電力電子半導(dǎo)體器件SCR課件

1、第三章 晶閘管3.1 普通晶閘管 Thyristor 硅可控整流器，可控硅，SCR。一、結(jié)構(gòu)：四層PNPN結(jié)構(gòu)，三端器件符號正向阻斷：AK接正電壓， J2反偏，漏電流很小。反向阻斷：AK接負(fù)電壓， J1，J3反偏，漏電流很小。等效電路：由PNP和NPN兩個晶體管互聯(lián)，內(nèi)部正反饋連接。正反饋過程令：兩個晶體管共基極電流放大數(shù) 1 、2 J2結(jié)反向漏電流為IC0則：共基極電流放大系數(shù)1 、2 與發(fā)射極電流變化關(guān)系：IG=0時， 1 、2 約為0， IA IC0，晶閘管正向阻斷。IG0時， 1 、2 隨射極電流 增大而上升，當(dāng)1 +2 1時， IA迅速增大，正向?qū)ā?*此時，即使再為0，晶閘管仍繼

2、續(xù)導(dǎo)通半控型器件。1晶閘管導(dǎo)通的幾種情況：門極觸發(fā)：極之間加正向電壓；極間加正向電壓和電流。通用方法陽極電壓作用：陽極電壓上升到相當(dāng)數(shù)值時，J3結(jié)擊穿，IB2 增大，由正反饋作用導(dǎo)致導(dǎo)通。會引起局部過 熱，易擊穿，不易控制。du/dt作用：陽極電壓上升速率快， J3結(jié)電容C產(chǎn)生位移電流 導(dǎo)致射極電流增大，引起導(dǎo)通。 控制困難，過大的du/dt會損壞管子。 溫度作用：結(jié)溫增高，漏電流增大，引起導(dǎo)通。光觸發(fā)：光照射下，產(chǎn)生電子空穴對，形成觸發(fā)電流。 光觸發(fā)晶閘管光觸發(fā)：光照射下，產(chǎn)生電子空穴對，形成觸發(fā)電流。 光觸發(fā)晶閘管1晶閘管導(dǎo)通的幾種情況：門極觸發(fā)：極之間加正向電壓；極間加正向 電壓和電流。

3、通用方法陽極電壓作用：陽極電壓上升到相當(dāng)數(shù)值時，J3結(jié)擊穿， IB2增大，由正反饋作用導(dǎo)致導(dǎo)通。 會引起局部過熱，易擊穿，不易控制。du/dt作用：陽極電壓上升速率快， J3結(jié)電容C產(chǎn)生位移電流 導(dǎo)致射極電流增大，引起導(dǎo)通。 控制困難，過大的du/dt會損壞管子。 溫度作用：結(jié)溫增高，漏電流增大，引起導(dǎo)通。2關(guān)斷條件：陽極電壓減小/反向，使陽極電流減小到維持電流 以下，IAIH時，管子自動關(guān)斷。二、特性 1陽極伏安特性：VAKIA關(guān)系 VBO：正向轉(zhuǎn)折電壓 VRSM：反向轉(zhuǎn)折電壓導(dǎo)通狀態(tài)阻斷狀態(tài)反向擊穿2門極伏安特性：VGIG關(guān)系（P3結(jié)二極管伏安特性）IGTVGTPGM可靠觸發(fā)區(qū)不可觸發(fā)區(qū)不

4、可靠觸發(fā)區(qū)VGD：門極不觸發(fā)電壓 IGD：門極不觸發(fā)電流VGT：最小門極觸發(fā)電壓 IGT：最小門極觸發(fā)電流VFGM：門極正向峰值電壓 IFGM：門極正向峰值電流說明：門極觸發(fā)電壓、電流應(yīng)處于可靠觸發(fā)區(qū)內(nèi)，觸發(fā)功率過大， 會使SCR結(jié)溫上升，影響正常工作，甚至?xí)龎拈T極。觸發(fā)電壓、電流應(yīng)大于VGT和IGT，方可保證正常觸發(fā)。不觸發(fā)時，觸發(fā)電路輸出電壓應(yīng)低于門極不觸發(fā)電壓VGD （0.2V）；為提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)，必要時可加負(fù) 偏壓（13V；不大于5V），負(fù)偏壓過大，會使器件觸發(fā)靈 敏度下降，不利于快速導(dǎo)通，同時門極損耗增大。 三、動態(tài)特性：P(功耗）iAIA0.9IA0.1IA000UA

