电力电子半导体器件SCR介绍课件.ppt

第三章晶闸管 3 1普通晶闸管 Thyristor硅可控整流器 可控硅 SCR 一 结构 四层PNPN结构 三端器件 符号 正向阻断 A K接正电压 J2反偏 漏电流很小 反向阻断 A K接负电压 J1 J3反偏 漏电流很小 等效电路 由PNP和NPN两个晶体管互联 内部正反馈连接 正反馈过程 令 两个晶体管共基极电流放大数 1 2 J2结反向漏电流为IC0 则 共基极电流放大系数 1 2与发射极电流变化关系 IG 0时 1 2约为0 IA IC0 晶闸管正向阻断 IG 0时 1 2随射极电流增大而上升 当 1 2 1时 IA迅速增大 正向导通 此时 即使再为0 晶闸管仍继续导通 半控型器件 1 晶闸管导通的几种情况 门极触发 极之间加正向电压 极间加正向电压和电流 通用方法 阳极电压作用 阳极电压上升到相当数值时 J3结击穿 IB2增大 由正反馈作用导致导通 会引起局部过热 易击穿 不易控制 du dt作用 阳极电压上升速率快 J3结电容C产生位移电流导致射极电流增大 引起导通 控制困难 过大的du dt会损坏管子 温度作用 结温增高 漏电流增大 引起导通 光触发 光照射下 产生电子空穴对 形成触发电流 光触发晶闸管 光触发 光照射下 产生电子空穴对 形成触发电流 光触发晶闸管 1 晶闸管导通的几种情况 门极触发 极之间加正向电压 极间加正向电压和电流 通用方法 阳极电压作用 阳极电压上升到相当数值时 J3结击穿 IB2增大 由正反馈作用导致导通 会引起局部过热 易击穿 不易控制 du dt作用 阳极电压上升速率快 J3结电容C产生位移电流导致射极电流增大 引起导通 控制困难 过大的du dt会损坏管子 温度作用 结温增高 漏电流增大 引起导通 2 关断条件 阳极电压减小 反向 使阳极电流减小到维持电流以下 IA IH时 管子自动关断 二 特性1 阳极伏安特性 VAK IA关系 VBO 正向转折电压VRSM 反向转折电压 2 门极伏安特性 VG IG关系 P3结二极管伏安特性 VGD 门极不触发电压IGD 门极不触发电流VGT 最小门极触发电压IGT 最小门极触发电流VFGM 门极正向峰值电压IFGM 门极正向峰值电流 说明 门极触发电压 电流应处于可靠触发区内 触发功率过大 会使SCR结温上升 影响正常工作 甚至会烧坏门极 触发电压 电流应大于VGT和IGT 方可保证正常触发 不触发时 触发电路输出电压应低于门极不触发电压VGD 0 2V 为提高抗干扰能力 避免误触发 必要时可加负偏压 1 3V 不大于5V 负偏压过大 会使器件触发灵敏度下降 不利于快速导通 同时门极损耗增大 三 动态特性 P 功耗 td 延迟时间tr 上升时间 局部导通 ts 扩展时间 全导通 trr 反向恢复时间非平衡少子耗散时间tGr 门极恢复时间正向阻断恢复时间 开通时间 ton td tr普通SCR td为 0 5 1 5us tr为 0 5 3us IG越大 ton越小 关断时间 toff trr tGr 一般为几百us 说明 1 开通时间ton随门极电流增大而减小 阳极电压提高 可使内部正反馈加速 上升时间 延迟时间显著缩短 2 正向电流越大 关断时间toff越长 外加反向电压越高 反向电流越大 关断时间可缩短 结温越高 关断时间越长 3 关断时 过早施加正向电压 会引起误导通 三 参数 一 电压参数1 断态不重复峰值电压VDSM门极开路 加在SCR阳极正向电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值 不能重复 每次持续时间不大于10ms的脉冲电压 转折电压 小于VBO 断态重复峰值电压VDRM门极开路 额定结温下 允许50次 s 持续时间不大于10ms 重复施加在阳极上的正向最大脉冲电压 VDRM 90 VDSM 反向不重复峰值电压VRSM门极开路 加在SCR阳极反向电压上升到反向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值 不能重复 每次持续时间不大于10ms的脉冲电压 反向重复峰值电压VRRM门极开路 额定结温下 允许50次 s 持续时间不大于10ms 重复施加在SCR上的反向最大脉冲电压 VRRM 90 VRSM 额定电压将VDRM和VRRM中较小的一个取整后 做额定电压 使用时 选择2 3倍 倍 通态峰值电压VTMSCR通以两倍 或规定倍数额定通态平均电流时 在额定结温下 A K之间瞬态峰值电压 管压降 越小 通态损耗越小 二 电流参数1 通态平均电流IT AV 环境温度400C 规定冷却条件下 不少于1700 电阻性负载 额定结温时 允许通过的工频正弦半波电流的平均值 取整后为额定电流 选择管子以有效值相同的原则 维持电流IH导通后 