電力電子第一章電力電子器件

電力電子第一章電力電子器件第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3、半控型器件—晶閘管晶閘管概述晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的基本特性晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的派生器件第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier-SCR）按照IEC（國際電工委員會）的定義，晶閘管是指那些具有3個以上的PN結(jié)，主電壓—電流特性至少在一個象限內(nèi)具有導(dǎo)通、阻斷兩個穩(wěn)定狀態(tài)，且可在這兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體器件。1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣（GE）公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化，開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代20世紀(jì)80年代以來，開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，在大容量的場合具有重要地位1.3半控性器件——晶閘管第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月上次課內(nèi)容回顧1、二極管的靜態(tài)特性第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月上次課內(nèi)容回顧2、二極管的動態(tài)特性第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月上次課內(nèi)容回顧3、二極管的參數(shù)正向平均電流

IF(AV)使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，即實(shí)際波形電流與正向平均電流有效值相等。并應(yīng)留有一定的裕量。100A的二極管，對下圖波形，最大能送出的的平均電流為多少？141.4A90.7A第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月上次課內(nèi)容回顧4、電力二極管的應(yīng)用5、電力二極管的主要類型電力二極管是都是基于PN結(jié)的嗎？電力二極管是都是多級性器件嗎？第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月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)與工作原理引出陽極(Anode)A、陰極(Kathode)K和門極(Gate)（控制端）G三個聯(lián)接端第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器(Radiator)緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器(Radiator)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

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理如前所述，晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。四個區(qū)分別命名為P1、N1、P2、N2。P1區(qū)引出A極，N2區(qū)引出K極，P2區(qū)引出G極。四個區(qū)形成三個PN結(jié)：J1、J2、J3第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理P2N2GKP1N1AJ1J2J3P2N1第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體管回顧第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理開通過程S閉合晶閘管門極注入電流IG流經(jīng)V2的基極經(jīng)V2放大后，集電極電流IC2構(gòu)成了V1的基極電流經(jīng)V1放大后，進(jìn)一步增大了V2的基極電流IGIB2IC2IB1IC1正反饋過程第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理假設(shè)1=Ic1/Ie1、2=Ic2/Ie2-分別為V1、V2的共基極電流增益第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1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)射極電流建立起來之后，

迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，

1+

2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和開通（門極觸發(fā)）：第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理即使門極電流被撤除，IG=0，由于

1+

2≈1，IK=IA仍將很大，內(nèi)部已形成強(qiáng)烈正反饋，晶閘管處于通態(tài)。IK=IA=EA/R晶閘管導(dǎo)通的條件，

1+

2≥1，此時對應(yīng)的陽極電流成為“擎住電流”，門極便失去了控制能力。第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月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（非門極出發(fā)機(jī)構(gòu)）：正向轉(zhuǎn)折導(dǎo)通：在IG=0時，提高陽極-陰極之間的正向電壓VAK，使反向偏置的J2結(jié)（N1P2）擊穿，電流IA迅速上升，

1+

2≈1，IA增加到EA/R。熱觸發(fā)：當(dāng)溫度增加，反向飽和電流隨之增加，IA、IK增大，直到

1+

2≈1，晶閘管導(dǎo)通。第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月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：du/dt導(dǎo)通：各PN結(jié)都存在結(jié)電容，當(dāng)外加正向電壓VAK的du/dt很高時，各PN結(jié)將流過很大的充電電流：i=C·du/dt。P1N1之間充電電流→IA、IK增大P2N2之間充電電流→IB2增大→IA、IK增大→