5、KtdtrtstontrrtGrtoff開通損耗通態(tài)損耗關(guān)斷損耗斷態(tài)損耗td: 延遲時間tr: 上升時間（局部導(dǎo)通)ts: 擴展時間（全導(dǎo)通）trr: 反向恢復(fù)時間 非平衡少子耗散時間tGr: 門極恢復(fù)時間 正向阻斷恢復(fù)時間開通時間：ton = td + tr 普通SCR，td為：0.51.5us；tr 為：0.53us； IG越大，ton越小。關(guān)斷時間：toff = trr + tGr ；一般為幾百us。說明：1開通時間ton隨門極電流增大而減??；陽極電壓提高，可使內(nèi)部正反饋加速，上升時間、延遲時間顯著縮短。2正向電流越大，關(guān)斷時間toff越長；外加反向電壓越高，反向電流越大，關(guān)斷時間可縮短

6、；結(jié)溫越高，關(guān)斷時間越長。3關(guān)斷時，過早施加正向電壓，會引起誤導(dǎo)通。 三、參數(shù)（一）電壓參數(shù) 1斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓VDSM 門極開路，加在SCR陽極正向電壓上升到正向伏安特性曲線急劇彎曲處所對應(yīng)的電壓值。不能重復(fù)，每次持續(xù)時間不大于10ms的脈沖電壓。（轉(zhuǎn)折電壓，小于VBO)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM 門極開路，額定結(jié)溫下，允許50次/s，持續(xù)時間不大于10ms，重復(fù)施加在陽極上的正向最大脈沖電壓。 VDRM 90% VDSM反向不重復(fù)峰值電壓VRSM 門極開路，加在SCR陽極反向電壓上升到反向伏安特性曲線急劇彎曲處所對應(yīng)的電壓值。不能重復(fù)，每次持續(xù)時間不大于10ms的脈沖電壓。 反向重復(fù)峰值電

7、壓VRRM 門極開路，額定結(jié)溫下，允許50次/s，持續(xù)時間不大于10ms，重復(fù)施加在SCR上的反向最大脈沖電壓。 VRRM 90% VRSM額定電壓 將VDRM和VRRM中較小的一個取整后，做額定電壓。（使用時，選擇23倍； 倍）通態(tài)峰值電壓VTM SCR通以兩倍/或規(guī)定倍數(shù)額定通態(tài)平均電流時，在額定結(jié)溫下，AK之間瞬態(tài)峰值電壓（管壓降）。越小，通態(tài)損耗越小。（二）電流參數(shù) 1通態(tài)平均電流I T(AV) 環(huán)境溫度400C，規(guī)定冷卻條件下， 不少于1700，電阻性負(fù)載，額定結(jié)溫時；允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。取整后為額定電流。（選擇管子以有效值相同的原則）維持電流IH 導(dǎo)通后，室溫下，G

8、極開路，維持通態(tài)所需最小陽極電流。擎住電流IL 門極觸發(fā)， SCR剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)時，去掉觸發(fā)信號，能使SCR維持導(dǎo)通所需最小電流。 IL （24） IH 斷態(tài)重復(fù)峰值電流IDRM；反向重復(fù)峰值電流IRRM； 對應(yīng)于VDRM和VRRM電壓下的峰值電流。浪涌電流ITSM 規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內(nèi)所允許的最大過載峰值電流。由電路發(fā)生故障引起，使管子超過結(jié)溫?fù)p壞，用于設(shè)計保護電路。（三）門極參數(shù)門極觸發(fā)電壓VGT 觸發(fā)導(dǎo)通所需最小門極直流電壓，15V。門極反向峰值電壓VRGM J3結(jié)反偏電壓，小于10V。門極觸發(fā)電流IGT 在規(guī)定條件下，觸發(fā)SCR導(dǎo)通所需最小門極直流電流。 幾十幾百mA（與通態(tài)

