电力电子半导体器件SCR.ppt

《电力电子半导体器件SCR.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子半导体器件SCR.ppt（69页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、第三章 晶闸管,3.1 普通晶闸管,Thyristor 硅可控整流器，可控硅，SCR。,一、结构：四层PNPN结构，三端器件,符号,正向阻断：AK接正电压， J2反偏，漏电流很小。,反向阻断：AK接负电压， J1，J3反偏，漏电流很小。,等效电路：由PNP和NPN两个晶体管互联，内部正反馈连接。,正反馈过程,令：两个晶体管共基极电流放大数 1 、2,J2结反向漏电流为IC0,则：,共基极电流放大系数1 、2 与发射极电流变化关系：,IG=0时， 1 、2 约为0， IA IC0，晶闸管正向阻断。 IG0时， 1 、2 随射极电流 增大而上升，当1 +2 1时， IA迅速增大，正向导通。,*此时

2、，即使再为0，晶闸管仍继续导通半控型器件。,1晶闸管导通的几种情况： 门极触发：极之间加正向电压；极间加正向电压 和电流。通用方法 阳极电压作用：阳极电压上升到相当数值时，J3结击穿，IB2 增大，由正反馈作用导致导通。会引起局部过 热，易击穿，不易控制。 du/dt作用：阳极电压上升速率快， J3结电容C产生位移电流 导致射极电流增大，引起导通。 控制困难，过大的du/dt会损坏管子。 温度作用：结温增高，漏电流增大，引起导通。 光触发：光照射下，产生电子空穴对，形成触发电流。 光触发晶闸管,光触发：光照射下，产生电子空穴对，形成触发电流。 光触发晶闸管,1晶闸管导通的几种情况：,门极触发：

3、极之间加正向电压；极间加正向 电压和电流。通用方法,阳极电压作用：阳极电压上升到相当数值时，J3结击穿， IB2增大，由正反馈作用导致导通。 会引起局部过热，易击穿，不易控制。,du/dt作用：阳极电压上升速率快， J3结电容C产生位移电流 导致射极电流增大，引起导通。 控制困难，过大的du/dt会损坏管子。,温度作用：结温增高，漏电流增大，引起导通。,2关断条件：阳极电压减小/反向，使阳极电流减小到维持电流 以下，IAIH时，管子自动关断。,二、特性 1阳极伏安特性：VAKIA关系,VBO：正向转折电压 VRSM：反向转折电压,2门极伏安特性：VGIG关系（P3结二极管伏安特性）,VGD：门

4、极不触发电压 IGD：门极不触发电流 VGT：最小门极触发电压 IGT：最小门极触发电流 VFGM：门极正向峰值电压 IFGM：门极正向峰值电流,说明： 门极触发电压、电流应处于可靠触发区内，触发功率过大， 会使SCR结温上升，影响正常工作，甚至会烧坏门极。 触发电压、电流应大于VGT和IGT，方可保证正常触发。 不触发时，触发电路输出电压应低于门极不触发电压VGD （0.2V）；为提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可加负 偏压（13V；不大于5V），负偏压过大，会使器件触发灵 敏度下降，不利于快速导通，同时门极损耗增大。,三、动态特性：,P(功耗）,td: 延迟时间 tr: 上升时间（局部导

5、通) ts: 扩展时间（全导通） trr: 反向恢复时间 非平衡少子耗散时间 tGr: 门极恢复时间 正向阻断恢复时间,开通时间：ton = td + tr 普通SCR，td为：0.51.5us；tr 为：0.53us； IG越大，ton越小。 关断时间：toff = trr + tGr ；一般为几百us。,说明： 1开通时间ton随门极电流增大而减小；阳极电压提高，可使内部正反馈加速，上升时间、延迟时间显著缩短。 2正向电流越大，关断时间toff越长；外加反向电压越高，反向电流越大，关断时间可缩短；结温越高，关断时间越长。 3关断时，过早施加正向电压，会引起误导通。,三、参数 （一）电压参数

