第2章_电力电子器件(22)

1、2.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管 2.3.1 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 晶闸管（晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 19561956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell LabBell Lab）发明了晶闸管）发明了晶闸管;1957;1957年年美国通用电气公

2、司（美国通用电气公司（GEGE）开发出第一只晶闸管产品）开发出第一只晶闸管产品;1958;1958年年商业化商业化; ;开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用崭新时代。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用崭新时代。 工作频率较低；能承受的电压、电流在可控器件中最大。工作频率较低；能承受的电压、电流在可控器件中最大。 通常采用相控技术进行控制，大量应用于交流变直流的整流通常采用相控技术进行控制，大量应用于交流变直流的整流电路中。电路中。 2020世纪世纪8080年代后逐渐被性能更好的全控型器件取代年代后逐渐被性能更好的全控型器件取代; ;由于能由于能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场

3、合具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。有重要地位。2.3.1 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理a) a) 外形图外形图 b) b) 双晶体管结构图双晶体管结构图 c) c) 电气符号电气符号l 结构结构l 工作原理工作原理（1）反向阻断特性 （2）不加门极电压时正向阻断特性 PNPN结结J J1 1 J3 J3处于反偏状态，处于反偏状态，因而晶闸管处于关断状态因而晶闸管处于关断状态 此时此时PNPN结结J J2 2 处于反偏状态，晶闸管仍处处于反偏状态，晶闸管仍处于关断状态于关断状态 三端四层半控型器件三端四层半控型器件（3）导通工作状态

4、晶闸管处于阻断状态且晶闸管处于阻断状态且 时，在门极加上驱动电流时，在门极加上驱动电流 则：则： 正反馈过程将使晶体管进入饱和导通状态，晶闸正反馈过程将使晶体管进入饱和导通状态，晶闸管导通，最后阳极电流由外部限流电阻决定。管导通，最后阳极电流由外部限流电阻决定。 从阻断到导通过程从阻断到导通过程: : （3）导通工作状态 导通的维持导通的维持: : 晶闸管导通后，即使移晶闸管导通后，即使移掉门极触发信号，此时掉门极触发信号，此时I IC1C1大于触发所需电流值，大于触发所需电流值，因此晶闸管会保持导通因此晶闸管会保持导通状态不变。状态不变。1 1 U UAKAK00 2 2 给门极加触发脉冲给

5、门极加触发脉冲（4 4）关断条件 1 1 阳极加反压阳极加反压 此时此时PNPN结结J J1 1总是处于反偏状总是处于反偏状态，晶闸管关断态，晶闸管关断2 2 降低阳极电流降低阳极电流使晶闸管内等效双晶体管使晶闸管内等效双晶体管进入阳极电流减小的正反进入阳极电流减小的正反馈过程，最终使阳极电流馈过程，最终使阳极电流为零而关断为零而关断 l工作原理小结工作原理小结结论：结论：触而导通，触而导通，通而不断，通而不断，断则反压。断则反压。其他几种可能导通的情况：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升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率d du

6、 u/d/dt t过高过高 结温较高结温较高只有门极触发是最精确、迅速而可靠只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段的控制手段2.3.2 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.1.静态特性（伏安特性）静态特性（伏安特性）伏安特性伏安特性-阳极阴极间的电压和阳极电流间的关系阳极阴极间的电压和阳极电流间的关系正向转折电压正向转折电压U UFBoFBo-I IG G =0 =0 对应的最对应的最大正向阻断电压（使晶闸管由阻断大正向阻断电压（使晶闸管由阻断到导通状态的电压）到导通状态的电压）擎住电流擎住电流I IL L-由阻断态变为导通态且由阻断态变为导通态且维持导通的最小阳极电流维持导通

7、的最小阳极电流维持电流维持电流I IH H阳极电流下阳极电流下降时晶闸管会恢复阻态，降时晶闸管会恢复阻态，维持晶闸管导通的最小维持晶闸管导通的最小阳极电流称为维持电流。阳极电流称为维持电流。反向击穿电压反向击穿电压-使晶闸管由反向阻断状态变为反向击穿反向击穿的最小电压晶闸管处于反向阻断晶闸管处于反向阻断/ /正向阻断时阳极漏电流很小正向阻断时阳极漏电流很小, ,相当于开路（近似为开关）相当于开路（近似为开关）2. 2. 动态特性测试动态特性测试- -开通和关断过程中阳极开通和关断过程中阳极电流、阳极与阴极间电电流、阳极与阴极间电压及晶闸管的损耗随时压及晶闸管的损耗随时间变化的特性间变化的特性

