晶閘管習(xí)題課

1、2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。 普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s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。 由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2）雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）圖2-10 雙向晶閘管的電氣圖形

2、符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來表示其額定電流值來表示其額定電流值。2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖2-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫

3、特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered Thyristor）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖2-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。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合。2.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCT MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)： 承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。 高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。 一個MCT

4、器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成。 每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。 MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SITSIT 多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。 在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 柵極不加信號時導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通

5、正常導(dǎo)通型型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。SIT（Static Induction Transistor）結(jié)型場效應(yīng)晶體管2.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。 其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。SITH（Static Induction Thyristor）場控晶閘管（Field Controlled

6、 ThyristorFCT）2.5.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT 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)，開關(guān)速度快10倍。 可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。 目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）2.5.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)體材料是指

7、禁帶寬度在3.0電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等材料。基于寬禁帶半導(dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將具有比硅器件高得多的耐受高電壓耐受高電壓的能力、低低得多的通態(tài)通態(tài)電阻電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和更強(qiáng)的耐受高溫和射線輻射的能力射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級的提高。寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直受制于材料的提煉和制造以及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。 2.5.6 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路 20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊功

8、率模塊。 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）?；靖拍罨靖拍?.5.6 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路 高壓集成電路高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。 智能功率集成電路智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成

9、。 智能功率模塊智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。實(shí)際應(yīng)用電路實(shí)際應(yīng)用電路2.5. 6 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。 以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。 功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀圖電力電子器件分類“樹” 本章小結(jié)本章小結(jié)

10、主要內(nèi)容主要內(nèi)容v全面介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等。 電力電子器件類型歸納電力電子器件類型歸納v 單極型單極型：電力MOSFET和SITv 雙極型雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITHv 復(fù)合型復(fù)合型：IGBT和MCT 本章小結(jié)本章小結(jié) 特點(diǎn)特點(diǎn)：輸入阻抗高，所需驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單，工作頻率高。電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型：雙極型器件中除SITH外 特點(diǎn)特點(diǎn)：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動功率大,驅(qū)動電路較復(fù)雜。 電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型：單極型器件和復(fù)合型器件，雙極型器件中的SITH 按控制信號的波形按控制

11、信號的波形 電平控制型器件 電壓驅(qū)動型器件和部分電流驅(qū)動型器件（如GTR） 脈沖觸發(fā)型器件 部分電流驅(qū)動型器件（如晶閘管和GTO）本章小結(jié)本章小結(jié)電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 20世紀(jì)世紀(jì)90年代中期以來，逐漸形成了年代中期以來，逐漸形成了小功率小功率（10kW以下）以下）場合以場合以電力電力MOSFET為主，為主，中、大中、大功率功率場合以場合以IGBT為主的壓倒性局面，在為主的壓倒性局面，在10MVA以以上或者數(shù)千伏以上上或者數(shù)千伏以上的應(yīng)用場合，如果不需要自關(guān)的應(yīng)用場合，如果不需要自關(guān)斷能力，那么斷能力，那么晶閘管晶閘管仍然是目前的首選器件仍然是目前的首選器件

12、 。 電力電力MOSFET和和IGBT中的技術(shù)創(chuàng)新仍然在繼中的技術(shù)創(chuàng)新仍然在繼續(xù)，續(xù)，IGBT還在不斷奪取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應(yīng)用還在不斷奪取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)域 。 寬禁帶半導(dǎo)體材料由于其各方面性能都優(yōu)于寬禁帶半導(dǎo)體材料由于其各方面性能都優(yōu)于硅材料，因而是很有前景的電力半導(dǎo)體材料硅材料，因而是很有前景的電力半導(dǎo)體材料 。 習(xí)題2.1晶閘管的導(dǎo)通條件是什么晶閘管的導(dǎo)通條件是什么? 導(dǎo)通后流過晶閘管的導(dǎo)通后流過晶閘管的電流和負(fù)載上的電壓由什么決定電流和負(fù)載上的電壓由什么決定?答：1）晶閘管陽極和陰極之間施加正向陽極電壓，UAK0 2）晶閘管門極和陰極之間必須施加適當(dāng)?shù)恼蛎}沖電 壓和電流

13、， UGK0 導(dǎo)通后流過晶閘管的電流由負(fù)載阻抗負(fù)載阻抗決定，負(fù)載上電壓由輸入陽極電壓UA決定。2.2晶閘管的關(guān)斷條件是什么晶閘管的關(guān)斷條件是什么?如何實(shí)現(xiàn)如何實(shí)現(xiàn)?晶閘管晶閘管處于阻斷狀態(tài)時其兩端的電壓大小由什么決定處于阻斷狀態(tài)時其兩端的電壓大小由什么決定?答：晶閘管的關(guān)斷條件是：只需將流過晶閘管的電流減小到只需將流過晶閘管的電流減小到其維持電流以下其維持電流以下u陽極電壓反向陽極電壓反向u減小陽極電壓減小陽極電壓u增大回路阻抗增大回路阻抗其兩端電壓大小由電源電壓UA決定。 習(xí)題 2.4晶閘管的非正常導(dǎo)通方式有哪幾種？晶閘管的非正常導(dǎo)通方式有哪幾種？ 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成陽極電壓升高

