第一章晶閘管

電力電子技術(shù)—晶閘管南航電力電子課程組晶閘管·引言1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectricCompany）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化(16A/300V)。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，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（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）晶閘管(Thyrister)功率等級(jí):

幾KA/幾KV新品種:

快速,雙向,可關(guān)斷,光激發(fā)特點(diǎn):體小,輕重,效率高,反應(yīng)快,高壓大容量,

弱電控制強(qiáng)電(幾十毫安控制幾百幾千安)應(yīng)用:整流,逆變(尤其在大功率場(chǎng)合)，

第一節(jié)晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理一．晶閘管的結(jié)構(gòu)符號(hào)：陽(yáng)極A，陰極K，門極G（控制極）第一節(jié)晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理螺栓形：螺栓—陽(yáng)極A，粗引線–陰極K

細(xì)引線---門極G

特點(diǎn)：安裝方便K

AGG

K第一節(jié)晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理平板形：兩面分別為陽(yáng)極A和陰極K

中間引出線---門極G

特點(diǎn)：散熱效果好，容量大晶閘管的結(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)一．晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的內(nèi)部管芯結(jié)構(gòu)：基本材料:硅單晶體四層三端器件(P1N1P2N2）鉬片：導(dǎo)電材料，用于減小/緩沖相鄰兩種材料的熱膨脹系數(shù)的差別，以保證在各種溫度下接觸可靠KGAP1N1P2N2N2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)晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管開關(guān)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)說明（P7）實(shí)驗(yàn)頁(yè)面鏈接:二．晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷條件結(jié)論：1導(dǎo)通條件：UAK>0ANDUGK>0(iG>0適當(dāng)值)關(guān)斷條件：IA減小至維持電流以下。UAK減小到零或加反壓來達(dá)到一旦導(dǎo)通，門極失去控制，故可用脈沖信號(hào)晶閘管的工作特性！承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(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（P7)：只能控制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷----半控三．晶閘管的工作原理從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析單向?qū)ǖ墓ぷ髟硭膶尤似骷≒1N1P2N2）三個(gè)PN結(jié)J1,J2,J3:UAK>0時(shí)，J1,J3正偏,J2反偏（正向阻斷狀態(tài)）

UAK<0時(shí)，J1,J3反偏,J2正偏（反向阻斷狀態(tài)）

晶閘管內(nèi)部管芯結(jié)構(gòu)圖

雙晶體管模型晶閘管的工作原理導(dǎo)通的正反饋過程：

半控特性：一旦導(dǎo)通，UGK可有可無(wú)

IgIb2

Ic2(Ib1)

Ic1正反饋！三極管知識(shí)回顧參考：模擬電子教材P36三極管電氣符號(hào)三極管的三個(gè)電極：發(fā)射極、集電極、基極共基極電路共基極電流放大倍數(shù)：發(fā)射區(qū)注入電子傳輸?shù)郊娊Y(jié)所占的百分比是一定的，這個(gè)百分比用α表示，稱為共基極電流放大系數(shù)：

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理(P8)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的共基極漏電流，Ico為J2結(jié)的反向漏電流：圖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，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）晶閘管的工作原理在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。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)射極電流建立起來之后，迅速增大。

阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的電流近似為J2結(jié)反向漏電流。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的話，IA會(huì)急劇上升，晶閘管由正阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為正向?qū)У罓顟B(tài)，電流大小僅處決于外部主回路晶閘管的伏安特性

第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性圖1-8晶閘管的伏安特性第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)一、晶閘管的伏安特性（1）正向伏安特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。(雪崩擊穿/非正常導(dǎo)通)正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)（1）正向伏安特性：Ig=0時(shí)：UBO---正向轉(zhuǎn)折電壓雪崩擊穿導(dǎo)通Ig增大時(shí)：較小的UAK即可導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降?。ㄔ?V左右）導(dǎo)通后IA取決于外部電路IA<IH時(shí)關(guān)斷正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM一、晶閘管的伏安特性第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)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。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。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性二、晶閘管的主要參數(shù)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)加在器件上的正向峰值電壓斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM ——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許不重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓1）電壓參數(shù)第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)Ig=0,TJ=TJM,50hz不大于10ms/次UDSM<UBO

