第一章晶閘管

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)晶閘管晶閘管南航南航電力電子電力電子課程組課程組晶閘管晶閘管引言引言q1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管。q1957年美國通用電氣公司（General Electric Company）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。q1958年商業(yè)化(16A/300V)。q開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。q20世紀(jì)80年代以來，開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，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR

2、）晶閘管晶閘管(Thyrister)功率等級功率等級: 幾KA/幾 KV新品種新品種: 快速, 雙向, 可關(guān)斷, 光激發(fā)特點(diǎn)特點(diǎn):體小,輕重,效率高,反應(yīng)快,高壓大容量, 弱電控制強(qiáng)電(幾十毫安控制幾百幾千安)應(yīng)用應(yīng)用:整流,逆變(尤其在大功率場合)， 第一節(jié)第一節(jié) 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理一晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)符號符號：陽極A，陰極K，門極G（控制極）第一節(jié)第一節(jié) 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理螺栓形螺栓形： 螺栓陽極A， 粗引線 陰極K 細(xì)引線-門極G 特點(diǎn)： 安裝方便 K AGG K第一節(jié)第一節(jié) 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理平板形平板

3、形： 兩面分別為陽極A和陰極K 中間引出線-門極G 特點(diǎn)： 散熱效果好，容量大晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理n常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)一晶閘管的結(jié)構(gòu)一晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的內(nèi)部管芯結(jié)構(gòu)：基本材料:硅單晶體硅單晶體四層三端器件四層三端器件(P1 N1 P2 N2）鉬片：導(dǎo)電材料，用于減小/緩沖相鄰兩種材料的熱膨脹系數(shù)的差別，以保證在各種溫度下接觸可靠KGAP1N1P2N2N2圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管開關(guān)實(shí)驗(yàn)晶閘管開關(guān)實(shí)驗(yàn)n實(shí)驗(yàn)說明（P7）n

4、實(shí)驗(yàn)頁面鏈接:二晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷條件二晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷條件結(jié)論：結(jié)論：1 導(dǎo)通條件：UAK0 AND UGK0 (iG 0適當(dāng)值) n關(guān)斷條件： IA減小至維持電流以下。 UAK減小到零或加反壓來達(dá)到n一旦導(dǎo)通，門極失去控制，故可用脈沖信號晶閘管的工作特性晶閘管的工作特性 ！n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(dǎo)通。n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。n晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。n要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下（晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下（P7)：只能控制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷只能控

5、制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷-半控半控三晶閘管的工作原理三晶閘管的工作原理n從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析單向?qū)ǖ墓ぷ髟韓四層三端器件（P1 N1 P2 N2）n三個PN結(jié) J1,J2,J3: UAK0時， J1,J3正偏 ,J2反偏（正向阻斷狀態(tài)）正向阻斷狀態(tài)） UAKIG1IG第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管的特性和主要參數(shù)晶閘管的特性和主要參數(shù)（1）正向伏安特性正向伏安特性：Ig=0時：UBO-正向轉(zhuǎn)折電壓雪崩擊穿導(dǎo)通Ig 增大 時：較小的UAK即可導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降小 （在1V左右）導(dǎo)通后IA取決于外部電路IA 管芯半導(dǎo)體結(jié)溫 - 流過電流的有效值（相同的電流有效值條件下，其發(fā)熱情況相同，選取型號相同相同的電流有效值條件

6、下，其發(fā)熱情況相同，選取型號相同）有效值與平均值的定義有效值與平均值的定義n 可根據(jù)平均值、有效值的定義來求出。n設(shè)f(t)為表示電壓或電流的周期函數(shù)，則它在0 Ts期間的平均值和有效值用如下公式：0201( )1( )TsTsf t dtTsft dtTs平均值有效值正弦半波的電流平均值與有效值正弦半波的電流平均值與有效值正弦半波的電流平均值與有效值正弦半波的電流平均值與有效值正弦半波的波形系數(shù)正弦半波的波形系數(shù)n定義波形系數(shù)：非正弦波形的電流額定值計算！非正弦波形的電流額定值計算！n在實(shí)際電路中，流過晶閘管的波形可能是任意的非正弦半波波形n對于這些波形，應(yīng)根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則

