第2章-電力電子器件(2.2)

2.3半控器件—晶閘管2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.3.2晶閘管的基本特性

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

2.3.4晶閘管的派生器件晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管;1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品;1958年商業(yè)化;開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用嶄新時(shí)代。工作頻率較低；能承受的電壓、電流在可控器件中最大。通常采用相控技術(shù)進(jìn)行控制，大量應(yīng)用于交流變直流的整流電路中。20世紀(jì)80年代后逐漸被性能更好的全控型器件取代;由于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。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理a)外形圖b)雙晶體管結(jié)構(gòu)圖c)電氣符號(hào)

結(jié)構(gòu)工作原理（1）反向阻斷特性（2）不加門極電壓時(shí)正向阻斷特性PN結(jié)J1J3處于反偏狀態(tài)，因而晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)此時(shí)PN結(jié)J2處于反偏狀態(tài)，晶閘管仍處于關(guān)斷狀態(tài)三端四層半控型器件（3）導(dǎo)通工作狀態(tài)晶閘管處于阻斷狀態(tài)且時(shí)，在門極加上驅(qū)動(dòng)電流則：

正反饋過(guò)程將使晶體管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管導(dǎo)通，最后陽(yáng)極電流由外部限流電阻決定。

從阻斷到導(dǎo)通過(guò)程:

（3）導(dǎo)通工作狀態(tài)導(dǎo)通的維持:

晶閘管導(dǎo)通后，即使移掉門極觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)IC1大于觸發(fā)所需電流值，因此晶閘管會(huì)保持導(dǎo)通狀態(tài)不變。導(dǎo)通條件:

1UAK>02給門極加觸發(fā)脈沖（4）關(guān)斷條件

1陽(yáng)極加反壓此時(shí)PN結(jié)J1總是處于反偏狀態(tài)，晶閘管關(guān)斷2降低陽(yáng)極電流使晶閘管內(nèi)等效雙晶體管進(jìn)入陽(yáng)極電流減小的正反饋過(guò)程，最終使陽(yáng)極電流為零而關(guān)斷工作原理小結(jié)結(jié)論：觸而導(dǎo)通，通而不斷，斷則反壓。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段2.3.2晶閘管的基本特性1.靜態(tài)特性（伏安特性）伏安特性--陽(yáng)極陰極間的電壓和陽(yáng)極電流間的關(guān)系正向轉(zhuǎn)折電壓UFBo--IG=0對(duì)應(yīng)的最大正向阻斷電壓（使晶閘管由阻斷到導(dǎo)通狀態(tài)的電壓）擎住電流IL--由阻斷態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通態(tài)且維持導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流維持電流IH—陽(yáng)極電流下降時(shí)晶閘管會(huì)恢復(fù)阻態(tài)，維持晶閘管導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流稱為維持電流。反向擊穿電壓--使晶閘管由反向阻斷狀態(tài)變?yōu)榉聪驌舸┑淖钚‰妷壕чl管處于反向阻斷/正向阻斷時(shí)陽(yáng)極漏電流很小,相當(dāng)于開(kāi)路（近似為開(kāi)關(guān)）2.動(dòng)態(tài)特性測(cè)試-開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電流、陽(yáng)極與陰極間電壓及晶閘管的損耗隨時(shí)間變化的特性2.動(dòng)態(tài)特性延遲時(shí)間上升時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間開(kāi)通時(shí)間：tgt=td+tr關(guān)斷時(shí)間：tq=trr+tgr晶閘管的開(kāi)通時(shí)間約為5uS,關(guān)斷時(shí)間約為50~100uS，這兩個(gè)參數(shù)限制了晶閘管的開(kāi)關(guān)工作頻率。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)主要介紹陽(yáng)極電壓和電流參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)、門極參數(shù)、溫度特性參數(shù)等.（P22）

1)電壓定額2.3.3晶閘管的主要參數(shù)選用器件時(shí)，應(yīng)使器件的額定電壓為正常工作電壓峰值的2～3倍。2.電流定額通態(tài)平均電流IT(AV)

是在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定冷卻條件下，帶電阻性負(fù)載時(shí)通過(guò)工頻正弦半波電流，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定值時(shí)的最大平均電流值。按我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，取該參數(shù)的整數(shù)值標(biāo)作器件的額定電流。晶閘管的額定電流是以平均電流方式定義的，但從發(fā)熱方面來(lái)看，決定管子結(jié)溫的是電流有效值而不是電流平均值，因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)按電流有效值相等的原則選擇晶閘管。2.電流定額通態(tài)平均電流IT(AV)

正弦半波電流平均值與有效值的關(guān)系2.電流定額通態(tài)平均電流IT(AV)

電流有效值相等的原則選擇晶閘管在實(shí)際選用晶閘管時(shí)，還應(yīng)留有一定的余量。通常選擇額定電流為正常工作值1.5～2倍的晶閘管。

先計(jì)算實(shí)際有效值:

使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。浪涌電流ITSM：晶閘管允許流過(guò)的最大正向過(guò)載峰值

