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(chēng)為可控硅（SCR）。晶閘管是一種具有開(kāi)關(guān)作用的半導(dǎo)體器件，工作可靠，在大容量場(chǎng)合具有重要地位。目前，晶閘管的容量水平已達(dá)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(xiàn)（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(gè)條件：應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓。應(yīng)在晶閘管的門(mén)極與陰極之間也加正向電壓和電流。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)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(yáng)極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)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(dāng)IG=0時(shí)，

3、UAK>0，處于阻斷狀態(tài)，漏電流很小；當(dāng)UAK≥正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時(shí)，IA急劇↑，開(kāi)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(dāng)UAK<0，處于反向阻斷狀態(tài)，反向漏電流很?。蝗魘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(shí)際產(chǎn)品

4、的門(mén)極伏安特性分散性很大，常以一條典型的極限低阻門(mén)極伏安特性O(shè)D和一條極限高阻門(mén)極伏安特性O(shè)G之間的區(qū)域來(lái)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(mén)極允許的最大平均功率。,（2）晶閘管的門(mén)極伏安特性門(mén)極伏安特性是指門(mén)、陰極間PN結(jié)的正向門(mén)極電壓UG (UGK)與門(mén)極電流IG之間的關(guān)系。,（3）晶閘管的開(kāi)關(guān)特性,,開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通時(shí)間ton包括延遲時(shí)間td與上升時(shí)間tr，

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

6、向阻斷能力開(kāi)始到恢復(fù)正向阻斷能力的時(shí)間。普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)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(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，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(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，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(gè)數(shù)值標(biāo)作器件型號(hào)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(shí)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(shí)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(jì)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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允

8、許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值，也稱(chēng)通態(tài)平均電流。,[例1-1]兩個(gè)不同的電流波形（陰影斜線(xiàn)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(jì)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——?jiǎng)倧臄鄳B(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。通常，IL≈(2~

9、4)IH 。(7) 門(mén)極觸發(fā)電流IGT——在室溫且陽(yáng)極電壓為DC6V時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全開(kāi)通所必需的最小門(mén)極直流電流。(8) 門(mén)極觸發(fā)電壓UGT——對(duì)應(yīng)于IGT時(shí)的門(mén)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(mén)極開(kāi)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(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。,1.3.3 晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)

10、電路和緩沖電路,1. 晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路（觸發(fā)電路）(1) 晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的基本要求①為了減小門(mén)極的損耗，觸發(fā)信號(hào)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(mǎn)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(yáng)極并聯(lián)RC緩沖器，用來(lái)防止晶閘管兩端過(guò)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(kāi)通時(shí)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(shí)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(guó)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(shí)間與陽(yáng)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(dāng)于一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管，在主電極的正、反兩個(gè)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(duì)稱(chēng)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(dāng)于晶閘管的陽(yáng)極為正承受反向電壓：相當(dāng)于二極管的陽(yáng)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(zhǎng)的光照信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)器件。只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子大功率的還帶有光纜，光纜上裝發(fā)光源,[作