電力電子技術(shù)2.1-2.2.ppt

第2章電力電子器件 2 1電力電子器件概述1電力電子器件的概念定義 電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的半導(dǎo)體器件稱為電力電子器件 能夠完成電能變換和控制的電路稱為電力電子電路 電真空器件 如汞弧整流器 半導(dǎo)體器件 主要采用半導(dǎo)體材料硅 本課程所涉及的器件都是指半導(dǎo)體電力電子器件 電力電子器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ) 熟悉和掌握電力電子器件的結(jié)構(gòu) 原理 特性和使用方法 是學(xué)好電力電子技術(shù)的基礎(chǔ) 從廣義上說(shuō) 電力電子器件可分為 2電力電子器件的基本模型與特征 1 基本模型在對(duì)電能的變換和控制過(guò)程中 電力電子器件可以抽象成如下圖所示的理想開(kāi)關(guān)的模型 它有三個(gè)電極 其中A和B代表開(kāi)關(guān)的兩個(gè)主電極 K是控制開(kāi)關(guān)通 斷的控制極 它只工作在 通態(tài) 和 斷態(tài) 兩種情況下 通態(tài)時(shí)其電阻為零 斷態(tài)時(shí)其電阻為無(wú)窮大 2 基本特征在通常情況下 電力電子器件具有如下特征 1 電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài) 用理想開(kāi)關(guān)模型來(lái)代替 導(dǎo)通時(shí) 通態(tài) 阻抗很小 接近于短路 管壓降接近于零 流過(guò)它的電流由外電路決定 阻斷時(shí) 斷態(tài) 阻抗很大 接近于斷路 流過(guò)它的電流幾乎為零 而管子兩端電壓由外電路決定 2 電力電子器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由外電路 驅(qū)動(dòng)電路 來(lái)控制 驅(qū)動(dòng)電路 指用來(lái)控制電力電子器件導(dǎo)通和關(guān)斷的電路 3 在實(shí)際應(yīng)用中 電力電子器件與理想開(kāi)關(guān)模型有較大的差別 即器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗 為保證不因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞 在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器 電力電子器件在工作時(shí)產(chǎn)生的功率損耗主要有以下三類 通態(tài)損耗 器件導(dǎo)通時(shí) 其電阻并不為零而使它有一定的通態(tài)壓降 形成通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 阻斷時(shí) 器件電阻并非無(wú)窮大 而使它有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò) 形成斷態(tài)損耗 開(kāi)關(guān)損耗 器件在開(kāi)通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)通功率損耗和關(guān)斷功率損耗 通常 斷態(tài)損耗很小 因而通態(tài)損耗成為器件功率損耗的主要原因 但當(dāng)器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí) 開(kāi)關(guān)損耗隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 3應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成從宏觀角度來(lái)說(shuō) 電力電子電路也稱為電力電子系統(tǒng) 是由控制電路 驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成的一個(gè)系統(tǒng) 如下圖所示 廣義上 人們往往將主電路以外的其他電路都?xì)w為控制電路 所以 也可以說(shuō) 電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的 1 主電路 進(jìn)行電能的變換和控制的電路 特點(diǎn) 電路中的電流和電壓一般都較大 2 控制電路 按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào) 通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或關(guān)斷 來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能 特點(diǎn) 電路中的電流和電壓較小 3 檢測(cè)電路 對(duì)主電路或應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè) 并轉(zhuǎn)換為控制電路所能接收的信息 4 驅(qū)動(dòng)電路 將控制電路傳遞的小功率信息 電壓 電流 轉(zhuǎn)換為可以被主電路所接收的信息 5 保護(hù)電路 用于保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽抗ぷ?