晶閘管的工作原理與應(yīng)用

模塊一調(diào)光燈

2021/5/911.1.1晶閘管及其工作原理1.1.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

1.1.3晶閘管的派生器件

返回項(xiàng)目一認(rèn)識晶閘管和單結(jié)晶體管2021/5/921.1、晶閘管

晶閘管(Thyristor)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)和光控晶閘管等。普通晶閘管：也稱可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),簡稱SCR。

由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域,成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。2021/5/931.1.1晶閘管及其工作原理圖1.1.1晶閘管的外型及符號1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：2021/5/94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)2021/5/952、晶閘管的工作原理圖1.1.3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路(1)導(dǎo)通：陽極施加正向電壓;

門極G也加正向電壓晶閘管(單向?qū)щ娦?,導(dǎo)通條件為陽極正偏和門極加正向觸發(fā)電流。2021/5/96返回2021/5/971.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)定義：晶閘管陽極與陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。圖1.3.4晶閘管陽極伏安特性

１.晶閘管的伏安特性：2021/5/982.晶閘管的開關(guān)特性1.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形2021/5/993.晶閘管的主要特性參數(shù)

1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM:2）反向重復(fù)峰值電壓URRM:3）晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓通常取UDRM與URRM中的最小值,選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,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。（1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓─額定電壓Ute2021/5/910（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流─額定電流IT(AV)

在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以1.5～2的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。1）定義：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻條件下,晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170°的單相工頻正弦半波電路中,當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。2021/5/9112）IT(AV)計(jì)算方法：（1.3.3）（1.3.4）

根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電流。額定電流有效值為：額定電流(平均電流)為：正弦半波電流的峰值2021/5/912

（3）門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT

在室溫下，晶閘管加6V正向陽極電壓時(shí)，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。（4）通態(tài)平均電壓UT(AV)

在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通以正弦半波額定電流時(shí)，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降)2021/5/913（5）維持電流ＩＨ

和掣住電流ＩL1）維持電流ＩＨ：在室溫下門極斷開時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽極電流為維持電流ＩH。2）掣住電流ＩL：給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱掣住電流ＩL。返回2021/5/9141.3.3晶閘管的派生器件

可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(FastSwitchingThyristor，簡稱FST)，開關(guān)頻率在10KHZ

以上的稱為高頻晶閘管?？焖倬чl管為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在2000V以下。1.快速晶閘管(FastSwitchingThyristor—FST2021/5/915

有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。圖1.3.6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2.雙向晶閘管(TRIAC)2021/5/9163.逆導(dǎo)晶閘管(RCT)4.光控晶閘管(LTT)1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。2）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，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。返回2021/5/9171.4可關(guān)斷晶閘管

可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor)簡稱GTO。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時(shí)它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。2021/5/918PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極圖1.4.1GTO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、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)2021/5/9192、可關(guān)斷晶閘管的工作原理

1）GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是相同的。

2）在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲存的大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。

2021/5/9203、可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用

GTO主要用于直流變換和逆變等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達(dá)到兆瓦級的數(shù)量級。

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(shí)應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。

用門極正脈沖可使GTO開通，用門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷，這是GTO最大的優(yōu)點(diǎn)。但要使GTO關(guān)斷的門極反向電流比較大，約為陽極電流的１/５左右。

GTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，在使用時(shí)要特別注意。2021/5/9211.4.2可關(guān)斷晶閘管的特性圖1.4.2可關(guān)斷晶閘管的開關(guān)特性

返回2021/5/9221.5、電力晶體管

電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效.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IGBT和電力MOSFET取代。2021/5/923

深飽和區(qū)：類似于開關(guān)的通態(tài)。圖1.5.3共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性1、GTR共射電路輸出特性

輸出特性：截止區(qū)(又叫阻斷區(qū))、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個(gè)區(qū)域。

