電力電子技術2.1-2.2.ppt

第2章電力電子器件 2 1電力電子器件概述1電力電子器件的概念定義 電力電子電路中能實現(xiàn)電能的變換和控制的半導體器件稱為電力電子器件 能夠完成電能變換和控制的電路稱為電力電子電路 電真空器件 如汞弧整流器 半導體器件 主要采用半導體材料硅 本課程所涉及的器件都是指半導體電力電子器件 電力電子器件是電力電子技術及其應用系統(tǒng)的基礎 熟悉和掌握電力電子器件的結(jié)構 原理 特性和使用方法 是學好電力電子技術的基礎 從廣義上說 電力電子器件可分為 2電力電子器件的基本模型與特征 1 基本模型在對電能的變換和控制過程中 電力電子器件可以抽象成如下圖所示的理想開關的模型 它有三個電極 其中A和B代表開關的兩個主電極 K是控制開關通 斷的控制極 它只工作在 通態(tài) 和 斷態(tài) 兩種情況下 通態(tài)時其電阻為零 斷態(tài)時其電阻為無窮大 2 基本特征在通常情況下 電力電子器件具有如下特征 1 電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài) 用理想開關模型來代替 導通時 通態(tài) 阻抗很小 接近于短路 管壓降接近于零 流過它的電流由外電路決定 阻斷時 斷態(tài) 阻抗很大 接近于斷路 流過它的電流幾乎為零 而管子兩端電壓由外電路決定 2 電力電子器件的開關狀態(tài)由外電路 驅(qū)動電路 來控制 驅(qū)動電路 指用來控制電力電子器件導通和關斷的電路 3 在實際應用中 電力電子器件與理想開關模型有較大的差別 即器件在工作時會產(chǎn)生很大的功率損耗 為保證不因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞 在其工作時一般都要安裝散熱器 電力電子器件在工作時產(chǎn)生的功率損耗主要有以下三類 通態(tài)損耗 器件導通時 其電阻并不為零而使它有一定的通態(tài)壓降 形成通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 阻斷時 器件電阻并非無窮大 而使它有微小的斷態(tài)漏電流流過 形成斷態(tài)損耗 開關損耗 器件在開通或關斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的開通功率損耗和關斷功率損耗 通常 斷態(tài)損耗很小 因而通態(tài)損耗成為器件功率損耗的主要原因 但當器件開關頻率較高時 開關損耗隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 3應用電力電子器件的系統(tǒng)組成從宏觀角度來說 電力電子電路也稱為電力電子系統(tǒng) 是由控制電路 驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成的一個系統(tǒng) 如下圖所示 廣義上 人們往往將主電路以外的其他電路都歸為控制電路 所以 也可以說 電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的 1 主電路 進行電能的變換和控制的電路 特點 電路中的電流和電壓一般都較大 2 控制電路 按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號 通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導通或關斷 來完成整個系統(tǒng)的功能 特點 電路中的電流和電壓較小 3 檢測電路 對主電路或應用現(xiàn)場的信號進行檢測 并轉(zhuǎn)換為控制電路所能接收的信息 4 驅(qū)動電路 將控制電路傳遞的小功率信息 電壓 電流 轉(zhuǎn)換為可以被主電路所接收的信息 5 保護電路 用于保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽抗ぷ?