6、 1断态不重复峰值电压VDSM 门极开路，加在SCR阳极正向电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。不能重复，每次持续时间不大于10ms的脉冲电压。（转折电压，小于VBO) 断态重复峰值电压VDRM 门极开路，额定结温下，允许50次/s，持续时间不大于10ms，重复施加在阳极上的正向最大脉冲电压。 VDRM 90% VDSM,反向不重复峰值电压VRSM 门极开路，加在SCR阳极反向电压上升到反向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。不能重复，每次持续时间不大于10ms的脉冲电压。 反向重复峰值电压VRRM 门极开路，额定结温下，允许50次/s，持续时间不大于10ms，重复施加在SC

7、R上的反向最大脉冲电压。 VRRM 90% VRSM 额定电压 将VDRM和VRRM中较小的一个取整后，做额定电压。（使用时，选择23倍； 倍） 通态峰值电压VTM SCR通以两倍/或规定倍数额定通态平均电流时，在额定结温下，AK之间瞬态峰值电压（管压降）。越小，通态损耗越小。,（二）电流参数 1通态平均电流I T(AV) 环境温度400C，规定冷却条件下， 不少于1700，电阻性负载，额定结温时；允许通过的工频正弦半波电流的平均值。取整后为额定电流。（选择管子以有效值相同的原则） 维持电流IH 导通后，室温下，G极开路，维持通态所需最小阳极电流。 擎住电流IL 门极触发， SCR刚从断态转入

8、通态时，去掉触发信号，能使SCR维持导通所需最小电流。 IL （24） IH 断态重复峰值电流IDRM；反向重复峰值电流IRRM； 对应于VDRM和VRRM电压下的峰值电流。,浪涌电流ITSM 规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。由电路发生故障引起，使管子超过结温损坏，用于设计保护电路。,（三）门极参数 门极触发电压VGT 触发导通所需最小门极直流电压，15V。 门极反向峰值电压VRGM J3结反偏电压，小于10V。 门极触发电流IGT 在规定条件下，触发SCR导通所需最小门极直流电流。 几十几百mA（与通态电流I T(AV)有关）,（四）动态参数 断态电压临界上升率dv/d

9、t 在额定结温，门极开路时，SCR保持断态所能承受的最大电压上升率（V/us) 。过大会引起误导通，如：雷电、合闸，分闸。 通态电流临界上升率di/dt 规定条件下，SCR用门极触发信号开通时，能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率（A/us)。过大会局部发热，损坏管子。选用时， di/dt留余量，如： di/dt减小到一半，器件寿命提高近4倍。 门极控制开通时间ton；电路换向关断时间toff。,例：国产KP系列SCR主要参数、门极参数,3.2 特殊晶闸管,为了满足晶闸管使用中的一些特殊要求，在科学技术和工艺水平不断提高的前提下，研制出许多不同性能的特殊晶闸管，都是普通晶闸管的派生器件。

10、,一、高频晶闸管 普通SCR开关时间较长，di/dt小，工作频率低（小于400Hz）当工作频率升高时，开关损耗增加，器件发热增大。 采用特殊工艺: (1)在器件中掺入金或铂的重金属杂质； (2)辐照； (3)电子辐照。缩短开关时间，增大di/dt，产生了快速晶闸管，工作频率1K2KHz。高频晶闸管，工作频率10KHz以上。,国产快速晶闸管：KK系列,国产高频晶闸管：KG系列,高频晶闸管的特点： 工作频率高，di/dt大。 关断时间短，最高允许结温下10us左右。 短时间内（3us）承受尖峰反向电压高，抗过电压能力强， dv/dt大。 重复阻断电压较低，8001000V。 抗直通电流能力差，需配

