第一章晶闸管

1、电力电子技术电力电子技术晶闸管晶闸管南航南航电力电子电力电子课程组课程组晶闸管晶闸管引言引言q1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管。q1957年美国通用电气公司（General Electric Company）开发出第一只晶闸管产品。q1958年商业化(16A/300V)。q开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。q20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR

2、）晶闸管晶闸管(Thyrister)功率等级功率等级: 几KA/几 KV新品种新品种: 快速, 双向, 可关断, 光激发特点特点:体小,轻重,效率高,反应快,高压大容量, 弱电控制强电(几十毫安控制几百几千安)应用应用:整流,逆变(尤其在大功率场合)， 第一节第一节 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理一晶闸管的结构晶闸管的结构符号符号：阳极A，阴极K，门极G（控制极）第一节第一节 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理螺栓形螺栓形： 螺栓阳极A， 粗引线 阴极K 细引线-门极G 特点： 安装方便 K AGG K第一节第一节 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理平板形平板

3、形： 两面分别为阳极A和阴极K 中间引出线-门极G 特点： 散热效果好，容量大晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理n常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构一晶闸管的结构一晶闸管的结构晶闸管的内部管芯结构：基本材料:硅单晶体硅单晶体四层三端器件四层三端器件(P1 N1 P2 N2）钼片：导电材料，用于减小/缓冲相邻两种材料的热膨胀系数的差别，以保证在各种温度下接触可靠KGAP1N1P2N2N2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) 电气图形符号晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管开关实验晶闸管开关实验n实验说明（P7）n

4、实验页面链接:二晶闸管导通关断条件二晶闸管导通关断条件结论：结论：1 导通条件：UAK0 AND UGK0 (iG 0适当值) n关断条件： IA减小至维持电流以下。 UAK减小到零或加反压来达到n一旦导通，门极失去控制，故可用脉冲信号晶闸管的工作特性晶闸管的工作特性 ！n承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。n承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。n晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。n要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。晶闸管正常工作时的特性总结如下（晶闸管正常工作时的特性总结如下（P7)：只能控制导通，不能控制关断只能控

5、制导通，不能控制关断-半控半控三晶闸管的工作原理三晶闸管的工作原理n从内部结构分析单向导通的工作原理n四层三端器件（P1 N1 P2 N2）n三个PN结 J1,J2,J3: UAK0时， J1,J3正偏 ,J2反偏（正向阻断状态）正向阻断状态） UAKIG1IG第二节第二节 晶闸管的特性和主要参数晶闸管的特性和主要参数（1）正向伏安特性正向伏安特性：Ig=0时：UBO-正向转折电压雪崩击穿导通Ig 增大 时：较小的UAK即可导通，导通压降小 （在1V左右）导通后IA取决于外部电路IA 管芯半导体结温 - 流过电流的有效值（相同的电流有效值条件下，其发热情况相同，选取型号相同相同的电流有效值条件

6、下，其发热情况相同，选取型号相同）有效值与平均值的定义有效值与平均值的定义n 可根据平均值、有效值的定义来求出。n设f(t)为表示电压或电流的周期函数，则它在0 Ts期间的平均值和有效值用如下公式：0201( )1( )TsTsf t dtTsft dtTs平均值有效值正弦半波的电流平均值与有效值正弦半波的电流平均值与有效值正弦半波的电流平均值与有效值正弦半波的电流平均值与有效值正弦半波的波形系数正弦半波的波形系数n定义波形系数：非正弦波形的电流额定值计算！非正弦波形的电流额定值计算！n在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦半波波形n对于这些波形，应根据电流有效值相等即发热相同的原则

7、n将非正弦半波电流的有效值IT折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值n由于晶闸管元件的热容量小，过载能力低，故在实际选用时，一般取152倍的安全裕量例题例题n 例 （P13）流经晶闸管的电流波形如图所示，试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全系数为2，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流平均值和最大值为多少?第二节第二节 晶闸管的特性和主要参数晶闸管的特性和主要参数n 例 （P13）流经晶闸管的电流波形如图所示，试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全系数为2，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的该波形电流平均值和最大值为多少?ITav=(1

8、.52) IT/1.57= (1.52) KfId/1.57公式折算含义！公式折算含义！nIT为应用电流的有效值；Id为应用电流的平均值；Kf为应用电流的波形系统；ITav为额定电流n用法一：用法一：对于任意波形应用，在知道具体电流大小，求解晶闸管的额定电流取值n用法二：用法二：对于任意波形应用，给定晶闸管的额定电流后，求解任意波形的平均值最大允许值TavdfTIIKI57. 1)25 . 1 (晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数q通态平均电流通态平均电流 IT(AV）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最大工频正弦半波电流的平均

9、值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。q维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。q擎住电流擎住电流 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。q浪涌电流浪涌电流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 。2）电流定额）电流定额元件主要参数表格说明元件主要参数表格说明n第一位：P10T：表示通态D：表示断态R：表示反向n第二位：R：表示反复S：表示不重复n最后一位：M：表示最大值。元件门极参数表格说明元件门极参数表格说明n