因為主電路中有電壓和電流的沖擊 而電力電子器件一般比主電路中的普通器件昂貴 但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些 所以保護電路的存在是非常必要的 6 電氣隔離 將主電路和控制電路等進行安全隔離 而通過光 磁等來傳遞信號 因為主電路中電流和電壓較大 而控制電路中的元器件只能承受較小的電壓和電流 因此在主電路和控制電路連接的路徑上需要進行電氣隔離 例如 驅(qū)動電路與主電路的連接處 與控制信號的連接處 主電路與檢測電路的連接處 4電力電子器件的分類 1 按照器件的開關控制特性分類 分為三類 不可控器件 器件本身沒有導通 關斷控制功能 而是需要根據(jù)電路條件決定其導通 關斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件 如 電力二極管 半控型器件 通過控制信號只能控制其導通 不能控制其關斷的電力電子器件稱為半控型器件 如 晶閘管及其大部分派生器件 全控型器件 通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷的器件 稱為全控型器件 如 門極可關斷晶閘管 GTO 功率晶體管GTR 功率場效應晶體管 MOSFET 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 等 2 按載流子類型分為三類 單極型器件由一種載流子參與導電的器件 稱為單極型器件 如功率場效應管MOSFET 靜電感應晶體管SIT等 雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件 稱為雙極型器件 如PN結(jié)整流管 普通晶閘管 電力晶體管等 混合型器件由單極型和雙極型兩種器件組成的復合型器件 稱為混合型器件 如IGBT MCT MOS控制晶閘管 等 3 按控制信號的性質(zhì)不同分類 分為兩類 電流控制型器件 采用電流信號來實現(xiàn)其導通或關斷控制 如 晶閘管 門極可關斷晶閘管 電力晶體管GTR IGCT 集成門極換流晶閘管 等 電流控制型器件的特點是 a在器件體內(nèi)有電子和空穴兩種載流子導電 由導通轉(zhuǎn)向阻斷時 兩種載流子在復合過程中產(chǎn)生熱量 使器件結(jié)溫升高 過高的結(jié)溫限制了工作頻率的提高 因此 電流控制型器件比電壓控制型器件的工作頻率低 b電流控制型器件具有電導調(diào)制效應 使其導通壓降很低 導通損耗較小 c電流控制型器件的控制極輸入阻抗低 控制電流和控制功率較大 電路也比較復雜 當PN結(jié)上流過的正向電流較大時 注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子 空穴 濃度將很大 為了維持半導體的中性條件 其多子濃度也相應大幅度增加 使得其電阻率明顯下降 也就是電導率大大增加 這就是電導調(diào)制效應 電導調(diào)制效應 電壓控制型器件 采用電壓控制 場控原理控制 其導通或關斷 其輸入端基本上不流過控制電流信號 用小功率信號就可驅(qū)動其工作 如 MOSFET管 IGBT管等 電壓控制型器件的特點是 a輸入阻抗高 控制功率小 控制線路簡單 b工作頻率高 c工作溫度高 抗輻射能力強 主要電力電子器件的特性及其具有代表性的應用領域 詳見下表 電力二極管1電力二極管及其工作原理 1 電力二極管概述電力二極管也稱為半導體整流器 SR 屬不可控電力電子器件 是20世紀最早 50年代 獲得應用的電力電子器件 它在中 高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合發(fā)揮著積極的作用 具有不可替代的地位 2 電力二極管的結(jié)構與工作原理 結(jié)構基本結(jié)構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣 以半導體PN結(jié)為基礎 由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線再加以封裝就構成了電力二極管 從外形上看 主要有螺栓型和平板型兩種封裝 如下圖所示 PN結(jié)PN結(jié)是由N型半導體和P型半導體結(jié)合后構成的 