電力電子技術(shù)-22_SCR

1、1-12.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(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）1-2圖1-6 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)2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和

2、平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)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。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31-32.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)1-4 脈沖觸發(fā)導(dǎo)通。脈寬僅需持續(xù)到進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。 具有最好的正向?qū)ㄌ匦裕▔航档停┖痛蠊β侍幚砟芰?最優(yōu)工作頻率范圍500Hz。1-52.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共

3、基極漏電流。由以上式可得 ：圖2-7 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 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）1-62.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1

4、的話，流過(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。1-72.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽(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)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，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：1-82.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電

5、流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。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：1-9 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性（1）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，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的通態(tài)壓降很小，在1V左右。1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖2-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1

6、IGILIH0UAKITIG=0IG1IG2IG3IG1IG2G3I 門極電流對(duì)正向阻斷電壓的影響正向?qū)ǚ聪蜃钄鄵舸︰ UBOBO維持電流IH：通態(tài)下若電流小于此值，管關(guān)斷。摯住電流IL：斷態(tài)被觸發(fā)，電流達(dá)到此值時(shí)撤除觸發(fā)電流，晶閘管可自動(dòng)維持通態(tài)。常比IH大24倍。摯住電流和維持電流都隨結(jié)溫下降而增大。1-10 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性反向特性類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。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG（2）反向特性反向特性ILIH0UAKITIG=0IG1IG2IG3IG1IG2G

7、3I 門極電流對(duì)正向阻斷電壓的影響正向?qū)ǚ聪蜃钄鄵舸︰ UBOBO1-11晶閘管的開通特性晶閘管的開通特性0tttt213iAtdtrtsV VakaktV Von0Q2Q1G G 門極正偏，Q2、Q1導(dǎo)通，再生正反饋。電流超摯住電流后，門極脈沖可去。（一維開通）。在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5） t td d: :門極正脈沖使正反饋門極正脈沖使正反饋建立耗時(shí)。陽(yáng)極電流建立耗時(shí)。陽(yáng)極電流0 0，陰極電流控制極電流。陰極電流控制極電流。tr: 陽(yáng)極電流指數(shù)升到接近穩(wěn)態(tài)耗時(shí)。 ts:門極位于陰極晶片中心，靠門極

8、部先導(dǎo)通，然后擴(kuò)展到全體陰極的耗時(shí)。耐壓越高擴(kuò)展越慢。（二維開通）注入觸發(fā)電流使晶體管的注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā) 射 極 電 流 增 大 以 致發(fā) 射 極 電 流 增 大 以 致 1+1+ 2 2趨近于趨近于1 1的話，電的話，電流流I IA A將趨近于無(wú)窮大，實(shí)將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。現(xiàn)飽和導(dǎo)通。I IA A實(shí)際由外實(shí)際由外電路決定。電路決定。1-12晶閘管的關(guān)斷問(wèn)題晶閘管的關(guān)斷問(wèn)題 導(dǎo)通后因門極面積遠(yuǎn)小于陰極，加負(fù)門極電流不能影響陰極主體，不能關(guān)斷。 關(guān)斷：電流低于維持電流。陽(yáng)極電壓反極性。N+ +PN-P+Q2Q1KGA負(fù)電流小面積反偏小面積反偏+-不能關(guān)斷不能關(guān)斷J3J3J2J2

9、J1J11-13晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開通過(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)開通時(shí)間開通時(shí)間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）延遲時(shí)間隨門級(jí)電流的增加而減小；與外電路特性有關(guān)；提高陽(yáng)極電壓可以提高V2管放大倍數(shù)，加快反饋過(guò)程，提高開通速度。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2） 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形1-14晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反

10、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：反：反向恢復(fù)結(jié)束后，由于載流向恢復(fù)結(jié)束后，由于載流子復(fù)合過(guò)程較慢，晶閘管子復(fù)合過(guò)程較慢，晶閘管要恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷要恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間。能力還需要一段時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t tq以上兩者之和tq=trr+tgr （1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形因載流子復(fù)合較慢，過(guò)早加正壓會(huì)引起誤導(dǎo)通。管關(guān)斷后須加足夠時(shí)間反壓，保證管恢復(fù)阻斷能力。 1-152.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器

11、件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(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。通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。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)晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：使用注意：1）電壓定額電壓定額1-16晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流通態(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(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦

12、半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。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。維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。2 2）電流定額電流定額1-17例：晶閘管額定電流的選擇 設(shè)正弦電流峰值為Im,則正弦半波電流的平均值為1.572AVAVIII 正弦半波電流的有效值為22011sin 22mmIIt

13、 dtI011sin t2AVmmIItdI即額定電流為100A的晶閘管能承受157A的有效值電流，對(duì)非正弦電流應(yīng)按實(shí)際電流波形計(jì)算有效值除以1.57作為選擇晶閘管電流額定值的依據(jù)。設(shè)計(jì)一般應(yīng)留1.52倍的安全裕量。例：某晶閘管實(shí)際承擔(dān)電流波形有效值為400A，則可選額定電流為400/1.57=255A,考慮裕量，實(shí)際選額定電流為500A的晶閘管。1-18晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)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(guò)大，使充電電流足夠大，

14、就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)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(guò)熱而使晶閘管損壞。3 3）動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)1-19晶閘管例晶閘管例_ST1200C.K 系列系列通態(tài)平均電流IT(A V)： 1650A 維持電流IH： 600mA 門極觸發(fā)電流IGT： 200mA 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM：12002000V 反向重復(fù)峰值電壓URRM：12002000V通態(tài)峰值電壓UTM： 1.73V(IPK=4000A) 最大開通非重復(fù)di/dt： 1000A/s 最大關(guān)斷dv/dt： 500V/s 典型延

15、遲時(shí)間： 1.9s典型關(guān)斷時(shí)間： 200s1-202.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(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，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)1-21晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2）雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristo

16、r）圖1-10 雙向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) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2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)門極G。在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。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。1-22晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3) 逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11 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) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成

17、器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。1-23晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件4) 光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12 光控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) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)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。用于高壓大功率的場(chǎng)合。1-24晶閘管應(yīng)用特點(diǎn)晶閘管應(yīng)用特點(diǎn) 價(jià)低、控制線路成熟、可靠性高。 中、大功率應(yīng)用廣泛【HVDC、無(wú)功補(bǔ)償、高壓變頻】。MVA級(jí)性能優(yōu)。8kA/4kV，6kA/6kV光觸發(fā)可得到。 無(wú)二次擊穿問(wèn)題。 導(dǎo)通壓降具有負(fù)溫度系數(shù)，不易并聯(lián)。 半控，控制線路復(fù)雜。 工作頻率較低。一般在500Hz內(nèi)。 通態(tài)峰值壓降較低，平均1V左右，隨陽(yáng)極電流增