11、置快速过电流保护环节。,二、双向晶闸管 单向SCR在用于交流控制时，必须两个器件反并联，如：交流调压，灯光调节，温度控制，无触点交流开关，交流电机调速（软启动）。采用双向SCR，可使电路简单，工作可靠、稳定。,（一）结构、原理,NPNPN结构，五层结构，三端器件，4个PN结，两个主电极T1和T2，门极G。门极结构使得门极触发特性可正、可负，用来开通两个反并联的SCR。,（二）四种触发方式 I+触发方式：T1 T2加正电压，门极加正电压，与SCR导通 一致（P1N1P2N2），第一象限特性。 I-触发方式： T1 T2加正电压，门极加负电压 导通由P1N1P2N3 P1N1P2N2，开始门极电流

12、流出， 导通后，由于T1端正电压引入，门极电流反向。 III+触发方式：T1 T2加负电压，门极加正电压，P2N1P1N4 触发过程为多个晶体管相互作用，触发电流较大， 有可能不能触发导通。 III-触发方式： T1 T2加负电压，门极加负电压， P2N1P1N4 一般常用I-触发方式和III-触发方式,（三）特性参数 伏安特性,换向特性： 两个反并的晶闸管导通、关断相互影响换向问题。 换向能力是晶闸管的一个特有参数，用换向电流临界下降率 来表示(di/dt)c，为可靠运行，要求双向晶闸管有很强的换向 能力。标准将(di/dt)c分为0.2、0.5、1、2四个等级。 如：200A的器件， 0.

13、2级为(di/dt)c=200 0.2%= 0.4A/us 额定通态方均根电流：I T(RMS) 由于双向晶闸管工作在交流回路中，用方均根（有效值）来表征额定电流。定义：在标准散热条件下，导通角不小于1700，允许流过器件的最大交流正弦电流的方均根值。 方均根电流与与普通SCR平均值电流之间换算关系：,国产双向晶闸管：KS系列,三、逆导晶闸管 前面的SCR为逆阻型器件，反向高阻特性，正向可控导通。 逆导晶闸管是将SCR与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上， 是一种反向导通的晶闸管。 （一）结构：,（二）特性：,正向晶闸管，反向二极管。 用于各类逆变器，斩波器 不需要阻断反向电压,（三）特点：

14、,正向转折电压高，正向压降小，关断时间短。 电流容量大。（基区宽度薄） 开关速度快。 高温特性好。（结温在1500C以上） 减小了引线电感，缩小装置体积，配线简单，换相电路小，轻型化。 电流定额受限制。 KN-200/70（比值13）,国产逆导晶闸管：KN系列,四、光控晶闸管：利用一定波长的光照信号控制的开关器件,（一）结构：,（二）特性：,小功率管只有A、K两极 大功率管带光缆，装发光器件 和激光器。,（三）参数： 触发光功率：几毫瓦到十几毫瓦。 光谱响应范围：0.551.0um之间；峰值波长约为0.85um。,国产光控晶闸管：GK系列,3.3 触发电路门极控制电路,一、触发电路的基本要求

15、1触发信号可为直流、交流、脉冲信号，且为正脉冲信号。 采用脉冲形式，可以减少门极损耗。,触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于门 极的触发电压和电流，为可靠触发应留有足够的功率裕量。 但不能超过门极的极限参数（VGm10V；IGm10A) 触发脉冲移相范围应满足变流装置的要求。 移相范围与主电路形式、负载性质、变流装置用途有关。 如：三相半波整流电路，电阻性负载，移相范围1500 三相桥式全控整流电路，电阻负载，移相范围1200 工作于整流、逆变状态，电感负载，移相范围01800 一般移相范围小于1800，还应限制min 和min 。,触发脉冲宽度与陡度 触发脉冲宽度应保证SCR阳极

16、电流在脉冲消失前达到擎住电流。 最小宽度。脉冲宽度与负载性质及主电路形式有关 如：单相整流，电阻性负载，宽度大于10us 电感性负载，宽度大于100us 三相全控桥式电路，单脉冲触发时，脉宽6001200 双脉冲触发时，脉宽100左右。 前沿越陡，有利于开通，对并联、串联SCR同时触发越有利。 要求：前沿陡度大于10V/us，800mA/us。 5触发脉冲与主电路电源电压必须同步。电源电压相位与触发 脉冲位置关系正确。,二、触发电路形式,移相控制：通过改变控制脉冲产生时间，改变导通角。 垂直控制：靠移相信号和控制信号叠加，借改变控制信号的 大小来改变导通角。,数字式：数字逻辑电路，微处理器。

