电力电子器件晶闸管.ppt

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1、1.3 半控器件晶闸管,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,一外形、结构和符号 外形有螺栓型和平板型两种封装型式； 引出阳极A、阴极K和门极G （控制端）三个联接端； 螺栓型封装，螺栓是其阳极，可与散热器紧密联接且安装方便； 平板型封装的晶闸管由两个散热器将其夹在中间,图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,4晶闸管导通后，撤掉Ig，晶闸管仍维持导通； 5关断：撤掉维持导通的正向电压或施加反向电压使其阳极电流 IA 下降到某一数值以下，晶闸管才能关断。,二工作原理：,1正向电压： J2 结反向偏置，不导通； 2

2、反向电压： J1、J3 结反向偏置，不导通； 3在正向电压时注入Ig： 经V2 放大产生 IC2 , 形成V1 的基流Ib1，又经 V1 放大形 成 IC1 注入V2，最终形成正 反馈，晶闸管导通；,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,IC11 IA ICBO1 （11） 1 ：共基极电流增益 IC22 IK ICBO2 （12） ICBO：共基极漏电流 I KIAIG （13） IAIc1Ic2 （14）, 晶闸管中的晶体管特性为： 在低发射极电流下 是很小的； 而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。,（15）, 晶闸管阳极IA：由双晶体管模型的工作原理，可导出在门极 电流的作用下IA为：

3、,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理, 阻断状态：IG=0，1+2 很小 流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和； 开通（门极触发）：注入触发电流IG IG使发射极电流增大以致1+2 趋近于1的话，流过晶闸管的阳极 电流IA将趋于饱和，从而实现饱和导通。开通后IA由外电路决定； 导通后：门极触发电流可撤除，门极失去控制作用； 其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应； 阳极电压上升率du/dt过高； 结温较高； 光直接照射硅片，即光触发。可用此方式制成光触发晶闸管，可 保证控制电路与主电路之间的良好绝缘，应用于高压电力设备中 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅

4、速而可靠的控制手段,1.3.2 晶闸管的基本特性,一静态特性 承受反向电压：不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 承受正向电压：仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 晶闸管导通后：门极就失去控制作用 关断晶闸管：应使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 晶闸管的伏安特性：,正向伏安特性,反向伏安特性,1.3.2 晶闸管的基本特性,一静态特性,1正向特性：器件施加正向电压，IG=0 时，正向阻断状态，只有 很小的正向漏电流流过；正向电压超过临界极限正向转折 电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通； 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低； 导通后其特性和二极管的正向特性相仿，压降很小

5、，在1V左右 导通后，当IG0且IA降至接近于零的某一数值 IH 以下，晶闸管 又回到正向阻断状态。IH 称为维持电流。 2反向特性：器件上施加反向电压，其特性类似二极管反向特性； 3门极伏安特性：门极和阴极之间的伏安特性称为门极伏安特性 门极触发电流是通过在门极和阴极之间施加触发电压而产生的， 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端； 为保证安全可靠的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和 功率应限制在可靠触发区中。,1.3.2 晶闸管的基本特性,二动态特性,图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形,关断 时间tqtrrtgr,上升时间tr,延迟时间td,开通时间tgt,反向阻断恢复 时间trr,

6、正向阻断恢复 时间tgr,1.3.2 晶闸管的基本特性（动态特性）,1开通过程（特性图) 延迟时间td：从IG 阶跃起，到 IA 上升到稳态值的10%的时间； 上升时间tr：IA 从10%上升到稳态值的90%所需的时间； 开通时间tgt： tgt=td+ tr （16） 普通晶闸管延迟时间为：0.51.5s，上升时间为：0.53s。 2关断过程（特性图) 反向阻断恢复时间trr： 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间； 正向阻断恢复时间tgr： 晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要的一段时间； 关断时间tq： tq=trr+tgr 约几百微秒 （17） 普通晶闸管的在正向阻断恢

7、复时间内如果重新对晶闸管施加正向 电压，晶闸管会重新导通。 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管 充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。,1.3.3 晶闸管的主要参数,一电压定额（ 图1-8 晶闸管的伏安特性 ） 1断态重复峰值电压UDRM：在门极断路而结温为额定值时，允许 重复加在器件上的正向峰值电压。 2反向重复峰值电压URRM：在门极断路而结温为额定值时，允许 重复加在器件上的反向峰值电压。 3通态（峰值）电压UTM：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态 平均电流时的瞬态峰值电压。 4额定电压：取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件 的额定电压。选

