電力電子技術(shù) 第2章 器件SCR

1-12.3半控器件—晶閘管·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(lái)，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〔Thyristor〕：晶體閘流管，可控硅整流器〔SiliconControlledRectifier——SCR〕1-2圖1-6晶閘管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)a)外形b)構(gòu)造c)電氣圖形符號(hào)2.3.1晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)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。1-32.3.1晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理常用晶閘管的構(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1-42.3.1晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理圖2-7晶閘管的雙晶體管模型1、構(gòu)造：PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)造，三個(gè)PN結(jié)。2、P1引出陽(yáng)極A、N2引出陰極K、P2引出門極K；3、外加電壓，晶閘管任務(wù)形狀。1-52.3.1晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理圖2-7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)原理原理可以按照雙晶體管模型來(lái)解釋，根據(jù)晶體管的任務(wù)原理，晶閘管的開通是一個(gè)劇烈的正反響過(guò)程(開通的機(jī)理)。關(guān)斷過(guò)程。可以控制其開通，無(wú)法控制關(guān)斷，半控型器件。1-62.3.1晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得：圖2-7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)原理定量分析：〔1-2〕〔1-1〕〔1-3〕〔1-4〕〔1-5〕1-72.3.1晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理阻斷形狀：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，迅速增大。開通形狀：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)踐由外電路決議。1-82.3.1晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值呵斥雪崩效應(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運(yùn)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕。只需門極觸發(fā)是最準(zhǔn)確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種能夠?qū)ǖ那闆r：1-92.3.2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)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，只能利用外加電壓和外電路的作用使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管正常任務(wù)時(shí)的特性總結(jié)如下：1-10晶閘管的根本特性〔1〕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。晶閘管本身的通態(tài)壓降很小，在1V左右。1〕靜態(tài)特性圖2-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG維持電流IH：通態(tài)下假設(shè)電流小于此值，管關(guān)斷。摯住電流IL：斷態(tài)被觸發(fā)，電流到達(dá)此值時(shí)撤除觸發(fā)電流，晶閘管可自動(dòng)維持通態(tài)。常比IH大2～4倍。摯住電流和維持電流都隨結(jié)溫下降而增大。1-11晶閘管的根本特性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(guò)。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。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG〔2〕反向特性1-12晶閘管的根本特性1)開經(jīng)過(guò)程延遲時(shí)間td(0.5~1.5s)上升時(shí)間tr(0.5~3s)開通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr〔1-6〕延遲時(shí)間隨門級(jí)電流的添加而減?。慌c外電路特性有關(guān)；提高陽(yáng)極電壓可以提高V2管放大倍數(shù)，加快反響過(guò)程，提高開通速度。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2〕動(dòng)態(tài)特性圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形1-13晶閘管的根本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr〔與二極管的關(guān)斷特性類似〕正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：反向恢復(fù)終了后，由于載流子復(fù)合過(guò)程較慢，晶閘管要恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷才干還需求一段時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr〔1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形因載流子復(fù)合較慢，過(guò)早加正壓會(huì)引起誤導(dǎo)通。管關(guān)斷后須加足夠時(shí)間反壓，保證管恢復(fù)阻斷才干。1-14晶閘管的開通特性門極正偏，Q2、Q1導(dǎo)通，再生正反響。電流超摯住電流后，門極脈沖可去?！惨痪S開通〕。在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，迅速增大?！?-5〕td:門極正脈沖使正反響建立耗時(shí)。陽(yáng)極電流＝0，陰極電流＝控制極電流。tr:陽(yáng)極電流指數(shù)升到接近穩(wěn)態(tài)耗時(shí)。ts:門極位于陰極晶片中心，靠門極部先導(dǎo)通，然后擴(kuò)展到全體陰極的耗時(shí)。耐壓越高擴(kuò)展越慢?！捕S開通〕注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，電流IA將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)踐由外電路決議。1-15晶閘管的關(guān)斷問(wèn)題導(dǎo)通后因門極面積遠(yuǎn)小于陰極，加負(fù)門極電流不能影響陰極主體，不能關(guān)斷。關(guān)斷：電流低于維持電流。陽(yáng)極電壓反極性。1-162.3.3晶閘管的主要參數(shù)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。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。通態(tài)〔峰值〕電壓UT——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。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2~3倍。運(yùn)用留意：1〕電壓定額1-17晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流IT(AV〕——在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻形狀下，穩(wěn)定結(jié)溫不超越額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！\(yùn)用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原那么來(lái)選取晶閘管。維持電流IH——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流IL——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超越額定結(jié)溫的不反復(fù)性最大正向過(guò)載電流。2〕電流定額1-18例：晶閘管額定電流的選擇設(shè)正弦電流峰值為Im,那么正弦半波電流的平均值為正弦半波電流的有效值為即額定電流為100A的晶閘管能接受157A的有效值電流，對(duì)非正弦電流應(yīng)按實(shí)踐電流波形計(jì)算有效值除以1.57作為選擇晶閘管電流額定值的根據(jù)。設(shè)計(jì)普通應(yīng)留1.5~2倍的平安裕量。例：某晶閘管實(shí)踐承當(dāng)電流波形有效值為400A，那么可選額定電流為400/1.57=255A,思索裕量，實(shí)踐選額定電流為500A的晶閘管。1-19晶閘管的主要參數(shù)除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt——指在額定結(jié)溫暖門極開路的情況下，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?！妷荷仙蔬^(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt——指在規(guī)定條件下，晶閘管能接受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率?！僭O(shè)電流上升太快，能夠呵斥部分過(guò)熱而使晶閘管損壞。3〕動(dòng)態(tài)參數(shù)1-202.3.4晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。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)。