晶閘管的工作原理與應(yīng)用

模塊一調(diào)光燈

1/551.1.1晶閘管及其工作原理1.1.2晶閘管特性與主要參數(shù)

1.1.3晶閘管派生器件

返回項(xiàng)目一結(jié)識(shí)晶閘管和單結(jié)晶體管2/551.1、晶閘管

晶閘管(Thyristor)包括：一般晶閘管(SCR)、迅速晶閘管(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。一般晶閘管：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下列)裝置中主要器件。3/551.1.1晶閘管及其工作原理圖1.1.1晶閘管外型及符號(hào)1、晶閘管構(gòu)造：4/55常用晶閘管構(gòu)造螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及構(gòu)造5/552、晶閘管工作原理圖1.1.3晶閘管內(nèi)部構(gòu)造和等效電路(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。6/55返回7/551.3.2晶閘管特性與主要參數(shù)定義：晶閘管陽極與陰極之間電壓Ua與陽極電流Ia關(guān)系曲線稱為晶閘管伏安特性。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.晶閘管伏安特性：8/552.晶閘管開關(guān)特性1.3.5晶閘管開通和關(guān)斷過程波形9/553.晶閘管主要特性參數(shù)

1）正向反復(fù)峰值電壓UDRM:2）反向反復(fù)峰值電壓URRM:3）晶閘管銘牌標(biāo)注額定電壓一般取UDRM與URRM中最小值,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）晶閘管反復(fù)峰值電壓─額定電壓Ute10/55（2）晶閘管額定通態(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)際最大電流計(jì)算后最少還要乘以1.5～2安全系數(shù)，使其有一定電流裕量。1）定義：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定冷卻條件下,晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角大于170°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)所允許最大通態(tài)平均電流。11/552）IT(AV)計(jì)算辦法：（1.3.3）（1.3.4）根據(jù)額定電流定義可知，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)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：正弦半波電流峰值12/55（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)通所必須最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。（4）通態(tài)平均電壓UT(AV)在要求環(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平均值，稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降)13/55（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)，元件從較大通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通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)通所需要最小陽極電流稱掣住電流ＩL。返回14/551.3.3晶閘管派生器件

可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作晶閘管稱為迅速晶閘管(FastSwitchingThyristor，簡稱FST)，開關(guān)頻率在10KHZ

以上稱為高頻晶閘管。迅速晶閘管為了提升開關(guān)速度，其硅片厚度做得比一般晶閘管薄，因此承受正反向阻斷反復(fù)峰值電壓較低，一般在2023V下列。1.迅速晶閘管(FastSwitchingThyristor—FST15/55有兩個(gè)主電極T1和T2，一種門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，因此雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱伏安特性。圖1.3.6雙向晶閘管電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性2.雙向晶閘管(TRIAC)16/553.逆導(dǎo)晶閘管(RCT)4.光控晶閘管(LTT)1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。2）光觸發(fā)確保了主電路與控制電路之間絕緣，且可避免電磁干擾影響，因此目前在高壓大功率場所，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)主要地位。將晶閘管反并聯(lián)一種二極管制作在同一管芯上功率集成器件。返回17/551.4可關(guān)斷晶閘管

可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor)簡稱GTO。它具有一般晶閘管所有長處，如耐壓高，電流大等。同步它又是全控型器件，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。18/55PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)造，外部引出陽極、陰極和門極圖1.4.1GTO內(nèi)部構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)(a)各單元陰極、門極間隔排列圖形(b)并聯(lián)單元構(gòu)造斷面示意圖(c)電氣圖形符號(hào)1、可關(guān)斷晶閘管構(gòu)造19/552、可關(guān)斷晶閘管工作原理

1）GTO導(dǎo)通機(jī)理與SCR是相同。2）在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不一樣。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(chǔ)存大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。

20/553、可關(guān)斷晶閘管應(yīng)用

GTO主要用于直流變換和逆變等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷地方，電壓、電流容量較大，與一般晶閘管接近，達(dá)成兆瓦級(jí)數(shù)量級(jí)。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)脈沖能夠使其關(guān)斷，這是GTO最大長處。但要使GTO關(guān)斷門極反向電流比較大，約為陽極電流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)要尤其注意。21/551.4.2可關(guān)斷晶閘管特性圖1.4.2可關(guān)斷晶閘管開關(guān)特性