室温下 G极开路 维持通态所需最小阳极电流 擎住电流IL门极触发 SCR刚从断态转入通态时 去掉触发信号 能使SCR维持导通所需最小电流 IL 2 4 IH 断态重复峰值电流IDRM 反向重复峰值电流IRRM 对应于VDRM和VRRM电压下的峰值电流 浪涌电流ITSM规定条件下 工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流 由电路发生故障引起 使管子超过结温损坏 用于设计保护电路 三 门极参数 门极触发电压VGT触发导通所需最小门极直流电压 1 5V 门极反向峰值电压VRGMJ3结反偏电压 小于10V 门极触发电流IGT在规定条件下 触发SCR导通所需最小门极直流电流 几十 几百mA 与通态电流IT AV 有关 四 动态参数 断态电压临界上升率dv dt在额定结温 门极开路时 SCR保持断态所能承受的最大电压上升率 V us 过大会引起误导通 如 雷电 合闸 分闸 通态电流临界上升率di dt规定条件下 SCR用门极触发信号开通时 能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率 A us 过大会局部发热 损坏管子 选用时 di dt留余量 如 di dt减小到一半 器件寿命提高近4倍 门极控制开通时间ton 电路换向关断时间toff 例 国产KP系列SCR主要参数 门极参数 3 2特殊晶闸管 为了满足晶闸管使用中的一些特殊要求 在科学技术和工艺水平不断提高的前提下 研制出许多不同性能的特殊晶闸管 都是普通晶闸管的派生器件 一 高频晶闸管普通SCR开关时间较长 di dt小 工作频率低 小于400Hz 当工作频率升高时 开关损耗增加 器件发热增大 采用特殊工艺 1 在器件中掺入金或铂的重金属杂质 2 辐照 3 电子辐照 缩短开关时间 增大di dt 产生了快速晶闸管 工作频率1K 2KHz 高频晶闸管 工作频率10KHz以上 国产快速晶闸管 KK系列 国产高频晶闸管 KG系列 高频晶闸管的特点 工作频率高 di dt大 关断时间短 最高允许结温下10us左右 短时间内 3us 承受尖峰反向电压高 抗过电压能力强 dv dt大 重复阻断电压较低 800 1000V 抗直通电流能力差 需配置快速过电流保护环节 二 双向晶闸管单向SCR在用于交流控制时 必须两个器件反并联 如 交流调压 灯光调节 温度控制 无触点交流开关 交流电机调速 软启动 采用双向SCR 可使电路简单 工作可靠 稳定 一 结构 原理 NPNPN结构 五层结构 三端器件 4个PN结 两个主电极T1和T2 门极G 门极结构使得门极触发特性可正 可负 用来开通两个反并联的SCR 二 四种触发方式 I 触发方式 T1 T2加正电压 门极加正电压 与SCR导通一致 P1N1P2N2 第一象限特性 I 触发方式 T1 T2加正电压 门极加负电压导通由P1N1P2N3 P1N1P2N2 开始门极电流流出 导通后 由于T1端正电压引入 门极电流反向 III 触发方式 T1 T2加负电压 门极加正电压 P2N1P1N4触发过程为多个晶体管相互作用 触发电流较大 有可能不能触发导通 III 触发方式 T1 T2加负电压 门极加负电压 P2N1P1N4一般常用I 触发方式和III 触发方式 三 特性参数 伏安特性 换向特性 两个反并的晶闸管导通 关断相互影响 换向问题 换向能力是晶闸管的一个特有参数 用换向电流临界下降率来表示 di dt c 为可靠运行 要求双向晶闸管有很强的换向能力 标准将 di dt c分为0 2 0 5 1 2四个等级 如 200A的器件 0 2级为 di dt c 200 0 2 0 4A us 额定通态方均根电流 IT RMS 由于双向晶闸管工作在交流回路中 用方均根 有效值 来表征额定电流 定义 在标准散热条件下 导通角不小于1700 允许流过器件的最大交流正弦电流的方均根值 方均根电流与与普通SCR平均值电流之间换算关系 国产双向晶闸管 KS系列 三 逆导晶闸管前面的SCR为逆阻型器件 反向高阻特性 正向可控导通 逆导晶闸管是将SCR与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上 是一种反向导通的晶闸管 一 结构 二 特性 正向晶闸管 反向二极管 用于各类逆变器 斩波器不需要阻断反向电压 三 特点 正向转折电压高 正向压降小 关断时间短 电流容量大 基区宽度薄 开关速度快 高温特性好 结温在1500C以上 减小了引线电感 缩小装置体积 配线简单 换相电路小 轻型化 电流定额受限制 KN 200 70 比值1 3 国产逆导晶闸管 KN系列 四 光控晶闸管 利用一定波长的光照信号控制的开关器件 一 结构 二 特性 小功率管只有A