如下圖所示 PN結(jié)的形成 N型半導體中有大量的電子 多子 P型半導體中有大量的空穴 多子 在兩種半導體的交界處由于電子和空穴的濃度差別 形成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動 其結(jié)果是在N型半導體和P型半導體的分界面兩側(cè)分別留下了帶正 負電荷的離子 這些不能移動的正 負電荷稱為空間電荷 這個區(qū)域稱為空間電荷區(qū) 空間電荷建立的電場稱為內(nèi)電場 其方向是阻止擴散運動的 另一方面 內(nèi)電場又吸引對方區(qū)域中的少子向本區(qū)運動 即形成漂移運動 擴散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又是一對矛盾 最終達到動態(tài)平衡 正 負空間電荷量達到穩(wěn)定值 形成了一個穩(wěn)定的空間電荷區(qū) 這就是PN結(jié) PN結(jié)的三種工作狀態(tài) 即二極管的工作原理 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 當給PN結(jié)外加正向電壓 P正N負 時 外電場方向與內(nèi)電場方向相反 外電場削弱內(nèi)電場 空間電荷區(qū)變窄 使多子的擴散運動大于少子的漂移運動 形成從P區(qū)流向N區(qū)的正向電流 此時PN結(jié)表現(xiàn)為低電阻 電力二極管電壓降只有1V左右 PN結(jié)的反向截止狀態(tài) 當PN結(jié)外加反向電壓 P負N正 時 外電場與內(nèi)電場方向相同 使內(nèi)電場增強 空間電荷區(qū)變寬 使得少子的漂移運動強于多子的擴散運動 形成從N區(qū)流向P區(qū)的反向電流 由于少子的濃度很小 只有極小的反向漏電流流過PN結(jié) PN結(jié)表現(xiàn)為高電阻 所以PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)的反向擊穿 當反向電壓增大到某一值 反向擊穿電壓 時 反向電流急劇增大 PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生雪崩擊穿 導致二極管損壞 PN結(jié)的電容效應PN結(jié)的電荷量隨外加電壓的變化而變化 呈現(xiàn)電容效應 稱為結(jié)電容CJ 又稱為微分電容 結(jié)電容按其產(chǎn)生的機制和作用的差別分為以下兩類 A 勢壘電容CB 它只在外加電壓變化時才起作用 外加電壓頻率越高 其作用越明顯 它的大小與PN結(jié)的截面積成正比 與阻擋層厚度成反比 B 擴散電容CD 它僅在正向偏置時起作用 在正向偏置時 當正向電壓較低時 勢壘電容為結(jié)電容的主要成份 正向電壓較高時 擴散電容為結(jié)電容的主要成份 注意 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率 特別是在高速開關的狀態(tài)下 可使其單向?qū)щ娦宰儾?甚至不能工作 應用時要注意 3 造成電力二極管與普通二極管的區(qū)別的一些因素 雖然電力二極管與普通二極管的結(jié)構 工作原理基本一樣 但使用是不一樣的 造成這種區(qū)別的因素是 正向?qū)〞r要流過很大的電流 其電流密度較大 因而額外載流子的注入水平較高 電導調(diào)制效應不能忽略 引線和焊接電阻的壓降等都不能忽略 承受的電流變化率di dt較大 因而其引線和器件自身的電感效應也會有較大影響 為了提高反向耐壓 其摻雜濃度低也造成正向壓降較大 2電力二極管的特性主要是指其伏安特性和開關特性 1 電力二極管的伏安特性 其伏安特性曲線如圖所示 IF 正向平均電流UF 對應IF時的正向壓降UTO 門檻電壓 為0 6 0 7V以上IRR 反向漏電流UB 反向擊穿電壓 當電力二極管承受的正向電壓大到門檻電壓時 就有正向電流通過 正向電流隨外加正向電壓增大而迅速增加 二極管處于正向?qū)顟B(tài) 呈現(xiàn) 低阻態(tài) 此時管子兩端的正向電壓稱為管壓降 