9、電流I T(AV)有關(guān)）（四）動態(tài)參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率dv/dt 在額定結(jié)溫，門極開路時，SCR保持?jǐn)鄳B(tài)所能承受的最大電壓上升率（V/us) 。過大會引起誤導(dǎo)通，如：雷電、合閘，分閘。通態(tài)電流臨界上升率di/dt 規(guī)定條件下，SCR用門極觸發(fā)信號開通時，能夠承受而不會導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率（A/us)。過大會局部發(fā)熱，損壞管子。選用時， di/dt留余量，如： di/dt減小到一半，器件壽命提高近4倍。門極控制開通時間ton；電路換向關(guān)斷時間toff。例：國產(chǎn)KP系列SCR主要參數(shù)、門極參數(shù)3.2 特殊晶閘管 為了滿足晶閘管使用中的一些特殊要求，在科學(xué)技術(shù)和工藝水平不斷提高的前提下，研

10、制出許多不同性能的特殊晶閘管，都是普通晶閘管的派生器件。一、高頻晶閘管 普通SCR開關(guān)時間較長，di/dt小，工作頻率低（小于400Hz）當(dāng)工作頻率升高時，開關(guān)損耗增加，器件發(fā)熱增大。 采用特殊工藝:(1)在器件中摻入金或鉑的重金屬雜質(zhì)；(2)輻照；(3)電子輻照?？s短開關(guān)時間，增大di/dt，產(chǎn)生了快速晶閘管，工作頻率1K2KHz。高頻晶閘管，工作頻率10KHz以上。 國產(chǎn)快速晶閘管：KK系列國產(chǎn)高頻晶閘管：KG系列高頻晶閘管的特點：工作頻率高，di/dt大。關(guān)斷時間短，最高允許結(jié)溫下10us左右。短時間內(nèi)（3us）承受尖峰反向電壓高，抗過電壓能力強， dv/dt大。重復(fù)阻斷電壓較低，800

11、1000V?？怪蓖娏髂芰Σ?，需配置快速過電流保護環(huán)節(jié)。二、雙向晶閘管 單向SCR在用于交流控制時，必須兩個器件反并聯(lián)，如：交流調(diào)壓，燈光調(diào)節(jié)，溫度控制，無觸點交流開關(guān)，交流電機調(diào)速（軟啟動）。采用雙向SCR，可使電路簡單，工作可靠、穩(wěn)定。（一）結(jié)構(gòu)、原理 NPNPN結(jié)構(gòu)，五層結(jié)構(gòu)，三端器件，4個PN結(jié)，兩個主電極T1和T2，門極G。門極結(jié)構(gòu)使得門極觸發(fā)特性可正、可負(fù)，用來開通兩個反并聯(lián)的SCR。（二）四種觸發(fā)方式I+觸發(fā)方式：T1 T2加正電壓，門極加正電壓，與SCR導(dǎo)通 一致（P1N1P2N2），第一象限特性。I-觸發(fā)方式： T1 T2加正電壓，門極加負(fù)電壓 導(dǎo)通由P1N1P2N3 P1N

12、1P2N2，開始門極電流流出， 導(dǎo)通后，由于T1端正電壓引入，門極電流反向。III+觸發(fā)方式：T1 T2加負(fù)電壓，門極加正電壓，P2N1P1N4 觸發(fā)過程為多個晶體管相互作用，觸發(fā)電流較大， 有可能不能觸發(fā)導(dǎo)通。III-觸發(fā)方式： T1 T2加負(fù)電壓，門極加負(fù)電壓， P2N1P1N4 一般常用I-觸發(fā)方式和III-觸發(fā)方式（三）特性參數(shù) 伏安特性換向特性： 兩個反并的晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷相互影響換向問題。 換向能力是晶閘管的一個特有參數(shù)，用換向電流臨界下降率 來表示(di/dt)c，為可靠運行，要求雙向晶閘管有很強的換向 能力。標(biāo)準(zhǔn)將(di/dt)c分為0.2、0.5、1、2四個等級。 如：200