7、n將非正弦半波電流的有效值IT折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值n由于晶閘管元件的熱容量小，過載能力低，故在實(shí)際選用時，一般取152倍的安全裕量例題例題n 例 （P13）流經(jīng)晶閘管的電流波形如圖所示，試計算該電流波形的平均值、有效值及波形系數(shù)。若取安全系數(shù)為2，問額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流平均值和最大值為多少?第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管的特性和主要參數(shù)晶閘管的特性和主要參數(shù)n 例 （P13）流經(jīng)晶閘管的電流波形如圖所示，試計算該電流波形的平均值、有效值及波形系數(shù)。若取安全系數(shù)為2，問額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的該波形電流平均值和最大值為多少?ITav=(1

8、.52) IT/1.57= (1.52) KfId/1.57公式折算含義！公式折算含義！nIT為應(yīng)用電流的有效值；Id為應(yīng)用電流的平均值；Kf為應(yīng)用電流的波形系統(tǒng)；ITav為額定電流n用法一：用法一：對于任意波形應(yīng)用，在知道具體電流大小，求解晶閘管的額定電流取值n用法二：用法二：對于任意波形應(yīng)用，給定晶閘管的額定電流后，求解任意波形的平均值最大允許值TavdfTIIKI57. 1)25 . 1 (晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)q通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均

9、值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。q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。q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)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。q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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。2）電流定額）電流定額元件主要參數(shù)表格說明元件主要參數(shù)表格說明n第一位：P10T：表示通態(tài)D：表示斷態(tài)R：表示反向n第二位：R：表示反復(fù)S：表示不重復(fù)n最后一位：M：表示最大值。元件門極參數(shù)表格說明元件門極參數(shù)表格說明n

10、第一位：P11G：表示門極特性n第二位：T：表示門極觸發(fā)條件D：表示門極不觸發(fā)條件F：表示正向門極電壓條件R：表示反向門極電壓條件n最后一位：M：表示最大值。第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管的特性和主要參數(shù)晶閘管的特性和主要參數(shù)3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)超過會誤導(dǎo)通超過會誤導(dǎo)通： J2結(jié)電容效應(yīng)-位移電流限制方法限制方法： 在SCR A-K兩端并RC (防止截止期間誤導(dǎo)通)第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管的特性和主要參數(shù)晶閘管的特性和主要參數(shù)3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管的特性和主要參數(shù)晶閘管的特性和主要參數(shù)3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管的特性和主要參數(shù)晶閘管的特性和主要參數(shù)3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)2. 2

11、. 動態(tài)特性動態(tài)特性晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管的特性和主要參數(shù)晶閘管的特性和主要參數(shù) 晶閘管的門極伏安特性和參數(shù)定額晶閘管的門極伏安特性和參數(shù)定額門極伏安特性門極伏安特性：UGK-Ig關(guān)系。 與二極管相似三個區(qū)三個區(qū)：不觸發(fā)區(qū)：0-UGDIGDUGD不觸發(fā)電壓IGD 不觸發(fā)電流可靠觸發(fā)區(qū)：ABCGFEDUGT觸發(fā)電壓IGT 觸發(fā)電流不可靠觸發(fā)區(qū)：ABCJIH干擾信號應(yīng)限制在該區(qū)域內(nèi)G晶閘管的門極伏安特性和參數(shù)定額晶閘管的門極伏安特性和參數(shù)定額UGFM門極的正向峰值電壓IGFM 門極的正向峰值電流 PGav 門極的平均功率PGM 門極的峰值功率第一章第一章 學(xué)習(xí)要求！學(xué)習(xí)要求

12、！n了解掌握晶閘管的：n電工符號，三個極名稱；n內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)成及工作原理；n基本特性；開通和關(guān)斷條件開通和關(guān)斷條件n主要參數(shù)；額定電流額定電流n門極可靠觸發(fā)區(qū)選取門極可靠觸發(fā)區(qū)選取 n選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題晶閘管的選取方法！晶閘管的選取方法！n主要包括額定電壓、額定電流參數(shù)兩部分。額定電壓參數(shù)的選取主要是根據(jù)晶閘管所承受的最大電壓，再根據(jù)要求乘以電壓安全裕量系數(shù)；n額定電流參數(shù)的選取主要是根據(jù)晶閘管電流的通態(tài)平均值，再根據(jù)要求乘以電流安全裕量系數(shù)即可。n根據(jù)計算的電壓和電流的數(shù)值，及生產(chǎn)廠家提供的晶閘管的參數(shù)表，就可確定所選晶聞管的型號。課堂練習(xí)課堂練習(xí)n型號為型號為KP-100-3的晶閘