僅1V左右 當二極管承受反向電壓時 只有很小的反向漏電流流過 器件反向截止 呈現(xiàn) 高阻態(tài) 如果增加反向電壓 達到反向擊穿電壓時 反向電流急劇增大 管子反向擊穿 2 電力二極管的開關特性 也稱動態(tài)特性指電力二極管工作狀態(tài)在通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換時的特性 1 關斷特性 關斷 電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)的過程 關斷過程中的電壓 電流波形如圖所示 關斷須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力 進入截止狀態(tài) 在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn) 并伴隨有明顯的反向電壓過沖 由于外電路電感存在 當原來處于正向?qū)ǖ碾娏ΧO管外加電壓在tF時刻突然從正向變?yōu)榉聪驎r 正向電流IF開始下降 下降速率由反向電壓和電路中的電感決定 而管壓降由于電導調(diào)制效應基本變化不大 到t0時刻正向電流降為零 此時器件并沒有恢復反向阻斷能力 而是在外加反向電壓作用下形成較大的反向電流 直到t1時刻反向電流IRP 由URP產(chǎn)生的 達到最大值后 才開始恢復反向阻斷 反向恢復電流迅速減小 到了t2時刻 電流變化率接近于零 管子兩端的反向電壓才降到外加反向電壓UR 二極管完全恢復反向阻斷能力 原因 正向?qū)〞r在管子兩側(cè)儲存有大量少子 它們在外加反向電壓作用下被抽取出管子 因而形成較大的反向電流 當它們即將被抽盡時 管壓降變?yōu)樨摌O性 URP 是外電路中電感產(chǎn)生的感應電動勢使器件承受的很高的反向電壓 從圖中可定義 延遲時間 td t1 t0下降時間 tf t2 t1反向恢復時間 trr td tf此時間就是關斷過程中 電流降到零時起到恢復反向阻斷能力時止的時間 恢復特性的軟度 也稱恢復系數(shù) 是下降時間與延遲時間的比值 Sr tf td Sr越大 則恢復特性越軟 就是反向電流下降時間相對較長 則在同樣條件下造成的反向電壓過沖較小 2 開通特性 開通 電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)的過程 開通過程中的電壓 電流波形如圖所示 二極管在開通過程中 其正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP 幾伏 幾十伏 經(jīng)過一段時間才接近穩(wěn)態(tài)值UF 1 2V 這段時間稱為正向恢復時間tfr 其原因 電導調(diào)制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子 在達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大 正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降 電流上升率越大 UFP越高 3電力二極管的主要參數(shù) 1 額定正向平均電流IF AV 指器件長期運行在規(guī)定管殼溫度和散熱條件下允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值 設正弦半波電流的峰值為Im 則額定電流 平均電流 IF AV 為 額定電流有效值IF為 均方根 定義 波形系數(shù) 某電流波形的有效值與平均值之比稱為這個電流的波形系數(shù) 根據(jù)此定義可求出正弦半波電流的波形系數(shù)為 這說明 額定電流IF AV 100A的電力二極管 其額定電流有效值為IF 157A 注意 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的 因此使用時應按有效值相等的原則來選取器件的額定電流 并應留有1 5 2倍的裕量 當用在頻率較高的場合時 