8、用晶闸管时，额定电压要留有一定裕量。, 在选用晶闸管时： 取额定电压为晶闸管正常工作时所承受峰值电压的 2 3 倍。,1.3.3 晶闸管的主要参数,二电流定额： 1通态平均电流IT(AV)： （额定电流） 在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定 结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。, 通态平均电流：, 相应的有效值电流：, 两者之间的关系：,1.3.3 晶闸管的主要参数,二电流定额：, 结论： 额定电流为I T(AV) 的晶闸管可流过 1.57 I T(AV) 的电流有效值。, 选择晶闸管的额定电流： 依照流过晶闸管的电流有效值 IT 与晶闸管允许流过的电流有效

9、值 I 相等（热效应相等）的原则。 同时要留有 1.5 2 倍的安全裕量即：,因此，可得晶闸管的额定电流I T(AV) 为：,1.3.3 晶闸管的主要参数,二电流定额：,2维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安； 维持电流 IH 与结温有关，结温越高，则IH 越小。 3擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需 的最小电流； 对同一晶闸管来说，通常 IL 约为 IH 的 24 倍。 4浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性 最大正向过载电流,1.3.3 晶闸管的主要参数,二电流定额：,5额定门极触发电

10、流 IGr 和触发电压 Ugr IGr：规定当UAK为 6V 时，室温下能使晶闸管触发导通所需的 最小门极电流； UGr：指产生触发电流 IGr 所需门极电压值； 环境温度高时需要的 Igr 和 Ugr 要小些； 环境温度低时需要的 IGr 和 Ugr 要大些； 同一型号晶闸管门极特性分散性较大，因此触发电路送出的 触发电流和触发电压应适当大于额定值的上限，但不能超过 最大电流、电压和功率极限。,1.3.3 晶闸管的主要参数,三、动态参数：除开通时间tgt 和关断时间tq 外，还有,1断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升

11、率。 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于 一个电容的J2 结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流 流经J3 结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率 过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。 2通态电流临界上升率di/dt 规定条件下，器件能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升过快，晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中 在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。,1.3.3 晶闸管的主要参数,四计算举例：,右图为流过晶闸管的电流波形， 其峰值电流Im为100A，考虑2倍 的安全裕量，选择晶闸管的额定 电流I T(AV) 。, 考虑

12、2倍安全裕量，应有：,解：由流过晶闸管的电流波形可计算出其电流有效值为, 根据电流有效值等效原则：, 根据晶闸管系列规格，选择额定电流I T(AV)为100A的晶闸管,1.3.4 晶闸管的派生器件,一快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST) 专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。 其管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及 du/dt 和 di/dt 的耐量都有明显改善； 普通晶闸管关断时间为 数百微秒，而快速晶闸管为 数十微秒， 高频晶闸管为 10s 左右； 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额 都低于普通晶闸管； 由于工作频率较高，选择通态平均

13、电流时不能忽略其开关损耗 产生的发热效应。,1.3.4 晶闸管的派生器件,二双向晶闸管：三端器件，为NPNPN五层半导体结构,图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,从应用的角度，可等效为两个普通晶闸管的反并联,1.3.4 晶闸管的派生器件（双向晶闸管）, T1为第一阳极，T2为第二阳极（参考极）和门极G； 控制电路简单，用于交流调压、调速和固态继电器SSR等领域； 常用于交流电路中，采用有效值来表示其额定电流； 正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性； 四种触发开通方式，T2 为参考极 工作象限，T1 相对 T2 电压为正 I

14、触发方式：G 加正脉冲触发； I 触发方式：G 加负脉冲触发； 工作象限，T2 相对 T1 电压为正 III触发方式：G加正脉冲触发； III触发方式：G加负脉冲触发； III触发方式灵敏度低，一般不采用； 若采用直流触发信号，可使用I触发方式和III触发方式； 若采用交流触发信号，可使用I触发方式和III触发方式；,1.3.4 晶闸管的派生器件,三逆导晶闸管RCT（Reverse Conducting Thyristor）, 晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点 有两个额定电流：晶闸管及反并联二极管的额定电流。,图1-

15、11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性,1.3.4 晶闸管的派生器件,四光控晶闸管LTT （Light Triggered Thyristor）,图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,1.3.4 晶闸管的派生器件,四光控晶闸管LTT, 又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通 的晶闸管； 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子； 大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发 光源的发光二极管或半导体激光器； 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免 电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高 压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。,