電力電子第二章第三講

1、 晶閘管（Thyristor）是能承受高電壓、大電流的半控型電力電子器件，也稱(chēng)可控硅整流管（SCR，Silicon Controlled Rectifier）。 由于它電流容量大、電壓耐量高以及開(kāi)通的可控性，已被廣泛應(yīng)用于可控整流和逆變、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。 它包括普通晶閘管及其一系列派生產(chǎn)品，在無(wú)特別說(shuō)明的情況下，本書(shū)所說(shuō)的晶閘管都為普通晶閘管。2.4 晶閘管晶閘管AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK圖2-9 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 封裝 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)2.4.1 基

2、本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理 晶閘管有三個(gè)電極，分別是陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（或稱(chēng)柵極）G。 晶閘管內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，四個(gè)區(qū)形成J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)。若不施加控制信號(hào)，將正向電壓（陽(yáng)極電位高于陰極電位）加到晶閘管兩端，J2處于反向偏置狀態(tài)，A、K之間處于阻斷狀態(tài)；若反向電壓加到晶閘管兩端，則J1、J3反偏，該晶閘管也處于阻斷狀態(tài)。2.4.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理P2N2GKP1N1AP2N1晶閘管的雙晶體管模型 將晶閘管等效為一個(gè)PNP晶體管V1和一個(gè)NPN晶體管V2的復(fù)合雙晶體管模型。如果在V2基極注入IG（門(mén)極電流），則V2導(dǎo)通，產(chǎn)生Ic2（2IG）。

3、由于Ic2為V1提供了基極電流，因此V1導(dǎo)通，且Ic1=1Ic2，這時(shí)V2的基極電流由IG和Ic1共同提供，從而使V2的基極電流增加，形成強(qiáng)烈的正反饋，使V1和V2很快進(jìn)入飽和導(dǎo)通。此時(shí)即使將IG調(diào)整為0也不能解除正反饋，晶閘管會(huì)繼續(xù)導(dǎo)通，即G極失去控制作用。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-10 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理2.4.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-10 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 按

4、照晶體管工作原理，忽略?xún)蓚€(gè)晶體管的共基極漏電流，可列出如下方程： IK=IA+IG （2-4） IA=Ic1+Ic2=1IA+2IK （2-5） 其中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益。則可推導(dǎo)出 （2-6） )(121G2AII2.4.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-10 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理根據(jù)晶體管的特性，在低發(fā)射極電流下其共基極電流增益很小，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)后，迅速增大。因此，在晶體管阻斷狀態(tài)下，1+2很小。若IG使兩個(gè)發(fā)射極電流增大以致1+2大

5、于1（通常晶閘管的1+21.15），流過(guò)晶閘管的電流IA將趨向無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通，實(shí)際通過(guò)晶閘管的電流由R確定為EA/R。當(dāng)1+21時(shí)，晶閘管的正反饋才可能形成，其中1+2=1是臨界導(dǎo)通條件，1+21為飽和導(dǎo)通條件，1+20且uGK0。晶閘管導(dǎo)通后，即使撤除門(mén)極觸發(fā)信號(hào)IG，也不能使晶閘管關(guān)斷，只有設(shè)法使陽(yáng)極電流IA減小到維持電流IH（約十幾mA）以下，導(dǎo)致內(nèi)部已建立的正反饋無(wú)法維持，晶閘管才能恢復(fù)阻斷狀態(tài)。很明顯，如果給晶閘管施加反向電壓，無(wú)論有無(wú)門(mén)極觸發(fā)信號(hào)IG，晶閘管都不能導(dǎo)通。2.4.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和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：正向折

6、轉(zhuǎn)導(dǎo)通：在IG=0時(shí)，提高陽(yáng)極-陰極之間的正向電壓VAK，使反向偏置的J2結(jié)（N1P2）擊穿，電流IA迅速上升，1+21，IA增加到EA/R。高溫導(dǎo)通：當(dāng)溫度增加，反向飽和電流隨之增加，IA、IK增大，直到1+21，晶閘管導(dǎo)通。2.4.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：du/dt導(dǎo)通：各PN結(jié)都存在結(jié)電容，當(dāng)外加正向電壓VAK的du/dt很高時(shí)，各PN結(jié)將流過(guò)很大的充電電流：i=cdu/dt。 P1N1之間充電電流 IA、IK增大 N1P2之間充電電流 IB2增大

7、IA、IK增大 1+21以上導(dǎo)通都不加門(mén)極信號(hào)非正常導(dǎo)通，這是必須防止和避免的。要提高器件本身du/dt 耐量，減小漏電流，提高耐壓，特別是提高結(jié)溫下的耐壓等。同時(shí)在電路中采取保護(hù)措施，降低電路上的干擾信號(hào)的影響。以防止晶閘管誤動(dòng)作。2.4.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理光直接照射硅片，即光觸發(fā)：光觸發(fā)：有外加正值VAK時(shí)，J2結(jié)反偏，對(duì)J2結(jié)注入光照能量，增加漏電流。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。應(yīng)用于光控晶閘管只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的只有門(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控制手段2.4.1 基本結(jié)構(gòu)和