電流，用來(lái)設(shè)計(jì)保護(hù)電路。

擎住電流IL(=2-4IH)2.電流定額維持電流IH

——指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率?！冈谝?guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

如果電流上升太快，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。(2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt

在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J2結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。(1)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：3.動(dòng)態(tài)參數(shù)4.其它參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)

--開(kāi)通時(shí)間--關(guān)斷時(shí)間門極定額參數(shù)--門極觸發(fā)電流

--門極觸發(fā)電壓

溫度特性參數(shù)--額定結(jié)溫--結(jié)殼熱阻2.3.4晶閘管的門極觸發(fā)電路對(duì)門極觸發(fā)信號(hào)的要求是：1)

門極電流上升率：觸發(fā)脈沖前沿要陡2)

門極電流幅值：脈沖前沿較大的電流幅值可使器件更快的導(dǎo)通，減少開(kāi)通損耗3)門極脈沖信號(hào)寬度：器件導(dǎo)通有一個(gè)過(guò)程，需要門極脈沖信號(hào)具有一定寬度4)門極脈沖信號(hào)應(yīng)不超過(guò)門極電壓、電流、功率等最大限定值5)

觸發(fā)可靠，抗干擾能力強(qiáng)2.3.4晶閘管的門極觸發(fā)電路電容C的作用：在T剛導(dǎo)通時(shí)，C上電壓為零，VD全部加在Tm原邊，此后C上電壓上升，Tm原邊電壓將下降，這樣副邊輸出一個(gè)前沿幅值較高的脈沖波形。D3的作用：將關(guān)斷時(shí)脈沖變壓器副邊產(chǎn)生的負(fù)電壓信號(hào)短路，防止其損壞晶閘管門極。D1、RD的作用：T關(guān)斷時(shí)釋放儲(chǔ)存在Tm中的磁場(chǎng)能量，防止關(guān)斷時(shí)因脈沖變壓器原邊電感產(chǎn)生過(guò)高的反電勢(shì)而擊穿晶體管T。iB為控制電路給出的脈沖信號(hào)。iB大于0時(shí)T導(dǎo)通，電源電壓VD通過(guò)脈沖變壓器傳遞到副邊觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。2.3.5晶閘管的派生器件包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)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(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。1.快速晶閘管（FST)2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC）--比一對(duì)反并聯(lián)晶閘管更經(jīng)濟(jì)，且控制電路簡(jiǎn)單--通常采用負(fù)脈沖觸發(fā)（正脈沖觸發(fā)靈敏度較低）--采用電流有效值作為額定電流參數(shù)--多用于交流調(diào)壓、固態(tài)繼電器等電路3.逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor—RCT）將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上.優(yōu)點(diǎn)：正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好用于不需要阻斷反向電壓的電路4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor—LTT）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間絕緣，可避免電磁干擾影響，因此在高壓大功率場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要地位，利用8KV/3.5KA光控晶閘管構(gòu)成300MV.A容量的電力電子裝置是目前最大的電力電子裝置。2.4典型全控型器件可關(guān)斷晶閘管GTO電力晶體管GTR功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET絕緣柵雙極晶體管IGBT（MOSFET＋GTR）集成門極換流晶閘管IGCT（MOSFET＋GTO）2.4典型全控型器件全控型器件:利用控制信號(hào)可控制開(kāi)通與關(guān)斷的器件,通常也稱為自關(guān)斷器件。電流控制型電流控制型器件從控制極注入或抽取電流信號(hào)來(lái)控制器件的開(kāi)通或關(guān)斷.如可關(guān)斷晶閘管（GTO）、集成門極換流晶閘管（IGCT）。主要特點(diǎn)：控制功率較大、控制電路復(fù)雜、工作頻率較低。電壓控制型通過(guò)在控制極建立電場(chǎng)——提供電壓信號(hào)實(shí)施器件的開(kāi)通與關(guān)斷控制.如功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）主要特點(diǎn)：控制功率小、控制電路簡(jiǎn)單、工作頻率較高。分類：電流控制型電壓控制型2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）晶閘管的一種派生器件可通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，耐壓耐流可達(dá)6KV和6KA，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：GTO的結(jié)構(gòu)示意圖、等效電路與電氣符號(hào)--GTO的開(kāi)通原理和普通晶閘管相同--GTO能關(guān)斷的關(guān)鍵是：能從門極抽取電流改變二個(gè)晶體管的工作狀態(tài),GTO是從制造工藝上做到這點(diǎn)的。另外，GTO導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

GTO能從門極抽取電流使雙晶體管進(jìn)入放大狀態(tài)而關(guān)斷2.4.1可關(guān)斷晶閘管工作原理：

臨界飽和設(shè)計(jì)：1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。開(kāi)通原理和SCR一樣。

設(shè)計(jì)時(shí)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。iB2+ic2=ikic2=α2．ikik=iB2/(1-α2)=iAGTO能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1(1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。(3)多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，易于從門極抽出較大電流。2.GTO的主要參數(shù)—延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2s?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。關(guān)斷時(shí)間toff開(kāi)通時(shí)間ton

3)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO