電力電子半導(dǎo)體器件SCR介紹

1、第三章 晶閘管,3.1 普通晶閘管,Thyristor 硅可控整流器，可控硅，SCR。,一、結(jié)構(gòu)：四層PNPN結(jié)構(gòu)，三端器件,符號(hào),正向阻斷：AK接正電壓， J2反偏，漏電流很小。,反向阻斷：AK接負(fù)電壓， J1，J3反偏，漏電流很小。,等效電路：由PNP和NPN兩個(gè)晶體管互聯(lián)，內(nèi)部正反饋連接。,正反饋過程,令：兩個(gè)晶體管共基極電流放大數(shù) 1 、2,J2結(jié)反向漏電流為IC0,則：,共基極電流放大系數(shù)1 、2 與發(fā)射極電流變化關(guān)系：,IG=0時(shí)， 1 、2 約為0， IA IC0，晶閘管正向阻斷。 IG0時(shí)， 1 、2 隨射極電流 增大而上升，當(dāng)1 +2 1時(shí)， IA迅速增大，正向?qū)ā?*此時(shí)

2、，即使再為0，晶閘管仍繼續(xù)導(dǎo)通半控型器件。,1晶閘管導(dǎo)通的幾種情況： 門極觸發(fā)：極之間加正向電壓；極間加正向電壓 和電流。通用方法 陽(yáng)極電壓作用：陽(yáng)極電壓上升到相當(dāng)數(shù)值時(shí)，J3結(jié)擊穿，IB2 增大，由正反饋?zhàn)饔脤?dǎo)致導(dǎo)通。會(huì)引起局部過 熱，易擊穿，不易控制。 du/dt作用：陽(yáng)極電壓上升速率快， J3結(jié)電容C產(chǎn)生位移電流 導(dǎo)致射極電流增大，引起導(dǎo)通。 控制困難，過大的du/dt會(huì)損壞管子。 溫度作用：結(jié)溫增高，漏電流增大，引起導(dǎo)通。 光觸發(fā)：光照射下，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，形成觸發(fā)電流。 光觸發(fā)晶閘管,光觸發(fā)：光照射下，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，形成觸發(fā)電流。 光觸發(fā)晶閘管,1晶閘管導(dǎo)通的幾種情況：,門極觸發(fā)：

3、極之間加正向電壓；極間加正向 電壓和電流。通用方法,陽(yáng)極電壓作用：陽(yáng)極電壓上升到相當(dāng)數(shù)值時(shí)，J3結(jié)擊穿， IB2增大，由正反饋?zhàn)饔脤?dǎo)致導(dǎo)通。 會(huì)引起局部過熱，易擊穿，不易控制。,du/dt作用：陽(yáng)極電壓上升速率快， J3結(jié)電容C產(chǎn)生位移電流 導(dǎo)致射極電流增大，引起導(dǎo)通。 控制困難，過大的du/dt會(huì)損壞管子。,溫度作用：結(jié)溫增高，漏電流增大，引起導(dǎo)通。,2關(guān)斷條件：陽(yáng)極電壓減小/反向，使陽(yáng)極電流減小到維持電流 以下，IAIH時(shí)，管子自動(dòng)關(guān)斷。,二、特性 1陽(yáng)極伏安特性：VAKIA關(guān)系,VBO：正向轉(zhuǎn)折電壓 VRSM：反向轉(zhuǎn)折電壓,2門極伏安特性：VGIG關(guān)系（P3結(jié)二極管伏安特性）,VGD：門