返回22/551.5、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)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。23/55深飽和區(qū)：類似于開關(guān)通態(tài)。圖1.5.3共發(fā)射極接法時(shí)GTR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)斷態(tài)；線性放大區(qū)：準(zhǔn)飽和區(qū)：返回24/551.6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(duì)于N（P）溝道器件,柵極電壓大于（不大于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道25/551、電力場效應(yīng)管構(gòu)造圖1.6.1N溝道VDMOS管元胞構(gòu)造與電氣符號(hào)返回26/55

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低導(dǎo)通壓降特性二者長處一種復(fù)合器件。IGBT于1982年開始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快并且很有前程一種混合型器件。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(jí)達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。在電機(jī)控制、中頻電源、多種開關(guān)電源以及其他高速低損耗中小功率領(lǐng)域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET市場。27/55（1）IGBT伏安特性（如圖a)

反應(yīng)在一定柵極一發(fā)射極電壓UGE下器件輸出端電壓UCE與電流Ic關(guān)系。IGBT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伏安特性和轉(zhuǎn)移特性1、IGBT伏安特性和轉(zhuǎn)移特性返回28/551.8、其他新型電力電子器件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29/551.8.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

它是一種多子導(dǎo)電單極型器件，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)等長處；廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備(例如200kHz、200kW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30/551.8.2靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）

它自1972年開始研制并生產(chǎn)；長處：與GTO相比，SITH通態(tài)電阻小、通態(tài)壓減少、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；

缺陷：SITH制造工藝復(fù)雜，成本高；

返回31/551.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

MCT自20世紀(jì)80年代末問世，已生產(chǎn)出300A/2023V、1000A/1000V器件；構(gòu)造：是晶閘管SCR和場效應(yīng)管MOSFET復(fù)合而成新型器件，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)壓減少、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)速度高；

返回32/551.8.4MOS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長處，容量與GTO相稱，開關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜緩沖電路，只不過所需驅(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優(yōu)選功率器件之一。返回33/551.8.5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，將多種器件封裝在一種模塊中，稱為功率模塊。可縮小裝置體積，減少成本，提升可靠性。對(duì)工作頻率高電路，可大大減小線路電感，從而簡化對(duì)保護(hù)和緩沖電路要求。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34/55

1.9、電力電子器件驅(qū)動(dòng)與保護(hù)（1）電力電子開關(guān)管驅(qū)動(dòng)：驅(qū)動(dòng)器接收控制系統(tǒng)輸出控制信號(hào)，經(jīng)處理后發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)給開關(guān)管，控制開關(guān)器件通、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)器件電流、電壓，保護(hù)主電路中開關(guān)器件，避免過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，避免系統(tǒng)瓦解而造成事故。（3）緩沖器：在開通和關(guān)斷過程中避免開關(guān)管過壓和過流，減小開關(guān)損耗。35/55（4）濾波器：在輸出直流電力電子系統(tǒng)中輸出濾波器用來濾除輸出電壓或電流中交流分量以取得平穩(wěn)直流電能；在輸出交流電力電子系統(tǒng)中濾波器濾除無用諧波以取得盼望交流電能，提升由電源所獲取以及輸出至負(fù)載電力質(zhì)量。

