晶闸管的工作原理与应用

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2021/5/911.1.1晶闸管及其工作原理1.1.2晶闸管的特性与主要参数

1.1.3晶闸管的派生器件

返回项目一认识晶闸管和单结晶体管2021/5/921.1、晶闸管

晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。普通晶闸管：也称可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),简称SCR。

由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域,成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。2021/5/931.1.1晶闸管及其工作原理图1.1.1晶闸管的外型及符号1、晶闸管的结构：2021/5/94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2021/5/952、晶闸管的工作原理图1.1.3晶闸管的内部结构和等效电路(1)导通：阳极施加正向电压;

门极G也加正向电压晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流。2021/5/96返回2021/5/971.3.2晶闸管的特性与主要参数定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。图1.3.4晶闸管阳极伏安特性

１.晶闸管的伏安特性：2021/5/982.晶闸管的开关特性1.3.5晶闸管的开通和关断过程波形2021/5/993.晶闸管的主要特性参数

1）正向重复峰值电压UDRM:2）反向重复峰值电压URRM:3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值,选用时，额定电压要留有一定裕量,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。（1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压Ute2021/5/910（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流IT(AV)

在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。1）定义：在环境温度为40℃和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载导通角不小于170°的单相工频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。2021/5/9112）IT(AV)计算方法：（1.3.3）（1.3.4）

根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。额定电流有效值为：额定电流(平均电流)为：正弦半波电流的峰值2021/5/912

（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT

在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。（4）通态平均电压UT(AV)

在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降)2021/5/913（5）维持电流ＩＨ

和掣住电流ＩL1）维持电流ＩＨ：在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH。2）掣住电流ＩL：给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。返回2021/5/9141.3.3晶闸管的派生器件

可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(FastSwitchingThyristor，简称FST)，开关频率在10KHZ

以上的称为高频晶闸管。快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。1.快速晶闸管(FastSwitchingThyristor—FST2021/5/915

有两个主电极T1和T2，一个门极G。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。图1.3.6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2.双向晶闸管(TRIAC)2021/5/9163.逆导晶闸管(RCT)4.光控晶闸管(LTT)1)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。2）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。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。返回2021/5/9171.4可关断晶闸管

可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。2021/5/918PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极图1.4.1GTO的内部结构和电气图形符号

(a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形(b)并联单元结构断面示意图

(c)电气图形符号1、可关断晶闸管的结构2021/5/9192、可关断晶闸管的工作原理

1）GTO的导通机理与SCR是相同的。

2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

2021/5/9203、可关断晶闸管的应用

GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。

不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联。

用门极正脉冲可使GTO开通，用门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的１/５左右。

GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。2021/5/9211.4.2可关断晶闸管的特性图1.4.2可关断晶闸管的开关特性

返回2021/5/9221.5、电力晶体管

电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效.20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。2021/5/923

深饱和区：类似于开关的通态。图1.5.3共发射极接法时GTR的输出特性1、GTR共射电路输出特性

输出特性：截止区(又叫阻断区)、线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。

截止区：类似于开关的断态；

线性放大区：

准饱和区：返回2021/5/9241.6电力场效应晶体管N沟道P沟道电力MOSFET耗尽型：增强型:耗尽型增强型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；对于N（P）沟道器件,栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道2021/5/9251、电力场效应管的结构图1.6.1N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号返回2021/5/926

1.7、绝缘栅双极型晶体管

IGBT：绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。2021/5/927（1）IGBT的伏安特性（如图a)

反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流Ic的关系。

IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。图1.7.2IGBT的伏安特性和转移特性1、IGBT的伏安特性和转移特性返回2021/5/9281.8、其它新型电力电子器件1.8.1静电感应晶体管1.8.2静电感应晶闸管1.8.3MOS控制晶闸管1.8.4集成门极换流晶闸管1.8.5功率模块与功率集成电路返回2021/5/9291.8.1静电感应晶体管（SIT）

它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的高频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。返回2021/5/9301.8.2静电感应晶闸管（SITH）

它自1972年开始研制并生产；优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小及耐量高等；

应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域；

缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；

返回2021/5/9311.8.3MOS控制晶闸管（MCT）

MCT自20世纪80年代末问世，已生产出300A/2000V、1000A/1000V的器件；结构：是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET；特点：耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；

返回2021/5/9321.8.4MOS控制晶闸管（IGCT/GCT）

20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，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；IGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优选功率器件之一。返回2021/5/9331.8.5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。可缩小装置体积，降低成本，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（PowerIntegratedCircuit——PIC）。返回2021/5/934

1.9、电力电子器件的驱动与保护（1）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断状态。（2）过流、过压保护：包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。（3）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压和过流，减小开关损耗。2021/5/935（4）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载的电力质量。

（5）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。

（6）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机、停机信号和保护信号。2021/5/9361.9.1电力电子器件的换流方式

在图1.9.1中，T1、T2表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，当T1关断，T2导通时，电流流过T2；当T2关断，T1导通时，电流i从T2转移到T1。图1.9.1桥臂的换流

电力半导体器件可以用切断或接通电流的开关表示。

定义：电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。2021/5/937（1）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流称为器件换流。（2）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换流。（3）负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载换流。凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可以实现负载换流。一般来说，换流方式可分为以下四种：2021/5/938（4）脉冲换流：设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。脉冲换流有脉冲电压换流和脉冲电流换流。2021/5/9391.9.2驱动电路

将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。驱动电路的基本任务：2021/5/940作用：产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。图1.9.4为基于脉冲变压器PT和三极管放大器的驱动电路。工作原理：当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器PT输出电压经D2输出脉冲电流触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，D1、DZ续流，PT的原边电压速降为零，防止变压器饱和。图1.9.4带隔离变压器的SCR驱动电路1．晶闸管SCR触发驱动电路2021/5/941图1.9.5光耦隔离的SCR驱动电路。工作原理：当控制系统发出驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中R上的电压产生脉冲电流触发SCR导通。图1.9.5光耦隔离的SCR驱动电路1．晶闸管SCR触发驱动电路2021/5/9422．GTO的驱动电路2021/5/9431)

作用:

将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。

2)功能:①提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断(期望的基极驱动电流波形如图1.9.7所示)。②实现主电路与控制电路的隔离。③具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。④电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。3．GTR的驱动电路

2021/5/944图1.9.8双电源驱动电路

图1.9.10UAA4002组成的GTR驱动电路2021/5/945

由于IGBT的输入特性几乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于VDMOS。图1.9.11采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路

图1.9.12推挽输出的栅极驱动电路

4．MOSFET和IGBT的驱动电路2021/5/946图1.9.13EXB8XX驱动模块框图

图1.9.14集成驱动器的应用电路

2021/5/9471.9.3保护电路

电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。2021/5/948措施：通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图1.9.16电力电子系统中常用的过流保护方案

1.过电流保护（过流包括过载和短路）2021/5/949过电压——外因过电压和内因过电压。外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。

(1)换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

(2)关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。2．过电压保护

2021/5/9502．过