电力电子技术课件-7.ppt

1、1-11.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1-21.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应产品。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。用的崭新时代。20世纪世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。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。大容量的场合具有重要地位。晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rect

2、ifierSCR）1-3图1-6 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1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理封装形式有封装形式有螺栓型螺栓型(200A)(200A)(200A)。有三个电极：阳极有三个电极：阳极A A；阴极；阴极K K；门极；门极(控制端）控制端）GG。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31-41.3.1

3、 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理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1-51.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理AGKP1N1P2N2J1J2J3u晶闸管是晶闸管是PNPNPNPN四层半导体结构。四层半导体结构。具有具有J1J1、J2J2、J3J3三个三个PNPN结。结。可用三个二极管或两个三极管等效。可用三个二极管或两个三极管等效。u外加正向电压（外加正向电压（A A接正，接正，K K接负），接负），J J2 2反向偏置，反向偏置，A A、K K之间处于阻断状之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。态，只能流过很小的漏电流。u外加反向电

4、压（外加反向电压（A A接负，接负，K K接正），接正），J1J1和和J3J3反向反向偏置，偏置，A A、K K之间也处于阻断状态，仅有极小的反之间也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。向漏电流通过。1-61.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理AGK晶闸管的双晶体管模型1-71.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图1-7 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1-81.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释。晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释。晶闸管的触发导通正反

5、馈原理：晶闸管的触发导通正反馈原理：V1V1实际上为实际上为V2V2构成了构成了正反馈电路，在正反馈电路，在A A、K K间加正向电压情况下，若外电路向间加正向电压情况下，若外电路向门极注入电流门极注入电流IG：如此不断对电流进行放大，形成强烈的正反馈，最后如此不断对电流进行放大，形成强烈的正反馈，最后V1V1和和V2V2进入完全饱和导通状态，即晶闸管导通，导通压进入完全饱和导通状态，即晶闸管导通，导通压降约为降约为1V1V左右。此过程称为门极触发。左右。此过程称为门极触发。I IGGI IB2B2I IB2B2I IC2C2(I(IB1 B1)I IC1C11-91.3.1 晶闸管的结构与工

6、作原理晶闸管的结构与工作原理u此时若撤掉外电路注入门极的电流此时若撤掉外电路注入门极的电流IG，晶闸管由于内部，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈，并且反馈电流已形成了强烈的正反馈，并且反馈电流IC1IG，V1、V2可以相互维持导通，门极失去控制作用。可以相互维持导通，门极失去控制作用。u欲使晶闸管导通需具备两个条件：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。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应在晶闸管的门极与阴极之间也加上触发电流。触发电流。u如何使如何使SCR关断？去掉阳极所加正向电压，或者给阳极关断？去掉阳极所

7、加正向电压，或者给阳极施加反压；设法使阳极电流减小到接近于施加反压；设法使阳极电流减小到接近于0的某一数值以的某一数值以下，解除正反馈；使下，解除正反馈；使SCR所在的回路断开。所在的回路断开。u由此可见，由此可见，SCR只能通过门极触发使其开通而不能使其只能通过门极触发使其开通而不能使其关断。关断。1-101.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应，使反偏的阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应，使反偏的J2J2漏电流倍增而击穿；漏电流倍增而击穿；阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高；过高；结温较高，漏电流增大。结温较高，漏电流增大。

8、光触发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，称为应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：1-111.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶承受正向电压时，仅

9、在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。闸管才能开通。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。要使晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作要使晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。下。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：1-121.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（1）正向特性正向特性IG=0时，器件两端施加正向时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。流，为正向阻断状态。正向电压超过正向

10、转折电压正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件开通。器件开通。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右。左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1）静态特性静态特性图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1-131.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反反向特性类似二极管的反向特性。向特性。反向阻断状态时，只有极反向阻断状态时，只有极小的小的反向漏反向漏电流流过。电

11、流流过。当反向电压达到反向击穿当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管电压后，可能导致晶闸管发热损坏。发热损坏。图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性1-141.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1)开通过程晶闸管内部的正反馈过程需要晶闸管内部的正反馈过程需要时间，阳极电流在时间，阳极电流在I IG G作用后经作用后经过循环放大而建立，但开通时过循环放大而建立，但开通时间间tgt较短。较短。延迟时间延迟时间td(0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.