8、2. 动态特性动态特性延迟时间延迟时间上升时间上升时间反向阻断反向阻断恢复时间恢复时间正向阻断正向阻断恢复时间恢复时间开通时间：开通时间：tgt=td+tr关断时间：关断时间：tq=trr+tgr晶闸管的开通时间约为晶闸管的开通时间约为5uS,关断时间约为关断时间约为50100uS，这，这两个参数限制了晶闸管的开关工作频率。两个参数限制了晶闸管的开关工作频率。2.3.3 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数主要介绍阳极电压和电流参数、动态参数、门极参主要介绍阳极电压和电流参数、动态参数、门极参数、温度特性参数等数、温度特性参数等. .（P22P22） 1) 1) 电压定额电压定额2.3

9、.3 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数选用器件时，应使器件的额定电压为正常选用器件时，应使器件的额定电压为正常工作电压峰值的工作电压峰值的2 23 3倍倍。2. 2. 电流定额电流定额通态平均电流通态平均电流IT(A V) 是在是在环境温度为环境温度为+40+40度和规定冷却条件度和规定冷却条件下，带下，带电阻性负载时通过电阻性负载时通过工频正弦半波工频正弦半波电流，稳定结温不电流，稳定结温不超过额定值时的超过额定值时的最大平均电流值最大平均电流值。 按我国相关标准，取该参数的整数值标作器件的按我国相关标准，取该参数的整数值标作器件的额定电流额定电流。晶闸管的额定电流是以平均电流方

10、式定义的，晶闸管的额定电流是以平均电流方式定义的，但从发热方面来看，决定管子结温的是电流但从发热方面来看，决定管子结温的是电流有效值而不是电流平均值，因此实际应用中有效值而不是电流平均值，因此实际应用中应按应按电流有效值相等的原则电流有效值相等的原则选择晶闸管。选择晶闸管。2. 2. 电流定额电流定额通态平均电流通态平均电流IT(A V) 正弦半波电流平均值与有效值的关系正弦半波电流平均值与有效值的关系2. 2. 电流定额电流定额通态平均电流通态平均电流IT(A V) 电流有效值相等电流有效值相等的原则选择晶闸管的原则选择晶闸管在实际选用晶闸管时，还应留有在实际选用晶闸管时，还应留有一定的余量

11、。通常选择额定电流一定的余量。通常选择额定电流为正常工作值为正常工作值1.51.52 2倍的晶闸管。倍的晶闸管。 先计算实际有效值: 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几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，与结温有关。结温越高，则十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。越小。浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM： 晶闸管允许流过的最大正向过载峰值晶闸管允许流过的最大正向过载峰值 电流，用来设计保护电路。电流，用来设计保护电路。 擎住电流擎住电流 I IL L(=2-4I(=2-4IH H) ) 2. 2. 电流定额电流定额维持电流维持电流I IH H 指在额定结

12、温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从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率。断态到通态转换的外加电压最大上升率。指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。通态电流上升率。 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，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管损坏 。 (2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升

13、率时，相在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为结会有充电电流流过，被称为位移电流位移电流。此电流流经此电流流经J2结时，起到结时，起到类似门极触发电流的作用类似门极触发电流的作用。如果电。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压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有： 3. 3. 动态参数动态参数4. 4. 其它参数其它参数动态参数 -开通时间 -关断时间 门极定额参数

14、 -门极触发电流 -门极触发电压 温度特性参数 -额定结温 -结壳热阻 2.3.4 2.3.4 晶闸管的门极触发电路晶闸管的门极触发电路 对门极触发信号的要求是：对门极触发信号的要求是：1)1) 门极电流上升率：门极电流上升率：触发脉冲前沿要陡触发脉冲前沿要陡 2)2) 门极电流幅值：脉冲前沿较大的电流幅值可使器门极电流幅值：脉冲前沿较大的电流幅值可使器件更快的导通，减少开通损耗件更快的导通，减少开通损耗3) 3) 门极脉冲信号宽度：器件导通有一个过程，需要门极脉冲信号宽度：器件导通有一个过程，需要门极脉冲信号具有一定宽度门极脉冲信号具有一定宽度4) 4) 门极脉冲信号应不超过门极电压、电流、

15、功率等门极脉冲信号应不超过门极电压、电流、功率等最大限定值最大限定值5)5) 触发可靠，抗干扰能力强触发可靠，抗干扰能力强2.3.4 2.3.4 晶闸管的门极触发电路晶闸管的门极触发电路 电容电容C C的作用：在的作用：在T T刚导通时，刚导通时，C C上电压为零，上电压为零，V VD D全部加在全部加在T Tm m原边，原边，此后此后C C上电压上升，上电压上升，T Tm m原边电压原边电压将下降，这样副边输出一个前将下降，这样副边输出一个前沿幅值较高的脉冲波形。沿幅值较高的脉冲波形。 D3D3的作用：将关断时脉冲变压器的作用：将关断时脉冲变压器副边产生的负电压信号短路，防副边产生的负电压信

