半控型器件-晶闸管.ppt

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1、晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化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，开始被性能更好的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往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件,晶闸管的结构与工作原理,外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对

2、于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间,晶闸管的外形,小电流塑封式,小电流螺旋式,大电流螺旋式,大电流平板式,图形符号,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,普通晶闸管系列,晶闸管如何导通呢？,实验电路：,试验项目：1.只在AK端加正向电压EA2.再在GK端加正向电压EG3.断开GK端所加正向电压EG4.在AK端加反向电压EA,试验结论：导通条件：在 AK端承受正向电压，GK端也承受正向电压时，晶闸管导通，而且晶闸管一旦导通，门极就失去了控制作用，不论门极电压是正还是负，晶闸管保持导通。所以，在实

3、验中，我们发现，门极控制信号只需要一个脉冲即可。关断条件：如果在晶闸管导通后，AK端一直承受正向电压，则晶闸管持续导通，只有降低AK端正向电压，使通过晶闸管的电流降到一定数值以下，或去掉AK端的正向电压，或给AK端施加反向电压，晶闸管才会关断。,图1-7 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,Ic1=1 IA+ICBO1（1-1）Ic2=2 IK+ICBO2（1-2）IK=IA+IG（1-3）IA=Ic1+Ic2（1-4）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。由以上式（1-1）（1-4）可得：,（1-5

4、）,晶体管的特性是：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。所以IA=2 IG+ICBO1+ICBO2=ICBO1+ICBO2，流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通时（门极触发）：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，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,晶闸管的异常触发情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控

5、制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,晶闸管的基本特性,1.静态特性：,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,晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,1)正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流IG 幅值的增大，正向转折电压Ubo会越来越低。也就是说，在达到门极触发最低电流之前，IG 的增大会使正向电压变小，即晶闸管的正向耐

6、压降低，所以应采取门极触发的方式使晶闸管导通。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。,导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。但是若IA刚降到IH以下，并不能说明管子真正关断了，因为管子内的空穴和电子完全复合需要一定的时间。这时，若再次施加正向阳极电压，即使没有门极触发，管子也能再次导通。为保证晶闸管可靠、迅速关断，真正恢复正向阻断能力，通常在管子阳极电压降为零后，再施加一段时间的反向电压。,2)反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相

7、漏电流流过。当反向电压超过一定限度，达到反向击穿电压URO后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,晶闸管的门极伏安特性,晶闸管的门极触发电流是从门极流入 晶闸管，从阴极流出。阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。为保证可靠、安全的触发，门极触发电路所提供的触发电压、触发电流和功率都应限制在一个可靠的范围内。因为门极与阴极的PN结伏安特性在各晶闸管上很分散，无法找到一条典型的曲线代表，所以这一伏安特性只能画出一个大致的区域来表示。,门极伏安特性,说明:,OD线：极限低阻伏安特性OG线：极限高阻伏安特性OHIJO:不触发区ABCJIHA:不可靠触发区ADEFGCBA:可

8、靠触发区IFGM:门级正向峰值电流 UFGM:门级正向峰值电压PGM:瞬时最大功率PG:平均功率,注意：在设计门级触发电路时，门级所受的漏电压不应大于0.2V。一般情况下，可在晶闸管门级上加一个不大于5V的负偏压，即给门级加一反向电压。这样，可以避免误触发，提高抗干扰能力和正向阻断性能。这一负偏压不能太大，否则会使触发灵敏度降低，不利于器件快速导通，同时增加了门级的功耗。反向电压太高，也可能造成门级PN结的损坏。,典型的直接耦合式GTO驱动电路,在开关频率较高时，由于开关动作频繁，开通与关断的时间相对于开关过程变得不可忽略，其开通与关断时的动态损耗也就不能忽视，而是成为晶闸管发热的主要原因。,

9、2.动态特性,晶闸管的开通和关断过程波形,1)开通特性,晶闸管元件的开通过程,在门级受到理想阶跃电流后，阳极电流iA的增加不会是突变的必然有一个过程。延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr普通晶闸管延迟时为0.51.5s，上升时间为0.53s。,td 与tr也受阳极电压的影响，UAK越高，可使内部的正反馈机制加速，可显著缩短td 与tr,1)关断特性,晶闸管元件的关断过程,由于主电路中总带有感性负载，阳极电流iA在下降时有一个过渡过程。iA从导通电流

