電力電子技術(shù) 器件SCR

1、1-12.3 半控器件晶閘管引言1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(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)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20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（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1-2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2.3.1 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。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常

2、螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。1-32.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(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)1-42.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-7 晶閘管的雙晶體管模型1、結(jié)構(gòu)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，三個PN結(jié)。2、P1引出陽極A、N2引出陰極K、P2引出門極K；3、外加電壓，晶閘管工作狀態(tài)。1-52.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 原理可以按照雙晶體管模型來解釋，根據(jù)晶體管的工作原理 ，晶閘管的開通是一個強(qiáng)烈的正反饋過程(開通的機(jī)

3、理)。 關(guān)斷過程。 可以控制其開通，無法控制關(guān)斷，半控型器件。1-62.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中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工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 定量分析：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）1-72.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1

4、+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。1-82.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(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應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：1-92.3.2 晶閘管的基本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(dǎo)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(dǎo)通，門極就失去

5、控制作用。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 。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：1-10 晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。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IG2IG1IG維持電流IH：通態(tài)下若電流小于此值，管關(guān)斷。摯住電流IL：斷態(tài)被觸發(fā)，電流達(dá)到此值時撤除觸發(fā)電流，晶閘管可自動維持通態(tài)。常比IH大24倍。摯住電流和維持電流都隨

6、結(jié)溫下降而增大。1-11 晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG（2）反向特性1-12晶閘管的基本特性1) 開通過程延遲時間td (0.51.5s)上升時間tr (0.53s)開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）延遲時間隨門級電流的增加而減小；與外電路特性有關(guān)；提高陽極電壓可以提高V2管放大倍數(shù)，加快反饋過程，提高開通速度。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2） 動態(tài)特性圖1-9 晶閘管

7、的開通和關(guān)斷過程波形1-13晶閘管的基本特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間trr（與二極管的關(guān)斷特性相似）正向阻斷恢復(fù)時間tgr：反向恢復(fù)結(jié)束后，由于載流子復(fù)合過程較慢，晶閘管要恢復(fù)對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間。關(guān)斷時間tq以上兩者之和tq=trr+tgr （1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形因載流子復(fù)合較慢，過早加正壓會引起誤導(dǎo)通。管關(guān)斷后須加足夠時間反壓，保證管恢復(fù)阻斷能力。 1-14晶閘管的開通特性門極正偏，Q2、Q1導(dǎo)通，再生正反饋。電流超摯住電流后，門極脈沖可去。（

8、一維開通）。在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。（2-5）td:門極正脈沖使正反饋建立耗時。陽極電流0，陰極電流控制極電流。tr: 陽極電流指數(shù)升到接近穩(wěn)態(tài)耗時。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。耐壓越高擴(kuò)展越慢。（二維開通）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將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。1-15晶閘管的關(guān)斷問題導(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。陽極電壓反極性。1-162.3.3 晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U

9、DRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(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，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：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。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來選取晶閘

10、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。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1-18例：晶閘管額定電流的選擇設(shè)正弦電流峰值為Im,則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的晶閘管能承受157A的有效值電流，對非正弦電流應(yīng)按實際電流波形計算有效值除以1.57作為選擇晶閘管電流額定值的依據(jù)。設(shè)計一般應(yīng)留1.52倍的安全裕量。例：某晶閘管實際承擔(dān)電流波形有效值為400A

11、，則可選額定電流為400/1.57=255A,考慮裕量，實際選額定電流為500A的晶閘管。1-19晶閘管的主要參數(shù) 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，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。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3）動態(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)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。

12、普通晶閘管關(guān)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。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)1-21晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）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a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第和第III象限有對稱

13、的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。1-22晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。1-23晶閘管的派生器件光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）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和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管

14、，是利用一定波長的光照信號觸發(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，且可避免電磁干擾的影響。用于高壓大功率的場合。1-24晶閘管應(yīng)用特點價低、控制線路成熟、可靠性高。中、大功率應(yīng)用廣泛【HVDC、無功補(bǔ)償、高壓變頻】。MVA級性能優(yōu)。8kA/4kV，6kA/6kV光觸發(fā)可得到。無二次擊穿問題。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。工作頻率較低。一般在500Hz內(nèi)。通態(tài)峰值壓降較低，平均1V左右，隨陽極電流增大略為增加，一般小于2V。1-25本節(jié)要點晶閘管原理、特性, 導(dǎo)通、關(guān)斷條件典型工作頻率范圍典型導(dǎo)通壓降晶閘管的選擇1-26思考題說明晶閘管的基本工作原理。在

15、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)動電流為什么不能關(guān)斷？怎樣才能關(guān)斷？晶閘管在關(guān)斷狀態(tài)為什么要對器件兩端的du/dt進(jìn)行有效控制？額定電流為10A的晶閘管能否承受長期通過15A的直流負(fù)載電流而不過熱？圖中陰影部分為一個2p周期中晶閘管的電流波形。若最大值為100A，試計算電流的平均值和有效值。若考慮兩倍裕量，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世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新時代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。1-281.4 典型全控型器

16、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?？梢酝ㄟ^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，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用(6KV,6KA,10MVA的系統(tǒng))。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）1-301.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔

17、排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理1-311.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 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能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基

18、區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 圖1-7 晶閘管的工作原理1-331.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(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)斷晶閘管開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間ts，抽取飽和導(dǎo)通時存儲的大量載流子，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf ，晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小。尾部時間tt 殘存載流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長

19、。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形GTO的動態(tài)特性1-351.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時間toff（1）開通時間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，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)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。1-361.4

20、.1 門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）1-371.4.2 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被I

21、GBT和電力MOSFET取代。術(shù)語用法：1-38與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。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晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。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多了一個低摻雜區(qū)（漂移區(qū)）。1.4.2 電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動1-391.4.2 電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(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)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Ice