電力電子技術(shù)第2章器件2SCR

電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2023/12/27電力電子技術(shù)第2章器件2SCR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)2.3.1

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。有三個(gè)聯(lián)接端。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。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。2電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)3電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-7晶閘管的雙晶體管模型1、結(jié)構(gòu)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，三個(gè)PN結(jié)。2、P1引出陽(yáng)極A、N2引出陰極K、P2引出門極K；3、外加電壓，晶閘管工作狀態(tài)。4電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理原理可以按照雙晶體管模型來(lái)解釋，根據(jù)晶體管的工作原理，晶閘管的開(kāi)通是一個(gè)強(qiáng)烈的正反饋過(guò)程(開(kāi)通的機(jī)理)。關(guān)斷過(guò)程?？梢钥刂破溟_(kāi)通，無(wú)法控制關(guān)斷，半控型器件。5電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中

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。由以上式可得：圖2-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理定量分析：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）6電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.1

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。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。

開(kāi)通狀態(tài)：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，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。7電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽(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)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，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：8電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.2

晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：9電力電子技術(shù)第2章器件2SCR

晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的通態(tài)壓降很小，在1V左右。1）靜態(tài)特性圖2-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG維持電流IH：通態(tài)下若電流小于此值，管關(guān)斷。摯住電流IL：斷態(tài)被觸發(fā)，電流達(dá)到此值時(shí)撤除觸發(fā)電流，晶閘管可自動(dòng)維持通態(tài)。常比IH大2～4倍。摯住電流和維持電流都隨結(jié)溫下降而增大。10電力電子技術(shù)第2章器件2SCR

晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG（2）反向特性11電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管的基本特性1)

開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td(0.5~1.5

s)上升時(shí)間tr(0.5~3

s)開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr

（1-6）延遲時(shí)間隨門級(jí)電流的增加而減??；與外電路特性有關(guān)；提高陽(yáng)極電壓可以提高V2管放大倍數(shù)，加快反饋過(guò)程，提高開(kāi)通速度。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2）

動(dòng)態(tài)特性圖1-9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形12電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr（與二極管的關(guān)斷特性相似）正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：反向恢復(fù)結(jié)束后，由于載流子復(fù)合過(guò)程較慢，晶閘管要恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr（1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。圖1-9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形因載流子復(fù)合較慢，過(guò)早加正壓會(huì)引起誤導(dǎo)通。管關(guān)斷后須加足夠時(shí)間反壓，保證管恢復(fù)阻斷能力。13電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管的開(kāi)通特性門極正偏，Q2、Q1導(dǎo)通，再生正反饋。電流超摯住電流后，門極脈沖可去。（一維開(kāi)通）。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。（2-5）td:門極正脈沖使正反饋建立耗時(shí)。陽(yáng)極電流＝0，陰極電流＝控制極電流。tr:陽(yáng)極電流指數(shù)升到接近穩(wěn)態(tài)耗時(shí)。ts:門極位于陰極晶片中心，靠門極部先導(dǎo)通，然后擴(kuò)展到全體陰極的耗時(shí)。耐壓越高擴(kuò)展越慢。（二維開(kāi)通）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，電流IA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。14電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管的關(guān)斷問(wèn)題導(dǎo)通后因門極面積遠(yuǎn)小于陰極，加負(fù)門極電流不能影響陰極主體，不能關(guān)斷。關(guān)斷：電流低于維持電流。陽(yáng)極電壓反極性。15電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.3

晶閘管的主要參數(shù)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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM

——在門極斷路而結(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。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。使用注意：1）電壓定額16電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流IT(AV）——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(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。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。——使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。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。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）電流定額17電力電子技術(shù)第2章器件2SCR例：晶閘管額定電流的選擇設(shè)正弦電流峰值為Im,則正弦半波電流的平均值為正弦半波電流的有效值為即額定電流為100A的晶閘管能承受157A的有效值電流，對(duì)非正弦電流應(yīng)按實(shí)際電流波形計(jì)算有效值除以1.57作為選擇晶閘管電流額定值的依據(jù)。設(shè)計(jì)一般應(yīng)留1.5~2倍的安全裕量。例：某晶閘管實(shí)際承擔(dān)電流波形有效值為400A，則可選額定電流為400/1.57=255A,考慮裕量，實(shí)際選額定電流為500A的晶閘管。18電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管的主要參數(shù)

除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——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?！妷荷仙蔬^(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

——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，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)19電力電子技術(shù)第2章器件2SCR2.3.4晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。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。由于工作頻率較高，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1）快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)20電力電子技術(shù)第2章器件2SCR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a)b)IOUIG=0GT1T2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)門極G。在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。21電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11逆導(dǎo)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)。22電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管的派生器件光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12光控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)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)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。用于高壓大功率的場(chǎng)合。23電力電子技術(shù)第2章器件2SCR晶閘管應(yīng)用特點(diǎn)價(jià)低、控制線路成熟、可靠性高。中、大功率應(yīng)用廣泛【HVDC、無(wú)功補(bǔ)償、高壓變頻】。MV·A級(jí)性能優(yōu)。8kA/4kV，6kA/6kV光觸發(fā)可得到。無(wú)二次擊穿問(wèn)題。導(dǎo)通壓降具有負(fù)溫度系數(shù)，不易并聯(lián)。半控，控制線路復(fù)雜。工作頻率較低。一般在500Hz內(nèi)。通態(tài)峰值壓降較低，平均1V左右，隨陽(yáng)極電流增大略為增加，一般小于2V。24電力電子技術(shù)第2章器件2SCR本節(jié)要點(diǎn)晶閘管原理、特性,導(dǎo)通、關(guān)斷條件典型工作頻率范圍典型導(dǎo)通壓降晶閘管的選擇25電力電子技術(shù)第2章器件2SCR思考題說(shuō)明晶閘管的基本工作原理。在哪些情況下，晶閘管可以從斷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)？已導(dǎo)通的晶閘管，撤出門極驅(qū)動(dòng)電流為什么不能關(guān)斷？怎樣才能關(guān)斷？晶閘管在關(guān)斷狀態(tài)為什么要對(duì)器件兩端的du/dt進(jìn)行有效控制？額定電流為10A的晶閘管能否承受長(zhǎng)期通過(guò)15A的直流負(fù)載電流而不過(guò)熱？圖中陰影部分為一個(gè)2p周期中晶閘管的電流波形。若最大值為100A，試計(jì)算電流的平均值和有效值。若考慮兩倍裕量，應(yīng)選擇多大額定電流的晶閘管？26電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4典型全控型器件·引言門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。27電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊28電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(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，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用(6KV,6KA,10MVA的系統(tǒng))。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）29電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理30電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析。

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益

1和

2

。31電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管GTO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。導(dǎo)通時(shí)

1+

2更接近1，導(dǎo)通時(shí)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。

多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

圖1-7晶閘管的工作原理32電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)。由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：33電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間ts，抽取飽和導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)的大量載流子，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf，晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小。尾部時(shí)間tt

—?dú)埓孑d流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6圖1-14

GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形GTO的動(dòng)態(tài)特性34電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管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1~2

s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2

s。（2）關(guān)斷時(shí)間toff（1）開(kāi)通時(shí)間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)

。許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。35電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4）

電流關(guān)斷增益

off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A?！狦TO額定電流。

——最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）36電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.2電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術(shù)語(yǔ)用法：37電力電子技術(shù)第2章器件2SCR與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。與普通雙極結(jié)型晶體管相比，GTR多了一個(gè)低摻雜區(qū)（漂移區(qū)）。。1.4.2電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)38電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.2電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（1-9）

——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為ic=

ib+Iceo

（1-10）單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理39電力電子技術(shù)第2章器件2SCR1.4.2電力晶體管

(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出