晶闸管最终版 精品.doc

晶闸管一、晶闸管基础知识晶闸管（Thyristor）：别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一种大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。应用领域：整流（交流 直流） 逆变（直流 交流）变频（交流 交流） 斩波（直流 直流）此外还可作无触点开关等。1、工作原理可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元 件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图1所示图1 可控硅等效图解图当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极 G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=2ib2。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以 ib1=ic2。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=1ib1=12ib2。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反 馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的 电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定 的条件才能转化，此条件见表1表1 可控硅导通和关断条件状 态条 件说 明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位2、控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位2、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位2、阳极电流小于维持电流任一条件即可 2、基本伏安特性可控硅的基本伏安特性见图2图2 可控硅基本伏安特性 2.1反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图3），J2结正偏，但J1、J2 结反偏。此时只能流过很小的反向饱和电流，当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后，接差J3结也击穿，电流迅速增加，图3的特性开始弯曲，如特性OR 段所示，弯曲处的电压URO叫“反向转折电压”。此时，可控硅会发生永久性反向击穿。图3 阳极加反向电压2.2正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图4），J1、J3结正偏，但 J2结反偏，这与普通PN结的反向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图3的特性发生了弯曲，如特性OA段所示，弯曲处的是 UBO叫：正向转折电压 图4 阳极加正向电压由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后，J2结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子时入N1区，空穴时 入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合，同样，进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿，进 入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉，这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下 降，J2结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图3的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态-通态，此时，它的特性与普通的PN结正向特性相 似，见图2中的BC段3、触发导通在控制极G上加入正向电压时（见图5）因J3正偏，P2区的空穴时入N2 区，N2区的电子进入P2区，形成触发电流IGT。在可控硅的内部正反馈作用（见图2）的基础上，加上IGT的作用，使可控硅提前导通，导致图3的伏安特 性OA段左移，IGT越大，特性左移越快。图5 阳极和控制极均加正向电压 4、主要参数4.1.电压额定1) 断态重复峰值电压UDRM 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,一般为正向折电压的80。 2) 反向重复峰值电压URRM 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，一般为反向击穿电压的80 。3) 通态（峰值）电压UTM 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（一般为2V）。 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2,3倍。4.2. 额定电流通态平均电流（额定电流） 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连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管额定电流。实际使用时应留一定的裕量，一般取1.5到2倍。对于一只额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值应该为157A（考虑正弦半波波形系数）。4.3、动态参数（1）晶闸管的开通时间tgt与关断时间 tq 开通与关断时间的含义如前所述 （2）断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到 通态转换的外加电压最大上升率。（2）通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电 流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有 很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热 而使晶闸管损坏。二、典型可控整流电路以下以最常用的单相桥式全控整流电路和三相桥式全控整流电路对晶闸管整流电路做一简单介绍。1、单相桥式全控整流电路单相整流电路中应用较多的a：带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析见图6：VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 数量关系：角的移相范围为180。图6 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形b：带阻感负载的工作情况为便于讨论，假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。至t=+ 时刻，给VT2和VT3加触发脉冲，因VT2和VT3本已承受正电压，故两管导通。VT2和VT3导通后，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。晶闸管移相范围为90。晶闸管承受的最大正反向电压均为 。晶闸管导通角与无关，均为180。变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值I2=Id。图7 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形c 带反电动势负载时的工作情况在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，导通之后，ud=u2， ，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。 图8 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。如图8- b)图所示id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。与此对应，若id波形不出现为0的点的情况，称为电流连续。当触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出： 2、三相桥式全控整流电路应用最为广泛，共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）编号：1、3、5，4、6、2图9 三相桥式全控整流电路原理图a 带电阻负载时的工作情况 =0时的情况假设将电路中的晶闸管换作二极管进行分析对于共阴极阻的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最大的一个导通对于共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的导通任意时刻共阳极组和共阴极组中各有1个晶闸管处于导通状态从相电压波形看，共阴极组晶闸管导通时，ud1为相电压的正包络线，共阳极组导通时，ud2为相电压的负包络线，ud=ud1 - ud2是两者的差值，为线电压在正半周的包络线直接从线电压波形看， ud为线电压中最大的一个，因此ud波形为线电压的包络线。 三相桥式全控整流电路的特点：（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。表1 三相桥式全控整流电路电阻负载a=0时晶闸管工作情况时 段III IIIIV V VI共阴极组中导通的晶闸管VT1 VT1 VT3 VT3VT5 VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2 VT2VT4 VT4VT6整流输出电压Ud Ua-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb图10 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =0时的波形（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发另一种方法是双脉冲触发（常用）。