晶閘管的工作原理與應(yīng)用.ppt

模塊一調(diào)光燈,1.1.1晶閘管及其工作原理1.1.2晶閘管的特性與主要參數(shù)1.1.3晶閘管的派生器件,返回,項(xiàng)目一認(rèn)識(shí)晶閘管和單結(jié)晶體管,1.1、晶閘管,晶閘管(Thyristor)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)和光控晶閘管等。普通晶閘管：也稱可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),簡(jiǎn)稱SCR。由于它電流容量大,電壓耐量高以及開(kāi)通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流、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。,1.1.1晶閘管及其工作原理,圖1.1.1晶閘管的外型及符號(hào),1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：,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),2、晶閘管的工作原理,圖1.1.3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路,(1)導(dǎo)通：陽(yáng)極施加正向電壓;門(mén)極G也加正向電壓,晶閘管(單向?qū)щ娦?,導(dǎo)通條件為陽(yáng)極正偏和門(mén)極加正向觸發(fā)電流。,返回,1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù),定義：晶閘管陽(yáng)極與陰極之間的電壓Ua與陽(yáng)極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。,圖1.3.4晶閘管陽(yáng)極伏安特性,.晶閘管的伏安特性：,2.晶閘管的開(kāi)關(guān)特性,1.3.5晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形,3.晶閘管的主要特性參數(shù),1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM:2）反向重復(fù)峰值電壓URRM:3）晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓通常取UDRM與URRM中的最小值,選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,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。,（1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓額定電壓Ute,（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流額定電流IT(AV),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)，使其有一定的電流裕量。,1）定義：在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下,晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170的單相工頻正弦半波電路中,當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。,2）IT(AV)計(jì)算方法：,（1.3.3）,（1.3.4）,根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電流。,額定電流有效值為：,額定電流(平均電流)為：,正弦半波電流的峰值,（3）門(mén)極觸發(fā)電流IGT和門(mén)極觸發(fā)電壓UGT,在室溫下，晶閘管加6V正向陽(yáng)極電壓時(shí)，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門(mén)極電流，稱為門(mén)極觸發(fā)電流IGT。對(duì)應(yīng)于門(mén)極觸發(fā)電流的門(mén)極電壓稱為門(mén)極觸發(fā)電壓UGT。,（4）通態(tài)平均電壓UT(AV),在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通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，稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降),（5）維持電流和掣住電流L,1）維持電流：在室溫下門(mén)極斷開(kāi)時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流為維持電流H。2）掣住電流L：給晶閘管門(mén)極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極電流稱掣住電流L。,返回,1.3.3晶閘管的派生器件,可允許開(kāi)關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(FastSwitchingThyristor，簡(jiǎn)稱FST)，開(kāi)關(guān)頻率在10KHZ以上的稱為高頻晶閘管。快速晶閘管為了提高開(kāi)關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在2000V以下。,1.快速晶閘管(FastSwitchingThyristorFST,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)稱的伏安特性。,圖1.3.6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,2.雙向晶閘管(TRIAC),3.逆導(dǎo)晶閘管(RCT),4.光控晶閘管(LTT),1)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。,2）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，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。,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。,返回,1.4可關(guān)斷晶閘管,可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor)簡(jiǎn)稱GTO。它具有普通晶閘管的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時(shí)它又是全控型器件，即在門(mén)極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。,PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極,圖1.4.1GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)(a)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形(b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖(c)電氣圖形符號(hào),1、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu),2、可關(guān)斷晶閘管的工作原理1）GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是相同的。2）在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流(即抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。,3、可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用,GTO主要用于直流變換和逆變等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達(dá)到兆瓦級(jí)的數(shù)量級(jí)。