因?yàn)橹麟娐分杏须妷汉碗娏鞯臎_擊 而電力電子器件一般比主電路中的普通器件昂貴 但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些 所以保護(hù)電路的存在是非常必要的 6 電氣隔離 將主電路和控制電路等進(jìn)行安全隔離 而通過(guò)光 磁等來(lái)傳遞信號(hào) 因?yàn)橹麟娐分须娏骱碗妷狠^大 而控制電路中的元器件只能承受較小的電壓和電流 因此在主電路和控制電路連接的路徑上需要進(jìn)行電氣隔離 例如 驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處 與控制信號(hào)的連接處 主電路與檢測(cè)電路的連接處 4電力電子器件的分類 1 按照器件的開(kāi)關(guān)控制特性分類 分為三類 不可控器件 器件本身沒(méi)有導(dǎo)通 關(guān)斷控制功能 而是需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通 關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件 如 電力二極管 半控型器件 通過(guò)控制信號(hào)只能控制其導(dǎo)通 不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱為半控型器件 如 晶閘管及其大部分派生器件 全控型器件 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷的器件 稱為全控型器件 如 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 GTO 功率晶體管GTR 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 等 2 按載流子類型分為三類 單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件 稱為單極型器件 如功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET 靜電感應(yīng)晶體管SIT等 雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件 稱為雙極型器件 如PN結(jié)整流管 普通晶閘管 電力晶體管等 混合型器件由單極型和雙極型兩種器件組成的復(fù)合型器件 稱為混合型器件 如IGBT MCT MOS控制晶閘管 等 3 按控制信號(hào)的性質(zhì)不同分類 分為兩類 電流控制型器件 采用電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)通或關(guān)斷控制 如 晶閘管 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管GTR IGCT 集成門(mén)極換流晶閘管 等 電流控制型器件的特點(diǎn)是 a在器件體內(nèi)有電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向阻斷時(shí) 兩種載流子在復(fù)合過(guò)程中產(chǎn)生熱量 使器件結(jié)溫升高 過(guò)高的結(jié)溫限制了工作頻率的提高 因此 電流控制型器件比電壓控制型器件的工作頻率低 b電流控制型器件具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 使其導(dǎo)通壓降很低 導(dǎo)通損耗較小 c電流控制型器件的控制極輸入阻抗低 控制電流和控制功率較大 電路也比較復(fù)雜 當(dāng)PN結(jié)上流過(guò)的正向電流較大時(shí) 注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子 空穴 濃度將很大 為了維持半導(dǎo)體的中性條件 其多子濃度也相應(yīng)大幅度增加 使得其電阻率明顯下降 也就是電導(dǎo)率大大增加 這就是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 電壓控制型器件 采用電壓控制 場(chǎng)控原理控制 其導(dǎo)通或關(guān)斷 其輸入端基本上不流過(guò)控制電流信號(hào) 用小功率信號(hào)就可驅(qū)動(dòng)其工作 如 MOSFET管 IGBT管等 電壓控制型器件的特點(diǎn)是 a輸入阻抗高 控制功率小 控制線路簡(jiǎn)單 b工作頻率高 c工作溫度高 抗輻射能力強(qiáng) 主要電力電子器件的特性及其具有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域 詳見(jiàn)下表 電力二極管1電力二極管及其工作原理 1 電力二極管概述電力二極管也稱為半導(dǎo)體整流器 SR 屬不可控電力電子器件 是20世紀(jì)最早 50年代 獲得應(yīng)用的電力電子器件 它在中 高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場(chǎng)合發(fā)揮著積極的作用 具有不可替代的地位 2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與工作原理 結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣 以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ) 由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線再加以封裝就構(gòu)成了電力二極管 從外形上看 主要有螺栓型和平板型兩種封裝 如下圖所示 PN結(jié)PN結(jié)是由N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成的 如下圖所示 PN結(jié)的形成 N型半導(dǎo)體中有大量的電子 多子 