4、極不觸發(fā)電壓 IGD：門極不觸發(fā)電流 VGT：最小門極觸發(fā)電壓 IGT：最小門極觸發(fā)電流 VFGM：門極正向峰值電壓 IFGM：門極正向峰值電流,說明： 門極觸發(fā)電壓、電流應(yīng)處于可靠觸發(fā)區(qū)內(nèi)，觸發(fā)功率過大， 會(huì)使SCR結(jié)溫上升，影響正常工作，甚至?xí)龎拈T極。 觸發(fā)電壓、電流應(yīng)大于VGT和IGT，方可保證正常觸發(fā)。 不觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路輸出電壓應(yīng)低于門極不觸發(fā)電壓VGD （0.2V）；為提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)，必要時(shí)可加負(fù) 偏壓（13V；不大于5V），負(fù)偏壓過大，會(huì)使器件觸發(fā)靈 敏度下降，不利于快速導(dǎo)通，同時(shí)門極損耗增大。,三、動(dòng)態(tài)特性：,P(功耗）,td: 延遲時(shí)間 tr: 上升時(shí)間（局部導(dǎo)

5、通) ts: 擴(kuò)展時(shí)間（全導(dǎo)通） trr: 反向恢復(fù)時(shí)間 非平衡少子耗散時(shí)間 tGr: 門極恢復(fù)時(shí)間 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間,開通時(shí)間：ton = td + tr 普通SCR，td為：0.51.5us；tr 為：0.53us； IG越大，ton越小。 關(guān)斷時(shí)間：toff = trr + tGr ；一般為幾百us。,說明： 1開通時(shí)間ton隨門極電流增大而減??；陽(yáng)極電壓提高，可使內(nèi)部正反饋加速，上升時(shí)間、延遲時(shí)間顯著縮短。 2正向電流越大，關(guān)斷時(shí)間toff越長(zhǎng)；外加反向電壓越高，反向電流越大，關(guān)斷時(shí)間可縮短；結(jié)溫越高，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)。 3關(guān)斷時(shí)，過早施加正向電壓，會(huì)引起誤導(dǎo)通。,三、參數(shù) （一）電壓參數(shù)

6、 1斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓VDSM 門極開路，加在SCR陽(yáng)極正向電壓上升到正向伏安特性曲線急劇彎曲處所對(duì)應(yīng)的電壓值。不能重復(fù)，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms的脈沖電壓。（轉(zhuǎn)折電壓，小于VBO) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓VDRM 門極開路，額定結(jié)溫下，允許50次/s，持續(xù)時(shí)間不大于10ms，重復(fù)施加在陽(yáng)極上的正向最大脈沖電壓。 VDRM 90% VDSM,反向不重復(fù)峰值電壓VRSM 門極開路，加在SCR陽(yáng)極反向電壓上升到反向伏安特性曲線急劇彎曲處所對(duì)應(yīng)的電壓值。不能重復(fù)，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms的脈沖電壓。 反向重復(fù)峰值電壓VRRM 門極開路，額定結(jié)溫下，允許50次/s，持續(xù)時(shí)間不大于10ms，重復(fù)施加在SC

7、R上的反向最大脈沖電壓。 VRRM 90% VRSM 額定電壓 將VDRM和VRRM中較小的一個(gè)取整后，做額定電壓。（使用時(shí)，選擇23倍； 倍） 通態(tài)峰值電壓VTM SCR通以兩倍/或規(guī)定倍數(shù)額定通態(tài)平均電流時(shí)，在額定結(jié)溫下，AK之間瞬態(tài)峰值電壓（管壓降）。越小，通態(tài)損耗越小。,（二）電流參數(shù) 1通態(tài)平均電流I T(AV) 環(huán)境溫度400C，規(guī)定冷卻條件下， 不少于1700，電阻性負(fù)載，額定結(jié)溫時(shí)；允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。取整后為額定電流。（選擇管子以有效值相同的原則） 維持電流IH 導(dǎo)通后，室溫下，G極開路，維持通態(tài)所需最小陽(yáng)極電流。 擎住電流IL 門極觸發(fā)， SCR剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入