,不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。,用門(mén)極正脈沖可使GTO開(kāi)通，用門(mén)極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷，這是GTO最大的優(yōu)點(diǎn)。但要使GTO關(guān)斷的門(mén)極反向電流比較大，約為陽(yáng)極電流的/左右。GTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，在使用時(shí)要特別注意。,1.4.2可關(guān)斷晶閘管的特性,圖1.4.2可關(guān)斷晶閘管的開(kāi)關(guān)特性,返回,1.5、電力晶體管,電力晶體管（GiantTransistorGTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效.20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。,深飽和區(qū)：類似于開(kāi)關(guān)的通態(tài)。,圖1.5.3共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性,1、GTR共射電路輸出特性,輸出特性：截止區(qū)(又叫阻斷區(qū))、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個(gè)區(qū)域。,截止區(qū)：類似于開(kāi)關(guān)的斷態(tài)；,線性放大區(qū)：,準(zhǔn)飽和區(qū)：,返回,1.6電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,1、電力場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu),圖1.6.1N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號(hào),返回,1.7、絕緣柵雙極型晶體管,IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速開(kāi)關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性兩者優(yōu)點(diǎn)的一種復(fù)合器件。IGBT于1982年開(kāi)始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級(jí)達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開(kāi)關(guān)電源以及其它高速低損耗的中小功率領(lǐng)域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)。,（1）IGBT的伏安特性（如圖a)反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流Ic的關(guān)系。IGBT的伏安特性分為:截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。,圖1.7.2IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性,1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性,返回,1.8、其它新型電力電子器件,1.8.1靜電感應(yīng)晶體管1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門(mén)極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路,返回,1.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）,它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具有輸出功率大、輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備(例如200kHz、200kW的高頻感應(yīng)加熱電源)。并適用于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)、差轉(zhuǎn)機(jī)微波以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。,返回,1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）,它自1972年開(kāi)始研制并生產(chǎn)；優(yōu)點(diǎn)：與GTO相比，SITH的通態(tài)電阻小、通態(tài)壓降低、開(kāi)關(guān)速度快、損耗小及耐量高等；應(yīng)用：應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)，高頻加熱電源和開(kāi)關(guān)電源等領(lǐng)域；缺點(diǎn)：SITH制造工藝復(fù)雜，成本高；,返回,1.8.3MOS控制晶閘管（MCT）,MCT自20世紀(jì)80年代末問(wèn)世，已生產(chǎn)出300A/2000V、1000A/1000V的器件；結(jié)構(gòu)：是晶閘管SCR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET復(fù)合而成的新型器件，其主導(dǎo)元件是SCR，控制元件是MOSFET；特點(diǎn)：耐高電壓、大電流、通態(tài)壓降低、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度高；,返回,1.8.4MOS控制晶閘管（IGCT/GCT）,20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)。結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)所需的驅(qū)動(dòng)功率仍很大；,IGCT可望成為高功率高電壓低頻電力電子裝置的優(yōu)選功率器件之一。,返回,1.8.5功率模塊與功率集成電路,20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuitPIC）。,返回,1.9、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù),（1）電力電子開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)器接收控制系統(tǒng)輸出的控制信號(hào)，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開(kāi)關(guān)管，控制開(kāi)關(guān)器件的通、斷狀態(tài)。（2）過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)：包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測(cè)開(kāi)關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開(kāi)關(guān)器件，防止過(guò)流、過(guò)壓損壞開(kāi)關(guān)器件。檢測(cè)系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。（3）緩沖器：在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中防止開(kāi)關(guān)管過(guò)壓和過(guò)流，減小開(kāi)關(guān)損耗。,（4）濾波器：在輸出直流的電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器用來(lái)濾除輸出電壓或電流中的交流分量以獲得平穩(wěn)的直流電能；在輸出交流的電力電子系統(tǒng)中濾波器濾除無(wú)用的諧波以獲得期望的交流電能，提高由電源所獲取的以及輸出至負(fù)載的電力質(zhì)量。（5）散熱系統(tǒng)：散發(fā)開(kāi)關(guān)器件和其他部件的功耗發(fā)熱，減小開(kāi)關(guān)器件的熱心力，降低開(kāi)關(guān)器件的結(jié)溫。