電力電子技術(shù)-第1章b

1、1.3 晶閘管,晶閘管（Thyristor）就是硅晶體閘流管，也稱為可控硅（SCR）。晶閘管是一種具有開關(guān)作用的半導(dǎo)體器件，工作可靠，在大容量場合具有重要地位。目前，晶閘管的容量水平已達8kV/6kA。,小電流塑封式,小電流螺栓式,大電流平板式,1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理1. 晶閘管的外形,大電流螺栓式,2. 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線（A、K、G）的器件。,,合S，IG≠0,3. 晶閘管的

2、工作原理,欲使晶閘管導(dǎo)通須具備兩個條件：應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓。應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加正向電壓和電流。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實現(xiàn)。,→Ib2,→Ic2(Ib1),→Ic1,↑,↑,↑,,1.3.2 晶閘管的特性和主要參數(shù),1. 晶閘管的特性（1）晶閘管的伏安特性當IG=0時，

3、UAK>0，處于阻斷狀態(tài)，漏電流很??；當UAK≥正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時，IA急劇↑，開通， UAK≈1V； IG越大，電壓轉(zhuǎn)折值越?。蝗鬒G→0，且IA↓至≤IH（維持電流），則回到正向阻斷狀態(tài)；當UAK<0，處于反向阻斷狀態(tài)，反向漏電流很??；若|UAK|≥|反向擊穿電壓|，反向漏電流急劇↑，雪崩擊穿，甚至熱擊穿。,IG2>IG1>IG,反向重復(fù)峰值電壓,反向不重復(fù)峰值電壓,斷態(tài)重復(fù)峰值電壓,由于實際產(chǎn)品

4、的門極伏安特性分散性很大，常以一條典型的極限低阻門極伏安特性O(shè)D和一條極限高阻門極伏安特性O(shè)G之間的區(qū)域來代表所有器件的伏安特性。OABCO為不可靠觸發(fā)區(qū)，ADEFGCBA（陰影）為可靠觸發(fā)區(qū)。其中， PG為門極允許的最大平均功率。,（2）晶閘管的門極伏安特性門極伏安特性是指門、陰極間PN結(jié)的正向門極電壓UG (UGK)與門極電流IG之間的關(guān)系。,（3）晶閘管的開關(guān)特性,,開通過程 開通時間ton包括延遲時間td與上升時間tr，

5、即ton=td+ tr。延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。上升時間tr：陽極電流從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%的時間。普通晶閘管延遲時間為0.5~1.5?s，上升時間為0.5~3?s。關(guān)斷過程關(guān)斷時間toff包括反向阻斷恢復(fù)時間trr與正向阻斷恢復(fù)時間tgr，即toff=trr+tgr。反向阻斷恢復(fù)時間trr：從正向電流降為零到反向恢復(fù)電流減為零的時間。正向阻斷恢復(fù)時間tgr：從恢復(fù)反

6、向阻斷能力開始到恢復(fù)正向阻斷能力的時間。普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。,,2. 晶閘管的主要參數(shù)(1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM—— 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。(3)額定電壓UTN——斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的那個數(shù)值標作器件型號上的額定電壓。在電路中，晶閘管的

7、額定電壓可以取正常工作時所承受的峰值電壓，考慮安全裕量，一般取該峰值電壓的2～3倍為額定電壓。,該正弦半波電流的平均值IT(AV)和有效值IT分別為： 那么 ，Kf為波形系數(shù)。實際應(yīng)用中，用有效值相等原則選晶閘管的電流定額，并留安全裕量。一般取計算值的1.5～2倍為額定電流。,(4) 額定電流IT(AV)——在環(huán)境溫度為+40℃和規(guī)定冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允

8、許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值，也稱通態(tài)平均電流。,[例1-1]兩個不同的電流波形（陰影斜線部分）如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A，試計算各波形下晶閘管的電流平均值Id1、Id2，電流有效值I1、I2。,解：,(5) 維持電流 IH——維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 IH一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。(6) 擎住電流 IL——剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。通常，IL≈(2~

9、4)IH 。(7) 門極觸發(fā)電流IGT——在室溫且陽極電壓為DC6V時，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。(8) 門極觸發(fā)電壓UGT——對應(yīng)于IGT時的門極觸發(fā)電壓。(9)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt——在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。(10)通態(tài)電流臨界上升率di/dt——在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。,1.3.3 晶閘管的門極驅(qū)動

10、電路和緩沖電路,1. 晶閘管的門極驅(qū)動電路（觸發(fā)電路）(1) 晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求①為了減小門極的損耗，觸發(fā)信號常采用脈沖形式。②觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率。③觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)能滿足變換器的要求。④觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度、幅度和陡度。⑤應(yīng)有良好的抗干擾性、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。(2) 觸發(fā)電路的形式可分為模擬式和數(shù)字式兩種。阻容移相橋、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、鋸齒波移相電路和正弦波移相電路均屬于模擬式觸發(fā)電

11、路；用數(shù)字邏輯電路甚至微處理器控制的移相電路則屬于數(shù)字式觸發(fā)電路。,2. 晶閘管的緩沖電路常采用在晶閘管的陰陽極并聯(lián)RC緩沖器，用來防止晶閘管兩端過大的du/dt造成晶閘管的誤觸發(fā)（斷態(tài)電壓臨界上升率） ，其中電阻R能減小晶閘管開通時電容C的放電電流（通態(tài)電流臨界上升率）。,1.3.4 晶閘管的派生器件,1. 快速晶閘管（Fast Switching Thyristor——FST）快速晶閘管的關(guān)斷時間≤50µs，常在

12、較高頻率（400HZ）的整流、逆變和變頻等電路中使用，它的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同。目前國內(nèi)已能提供最大平均電流1200A、最高斷態(tài)電壓1500 V的快速晶閘管系列，關(guān)斷時間與陽極電壓有關(guān)，約為25µs～50µs 。,2. 雙向晶閘管（Bidirectional Thyrister）雙向晶閘管相當于一對反并聯(lián)的普通晶閘管，在主電極的正、反兩個方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。雙向晶閘管在第I和第II

13、I象限有對稱的伏安特性。,3. 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）逆導(dǎo)晶閘管是將二極管與晶閘管反并聯(lián)而成的集成元件。承受正向電壓：相當于晶閘管的陽極為正承受反向電壓：相當于二極管的陽極為正,4. 光控晶閘管（Light Triggered Thyristor——LTT）光控晶閘管是利用一定波長的光照信號控制的開關(guān)器件。只有陽極和陰極兩個端子大功率的還帶有光纜，光纜上裝發(fā)光源,[作