P型半導(dǎo)體中有大量的空穴 多子 在兩種半導(dǎo)體的交界處由于電子和空穴的濃度差別 形成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 其結(jié)果是在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的分界面兩側(cè)分別留下了帶正 負(fù)電荷的離子 這些不能移動(dòng)的正 負(fù)電荷稱為空間電荷 這個(gè)區(qū)域稱為空間電荷區(qū) 空間電荷建立的電場(chǎng)稱為內(nèi)電場(chǎng) 其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的 另一方面 內(nèi)電場(chǎng)又吸引對(duì)方區(qū)域中的少子向本區(qū)運(yùn)動(dòng) 即形成漂移運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是一對(duì)矛盾 最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 正 負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值 形成了一個(gè)穩(wěn)定的空間電荷區(qū) 這就是PN結(jié) PN結(jié)的三種工作狀態(tài) 即二極管的工作原理 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 當(dāng)給PN結(jié)外加正向電壓 P正N負(fù) 時(shí) 外電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反 外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng) 空間電荷區(qū)變窄 使多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng) 形成從P區(qū)流向N區(qū)的正向電流 此時(shí)PN結(jié)表現(xiàn)為低電阻 電力二極管電壓降只有1V左右 PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓 P負(fù)N正 時(shí) 外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相同 使內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng) 空間電荷區(qū)變寬 使得少子的漂移運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 形成從N區(qū)流向P區(qū)的反向電流 由于少子的濃度很小 只有極小的反向漏電流流過(guò)PN結(jié) PN結(jié)表現(xiàn)為高電阻 所以PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的反向擊穿 當(dāng)反向電壓增大到某一值 反向擊穿電壓 時(shí) 反向電流急劇增大 PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生雪崩擊穿 導(dǎo)致二極管損壞 PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)的電荷量隨外加電壓的變化而變化 呈現(xiàn)電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容CJ 又稱為微分電容 結(jié)電容按其產(chǎn)生的機(jī)制和作用的差別分為以下兩類 A 勢(shì)壘電容CB 它只在外加電壓變化時(shí)才起作用 外加電壓頻率越高 其作用越明顯 它的大小與PN結(jié)的截面積成正比 與阻擋層厚度成反比 B 擴(kuò)散電容CD 它僅在正向偏置時(shí)起作用 在正向偏置時(shí) 當(dāng)正向電壓較低時(shí) 勢(shì)壘電容為結(jié)電容的主要成份 正向電壓較高時(shí) 擴(kuò)散電容為結(jié)電容的主要成份 注意 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率 特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下 可使其單向?qū)щ娦宰儾?甚至不能工作 應(yīng)用時(shí)要注意 3 造成電力二極管與普通二極管的區(qū)別的一些因素 雖然電力二極管與普通二極管的結(jié)構(gòu) 工作原理基本一樣 但使用是不一樣的 造成這種區(qū)別的因素是 正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流 其電流密度較大 因而額外載流子的注入水平較高 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略 引線和焊接電阻的壓降等都不能忽略 承受的電流變化率di dt較大 因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響 為了提高反向耐壓 其摻雜濃度低也造成正向壓降較大 2電力二極管的特性主要是指其伏安特性和開(kāi)關(guān)特性 1 電力二極管的伏安特性 其伏安特性曲線如圖所示 IF 正向平均電流UF 對(duì)應(yīng)IF時(shí)的正向壓降UTO 門(mén)檻電壓 為0 6 0 7V以上IRR 反向漏電流UB 反向擊穿電壓 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到門(mén)檻電壓時(shí) 