（5）散熱系統(tǒng)：散發(fā)開關(guān)器件和其他部件功耗發(fā)熱，減小開關(guān)器件熱心力，減少開關(guān)器件結(jié)溫。

（6）控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)電力電子電路實(shí)時(shí)、適式控制，綜合給定和反饋信號(hào)，經(jīng)處理后為開關(guān)器件提供開通、關(guān)斷信號(hào)，開機(jī)、停機(jī)信號(hào)和保護(hù)信號(hào)。36/551.9.1電力電子器件換流方式在圖1.9.1中，T1、T2表達(dá)由兩個(gè)電力半導(dǎo)體器件組成導(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橋臂換流電力半導(dǎo)體器件能夠用切斷或接通電流開關(guān)表達(dá)。定義：電流從一種臂向另一種臂轉(zhuǎn)移過程稱為換流（或換相）。37/55（1）器件換流：利用電力電子器件本身所有關(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)電流從一種臂向另一種臂轉(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)電流從一種臂向另一種臂轉(zhuǎn)移稱為負(fù)載換流。凡是負(fù)載電流相位超前電壓場所，都能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載換流。一般來說，換流方式可分為下列四種：38/55（4）脈沖換流：設(shè)置附加換流電路，由換流電路內(nèi)電容提供換流電壓，控制電力電子器件實(shí)現(xiàn)電流從一種臂向另一種臂轉(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。39/551.9.2驅(qū)動(dòng)電路

將信息電子電路傳來信號(hào)按控制目標(biāo)要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，能夠使其開通或關(guān)斷信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。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，這能夠通過脈沖變壓器或光耦來實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路基本任務(wù)：40/55作用：產(chǎn)生符合要求門極觸發(fā)脈沖，決定每個(gè)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)刻。圖1.9.4為基于脈沖變壓器PT和三極管放大器驅(qū)動(dòng)電路。工作原理：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)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)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)為零后，D1、DZ續(xù)流，PT原邊電壓速降為零，避免變壓器飽和。圖1.9.4帶隔離變壓器SCR驅(qū)動(dòng)電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路41/55圖1.9.5光耦隔離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(hào)致光耦輸入端時(shí)，光耦輸出電路中R上電壓產(chǎn)生脈沖電流觸發(fā)SCR導(dǎo)通。圖1.9.5光耦隔離SCR驅(qū)動(dòng)電路1．晶閘管SCR觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路42/552．GTO驅(qū)動(dòng)電路43/551)

作用:將控制電路輸出控制信號(hào)放大到足以確保GTR可靠導(dǎo)通和關(guān)斷程度。2)功能:①提供合適正反向基流以確保GTR可靠導(dǎo)通與關(guān)斷(盼望基極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖1.9.7所示)。②實(shí)現(xiàn)主電路與控制電路隔離。③具有自動(dòng)保護(hù)功能，方便在故障發(fā)生時(shí)迅速自動(dòng)切除驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免損壞GTR。④電路盡也許簡單、工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)。3．GTR驅(qū)動(dòng)電路

44/55圖1.9.8雙電源驅(qū)動(dòng)電路

圖1.9.10UAA4002組成GTR驅(qū)動(dòng)電路45/55由于IGBT輸入特性幾乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)因此，要求驅(qū)動(dòng)功率小，電路簡單，用于IGBT驅(qū)動(dòng)電路同樣能夠用于VDMOS。圖1.9.11采取脈沖變壓器隔離柵極驅(qū)動(dòng)電路

圖1.9.12推挽輸出柵極驅(qū)動(dòng)電路

4．MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)電路46/55圖1.9.13EXB8XX驅(qū)動(dòng)模塊框圖

圖1.9.14集成驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用電路

47/551.9.3保護(hù)電路

電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)也許會(huì)發(fā)生過電流、過壓，造成開關(guān)器件永久性損壞。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)器件電流、電壓，保護(hù)主電路中開關(guān)器件，避免過流、過壓損壞開關(guān)器件。檢測系統(tǒng)電源輸入、輸出以及負(fù)載電流、電壓，實(shí)時(shí)保護(hù)系統(tǒng)，避免系統(tǒng)瓦解而造成事故。48/55措施：一般電力電子系統(tǒng)同步采取電子電路、迅速熔斷器、直流迅速斷路器和過電流繼電器等幾個(gè)過電流保護(hù)措施，提升保護(hù)可靠性和合理性?？烊蹆H作為短路時(shí)部分區(qū)段保護(hù)，直流迅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)中常用過流保護(hù)方案

1.過電流保護(hù)（過流包括過載和短路）49/55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)中操作過程（由分閘、合閘等開關(guān)操作引發(fā)）等外因。內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件開關(guān)過程。(1)換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)二極管在換相結(jié)束后不能立即恢復(fù)阻斷，因而有較大反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)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)，正向電流迅速減少而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。2．過電壓保護(hù)

50/552．過電壓保護(hù)

過電壓——外因過電