10、逐步下降到0，然后由电路漏感决定的di/dt在反方向建立恢复电流，经过最大值IRM后，再反方向衰减到0。在恢复电流快速衰减时，由于漏感作用，会使晶闸管两端出现反向尖峰电压URRM。之后才逐步恢复电压阻断能力。,关断时间：反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr

11、 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。关断时间tq与下列因素有关：正向电流的大小 反向电压的大小 结温的高低 再次施加正向电压的时间与上升率,晶闸管的导通与关断条件：导通条件：在 AK端承受正向电压，GK端也承受正向电压时，晶闸管导通，而且晶闸管一旦导通，门极就失去了控制作用，不论门极电压是正还是负，晶闸管保持导通。所以，在实验中，我们发现，门极控制信号只需要一个脉冲即可。关断条件：如果在晶闸管导通后，AK端一直承受正向电压，则晶闸管持续导通，只有降低AK端正向电压，使通过晶闸管的电流降到一定数值以下，或去掉AK端的正向电压，或给AK端施加反向电压，晶闸管才会关断。,晶闸管的主要参数,1.电压定额

12、,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。,1)断态重复峰值电压UDRM,2)断态不重复峰值电压UDSM,在雷击、短路时超过UDRM，但是还没有达到正向转折电压Ubo的这样一个电压，这个电压不能重复，较高频率的发生。,UDRM=UDSM90%,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，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23倍。,晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。,5)通态（峰值）电压UTM,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。,3)反向重复峰值电压UR

13、RM,4)反向不重复峰值电压URSM,2.电流定额,1)通态平均电流 IT(AV),晶闸管在环境温度为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。,2)维持电流 IH,使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。,3)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24倍。,4)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。,例题2：单相桥式电路,平均值：,有效值：,所

14、以：,/相同有效值下的等效平均值,3.门极定额,1)门极触发电流IGT,在室温下，阳极直流6V时，晶闸管从断到通所需的最小门极电流。,2)门极触发电压UGT,产生IGT所需的最小门极电压,以上两个值均为下限值，应用时应适当大于这两个值，当不能超过其峰值IFGM和UFGM。且两者之积也不能超过峰值功率PGM,最好在门极平均功率PG之下。,4.其他参数,器件正常工作时允许的最高PN结结温。在这个温度以下，一切特性均能保证。,1）额定结温,后两个参数属于动态参数,2)断态电压临界上升率du/dt,关断时，加在AK端的正向电压的变化速度。,du/dt有一个临界值，低于这一值，晶闸管正常工作，高于这一值

15、，有可能使晶闸管误导通。,3)通态电流临界上升率di/dt,晶闸管从断态转入通态时，电流的变化速度。,di/dt过大时，刚导通的晶闸管在门极周围会集中很大的电流，会造成局部过热，使晶闸管损坏。,在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。,晶闸管的派生器件,1.快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及

16、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，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。,高频晶闸管系列,使用时应注意：1.选用晶闸管时，不单要关断时间短，而且要求高频时的di/dt耐量高，且有一定裕量。2.高频晶闸管为了提高关断速度，硅片厚度较薄，所以其重复阻断电压不易很大。3.快速晶闸管的门极占据的面积增大，使阳极面积被压缩，使长期允许通过的电流受到限制，故不宜工作于低频。,2.双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirection

17、al triode thyristor）,双向晶闸管内部结构,伏安特性,触发方式,+触发：T1为正，T2为负；门极为正，T2为负。-触发：T1为正，T2为负；门极为负，T2为正。+触发：T1为负，T2为正；门极为正，T2为负。-触发：T1为负，T2为正；门极为负，T2为正。,常用触发 方式：+、-,双向晶闸管系列,KS系列双向可控硅元件，是一种具有双稳态特性的器件，可用作交流无触点开关，交流电机调速调光、调压、调温等设备中作为主要功率控制元件。,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。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性

