電力電子器件第2講課件

1、電力電子器件第2講課件 (1-1) 1.3 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管 0 0 引言引言 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。 1957 1958年商業(yè)化。 開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被全控型器件取代。 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量 的場(chǎng)合具有重要地位。 晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled RectifierSCR） 電力電子器件第2講課件 (1-2) 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) 1 1 晶閘管的結(jié)構(gòu)

2、晶閘管的結(jié)構(gòu) 外形有螺栓型和平板型兩種封裝。 有三個(gè)連接端。 螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且 安裝方便。 平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。 A A G G K K b )c )a ) A G K K G A P 1 N 1 P 2 N 2 J 1 J 2 J 3 晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。 電力電子器件第2講課件 (1-3) 1 1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) 小電流塑封式小電流塑封式 小電流螺旋式小電流螺旋式 大電流螺旋式大電流螺旋式 大電流平板式大電流平板式 圖形符號(hào)圖形符號(hào) 電力電子器件第2講課件 (1-4) 常用晶閘管的結(jié)構(gòu)

3、 螺栓型晶閘管晶閘管模塊 平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu) 電力電子器件第2講課件 電力電子器件第2講課件 (1-6) 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 門(mén)極開(kāi)路，給晶閘管加正向電 壓，J2承受反向電壓，器件AK兩 端處于阻斷狀態(tài)。 當(dāng)給晶閘管加反向電壓 時(shí)，J1、J3反偏，晶閘管也 不能導(dǎo)通。 晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以 用雙晶體管模型來(lái)解釋?zhuān)?S閉合前， IG=0 Ib2=0 Ic2=0 Ic1=0，晶閘管處于阻 斷狀態(tài)。 S閉合，外電路向門(mén)極注入電 流IG，形成強(qiáng)烈的正反饋，使 晶閘管導(dǎo)通。 導(dǎo)通后如果撤掉門(mén)極電流IG， 晶閘管由于內(nèi)部已形成強(qiáng)烈 的正反饋，會(huì)繼續(xù)

4、維持其導(dǎo) 通狀態(tài)。 2 2 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 IGIB2IC2(IB1)IC1 電力電子器件第2講課件 欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件： 應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上正向電壓。 應(yīng)在晶閘管的門(mén)極與陰極之間也加上正向電壓和電流。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。 為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽(yáng)極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有 用使陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 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)溫較高 光觸發(fā) 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(yīng)用于高 壓電力設(shè)備中，稱(chēng)為光控晶閘

5、管（LTT） 只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制 電力電子器件第2講課件 (1-8) 3 3 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì) 導(dǎo)通。導(dǎo)通。 承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能 開(kāi)通。開(kāi)通。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。 要使晶閘管關(guān)斷，必須去除陽(yáng)極所加的正向電壓，或設(shè)法使要使晶閘管關(guān)斷，必須去除陽(yáng)極所加的正向電壓，或設(shè)法使 流過(guò)晶閘管

6、的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，或者給陽(yáng)流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，或者給陽(yáng) 極施加反壓。極施加反壓。 晶閘管門(mén)極加正脈沖能夠觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，而加負(fù)脈沖卻不晶閘管門(mén)極加正脈沖能夠觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，而加負(fù)脈沖卻不 能使其關(guān)斷，故稱(chēng)為半控型器件。能使其關(guān)斷，故稱(chēng)為半控型器件。 晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下： 電力電子器件第2講課件 (1-9) 正向特性 IG=0時(shí)，器件兩端施加正 向電壓，只有很小的正向 漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。 正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電 壓Ubo，則漏電流急劇增大， 器件開(kāi)通。 隨著門(mén)極電流幅值的增大， 正向轉(zhuǎn)折電壓降低。 晶閘管本

7、身的壓降很小， 在1V左右。 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O+UA - U A -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 電力電子器件第2講課件 (1-10) 反向特性類(lèi)似二極管的反 向特性。 反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極 小的反相漏電流流過(guò)。 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿 電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管 發(fā)熱損壞。 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O+UA - U A -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM 反向特性反

8、向特性 電力電子器件第2講課件 晶閘管的門(mén)極伏安特性 由于實(shí)際產(chǎn)品的門(mén)極伏安特性分散 性很大，常以一條典型的極限高阻 門(mén)極伏安特性O(shè)G和一條極限低阻 門(mén)極伏安特性O(shè)D之間的區(qū)域來(lái)代 表所有器件的伏安特性，由門(mén)極正 向峰值電流IFGM允許的瞬時(shí)最大 功率PGM和正向峰值電壓UFGM劃定 的區(qū)域稱(chēng)為門(mén)極伏安特性區(qū)域。PG 為門(mén)極允許的最大平均功率。其中, O A B C O 為 不 可 靠 觸 發(fā) 區(qū) , ADEFGCBA為可靠觸發(fā)區(qū)。 晶閘管的門(mén)極伏安特性 電力電子器件第2講課件 (1-12) 開(kāi)通過(guò)程 延遲時(shí)間延遲時(shí)間td (0.51.5 s) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr (0.53 s) 開(kāi)通時(shí)間

9、開(kāi)通時(shí)間ton以上兩者之和， ton=td+ tr （1-6） 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 關(guān)斷過(guò)程 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t toff以上兩者之 和toff=trr+tgr （1-7) 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間 約幾百微秒 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 晶閘管的動(dòng)態(tài)特性晶閘管的動(dòng)態(tài)特性( (開(kāi)關(guān)特性）開(kāi)關(guān)特性） 電力電子器件第2講課件 （1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM，在門(mén)極斷路而結(jié) 溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的 正 向峰值電壓。(UDSM Ubo)

