快速关断，反向恢复电荷减至最小，就需要 短的载流子寿命。减少载流子寿命主要靠扩 散金属杂质和高能辐照实现。
晶闸管管芯高压结构设计
表面耗尽层会增大，减弱了表面的峰值电场，使器件的 击穿电压能接近平面结。 最优的正斜角角度在30°～60 °之间。
A P1 N1 G P2 N2 K G
A P N P N G P N
iA 100% 90%
10% 0 td uAK
tr IRM
t
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
O
t
trr
URRM t gr
晶闸管的开通和关断过程波形
晶闸管的主要参数
1）电压定额
断态重复峰值电压UDRM
其中：VT 0
：器件门槛电压，单位为伏（V）；
IT ( AV ) ：通态平均电流，单位为安（A）； ITrsm ：通态有效值电流，单位为安（A）； f rT ：波形系数； ：器件的斜率电阻，单位为欧姆
f2 =
π (2θ − sin 2θ ) ， 2 2(1 − cos θ )
θ 为导通角
开关损耗、通态损耗 对于正弦半波电流，电流有效值I＝1.57Id ＝1.57IT（AV）
式中α1和α2分别是晶体管V1和V2的 共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分 别是V1和V2的共基极漏电流 G + I CBO1 + I CBO2
1 − (α 1 + α 2 )
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
晶闸管元件的基本工作原理
晶闸管元件的基本工作原理
其他几种可能导通的情况： 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 光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高 压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor— —LTT）。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
雪崩 击穿
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
I = f (U )曲线
正向平均电流
I IF + _
IG2 > IG1 > IG0 IG2 IG1 IG0 UU UFRM UBO U
维持电流
UBR URRM
IH
O
反向转折电压
_ +
反向特性
正向转折电压
正向特性
晶闸管的基本特性
（2）反向特性 反向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。
UA URSMURRM IH O IG2 IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM IA 正向 导通
雪崩 击穿
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
-IA
晶闸管的基本特性
2） 动态特性 1) 开通过程
延迟时间td (0.5~1.5μs) 上升时间tr (0.5~3μs) 开通时间 tgt 以上两者之和， tgt=td+ tr
晶闸管结的结构与性能
硅片的厚度：阻 断电压高的较 厚，带来的不利 影响是损耗的增 加和浪涌能力的 降低。
晶闸管的门极工艺
P极的掺杂 浓度对门极 的触发敏感 性影响很大 要求门极敏感 性高，往往 dv/dt较低， 同时关断时间 tq较大。
载流子寿命控制－电子辐照
载流子寿命是一个对双极功 率器件所有重要参数都有影 响的参数。为了将通态损耗 保持在可接受的低水平，希 望有一个长的载流子寿命。
一般手册中给定的Qrr值, 是在最 高结温情况下，VR = 0.5VRRM 和 VRM = 0.8VRRM时给定的。 Qrr对选择R-C吸收回路非常关 键。
晶闸管的主要参数
结壳热阻Rjc
一般手册中给出单面阳极、阴 极及双面冷却直流热阻值。
Tcmax= Tjmax - PRthJC
最高工作结温TJM
在低发射极电流下α 是很小的，而当发射极电流建立 起来之后，α 迅速增大。 阻断状态：IG=0，α1+α2很小。流过晶闸管的漏电流稍 大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大 以致 α 1+α2 趋近于 1 的话，流过晶闸管的电流 IA ，将趋 近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
晶闸管相关知识介绍
讲解内容提纲
• • • • • • • • • 1.元件的基本结构和制造工艺 2.晶闸管元件的基本工作原理 3.晶闸管相关参数介绍及功率损耗 4.晶闸管的触发 5.晶闸管的保护 6.晶闸管的串并联应用 7.各类晶闸管及其应用 8.晶闸管可靠工作条件 9.晶闸管在实际工程中应用注意事项