截止區(qū)：類似于開關(guān)的斷態(tài)；

線性放大區(qū)：

準(zhǔn)飽和區(qū)：返回2021/5/9241.6電力場效應(yīng)晶體管N溝道P溝道電力MOSFET耗盡型：增強(qiáng)型:耗盡型增強(qiáng)型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；對于N（P）溝道器件,柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道2021/5/9251、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)圖1.6.1N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號返回2021/5/926

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速開關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性兩者優(yōu)點(diǎn)的一種復(fù)合器件。IGBT于1982年開始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其它高速低損耗的中小功率領(lǐng)域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場。2021/5/927（1）IGBT的伏安特性（如圖a)

反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流Ic的關(guān)系。

IGBT的伏安特性分為:截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。圖1.7.2IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性返回2021/5/9281.8、其它新型電力電子器件1.8.1靜電感應(yīng)晶體管1.8.2靜電感應(yīng)晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路返回2021/5/9291.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具有輸出功率大、輸入阻抗高、開關(guān)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備(例如200kHz、200kW的高頻感應(yīng)加熱電源)。并適用于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)、差轉(zhuǎn)機(jī)微波以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。返回2021/5/9301.8.2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）

它自1972年開始研制并生產(chǎn)；優(yōu)點(diǎn)：與GTO相比，SITH的通態(tài)電阻小、通態(tài)壓降低、開關(guān)速度快、損耗小及耐量高等；

應(yīng)用：應(yīng)用在直流調(diào)速系統(tǒng)，高頻加熱電源和開關(guān)電源等領(lǐng)域；

缺點(diǎn)：SITH制造工藝復(fù)雜，成本高；

返回2021/5/9311.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

MCT自20世紀(jì)80年代末問世，已生產(chǎn)出300A/2000V、1000A/1000V的器件；結(jié)構(gòu)：是晶閘管SCR和場效應(yīng)管MOSFET復(fù)合而成的新型器件，其主導(dǎo)元件是SCR，控制元件是MOSFET；特點(diǎn)：耐高電壓、大電流、通態(tài)壓降低、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度高；

返回2021/5/9321.8.4MOS控制晶閘管（IGCT/GCT）

20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)。結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動(dòng)功率仍很大；IGCT可望成為高功率高電壓低頻電力電子裝置的優(yōu)選功率器件之一。返回2021/5/9331.8.5功率模塊與功率集成電路

20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊。可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。返回2021/5/934

1.9、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)（1）電力電子開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)器接收控制系統(tǒng)輸出的控制信號，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號給開關(guān)管，控制開關(guān)器件的通、斷狀態(tài)。（2）過流、過壓保護(hù)：包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。（3）緩沖器：在開通和關(guān)斷過程中防止開關(guān)管過壓和過流，減小開關(guān)損耗。2021/5/935（4）濾波器：在輸出直流的電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器用來濾除輸出電壓或電流中的交流分量以獲得平穩(wěn)的直流電能；在輸出交流的電力電子系統(tǒng)中濾波器濾除無用的諧波以獲得期望的交流電能，提高由電源所獲取的以及輸出至負(fù)載的電力質(zhì)量。

（5）散熱系統(tǒng)：散發(fā)開關(guān)器件和其他部件的功耗發(fā)熱，減小開關(guān)器件的熱心力，降低開關(guān)器件的結(jié)溫。

（6）控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)電力電子電路的實(shí)時(shí)、適式控制，綜合給定和反饋信號，經(jīng)處理后為開關(guān)器件提供開通、關(guān)斷信號，開機(jī)、停機(jī)信號和保護(hù)信號。2021/5/9361.9.1電力電子器件的換流方式

在圖1.9.1中，T1、T2表示由兩個(gè)電力半導(dǎo)體器件組成的導(dǎo)電臂，當(dāng)T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通時(shí)，電流流過T2；當(dāng)T2關(guān)斷，T1導(dǎo)通時(shí)，電流i從T2轉(zhuǎn)移到T1。圖1.9.1橋臂的換流