（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同 a=30时的工作情况从wt1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合表1的规律区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处于通态的120期间，ia为正，ia波形的形状与同时段的ud波形相同，在VT4处于通态的120期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负值。a=60时工作情况ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。a=60时ud出现为零的点。图11 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =30时的波形小结当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值。带电阻负载时三相桥式全控整流电路a 角的移相范围是120图12三相桥式全控整流电路带电阻负载a =60时的波形b 阻感负载时的工作情况a60时，ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样区别在于：由于负载不同，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。 a 60时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a 角移相范围为90。图13 三相桥式全控整流电路带电阻负载a =90时的波形c:定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 Id=Ud /R当整流变压器为图9中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：图14三相桥式整流电路带阻感负载，a =30时的波形晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值图15 三相桥式全控整流电路带阻感负载a =90时的波形。三、典型相控整流电路的驱动控制相控电路晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小来控制输出电压大小。交流电力变换电路和交交变频电路也采用晶闸管相控方式。相控电路的驱动控制为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲-同步触发电路。1、晶闸管对可控整流电路的要求1.1、触发信号形式交流、直流和脉冲。为减小门极损耗，一般为脉冲形式。1.2、触发脉冲应有足够功率（电压、电流）1.3、触发脉冲宽度一般为 （m为整流器的相数），但为减小门极功耗，一般宜采用较窄脉冲。触发脉冲最小宽度主要保证触发脉冲作用期间，晶闸管阳极电流能上升到擎住电流值上。综合考虑阳极电流断续、开通时间、串并联保护等因素，触发脉冲最小宽度约为：1015。款脉冲：特点：1）脉冲变压器体积大；2）脉冲前沿不陡；3）较大时，晶闸管承受反压时，门极仍有脉冲，反向漏电流增加，损耗大。窄脉冲：特点：1）脉冲变压器体积小；2）多只晶闸管并联，在窄脉冲作用时间内可能某些管子不能开通，引起其他元件过载，可靠性差；3）较大时，负载电流很小时，阳极电流易断续，变流器可靠性差。1.4、强触发作用：1）脉冲前沿越陡，导通面积扩展速度越快；2）晶闸管串并联时，保证晶闸管同时开通。 强触发形式：Ikm通常为Ik1的5倍。t1：脉冲前沿时间，上升速度0.5A/us;t2：强触发脉冲宽度50us;t3：触发脉冲持续时间550us(10)。 常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路 由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。 当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。 VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。 为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。 2、晶闸管触发电路的分类21、由分立元件构成的触发器1）同步电压为正弦波的触发电路；2）同步电压为锯齿波的触发电路；3）单结晶体管触发电路。2.2、由集成电路构成的触发器1）TC787-三相，TC785-单相；2）KC系列。3）数字触发器等。2.3、由可编程逻辑器件、微处理器、微控制器等构成的触发器 如DSP、单片机、FPGA等3、同步电压为锯齿波的触发电路输出：窄脉冲（可以是双窄脉冲）；主要环节：同步，锯齿波形成与移相， 脉冲形成与放大，双窄脉冲，强触发。同步信号为锯齿波的触发电路结构电网电压同步环节锯齿波形成脉冲形成双窄脉冲放大控制信号同步信号为锯齿波的触发电路工作波形3.1同步环节 触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。-同步变压器（起隔离和同步作用） 3.2锯齿波的形成和脉冲移相环节锯齿波电压形成的方案较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采用恒流源电路。 恒流源电路方案由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路锯齿波是由开关V2管来控制的：V2开关的频率就是锯齿波的频率；V2由导通变截止期间产生锯齿波锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度取决于充电时间常数R1C1。3.3脉冲形成与放大环节 由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。 控制电压uco加在V4基极上 电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。3.4双窄脉冲形成环节双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔60的脉冲的电路。V5、V6构成一个“或”门 当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。 只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。 第一个脉冲由本相触发单元产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60的后一相触发单元产生（通过V6）。在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此间隔60，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一个导通的器件补送一个脉冲。 3.5小结1）脉冲宽度：V5截止的时间-R11和C3；2）移相范围： 锯齿波宽度：RP2、R1、C1；3）控制角： Rp1、Rp2、uco；4）在一个正弦周期中只发一次脉冲，且主要在正弦波的负半周。4、集成触发器KJ004电路原理图集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路。KJ004 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。完整的三相全控桥触发电路 3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。模拟触发电路与数字触发电路 模拟触发电路的优点是结构简单、可靠;缺点是易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高， 可达34，精度低。 数字触发电路的脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.71.5。四、晶闸管的保护晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。 晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏； 晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。1、 晶闸管的过流保护11. 快速熔断器保护 电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。与晶闸管串联接在输入端接在输出端1.2. 过流继电器保护 在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。1.3. 过流截止保护 在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。2、晶闸管的过压保护1. 阻容保护 利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。CRRCRC 硒堆保护(硒整流片)CRRL晶闸管元件的阻容保护2. 硒堆保护五、晶闸管的串并联对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作，或者将电力电子装置串联或并联起来工作。 1.晶闸管的串联 当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。 静态不均压问题 由于器件静态特性不同而造成的均压问题。 为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压。 动态不均压问题 由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题。 为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外还可以用RC并联支路作动态均压；对于晶闸管来讲，采用门极