10、（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM，在門(mén)極斷路而結(jié) 溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反 向峰值電壓。( URSM Uro) （3）額定電壓，斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向 重復(fù)峰值電壓URRM中較小的那個(gè)數(shù)值標(biāo)作 器件型號(hào)上的額定電壓。通常選用晶閘管 時(shí)，電壓選擇應(yīng)取(23)倍的安全裕量。 (4)通態(tài)電壓UTM 晶閘管通以規(guī)定倍數(shù)額定通態(tài)平均電流時(shí)的 瞬態(tài)峰值電壓。從減少功耗和發(fā)熱的觀點(diǎn) 出發(fā)，應(yīng)該選擇通態(tài)電壓較小的晶閘管。 4 4 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 通常取晶閘管的 UDRM和URRM中較小 的標(biāo)值作為該器件 的額定電壓額定電壓。 選用時(shí)，一般取額 定電壓為正常工作 時(shí)晶閘管所承

11、受峰 值電壓23倍。 使用注意：使用注意： 電力電子器件第2講課件 (5) 額定電流IT(AV) 在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定冷卻條件下，器件在電阻性負(fù)載的單相 工頻正弦半波電路中,管子全導(dǎo)通(導(dǎo)通角 170)，在穩(wěn)定的額定結(jié) 溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。 晶閘管流過(guò)正弦半波電流波形 如圖所示 使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。 晶閘管流過(guò)正弦半波電流波形 電力電子器件第2講課件 它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為： 正弦半波電流的有效值為： ) 式中 Kf為波形系數(shù) 流過(guò)晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根 據(jù)電流有效值相

12、同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取 (1.52)倍的安全裕量。 m0 m T(AV) 1 )(sin 2 1 Ittd I I m 0 2 mT 2 1 )()sin( 2 1 ItdtII 57. 1 )T(AV T f I I K 電力電子器件第2講課件 (6)浪涌電流 ITSM 這是晶閘管所允許的半周期內(nèi)使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)正向過(guò)載 電流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了晶閘管抗 短路沖擊電流的能力?？捎脕?lái)設(shè)計(jì)保護(hù)電路。 (7)維持電流 IH 在室溫和門(mén)極斷路時(shí)，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降 至維持通態(tài)所必須的最小陽(yáng)極電流。 (8) 擎住電流

13、 IL 晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)移去觸發(fā)信號(hào)之后，要器件維持通態(tài)所需 要的最小陽(yáng)極電流。對(duì)于同一個(gè)晶閘管來(lái)說(shuō)，通常擎住電流IL約為維 持電流IH的(24)倍。 (9) 門(mén)極觸發(fā)電流IGT 在室溫且陽(yáng)極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全開(kāi)通所必 需的最小門(mén)極直流電流。 電力電子器件第2講課件 (10) 門(mén)極觸發(fā)電壓UGT 對(duì)應(yīng)于門(mén)極觸發(fā)電流時(shí)的門(mén)極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門(mén)極的電壓和電流 應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過(guò)其峰值IGFM 和 UGFM。 (11) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/ dt 在額定結(jié)溫和門(mén)極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓 上升率。過(guò)大的斷態(tài)

14、電壓上升率會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。 (12) 通態(tài)電流臨界上升率di / dt 在規(guī)定條件下，由門(mén)極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不導(dǎo) 致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開(kāi)通時(shí)，如果電流上升過(guò)快， 會(huì)使門(mén)極電流密度過(guò)大，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。 電力電子器件第2講課件 例1-1 兩個(gè)不同的電流波形(陰影斜線部分)如圖所示，分別流經(jīng)晶閘 管，若各波形的最大值Im=100A，試計(jì)算各波形下晶閘管的電流平均 值Id1、Id2，電流有效值I1、I2 ， 并計(jì)算波形系數(shù)Kf1、Kf2。 流過(guò)晶閘管的電流波形 電力電子器件第2講課件 解：如圖所示的平均值和有效值可計(jì)算如下： A3 .3333

15、3. 0)( 2 1 m 3/2 0 m d2 ItdI I 67. 1 2 2 2 d f I I K A2 .27272. 0)(sin 2 1 m4/ m d1 Itdt I I A4 .47477. 0)()sin( 2 1 m 4 2 m1 ItdtII A7 .55 3 1 m 2 I I 74. 1 1 1 1 d f I I K 電力電子器件第2講課件 思考思考1：如果晶閘管的額定電流是100A,考慮晶閘管的安全裕 量,請(qǐng)問(wèn)在以上的情況下, 允許流過(guò)的平均電流是多少? AII AVTT 15757. 1 )( A K I I f T d 2 .90 74. 1 157 1 1

16、A K I I f T d 94 67. 1 157 2 2 思考思考2：如果考慮晶閘管2倍的安全裕量, 請(qǐng)問(wèn)在以上的情況 下, 允許流過(guò)的平均電流是多少? 電力電子器件第2講課件 (1-21) 4 4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 有工作在400Hz左右的快速晶閘管和10kHz左右或更高 頻率的高頻晶閘管。 開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。 普通晶閘管關(guān)斷時(shí)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(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switchin

17、g Thyristor FST) 電力電子器件第2講課件 (1-22) 2 2）雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或 Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor） 可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。 有兩個(gè)主電極T1和T2， 一個(gè)門(mén)極G。 在第和第III象限有對(duì) 稱(chēng)的伏安特性。 不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值 來(lái)表示其額定電流值來(lái)表示其額定電流值。 雙向晶閘管等效電路及符號(hào) 雙向晶閘管的伏安特性 電力電子器件第2講課件 (1-23) 逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCTReverse Conducting ThyristorRCT） a) K G A 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