2.3.4 晶闸管的派生器件
1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST)
有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒， 高频晶闸管10s左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
部分课后习题解答
解:c)
Id3
1 2


2 0
1 Im d (t ) Im 4
1 Im d (t ) Im 2
2
1 I3 2


2 0
部分课后习题解答
5、上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶 闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多 少?这时,相应的电流最大值Im1,Im2,Im3各为 多少? 解:额定电流IT(AV)=100A的晶闸管,允许的 电流有效值IT=157A,由上题计算结果知
U
a)
b)
不用平均值而用有效值 来表示其额定电流值。
图2-10 双向晶闸管的电气 图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.3.4 晶闸管的派生器件
3) 逆 导 晶 闸 管 （ Reverse Conducting Thyristor——RCT） I
将晶闸管反并联一 个二极管制作在同 一管芯上的功率集 成器件。 具有正向压降小、 关断时间短、高温 特性好、额定结温 高等优点。
高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。
一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。 每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸 管 开 通 的 MOSFET ， 和 一 个 控 制 该 晶 闸 管 关 断 的 MOSFET。 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未 达到预期的数值，未能投入实际应用。
2.5.2 静电感应晶体管SIT
SIT（Static Induction Transistor）——结型场效 应晶体管
多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚 至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。
在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高 频感应加热等领域获得应用。
缺点：
习题
d
部分课后习题解答
4、图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形， 各波形的电流最大值均为Im , 试计算各波形的电流平均值 Id1,Id2,Id3与电流有效值I1，I2，I3。
部分课后习题解答
解:a)
1 I d1 2

Im 2 4 Imsin(t ) 2 ( 2 1) 0.2717Im
习题
习题
习题
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ题
• 2.11某晶闸管型号规格为KP200-8D，试 问型号规格代表什么意义? • 解：KP代表普通型晶闸管，200代表其 晶闸管的额定电流为200A，8代表晶闸管 的正反向峰值电压为800V，D代表通态 平均压降为 0.6V UT 0.7V 。
习题
• 2.12如图题2.12所示，试画出负载Rd上 的电压波形(不考虑管子的导通压降)。
习题
• 2.8型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸 管，使用在图题2.8所示电路中是否合理，为什 么?(暂不考虑电压电流裕量)
•
•
图题2.8
习题
答：（a）因为 I A 所以不合理。 (b) 因为
100V 2mA I H 50 K
IA
200V 20 A 10
,
习题
• 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。
2.3.4 晶闸管的派生器件
2）双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC 或Bidirectional triode thyristor）
可认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2， 一个门极G。 在第Ｉ和第III象限有对 称的伏安特性。
G I T1
IG = 0 O T2
2.5. 6 功率模块与功率集成电路
发展现状
功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问
题以及温升和散热的处理。 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几 年获得了迅速发展。
功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化
的理想接口。
本章小结
■电力电子器件的现状和发展趋势 ◆20世纪90年代中期以来，逐渐形成了小功率
（10kW以下）场合以电力MOSFET为主，中、大 功率场合以IGBT为主的压倒性局面，在10MVA以 上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关 断能力，那么晶闸管仍然是目前的首选器件 。 ◆电力MOSFET和IGBT中的技术创新仍然在继 续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用 领域 。 ◆宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于 硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料 。
2.5.6 功率模块与功率集成电路
实际应用电路
高压集成电路（High Voltage IC——HVIC）一般指横 向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power IC——SPIC）一般 指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM） 则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。
——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。 可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取 代GTO在大功率场合的位置。
2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
2.5.6 功率模块与功率集成电路
基本概念
20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件 封装在一个模块中，称为功率模块。 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简 化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等 信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路 （Power Integrated Circuit——PIC）。
本章小结
主要内容
全面介绍各种主要电 力电子器件的基本结 构、工作原理、基本 特性和主要参数等。
电力电子器件类型归纳 单极型：电力MOSFET 和SIT 双极型：电力二极管、 晶闸管、GTO、GTR和 SITH
复合型：IGBT和MCT
图 电力电子器件分类“树”
本章小结
电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双 极型器件中的SITH
A 强 G K O U AK 光强度 弱
a)
b)
图2-12 光控晶闸管的电气 图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.5.1 MOS控制晶闸管MCT
MCT（MOS Controlled Thyristor）——MOSFET 与晶闸管的复合
MCT结合了二者的优点：
承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。
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， 电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。
2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT
IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）
KP100的电流额定值为100Ａ，裕量达５倍，太大了。 （c）因为
150V IA 150 A 1
大于额定值，所以不合理。
习题
• 2.9 图题2.9中实线部分表示流过晶闸管的 电流波形，其最大值均为Im，试计算各 图的电流平均值．电流有效值和波形系 数。如不考虑安全裕量，问额定电流 100A的晶闸管允许流过的平均电流分别 是多少?
答：晶闸管的关断条件是：只需将流过晶闸管的电流减小到 其维持电流以下 阳极电压反向 减小阳极电压 增大回路阻抗 其两端电压大小由电源电压UA决定。
习题
• 2.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？ ◆阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 ◆阳极电压上升率du/dt过高 ◆结温较高 • 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t q t rr t gr。
■硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV），而宽禁带半导体 材料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材 料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等 材料。 ■基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将 具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态 电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和 射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。 ■宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造 以及随后的半导体制造工艺的困难。
G K O IG = 0 U
A
a)
b)
图2-11 逆导晶闸管的电气 图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.3.4 晶闸管的派生器件