開關損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當采用反向漏電流較大的電力二極管時 其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應也不能忽略 2 正向壓降UF 指規(guī)定條件下 流過穩(wěn)定的額定電流時 器件兩端的正向平均電壓 又稱管壓降 3 反向重復峰值電壓URRM 指器件能重復施加的反向最高峰值電壓 此電壓通常是擊穿電壓UB的2 3 使用時 往往按照電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的2倍來選定 4 反向漏電流IRR 指器件對應于反向重復峰值電壓時的反向電流 5 最高工作結(jié)溫TJM 指器件中PN結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度 它通常在125 175 范圍內(nèi) 其他參數(shù)詳見有關參考文獻 常用電力二極管的主要性能參數(shù)詳見有關手冊 4電力二極管的主要類型電力二極管的應用范圍廣 種類也很多 主要有以下幾種類型 1 普通二極管 又稱整流二極管 應用 多用于開關頻率在1kHZ以下的整流電路中 主要特性 其反向恢復時間在5 s以上 這在開關頻率不高時不重要 正向額定電流可達數(shù)千安 反向額定電壓可達數(shù)千伏以上 2 快恢復二極管 反向恢復時間在5 S以下的稱為快恢復二極管 快速恢復二極管 反向恢復時間為數(shù)百納秒以上 超快速恢復二極管 反向恢復時間在100nS以下 其容量可達1200V 200A的水平 應用 多用于高頻整流和逆變電路中 3 肖特基二極管 是一種金屬同半導體相接觸形成整流特性的單極型器件 主要特性 導通壓降為0 4 0 6V反向恢復時間短 為幾十納秒反向耐壓在200V以下反向漏電流較大 對溫度敏感 反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略 應用 常被用于高頻低壓開關電路或高頻低壓整流電路中 它分為 2 2半控型器件 晶閘管SCR1晶閘管的結(jié)構及其工作原理 1 晶閘管概述晶閘管包括 普通晶閘管 快速晶閘管 雙向晶閘管 逆導晶閘管 可關斷晶閘管和光控晶閘管等 但因為普通晶閘管問世早 應用極為廣泛 所以在無特殊說明的情況下 本課程所說的晶閘管都為普通晶閘管 普通晶閘管 也稱可控硅整流管 晶體閘流管 1957年問世 之后開始研制生產(chǎn) 由于它電流容量大 4500A 電壓耐量高 8000V 以及開通的可控性 已被廣泛應用于相控整流 逆變 交流調(diào)壓 直流變換等領域 成為特大功率低頻 200HZ以下 裝置中的主要器件 2 晶閘管的結(jié)構 晶閘管的外形與封裝形式 如圖所示 其封裝形式分為 小電流塑封式 a 圖小電流螺旋式 b 圖大電流螺旋式 c 圖大電流平板式 d 圖所謂大電流 指額定電流在200A以上的 晶閘管有三個電極 A 陽極 K 陰極G 門極或稱柵極 晶閘管的電氣圖形符號 如圖所示 晶閘管是大功率器件 工作時產(chǎn)生大量的熱 因此必須安裝散熱器 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構 普通晶閘管由四層半導體 P1 N1 P2 N2 組成 形成三個PN結(jié) 并分別從P1 P2 N2引出A G K三個電極 如圖所示 如果正向電壓 A正K負 加到器件上 則J1 J3正偏 J2反偏 則A K之間處于阻斷狀態(tài) 只能流過很小的漏電流 稱為正向阻斷狀態(tài) 如果反向電壓加到器件上 則J1 J3反偏 也阻斷 僅有很小的漏電流通過 稱為反向阻斷狀態(tài) 3 晶閘管的工作原理從晶閘管的結(jié)構可知 普通晶閘管可以等效成由兩個晶體管T1 P1N1P2 和T2 N1P2N2 組成的等效電路 如圖所示 導通 當器件陽極和陰極間加正向電壓時 若無門極電流 晶閘管將處于關斷狀態(tài) 若給門極G也加正向電壓Ug 即向門極注入電流Ig 稱為驅(qū)動電流 Ig進入T2的基極 經(jīng)放大后成為集電極電流IC2 IC2又是T1的基極電流 