UDRM=80%UDSM二、晶閘管的主要參數(shù)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。反向不重復(fù)峰值電壓URSM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許不重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。1）電壓參數(shù)第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)Ig=0,TJ=TJM,50hz不大于10ms/次

URRM=80%URSMUDSM—斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDRM—斷態(tài)重復(fù)峰值電壓URSM—反向不重復(fù)峰值電壓URRM—反向重復(fù)峰值電壓額定電壓：min(UDRMURRM)取整通常取晶閘管的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2~3倍使用注意：第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)二、晶閘管的主要參數(shù)1）電壓參數(shù)UON—通態(tài)平均電壓（管壓降）：通過正弦半波的額定通態(tài)平均電流和額定結(jié)溫時(shí)，A-K電壓降平均值

晶閘管－－－電流參數(shù)！ITav—通態(tài)平均電流（額定電流）：

允許通過的工頻正弦半波電流的平均值（按系列取整）（環(huán)境溫度+40度和規(guī)定的冷卻條件下導(dǎo)通角不小于170度阻性負(fù)載電路）之所以通態(tài)平均電流來標(biāo)定是因?yàn)檎麟娐份敵龆顺Ｓ闷骄娏鱽肀碚鳑Q定晶閘管的最大電流->管芯半導(dǎo)體結(jié)溫->流過電流的有效值（相同的電流有效值條件下，其發(fā)熱情況相同，選取型號(hào)相同）有效值與平均值的定義

可根據(jù)平均值、有效值的定義來求出。設(shè)f(t)為表示電壓或電流的周期函數(shù)，則它在0~Ts期間的平均值和有效值用如下公式：正弦半波的電流平均值與有效值正弦半波的電流平均值與有效值●ITav—通態(tài)平均電流（額定電流）正弦半波的波形系數(shù)定義波形系數(shù)：波形系數(shù)Kf有效值/平均值如果額定電流為100A的晶閘管其允許通過的電流有效值為1.57×100＝157A非正弦波形的電流額定值計(jì)算！在實(shí)際電路中，流過晶閘管的波形可能是任意的非正弦半波波形對(duì)于這些波形，應(yīng)根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則將非正弦半波電流的有效值IT折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值由于晶閘管元件的熱容量小，過載能力低，故在實(shí)際選用時(shí)，一般取1．5—2倍的安全裕量例題

例（P13）流經(jīng)晶閘管的電流波形如圖所示，試計(jì)算該電流波形的平均值、有效值及波形系數(shù)。若取安全系數(shù)為2，問額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流平均值和最大值為多少?第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)

例（P13）流經(jīng)晶閘管的電流波形如圖所示，試計(jì)算該電流波形的平均值、有效值及波形系數(shù)。若取安全系數(shù)為2，問額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的該波形電流平均值和最大值為多少?ITav=(1.5~2)IT/1.57=(1.5~2)

KfId/1.57公式折算含義！IT為應(yīng)用電流的有效值；Id為應(yīng)用電流的平均值；Kf為應(yīng)用電流的波形系統(tǒng)；ITav為額定電流用法一：對(duì)于任意波形應(yīng)用，在知道具體電流大小，求解晶閘管的額定電流取值用法二：對(duì)于任意波形應(yīng)用，給定晶閘管的額定電流后，求解任意波形的平均值最大允許值晶閘管的主要參數(shù)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)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。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)同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。2）電流定額元件主要參數(shù)表格說明第一位：P10T：表示通態(tài)D：表示斷態(tài)R：表示反向第二位：R：表示反復(fù)S：表示不重復(fù)最后一位：M：表示最大值。元件門極參數(shù)表格說明第一位：P11G：表示門極特性第二位：T：表示門極觸發(fā)條件D：表示門極不觸發(fā)條件F：表示正向門極電壓條件R：表示反向門極電壓條件最后一位：M：表示最大值。第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)3）動(dòng)態(tài)參數(shù)●du/dt---斷態(tài)電壓臨界上升率條件：額定結(jié)溫，門極開路使SCR保持?jǐn)鄳B(tài)所能承受的最大電壓上升率