17、模拟式：阻容移相桥、单结晶体管触发电路、锯齿波移相电 路、正弦波移相电路。,分立元件触发电路 集成电路触发电路 专用集成触发电路 微机触发电路,三、单结晶体管触发电路 1单结晶体管：双基极二极管，负阻特性。,RB1和RB2为基区硅片电阻，约410k ,发射极E对基极B1和B2都构成一个PN结，具有二极管的单向导电性。,外加电压VBB后，若VE=0，则：, =RB1/(RB1+RB2)；分压比，0.30.9 此时，VD反偏电压VBB，漏电流-IE,当VE增大，VD反向偏压减小，当VE=VBB时，VD零偏， IE=0 VE再增大， VEVBB，但VE VBBVD时，EB1导通，VE下降负阻特性。

18、IE再增大，到IQ时，RB1不再减小， VE随IE增大而增大饱和 谷点电压VQ；谷点电流IQ,峰点电压VP 峰点电流IP,2触发电路 要求：产生可控的移相脉冲；移相脉冲与主电源同步；角恒定,角恒定,为使脉冲正确产生，电路中R3参数选择合适，要求：,R3,电路振荡频率（忽略放电时间）,R3向C的充电时间，决定了第一个脉冲的位置， 既角位置。 改变R3的阻值，可以改变角。 电路特点：结构简单 分散性大，脉冲较窄，移相范围小。,四、集成触发电路 移相线性度好，性能稳定可靠，体积小，温度漂移小。 小规模集成电路组成和中规模专用集成电路。 国产KC系列：KC04，16脚双列直插塑封。内部由同步单元，锯齿

19、波形成单元，移相控制单元，脉冲形成单元和功率放大单元几部分组成。 下图为KC04内部电路图和各点波形图：,3.4 相控整流电路和逆变电路,一、相控整流电路 1单相半波整流电路,触发延迟角 导通角 移相 移相范围 同步 换相,单相桥式全控整流电路,3三相半波可控整流电路,三相桥式全控整流电路,二、逆变电路 1工作原理,换相方式：自然换相和强迫换相 强迫换相有电容强迫换相、谐振负载换相、LC自由换相、 辅助晶闸管LC换相、加旁路二极管的谐振换相电路。,3单相桥式并联逆变电路,三相桥式并联逆变电路,3.SCR串并联及保护,对大型整流装置，单个SCR的电压、电流定额不能满足要求时，需进行串联或并联。,

20、一、SCR串联 当SCR额定电压小于实际要求时，可用两个或两个以上的同型号器件串联。,1存在问题：均压问题 静态均压：由于器件正向阻断、反向阻断特性不同，但流过相等漏电流，造成器件承受电压不同。如图，当外加电压增大后，VT2转折，则VT1承受全部电压，失去控制作用。外加反向电压时，问题同样存在。,定义：均压系数,全部串联器件承受的电压总和,全部串联器件中分担最大电压数值,串联器件数,KU 100%，均压越好。,动态均压：器件开通、关断时间的差异引起SCR承受电压 不同。,2均压措施 选用特性一致的器件。 静态均压电阻RP，使分压由电阻决定。要求流过电阻RP的电流远大于管子漏电流。 动态均压用电