10、第一位：P11G：表示门极特性n第二位：T：表示门极触发条件D：表示门极不触发条件F：表示正向门极电压条件R：表示反向门极电压条件n最后一位：M：表示最大值。第二节第二节 晶闸管的特性和主要参数晶闸管的特性和主要参数3）动态参数动态参数超过会误导通超过会误导通： J2结电容效应-位移电流限制方法限制方法： 在SCR A-K两端并RC (防止截止期间误导通)第二节第二节 晶闸管的特性和主要参数晶闸管的特性和主要参数3）动态参数动态参数第二节第二节 晶闸管的特性和主要参数晶闸管的特性和主要参数3）动态参数动态参数第二节第二节 晶闸管的特性和主要参数晶闸管的特性和主要参数3）动态参数动态参数2. 2

11、. 动态特性动态特性晶闸管的开通和关断过程波形第二节第二节 晶闸管的特性和主要参数晶闸管的特性和主要参数 晶闸管的门极伏安特性和参数定额晶闸管的门极伏安特性和参数定额门极伏安特性门极伏安特性：UGK-Ig关系。 与二极管相似三个区三个区：不触发区：0-UGDIGDUGD不触发电压IGD 不触发电流可靠触发区：ABCGFEDUGT触发电压IGT 触发电流不可靠触发区：ABCJIH干扰信号应限制在该区域内G晶闸管的门极伏安特性和参数定额晶闸管的门极伏安特性和参数定额UGFM门极的正向峰值电压IGFM 门极的正向峰值电流 PGav 门极的平均功率PGM 门极的峰值功率第一章第一章 学习要求！学习要求

12、！n了解掌握晶闸管的：n电工符号，三个极名称；n内部结构构成及工作原理；n基本特性；开通和关断条件开通和关断条件n主要参数；额定电流额定电流n门极可靠触发区选取门极可靠触发区选取 n选择和使用中应注意的一些问题晶闸管的选取方法！晶闸管的选取方法！n主要包括额定电压、额定电流参数两部分。额定电压参数的选取主要是根据晶闸管所承受的最大电压，再根据要求乘以电压安全裕量系数；n额定电流参数的选取主要是根据晶闸管电流的通态平均值，再根据要求乘以电流安全裕量系数即可。n根据计算的电压和电流的数值，及生产厂家提供的晶闸管的参数表，就可确定所选晶闻管的型号。课堂练习课堂练习n型号为型号为KP-100-3的晶闸

13、管，其额定电压为的晶闸管，其额定电压为300V，额定电，额定电流为流为100A，维持电流为，维持电流为4mA, 掣住电流为掣住电流为15mA n如图所示，将电路中串入电流表和灯泡，如果初始状态如图所示，将电路中串入电流表和灯泡，如果初始状态灯泡为点亮状态，加大电阻灯泡为点亮状态，加大电阻R，则灯泡逐渐变暗，最后熄，则灯泡逐渐变暗，最后熄灭，则熄灭前电流表读数约灭，则熄灭前电流表读数约 ； n将电阻将电阻R调小，重新给调小，重新给T施加正向触发信号，灯泡逐渐变施加正向触发信号，灯泡逐渐变亮，将触发信号去掉，灯泡又熄灭，则熄灭前电流表的亮，将触发信号去掉，灯泡又熄灭，则熄灭前电流表的最大读数应小于

14、最大读数应小于 。题解题解1.111 晶闸管导通的条件是什么晶闸管导通的条件是什么?怎样使晶闸管由导通变怎样使晶闸管由导通变为关断为关断? n晶闸管导通条件是：晶闸管导通条件是： (1)晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压。晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压。 (2)晶闸管门极和阴极之间必须加上适当的正向晶闸管门极和阴极之间必须加上适当的正向 脉冲电压和电流。脉冲电压和电流。n 在晶闸管导通后，门极就失去控制作用，欲使之关在晶闸管导通后，门极就失去控制作用，欲使之关断，只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下，断，只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下，可采用阳极电压反向、减小阳极电压

15、或增大回路阻抗可采用阳极电压反向、减小阳极电压或增大回路阻抗等方式。等方式。题解题解1.2n1-2 型号型号KP-100-3 （ ITav=100A,额定电压额定电压300V）的晶闸管，维持电流的晶闸管，维持电流IH=4mA,使用在以下电路中使用在以下电路中是否合适？是否合适？n1-3 在题图1-3电路中，E=50V，R=0.5，L=0.5H，晶闸管掣住电流为15mA。要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？题解题解1.41-4 在图在图b电路中，电源电压有效值为电路中，电源电压有效值为220v,问晶闸问晶闸管承受的正反向电压最高是多少？考虑安全裕量管承受的正反向电压最高是多少？考虑

16、安全裕量为为2，其额定电压应如何选取。，其额定电压应如何选取。n 解 晶闸管所承受的正、反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰值：1.414220=311V；n取晶闸管的安全裕量为2，n则晶闸管额定电压不低于2311622V。题解题解1.5、1.6n1-5/6 图14中阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值是Im。试计算晶闸管的电流平均值Id、有效值It及波数系数Kf；n 若选用KP-100型晶问管，不考虑安全裕量。试计算上述4种电流波形下晶闸管能承受的平均电流是多少?对应的电流最大值Im各是多少?题解题解1.5、1.6作业作业n作业：作业：P17, 题1-1，1-2，1-5，1-6 注意：注意：型号KP-1