1+

2≈1以上導(dǎo)通都不加門極信號→非正常導(dǎo)通，這是必須防止和避免的。要提高器件本身du/dt耐量，減小漏電流，提高耐壓，特別是提高高結(jié)溫下的耐壓等。同時在電路中采取保護(hù)措施，降低電路上的干擾信號的影響。以防止晶閘管誤動作。第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1）外加正向電壓下J1、J3正偏J2反偏；2）在GK間正向電壓作用下，N2區(qū)有電子注入到P2區(qū)；3）注入到P2區(qū)的電子除了形成門極電流外，將被J2空間場捕獲，掃向N1區(qū)；4）N1區(qū)電子的增加，將進(jìn)一步增加J1結(jié)的正偏電壓，進(jìn)而增加了P1區(qū)向N1區(qū)的空穴注入，并由J2電場將其掃向P2區(qū)，進(jìn)而形成了再生反饋效應(yīng)；5）隨著J1、J3注入的優(yōu)勢越來越大，結(jié)構(gòu)J2結(jié)兩側(cè)有足夠的載流子積累，J2結(jié)極性反轉(zhuǎn)，晶閘管導(dǎo)通。開通的物理過程第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管工作特性：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都將保持導(dǎo)通要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即維持電流以下。1.3.2晶閘管的基本特性第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月靜態(tài)特性晶閘管陽極伏安特性第I象限是正向特性；第III象限是反向特性圖1-8(a)晶閘管陽極伏安特性IG2>IG1>IG1.3.2晶閘管的基本特性正向特性反向擊穿正向阻斷反向阻斷第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)AK兩端施加反壓時，即使有門極信號也不可能在晶閘管內(nèi)部產(chǎn)生電流正反饋。當(dāng)反向電壓過大而達(dá)到反向折轉(zhuǎn)電壓，則反向漏電流迅速上升。類似二極管。1.3.2晶閘管的基本特性圖1-8(a)晶閘管陽極伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管陽極伏安特性第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。這種開通叫“硬開通”，一般不允許硬開通。隨著IG幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低當(dāng)IG增加到超過某一臨界值以后，正向阻斷區(qū)幾乎消失，類似于二極管的正向伏安特性。圖1-8(a)晶閘管陽極伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管陽極伏安特性第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性所以有外加正向電壓，只要加至晶閘管上IG超過某一臨界值，晶閘管會立即導(dǎo)通，等效于一個正向?qū)щ姸O管。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽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。圖1-8(a)晶閘管陽極伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管陽極伏安特性第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性轉(zhuǎn)變區(qū)（亞穩(wěn)態(tài)）擎住電流維持電流第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性門極伏安特性晶閘管門極伏安特性指門極電壓和門極電流之間的關(guān)系，呈現(xiàn)二極管的伏安特性。第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性門極伏安特性晶閘管門極伏安特性指門極電壓和門極電流之間的關(guān)系，呈現(xiàn)二極管的伏安特性。不觸發(fā)區(qū)可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關(guān)斷過程中表現(xiàn)出來的特性1）開通過程①延遲時間：

1+

2向1逼近的過程，晶閘管電流不大，主要電子、空穴向J2移動的渡越時間；②影響延遲時間的因素：

觸發(fā)脈沖的前沿陡度和幅值；第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關(guān)斷過程中表現(xiàn)出來的特性1）開通過程③上升時間：

J2靠近門極的區(qū)域開始導(dǎo)通⑤擴(kuò)展時間：

J2導(dǎo)通區(qū)由門極橫向擴(kuò)展⑥開通時間：tgt=td+tr

④影響上升時間的因素：

回路阻抗第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關(guān)斷過程中表現(xiàn)出來的特性2）關(guān)斷過程①強(qiáng)迫關(guān)斷：

陽極陰極間施加反壓完成關(guān)斷；②在反向電壓和電路電感的作用下電流衰減③與二極管類似，電流過零后體內(nèi)大量的非平衡載流子需靠反向電流抽?。坏?2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關(guān)斷過程中表現(xiàn)出來的特性2）關(guān)斷過程④電流到達(dá)反向最大值后，迅速衰減，J1、J3恢復(fù)反向阻斷能力，trr反向恢復(fù)時間；⑤J2結(jié)電子需要較長的時間進(jìn)行復(fù)合，tgr正向阻斷時間；⑥關(guān)斷時間：tq=trr+tgr第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關(guān)斷過程中表現(xiàn)出來的特性2）關(guān)斷過程⑦在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?⑧實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關(guān)斷過程中表現(xiàn)出來的特性2）關(guān)斷過程⑨影響關(guān)斷時間的因素：從應(yīng)用電路設(shè)計看，有結(jié)溫，反向恢復(fù)電流下降率，反向電壓及再加的du/dt等。以結(jié)溫和反向電壓對關(guān)斷時間影響最大，結(jié)溫越高，關(guān)斷時間越長，反向電壓增高，關(guān)斷時間縮短。第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶閘管的主要參數(shù)第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓定額注意：晶閘管正向既可處于阻斷狀態(tài)又可處于導(dǎo)通狀態(tài)。斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（國標(biāo)規(guī)定重復(fù)頻率50Hz，持續(xù)時間不超過10ms,UDRM=90%UDSM<Ubo)

。反向重復(fù)峰值電壓URRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓(國標(biāo)中有類似規(guī)定）。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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。額定電壓UN＝Min（UDRM，URRM），選用時，要留有一定安全裕量，一般取UN＝（2～3）晶閘管所承受峰值電壓1.3.3晶閘管的主要參數(shù)第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月電流定額通態(tài)平均電流IT(AV)：晶閘管在環(huán)境溫度為40

C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值→額定電流使用時應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5～2倍1.3.3晶閘管的主要參數(shù)第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月維持電流IH晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通以后，在室溫和門極開路條件下，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)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流同一晶閘管來說，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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)最大正向過載電流1.3.3晶閘管的主要參數(shù)第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月動態(tài)參數(shù)除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt（防止位移電流致使其導(dǎo)通）指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，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通態(tài)電流臨界上升率di/dt（考慮導(dǎo)通時的擴(kuò)展時間）指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率1.3.3晶閘管的主要參數(shù)第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶閘管的主要參數(shù)第41頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月快速晶閘管（FastSwitchingThyristor－FST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有常規(guī)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10

s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，不能忽略開關(guān)損耗多用在頻率較高的斬波和逆變電路中開關(guān)損耗不可忽視。1.3.4晶閘管的派生器件第42頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023