電力電子技術(shù)chapter2-2

1、2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 2.3 半控器件半控器件 - 晶閘管晶閘管 2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。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(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。 1958年商業(yè)化。年商業(yè)化。 開(kāi)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。開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速

2、發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被全控型器件取代。年代以來(lái)，開(kāi)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。場(chǎng)合具有重要地位。 晶閘管（晶閘管（Thyristor）：也稱為晶體閘流管，：也稱為晶體閘流管， 可控硅整流器（可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier - SCR） 引引 言言 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 圖1-6 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) 2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工

3、作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝。外形有螺栓型和平板型兩種封裝。 有三個(gè)聯(lián)接端。有三個(gè)聯(lián)接端。 螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)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。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。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。 陰級(jí)陰級(jí) 陽(yáng)級(jí)陽(yáng)級(jí) 門(mén)級(jí)門(mén)級(jí) 1. 常用晶閘管的結(jié)構(gòu)常用晶閘管的結(jié)構(gòu) 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 螺栓型晶閘管螺栓型晶閘管晶閘管模塊晶閘管模塊 平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu) 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 散熱器散熱器

4、2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 2. 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 若若IG=0, 則不論則不論A、K間間 加正向電壓還是反向電加正向電壓還是反向電 壓，總有至少一個(gè)壓，總有至少一個(gè)PN結(jié)結(jié) 截止，故晶閘管截止截止，故晶閘管截止 雙向阻斷雙向阻斷 承受反向電壓時(shí)，不論承受反向電壓時(shí)，不論 門(mén)極是否有觸發(fā)電流，門(mén)極是否有觸發(fā)電流， 晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。 + - + - AK間加正向電壓間加正向電壓:J2反偏反偏 AK間加反向電壓間加反向電壓:J1、J3反偏反偏 -正向阻斷正向阻斷 -反向阻斷反向阻斷 + - uAK iA 2021年6月30日星期三 第1章電力

5、電子器件 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理 （1）A、K 間加正向電壓；間加正向電壓； （2）外電路向門(mén)極注入電）外電路向門(mén)極注入電 流流 IG ； 則則 V1、V2 將形成強(qiáng)烈電流正將形成強(qiáng)烈電流正 反饋，使晶閘管飽和導(dǎo)通。反饋，使晶閘管飽和導(dǎo)通。 導(dǎo)通后：導(dǎo)通后：流過(guò)流過(guò)IA，UAK=1V 過(guò)程如下：過(guò)程如下： IG Ib2 IC2 IC1 Ib2 電流正反饋電流正反饋 導(dǎo)通后門(mén)極失去作用導(dǎo)通后門(mén)極失去作用 + - IG IA晶閘管的導(dǎo)通：晶閘管的導(dǎo)通： uAK0 iG0 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 承受反向電壓承受反向電壓 uAK0時(shí)，僅在門(mén)極有

6、正向觸發(fā)電流的情時(shí)，僅在門(mén)極有正向觸發(fā)電流的情 況下晶閘管才能開(kāi)通，況下晶閘管才能開(kāi)通， iA 由外電路決定由外電路決定。導(dǎo)通后。導(dǎo)通后UAK=1V。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，可撤掉。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，可撤掉。 要使要使晶閘管關(guān)斷晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一 數(shù)值以下。數(shù)值以下。 iA0 -可斷開(kāi)陽(yáng)極或在陰極陽(yáng)極間加反壓可斷開(kāi)陽(yáng)極或在陰極陽(yáng)極間加反壓。 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： 雙向阻斷、導(dǎo)通可控雙向阻斷、導(dǎo)通可控,關(guān)斷不可控關(guān)斷不可控 半控元件半控元件 UAK 20

7、21年6月30日星期三 第1章電力電子器件 其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況： (1) 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)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng). (2) 陽(yáng)極電壓上升率陽(yáng)極電壓上升率 du/dt 過(guò)高過(guò)高 . (3) 結(jié)溫較高結(jié)溫較高 . (4) 光觸發(fā)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，稱為絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管光控晶閘管 - Light Triggered Thyristor - LTT）。）。 只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。只有門(mén)極觸發(fā)

