晶闸管习题课

1、2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2 2）双向晶双向晶闸管闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）图2-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安

2、特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3) 逆导晶闸管逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图2-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性将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

3、、额定结温高等优点。2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件4) 光控晶闸光控晶闸管（管（Light Triggered Thyristor）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图2-12 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。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。2.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。一个MCT器件由数

4、以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通正常导通型型器件，使

5、用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。SIT（Static Induction Transistor）结型场效应晶体管2.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITHSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（Static Induction Thyristor）场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFC

6、T）2.5.4 集成门极换流晶闸集成门极换流晶闸管管IGCTIGCT20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件基于宽禁带半导体材料的电力电子器件硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV），而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右及

7、以上的半导体材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压耐受高电压的能力、低低得多的通态通态电阻电阻、更好的导热性能更好的导热性能和和热稳定性热稳定性以及更强的耐受高温和更强的耐受高温和射线辐射的能力射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。 2.5.6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本

8、，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。基本概念基本概念2.5.6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块智能功率模块（Intelli

9、gent Power ModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。实际应用电路实际应用电路2.5. 6 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。发展现状发展现状图电力电子器件分类“树” 本章小结本章小结主要内容主要内容全面介绍各种主要电力电子器件的基本结

10、构、工作原理、基本特性和主要参数等。电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳单极型单极型：电力MOSFET和SIT双极型双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH 复合型复合型：IGBT和MCT 本章小结本章小结 特点特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动型电流驱动型：双极型器件中除SITH外 特点特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。 电压驱动型电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH 按控制信号的波形按控制信号的波形 电平控制型器件 电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如

11、GTR） 脉冲触发型器件 部分电流驱动型器件（如晶闸管和GTO）本章小结本章小结电力电子器件的现状和发展趋势电力电子器件的现状和发展趋势 20世纪世纪90年代中期以来，逐渐形成了年代中期以来，逐渐形成了小功率小功率（10kW以下）以下）场合以场合以电力电力MOSFET为主，为主，中、大中、大功率功率场合以场合以IGBT为主的压倒性局面，在为主的压倒性局面，在10MVA以以上或者数千伏以上上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关的应用场合，如果不需要自关断能力，那么断能力，那么晶闸管晶闸管仍然是目前的首选器件仍然是目前的首选器件 。 电力电力MOSFET和和IGBT中的技术创新仍然在继中的技术

12、创新仍然在继续，续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域领域 。 宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料 。 习题2.1晶闸管的导通条件是什么晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定电流和负载上的电压由什么决定?答：1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压，UAK0 2）晶闸管门极和阴极之间必须施加适当的正向脉冲电 压和电流， UGK0 导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗负载阻抗决定，负载上

13、电压由输入阳极电压UA决定。2.2晶闸管的关断条件是什么晶闸管的关断条件是什么?如何实现如何实现?晶闸管晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：只需将流过晶闸管的电流减小到只需将流过晶闸管的电流减小到其维持电流以下其维持电流以下u阳极电压反向阳极电压反向u减小阳极电压减小阳极电压u增大回路阻抗增大回路阻抗其两端电压大小由电源电压UA决定。 习题 2.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？晶闸管的非正常导通方式有哪几种？ 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率d

14、u/dt过高过高 结温结温较高较高 2.5请简述晶闸管的关断时间定义。请简述晶闸管的关断时间定义。 答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即 。grrrqttt 2.6试说明晶闸管有哪些派生器件？试说明晶闸管有哪些派生器件？ 答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。 2.7请简述光控晶闸管的有关特征。请简述光控晶闸管的有关特征。 答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。 习题 2.8型号为型号为KP100-3，维持电流，维

15、持电流IH=4mA的晶闸的晶闸管，使用在图题管，使用在图题2.8所示电路中是否合理，为什所示电路中是否合理，为什么么?(暂不考虑电压电流裕量暂不考虑电压电流裕量) 图题图题2.8 习题答：（答：（a）因为）因为 所以不合理。所以不合理。(b) 因为因为 , KP100的电流额定值为的电流额定值为100，裕量达倍，太大了。，裕量达倍，太大了。（c）因为）因为 大于额定值，所以不合理。大于额定值，所以不合理。HAImAKVI250100AVIA2010200AVIA1501150 习题 2.9 图题图题2.9中实线部分表示流过晶闸管的中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为电流波形，其最大

16、值均为Im，试计算各，试计算各图的电流平均值电流有效值和波形系图的电流平均值电流有效值和波形系数。如不考虑安全裕量，问额定电流数。如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少是多少? 习题 习题 习题 习题 2.11某晶闸管型号规格为某晶闸管型号规格为KP200-8D，试，试问型号规格代表什么意义问型号规格代表什么意义? 解：解：KP代表普通型晶闸管，代表普通型晶闸管，200代表其代表其晶闸管的晶闸管的额定电流为额定电流为200A，8代表晶闸管代表晶闸管的的正反向峰值电压为正反向峰值电压为800V，D代表通态代表通态平均压降为平均压降为

17、 。VUVT7 . 06 . 0 习题 2.12如图题如图题2.12所示，试画出负载所示，试画出负载Rd上的电压波形上的电压波形(不考虑管子的导通压降不考虑管子的导通压降)。 习题 习题d部分课后习题解答 4、图图2-27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为各波形的电流最大值均为Im , 试计算各波形的电流平均值试计算各波形的电流平均值Id1,Id2,Id3与电流有效值与电流有效值I1，I2，I3。部分课后习题解答Im2717. 0) 122(2Im)(sinIm2141tIdIm4767. 021432Im)()sin(I

18、m21421tdtI解:a)部分课后习题解答Im5434. 0) 122(2Im)(sinIm142td tIdIm6741. 021432Im2)()sin(Im1422tdtI解:b)部分课后习题解答解:c)203Im41)(Im21tdIdIm21)(Im212023tdI部分课后习题解答5、上题中如果不考虑安全裕量、上题中如果不考虑安全裕量,问问100A的晶的晶闸管能送出的平均电流闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多各为多少少?这时这时,相应的电流最大值相应的电流最大值Im1,Im2,Im3各为各为多少多少?解:额定电流IT(AV)=100A的晶闸管,允许的电流有效值IT=157A,由上题计算结果知部分课后习题解答Im2717. 0) 122(2Im)(sinIm2141tIdIm4767. 021432Im)()sin(Im21421tdtI解:a)AIIT