電力電子第一章電力電子器件2課件

電力電子技術PowerElectronicTechnology1.3、半控型器件—晶閘管晶閘管概述晶閘管的結構與工作原理晶閘管的基本特性晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的派生器件晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier-SCR）按照IEC（國際電工委員會）的定義，晶閘管是指那些具有3個以上的PN結，主電壓—電流特性至少在一個象限內具有導通、阻斷兩個穩(wěn)定狀態(tài)，且可在這兩個穩(wěn)定狀態(tài)之間進行轉換的半導體器件。1956年美國貝爾實驗室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣（GE）公司開發(fā)出第一只晶閘管產品1958年商業(yè)化，開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位1.3半控性器件——晶閘管上次課內容回顧2、二極管的動態(tài)特性上次課內容回顧3、二極管的參數(shù)正向平均電流IF(AV)使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，即實際波形電流與正向平均電流有效值相等。并應留有一定的裕量。100A的二極管，對下圖波形，最大能送出的的平均電流為多少？141.4A90.7A上次課內容回顧4、電力二極管的應用5、電力二極管的主要類型電力二極管是都是基于PN結的嗎？電力二極管是都是多級性器件嗎？1.3.1

晶閘管的結構與工作原理螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構1.3.1晶閘管的結構與工作原理對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器(Radiator)緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器(Radiator)將其夾在中間圖1-6晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號1.3.1晶閘管的結構與工作原理如前所述，晶閘管是PNPN四層半導體結構。四個區(qū)分別命名為P1、N1、P2、N2。P1區(qū)引出A極，N2區(qū)引出K極，P2區(qū)引出G極。四個區(qū)形成三個PN結：J1、J2、J3晶體管回顧1.3.1晶閘管的結構與工作原理開通過程S閉合晶閘管門極注入電流IG流經V2的基極經V2放大后，集電極電流IC2構成了V1的基極電流經V1放大后，進一步增大了V2的基極電流IGIB2IC2IB1IC1正反饋過程1.3.1晶閘管的結構與工作原理假設1=Ic1/Ie1、2=Ic2/Ie2-分別為V1、V2的共基極電流增益1.3.1晶閘管的結構與工作原理即使門極電流被撤除，IG=0，由于1+2≈1，IK=IA仍將很大，內部已形成強烈正反饋，晶閘管處于通態(tài)。IK=IA=EA/R晶閘管導通的條件，1+2≥1，此時對應的陽極電流成為“擎住電流”，門極便失去了控制能力。1.3.1晶閘管的結構與工作原理其他幾種可能導通的情況（非門極出發(fā)機構）：正向轉折導通：在IG=0時，提高陽極-陰極之間的正向電壓VAK，使反向偏置的J2結（N1P2）擊穿，電流IA迅速上升，1+2≈1，IA增加到EA/R。熱觸發(fā)：當溫度增加，反向飽和電流隨之增加，IA、IK增大，直到1+2≈1，晶閘管導通。1.3.1晶閘管的結構與工作原理其他幾種可能導通的情況：du/dt導通：各PN結都存在結電容，當外加正向電壓VAK的du/dt很高時，各PN結將流過很大的充電電流：i=C·du/dt。

P1N1之間充電電流→IA、IK增大

P2N2之間充電電流→IB2增大→IA、IK增大→1+2≈1以上導通都不加門極信號→非正常導通，這是必須防止和避免的。要提高器件本身du/dt

耐量，減小漏電流，提高耐壓，特別是提高高結溫下的耐壓等。同時在電路中采取保護措施，降低電路上的干擾信號的影響。以防止晶閘管誤動作。1.3.2晶閘管的基本特性晶閘管工作特性：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都將保持導通要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即維持電流以下。1.3.2晶閘管的基本特性靜態(tài)特性晶閘管陽極伏安特性第I象限是正向特性；第III象限是反向特性圖1-8(a)晶閘管陽極伏安特性IG2>IG1>IG1.3.2晶閘管的基本特性正向特性反向擊穿正向阻斷反向阻斷1.3.2晶閘管的基本特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。這種開通叫“硬開通”，一般不允許硬開通。隨著IG幅值的增大，正向轉折電壓降低當IG增加到超過某一臨界值以后，正向阻斷區(qū)幾乎消失，類似于二極管的正向伏安特性。圖1-8(a)晶閘管陽極伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管陽極伏安特性1.3.2晶閘管的基本特性所以有外加正向電壓，只要加至晶閘管上IG超過某一臨界值，晶閘管會立即導通，等效于一個正向導電二極管。導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。圖1-8(a)晶閘管陽極伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管陽極伏安特性1.3.2晶閘管的基本特性轉變區(qū)（亞穩(wěn)態(tài)）擎住電流維持電流1.3.2晶閘管的基本特性門極伏安特性晶閘管門極伏安特性指門極電壓和門極電流之間的關系，呈現(xiàn)二極管的伏安特性。不觸發(fā)區(qū)可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關斷過程中表現(xiàn)出來的特性1）開通過程①延遲時間：

