電力電子晶閘管94681

1、11.3 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管1.31.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 1.3.1 1.3.1 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 1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件21.31.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管 1957年美國(guó)通用電氣公司（GE

2、）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 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)始被性能更好的全控型器件取代 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 晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型普通晶閘管廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件 31.3.1 1.3.1 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 外形有螺栓型和平板型兩種封裝 引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端 對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

3、a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J341.3.1 1.3.1 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RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 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Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）51.3.1 1.3.1 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 IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 式中1和2分別是晶體管V

4、1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。合并以上式可得 （1-5） 晶體管的特性是：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。 )(121CBO2CBO1G2AIIII61.3.1 1.3.1 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(kāi)通（門(mén)極觸發(fā)）：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的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）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。71.3.1 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)

5、構(gòu)與工作原理 其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(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)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(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)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱(chēng)為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段81.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1. 靜態(tài)特性靜態(tài)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)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

6、才能開(kāi)通晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 91.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG101.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通 隨著門(mén)極電

7、流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低 導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右 導(dǎo)通期間，如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱(chēng)為維持電流。（伏安特性圖）111.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性 晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電流從門(mén)極流入晶閘管，從陰極流出 陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端 門(mén)極觸發(fā)電流也往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門(mén)極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的 晶閘管的門(mén)極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱(chēng)為門(mén)極伏安特性門(mén)極伏安特性。為保證可靠

8、、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。（伏安特性圖伏安特性圖）121.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 圖1-9 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA131.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 1) 開(kāi)通過(guò)程（開(kāi)通過(guò)程（特性圖特性圖)延遲時(shí)間延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間上升時(shí)間上升時(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)間開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1

9、-6） 普通晶閘管延遲時(shí)間為0.51.5 s，上升時(shí)間為0.53 s141.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2) 關(guān)斷過(guò)程關(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：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)▽?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)） 普通晶閘管的關(guān)斷

10、時(shí)間約幾百微秒。151.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)1. 電壓定額電壓定額1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(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。2) 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(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。3) 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM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)，額定電壓要留有一定裕量裕量,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161.3.3

11、1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2. 電流定額電流定額 1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(A V) 額定電流- 晶閘管在環(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。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍171.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2) 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一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小 3) 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

12、的最小電流 對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍 4) 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181.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)3. 動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù) 除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有： (1) 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(mén)極開(kāi)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在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱(chēng)為位移電流位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類(lèi)似門(mén)極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)

13、大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 191.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)(2) 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，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞 201.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件1. 快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/d

14、t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10 s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，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)211.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2. 雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）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=0GT1T2221.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘

15、管的集成有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極G正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State RelaySSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。 231.3.4 1.3.4 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） 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) 逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流圖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b)a)UOIKGAIG=0241.3.4 1.3.4 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）圖1-1