晶閘管最終版.doc

晶閘管一、晶閘管基礎(chǔ)知識晶閘管（Thyristor）：別名：可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）是一種大功率半導(dǎo)體器件，出現(xiàn)于70年代。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。特點(diǎn)：體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。應(yīng)用領(lǐng)域：整流（交流直流）逆變（直流交流）變頻（交流交流）斬波（直流直流）此外還可作無觸點(diǎn)開關(guān)等。1、工作原理可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成，其等效圖解如圖1所示圖1可控硅等效圖解圖當(dāng)陽極A加上正向電壓時，BG1和BG2管均處于放大狀態(tài)。此時，如果從控制極G輸入一個正向觸發(fā)信號，BG2便有基流ib2流過，經(jīng)BG2放大，其集電極電流ic2=2ib2。因?yàn)锽G2的集電極直接與BG1的基極相連，所以ib1=ic2。此時，電流ic2再經(jīng)BG1放大，于是BG1的集電極電流ic1=1ib1=12ib2。這個電流又流回到BG2的基極，表成正反饋，使ib2不斷增大，如此正向饋循環(huán)的結(jié)果，兩個管子的電流劇增，可控硅使飽和導(dǎo)通。由于BG1和BG2所構(gòu)成的正反饋?zhàn)饔?，所以一旦可控硅?dǎo)通后，即使控制極G的電流消失了，可控硅仍然能夠維持導(dǎo)通狀態(tài)，由于觸發(fā)信號只起觸發(fā)作用，沒有關(guān)斷功能，所以這種可控硅是不可關(guān)斷的。由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表1表1可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件狀態(tài)條件說明從關(guān)斷到導(dǎo)通1、陽極電位高于是陰極電位2、控制極有足夠的正向電壓和電流兩者缺一不可維持導(dǎo)通1、陽極電位高于陰極電位2、陽極電流大于維持電流兩者缺一不可從導(dǎo)通到關(guān)斷1、陽極電位低于陰極電位2、陽極電流小于維持電流任一條件即可2、基本伏安特性可控硅的基本伏安特性見圖2圖2可控硅基本伏安特性2.1反向特性當(dāng)控制極開路，陽極加上反向電壓時（見圖3），J2結(jié)正偏，但J1、J2結(jié)反偏。此時只能流過很小的反向飽和電流，當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后，接差J3結(jié)也擊穿，電流迅速增加，圖3的特性開始彎曲，如特性O(shè)R段所示，彎曲處的電壓URO叫“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此時，可控硅會發(fā)生永久性反向擊穿。圖3陽極加反向電壓2.2正向特性當(dāng)控制極開路，陽極上加上正向電壓時（見圖4），J1、J3結(jié)正偏，但J2結(jié)反偏，這與普通PN結(jié)的反向特性相似，也只能流過很小電流，這叫正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)電壓增加，圖3的特性發(fā)生了彎曲，如特性O(shè)A段所示，彎曲處的是UBO叫：正向轉(zhuǎn)折電壓圖4陽極加正向電壓由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后，J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng)，在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴，電子時入N1區(qū)，空穴時入P2區(qū)。進(jìn)入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合，同樣，進(jìn)入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿，進(jìn)入N1區(qū)的電子與進(jìn)入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉，這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍增加，電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性，見圖3的虛線AB段。這時J1、J2、J3三個結(jié)均處于正偏，可控硅便進(jìn)入正向?qū)щ姞顟B(tài)-通態(tài)，此時，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，見圖2中的BC段3、觸發(fā)導(dǎo)通在控制極G上加入正向電壓時（見圖5）因J3正偏，P2區(qū)的空穴時入N2區(qū)，N2區(qū)的電子進(jìn)入P2區(qū)，形成觸發(fā)電流IGT。在可控硅的內(nèi)部正反饋?zhàn)饔茫ㄒ妶D2）的基礎(chǔ)上，加上IGT的作用，使可控硅提前導(dǎo)通，導(dǎo)致圖3的伏安特性O(shè)A段左移，IGT越大，特性左移越快。圖5陽極和控制極均加正向電壓4、主要參數(shù)4.1.電壓額定1)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,一般為正向折電壓的80。2)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，一般為反向擊穿電壓的80。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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓（一般為2V）。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，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2,3倍。4.2.額定電流通態(tài)平均電流（額定電流）IT(AV)晶閘管在環(huán)境溫度為和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許連續(xù)流過的單相工頻正弦半波電流的最大平均值。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額定電流。實(shí)際使用時應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5到2倍。對于一只額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，允許的電流有效值應(yīng)該為157A（考慮正弦半波波形系數(shù)）。4.3、動態(tài)參數(shù)（1）晶閘管的開通時間tgt與關(guān)斷時間tq開通與關(guān)斷時間的含義如前所述（2）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt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。