8、工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管工作原理：晶閘管工作原理：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2.4.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理 1晶閘管的穩(wěn)態(tài)伏安特性 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； IH維持電流。 當(dāng)AK兩端施加反壓時(shí)，即使有門(mén)極信號(hào)也不可能在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生電流正反饋。 當(dāng)反向電壓過(guò)大而達(dá)到反向擊穿電壓，則反向漏電流迅速上升。

9、類(lèi)似二極管。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖2-11 晶閘管的伏安特性2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù)圖2-11 晶閘管的伏安特性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。這種開(kāi)通叫“硬開(kāi)通”，一般不允許硬開(kāi)通。隨著IG幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低當(dāng)IG增加到超過(guò)某一臨界值以后，正向阻斷區(qū)幾乎消失，類(lèi)似于二極管的正向伏安特性。所以有外加正向電壓，只要加至晶閘管上IG超過(guò)某一臨界值，晶閘管會(huì)立即導(dǎo)通，等效于一個(gè)正向?qū)щ姸O管

10、。2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù)圖2-11 晶閘管的伏安特性導(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。2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù) 圖2-12 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形2晶閘管的動(dòng)態(tài)特性1）開(kāi)通過(guò)程 延遲時(shí)間td：陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值IA的10%的時(shí)間。 對(duì)應(yīng)的是載流子到達(dá)J2結(jié)兩側(cè)積累起來(lái)所需的時(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。 對(duì)應(yīng)的是在J2結(jié)兩側(cè)積累的載流子電流迅速上升，達(dá)到局部導(dǎo)通所需的時(shí)間。 開(kāi)通時(shí)間：tgt=td+tr。2.

11、4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù) 圖2-12 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形2晶閘管的動(dòng)態(tài)特性1）開(kāi)通過(guò)程 影響因素： 延遲時(shí)間：門(mén)極電流上升的時(shí)間及峰值 上升時(shí)間：主回路阻抗 溫度、陽(yáng)極電壓會(huì)影響開(kāi)通時(shí)間2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù) 圖2-12 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形2）關(guān)斷過(guò)程原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管在外加電壓由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，由于外部電感的存在，其陽(yáng)極電流的衰減也需要時(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tgr:反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束后，晶閘管恢復(fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力，但要恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力還

12、需要一段時(shí)間。晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr，約為幾百s，這是設(shè)計(jì)反向電壓時(shí)間的依據(jù)。2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù) 注意注意: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，晶閘管有可能會(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2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù)關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程影響關(guān)斷時(shí)間的因素：從應(yīng)用電路設(shè)計(jì)看，有結(jié)溫，反向恢復(fù)電流下降率，反向電壓及再加的du/dt等。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.4.2 晶閘管特性及主要

13、參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù)3晶閘管的主要特性參數(shù) 1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓額定電壓UT 正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓中的最小值 選用元件的額定電壓值應(yīng)比實(shí)際正常工作時(shí)的最大電壓大23倍。 2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流額定電流IT(AV) 在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下，當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，晶閘管所允許的最大工頻正弦半波電流的平均值，稱(chēng)為額定電流。 在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以1.52的安全系數(shù)，使其具有一定的電流裕量。2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù)3）通態(tài)平均電壓UT(AV) 在規(guī)定的環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管通

14、以正弦半波額定電流時(shí)，陽(yáng)極與陰極間電壓降的平均值，被稱(chēng)為通態(tài)平均電壓（也稱(chēng)管壓降）。反映了器件的通流能力，也和過(guò)載能力相關(guān)。4）維持電流IH和掣住電流IL 在室溫下門(mén)極斷開(kāi)時(shí)，元件晶閘管從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流被稱(chēng)為維持電流IH。 給晶閘管門(mén)極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)晶閘管維持導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極電流，被稱(chēng)為掣住電流IL。 對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，掣住電流IL要比維持電流IH大24倍。2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù)5）晶閘管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間 晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq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

15、關(guān)。6）通態(tài)電流臨界上升率di/dt 晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率，稱(chēng)為通態(tài)電流臨界上升率di/dt。7）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大陽(yáng)極電壓上升率，稱(chēng)為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。2.4.2 晶閘管特性及主要參數(shù)晶閘管特性及主要參數(shù)1快速晶閘管 快速晶閘管（FST，F(xiàn)ast Switching Thyristor），其允許開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到400Hz以上。其中開(kāi)關(guān)頻率在10kHz以上快速晶閘管的稱(chēng)為高頻晶閘管。它們的外形、電氣符號(hào)、基本結(jié)構(gòu)、伏安特性都與普通晶閘管相同。 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1010