21、阻Rb和电容Cb串联回路，用电容电压不能突变的特性减慢电压上升速率。 门极触发脉冲的强触发和触发脉冲前沿的一致性，也对均压有益。,3串联时，管子额定电压VTN选择,Vm：工作电压的峰值,二、SCR并联 SCR电流等级不合适或使用时为减少di/dt，开关损耗。 存在均流问题，多个SCR并联时，管压降一致，但SCR导通时电阻很小，达到电流一致很困难，而且电流大的结温高，导通电阻更小，电流更大。 定义：均流系数,各支路电流之和,各支路中最大的支路电流值,并联支路数,1静态均流：SCR导通时的均流措施。 选择伏安特性一致的器件。 加均流电阻。,当串联的均流电阻Rron时，起均流作用，R越大，效果越好。

22、 改变R阻值，可调整各支路电流。 R电阻有功率损耗。,2动态均流： SCR从截止 导通过渡过程和从导通截止过渡过程中，由于器件开通延迟时间和关断延迟时间不一致，造成动态不均流。其中，截止 导通过渡过程中，动态不均流会导致损坏管子。而导通截止过渡过程中，由于器件在导通时，阳极导电面积大，而且电流在减小，可承受一定的过流。 选开通时间一致的SCR。门极强脉冲触发。均流变压器。 合理布线。,电感均流,均流变压器,3并联时电流额定值选择,并联臂平均电流,总结： SCR同时串联、并联时，应先串后并。 大功率设备中，采用变压器二次绕组分组方式，独立整流，输出成组串联、并联。装置串、并联。,三、SCR保护

23、可控硅系统，承受过电压、过电流能力较差，短时间过电流、过电压将会损坏器件。但设计时不能根据过电压、过电流值确定电路参数，应充分发挥器件的过载能力，主要靠保护电路来提高可靠性。,（一）过电流及保护 过电流原因很多，如：SCR损坏，触发电路故障，控制系统故障，交流电压过高、过低或缺相，负载过载或短路，相邻设备故障等。 SCR过载能力主要受结温限制，一般，风冷器件1150C，水冷器件1000C，在冷却条件下：,流过两倍通态平均电流时，耐受时间0.5s 流过三倍通态平均电流时，耐受时间60ms 流过六倍通态平均电流时，耐受时间20ms(一个周期） 按此特性，用有效值换算，与保护电器相配合，进行保护设计

24、。 保护方法： 1快速熔断器： 普通熔断器由于动作慢不能用于SCR保护，快速熔断器熔断时间极短，如：日产FA-F150C型，6倍额定电流时，一个周波即可熔化。,特性。,熔断为物理过程，一般不用做过载保护，只用于短路保护。,主要参数：熔断特性，分断能力，断开时瞬时电压和,快速熔断器的用法：,2快速开关和过流继电器 过流继电器：由电流互感器取得交流侧信号，过流时12ms既可动作，常用来断开门极或断开主回路，使快速熔断器不动作。 过负荷热继电器：安装在交流侧，进行过负荷热保护，动作时间长。 快速开关：直流快速断路器，分断时间10ms。 使用快速开关和过流继电器，应先于快速熔断器动作，可不用经常更换快

25、熔。 3反馈控制过流保护 动作速度快，由过流元件检测，控制触发角，封锁驱动信号。,（二）过电压及保护 过压会使SCR击穿，它比过流更具破坏性。 1过电压原因： 合闸时操作过电压；（变压器分布电容引起） 分闸时操作过电压；（变压器储能） 快熔分断时过电压；（过流保护动作） 换相冲击电压；（换相过电压和换相振荡过电压） 雷击等外来冲击引起的过电压；,2过电压保护 用非线性元件限制过电压幅度；（压敏电阻，硒堆） 用电阻消耗产生过压的能量； 用储能元件吸收产生过压的能量；,输入交流侧过电压保护,直流侧保护：过电压保护，RC吸收回路,（三）dv/dt di/dt 限制 1 dv/dt 产生原因：电网突变，换相过程。 限制dv/dt 可在电源输入端串联电抗器。 2 di/dt产生原因：SCR导通时，阻容保护中电容向SCR放电； 交流电源通过SCR向负载电容充电； 直流侧负载短路； 合理选择RC回路参数，桥臂串联电抗，如：空心电抗器 或在母线上套磁环。,