（6）控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)電力電子電路的實(shí)時(shí)、適式控制，綜合給定和反饋信號(hào)，經(jīng)處理后為開(kāi)關(guān)器件提供開(kāi)通、關(guān)斷信號(hào)，開(kāi)機(jī)、停機(jī)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)。,1.9.1電力電子器件的換流方式,在圖1.9.1中，T1、T2表示由兩個(gè)電力半導(dǎo)體器件組成的導(dǎo)電臂，當(dāng)T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通時(shí)，電流流過(guò)T2；當(dāng)T2關(guān)斷，T1導(dǎo)通時(shí)，電流i從T2轉(zhuǎn)移到T1。,圖1.9.1橋臂的換流,電力半導(dǎo)體器件可以用切斷或接通電流的開(kāi)關(guān)表示。,定義：電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的過(guò)程稱為換流（或換相）。,（1）器件換流：利用電力電子器件自身所有的關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為器件換流。（2）電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓使電力電子器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為電網(wǎng)換流。（3）負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，使電力電子器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為負(fù)載換流。凡是負(fù)載電流的相位超前電壓的場(chǎng)合，都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。,一般來(lái)說(shuō)，換流方式可分為以下四種：,（4）脈沖換流：設(shè)置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供換流電壓，控制電力電子器件實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為脈沖換流，有時(shí)也稱為強(qiáng)迫換流或電容換流。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流。,1.9.2驅(qū)動(dòng)電路,將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。在高壓變換電路中，需要時(shí)控制系統(tǒng)和主電路之間進(jìn)行電氣隔離，這可以通過(guò)脈沖變壓器或光耦來(lái)實(shí)現(xiàn)。,驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：,作用：產(chǎn)生符合要求的門(mén)極觸發(fā)脈沖，決定每個(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻。圖1.9.4為基于脈沖變壓器PT和三極管放大器的驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)加至三極管放大器后，變壓器PT輸出電壓經(jīng)D2輸出脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零后，D1、DZ續(xù)流，PT的原邊電壓速降為零，防止變壓器飽和。,圖1.9.4帶隔離變壓器的SCR驅(qū)動(dòng)電路,1晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路,圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)致光耦輸入端時(shí)，光耦輸出電路中R上的電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。,圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動(dòng)電路,1晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路,2GTO的驅(qū)動(dòng)電路,1)作用:將控制電路輸出的控制信號(hào)放大到足以保證GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度。2)功能:提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷(期望的基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖1.9.7所示)。實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。具有自動(dòng)保護(hù)功能，以便在故障發(fā)生時(shí)快速自動(dòng)切除驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免損壞GTR。電路盡可能簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。,3GTR的驅(qū)動(dòng)電路,圖1.9.8雙電源驅(qū)動(dòng)電路,圖1.9.10UAA4002組成的GTR驅(qū)動(dòng)電路,由于IGBT的輸入特性幾乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡(jiǎn)單，用于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于VDMOS。,圖1.9.11采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路,圖1.9.12推挽輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電路,4MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路,圖1.9.13EXB8XX驅(qū)動(dòng)模塊框圖,圖1.9.14集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路,1.9.3保護(hù)電路,電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可能會(huì)發(fā)生過(guò)電流、過(guò)壓，造成開(kāi)關(guān)器件的永久性損壞。過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測(cè)開(kāi)關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開(kāi)關(guān)器件，防止過(guò)流、過(guò)壓損壞開(kāi)關(guān)器件。檢測(cè)系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。,措施：通常電力電子系統(tǒng)同時(shí)采用電子電路、快速熔斷器、直流快速斷路器和過(guò)電流繼電器等幾種過(guò)電流保護(hù)措施，提高保護(hù)的可靠性和合理性?？烊蹆H作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。,圖1.9.16電力電子系統(tǒng)中常用的過(guò)流保護(hù)方案,1.過(guò)電流保護(hù)（過(guò)流包括過(guò)載和短路）,過(guò)電壓外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓。外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程（由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起）等外因。內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程。(1)換相過(guò)電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。(2)關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。,2過(guò)電壓保護(hù),