13、管，其額定電壓為的晶閘管，其額定電壓為300V，額定電，額定電流為流為100A，維持電流為，維持電流為4mA, 掣住電流為掣住電流為15mA n如圖所示，將電路中串入電流表和燈泡，如果初始狀態(tài)如圖所示，將電路中串入電流表和燈泡，如果初始狀態(tài)燈泡為點(diǎn)亮狀態(tài)，加大電阻燈泡為點(diǎn)亮狀態(tài)，加大電阻R，則燈泡逐漸變暗，最后熄，則燈泡逐漸變暗，最后熄滅，則熄滅前電流表讀數(shù)約滅，則熄滅前電流表讀數(shù)約 ； n將電阻將電阻R調(diào)小，重新給調(diào)小，重新給T施加正向觸發(fā)信號，燈泡逐漸變施加正向觸發(fā)信號，燈泡逐漸變亮，將觸發(fā)信號去掉，燈泡又熄滅，則熄滅前電流表的亮，將觸發(fā)信號去掉，燈泡又熄滅，則熄滅前電流表的最大讀數(shù)應(yīng)小于

14、最大讀數(shù)應(yīng)小于 。題解題解1.111 晶閘管導(dǎo)通的條件是什么晶閘管導(dǎo)通的條件是什么?怎樣使晶閘管由導(dǎo)通變怎樣使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷為關(guān)斷? n晶閘管導(dǎo)通條件是：晶閘管導(dǎo)通條件是： (1)晶閘管陽極和陰極之間施加正向陽極電壓。晶閘管陽極和陰極之間施加正向陽極電壓。 (2)晶閘管門極和陰極之間必須加上適當(dāng)?shù)恼蚓чl管門極和陰極之間必須加上適當(dāng)?shù)恼?脈沖電壓和電流。脈沖電壓和電流。n 在晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去控制作用，欲使之關(guān)在晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去控制作用，欲使之關(guān)斷，只需將流過晶閘管的電流減小到其維持電流以下，斷，只需將流過晶閘管的電流減小到其維持電流以下，可采用陽極電壓反向、減小陽極電壓

15、或增大回路阻抗可采用陽極電壓反向、減小陽極電壓或增大回路阻抗等方式。等方式。題解題解1.2n1-2 型號型號KP-100-3 （ ITav=100A,額定電壓額定電壓300V）的晶閘管，維持電流的晶閘管，維持電流IH=4mA,使用在以下電路中使用在以下電路中是否合適？是否合適？n1-3 在題圖1-3電路中，E=50V，R=0.5，L=0.5H，晶閘管掣住電流為15mA。要使晶閘管導(dǎo)通，門極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應(yīng)為多少？題解題解1.41-4 在圖在圖b電路中，電源電壓有效值為電路中，電源電壓有效值為220v,問晶閘問晶閘管承受的正反向電壓最高是多少？考慮安全裕量管承受的正反向電壓最高是多少？考慮

16、安全裕量為為2，其額定電壓應(yīng)如何選取。，其額定電壓應(yīng)如何選取。n 解 晶閘管所承受的正、反向電壓最大值為輸入正弦交流電源電壓的峰值：1.414220=311V；n取晶閘管的安全裕量為2，n則晶閘管額定電壓不低于2311622V。題解題解1.5、1.6n1-5/6 圖14中陰影部分表示流過晶閘管的電流波形，其最大值是Im。試計算晶閘管的電流平均值Id、有效值It及波數(shù)系數(shù)Kf；n 若選用KP-100型晶問管，不考慮安全裕量。試計算上述4種電流波形下晶閘管能承受的平均電流是多少?對應(yīng)的電流最大值Im各是多少?題解題解1.5、1.6作業(yè)作業(yè)n作業(yè)：作業(yè)：P17, 題1-1，1-2，1-5，1-6 注意：注意：型號KP-1