（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，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。二、典型可控整流電路以下以最常用的單相橋式全控整流電路和三相橋式全控整流電路對晶閘管整流電路做一簡單介紹。1、單相橋式全控整流電路單相整流電路中應(yīng)用較多的a：帶電阻負(fù)載的工作情況工作原理及波形分析見圖6：VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷；VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。數(shù)量關(guān)系：角的移相范圍為180。b：帶阻感負(fù)載的工作情況為便于討論，假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線u2過零變負(fù)時，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。至t=+時刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。圖6單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形VT2和VT3導(dǎo)通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。晶閘管移相范圍為90。晶閘管承受的最大正反向電壓均為22U。晶閘管導(dǎo)通角與無關(guān)，均為180。變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由角決定，有效值I2=Id。圖7單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形c帶反電動勢負(fù)載時的工作情況在|u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能，導(dǎo)通之后，ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電，稱為停止導(dǎo)電角。圖8單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負(fù)載時的電路及波形在角相同時，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時大。如圖8-b)圖所示id波形在一周期內(nèi)有部分時間為0的情況，稱為電流斷續(xù)。與此對應(yīng)，若id波形不出現(xiàn)為0的點(diǎn)的情況，稱為電流連續(xù)。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。為了使晶閘管可靠導(dǎo)通，要求觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)wt=時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為。負(fù)載為直流電動機(jī)時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動機(jī)的機(jī)械特性將很軟。為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器，用來減少電流的脈動和延長晶閘管導(dǎo)通的時間。這時整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與電感負(fù)載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計(jì)算公式亦一樣。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：2、三相橋式全控整流電路應(yīng)用最為廣泛，共陰極組陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）編號：1、3、5，4、6、2a帶電阻負(fù)載時的工作情況=0時的情況假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管進(jìn)行分析對于共陰極阻的3個晶閘管，陽極所接交流電壓值最大的一個導(dǎo)通對于共陽極組的3個晶閘管，陰極所接交流電壓值最低（或者說負(fù)得最多）的導(dǎo)通圖9三相橋式全控整流電路原理圖任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)從相電壓波形看，共陰極組晶閘管導(dǎo)通時，ud1為相電壓的正包絡(luò)線，共陽極組導(dǎo)通時，ud2為相電壓的負(fù)包絡(luò)線，ud=ud1-ud2是兩者的差值，為線電壓在正半周的包絡(luò)線直接從線電壓波形看，ud為線電壓中最大的一個，因此ud波形為線電壓的包絡(luò)線。三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)：（1）2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。（2）對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。表1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載a=0時晶閘管工作情況時段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓UdUa-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb（3）ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。圖10三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=0時的波形（4）需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)另一種方法是雙脈沖觸發(fā)（常用）。（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同a=30時的工作情況從wt1開始把一周期等分為6段，ud波形仍由6段線電壓構(gòu)成，每一段導(dǎo)通晶閘管的編號等仍符合表1的規(guī)律區(qū)別在于：晶閘管起始導(dǎo)通時刻推遲了30，組成ud的每一段線電壓因此推遲30變壓器二次側(cè)電流ia波形的特點(diǎn)：在VT1處于通態(tài)的120期間，ia為正，ia波形的形狀與同時段的ud波形相同，在VT4處于通態(tài)的120期間，ia波形的形狀也與同時段的ud波形相同，但為負(fù)值。a=60時工作情況ud波形中每段線電壓的波形繼續(xù)后移，ud平均值繼續(xù)降低。a=60時ud出現(xiàn)為零的點(diǎn)。圖11三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=30時的波形小結(jié)當(dāng)a60時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)當(dāng)a60時，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負(fù)值。帶電阻負(fù)載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