而放大后的集電極電流IC1進一步使Ig增大且又作為T2的基極電流流入T2 如此形成強烈的正反饋 T1和T2都快速進入飽和狀態(tài) 使晶閘管陽極和陰極之間導通 此時若撤除門極電流Ig Ug 由于T1 T2已形成了強烈的正反饋 使電流維持原來的方向 只要滿足陽極正偏的條件 晶閘管就一直導通 關斷 晶閘管導通后 即使撤除門極電流 也不能使其關斷 若要關斷晶閘管 必須去掉陽極電壓 或者給陽極施加反壓 或者設法使陽極電流減小到維持電流以下 導致正反饋無法維持 晶閘管才能關斷 若給器件加反向電壓 無論有無門極電流 都不能使其導通 結(jié)論 晶閘管導通的條件 正向陽極電壓和正向門極電壓同時存在 晶閘管關斷的條件 陽極加反向電壓或為0 或陽極電流小于維持電流 由上可知 晶閘管也有單向?qū)щ娦?但與二極管的單向?qū)щ娦圆煌?當門極無正向電壓時 盡管陽極已加上正向電壓 晶閘管仍處于關斷狀態(tài) 在門極電壓的控制 觸發(fā) 下 晶閘管立即導通 門極的這種控制作用稱為閘流特性 也稱為晶閘管的可控單向?qū)щ娦?門極電壓只能觸發(fā)晶閘管導通 不能控制其關斷 所以它是半控型電力電子器件 總結(jié)以上得出晶閘管的特點 具有單向?qū)щ娦?屬半控型半導體電力電子器件 屬電流控制器件 注意 晶閘管在下列情況下也可能被觸發(fā)導通 陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du dt過高 結(jié)溫過高 上述三種觸發(fā)方式不易控制而難于應用于實踐 光直接照射硅片 即光觸發(fā) 光觸發(fā)的晶閘管稱為光控晶閘管 它可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣 所以主要用于高壓電力設備中 所以 只有門極觸發(fā)是最精確 迅速而可靠的控制手段 2晶閘管的特性 1 靜態(tài)特性SCR承受反壓時 無論有無門極電流 都不會導通 承受正向電壓時 僅在門極有觸發(fā)電流的情況下才能導通 但導通后門極就失去控制作用 要使其關斷 只能使晶閘管的電流降到維持電流以下 2 晶閘管的伏安特性定義 晶閘管陽極與陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關系曲線稱為晶閘管的伏安特性 如圖所示 UDRM URRM 正 反向斷態(tài)重復峰值電壓UDSM URSM 正 反向斷態(tài)不重復峰值電壓UBO 正向轉(zhuǎn)折電壓URO 反向擊穿電壓IH 維持電流 晶閘管伏安特性 正向伏安特性 A Ig 0時 逐漸增大陽極電壓Ua 只有很小的正向漏電流 則晶閘管處于正向阻斷 隨著陽極電壓的增加 當達到臨界值即正向轉(zhuǎn)折電壓時 漏電流突然劇增 晶閘管由阻斷變?yōu)閷顟B(tài) 這種導通方式稱為 硬開通 多次 硬開通 使其損壞 所以通常不允許 B 隨著門極電流的增大 晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓迅速下降 當Ig足夠大時 UBO很小 加上正向陽極電壓 即可導通 正向阻斷時 晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流的增加而不同的曲線簇 C 晶閘管導通后的伏安特性與二極管的正向特性相似 D 晶閘管本身的壓降 稱為通態(tài)壓降 很小 在1V左右 E 導通后要使其恢復阻斷 只有減小陽極電流Ia 當它下降到維持電流IH以下時 晶閘管便由正向?qū)ㄗ優(yōu)檎蜃钄?