電力電子第二章第三講

1、 晶閘管（Thyristor）是能承受高電壓、大電流的半控型電力電子器件，也稱可控硅整流管（SCR，Silicon Controlled Rectifier）。 由于它電流容量大、電壓耐量高以及開通的可控性，已被廣泛應用于可控整流和逆變、交流調壓、直流變換等領域，成為特大功率、低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。 它包括普通晶閘管及其一系列派生產品，在無特別說明的情況下，本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。2.4 晶閘管晶閘管AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK圖2-9 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a) 封裝 b) 結構 c) 電氣圖形符號2.4.1 基

2、本結構和工作原理基本結構和工作原理 晶閘管有三個電極，分別是陽極A、陰極K和門極（或稱柵極）G。 晶閘管內部是PNPN四層半導體結構，四個區(qū)形成J1、J2、J3三個PN結。若不施加控制信號，將正向電壓（陽極電位高于陰極電位）加到晶閘管兩端，J2處于反向偏置狀態(tài)，A、K之間處于阻斷狀態(tài)；若反向電壓加到晶閘管兩端，則J1、J3反偏，該晶閘管也處于阻斷狀態(tài)。2.4.1 基本結構和工作原理基本結構和工作原理P2N2GKP1N1AP2N1晶閘管的雙晶體管模型 將晶閘管等效為一個PNP晶體管V1和一個NPN晶體管V2的復合雙晶體管模型。如果在V2基極注入IG（門極電流），則V2導通，產生Ic2（2IG）。

3、由于Ic2為V1提供了基極電流，因此V1導通，且Ic1=1Ic2，這時V2的基極電流由IG和Ic1共同提供，從而使V2的基極電流增加，形成強烈的正反饋，使V1和V2很快進入飽和導通。此時即使將IG調整為0也不能解除正反饋，晶閘管會繼續(xù)導通，即G極失去控制作用。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-10 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理2.4.1 基本結構和工作原理基本結構和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-10 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 按

4、照晶體管工作原理，忽略兩個晶體管的共基極漏電流，可列出如下方程： IK=IA+IG （2-4） IA=Ic1+Ic2=1IA+2IK （2-5） 其中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益。則可推導出 （2-6） )(121G2AII2.4.1 基本結構和工作原理基本結構和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-10 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理根據晶體管的特性，在低發(fā)射極電流下其共基極電流增益很小，而當發(fā)射極電流建立起來后，迅速增大。因此，在晶體管阻斷狀態(tài)下，1+2很小。若IG使兩個發(fā)射極電流增大以致1+2大

5、于1（通常晶閘管的1+21.15），流過晶閘管的電流IA將趨向無窮大，從而實現器件飽和導通，實際通過晶閘管的電流由R確定為EA/R。當1+21時，晶閘管的正反饋才可能形成，其中1+2=1是臨界導通條件，1+21為飽和導通條件，1+20且uGK0。晶閘管導通后，即使撤除門極觸發(fā)信號IG，也不能使晶閘管關斷，只有設法使陽極電流IA減小到維持電流IH（約十幾mA）以下，導致內部已建立的正反饋無法維持，晶閘管才能恢復阻斷狀態(tài)。很明顯，如果給晶閘管施加反向電壓，無論有無門極觸發(fā)信號IG，晶閘管都不能導通。2.4.1 基本結構和工作原理基本結構和工作原理其他幾種可能導通的情況其他幾種可能導通的情況：正向折

6、轉導通：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+21，IA增加到EA/R。高溫導通：當溫度增加，反向飽和電流隨之增加，IA、IK增大，直到1+21，晶閘管導通。2.4.1 基本結構和工作原理基本結構和工作原理AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK其他幾種可能導通的情況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=cdu/dt。 P1N1之間充電電流 IA、IK增大 N1P2之間充電電流 IB2增大

7、IA、IK增大 1+21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。2.4.1 基本結構和工作原理基本結構和工作原理光直接照射硅片，即光觸發(fā)：光觸發(fā)：有外加正值VAK時，J2結反偏，對J2結注入光照能量，增加漏電流。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用于高壓電力設備中。應用于光控晶閘管只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段控制手段2.4.1 基本結構和