8、是最精確、迅速而可靠的控制手段。 應(yīng)應(yīng) 避避 免免 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 晶閘管的基本特性分為：晶閘管的基本特性分為： - 是指晶閘管的伏安特性。反映晶閘管雙向是指晶閘管的伏安特性。反映晶閘管雙向 阻斷、正向?qū)煽?、關(guān)斷不可控的特性。阻斷、正向?qū)煽?、關(guān)斷不可控的特性。 - 是指晶閘管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓、電流隨時(shí)是指晶閘管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)電壓、電流隨時(shí) 間變化的過(guò)程。間變化的過(guò)程。 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 IG = 0 時(shí)，器件兩端施時(shí)，器件兩端施 加正向電壓，只有

9、很小加正向電壓，只有很小 的正向漏電流，為正向的正向漏電流，為正向 阻斷狀態(tài)。阻斷狀態(tài)。-斷態(tài)斷態(tài) 正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折 電壓電壓Ubo， 則漏電流急則漏電流急 劇增大，器件開(kāi)通。劇增大，器件開(kāi)通。 -誤導(dǎo)通，應(yīng)避免誤導(dǎo)通，應(yīng)避免 +U A 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG （1）正向特性）正向特性 正向正向 導(dǎo)通導(dǎo)通 雪崩雪崩 擊穿擊穿 O - -I A IH IG2IG1I G = = 0 U bo U DSM U DRM A I U RRM U RSM - - U A 1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 UAK 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件

10、 隨著門(mén)極電流幅值的增隨著門(mén)極電流幅值的增 大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低. 門(mén)極電流足夠大時(shí)，只門(mén)極電流足夠大時(shí)，只 需很小的正向電壓晶閘需很小的正向電壓晶閘 管開(kāi)通。管開(kāi)通。-通態(tài)通態(tài) -正常開(kāi)通正常開(kāi)通 導(dǎo)通后晶閘管本身的壓導(dǎo)通后晶閘管本身的壓 降很小，在降很小，在1V左右。左右。 導(dǎo)通后晶閘管電流降到導(dǎo)通后晶閘管電流降到 IH（維持電流）以下時(shí)（維持電流）以下時(shí) ，晶閘管恢復(fù)到正向阻，晶閘管恢復(fù)到正向阻 斷狀態(tài)。斷狀態(tài)。 +U A 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向正向 導(dǎo)通導(dǎo)通 雪崩雪崩 擊穿擊穿 O - -I A IH IG2IG1I G = =

11、 0 U bo U DSM U DRM A I U RRM U RSM - - U A UAK IG IG1 IG1IG （2）反向特性）反向特性 正向正向 導(dǎo)通導(dǎo)通 雪崩雪崩 擊穿擊穿 O - -I A IH IG2IG1I G = = 0 U bo U DSM U DRM A I U RRM U RSM - -U A 總結(jié)：晶閘管的靜態(tài)特性反映總結(jié)：晶閘管的靜態(tài)特性反映 了雙向阻斷、正向?qū)煽?、了雙向阻斷、正向?qū)煽亍?關(guān)斷不可控性質(zhì)。關(guān)斷不可控性質(zhì)。 UAK 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 ig u 2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)開(kāi) 通通 關(guān)斷關(guān)斷 2021年6月30日星

12、期三 第1章電力電子器件 晶閘管的開(kāi)通和晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷關(guān)斷過(guò)程波形過(guò)程波形 (1) 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程 延遲時(shí)間延遲時(shí)間 td : 0.5 1.5 s 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間 tgt: tgt= td+ tr 上升時(shí)間上升時(shí)間 tr : 0.5 3 s 描述晶閘管在坐標(biāo)原描述晶閘管在坐標(biāo)原 點(diǎn)時(shí)刻外加正向電壓點(diǎn)時(shí)刻外加正向電壓 且門(mén)極受到理想階躍且門(mén)極受到理想階躍 電流觸發(fā)的情況電流觸發(fā)的情況. 開(kāi)開(kāi) 通通 過(guò)過(guò) 程程 ig u 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 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 在此時(shí)間內(nèi)如果外加 在此時(shí)間內(nèi)如果外加