電力半導(dǎo)體器件可以用切斷或接通電流的開關(guān)表示。

定義：電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移的過程稱為換流（或換相）。2021/5/937（1）器件換流：利用電力電子器件自身所有的關(guān)斷能力進(jìn)行換流稱為器件換流。（2）電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓使電力電子器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為電網(wǎng)換流。（3）負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓，使電力電子器件關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為負(fù)載換流。凡是負(fù)載電流的相位超前電壓的場合，都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。一般來說，換流方式可分為以下四種：2021/5/938（4）脈沖換流：設(shè)置附加的換流電路，由換流電路內(nèi)的電容提供換流電壓，控制電力電子器件實(shí)現(xiàn)電流從一個(gè)臂向另一個(gè)臂轉(zhuǎn)移稱為脈沖換流，有時(shí)也稱為強(qiáng)迫換流或電容換流。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流。2021/5/9391.9.2驅(qū)動(dòng)電路

將信息電子電路傳來的信號按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。在高壓變換電路中，需要時(shí)控制系統(tǒng)和主電路之間進(jìn)行電氣隔離，這可以通過脈沖變壓器或光耦來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：2021/5/940作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，決定每個(gè)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻。圖1.9.4為基于脈沖變壓器PT和三極管放大器的驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動(dòng)信號加至三極管放大器后，變壓器PT輸出電壓經(jīng)D2輸出脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號為零后，D1、DZ續(xù)流，PT的原邊電壓速降為零，防止變壓器飽和。圖1.9.4帶隔離變壓器的SCR驅(qū)動(dòng)電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路2021/5/941圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號致光耦輸入端時(shí)，光耦輸出電路中R上的電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。圖1.9.5光耦隔離的SCR驅(qū)動(dòng)電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路2021/5/9422．GTO的驅(qū)動(dòng)電路2021/5/9431)

作用:

將控制電路輸出的控制信號放大到足以保證GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷的程度。

2)功能:①提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷(期望的基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖1.9.7所示)。②實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路的隔離。③具有自動(dòng)保護(hù)功能，以便在故障發(fā)生時(shí)快速自動(dòng)切除驅(qū)動(dòng)信號，避免損壞GTR。④電路盡可能簡單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。3．GTR的驅(qū)動(dòng)電路

2021/5/944圖1.9.8雙電源驅(qū)動(dòng)電路

圖1.9.10UAA4002組成的GTR驅(qū)動(dòng)電路2021/5/945

由于IGBT的輸入特性幾乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單，用于IGBT的驅(qū)動(dòng)電路同樣可以用于VDMOS。圖1.9.11采用脈沖變壓器隔離的柵極驅(qū)動(dòng)電路

圖1.9.12推挽輸出的柵極驅(qū)動(dòng)電路

4．MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路2021/5/946圖1.9.13EXB8XX驅(qū)動(dòng)模塊框圖

圖1.9.14集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路

2021/5/9471.9.3保護(hù)電路

電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)可能會發(fā)生過電流、過壓，造成開關(guān)器件的永久性損壞。過流、過壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個(gè)方面。檢測開關(guān)器件的電流、電壓，保護(hù)主電路中的開關(guān)器件，防止過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載的電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，防止系統(tǒng)崩潰而造成事故。2021/5/948措施：通常電力電子系統(tǒng)同時(shí)采用電子電路、快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器等幾種過電流保護(hù)措施，提高保護(hù)的可靠性和合理性。快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。圖1.9.16電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護(hù)方案

1.過電流保護(hù)（過流包括過載和短路）2021/5/949過電壓——外因過電壓和內(nèi)因過電壓。外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程（由分閘、合閘等開關(guān)操作引起）等外因。內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程。

(1)換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。

(2)關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。2．過電壓保護(hù)

2021/5/9502．過