1+2向1逼近的過程，晶閘管電流不大，主要電子、空穴向J2移動的渡越時間；②影響延遲時間的因素：

觸發(fā)脈沖的前沿陡度和幅值；1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關斷過程中表現(xiàn)出來的特性1）開通過程③上升時間：

J2靠近門極的區(qū)域開始導通⑤擴展時間：

J2導通區(qū)由門極橫向擴展⑥開通時間：tgt=td+tr

④影響上升時間的因素：

回路阻抗1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關斷過程中表現(xiàn)出來的特性2）關斷過程①強迫關斷：

陽極陰極間施加反壓完成關斷；②在反向電壓和電路電感的作用下電流衰減③與二極管類似，電流過零后體內大量的非平衡載流子需靠反向電流抽取；1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關斷過程中表現(xiàn)出來的特性2）關斷過程④電流到達反向最大值后，迅速衰減，J1、J3恢復反向阻斷能力，trr反向恢復時間；⑤J2結電子需要較長的時間進行復合，tgr正向阻斷時間；⑥關斷時間：tq=trr+tgr1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關斷過程中表現(xiàn)出來的特性2）關斷過程⑦在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通;⑧實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作1.3.2晶閘管的基本特性動態(tài)特性反映晶閘管在開通與關斷過程中表現(xiàn)出來的特性2）關斷過程⑨影響關斷時間的因素：從應用電路設計看，有結溫，反向恢復電流下降率，反向電壓及再加的du/dt等。以結溫和反向電壓對關斷時間影響最大，結溫越高，關斷時間越長，反向電壓增高，關斷時間縮短。1.3.3晶閘管的主要參數(shù)電壓定額注意：晶閘管正向既可處于阻斷狀態(tài)又可處于導通狀態(tài)。斷態(tài)重復峰值電壓UDRM——在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓（國標規(guī)定重復頻率50Hz，持續(xù)時間不超過10ms,UDRM=90%UDSM<Ubo

)

。反向重復峰值電壓URRM——在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓(國標中有類似規(guī)定）。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。額定電壓UN＝Min（UDRM，URRM），選用時，要留有一定安全裕量，一般取UN＝（2～3）晶閘管所承受峰值電壓1.3.3晶閘管的主要參數(shù)電流定額通態(tài)平均電流IT(AV)：晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值→額定電流使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管應留一定的裕量，一般取1.5～2倍1.3.3晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH晶閘管觸發(fā)導通以后，在室溫和門極開路條件下，使晶閘管維持導通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結溫有關，結溫越高，則IH越小3）擎住電流IL晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2～4倍4）浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復最大正向過載電流1.3.3晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù)除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt（防止位移電流致使其導通）指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt（考慮導通時的擴展時間）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1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.3.3晶閘管的主要參數(shù)快速晶閘管（FastSwitchingThyristor－FST)包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有常規(guī)快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善普通晶閘管關斷時間數(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，不能忽略開關損耗多用在頻率較高的斬波和逆變電路中開關損耗不可忽視。1.3.4晶閘管的派生器件雙向晶閘管（TriodeACSwitch－TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）

圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性1.3.4晶閘管的派生器件1）一般可認為是一對反并聯(lián)連接晶閘管的集成2）比反并聯(lián)晶閘管經濟，且控制簡單3）多用于交流調壓電路、固態(tài)繼電器以及交流電機軟起、調速中4）電流定額不用平均值而用有效值進行標定逆導晶閘管（ReverseConductingThyristor—RCT）1.3.4晶閘管的派生器件圖1-11逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性1）晶閘反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上2）不具有承受反向電