反向伏安特性 A 晶閘管的反向特性與二極管的反向特性相似 B 當其承受反向陽極電壓時 總是處于阻斷狀態(tài) 只有很小的反向漏電流通過 C 當反向電壓增加到一定時值時 反向漏電流增加較快 再繼續(xù)增大反向陽極電壓 會導致晶閘管反向擊穿 由上可知 晶閘管就像一個可以控制的單向無觸點開關 但這個開關并不是理想的 在阻斷時其電阻并不是無窮大 而是有很小的漏電流 導通時電阻也不為零 還有一定的管壓降 晶閘管的門極特性由晶閘管的結(jié)構可以看出 門極和陰極之間有一個PN結(jié)J3 其伏安特性稱為門極伏安特性 其特性應與一般的二極管特性類似 但為了提高晶閘管耐受di dt能力 對門極區(qū)域進行了特殊處理 所以其特性比一般PN結(jié)特性稍差一些 而且分散性很大 為了應用上的方便 常用一個由一條典型極限低阻門極伏安特性和一條極限高阻門極伏安特性圍成的區(qū)域來表示某類型號所有器件的門極伏安特性 稱為門極伏安特性區(qū)域 如圖所示為某一型號晶閘管的伏安特性 確保觸發(fā) Ig IGT Ug UGT加反壓 10 防止誤觸發(fā) 門極峰值功率 門極正向峰電壓 門極平均功率 門極正向峰電流 該門極伏安特性被劃分為三個區(qū)域 一個是不觸發(fā)區(qū) 一個是不可靠觸發(fā)區(qū) 一個是可靠觸發(fā)區(qū) 不觸發(fā)區(qū)是為了使晶閘管具有一定的抗干擾能力 避免很小的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流就能使晶閘管導通 而對廠商所做的一種限制 即 其出廠的產(chǎn)品 當門極所加信號在此范圍內(nèi)時 不應使晶閘管觸發(fā)導通 不可靠觸發(fā)區(qū)是規(guī)定生產(chǎn)廠商出廠器件的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流值應處于該區(qū)域 而觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)信號值若在此范圍時 該批晶閘管不會全部都被觸發(fā)導通 可靠觸發(fā)區(qū)則是為了保證晶閘管可靠安全的觸發(fā) 門極觸發(fā)電路應提供的觸發(fā)電壓 觸發(fā)電流和功率及應受到限制的區(qū)域 當器件結(jié)溫升高時 由于正向阻斷能力降低 所需門極電壓和電流也隨之減小 3 晶閘管的開關特性 也稱動態(tài)特性 指晶閘管的通態(tài)和斷態(tài)轉(zhuǎn)換過程中電壓和電流的變化情況 晶閘管的開通和關斷并不是瞬時完成的 需要一定的時間 即存在瞬態(tài)過程 當元件的導通和關斷頻率較高時 就必須考慮這種時間的影響 晶閘管的開通和關斷過程中電壓和電流波形如圖所示 開通過程 當晶閘管A K之間正偏且門極獲得觸發(fā)信號后 由于管子內(nèi)部正反饋的建立需要時間 陽極電流不會馬上增大 而要延遲一段時間 規(guī)定 延遲時間td 從晶閘管的門極獲得觸發(fā)信號時刻開始 到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10 的時間稱為延遲時間 同時晶閘管的正向壓降略有下降 上升時間tr 陽極電流從10 上升到穩(wěn)態(tài)值的90 所需的時間稱為上升時間 同時壓降迅速下降開通時間tgt 就是以上兩者之和 tgt td tr 經(jīng)過開通時間后 晶閘管才會從斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài) 開通后A K間電壓變?yōu)?V左右 普通晶閘管的延遲時間為0 5 1 5 S 上升時間為0 5 3 S 開通時間約為6 S 開通時間與觸發(fā)脈沖的大小 陡度 結(jié)溫以及主回路中的電感量等因素有關 為保證可靠觸發(fā) 對觸發(fā)脈沖的要求 實際觸發(fā)電流比規(guī)定觸發(fā)電流大3 5倍 采用前沿陡的窄脈沖 觸發(fā)脈沖的寬度要稍大于開通時間 關斷過程 晶閘管導通后 為了關斷晶閘管 必須使陽極電壓為零或加反向電壓 使陽極電流減小 但由于外電路電感的存在 陽極電流的下降是有過渡過程的 當陽極電流剛好下降到零時 若重新加上正向電壓 晶閘管仍會不經(jīng)觸發(fā)而立即導通 只有再經(jīng)過一定時間 才能完全恢復正向阻斷能力 晶閘管的關斷過程與二極管的關斷過程相似 在陽極電流下降到零后 在反方向會流過反向恢復電流 經(jīng)過最大值IRM后 再反方向衰減 同樣在恢復電流快速衰減時 由于外電路電感的作用 會在晶閘管兩端引起反方向的尖峰電壓URRM 當反向恢復電流衰減至接近于零時 晶閘管恢復其對反向電壓的阻斷能力 反向恢復電流產(chǎn)生的原因 由于在SCR正向?qū)〞r 在其內(nèi)部的J1 J3結(jié)附近積累了大量的少數(shù)載流子 它們在反向電壓的作用下被抽取出晶閘管 從而形成反向恢復電流 規(guī)定 反向阻斷恢復時間trr 指正向電流降為零 到反向恢復電流衰減至接近于零的時間長度為反向阻斷恢復時間 正向阻斷恢復時間tgr 從反向恢復過程結(jié)束到恢復正向阻斷所需的時間 這段時間是載流子復合所需的時間 在此時間內(nèi) 如果重新對晶閘管加正向電壓 它會重新正向?qū)?