電力電子晶閘管94681課件

1.3半控器件—晶閘管1.3半控型器件——晶閘管

1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.3.2晶閘管的基本特性

1.3.3晶閘管的主要參數(shù)

1.3.4晶閘管的派生器件1.3半控型器件——晶閘管晶閘管（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)用的嶄新時(shí)代20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型——普通晶閘管廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件

1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間圖1-6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)1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

IK=IA+IG

（1-3）

IA=Ic1+Ic2

（1-4）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。合并以上式可得

（1-5）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。1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和開(kāi)通（門(mén)極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理其他幾種可能導(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)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)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，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段1.3.2晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性

第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG1.3.2晶閘管的基本特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，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)通隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿晶閘管本身的壓降很小，在1V左右導(dǎo)通期間，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稱為維持電流。（伏安特性圖）1.3.2晶閘管的基本特性晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性

晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電流從門(mén)極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門(mén)極觸發(fā)電流也往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門(mén)極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門(mén)極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門(mén)極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。（伏安特性圖）1.3.2晶閘管的基本特性1)開(kāi)通過(guò)程（特性圖)延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，

tgt=td+tr

（1-6）

普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5~1.5s，上升時(shí)間為0.5~3s1.3.2晶閘管的基本特性2)關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(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)▽?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

（1-7)）

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.電壓定額1)

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——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。2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM——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。3)

通態(tài)（峰值）電壓UTM——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)，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2~3倍1.3.3晶閘管的主要參數(shù)2)

維持電流IH——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3)

擎住電流IL——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

對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍4)

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1.3.3晶閘管的主要參數(shù)3.動(dòng)態(tài)參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：

(1)

斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

指在額定結(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)J3結(jié)時(shí)，起到類似門(mén)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1.3.3晶閘管的主要參數(shù)(2)

通態(tài)電流臨界上升率di/dt——指在規(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，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)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

1.3.4晶閘管的派生器件2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖1-10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1.3.4晶閘管的派生器件可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成有兩個(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Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SolidStateRelay——SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。1.3.4晶閘管的派生器件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的功率集成器件具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流圖1-11逆導(dǎo)