16、s 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，不能忽略開(kāi)關(guān)損耗 頻率較高的斬波和逆變電路2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用晶閘管派生器件及應(yīng)用2雙向晶閘管 雙向晶閘管（TRIAC，Triode AC Switch）具有正、反兩個(gè)方向都能控制導(dǎo)通的特性，在交流調(diào)壓、交流開(kāi)關(guān)電路及交流調(diào)速等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 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

17、此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。 其電氣符號(hào)和伏安特性分別如圖2-13所示。雙向晶閘管有4種觸發(fā)方式：2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用晶閘管派生器件及應(yīng)用圖2-13 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)與伏安特性電氣圖形符號(hào)a) 伏安特性1）I+觸發(fā)方式 當(dāng)主電極T1對(duì)T2所加的電壓為正向電壓，門(mén)極G對(duì)T2所加電壓為正向觸發(fā)信號(hào)時(shí)，雙向晶閘管導(dǎo)通，伏安特性處于第一象限；2）I-觸發(fā)方式 保持主電極T1對(duì)T2所加的電壓為正向電壓，門(mén)極G觸發(fā)信號(hào)改為反向信號(hào)，雙向晶閘管也能導(dǎo)通；2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用晶閘管派生器件及應(yīng)用圖2-13 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)與伏安特性電氣圖形符號(hào)a) 伏安特

18、性3）+觸發(fā)方式 當(dāng)主電極T1為負(fù)，門(mén)極G對(duì)T1所加電壓為正向觸發(fā)信號(hào)時(shí)，雙向晶閘管導(dǎo)通，電流從T2流向T1，其伏安特性處于第三象限；4）-觸發(fā)方式 主電極T1仍為負(fù)，門(mén)極G對(duì)T1所加電壓為反向觸發(fā)信號(hào)時(shí)，雙向晶閘管導(dǎo)通。 在實(shí)際應(yīng)用中，特別是直流信號(hào)觸發(fā)時(shí)，常選用I-觸發(fā)方式和-觸發(fā)方式。 由于雙向晶閘管是工作在交流回路中，其額定電流用正弦電流有效值而不用平均值來(lái)標(biāo)定。2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用晶閘管派生器件及應(yīng)用圖2-14 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)與伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 3逆導(dǎo)晶閘管 在逆變或直流電路中，經(jīng)常需要將晶閘管和二極管反向并聯(lián)使用，逆導(dǎo)晶閘管（RCT

19、，Reverse Conducting Thyristor）就是根據(jù)這一要求將晶閘管和二極管集成在同一硅片上制造而成的逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性如圖2-14所示。2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用晶閘管派生器件及應(yīng)用圖2-14 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)與伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 3逆導(dǎo)晶閘管 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) 主要用于直流斬波器，倍頻式中頻電源及三相逆變器等 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)二極管的電流與兩只分立的晶閘管和電力二極管反并聯(lián)的連接相比，體積更小，高溫特性好。2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用

20、晶閘管派生器件及應(yīng)用 4光控晶閘管 光控晶閘管（LTT，Light Triggered Thyristor）是一種利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)器件，它與普通晶閘管的不同之處在于其門(mén)極區(qū)集成了一個(gè)光電二極管。在光的照射下，光電二極管漏電流增加，此電流成為門(mén)極觸發(fā)電流使晶閘管開(kāi)通。圖2-15 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)與伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用晶閘管派生器件及應(yīng)用 4光控晶閘管 小功率光控晶閘管只有陽(yáng)、陰兩個(gè)電極，大功率光控晶閘管的門(mén)極帶有光纜，光纜上有發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器作為觸發(fā)光源。由于主電路與觸發(fā)電路之間有光電隔離，因此絕緣性能好，可

21、避免電磁干擾。光控晶閘管的參數(shù)與普通晶閘管類(lèi)同，只是觸發(fā)參數(shù)特殊。圖2-15 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)與伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用晶閘管派生器件及應(yīng)用 4光控晶閘管 1）觸發(fā)光功率 加有正向電壓的光控晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)所需的輸入光功率稱(chēng)為觸發(fā)光功率，其數(shù)值通常為幾mW到幾十mW。 2）光譜響應(yīng)范圍 光控晶閘管只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的光線敏感，超出波長(zhǎng)范圍，則無(wú)法使其導(dǎo)通。 適用于信號(hào)源與主回路高度絕緣的大功率高壓裝置。如高壓直流輸電，高壓核聚變圖2-15 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)與伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性2.4.3 晶閘管派生器件及應(yīng)用晶閘管派生器件及應(yīng)用 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿(mǎn)足下列要求： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管能可靠導(dǎo)通； （2）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度； （3）觸發(fā)脈沖不超過(guò)門(mén)極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)； （4）應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。理想的觸發(fā)脈沖電流波形理想的