8、工作原理基本結構和工作原理晶閘管工作原理：晶閘管工作原理：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值以下2.4.1 基本結構和工作原理基本結構和工作原理 1晶閘管的穩(wěn)態(tài)伏安特性 UDRM、URRM正、反向斷態(tài)重復峰值電壓； UDSM、URSM正、反向斷態(tài)不重復峰值電壓； Ubo正向轉折電壓； IH維持電流。 當AK兩端施加反壓時，即使有門極信號也不可能在晶閘管內部產生電流正反饋。 當反向電壓過大而達到反向擊穿電壓，則反向漏電流迅速上升。

9、類似二極管。正向導通雪崩擊穿O+UA-UAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖2-11 晶閘管的伏安特性2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數圖2-11 晶閘管的伏安特性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。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

10、。2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數圖2-11 晶閘管的伏安特性導通期間，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。2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數 圖2-12 晶閘管的開通和關斷過程波形2晶閘管的動態(tài)特性1）開通過程 延遲時間td：陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值IA的10%的時間。 對應的是載流子到達J2結兩側積累起來所需的時間。 上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。 對應的是在J2結兩側積累的載流子電流迅速上升，達到局部導通所需的時間。 開通時間：tgt=td+tr。2.

11、4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數 圖2-12 晶閘管的開通和關斷過程波形2晶閘管的動態(tài)特性1）開通過程 影響因素： 延遲時間：門極電流上升的時間及峰值 上升時間：主回路阻抗 溫度、陽極電壓會影響開通時間2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數 圖2-12 晶閘管的開通和關斷過程波形2）關斷過程原處于導通狀態(tài)的晶閘管在外加電壓由正向變?yōu)榉聪驎r，由于外部電感的存在，其陽極電流的衰減也需要時間。反向阻斷恢復時間trr:正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間。正向阻斷恢復時間tgr:反向恢復過程結束后，晶閘管恢復對反向電壓的阻斷能力，但要恢復對正向電壓的阻斷能力還

12、需要一段時間。晶閘管的關斷時間tq=trr+tgr，約為幾百s，這是設計反向電壓時間的依據。2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數 注意注意:在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管有可能會重新正向導通實際應用中，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2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數關斷過程關斷過程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。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.4.2 晶閘管特性及主要

13、參數晶閘管特性及主要參數3晶閘管的主要特性參數 1）晶閘管的重復峰值電壓額定電壓UT 正向斷態(tài)重復峰值電壓和反向重復峰值電壓中的最小值 選用元件的額定電壓值應比實際正常工作時的最大電壓大23倍。 2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流額定電流IT(AV) 在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下，當結溫穩(wěn)定且不超過額定結溫時，晶閘管所允許的最大工頻正弦半波電流的平均值，稱為額定電流。 在選用晶閘管額定電流時，根據實際最大的電流計算后至少還要乘以1.52的安全系數，使其具有一定的電流裕量。2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數3）通態(tài)平均電壓UT(AV) 在規(guī)定的環(huán)境溫度、標準散熱條件下，晶閘管通

14、以正弦半波額定電流時，陽極與陰極間電壓降的平均值，被稱為通態(tài)平均電壓（也稱管壓降）。反映了器件的通流能力，也和過載能力相關。4）維持電流IH和掣住電流IL 在室溫下門極斷開時，元件晶閘管從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導通的最小陽極電流被稱為維持電流IH。 給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉為導通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時晶閘管維持導通所需要的最小陽極電流，被稱為掣住電流IL。 對同一晶閘管來說，掣住電流IL要比維持電流IH大24倍。2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數5）晶閘管的開通與關斷時間 晶閘管的關斷時間tq與元件結溫、關斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有

15、關。6）通態(tài)電流臨界上升率di/dt 晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率，稱為通態(tài)電流臨界上升率di/dt。7）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管直接從斷態(tài)轉換到通態(tài)的最大陽極電壓上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。2.4.2 晶閘管特性及主要參數晶閘管特性及主要參數1快速晶閘管 快速晶閘管（FST，Fast Switching Thyristor），其允許開關頻率達到400Hz以上。其中開關頻率在10kHz以上快速晶閘管的稱為高頻晶閘管。它們的外形、電氣符號、基本結構、伏安特性都與普通晶閘管相同。 普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，高頻晶閘管1010

16、s s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 頻率較高的斬波和逆變電路2.4.3 晶閘管派生器件及應用晶閘管派生器件及應用2雙向晶閘管 雙向晶閘管（TRIAC，Triode AC Switch）具有正、反兩個方向都能控制導通的特性，在交流調壓、交流開關電路及交流調速等領域得到廣泛應用。 有兩個主電極T1和T2，一個門極G，正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性 與一對反并聯晶閘管相比是經濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State RelaySSR）和交流電機調速等領域應用較多 通常用在交流電路中，因

