通時間ton——開通延遲時間td(on)與上升時間tr之和40.SwitchingcharacteristicsofpowerMOSFET

Turn-offtransient

關斷延遲時間td(off)——從Up下降到零起，柵源極輸入電容Cin通過Rs和RG放電，到UGS按指數(shù)曲線下降到UGSP，iD開始減小止的時間段下降時間tf——UGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消失，iD下降到零為止的時間段