超過會(huì)誤導(dǎo)通：

J2結(jié)電容效應(yīng)---位移電流限制方法：在SCRA-K兩端并RC(防止截止期間誤導(dǎo)通)第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)3）動(dòng)態(tài)參數(shù)●di/dt---通態(tài)電流臨界上升率在規(guī)定條件下，SCR門極觸發(fā)開通時(shí)，SCR能承受的不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率di/dt超過會(huì)引起過熱損壞：電流集中！限制方法：

在陽(yáng)極電路串一小電感；快速上升的強(qiáng)觸發(fā)脈沖可提高di/dt承受能力第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)3）動(dòng)態(tài)參數(shù)●tON---門極控制開通時(shí)間

tON=td(延時(shí))+tr(上升)第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)3）動(dòng)態(tài)參數(shù)●tOF---電路換向關(guān)斷時(shí)間

tOF=trr(反向恢復(fù))+tgr(門極恢復(fù)) SCR承受反壓時(shí)間必須大于ToF2.動(dòng)態(tài)特性晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第二節(jié)晶閘管的特性和主要參數(shù)

晶閘管的門極伏安特性和參數(shù)定額門極伏安特性：UGK--Ig關(guān)系。與二極管相似三個(gè)區(qū)：不觸發(fā)區(qū)：0---UGD—IGDUGD—不觸發(fā)電壓IGD—不觸發(fā)電流可靠觸發(fā)區(qū)：ABCGFEDUGT—觸發(fā)電壓IGT—觸發(fā)電流不可靠觸發(fā)區(qū)：ABCJIH干擾信號(hào)應(yīng)限制在該區(qū)域內(nèi)G晶閘管的門極伏安特性和參數(shù)定額UGFM—門極的正向峰值電壓IGFM—門極的正向峰值電流PGav—門極的平均功率PGM—門極的峰值功率第一章學(xué)習(xí)要求！了解掌握晶閘管的：電工符號(hào)，三個(gè)極名稱；內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)成及工作原理；基本特性；開通和關(guān)斷條件主要參數(shù)；額定電流門極可靠觸發(fā)區(qū)選取

選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題晶閘管的選取方法！主要包括額定電壓、額定電流參數(shù)兩部分。額定電壓參數(shù)的選取主要是根據(jù)晶閘管所承受的最大電壓，再根據(jù)要求乘以電壓安全裕量系數(shù)；額定電流參數(shù)的選取主要是根據(jù)晶閘管電流的通態(tài)平均值，再根據(jù)要求乘以電流安全裕量系數(shù)即可。根據(jù)計(jì)算的電壓和電流的數(shù)值，及生產(chǎn)廠家提供的晶閘管的參數(shù)表，就可確定所選晶聞管的型號(hào)。課堂練習(xí)型號(hào)為KP-100-3的晶閘管，其額定電壓為300V，額定電流為100A，維持電流為4mA,掣住電流為15mA如圖所示，將電路中串入電流表和燈泡，如果初始狀態(tài)燈泡為點(diǎn)亮狀態(tài)，加大電阻R，則燈泡逐漸變暗，最后熄滅，則熄滅前電流表讀數(shù)約

；將電阻R調(diào)小，重新給T施加正向觸發(fā)信號(hào)，燈泡逐漸變亮，將觸發(fā)信號(hào)去掉，燈泡又熄滅，則熄滅前電流表的最大讀數(shù)應(yīng)小于

。題解1.11．1晶閘管導(dǎo)通的條件是什么?怎樣使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷?

晶閘管導(dǎo)通條件是：

(1)晶閘管陽(yáng)極和陰極之間施加正向陽(yáng)極電壓。

(2)晶閘管門極和陰極之間必須加上適當(dāng)?shù)恼蛎}沖電壓和電流。在晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去控制作用，欲使之關(guān)斷，只需將流過晶閘管的電流減小到其維持電流以下，可采用陽(yáng)極電壓反向、減小陽(yáng)極電壓或增大回路阻抗等方式。題解1.21-2型號(hào)KP-100-3（ITav=100A,額定電壓300V）的晶閘管，維持電流IH=4mA,使用在以下電路中是否合適？1-3在題圖1-3電路中，E=50V，R=0.5Ω，L=0.5H，晶閘管掣住電流為15mA。要使晶閘管導(dǎo)通，門極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應(yīng)為多少？題解1.41-4在圖b