就有正向電流通過(guò) 正向電流隨外加正向電壓增大而迅速增加 二極管處于正向?qū)顟B(tài) 呈現(xiàn) 低阻態(tài) 此時(shí)管子兩端的正向電壓稱為管壓降 僅1V左右 當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí) 只有很小的反向漏電流流過(guò) 器件反向截止 呈現(xiàn) 高阻態(tài) 如果增加反向電壓 達(dá)到反向擊穿電壓時(shí) 反向電流急劇增大 管子反向擊穿 2 電力二極管的開(kāi)關(guān)特性 也稱動(dòng)態(tài)特性指電力二極管工作狀態(tài)在通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)的特性 1 關(guān)斷特性 關(guān)斷 電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)的過(guò)程 關(guān)斷過(guò)程中的電壓 電流波形如圖所示 關(guān)斷須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力 進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn) 并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖 由于外電路電感存在 當(dāng)原來(lái)處于正向?qū)ǖ碾娏ΧO管外加電壓在tF時(shí)刻突然從正向變?yōu)榉聪驎r(shí) 正向電流IF開(kāi)始下降 下降速率由反向電壓和電路中的電感決定 而管壓降由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)基本變化不大 到t0時(shí)刻正向電流降為零 此時(shí)器件并沒(méi)有恢復(fù)反向阻斷能力 而是在外加反向電壓作用下形成較大的反向電流 直到t1時(shí)刻反向電流IRP 由URP產(chǎn)生的 達(dá)到最大值后 才開(kāi)始恢復(fù)反向阻斷 反向恢復(fù)電流迅速減小 到了t2時(shí)刻 電流變化率接近于零 管子兩端的反向電壓才降到外加反向電壓UR 二極管完全恢復(fù)反向阻斷能力 原因 正向?qū)〞r(shí)在管子兩側(cè)儲(chǔ)存有大量少子 它們?cè)谕饧臃聪螂妷鹤饔孟卤怀槿〕龉茏?因而形成較大的反向電流 當(dāng)它們即將被抽盡時(shí) 管壓降變?yōu)樨?fù)極性 URP 是外電路中電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使器件承受的很高的反向電壓 從圖中可定義 延遲時(shí)間 td t1 t0下降時(shí)間 tf t2 t1反向恢復(fù)時(shí)間 trr td tf此時(shí)間就是關(guān)斷過(guò)程中 電流降到零時(shí)起到恢復(fù)反向阻斷能力時(shí)止的時(shí)間 恢復(fù)特性的軟度 也稱恢復(fù)系數(shù) 是下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值 Sr tf td Sr越大 則恢復(fù)特性越軟 就是反向電流下降時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng) 則在同樣條件下造成的反向電壓過(guò)沖較小 2 開(kāi)通特性 開(kāi)通 電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)的過(guò)程 開(kāi)通過(guò)程中的電壓 電流波形如圖所示 二極管在開(kāi)通過(guò)程中 其正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP 幾伏 幾十伏 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才接近穩(wěn)態(tài)值UF 1 2V 這段時(shí)間稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr 其原因 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子 在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大 正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降 電流上升率越大 UFP越高 3電力二極管的主要參數(shù) 1 額定正向平均電流IF AV 指器件長(zhǎng)期運(yùn)行在規(guī)定管殼溫度和散熱條件下允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值 設(shè)正弦半波電流的峰值為Im 則額定電流 平均電流 IF AV 為 額定電流有效值IF為 均方根 定義 波形系數(shù) 某電流波形的有效值與平均值之比稱為這個(gè)電流的波形系數(shù) 根據(jù)此定義可求出正弦半波電流的波形系數(shù)為 這說(shuō)明 額定電流IF AV 100A的電力二極管 其額定電流有效值為IF 157A 注意 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的 因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取器件的額定電流 并應(yīng)留有1 5 2倍的裕量 當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí) 