電力電子器件第講 ppt課件

1、(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年美國(guó)通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速開展和廣泛運(yùn)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，開場(chǎng)被全控型器件取代。能接受的電壓和電流容量最高，任務(wù)可靠，在大容量的場(chǎng)所具有重要位置。晶閘管晶閘管ThyristorThyristor：晶體閘流管，可控硅整流：晶體閘流管，可控硅整流器器Silicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled RectifierSCR(1-2) 晶閘管的外形、構(gòu)造和電氣圖形

2、符號(hào)a) 外形 b) 構(gòu)造 c) 電氣圖形符號(hào)1 1 晶閘管的構(gòu)造晶閘管的構(gòu)造 外形有螺栓型和平板型兩種封裝。 有三個(gè)銜接端。 螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器嚴(yán)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構(gòu)造、三端引出線(A、K、G)的器件。(1-3)1 1 晶閘管的構(gòu)造晶閘管的構(gòu)造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)(1-4) 常用晶閘管的構(gòu)造螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及構(gòu)造(1-6)

3、晶閘管的雙晶體管模型及其任務(wù)原理a) 雙晶體管模型 b) 任務(wù)原理 門極開路，給晶閘管加正向電壓，J2接受反向電壓，器件AK兩端處于阻斷形狀。 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)通的任務(wù)原理可以用雙晶體管模型來解釋： S閉合前， IG=0 Ib2=0 Ic2=0 Ic1=0，晶閘管處于阻斷形狀。 S閉合，外電路向門極注入電流IG，構(gòu)成劇烈的正反響，使晶閘管導(dǎo)通。 導(dǎo)通后假設(shè)撤掉門極電流IG，晶閘管由于內(nèi)部已構(gòu)成劇烈的正反響，會(huì)繼續(xù)維持其導(dǎo)通形狀。2 2 晶閘管的任務(wù)原理晶閘管的任務(wù)原理IGIB2IC2(IB1)IC1欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件：應(yīng)在晶閘管的陽

4、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，門極即失去控制造用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關(guān)斷，必需使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只需用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實(shí)現(xiàn)。其他幾種能夠?qū)ǖ那闆r陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值呵斥雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(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運(yùn)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管LTT只需門極觸發(fā)是最準(zhǔn)確、迅速而可靠的控制只需門極觸發(fā)是最準(zhǔn)確、迅速而可靠的控制(1-8)3 3 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性接受反向電壓時(shí)，不論門極能否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)

5、通。接受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才干開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制造用。要使晶閘管關(guān)斷，必需去除陽極所加的正向電壓，或設(shè)法使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，或者給陽極施加反壓。晶閘管門極加正脈沖可以觸發(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。 晶閘管正常任務(wù)時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管正常任務(wù)時(shí)的特性總結(jié)如下：(1-9)正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只需很小的正向漏電流，為正向阻斷形狀。正向電壓超越正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓Ubo，那么漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ?/p>

6、崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性(1-10) 反向特性類似二極管的反向特性。 反向阻斷形狀時(shí)，只需極小的反相漏電流流過。 當(dāng)反向電壓到達(dá)反向擊穿電壓后，能夠?qū)е戮чl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反向特性反向特性晶閘管的門極伏安特性由于實(shí)踐產(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)域來代表一

7、切器件的伏安特性，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UFGM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, OABCO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(1-12)開經(jīng)過程延遲時(shí)間td (0.51.5s)上升時(shí)間tr (0.53s)開通時(shí)間ton以上兩者之和， ton=td+ tr 1-6100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間toff以上兩者之和toff=trr+tgr 1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒 晶閘管

8、的開通和關(guān)斷過程波形 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1斷態(tài)反復(fù)峰值電壓UDRM，在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許反復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。(UDSM Ubo)2反向反復(fù)峰值電壓URRM，在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許反復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。( URSM Uro)3額定電壓，斷態(tài)反復(fù)峰值電壓UDRM和反向反復(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)倍的平安裕量。(4)通態(tài)電壓UTM 晶閘管通以規(guī)定倍數(shù)額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。從減少功耗和發(fā)熱的觀念出發(fā)，應(yīng)該選擇通態(tài)電壓較小的晶閘管。4 4 晶閘

9、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。選用時(shí)，普通取額定電壓為正常任務(wù)時(shí)晶閘管所接受峰值電壓23倍。運(yùn)用留意：運(yùn)用留意：(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。晶閘管流過正弦半波電流波形 如下圖 運(yùn)用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原那么來選取晶閘管。晶閘管流過正弦半波電流波形它的通態(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) 流過晶閘管的電流波形不

10、同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)踐運(yùn)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值一樣的原那么進(jìn)展換算，通常選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取(1.52)倍的平安裕量。 m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTfIIK(6)浪涌電流 ITSM這是晶閘管所允許的半周期內(nèi)使結(jié)溫超越額定結(jié)溫的不反復(fù)正向過載電流。該值比晶閘管的額定電流要大得多。實(shí)踐上它表達(dá)了晶閘管抗短路沖擊電流的才干。可用來設(shè)計(jì)維護(hù)電路。(7)維持電流 IH 在室溫暖門極斷路時(shí)，晶閘管曾經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必需的最小陽極電流。(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

11、發(fā)信號(hào)之后，要器件維持通態(tài)所需求的最小陽極電流。對(duì)于同一個(gè)晶閘管來說，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。(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)超越其峰值IGFM 和 UGFM。(11) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/ dt 在額定結(jié)溫暖門極斷路條件下，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

12、件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管可以接受而不導(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)，假設(shè)電流上升過快，會(huì)使門極電流密度過大，從而呵斥部分過熱而使晶閘管損壞。例1-1 兩個(gè)不同的電流波形(陰影斜線部分)如下圖，分別流經(jīng)晶閘管，假設(shè)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)算波形系數(shù)Kf1、Kf2。流過晶閘管的電流波形解：如下圖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

13、. 0)()sin(21m42m1ItdtIIA7 .5531m2II74. 1111dfIIK思索思索1：假設(shè)晶閘管的額定電流是：假設(shè)晶閘管的額定電流是100A,思索晶閘管的平安裕思索晶閘管的平安裕量量,請(qǐng)問在以上的情況下請(qǐng)問在以上的情況下, 允許流過的平均電流是多少允許流過的平均電流是多少?AIIAVTT15757. 1)(AKIIfTd2 .9074. 115711AKIIfTd9467. 115722思索思索2：假設(shè)思索晶閘管：假設(shè)思索晶閘管2倍的平安裕量倍的平安裕量, 請(qǐng)問在以上的情況請(qǐng)問在以上的情況下下, 允許流過的平均電流是多少允許流過的平均電流是多少?(1-21)4 4 晶閘管

14、的派生器件晶閘管的派生器件有任務(wù)在有任務(wù)在400Hz左右的快速晶閘管和左右的快速晶閘管和10kHz左右或更高頻率的高頻晶閘管。左右或更高頻率的高頻晶閘管。開關(guān)時(shí)間以及開關(guān)時(shí)間以及du/dt和和di/dt耐量都有明顯改善。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。左右。高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。由于任務(wù)頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。由于任務(wù)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

15、Switching Thyristor Fast Switching Thyristor FST)FST)(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可以為是一對(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來表示其額定電流值。雙向晶閘管等效電路及符號(hào)雙向晶閘管的伏安特性(1-23)逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管Reverse Conducting ThyristorRCTReverse Conducting ThyristorRCTa)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