13、A的器件， 0.2級為(di/dt)c=200 0.2%= 0.4A/us 額定通態(tài)方均根電流：I T(RMS) 由于雙向晶閘管工作在交流回路中，用方均根（有效值）來表征額定電流。定義：在標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，導(dǎo)通角不小于1700，允許流過器件的最大交流正弦電流的方均根值。 方均根電流與與普通SCR平均值電流之間換算關(guān)系：國產(chǎn)雙向晶閘管：KS系列三、逆導(dǎo)晶閘管 前面的SCR為逆阻型器件，反向高阻特性，正向可控導(dǎo)通。逆導(dǎo)晶閘管是將SCR與一個續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上，是一種反向?qū)ǖ木чl管。（一）結(jié)構(gòu)：隔離區(qū)（防止換向失敗）（二）特性：正向晶閘管，反向二極管。用于各類逆變器，斬波器不需要阻斷反

14、向電壓（三）特點：正向轉(zhuǎn)折電壓高，正向壓降小，關(guān)斷時間短。電流容量大。（基區(qū)寬度?。╅_關(guān)速度快。高溫特性好。（結(jié)溫在1500C以上）減小了引線電感，縮小裝置體積，配線簡單，換相電路小，輕型化。電流定額受限制。 KN-200/70（比值13）國產(chǎn)逆導(dǎo)晶閘管：KN系列四、光控晶閘管：利用一定波長的光照信號控制的開關(guān)器件（一）結(jié)構(gòu)：（二）特性：小功率管只有A、K兩極大功率管帶光纜，裝發(fā)光器件和激光器。（三）參數(shù)：觸發(fā)光功率：幾毫瓦到十幾毫瓦。光譜響應(yīng)范圍：0.551.0um之間；峰值波長約為0.85um。國產(chǎn)光控晶閘管：GK系列3.3 觸發(fā)電路門極控制電路一、觸發(fā)電路的基本要求 1觸發(fā)信號可為直流、

15、交流、脈沖信號，且為正脈沖信號。 采用脈沖形式，可以減少門極損耗。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率。觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)大于門 極的觸發(fā)電壓和電流，為可靠觸發(fā)應(yīng)留有足夠的功率裕量。 但不能超過門極的極限參數(shù)（VGm10V；IGmVBB，但VE VBBVD時，EB1導(dǎo)通，VE下降負(fù)阻特性。 IE再增大，到IQ時，RB1不再減小， VE隨IE增大而增大飽和 谷點電壓VQ；谷點電流IQ峰點電壓VP 峰點電流IP2觸發(fā)電路要求：產(chǎn)生可控的移相脈沖；移相脈沖與主電源同步；角恒定同步變壓器角恒定為使脈沖正確產(chǎn)生，電路中R3參數(shù)選擇合適，要求：R3電路振蕩頻率（忽略放電時間） R3向C的充電時間，決定了第一個脈沖的位

16、置， 既角位置。 改變R3的阻值，可以改變角。電路特點：結(jié)構(gòu)簡單 分散性大，脈沖較窄，移相范圍小。四、集成觸發(fā)電路 移相線性度好，性能穩(wěn)定可靠，體積小，溫度漂移小。小規(guī)模集成電路組成和中規(guī)模專用集成電路。 國產(chǎn)KC系列：KC04，16腳雙列直插塑封。內(nèi)部由同步單元，鋸齒波形成單元，移相控制單元，脈沖形成單元和功率放大單元幾部分組成。 下圖為KC04內(nèi)部電路圖和各點波形圖：3.4 相控整流電路和逆變電路一、相控整流電路1單相半波整流電路觸發(fā)延遲角導(dǎo)通角 移相移相范圍同步換相單相橋式全控整流電路3三相半波可控整流電路三相橋式全控整流電路二、逆變電路1工作原理換相方式：自然換相和強迫換相強迫換相有電

17、容強迫換相、諧振負(fù)載換相、LC自由換相、輔助晶閘管LC換相、加旁路二極管的諧振換相電路。3單相橋式并聯(lián)逆變電路三相橋式并聯(lián)逆變電路3.SCR串并聯(lián)及保護 對大型整流裝置，單個SCR的電壓、電流定額不能滿足要求時，需進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。一、SCR串聯(lián) 當(dāng)SCR額定電壓小于實際要求時，可用兩個或兩個以上的同型號器件串聯(lián)。1存在問題：均壓問題靜態(tài)均壓：由于器件正向阻斷、反向阻斷特性不同，但流過相等漏電流，造成器件承受電壓不同。如圖，當(dāng)外加電壓增大后，VT2轉(zhuǎn)折，則VT1承受全部電壓，失去控制作用。外加反向電壓時，問題同樣存在。VIIROVT1VT2定義：均壓系數(shù)全部串聯(lián)器件承受的電壓總和全部串聯(lián)器件中分