實際應用中 應對其加足夠長時間的反向電壓 使其充分恢復對正向電壓的阻斷能力 電路才能可靠工作 晶閘管關斷時間toff 就是上述二者之和 即toff trr tgr晶閘管的關斷時間與元件結(jié)溫 關斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關 普通晶閘管的關斷時間約為幾十到幾百微秒 3晶閘管的主要參數(shù)為了正確使用晶閘管 必須掌握晶閘管的主要參數(shù) 1 晶閘管的額定電壓UTe 1 正向阻斷不重復峰值電壓UDSM 指門極開路 晶閘管額定結(jié)溫時 其陽極電壓上升到正向轉(zhuǎn)折電壓之前 即管子正向漏電流開始急劇增大 伏安特性曲線急劇轉(zhuǎn)彎處所對應的陽極電壓 此電壓不可連續(xù)施加 2 反向不重復峰值電壓URSM 指門極開路 晶閘管承受反向電壓時 對應反向漏電流開始急劇增大的電壓值 3 正向阻斷重復峰值電壓UDRM 指對應于UDSM90 的電壓 此電壓可重復施加 其重復頻率為50HZ 每次持續(xù)時間不大于10ms 4 反向重復峰值電壓URRM 指對應于URSM90 的電壓 通常取UDRM和URRM中的最小值作為晶閘管的額定電壓 并按標準電壓等級來選取 選用時 額定電壓要留有一定的裕量 一般取額定電壓為正常工作時峰值電壓的2 3倍 2 晶閘管的額定通態(tài)平均電流IT AV 及額定電流 重點 在環(huán)境溫度為40 和規(guī)定冷卻條件下 晶閘管工作在電阻性負載下且穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大單相工頻正弦半波電流的平均值 稱為額定通態(tài)平均電流 將此電流按晶閘管標準電流系列取為相應的整數(shù)值電流等級 就稱為晶閘管的額定電流 晶閘管的標準電流系列可查相關手冊 在選用晶閘管的額定電流時 應根據(jù)實際最大的電流計算后至少還要乘以1 5 2的安全系數(shù) 使其有一定的電流裕量 選用原則 按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則 IT AV 的計算方法 根據(jù)額定電流的定義可知 額定通態(tài)平均電流是指通以單相工頻正弦電流時的允許最大平均電流 設該正弦電流的峰值為Im 則額定電流 平均電流 為 額定電流有效值為 正弦半波電流的波形系數(shù)為 這說明 額定電流IT AV 100A的晶閘管 其額定電流有效值為IT 157A 即允許通過的電流有效值為157A 不同的電流波形有不同的平均值與有效值 其波形系數(shù)也不同 例流經(jīng)晶閘管的電流波形如圖所示 試計算該電流波形的平均值 有效值及波形系數(shù) 若取安全裕量為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是多少 解電流平均值為 電流有效值為 波形系數(shù)為 額定電流為100A的晶閘管允許通過的電流平均值為 說明 具有相同平均值而波形不同的電流 因波形系數(shù)不同而具有不同的有效值 流經(jīng)同一個晶閘管時發(fā)熱也不相同 因而不能按電流的平均值選擇晶閘管 而晶閘管的額定電流卻是用正弦半波電流的平均值來定義的 所以 非正弦半波電流選擇晶閘管額定電流時需要折算 根據(jù)有效值相等發(fā)熱相同的原理 可以將非正弦半波電流平均值折算成等效的正弦半波電流的平均值 即1 57IT AV Kf1IT AV 1電流最大值 若考慮安全裕量 則 3 維持電流IH和擎住電流IL 在規(guī)定室溫下門極斷