電力電子第五版第3講

2.3半控型器件——晶閘管

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.3.2晶閘管的基本特性2.3.3晶閘管的主要參數(shù)2.3.4晶閘管的派生器件學(xué)校要求：

作業(yè)要用作業(yè)本寫！2.3半控器件—晶閘管

引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。

■1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。在60、70年代獲得迅速發(fā)展?！龀骷阅芘c電壓電流容量不斷提高外，還派生出：快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管和雙向晶閘管，形成系列。■由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)

◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)。

◆引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。

◆內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2-7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)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)

◆管芯由四層半導(dǎo)體組成，形成3個(gè)PN結(jié)（J1、J2、J3）：(1)當(dāng)加上反壓時(shí)，J1、J3結(jié)處在反向阻斷，不導(dǎo)通；(2)當(dāng)加上正壓時(shí)，J2結(jié)處在反向阻斷，仍然不導(dǎo)通；(3)若此時(shí)在門極和陰極之間加上正壓Ug使門極G流入一定大小的電流Ig，晶閘管就會(huì)像二極管一樣正向?qū)ā＝Y(jié)論：1）與二極管一樣，晶閘管具有反向阻斷特性；2）與二極管不一樣，晶閘管還有正向阻斷特性;3）當(dāng)加上正壓時(shí)，必須同時(shí)加上門極電壓，具有足夠的門極電流流入后，才能使晶閘管導(dǎo)通；2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管具有上述特性的原因可以用雙晶體管模型來解釋：它相當(dāng)于由V1（P1N1P2）和V2（N1P2N2），如圖2-8示?！霎?dāng)S閉合時(shí)，V1的IC1為V2的Ib2;V2的IC2為V1的Ib1;通過兩個(gè)管子的電流放大，立即形成強(qiáng)烈正反饋,瞬時(shí)使兩管飽和導(dǎo)通，也就是晶閘管導(dǎo)通。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■設(shè)V1、V2的共基極接法的電流放大倍數(shù)為1和2，均小于1。則有：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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。2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆晶體管的特性是：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?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。◆由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2-5)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆由于正反饋的作用，導(dǎo)通后的晶閘管即使是門極電流為0或者負(fù)值，也不能是管子關(guān)斷。

◆要想關(guān)斷之，只有降低Ia只維持電流IH以下，此時(shí)1、2相應(yīng)減小，導(dǎo)致內(nèi)部正反饋無法維持時(shí)，晶閘管方恢復(fù)正向阻斷。

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況◆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)■這些情況除了光觸發(fā)由于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)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

2.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

2.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。

√如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通?！屉S著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)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。

圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2晶閘管的基本特性?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過。

√當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性

◆開通過程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是瞬時(shí)的。?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=td+tr?延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10%2.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽極電流在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆（正向）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結(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（見圖2-9）。

?國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。

?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。◆反向（斷態(tài)）重復(fù)峰值電壓URRM

?是在門極斷路而結(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（見圖2-8）。

?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

◆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)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~

◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(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(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?如果已知電路電流Id，則需要知道Id引起的發(fā)熱來選定晶閘管的通態(tài)平均電流IT(AV）。Kf為晶閘管在電路中的波形系數(shù)。

?如果已知晶閘管的IT(AV），則就會(huì)知道在電路中能承受的發(fā)熱值：

I=1.57×IT(AV）。Id×Kf<=1.57×IT(AV）

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH（正反饋維持的最小電流）?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL（正反饋形成的最小電流）?擎住電流是晶閘管剛從斷態(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。

?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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)

◆開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?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(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt

?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。2.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時(shí)間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

2.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。◆門