13、 正向電壓則會(huì)誤導(dǎo)通正向電壓則會(huì)誤導(dǎo)通 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間 tq : tq=trr+tgr (2) 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒. 描述的是對(duì)已導(dǎo)通的描述的是對(duì)已導(dǎo)通的 晶閘管晶閘管,外電路所加電外電路所加電 壓在某一時(shí)刻突然由壓在某一時(shí)刻突然由 正變?yōu)樨?fù)的情況正變?yōu)樨?fù)的情況. trr tgr 清除導(dǎo)通清除導(dǎo)通 時(shí)積累在時(shí)積累在 PN結(jié)兩側(cè)結(jié)兩側(cè) 的載流子的載流子 清除遠(yuǎn)清除遠(yuǎn) 離離PN 結(jié)兩側(cè)結(jié)兩側(cè) 的載流的載流 子子 外電路外電路 電感引電感引 起的電起的電 壓過(guò)沖壓過(guò)沖 為了可靠地關(guān)斷晶閘為了可靠地關(guān)斷晶閘 管，所加反向電壓時(shí)管，所加反向電

14、壓時(shí) 間應(yīng)大于間應(yīng)大于tq u 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在在門(mén)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。器件上的正向峰值電壓。 2) 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在在門(mén)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。器件上的反向峰值電壓。 1. 電壓定額電壓定額 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 使用注意：使用注意： 2) 選用時(shí)，一般取額定電壓

15、為正常工作時(shí)晶閘管所承受選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受 峰值電壓峰值電壓 23 倍。倍。 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件中較小的標(biāo)值作為該器件 的的額定電壓額定電壓。 3) 通態(tài)（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。時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(A V） ） 在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為40 C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié) 溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流

16、過(guò)的溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半最大工頻正弦半 波電流的平均值波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。 使用時(shí)應(yīng)按使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管來(lái)選取晶閘管。 2) 維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 2. 電流定額電流定額 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 3) 擎住電流擎住電流 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，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。能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)， 通常通

17、常IL約為約為IH的的 24 倍。倍。 4) 浪涌電流浪涌電流 ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額 定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 除開(kāi)通時(shí)間除開(kāi)通時(shí)間 tgt 和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間 tq 外，還有：外，還有： 1) 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)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。管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過(guò)大，使電壓上升率

18、過(guò)大，使PN結(jié)充電電流足夠大，就會(huì)結(jié)充電電流足夠大，就會(huì) 使晶閘管誤導(dǎo)通使晶閘管誤導(dǎo)通 。 2) 通態(tài)電流臨界上升率通態(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(wú)有害影響指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響 的最大通態(tài)電流上升率。的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘 管損壞。管損壞。 3. 動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù) 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 1) 有快速晶閘管和高頻晶閘管。有快速晶閘管和高頻晶閘管。 2) 開(kāi)關(guān)時(shí)間以及開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和和

19、di/dt耐量都有明顯改善。耐量都有明顯改善。 3) 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，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， 高頻晶閘管高頻晶閘管10 s左右。左右。 4) 高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 5) 由于工作頻率較高，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。由于工作頻率較高，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 1. 快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching Thyristor - FST) 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 2. 雙向晶閘管（雙向晶閘管（ Triode AC Sw

20、itch TRIAC 或或 Bidirectional triode thyristor） 可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。接的普通晶閘管的集成。 2) 有兩個(gè)主電極有兩個(gè)主電極 T1 和和 T2 ， 一個(gè)門(mén)極一個(gè)門(mén)極G。 3) 在第和第在第和第III象限有對(duì)象限有對(duì) 稱的伏安特性。稱的伏安特性。 4) 不用平均值而用有效值來(lái)不用平均值而用有效值來(lái) 表示其額定電流值。表示其額定電流值。 I O U I G= =0 G T 1 T 2 a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 3. 逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘

21、管（Reverse Conducting Thyristor -RCT） 將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)將晶閘管反并聯(lián)一個(gè) 二極管制作在同一管二極管制作在同一管 芯上的功率集成器件。芯上的功率集成器件。 2) 具有正向壓降小、關(guān)具有正向壓降小、關(guān) 斷時(shí)間短、高溫特性好、斷時(shí)間短、高溫特性好、 額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。 3）不能承受反向電壓。）不能承受反向電壓。 a) K G A b) UO I IG = = 0 a) 電氣圖形符號(hào)b) 伏安特性 2021年6月30日星期三 第1章電力電子器件 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 4.光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered Thyristor - LTT） 又稱光觸發(fā)晶閘管，又稱光觸發(fā)晶閘管， 是利用一定波長(zhǎng)的光是利用一定波長(zhǎng)的光 照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶 閘管。閘管。 2) 光觸發(fā)保證了主電路光