8、通態(tài)時(shí)，去掉觸發(fā)信號(hào)，能使SCR維持導(dǎo)通所需最小電流。 IL （24） IH 斷態(tài)重復(fù)峰值電流IDRM；反向重復(fù)峰值電流IRRM； 對(duì)應(yīng)于VDRM和VRRM電壓下的峰值電流。,浪涌電流ITSM 規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內(nèi)所允許的最大過載峰值電流。由電路發(fā)生故障引起，使管子超過結(jié)溫?fù)p壞，用于設(shè)計(jì)保護(hù)電路。,（三）門極參數(shù) 門極觸發(fā)電壓VGT 觸發(fā)導(dǎo)通所需最小門極直流電壓，15V。 門極反向峰值電壓VRGM J3結(jié)反偏電壓，小于10V。 門極觸發(fā)電流IGT 在規(guī)定條件下，觸發(fā)SCR導(dǎo)通所需最小門極直流電流。 幾十幾百mA（與通態(tài)電流I T(AV)有關(guān)）,（四）動(dòng)態(tài)參數(shù) 斷態(tài)電壓臨界上升率dv/d

9、t 在額定結(jié)溫，門極開路時(shí)，SCR保持?jǐn)鄳B(tài)所能承受的最大電壓上升率（V/us) 。過大會(huì)引起誤導(dǎo)通，如：雷電、合閘，分閘。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 規(guī)定條件下，SCR用門極觸發(fā)信號(hào)開通時(shí)，能夠承受而不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率（A/us)。過大會(huì)局部發(fā)熱，損壞管子。選用時(shí)， di/dt留余量，如： di/dt減小到一半，器件壽命提高近4倍。 門極控制開通時(shí)間ton；電路換向關(guān)斷時(shí)間toff。,例：國(guó)產(chǎn)KP系列SCR主要參數(shù)、門極參數(shù),3.2 特殊晶閘管,為了滿足晶閘管使用中的一些特殊要求，在科學(xué)技術(shù)和工藝水平不斷提高的前提下，研制出許多不同性能的特殊晶閘管，都是普通晶閘管的派生器件。

10、,一、高頻晶閘管 普通SCR開關(guān)時(shí)間較長(zhǎng)，di/dt小，工作頻率低（小于400Hz）當(dāng)工作頻率升高時(shí)，開關(guān)損耗增加，器件發(fā)熱增大。 采用特殊工藝: (1)在器件中摻入金或鉑的重金屬雜質(zhì)； (2)輻照； (3)電子輻照?？s短開關(guān)時(shí)間，增大di/dt，產(chǎn)生了快速晶閘管，工作頻率1K2KHz。高頻晶閘管，工作頻率10KHz以上。,國(guó)產(chǎn)快速晶閘管：KK系列,國(guó)產(chǎn)高頻晶閘管：KG系列,高頻晶閘管的特點(diǎn)： 工作頻率高，di/dt大。 關(guān)斷時(shí)間短，最高允許結(jié)溫下10us左右。 短時(shí)間內(nèi)（3us）承受尖峰反向電壓高，抗過電壓能力強(qiáng)， dv/dt大。 重復(fù)阻斷電壓較低，8001000V。 抗直通電流能力差，需配

11、置快速過電流保護(hù)環(huán)節(jié)。,二、雙向晶閘管 單向SCR在用于交流控制時(shí)，必須兩個(gè)器件反并聯(lián)，如：交流調(diào)壓，燈光調(diào)節(jié)，溫度控制，無觸點(diǎn)交流開關(guān)，交流電機(jī)調(diào)速（軟啟動(dòng)）。采用雙向SCR，可使電路簡(jiǎn)單，工作可靠、穩(wěn)定。,（一）結(jié)構(gòu)、原理,NPNPN結(jié)構(gòu)，五層結(jié)構(gòu)，三端器件，4個(gè)PN結(jié)，兩個(gè)主電極T1和T2，門極G。門極結(jié)構(gòu)使得門極觸發(fā)特性可正、可負(fù)，用來開通兩個(gè)反并聯(lián)的SCR。,（二）四種觸發(fā)方式 I+觸發(fā)方式：T1 T2加正電壓，門極加正電壓，與SCR導(dǎo)通 一致（P1N1P2N2），第一象限特性。 I-觸發(fā)方式： T1 T2加正電壓，門極加負(fù)電壓 導(dǎo)通由P1N1P2N3 P1N1P2N2，開始門極電流