18、擔(dān)最大電壓數(shù)值串聯(lián)器件數(shù)KU 100%，均壓越好。動態(tài)均壓：器件開通、關(guān)斷時間的差異引起SCR承受電壓 不同。2均壓措施選用特性一致的器件。靜態(tài)均壓電阻RP，使分壓由電阻決定。要求流過電阻RP的電流遠(yuǎn)大于管子漏電流。 動態(tài)均壓用電阻Rb和電容Cb串聯(lián)回路，用電容電壓不能突變的特性減慢電壓上升速率。門極觸發(fā)脈沖的強觸發(fā)和觸發(fā)脈沖前沿的一致性，也對均壓有益。3串聯(lián)時，管子額定電壓VTN選擇Vm：工作電壓的峰值二、SCR并聯(lián) SCR電流等級不合適或使用時為減少di/dt，開關(guān)損耗。 存在均流問題，多個SCR并聯(lián)時，管壓降一致，但SCR導(dǎo)通時電阻很小，達(dá)到電流一致很困難，而且電流大的結(jié)溫高，導(dǎo)通電阻更

19、小，電流更大。定義：均流系數(shù)各支路電流之和各支路中最大的支路電流值并聯(lián)支路數(shù)1靜態(tài)均流：SCR導(dǎo)通時的均流措施。選擇伏安特性一致的器件。加均流電阻。當(dāng)串聯(lián)的均流電阻Rron時，起均流作用，R越大，效果越好。改變R阻值，可調(diào)整各支路電流。R電阻有功率損耗。2動態(tài)均流：SCR從截止 導(dǎo)通過渡過程和從導(dǎo)通截止過渡過程中，由于器件開通延遲時間和關(guān)斷延遲時間不一致，造成動態(tài)不均流。其中，截止 導(dǎo)通過渡過程中，動態(tài)不均流會導(dǎo)致?lián)p壞管子。而導(dǎo)通截止過渡過程中，由于器件在導(dǎo)通時，陽極導(dǎo)電面積大，而且電流在減小，可承受一定的過流。選開通時間一致的SCR。門極強脈沖觸發(fā)。均流變壓器。合理布線。電感均流均流變壓器3

20、并聯(lián)時電流額定值選擇并聯(lián)臂平均電流總結(jié)： SCR同時串聯(lián)、并聯(lián)時，應(yīng)先串后并。 大功率設(shè)備中，采用變壓器二次繞組分組方式，獨立整流，輸出成組串聯(lián)、并聯(lián)。裝置串、并聯(lián)。三、SCR保護 可控硅系統(tǒng)，承受過電壓、過電流能力較差，短時間過電流、過電壓將會損壞器件。但設(shè)計時不能根據(jù)過電壓、過電流值確定電路參數(shù)，應(yīng)充分發(fā)揮器件的過載能力，主要靠保護電路來提高可靠性。（一）過電流及保護 過電流原因很多，如：SCR損壞，觸發(fā)電路故障，控制系統(tǒng)故障，交流電壓過高、過低或缺相，負(fù)載過載或短路，相鄰設(shè)備故障等。 SCR過載能力主要受結(jié)溫限制，一般，風(fēng)冷器件1150C，水冷器件1000C，在冷卻條件下： 流過兩倍通態(tài)平均電流時，耐受時間0.5s 流過三倍通態(tài)平均電流時，耐受時間60ms 流過六倍通態(tài)平均電流時，耐受時間20ms(一個周期）按此特性，用有效值換算，與保護電器相配合，進(jìn)行保護設(shè)計。保護方法： 1快速熔斷器： 普通熔斷器由于動作慢不能用于SCR保護，快速熔斷器熔斷時間極短，如：日產(chǎn)FA-F150C型，6倍額