——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。
反向恢复电荷Qrr
定义在反向恢复电流基础上，一 般给出最大、最小值。在元件串 联应用时，可以要求厂家给出具 体测试值，恢复电荷值小的最先 关断。
Qrr会随着结温的增加而 增加，会随通态电流的下 降时间和大小增加而增 加。
元件的基本结构
双面压接型晶闸管结构：陶瓷 外壳、阴阳极盘、硅片、硅片 保护树脂（聚酰亚胺）、门极 引线等
晶闸管内部结构组成
晶闸管制造工艺流程简介
1.高纯度单晶硅的制备（此时载流子寿命可长达1ms） 2.硅片的制备（切割、研磨、抛光、漂洗） 3.热氧化（SiO2 起到将半导体层隔离开的作用） 4.光刻（电特性，不同材料层上做出几何图形） 5.刻蚀工艺（去除各种材料层） 6.杂质引入及再分布、扩散、离子注入 7.接触的制备（传导电流和热，钼片钨片结合；合金烧接） 8.载流子寿命控制－电子辐照技术 9.高压结构
晶闸管触发
左图为一个简单光电隔离驱动器 • 光电隔离器由发光二极管LED和光 控晶闸管LAT组成 • 光电耦合隔离较变压器隔离电磁 干扰小，但光控晶闸管LAT必须能 承受电路高压 • 高压电力系统直流输电所用的高 压大功率SCR触发器大都采用光纤 电缆传送驱动信号
晶闸管的电压和电流保护
1.过压保护
（1）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，为 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。
IA 正向 导通
UA
URSMURRM
IH O
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
擎住电流 IL
浪涌电流ITSM
一般手册中给出正弦半波10ms 不重复浪涌电流值。在确定极限值时,要 将许多器件测试到损坏,然后选出一个浪涌电流值,使器件在承受该浪涌试 验时还有足够的裕度。 试验时采用样本规定的最高允许结温为初始温度, 在正向浪涌电流后,紧接着在后半周施加80% VRRM。如果保护措施能确 保浪涌电流后无反压,则允许浪涌电流超过15%。
浪涌电流、过载电流和重
复峰值电流关系示意图
晶闸管的主要参数
3）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
任何高于重复峰值电压VRRM或VDRM的电压都视为过压。任 何显著的反向电流都会引起很大的功耗，导致器件产生局部温 升，造成热奔失效。通常采用的辅助电路型式有：阻容吸收回 路、压敏电阻器（如MOV等）或雪崩半导体器件（如BOD等）
晶闸管的触发
典型门极触发电压电流波形 门极电压低驱动弱导致门极电流变形
中度
严重
Gate-trigger current
一大功率元件 手册中对门极 驱动的要求
晶闸管可靠触发对门极触发源要求
1 一般要求
鉴于晶闸管的门极触发脉冲特性对晶闸管开通过程的影响。好的触发 脉冲可以使器件的开通时间缩短、开通损耗减小、器件耐受di/dt的能 力增强。应用中应采用强触发方式： 触发脉冲电流幅值：IG =10IGT； 脉冲上升时间：tr≤1μs； 门极脉冲宽度大于10μs； 为了保证器件可靠工作，IG必须远大于IGT。
—— 在门极断路而结温为额定值时，允 许重复加在器件上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
—— 在门极断路而结温为额定值时，允 许重复加在器件上的反向峰值电压。
使用注意： 通常取晶闸管的 UDRM和URRM中较小 的标值作为该器件 的额定电压。 选用时，一般取额 定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰 值电压2~3倍。
+ IA
P1 P2
A N1
T1 P2 N2
N1 T2
IG
IK _K
K 晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合
晶闸管元件的基本工作原理
按晶体管的工作原理 ，得：
I c 1 = α 1 I A + I CBO
I c 2 = α 2 I K + I CBO
1
2
IK = I A + IG
I A = I c1 + I c 2
通态（峰值）电压UT
—— 晶闸管通以某一规定倍数的额定通 态平均电流时的瞬态峰值电压。
2）电流定额
晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV）
——在环境温度为40°C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。