17、此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。 其電氣符號和伏安特性分別如圖2-13所示。雙向晶閘管有4種觸發(fā)方式：2.4.3 晶閘管派生器件及應用晶閘管派生器件及應用圖2-13 雙向晶閘管的電氣圖形符號與伏安特性電氣圖形符號a) 伏安特性1）I+觸發(fā)方式 當主電極T1對T2所加的電壓為正向電壓，門極G對T2所加電壓為正向觸發(fā)信號時，雙向晶閘管導通，伏安特性處于第一象限；2）I-觸發(fā)方式 保持主電極T1對T2所加的電壓為正向電壓，門極G觸發(fā)信號改為反向信號，雙向晶閘管也能導通；2.4.3 晶閘管派生器件及應用晶閘管派生器件及應用圖2-13 雙向晶閘管的電氣圖形符號與伏安特性電氣圖形符號a) 伏安特

18、性3）+觸發(fā)方式 當主電極T1為負，門極G對T1所加電壓為正向觸發(fā)信號時，雙向晶閘管導通，電流從T2流向T1，其伏安特性處于第三象限；4）-觸發(fā)方式 主電極T1仍為負，門極G對T1所加電壓為反向觸發(fā)信號時，雙向晶閘管導通。 在實際應用中，特別是直流信號觸發(fā)時，常選用I-觸發(fā)方式和-觸發(fā)方式。 由于雙向晶閘管是工作在交流回路中，其額定電流用正弦電流有效值而不用平均值來標定。2.4.3 晶閘管派生器件及應用晶閘管派生器件及應用圖2-14 逆導晶閘管的電氣圖形符號與伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 3逆導晶閘管 在逆變或直流電路中，經常需要將晶閘管和二極管反向并聯使用，逆導晶閘管（RCT

19、，Reverse Conducting Thyristor）就是根據這一要求將晶閘管和二極管集成在同一硅片上制造而成的逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性如圖2-14所示。2.4.3 晶閘管派生器件及應用晶閘管派生器件及應用圖2-14 逆導晶閘管的電氣圖形符號與伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 3逆導晶閘管 具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點 主要用于直流斬波器，倍頻式中頻電源及三相逆變器等 逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯二極管的電流與兩只分立的晶閘管和電力二極管反并聯的連接相比，體積更小，高溫特性好。2.4.3 晶閘管派生器件及應用

20、晶閘管派生器件及應用 4光控晶閘管 光控晶閘管（LTT，Light Triggered Thyristor）是一種利用一定波長的光照信號控制的開關器件，它與普通晶閘管的不同之處在于其門極區(qū)集成了一個光電二極管。在光的照射下，光電二極管漏電流增加，此電流成為門極觸發(fā)電流使晶閘管開通。圖2-15 光控晶閘管的電氣圖形符號與伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性2.4.3 晶閘管派生器件及應用晶閘管派生器件及應用 4光控晶閘管 小功率光控晶閘管只有陽、陰兩個電極，大功率光控晶閘管的門極帶有光纜，光纜上有發(fā)光二極管或半導體激光器作為觸發(fā)光源。由于主電路與觸發(fā)電路之間有光電隔離，因此絕緣性能好，可

21、避免電磁干擾。光控晶閘管的參數與普通晶閘管類同，只是觸發(fā)參數特殊。圖2-15 光控晶閘管的電氣圖形符號與伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性2.4.3 晶閘管派生器件及應用晶閘管派生器件及應用 4光控晶閘管 1）觸發(fā)光功率 加有正向電壓的光控晶閘管由阻斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài)所需的輸入光功率稱為觸發(fā)光功率，其數值通常為幾mW到幾十mW。 2）光譜響應范圍 光控晶閘管只對一定波長范圍的光線敏感，超出波長范圍，則無法使其導通。 適用于信號源與主回路高度絕緣的大功率高壓裝置。如高壓直流輸電，高壓核聚變圖2-15 光控晶閘管的電氣圖形符號與伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性2.4.3 晶閘管派生器件及應用晶閘管派生器件及應用 晶閘管觸發(fā)電路的作用是產生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求： （1）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管能可靠導通； （2）觸發(fā)脈沖應有足夠的幅度； （3）觸發(fā)脈沖不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內； （4）應有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。理想的觸發(fā)脈沖電流波形理想的