電力電子器件第2講優(yōu)秀課件

1、電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-1)1.3 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管 0 0 引言引言 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。 1957 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(shí)代。 20世紀(jì)80年代以來(lái)，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-2) 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)1 1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)

2、外形有螺栓型和平板型兩種封裝。 有三個(gè)連接端。 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。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-3)1 1 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)小電流塑封式小電流塑封式小電流螺旋式小電流螺旋式大電流螺旋式大電流螺旋式大電流平板式大電流平板式圖形符號(hào)圖形符號(hào)電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-4) 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)電力電子器件第2講優(yōu)秀課件電力電子器件第

3、2講優(yōu)秀課件(1-6) 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 門極開路，給晶閘管加正向電壓，J2承受反向電壓，器件AK兩端處于阻斷狀態(tài)。 當(dāng)給晶閘管加反向電壓時(shí)，J1、J3反偏，晶閘管也不能導(dǎo)通。 晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來(lái)解釋： S閉合前， IG=0 Ib2=0 Ic2=0 Ic1=0，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。 S閉合，外電路向門極注入電流IG，形成強(qiáng)烈的正反饋，使晶閘管導(dǎo)通。 導(dǎo)通后如果撤掉門極電流IG，晶閘管由于內(nèi)部已形成強(qiáng)烈的正反饋，會(huì)繼續(xù)維持其導(dǎo)通狀態(tài)。2 2 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理IGIB2IC2(IB1)IC1電力電子器件第2講優(yōu)

4、秀課件欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件：應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上正向電壓。應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽(yáng)極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。其他幾種可能導(dǎo)通的情況陽(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（LTT）只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-8)3 3 晶閘

5、管的基本特性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)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。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通。開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。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，必須去除陽(yáng)極所加的正向電壓，或設(shè)法使要使晶閘管關(guān)斷，必須去除陽(yáng)極所加的正向電壓，或設(shè)法使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，或者給陽(yáng)流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，或者給陽(yáng)極施加反壓。極施加反壓。晶閘管門極加正脈沖能夠觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通

6、，而加負(fù)脈沖卻不晶閘管門極加正脈沖能夠觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，而加負(fù)脈沖卻不能使其關(guān)斷，故稱為半控型器件。能使其關(guān)斷，故稱為半控型器件。 晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-9)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。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG 晶閘管的伏

7、安特性晶閘管的伏安特性電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-10) 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。 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM反向特性反向特性電力電子器件第2講優(yōu)秀課件晶閘管的門極伏安特性由于實(shí)際產(chǎn)品的門極伏安特性分散性很大，常以一條典型的極限高阻門極伏安特性O(shè)G和一條極限低阻門極伏安特性O(shè)D之間的區(qū)域來(lái)代表所有器件的伏安特性，由門極正向峰值電流IFGM允許的瞬時(shí)最大功率PGM和正向峰值電壓UF

8、GM劃定的區(qū)域稱為門極伏安特性區(qū)域。PG為門極允許的最大平均功率。其中, O A B C O 為 不 可 靠 觸 發(fā) 區(qū) , ADEFGCBA為可靠觸發(fā)區(qū)。晶閘管的門極伏安特性電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-12)開通過(guò)程延遲時(shí)間延遲時(shí)間td (0.51.5 s)上升時(shí)間上升時(shí)間tr (0.53 s)開通時(shí)間開通時(shí)間ton以上兩者之和， ton=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA關(guān)斷過(guò)程 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t toff以上兩者之和toff=trr+tgr

9、（1-7) 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒 晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形 晶閘管的動(dòng)態(tài)特性晶閘管的動(dòng)態(tài)特性( (開關(guān)特性）開關(guān)特性）電力電子器件第2講優(yōu)秀課件（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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。(UDSM Ubo)（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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。( URSM Uro)（3）額定電壓，斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的那個(gè)數(shù)值標(biāo)作器件型號(hào)上的額定電壓。通常選用晶閘管時(shí)，電壓選擇應(yīng)取(23)倍的安全裕量。(4)通態(tài)電壓UTM 晶閘管通以規(guī)定倍數(shù)額定通態(tài)平均

10、電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。從減少功耗和發(fā)熱的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)該選擇通態(tài)電壓較小的晶閘管。4 4 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)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23倍。使用注意：使用注意：電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(5) 額定電流IT(AV)在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定冷卻條件下，器件在電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中,管子全導(dǎo)通(導(dǎo)通角 170)，在穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。晶閘管流過(guò)正弦半波電流波形 如圖所示 使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。晶閘管流過(guò)正弦半波電流波

11、形電力電子器件第2講優(yōu)秀課件它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為： 正弦半波電流的有效值為： )式中 Kf為波形系數(shù) 流過(guò)晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取(1.52)倍的安全裕量。 m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTfIIK電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(6)浪涌電流 ITSM這是晶閘管所允許的半周期內(nèi)使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)正向過(guò)載電流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。實(shí)際上它體現(xiàn)了晶閘管抗短路沖擊電流的能

12、力?？捎脕?lái)設(shè)計(jì)保護(hù)電路。(7)維持電流 IH 在室溫和門極斷路時(shí)，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽(yáng)極電流。(8) 擎住電流 IL 晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)移去觸發(fā)信號(hào)之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽(yáng)極電流。對(duì)于同一個(gè)晶閘管來(lái)說(shuō)，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(24)倍。(9) 門極觸發(fā)電流IGT在室溫且陽(yáng)極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(10) 門極觸發(fā)電壓UGT 對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流時(shí)的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過(guò)其峰值IGFM

13、 和 UGFM。(11) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/ dt 在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過(guò)大的斷態(tài)電壓上升率會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。(12) 通態(tài)電流臨界上升率di / dt 在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開通時(shí)，如果電流上升過(guò)快，會(huì)使門極電流密度過(guò)大，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。電力電子器件第2講優(yōu)秀課件例1-1 兩個(gè)不同的電流波形(陰影斜線部分)如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A，試計(jì)算各波形下晶閘管的電流平均值Id1、Id2，電流有效值I1、I2 ， 并計(jì)算波

14、形系數(shù)Kf1、Kf2。流過(guò)晶閘管的電流波形電力電子器件第2講優(yōu)秀課件解：如圖所示的平均值和有效值可計(jì)算如下：A3 .33333. 0)(21m3/20md2ItdII67. 1222dfIIKA2 .27272. 0)(sin21m4/md1ItdtIIA4 .47477. 0)()sin(21m42m1ItdtIIA7 .5531m2II74. 1111dfIIK電力電子器件第2講優(yōu)秀課件思考思考1：如果晶閘管的額定電流是100A,考慮晶閘管的安全裕量,請(qǐng)問在以上的情況下, 允許流過(guò)的平均電流是多少?AIIAVTT15757. 1)(AKIIfTd2 .9074. 115711AKIIfTd

15、9467. 115722思考思考2：如果考慮晶閘管2倍的安全裕量, 請(qǐng)問在以上的情況下, 允許流過(guò)的平均電流是多少?電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-21)4 4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 有工作在400Hz左右的快速晶閘管和10kHz左右或更高頻率的高頻晶閘管。 開關(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10s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，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)電力電子器件第2

16、講優(yōu)秀課件(1-22)2 2）雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor）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。在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值來(lái)表示其額定電流值。雙向晶閘管等效電路及符號(hào)雙向晶閘管的伏安特性電力電子器件第2講優(yōu)秀課件(1-23)逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCTReverse Conducting ThyristorRCT）a)KGA 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)