12、53 s)开通时间开通时间tgt以上两者之和，以上两者之和，tgt=td+tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2）动态特性动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形1-151.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形1-161.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2)关断过程u原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流将逐步衰减到零，同电力二极管反向时，其阳极电流

13、将逐步衰减到零，同电力二极管的关断动态过程类似，在反方向会流过反向恢复电流，的关断动态过程类似，在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值经过最大值I IRMRM后，再反方向衰减。后，再反方向衰减。反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trrtrr：正向电流降为零到反向恢复：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgrtgr：晶闸管要恢复其对正向电压：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间的阻断能力还需要一段时间关断时间关断时间t tq以上两者之和以上两者之和tq=trr+tgr （1-7)1-171.3.2 晶闸管的基本特性晶

14、闸管的基本特性注：在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，造成加正向电压，晶闸管会重新正向导通，造成晶闸管的误导通。晶闸管的误导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作的阻断能力，电路才能可靠工作。1-181.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允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许重

15、复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允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许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM 晶闸管通以某一规定倍数的额定通晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压态平均电流时的瞬态峰值电压。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23倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额曲线曲线1-191.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通态平

16、均电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波最大工频正弦半波电流的平均值电流的平均值。标称其额定电流的参数。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电流定额，并应留一定的裕量。一般取其平均电流为按此原则所得计算结果的1.52倍。有效值相等原则：实际电流波形所造成的发热效应与有效值相等原则：实际电流波形所造成的发热效应与工频正弦半波时的效应相等工频正弦半波时的效应相等2 2）电流定额电流定额1-20 晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示：1-21流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同。晶闸管的额定电流I

17、T（AV）=（1.52）IT/Kf。1-221-231-24如何选取晶闸管 Kf*Id=1.57*IT（A V）Id是实际电路中的平均电流是实际电路中的平均电流,乘以波形系数（查乘以波形系数（查表），根据有效值相等原则，等于正弦半波电流表），根据有效值相等原则，等于正弦半波电流的有效值即的有效值即1.57*IT（A V）根据这个等式可求得根据这个等式可求得IT（A V）即为晶闸管的额定电即为晶闸管的额定电流，当然还要考虑一定裕量流，当然还要考虑一定裕量（1.52）IT（A V）由由此值来选择晶闸管此值来选择晶闸管1-251.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流 IH 关断晶

18、闸管时维持其导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。（针对关断过程）擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL约为约为IH的的24倍倍。（针对开通过程）浪涌电流浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。1-261.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态指在额定结温和门极开路

19、的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数1-271.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件有有快速晶闸管（快速晶闸管（KK）和和高频晶闸管（高频晶闸

20、管（KG）分别用于分别用于400HZ和和10KHZ以上的斩波和逆变电路中。以上的斩波和逆变电路中。开关时间以及开关时间以及du/dt和和di/dt耐量都有明显改善。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，普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管高频晶闸管10 s左右左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。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)1-2

21、81.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2 2）双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）（）（国产国产KS）图1-10 双向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a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。接的普通晶闸管的集成。有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门极一个门极G。在第在第和第和第IIIIII象限有对象限有对称的伏安特性。称的伏安特性。通常用于交流电路中，通常用于交流电路中，不用平均值而用有效值不用平均值而用

22、有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。1-291.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3)逆导晶闸管逆导晶闸管a)KGAb)UOIIG=0图1-11 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。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压（二极管）即开通。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。1-301.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件4)光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号 b)伏安特性又称光触发晶闸管，又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光是利用一定波长的光照信号触发导通的晶照信号触发导通的晶闸管。闸管。光触发保证了主电路光触发保证了主电路与控制电路之间的绝与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干缘，且可避免电磁干扰的影响。扰的影响。因此目前用在高压大因此目前用在高压大功率的场合。功率的场合。