第一章晶闸管

电力电子技术—晶闸管南航电力电子课程组晶闸管·引言1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司（GeneralElectricCompany）开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化(16A/300V)。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20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（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）晶闸管(Thyrister)功率等级:

几KA/几KV新品种:

快速,双向,可关断,光激发特点: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:整流,逆变(尤其在大功率场合)，

第一节晶闸管的结构和工作原理一．晶闸管的结构符号：阳极A，阴极K，门极G（控制极）第一节晶闸管的结构和工作原理螺栓形：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第一节晶闸管的结构和工作原理平板形：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．晶闸管的结构晶闸管的内部管芯结构：基本材料:硅单晶体四层三端器件(P1N1P2N2）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开关实验实验说明（P7）实验页面链接:二．晶闸管导通关断条件结论：1导通条件：UAK>0ANDUGK>0(iG>0适当值)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！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。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。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。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（P7)：只能控制导通，不能控制关断----半控三．晶闸管的工作原理从内部结构分析单向导通的工作原理四层三端器件（P1N1P2N2）三个PN结J1,J2,J3:UAK>0时，J1,J3正偏,J2反偏（正向阻断状态）

UAK<0时，J1,J3反偏,J2正偏（反向阻断状态）

晶闸管内部管芯结构图

双晶体管模型晶闸管的工作原理导通的正反馈过程：

半控特性：一旦导通，UGK可有可无

IgIb2

Ic2(Ib1)

Ic1正反馈！三极管知识回顾参考：模拟电子教材P36三极管电气符号三极管的三个电极：发射极、集电极、基极共基极电路共基极电流放大倍数：发射区注入电子传输到集电结所占的百分比是一定的，这个百分比用α表示，称为共基极电流放大系数：

晶闸管的结构与工作原理(P8)式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流，Ico为J2结的反向漏电流：图晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理

按晶体管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）晶闸管的工作原理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。晶闸管的结构与工作原理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。

阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的电流近似为J2结反向漏电流。开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，IA会急剧上升，晶闸管由正阻断状态转为正向导道状态，电流大小仅处决于外部主回路晶闸管的伏安特性

第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性图1-8晶闸管的伏安特性第二节晶闸管的特性和主要参数一、晶闸管的伏安特性（1）正向伏安特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。(雪崩击穿/非正常导通)正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG第二节晶闸管的特性和主要参数（1）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<IH时关断正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM一、晶闸管的伏安特性第二节晶闸管的特性和主要参数晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性二、晶闸管的主要参数断态重复峰值电压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断态不重复峰值电压UDSM ——在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的正向峰值电压1）电压参数第二节晶闸管的特性和主要参数Ig=0,TJ=TJM,50hz不大于10ms/次UDSM<UBO

UDRM=80%UDSM二、晶闸管的主要参数反向重复峰值电压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。反向不重复峰值电压URSM——在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的反向峰值电压。1）电压参数第二节晶闸管的特性和主要参数Ig=0,TJ=TJM,50hz不大于10ms/次

URRM=80%URSMUDSM—断态不重复峰值电压UDRM—断态重复峰值电压URSM—反向不重复峰值电压URRM—反向重复峰值电压额定电压：min(UDRMURRM)取整通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍使用注意：第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数1）电压参数UON—通态平均电压（管压降）：通过正弦半波的额定通态平均电流和额定结温时，A-K电压降平均值

晶闸管－－－电流参数！ITav—通态平均电流（额定电流）：

允许通过的工频正弦半波电流的平均值（按系列取整）（环境温度+40度和规定的冷却条件下导通角不小于170度阻性负载电路）之所以通态平均电流来标定是因为整流电路输出端常用平均电流来表征决定晶闸管的最大电流->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）有效值与平均值的定义

可根据平均值、有效值的定义来求出。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：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●ITav—通态平均电流（额定电流）正弦半波的波形系数定义波形系数：波形系数Kf有效值/平均值如果额定电流为100A的晶闸管其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A非正弦波形的电流额定值计算！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对于这些波形，应根据电流有效值相等即发热相同的原则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1．5—2倍的安全裕量例题

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?第二节晶闸管的特性和主要参数

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=(1.5~2)IT/1.57=(1.5~2)

KfId/1.57公式折算含义！IT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晶闸管的主要参数通态平均电流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。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。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2~4倍。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）电流定额元件主要参数表格说明第一位：P10T：表示通态D：表示断态R：表示反向第二位：R：表示反复S：表示不重复最后一位：M：表示最大值。元件门极参数表格说明第一位：P11G：表示门极特性第二位：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最后一位：M：表示最大值。第二节晶闸管的特性和主要参数3）动态参数●du/dt---断态电压临界上升率条件：额定结温，门极开路使SCR保持断态所能承受的最大电压上升率

超过会误导通：

J2结电容效应---位移电流限制方法：在SCRA-K两端并RC(防止截止期间误导通)第二节晶闸管的特性和主要参数3）动态参数●di/dt---通态电流临界上升率在规定条件下，SCR门极触发开通时，SCR能承受的不会导致损坏的通态电流最大上升率di/dt超过会引起过热损坏：电流集中！限制方法：

在阳极电路串一小电感；快速上升的强触发脉冲可提高di/dt承受能力第二节晶闸管的特性和主要参数3）动态参数●tON---门极控制开通时间

tON=td(延时)+tr(上升)第二节晶闸管的特性和主要参数3）动态参数●tOF---电路换向关断时间

tOF=trr(反向恢复)+tgr(门极恢复) SCR承受反压时间必须大于ToF2.动态特性晶闸管的开通和关断过程波形第二节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门极伏安特性：UGK--Ig关系。与二极管相似三个区：不触发区：0---UGD—IGDUGD—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学习要求！了解掌握晶闸管的：电工符号，三个极名称；内部结构构成及工作原理；基本特性；开通和关断条件主要参数；额定电流门极可靠触发区选取

选择和使用中应注意的一些问题晶闸管的选取方法！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；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。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。课堂练习型号为KP-100-3的晶闸管，其额定电压为300V，额定电流为100A，维持电流为4mA,掣住电流为15mA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R，则灯泡逐渐变暗，最后熄灭，则熄灭前电流表读数约

；将电阻R调小，重新给T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，则熄灭前电流表的最大读数应小于

。题解1.11．1晶闸管导通的条件是什么?怎样使晶闸管由导通变为关断?

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。

(2)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。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，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。题解1.21-2型号KP-100-3（ITav=100A,额定电压300V）的晶闸管，维持电流IH=4mA,使用在以下电路中是否合适？1-3在题图1-3电路中，E=50V，R=0.5Ω，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1.41-4在图b