開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí) 其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不能忽略 2 正向壓降UF 指規(guī)定條件下 流過(guò)穩(wěn)定的額定電流時(shí) 器件兩端的正向平均電壓 又稱管壓降 3 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓 此電壓通常是擊穿電壓UB的2 3 使用時(shí) 往往按照電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的2倍來(lái)選定 4 反向漏電流IRR 指器件對(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時(shí)的反向電流 5 最高工作結(jié)溫TJM 指器件中PN結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度 它通常在125 175 范圍內(nèi) 其他參數(shù)詳見(jiàn)有關(guān)參考文獻(xiàn) 常用電力二極管的主要性能參數(shù)詳見(jiàn)有關(guān)手冊(cè) 4電力二極管的主要類型電力二極管的應(yīng)用范圍廣 種類也很多 主要有以下幾種類型 1 普通二極管 又稱整流二極管 應(yīng)用 多用于開(kāi)關(guān)頻率在1kHZ以下的整流電路中 主要特性 其反向恢復(fù)時(shí)間在5 s以上 這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)不重要 正向額定電流可達(dá)數(shù)千安 反向額定電壓可達(dá)數(shù)千伏以上 2 快恢復(fù)二極管 反向恢復(fù)時(shí)間在5 S以下的稱為快恢復(fù)二極管 快速恢復(fù)二極管 反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒以上 超快速恢復(fù)二極管 反向恢復(fù)時(shí)間在100nS以下 其容量可達(dá)1200V 200A的水平 應(yīng)用 多用于高頻整流和逆變電路中 3 肖特基二極管 是一種金屬同半導(dǎo)體相接觸形成整流特性的單極型器件 主要特性 導(dǎo)通壓降為0 4 0 6V反向恢復(fù)時(shí)間短 為幾十納秒反向耐壓在200V以下反向漏電流較大 對(duì)溫度敏感 反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略 應(yīng)用 常被用于高頻低壓開(kāi)關(guān)電路或高頻低壓整流電路中 它分為 2 2半控型器件 晶閘管SCR1晶閘管的結(jié)構(gòu)及其工作原理 1 晶閘管概述晶閘管包括 普通晶閘管 快速晶閘管 雙向晶閘管 逆導(dǎo)晶閘管 可關(guān)斷晶閘管和光控晶閘管等 但因?yàn)槠胀ňчl管問(wèn)世早 應(yīng)用極為廣泛 所以在無(wú)特殊說(shuō)明的情況下 本課程所說(shuō)的晶閘管都為普通晶閘管 普通晶閘管 也稱可控硅整流管 晶體閘流管 1957年問(wèn)世 之后開(kāi)始研制生產(chǎn) 由于它電流容量大 4500A 電壓耐量高 8000V 以及開(kāi)通的可控性 已被廣泛應(yīng)用于相控整流 逆變 交流調(diào)壓 直流變換等領(lǐng)域 成為特大功率低頻 200HZ以下 裝置中的主要器件 2 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管的外形與封裝形式 如圖所示 其封裝形式分為 小電流塑封式 a 圖小電流螺旋式 b 圖大電流螺旋式 c 圖大電流平板式 d 圖所謂大電流 指額定電流在200A以上的 晶閘管有三個(gè)電極 A 陽(yáng)極 K 陰極G 門(mén)極或稱柵極 晶閘管的電氣圖形符號(hào) 如圖所示 晶閘管是大功率器件 工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱 因此必須安裝散熱器 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 普通晶閘管由四層半導(dǎo)體 P1 N1 P2 N2 組成 形成三個(gè)PN結(jié) 并分別從P1 P2 N2引出A G K三個(gè)電極 如圖所示 如果正向電壓 A正K負(fù) 加到器件上 則J1 J3正偏 J2反偏 則A K之間處于阻斷狀態(tài) 只能流過(guò)很小的漏電流 稱為正向阻斷狀態(tài) 如果反向電壓加到器件上 則J1 J3反偏 也阻斷 僅有很小的漏電流通過(guò) 稱為反向阻斷狀態(tài) 3 晶閘管的工作原理從晶閘管的結(jié)構(gòu)可知 普通晶閘管可以等效成由兩個(gè)晶體管T1 P1N1P2 和T2 N1P2N2 組成的等效電路 如圖所示 導(dǎo)通 當(dāng)器件陽(yáng)極和陰極間加正向電壓時(shí) 若無(wú)門(mén)極電流 晶閘管將處于關(guān)斷狀態(tài) 若給門(mén)極G也加正向電壓Ug 即向門(mén)極注入電流Ig 稱為驅(qū)動(dòng)電流 Ig進(jìn)入T2的基極 經(jīng)放大后成為集電極電流IC2 IC2又是T1的基極電流 而放大后的集電極電流IC1進(jìn)一步使Ig增大且又作為T(mén)2的基極電流流入T2 如此形成強(qiáng)烈的正反饋 T1和T2都快速進(jìn)入飽和狀態(tài) 使晶閘管陽(yáng)極和陰極之間導(dǎo)通 此時(shí)若撤除門(mén)極電流Ig Ug 由于T1 T2已形成了強(qiáng)烈的正反饋 使電流維持原來(lái)的方向 只要滿足陽(yáng)極正偏的條件 晶閘管就一直導(dǎo)通 關(guān)斷 晶閘管導(dǎo)通后 即使撤除門(mén)極電流 也不能使其關(guān)斷 若要關(guān)斷晶閘管 必須去掉陽(yáng)極電壓 或者給陽(yáng)極施加反壓 或者設(shè)法使陽(yáng)極電流減小到維持電流以下 導(dǎo)致正反饋無(wú)法維持 晶閘管才能關(guān)斷 若給器件加反向電壓 無(wú)論有無(wú)門(mén)極電流 都不能使其導(dǎo)通 結(jié)論 晶閘管導(dǎo)通的條件 正向陽(yáng)極電壓和正向門(mén)極電壓同時(shí)存在 晶閘管關(guān)斷的條件 陽(yáng)極加反向電壓或?yàn)? 