14、至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結(jié)溫結(jié)溫較高較高 2.5請簡述晶閘管的關(guān)斷時間定義。請簡述晶閘管的關(guān)斷時間定義。 答：晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復(fù)正向阻斷能力所需的這段時間稱為關(guān)斷時間。即 。grrrqttt 2.6試說明晶閘管有哪些派生器件？試說明晶閘管有哪些派生器件？ 答：快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管等。 2.7請簡述光控晶閘管的有關(guān)特征。請簡述光控晶閘管的有關(guān)特征。 答：光控晶閘管是在普通晶閘管的門極區(qū)集成了一個光電二極管，在光的照射下，光電二極管電流增加，此電流便可作為門極電觸發(fā)電流使晶閘管開通。主要用于高壓

15、大功率場合。 習(xí)題 2.8型號為型號為KP100-3，維持電流，維持電流IH=4mA的晶閘的晶閘管，使用在圖題管，使用在圖題2.8所示電路中是否合理，為什所示電路中是否合理，為什么么?(暫不考慮電壓電流裕量暫不考慮電壓電流裕量) 圖題圖題2.8 習(xí)題答：（答：（a）因?yàn)椋┮驗(yàn)?所以不合理。所以不合理。(b) 因?yàn)橐驗(yàn)?, KP100的電流額定值為的電流額定值為100，裕量達(dá)倍，太大了。，裕量達(dá)倍，太大了。（c）因?yàn)椋┮驗(yàn)?大于額定值，所以不合理。大于額定值，所以不合理。HAImAKVI250100AVIA2010200AVIA1501150 習(xí)題 2.9 圖題圖題2.9中實(shí)線部分表示流過晶閘管

16、的中實(shí)線部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值均為電流波形，其最大值均為Im，試計(jì)算各，試計(jì)算各圖的電流平均值電流有效值和波形系圖的電流平均值電流有效值和波形系數(shù)。如不考慮安全裕量，問額定電流數(shù)。如不考慮安全裕量，問額定電流100A的晶閘管允許流過的平均電流分別的晶閘管允許流過的平均電流分別是多少是多少? 習(xí)題 習(xí)題 習(xí)題 習(xí)題 2.11某晶閘管型號規(guī)格為某晶閘管型號規(guī)格為KP200-8D，試，試問型號規(guī)格代表什么意義問型號規(guī)格代表什么意義? 解：解：KP代表普通型晶閘管，代表普通型晶閘管，200代表其代表其晶閘管的晶閘管的額定電流為額定電流為200A，8代表晶閘管代表晶閘管的的正反向峰值電壓

17、為正反向峰值電壓為800V，D代表通態(tài)代表通態(tài)平均壓降為平均壓降為 。VUVT7 . 06 . 0 習(xí)題 2.12如圖題如圖題2.12所示，試畫出負(fù)載所示，試畫出負(fù)載Rd上的電壓波形上的電壓波形(不考慮管子的導(dǎo)通壓降不考慮管子的導(dǎo)通壓降)。 習(xí)題 習(xí)題d部分課后習(xí)題解答 4、圖、圖2-27中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，中陰影部分為晶閘管處于通態(tài)區(qū)間的電流波形，各波形的電流最大值均為各波形的電流最大值均為Im , 試計(jì)算各波形的電流平均值試計(jì)算各波形的電流平均值Id1,Id2,Id3與電流有效值與電流有效值I1，I2，I3。部分課后習(xí)題解答Im2717. 0) 122(2Im)(si

18、nIm2141tIdIm4767. 021432Im)()sin(Im21421tdtI解:a)部分課后習(xí)題解答Im5434. 0) 122(2Im)(sinIm142td tIdIm6741. 021432Im2)()sin(Im1422tdtI解:b)部分課后習(xí)題解答解:c)203Im41)(Im21tdIdIm21)(Im212023tdI部分課后習(xí)題解答5、上題中如果不考慮安全裕量、上題中如果不考慮安全裕量,問問100A的晶的晶閘管能送出的平均電流閘管能送出的平均電流Id1、Id2、Id3各為多各為多少少?這時這時,相應(yīng)的電流最大值相應(yīng)的電流最大值Im1,Im2,Im3各為各為多少多少?解:額定電流IT(AV)=100A的晶閘管,允許的電流有效值IT=157A,由上題計(jì)算結(jié)果知部分課后習(xí)題解答Im2717. 0) 122(2Im)(sinIm2141tIdIm4767. 021432Im)()sin(Im21421tdtI解:a)AI