18、。与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。,使用时应注意：,1.两个指标：A.额定通态电流 由于通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。如：200A（有效值）双向晶闸管 峰值为：IM=200sqrt(2)=283A 平均值为：Id=IM/=90A 所以：一个200A的双向晶闸管可代替两个90A的普通晶闸管。B.换向电流临界下降率di/dt及换流电压临界上升率du/dt,2.门极电路灵敏度比较低：触发脉冲需采用宽脉冲或脉冲序列，以使阳极电流上升至大于IL时脉冲才消失。3.管子关断时间tq较长4.要防

19、止双向晶闸管正、负半波工作的不对称5.当元件电流过零关断时，必须给电感线圈磁场能量一个泄放回路，以免过高的自感电势损坏元件。6.在电路中要在双向晶闸管的阳极与阴极之间加RC吸收回路，以限制过大的du/dt,主要参数与普通晶闸管基本一致。IT(RSM)：额定通态电流。其额定电流是用有效值定义的。,UDRM：断态重复峰值电压(额定电压)。应用时通常取两倍的裕量。,其它参数,断态电压临界上升率分级规定,换向电流临界下降率(di/dt)的规定,3.逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性,将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的

20、功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。,4.光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,光控晶闸管符号及等效电路,光控晶闸管的伏安特性,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。,小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。,大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。,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。,

21、晶闸管智能控制模块，内含自动调节电路、晶闸管和移相触发电路，具有对电力进行调节、自动控制的功能。广泛应用于直流电机调速、交流调压，工业加热调温，工业电气自动化，各类电气控制及各类用途的电源（电镀、调温、励磁、调光等）。,晶闸管智能模块,MT MD MF型电力半导体模块,MTC、MFC、MDC模块是晶闸管或整流管的管芯。采用塑料封装型式组合的模块器件，管芯与散热底板构缘，接线方式由端子和插片引出，因此其安装使用方便，接线简单，采用模块组成的各种整流电路。它具有线路排列美观，重量轻，体积小，对减少变流装置的整机结构和组合型式起了积极作用。,模块器件通过二只内组合的管芯选择变换可以形成全晶闸管或全整

22、流管。,KP型可控硅主要适用于电镀、电解、仪表以及轧钢机、扎管机、印染机、造纸机、橡胶塑料机等需要电气传动控制系统中，作为调节电压或电流的主要功率整流元件，也是各个部门中变流设备，电机励磁调速，调压，调频，调温等无触点开关及自动控制等方面。,KK型快速可控硅元件，适用于高中频逆变，脉冲调制，高速开关等自动控制系统，中频和高频电源装置，使用于热处理、冶炼、焊接等方面，也适用于快速充电，超声波电火花加工机床等设备的所需要的直流电源系统中，作为功率整流控制元件。,晶闸管的型号定义,晶闸管,P,K,通态平均电压组别,正反向重复峰值电压等级（额定电压）,额定通态平均电流系列（额定电流）,普通反向阻断型：

23、K-快速型 S-双向N-逆导型 G-可关断型,表示闸流特性,通态平均电流IT(AV)的大小分为15个系列：1 3 5 10 20 30 50 100 200 300 400 500 600 800 1000,额定电压的规定：1000V以下每100V一个等级1000V3000V每200V一个等级（用百位数或千位数及百位数表示电压等级）如：1800V 电压级数为18；800V电压级数为8,通态平均电压组别：100A以上元件以英文字母标出，100A以下不标A:UT(AV)0.4 B:0.4 UT(AV)0.5 C:0.5 UT(AV)0.6 D:0.6 UT(AV)0.7 E:0.7 UT(AV)0.8 F:0.8 UT(AV)0.9 G:0.9 UT(AV)1.0 H:1.0 UT(AV)1.1 I:1.1 UT(AV)1.2,如：KP100-12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V,管压降为1V的普通晶闸管,例：,调试如图所示的晶闸管电路，在断开负载Rd测量输出电压Ud是否正确可调时，发现电压表读数极不正常，接上Rd后一切正常，请分析为什么？,例题,如图，阳极电流为交流电压，门极在t1瞬间合上开关Q，t4时刻开关Q断开，求电阻上的电压波形ud。,t,t,t,