电力电子器件第2讲.ppt

1-1)1.3 1.3 半控器件半控器件——晶闸管晶闸管 0 0 引言引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器 （ Silicon Controlled Rectifier——SCR）(1-2) 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1 1 晶闸管的结构晶闸管的结构外形有螺栓型和平板型两种封装有三个连接端螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件(1-3)1 1 晶闸管的结构晶闸管的结构小电流塑封式小电流塑封式小电流螺旋式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式大电流平板式图形符号图形符号(1-4)常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构自冷式自冷式自冷式自冷式风冷式风冷式风冷式风冷式水冷式水冷式水冷式水冷式(1-6) 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理 门极开路，给晶闸管加正向电压，J2承受反向电压，器件AK两端处于阻断状态。

当给晶闸管加反向电压时，J1、J3反偏，晶闸管也不能导通Ø晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释：ØS闭合前， IG=0→ Ib2=0 → Ic2=0 → Ic1=0，晶闸管处于阻断状态ØS闭合，外电路向门极注入电流IG，形成强烈的正反馈，使晶闸管导通Ø导通后如果撤掉门极电流IG，晶闸管由于内部已形成强烈的正反馈，会继续维持其导通状态2 2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑•欲使晶闸管导通需具备两个条件：①应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压②应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流•晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件•为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现•其他几种可能导通的情况阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LTT）只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制(1-8)3 3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性承承受受反反向向电电压压时时，，不不论论门门极极是是否否有有触触发发电电流流，，晶晶闸闸管管都都不不会会导通。

导通承承受受正正向向电电压压时时，，仅仅在在门门极极有有触触发发电电流流的的情情况况下下晶晶闸闸管管才才能能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要要使使晶晶闸闸管管关关断断，，必必须须去去除除阳阳极极所所加加的的正正向向电电压压，，或或设设法法使使流流过过晶晶闸闸管管的的电电流流降降到到接接近近于于零零的的某某一一数数值值以以下下，，或或者者给给阳阳极施加反压极施加反压晶晶闸闸管管门门极极加加正正脉脉冲冲能能够够触触发发晶晶闸闸管管导导通通，，而而加加负负脉脉冲冲却却不不能使其关断，故称为半控型器件能使其关断，故称为半控型器件 晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：(1-9)正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低晶闸管本身的压降很小，在1V左右正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性(1-10)反向特性类似二极管的反向特性。

反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏 晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM反向特性反向特性晶闸管的门极伏安特性•由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性OG和一条极限低阻门极伏安特性OD之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM﹑允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域PG为门极允许的最大平均功率其中, OABCO为 不 可 靠 触 发 区 , ADEFGCBA为可靠触发区晶闸管的门极伏安特性(1-12)开通过程延迟时间延迟时间td  s)上升时间上升时间tr (0.5~3 s)开开通通时时间间ton以上两者之和， ton=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关关断断时时间间t toff以上两者之和toff=trr+tgr （1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒 晶闸管的开通和关断过程波形 晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性( (开关特性）开关特性）（1）断态重复峰值电压UDRM，在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。

UDSM Ubo)（2）反向重复峰值电压URRM，在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压 URSM Uro)（3）额定电压，断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安全裕量4)通态电压UTM 晶闸管通以规定倍数额定通态平均电流时的瞬态峰值电压从减少功耗和发热的观点出发，应该选择通态电压较小的晶闸管4 4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍使用注意：使用注意：(5) 额定电流IT(AV)•在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角> 170°)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流•晶闸管流过正弦半波电流波形 如图所示 使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管晶闸管流过正弦半波电流波形它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为： )式中 Kf―为波形系数 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取～2)倍的安全裕量。

(6)浪涌电流 ITSM•这是晶闸管所允许的半周期内使结温超过额定结温的不重复正向过载电流该值比晶闸管的额定电流要大得多实际上它体现了晶闸管抗短路冲击电流的能力可用来设计保护电路7)维持电流 IH •在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流8) 擎住电流 IL •晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍9) 门极触发电流IGT•在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流(10) 门极触发电压UGT •对应于门极触发电流时的门极触发电压触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM11) 断态电压临界上升率du/ dt •在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通12) 通态电流临界上升率di / dt •在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。

在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏〖例1-1〗 两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A，试计算各波形下晶闸管的电流平均值Id1、Id2，电流有效值I1、I2 ， 并计算波形系数Kf1、Kf2流过晶闸管的电流波形解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：思考思考1：如果晶闸管的额定电流是100A,考虑晶闸管的安全裕量,请问在以上的情况下, 允许流过的平均电流是多少?思考思考2：如果考虑晶闸管2倍的安全裕量, 请问在以上的情况下, 允许流过的平均电流是多少?(1-21)4 4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件有工作在400Hz左右的快速晶闸管和10kHz左右或更高频率的高频晶闸管开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应1 1））快速晶闸管快速晶闸管（（Fast Switching Thyristor—— FST)(1-22)2 2））双双向向晶晶闸闸管管（（Triode Triode AC AC Switch——TRIACSwitch——TRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor））可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。

有两个主电极T1和T2，一个门极G在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值双向晶闸管等效电路及符号双向晶闸管的伏安特性(1-23)3)3)逆逆导导晶晶闸闸管管（（Reverse Reverse Conducting Conducting Thyristor——Thyristor——RCTRCT））a)KGA 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件这种器件不具有反向阻断能力，一旦承受反向电压即开通，故称为逆导晶闸管(1-24)4)4)光光控控晶晶闸闸管管（（Light Light Triggered Triggered Thyristor——Thyristor——LTTLTT））又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响因此目前用在高压大功率的场合光控晶闸管的符号及等效电路光控晶闸管的伏安特性。