電力電子第五版第3講

2.3半控型器件——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晶閘管的派生器件學(xué)校要求：

作業(yè)要用作業(yè)本寫(xiě)！2.3半控器件—晶閘管

引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅。

■1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。在60、70年代獲得迅速發(fā)展?！龀骷阅芘c電壓電流容量不斷提高外，還派生出：快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管和雙向晶閘管，形成系列。■由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)

◆從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)。

◆引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。

◆內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2-7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)

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)

◆管芯由四層半導(dǎo)體組成，形成3個(gè)PN結(jié)（J1、J2、J3）：(1)當(dāng)加上反壓時(shí)，J1、J3結(jié)處在反向阻斷，不導(dǎo)通；(2)當(dāng)加上正壓時(shí)，J2結(jié)處在反向阻斷，仍然不導(dǎo)通；(3)若此時(shí)在門(mén)極和陰極之間加上正壓Ug使門(mén)極G流入一定大小的電流Ig，晶閘管就會(huì)像二極管一樣正向?qū)?。結(jié)論：1）與二極管一樣，晶閘管具有反向阻斷特性；2）與二極管不一樣，晶閘管還有正向阻斷特性;3）當(dāng)加上正壓時(shí)，必須同時(shí)加上門(mén)極電壓，具有足夠的門(mén)極電流流入后，才能使晶閘管導(dǎo)通；2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管具有上述特性的原因可以用雙晶體管模型來(lái)解釋?zhuān)核喈?dāng)于由V1（P1N1P2）和V2（N1P2N2），如圖2-8示?！霎?dāng)S閉合時(shí)，V1的IC1為V2的Ib2;V2的IC2為V1的Ib1;通過(guò)兩個(gè)管子的電流放大，立即形成強(qiáng)烈正反饋,瞬時(shí)使兩管飽和導(dǎo)通，也就是晶閘管導(dǎo)通。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■設(shè)V1、V2的共基極接法的電流放大倍數(shù)為1和2，均小于1。則有：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆晶體管的特性是：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(lái)之后，

迅速增大?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話(huà)，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2-5)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆由于正反饋的作用，導(dǎo)通后的晶閘管即使是門(mén)極電流為0或者負(fù)值，也不能是管子關(guān)斷。

◆要想關(guān)斷之，只有降低Ia只維持電流IH以下，此時(shí)1、2相應(yīng)減小，導(dǎo)致內(nèi)部正反饋無(wú)法維持時(shí)，晶閘管方恢復(fù)正向阻斷。

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門(mén)極觸發(fā)外其他幾種可能導(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◆光觸發(fā)■這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門(mén)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■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

2.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。

√如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通?！屉S著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱(chēng)為維持電流。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2晶閘管的基本特性?反向特性

√其伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。

√當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性

◆開(kāi)通過(guò)程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td

(0.5~1.5s)上升時(shí)間tr(0.5~3s)開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr?延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%2.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過(guò)程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門(mén)極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆（正向）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門(mén)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（見(jiàn)圖2-9）。

?國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。

?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo?！舴聪颍〝鄳B(tài)）重復(fù)峰值電壓URRM

?是在門(mén)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（見(jiàn)圖2-8）。

?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

◆通態(tài)（峰值）電壓UT?晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。

◆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?！鲭娏鞫~

◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?如果已知電路電流Id，則需要知道Id引起的發(fā)熱來(lái)選定晶閘管的通態(tài)平均電流IT(AV）。Kf為晶閘管在電路中的波形系數(shù)。

?如果已知晶閘管的IT(AV），則就會(huì)知道在電路中能承受的發(fā)熱值：

I=1.57×IT(AV）。Id×Kf<=1.57×IT(AV）

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH（正反饋維持的最小電流）?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL（正反饋形成的最小電流）?擎住電流是晶閘管剛從斷態(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。

?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(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)

◆開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?在額定結(jié)溫和門(mén)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。

?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。

◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt

?在規(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，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。2.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

2.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T(mén)