或陽(yáng)極電流小于維持電流 由上可知 晶閘管也有單向?qū)щ娦?但與二極管的單向?qū)щ娦圆煌?當(dāng)門(mén)極無(wú)正向電壓時(shí) 盡管陽(yáng)極已加上正向電壓 晶閘管仍處于關(guān)斷狀態(tài) 在門(mén)極電壓的控制 觸發(fā) 下 晶閘管立即導(dǎo)通 門(mén)極的這種控制作用稱為閘流特性 也稱為晶閘管的可控單向?qū)щ娦?門(mén)極電壓只能觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通 不能控制其關(guān)斷 所以它是半控型電力電子器件 總結(jié)以上得出晶閘管的特點(diǎn) 具有單向?qū)щ娦?屬半控型半導(dǎo)體電力電子器件 屬電流控制器件 注意 晶閘管在下列情況下也可能被觸發(fā)導(dǎo)通 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽(yáng)極電壓上升率du dt過(guò)高 結(jié)溫過(guò)高 上述三種觸發(fā)方式不易控制而難于應(yīng)用于實(shí)踐 光直接照射硅片 即光觸發(fā) 光觸發(fā)的晶閘管稱為光控晶閘管 它可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣 所以主要用于高壓電力設(shè)備中 所以 只有門(mén)極觸發(fā)是最精確 迅速而可靠的控制手段 2晶閘管的特性 1 靜態(tài)特性SCR承受反壓時(shí) 無(wú)論有無(wú)門(mén)極電流 都不會(huì)導(dǎo)通 承受正向電壓時(shí) 僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下才能導(dǎo)通 但導(dǎo)通后門(mén)極就失去控制作用 要使其關(guān)斷 只能使晶閘管的電流降到維持電流以下 2 晶閘管的伏安特性定義 晶閘管陽(yáng)極與陰極之間的電壓Ua與陽(yáng)極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性 如圖所示 UDRM URRM 正 反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDSM URSM 正 反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UBO 正向轉(zhuǎn)折電壓URO 反向擊穿電壓IH 維持電流 晶閘管伏安特性 正向伏安特性 A Ig 0時(shí) 逐漸增大陽(yáng)極電壓Ua 只有很小的正向漏電流 則晶閘管處于正向阻斷 隨著陽(yáng)極電壓的增加 當(dāng)達(dá)到臨界值即正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí) 漏電流突然劇增 晶閘管由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài) 這種導(dǎo)通方式稱為 硬開(kāi)通 多次 硬開(kāi)通 使其損壞 所以通常不允許 B 隨著門(mén)極電流的增大 晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓迅速下降 當(dāng)Ig足夠大時(shí) UBO很小 加上正向陽(yáng)極電壓 即可導(dǎo)通 正向阻斷時(shí) 晶閘管的伏安特性是一組隨門(mén)極電流的增加而不同的曲線簇 C 晶閘管導(dǎo)通后的伏安特性與二極管的正向特性相似 D 晶閘管本身的壓降 稱為通態(tài)壓降 很小 在1V左右 E 導(dǎo)通后要使其恢復(fù)阻斷 只有減小陽(yáng)極電流Ia 當(dāng)它下降到維持電流IH以下時(shí) 晶閘管便由正向?qū)ㄗ優(yōu)檎蜃钄?反向伏安特性 A 晶閘管的反向特性與二極管的反向特性相似 B 當(dāng)其承受反向陽(yáng)極電壓時(shí) 總是處于阻斷狀態(tài) 只有很小的反向漏電流通過(guò) C 當(dāng)反向電壓增加到一定時(shí)值時(shí) 反向漏電流增加較快 再繼續(xù)增大反向陽(yáng)極電壓 會(huì)導(dǎo)致晶閘管反向擊穿 由上可知 晶閘管就像一個(gè)可以控制的單向無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān) 但這個(gè)開(kāi)關(guān)并不是理想的 在阻斷時(shí)其電阻并不是無(wú)窮大 而是有很小的漏電流 導(dǎo)通時(shí)電阻也不為零 還有一定的管壓降 晶閘管的門(mén)極特性由晶閘管的結(jié)構(gòu)可以看出 門(mén)極和陰極之間有一個(gè)PN結(jié)J3 其伏安特性稱為門(mén)極伏安特性 其特性應(yīng)與一般的二極管特性類似 但為了提高晶閘管耐受di dt能力 對(duì)門(mén)極區(qū)域進(jìn)行了特殊處理 所以其特性比一般PN結(jié)特性稍差一些 而且分散性很大 為了應(yīng)用上的方便 常用一個(gè)由一條典型極限低阻門(mén)極伏安特性和一條極限高阻門(mén)極伏安特性圍成的區(qū)域來(lái)表示某類型號(hào)所有器件的門(mén)極伏安特性 稱為門(mén)極伏安特性區(qū)域 如圖所示為某一型號(hào)晶閘管的伏安特性 確保觸發(fā) Ig IGT Ug UGT加反壓 10 防止誤觸發(fā) 門(mén)極峰值功率 門(mén)極正向峰電壓 門(mén)極平均功率 門(mén)極正向峰電流 該門(mén)極伏安特性被劃分為三個(gè)區(qū)域 一個(gè)是不觸發(fā)區(qū) 一個(gè)是不可靠觸發(fā)區(qū) 一個(gè)是可靠觸發(fā)區(qū) 不觸發(fā)區(qū)是為了使晶閘管具有一定的抗干擾能力 避免很小的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流就能使晶閘管導(dǎo)通 而對(duì)廠商所做的一種限制 即 其出廠的產(chǎn)品 當(dāng)門(mén)極所加信號(hào)在此范圍內(nèi)時(shí) 不應(yīng)使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通 不可靠觸發(fā)區(qū)是規(guī)定生產(chǎn)廠商出廠器件的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流值應(yīng)處于該區(qū)域 而觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)信號(hào)值若在此范圍時(shí) 該批晶閘管不會(huì)全部都被觸發(fā)導(dǎo)通 可靠觸發(fā)區(qū)則是為了保證晶閘管可靠安全的觸發(fā) 門(mén)極觸發(fā)電路應(yīng)提供的觸發(fā)電壓 觸發(fā)電流和功率及應(yīng)受到限制的區(qū)域 當(dāng)器件結(jié)溫升高時(shí) 由于正向阻斷能力降低 所需門(mén)極電壓和電流也隨之減小 3 晶閘管的開(kāi)關(guān)特性 也稱動(dòng)態(tài)特性 指晶閘管的通態(tài)和斷態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中電壓和電流的變化情況 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷并不是瞬時(shí)完成的 需要一定的時(shí)間 即存在瞬態(tài)過(guò)程 當(dāng)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷頻率較高時(shí) 就必須考慮這種時(shí)間的影響 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中電壓和電流波形如圖所示 開(kāi)通過(guò)程 當(dāng)晶閘管A K之間正偏且門(mén)極獲得觸發(fā)信號(hào)后 由于管子內(nèi)部正反饋的建立需要時(shí)間 陽(yáng)極電流不會(huì)馬上增大 而要延遲一段時(shí)間 規(guī)定 延遲時(shí)間td 從晶閘管的門(mén)極獲得觸發(fā)信號(hào)時(shí)刻開(kāi)始 到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10 的時(shí)間稱為延遲時(shí)間 同時(shí)晶閘管的正向壓降略有下降 上升時(shí)間tr 陽(yáng)極電流從10 上升到穩(wěn)態(tài)值的90 所需的時(shí)間稱為上升時(shí)間 同時(shí)壓降迅速下降開(kāi)通時(shí)間tgt 就是以上兩者之和 tgt td tr 經(jīng)過(guò)開(kāi)通時(shí)間后 晶閘管才會(huì)從斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài) 開(kāi)通后A K間電壓變?yōu)?V左右 普通晶閘管的延遲時(shí)間為0 5 1 5 S 上升時(shí)間為0 5 3 S 開(kāi)通時(shí)間約為6 S 開(kāi)通時(shí)間與觸發(fā)脈沖的大小 陡度 結(jié)溫以及主回路中的電感量等因素有關(guān) 為保證可靠觸發(fā) 對(duì)觸發(fā)脈沖的要求 實(shí)際觸發(fā)電流比規(guī)定觸發(fā)電流大3 5倍 采用前沿陡的窄脈沖 觸發(fā)脈沖的寬度要稍大于開(kāi)通時(shí)間 關(guān)斷過(guò)程 晶閘管導(dǎo)通后 為了關(guān)斷晶閘管 必須使陽(yáng)極電壓為零或加反向電壓 使陽(yáng)極電流減小 但由于外電路電感的存在 陽(yáng)極電流的下降是有過(guò)渡過(guò)程的 當(dāng)陽(yáng)極電流剛好下降到零時(shí) 若重新加上正向電壓 晶閘管仍會(huì)不經(jīng)觸發(fā)而立即導(dǎo)通 只有再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間 才能完全恢復(fù)正向阻斷能力 晶閘管的關(guān)斷過(guò)程與二極管的關(guān)斷過(guò)程相似 在陽(yáng)極電流下降到零后 在反方向會(huì)流過(guò)反向恢復(fù)電流 經(jīng)過(guò)最大值IRM后 再反方向衰減 同樣在恢復(fù)電流快速衰減時(shí) 由于外電路電感的作用 會(huì)在晶閘管兩端引起反方向的尖峰電壓URRM 當(dāng)反向恢復(fù)電流衰減至接近于零時(shí) 晶閘管恢復(fù)其對(duì)反向電壓的阻斷能力 反向恢復(fù)電流產(chǎn)生的原因 由于在SCR正向?qū)〞r(shí) 在其內(nèi)部的J1 J3結(jié)附近積累了大量的少數(shù)載流子 它們?cè)诜聪螂妷旱淖饔孟卤怀槿〕鼍чl管 從而形成反向恢復(fù)電流 規(guī)定 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 指正向電流降為零 到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間長(zhǎng)度為反向阻斷恢復(fù)時(shí)間 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 從反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束到恢復(fù)正向阻斷所需的時(shí)間 這段時(shí)間是載流子復(fù)合所需的時(shí)間 在此時(shí)間內(nèi) 如果重新對(duì)晶閘管加正向電壓 它會(huì)重新正向?qū)?實(shí)際應(yīng)用中 應(yīng)對(duì)其加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓 使其充分恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力 電路才能可靠工作 晶閘管關(guān)斷時(shí)間toff 就是上述二者之和 即toff trr tgr晶閘管的關(guān)斷時(shí)間與元件結(jié)溫 關(guān)斷前陽(yáng)極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān) 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約為幾十到幾百微秒 3晶閘管的主要參數(shù)為了正確使用晶閘管 必須掌握晶閘管的主要參數(shù) 1 晶閘管的額定電壓UTe 1 正向阻斷不重復(fù)峰值電壓UDSM 指門(mén)極開(kāi)路 晶閘管額定結(jié)溫時(shí) 其陽(yáng)極電壓上升到正向轉(zhuǎn)折電壓之前 即管子正向漏電流開(kāi)始急劇增大 伏安特性曲線急劇轉(zhuǎn)彎處所對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電壓 此電壓不可連續(xù)施加 2 反向不重復(fù)峰值電壓URSM 指門(mén)極開(kāi)路 晶閘管承受反向電壓時(shí) 對(duì)應(yīng)反向漏電流開(kāi)始急劇增大的電壓值 3 正向阻斷重復(fù)峰值電壓UDRM 指對(duì)應(yīng)于UDSM90 的電壓 此電壓可重復(fù)施加 其重復(fù)頻率為50HZ 每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms 4 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)應(yīng)于URSM90 的電壓 通常取UDRM和URRM中的最小值作為晶閘管的額定電壓 并按標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)來(lái)選取 選用時(shí) 額定電壓要留有一定的裕量 一般取額定電壓為正常工作時(shí)峰值電壓的2 3倍 2 晶閘管的額定通態(tài)平均電流IT AV 及額定電流 重點(diǎn) 在環(huán)境溫度為40 和規(guī)定冷卻條件下 晶閘管工作在電阻性負(fù)載下且穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大單相工頻正弦半波電流的平均值 稱為額定通態(tài)平均電流 將此電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取為相應(yīng)的整數(shù)值電流等級(jí) 就稱為晶閘管的額定電流 晶閘管的標(biāo)準(zhǔn)電流系列可查相關(guān)手冊(cè) 在選用晶閘管的額定電流時(shí) 應(yīng)根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以1 5 2的安全系數(shù) 使其有一定的電流裕量 選用原則 按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則 IT AV 的計(jì)算方法 根據(jù)額定電流的定義可知 額定通態(tài)平均電流是指通以單相工頻正弦電流時(shí)的允許最大平均電流 設(shè)該正弦電流的峰值為Im 則額定電流 平均電流 為 額定電流有效值為 正弦半波電流的波形系數(shù)為 這說(shuō)明 額定電流IT AV 100A的晶閘管 其額定電流有效值為IT 157A 即允許通過(guò)的電流有效值為157A 不同的電流波形有不同的平均值與有效值 其波形系數(shù)也不同 例流經(jīng)晶閘管的電流波形如圖所示 試計(jì)算該電流波形的平均值 有效值及波形系數(shù) 若取安全裕量為2 問(wèn)額定電流為100A的晶閘管 其允許通過(guò)的電流平均值和最大值是多少 解電流平均值為 電流有效值為 波形系數(shù)為 額定電流為100A的晶閘管允許通過(guò)的電流平均值為 說(shuō)明 具有相同平均值而波形不同的電流 因波形系數(shù)不同而具有不同的有效值 流經(jīng)同一個(gè)晶閘管時(shí)發(fā)熱也不相同 因而不能按電流的平均值選擇晶閘管 而晶閘管的額定電流卻是用正弦半波電流的平均值來(lái)定義的 所以 非正弦半波電流選擇晶閘管額定電流時(shí)需要折算 根據(jù)有效值相等發(fā)熱相同的原理 可以將非正弦半波電流平均值折算成等效的正弦半波電流的平均值 即1 57IT AV Kf1IT AV 1電流最大值 若考慮安全裕量 則 3 維持電流IH和擎住電流IL 在規(guī)定室溫下門(mén)極斷