功率二極管晶閘管以及單相相控整流電路

功率二極管晶閘管以及單相相控整流電路第1頁/共24頁第三節(jié)半控器件—晶閘管(Thyristor)概述晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代20世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型——普通晶閘管廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件1.結(jié)構(gòu)與工作原理

２.基本特性

３.主要參數(shù)

４.派生器件第2頁/共24頁1.晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間

晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號第3頁/共24頁

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理Ic1=1IA+ICBO1

（1-1）Ic2=2IK+ICBO2

（1-2）

IK=IA+IG

（1-3）

IA=Ic1+Ic2

（1-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。IG---IB2---IC2=IB1

---IC1

第4頁/共24頁阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。

晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下是很小的,而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。第5頁/共24頁只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）di/dt過大第6頁/共24頁２.晶閘管的基本特性

靜態(tài)特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下

晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG第III象限的是反向特性第I象限的是正向特性Avalanchebreakdown第7頁/共24頁IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿晶閘管本身的壓降很小，在1V左右導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。Holdingcurrent第8頁/共24頁晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性

晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。第9頁/共24頁動態(tài)特性

晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形1)開通過程延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%時(shí)間上升時(shí)間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間開通時(shí)間tgt以上兩者之和，

tgt=td+tr

（1-6）普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5~1.5s，上升時(shí)間為0.5~3s門極電流陽極電壓第10頁/共24頁2)關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)▽?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。延遲時(shí)間為0.5~1.5s上升時(shí)間為0.5~3s第11頁/共24頁３.晶閘管的主要參數(shù)（１）電壓定額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(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)

通態(tài)（峰值）電壓UTM——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍第12頁/共24頁（２）電流定額1)

通態(tài)平均電流IT(AV)--額定電流晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍2)

維持電流IH—使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小3)

擎住電流IL--晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍4)

浪涌電流ITSM--指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)第13頁/共24頁平均值有效值波形系數(shù)額定值ITa=100A有效值I=157AiImIda02t第14頁/共24頁iImIda0/22t平均值有效值平均值額定值ITa=100A有效值Ia=157A最大值第15頁/共24頁（３）動態(tài)參數(shù)除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：(1)

斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

指在額定結(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在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通(2)

通態(tài)電流臨界上升率di/dt

指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞第16頁/共24頁４.晶閘管的派生器件1.）快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)第17頁/共24頁晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（TriodeACSwitch--TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）

電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SolidStateRelay——SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。第18頁/共24頁3.）逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流

電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性第19頁/共24頁4.）光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個(gè)端子大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位第20頁/共24頁

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷第21頁/共24頁

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