12、流出， 導(dǎo)通后，由于T1端正電壓引入，門極電流反向。 III+觸發(fā)方式：T1 T2加負(fù)電壓，門極加正電壓，P2N1P1N4 觸發(fā)過程為多個(gè)晶體管相互作用，觸發(fā)電流較大， 有可能不能觸發(fā)導(dǎo)通。 III-觸發(fā)方式： T1 T2加負(fù)電壓，門極加負(fù)電壓， P2N1P1N4 一般常用I-觸發(fā)方式和III-觸發(fā)方式,（三）特性參數(shù) 伏安特性,換向特性： 兩個(gè)反并的晶閘管導(dǎo)通、關(guān)斷相互影響換向問題。 換向能力是晶閘管的一個(gè)特有參數(shù)，用換向電流臨界下降率 來表示(di/dt)c，為可靠運(yùn)行，要求雙向晶閘管有很強(qiáng)的換向 能力。標(biāo)準(zhǔn)將(di/dt)c分為0.2、0.5、1、2四個(gè)等級(jí)。 如：200A的器件， 0.

13、2級(jí)為(di/dt)c=200 0.2%= 0.4A/us 額定通態(tài)方均根電流：I T(RMS) 由于雙向晶閘管工作在交流回路中，用方均根（有效值）來表征額定電流。定義：在標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，導(dǎo)通角不小于1700，允許流過器件的最大交流正弦電流的方均根值。 方均根電流與與普通SCR平均值電流之間換算關(guān)系：,國(guó)產(chǎn)雙向晶閘管：KS系列,三、逆導(dǎo)晶閘管 前面的SCR為逆阻型器件，反向高阻特性，正向可控導(dǎo)通。 逆導(dǎo)晶閘管是將SCR與一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上， 是一種反向?qū)ǖ木чl管。 （一）結(jié)構(gòu)：,（二）特性：,正向晶閘管，反向二極管。 用于各類逆變器，斬波器 不需要阻斷反向電壓,（三）特點(diǎn)：

14、,正向轉(zhuǎn)折電壓高，正向壓降小，關(guān)斷時(shí)間短。 電流容量大。（基區(qū)寬度?。?開關(guān)速度快。 高溫特性好。（結(jié)溫在1500C以上） 減小了引線電感，縮小裝置體積，配線簡(jiǎn)單，換相電路小，輕型化。 電流定額受限制。 KN-200/70（比值13）,國(guó)產(chǎn)逆導(dǎo)晶閘管：KN系列,四、光控晶閘管：利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)控制的開關(guān)器件,（一）結(jié)構(gòu)：,（二）特性：,小功率管只有A、K兩極 大功率管帶光纜，裝發(fā)光器件 和激光器。,（三）參數(shù)： 觸發(fā)光功率：幾毫瓦到十幾毫瓦。 光譜響應(yīng)范圍：0.551.0um之間；峰值波長(zhǎng)約為0.85um。,國(guó)產(chǎn)光控晶閘管：GK系列,3.3 觸發(fā)電路門極控制電路,一、觸發(fā)電路的基本要求

15、1觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流、脈沖信號(hào)，且為正脈沖信號(hào)。 采用脈沖形式，可以減少門極損耗。,觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率。觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)大于門 極的觸發(fā)電壓和電流，為可靠觸發(fā)應(yīng)留有足夠的功率裕量。 但不能超過門極的極限參數(shù)（VGmron時(shí)，起均流作用，R越大，效果越好。 改變R阻值，可調(diào)整各支路電流。 R電阻有功率損耗。,2動(dòng)態(tài)均流： SCR從截止 導(dǎo)通過渡過程和從導(dǎo)通截止過渡過程中，由于器件開通延遲時(shí)間和關(guān)斷延遲時(shí)間不一致，造成動(dòng)態(tài)不均流。其中，截止 導(dǎo)通過渡過程中，動(dòng)態(tài)不均流會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞管子。而導(dǎo)通截止過渡過程中，由于器件在導(dǎo)通時(shí)，陽(yáng)極導(dǎo)電面積大，而且電流在減小，可承受一定的過流。 選開通時(shí)間一