1〕快速晶閘管〔FastSwitchingThyristor——FST)1-21晶閘管的派生器件2〕雙向晶閘管〔TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor〕圖1-10雙向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)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2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Ｉ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(lái)表示其額定電流值。1-22晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管〔ReverseConductingThyristor——RCT〕a)KGAb)UOIIG=0圖1-11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)伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極控制造在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。1-23晶閘管的派生器件光控晶閘管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12光控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)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可防止電磁干擾的影響。用于高壓大功率的場(chǎng)所。1-24晶閘管運(yùn)用特點(diǎn)價(jià)低、控制線路成熟、可靠性高。中、大功率運(yùn)用廣泛【HVDC、無(wú)功補(bǔ)償、高壓變頻】。MV·A級(jí)性能優(yōu)。8kA/4kV，6kA/6kV光觸發(fā)可得到。無(wú)二次擊穿問(wèn)題。導(dǎo)通壓降具有負(fù)溫度系數(shù)，不易并聯(lián)。半控，控制線路復(fù)雜。任務(wù)頻率較低。普通在500Hz內(nèi)。通態(tài)峰值壓降較低，平均1V左右，隨陽(yáng)極電流增大約為添加，普通小于2V。1-25本節(jié)要點(diǎn)晶閘管原理、特性,導(dǎo)通、關(guān)斷條件典型任務(wù)頻率范圍典型導(dǎo)通壓降晶閘管的選擇1-26思索題闡明晶閘管的根本任務(wù)原理。在哪些情況下，晶閘管可以從斷態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)？已導(dǎo)通的晶閘管，撤出門極驅(qū)動(dòng)電流為什么不能關(guān)斷？怎樣才干關(guān)斷？晶閘管在關(guān)斷形狀為什么要對(duì)器件兩端的du/dt進(jìn)展有效控制？額定電流為10A的晶閘管能否接受長(zhǎng)期經(jīng)過(guò)15A的直流負(fù)載電流而不過(guò)熱？圖中陰影部分為一個(gè)2p周期中晶閘管的電流波形。假設(shè)最大值為100A，試計(jì)算電流的平均值和有效值。假設(shè)思索兩倍裕量，應(yīng)選擇多大額定電流的晶閘管？1-271.4典型全控型器件·引言門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表——門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。1-281.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1-291.4.1門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢越?jīng)過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因此在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)所仍有較多的運(yùn)用(6KV,6KA,10MVA的系統(tǒng))。門極可關(guān)斷晶閘管〔Gate-Turn-OffThyristor—GTO〕1-301.4.1門極可關(guān)斷晶閘管構(gòu)造：與普通晶閘管的一樣點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)造，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13GTO的內(nèi)部構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門極間隔陳列的圖形b)并聯(lián)單元構(gòu)造斷面表示圖c)電氣圖形符號(hào)1〕GTO的構(gòu)造和任務(wù)原理1-311.4.1門極可關(guān)斷晶閘管任務(wù)原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析。圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其任務(wù)原理1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2。1-321.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO可以經(jīng)過(guò)門極關(guān)斷的緣由是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。多元集成構(gòu)造，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。圖1-7晶閘管的任務(wù)原理1-331.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)經(jīng)過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有劇烈正反響使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成構(gòu)造還使GTO比普通晶閘管開經(jīng)過(guò)程快，接受di/dt才干強(qiáng)。由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：1-341.4.1門極可關(guān)斷晶閘管開經(jīng)過(guò)程：與普通晶閘管一樣關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間ts，抽取飽和導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)的大量載流子，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf，晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小。尾部時(shí)間tt—?dú)埓孑d流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6圖1-14GTO的開通和關(guān)斷過(guò)程電流波形GTO的動(dòng)態(tài)特性1-351.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間普通約1~2s，上升時(shí)間那么隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大。——普通指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間普通小于2s?！?〕關(guān)斷時(shí)間toff〔1〕開通時(shí)間ton不少GTO都制呵斥逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需接受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義一樣，以下只引見意義不同的參數(shù)。1-361.4.1門極可關(guān)斷晶閘管〔3〕最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO〔4〕電流關(guān)斷增益offoff普通很小，只需5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺陷。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A?！狦TO額定電流?！畲罂申P(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益?！?-8〕1-371.4.2電力晶體管電力晶體管〔GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管〕。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管〔BipolarJunctionTransistor——BJT〕，英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。

運(yùn)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術(shù)語(yǔ)用法：1-38與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元構(gòu)造。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。與普通雙極結(jié)型晶體管相比，GTR多了一個(gè)低摻雜區(qū)〔漂移區(qū)〕。。1.4.2電力晶體管1〕GTR的構(gòu)造和任務(wù)原理圖1-15GTR的構(gòu)造、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)1-391.4.2電力晶體管在運(yùn)用中，GTR普通采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為〔1-9〕——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制才干。當(dāng)思索到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為ic=ib+Iceo〔1-10〕單管GTR的值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1〕GTR的構(gòu)造和任務(wù)原理1-401.4.2電力晶體管(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR任務(wù)在開關(guān)形狀。在開關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2〕GTR的根本特性1-411.4.2電力晶體管開經(jīng)過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。加快開經(jīng)過(guò)程的方法。關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。加快關(guān)斷速度的方法。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以