16、号短路，防止其损坏晶闸管门极。止其损坏晶闸管门极。D D1 1、R RD D的作用：的作用：T T关断时释放储存关断时释放储存在在T Tm m中的磁场能量，防止关断时中的磁场能量，防止关断时因脉冲变压器原边电感产生过高因脉冲变压器原边电感产生过高的反电势而击穿晶体管的反电势而击穿晶体管T T。 i iB B为控制电路给出的脉冲信号。为控制电路给出的脉冲信号。 i iB B大于大于0 0时时T T导通，电源电压导通，电源电压V VD D通通过脉冲变压器传递到副边触发过脉冲变压器传递到副边触发晶闸管导通。晶闸管导通。2.3.5 2.3.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件包括所有专为快速应用而设计

17、的晶闸管，有快包括所有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。速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及及d du u/d/dt t和和d di i/d/dt t耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管十微秒，高频晶闸管1010 s s左右。左右。1. 1. 快速晶闸管快速晶闸管（FST)FST)2.2.双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC）-比一比一对反

18、并联晶闸管更经济，且控制电路简单对反并联晶闸管更经济，且控制电路简单-通常采用负脉冲触发（正脉冲触发灵敏度较低）通常采用负脉冲触发（正脉冲触发灵敏度较低）-采用电流有效值作为额定电流参数采用电流有效值作为额定电流参数 -多用于交流调压、固态继电器等电路多用于交流调压、固态继电器等电路3. 3. 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCTReverse Conducting ThyristorRCT）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上. .优点：正向压降小、关断时间短、高温特性好优点：正向压降小、关断时间短

19、、高温特性好用于不需要阻断反向电压的电路用于不需要阻断反向电压的电路 4. 4. 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTTLight Triggered ThyristorLTT）光触发保证了主电路与控制电路之间绝缘，可避免电磁干扰光触发保证了主电路与控制电路之间绝缘，可避免电磁干扰影响，因此在高压大功率场合，如高压直流输电和高压核聚影响，因此在高压大功率场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要地位，变装置中，占据重要地位，利用利用8KV/3.5KA8KV/3.5KA光控晶闸管构成光控晶闸管构成300MV.A300MV.A容量的电力电子装置是目前

20、最大的电力电子装置。容量的电力电子装置是目前最大的电力电子装置。2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 可关断晶闸管可关断晶闸管GTOGTO 电力晶体管电力晶体管GTRGTR 功率场效应管功率场效应管MOSFETMOSFET 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT（MOSFETMOSFETGTRGTR） 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT（MOSFETMOSFETGTOGTO）2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件全控型器件全控型器件: :利用控制信号可控制开通与关断利用控制信号可控制开通与关断的器件的器件, ,通常也称为自关断器件。通常也称为自关断器件

21、。电流控制型电流控制型电流控制型器件从控制极注入或抽取电流信号来控制器件的开通或关断.如可关断晶闸管（GTOGTO）、集成门极换流晶闸管（IGCTIGCT）。主要特点：主要特点：控制功率较大、控制电路复杂、工作频率较低。电压控制型电压控制型通过在控制极建立电场提供电压信号实施器件的开通与关断控制.如功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）主要特点：主要特点：控制功率小、控制电路简单、工作频率较高。分类：分类：电流控制型电流控制型 电压控制型电压控制型2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO） 晶闸管的一种派生器件晶闸管

22、的一种派生器件 可通过在可通过在门极施加负的脉冲电流使其关断门极施加负的脉冲电流使其关断 GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，耐压耐流可达耐压耐流可达6KV6KV和和6KA6KA，因而在兆瓦级以上的，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用大功率场合仍有较多的应用1. GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构：结构：GTOGTO的结构示意图、等效电路与电气符号的结构示意图、等效电路与电气符号 -GTO-GTO的开通原理和普通晶闸管相同的开通原理和普通晶闸管相同-GTO-GTO能关断的关键是：能从门极抽取电能关断的关键是：能从门极抽取电

23、流改变二个晶体管的工作状态流改变二个晶体管的工作状态,GTO,GTO是从是从制造工艺上做到这点的。另外，制造工艺上做到这点的。另外，GTOGTO导通导通时饱和程度较浅。时饱和程度较浅。 GTO能从门能从门极抽取电流极抽取电流使双晶体管使双晶体管进入放大状进入放大状态态 而关断而关断2.4.12.4.1可关断晶闸管可关断晶闸管工作原理：工作原理： 临界饱和设计临界饱和设计： 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。当是器件临界导通的条件。当 1 1+ + 2 211时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当 1 1+ + 2 211时，不能维持饱和导通而关断。开通原理和时，不能维持饱和导通而关断。开通原理和SCRSCR一样。一样。 设计时设计时 2 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于GTOGTO关断。关断。iB2+ic2=ikic2=2ikik=iB2/(1- 2)=iAGTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：有如下区别： 设计设计 2 2较大较大，使晶体管，使晶体管V V2 2控控制灵敏制灵敏，易于，易于GTOGTO关断。关断。 导通时导通时 1 1+ + 2 2更接近更接近1(1( 1.051.05，普通晶闸管普通晶闸管 1 1+