16、致的SCR。門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)。均流變壓器。 合理布線。,電感均流,均流變壓器,3并聯(lián)時(shí)電流額定值選擇,并聯(lián)臂平均電流,總結(jié)： SCR同時(shí)串聯(lián)、并聯(lián)時(shí)，應(yīng)先串后并。 大功率設(shè)備中，采用變壓器二次繞組分組方式，獨(dú)立整流，輸出成組串聯(lián)、并聯(lián)。裝置串、并聯(lián)。,三、SCR保護(hù) 可控硅系統(tǒng)，承受過電壓、過電流能力較差，短時(shí)間過電流、過電壓將會(huì)損壞器件。但設(shè)計(jì)時(shí)不能根據(jù)過電壓、過電流值確定電路參數(shù)，應(yīng)充分發(fā)揮器件的過載能力，主要靠保護(hù)電路來提高可靠性。,（一）過電流及保護(hù) 過電流原因很多，如：SCR損壞，觸發(fā)電路故障，控制系統(tǒng)故障，交流電壓過高、過低或缺相，負(fù)載過載或短路，相鄰設(shè)備故障等。 SCR過載能力主要

17、受結(jié)溫限制，一般，風(fēng)冷器件1150C，水冷器件1000C，在冷卻條件下：,流過兩倍通態(tài)平均電流時(shí)，耐受時(shí)間0.5s 流過三倍通態(tài)平均電流時(shí)，耐受時(shí)間60ms 流過六倍通態(tài)平均電流時(shí)，耐受時(shí)間20ms(一個(gè)周期） 按此特性，用有效值換算，與保護(hù)電器相配合，進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。 保護(hù)方法： 1快速熔斷器： 普通熔斷器由于動(dòng)作慢不能用于SCR保護(hù)，快速熔斷器熔斷時(shí)間極短，如：日產(chǎn)FA-F150C型，6倍額定電流時(shí)，一個(gè)周波即可熔化。,特性。,熔斷為物理過程，一般不用做過載保護(hù)，只用于短路保護(hù)。,主要參數(shù)：熔斷特性，分?jǐn)嗄芰?，斷開時(shí)瞬時(shí)電壓和,快速熔斷器的用法：,2快速開關(guān)和過流繼電器 過流繼電器：由電流互感器取得交流側(cè)信號(hào)，過流時(shí)12ms既可動(dòng)作，常用來斷開門極或斷開主回路，使快速熔斷器不動(dòng)作。 過負(fù)荷熱繼電器：安裝在交流側(cè)，進(jìn)行過負(fù)荷熱保護(hù)，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)。 快速開關(guān)：直流快速斷路器，分?jǐn)鄷r(shí)間10ms。 使用快速開關(guān)和過流繼電器，應(yīng)先于快速熔斷器動(dòng)作，可不用經(jīng)常更換快熔。 3反饋控制過流保護(hù) 動(dòng)作速度快，由過流元件檢測(cè)，控制觸發(fā)角，封鎖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。,（二）過電壓及保護(hù) 過壓會(huì)使SCR擊穿，它比過流更具破壞性。 1過電壓原因： 合閘時(shí)操作過電壓；（變壓器分布電容引起） 分閘時(shí)操作過電壓；（變壓器儲(chǔ)能） 快熔分?jǐn)鄷r(shí)過電壓；（過流保護(hù)動(dòng)作） 換相沖擊電壓；（