K两极大功率管带光缆 装发光器件和激光器 三 参数 触发光功率 几毫瓦到十几毫瓦 光谱响应范围 0 55 1 0um之间 峰值波长约为0 85um 国产光控晶闸管 GK系列 36 可编辑 3 3触发电路 门极控制电路 一 触发电路的基本要求1 触发信号可为直流 交流 脉冲信号 且为正脉冲信号 采用脉冲形式 可以减少门极损耗 触发脉冲应有足够的功率 触发电压和触发电流应大于门极的触发电压和电流 为可靠触发应留有足够的功率裕量 但不能超过门极的极限参数 VGm 10V IGm 10A 触发脉冲移相范围应满足变流装置的要求 移相范围与主电路形式 负载性质 变流装置用途有关 如 三相半波整流电路 电阻性负载 移相范围1500三相桥式全控整流电路 电阻负载 移相范围1200工作于整流 逆变状态 电感负载 移相范围0 1800一般移相范围小于1800 还应限制 min和 min 触发脉冲宽度与陡度 触发脉冲宽度应保证SCR阳极电流在脉冲消失前达到擎住电流 最小宽度 脉冲宽度与负载性质及主电路形式有关如 单相整流 电阻性负载 宽度大于10us电感性负载 宽度大于100us三相全控桥式电路 单脉冲触发时 脉宽600 1200双脉冲触发时 脉宽100左右 前沿越陡 有利于开通 对并联 串联SCR同时触发越有利 要求 前沿陡度大于10V us 800mA us 5 触发脉冲与主电路电源电压必须同步 电源电压相位与触发脉冲位置关系正确 二 触发电路形式 移相控制 通过改变控制脉冲产生时间 改变导通角 垂直控制 靠移相信号和控制信号叠加 借改变控制信号的大小来改变导通角 数字式 数字逻辑电路 微处理器 模拟式 阻容移相桥 单结晶体管触发电路 锯齿波移相电路 正弦波移相电路 分立元件触发电路集成电路触发电路专用集成触发电路微机触发电路 三 单结晶体管触发电路1 单结晶体管 双基极二极管 负阻特性 RB1和RB2为基区硅片电阻 约4 10k 发射极E对基极B1和B2都构成一个PN结 具有二极管的单向导电性 外加电压VBB后 若VE 0 则 RB1 RB1 RB2 分压比 0 3 0 9此时 VD反偏电压 VBB 漏电流 IE 当VE增大 VD反向偏压减小 当VE VBB时 VD零偏 IE 0 VE再增大 VE VBB 但VE VBBVD时 EB1导通 VE下降 负阻特性 IE再增大 到IQ时 RB1不再减小 VE随IE增大而增大 饱和谷点电压VQ 谷点电流IQ 峰点电压VP峰点电流IP 2 触发电路要求 产生可控的移相脉冲 移相脉冲与主电源同步 角恒定 角恒定 为使脉冲正确产生 电路中R3参数选择合适 要求 R3 电路振荡频率 忽略放电时间 R3向C的充电时间 决定了第一个脉冲的位置 既 角位置 改变R3的阻值 可以改变 角 电路特点 结构简单分散性大 脉冲较窄 移相范围小 四 集成触发电路移相线性度好 性能稳定可靠 体积小 温度漂移小 小规模集成电路组成和中规模专用集成电路 国产KC系列 KC04 16脚双列直插塑封 内部由同步单元 锯齿波形成单元 移相控制单元 脉冲形成单元和功率放大单元几部分组成 下图为KC04内部电路图和各点波形图 3 4相控整流电路和逆变电路 一 相控整流电路1 单相半波整流电路 触发延迟角 导通角 移相 移相范围 同步 换相 单相桥式全控整流电路 3 三相半波可控整流电路 三相桥式全控整流电路 二 逆变电路1 工作原理 换相方式 自然换相和强迫换相强迫换相有电容强迫换相 谐振负载换相 LC自由换相 辅助晶闸管LC换相 加旁路二极管的谐振换相电路 3 单相桥式并联逆变电路 三相桥式并联逆变电路 3 SCR串并联及保护 对大型整流装置 单个SCR的电压 电流定额不能满足要求时 需进行串联或并联 一 SCR串联当SCR额定电压小于实际要求时 可用两个或两个以上的同型号器件串联 1 存在问题 均压问题 静态均压 由于器件正向阻断 反向阻断特性不同 但流过相等漏电流 造成器件承受电压不同 如图 当外加电压增大后 VT2转折 则VT1承受全部电压 失去控制作用 外加反向电压时 问题同样存在 定义 均压系数 全部串联器件承受的电压总和 全部串联器件中分担最大电压数值 串联器件数 KU 100 均压越好 动态均压 器件开通 关断时间的差异引起SCR承受电压不同 2 均压措施 选用特性一致的器件 静态均压电阻RP 使分压由电阻决定 要求流过电阻RP的电流远大于管子漏电流 动态均压用电阻Rb和电容Cb串联回路 用电容电压不能突变的特性减慢电压上升速率 门极触发脉冲的强触发和触发脉冲前沿的一致性 也对均压有益 3 串联时 管子额定电压VTN选择 Vm 工作电压的峰值 二 SCR并联SCR电流等级不合适或使用时为减少di dt 开关损耗 存在均流问题 多个SCR并联时 管压降一致 但SCR导通时电阻很小 达到电流一致很困难 而且电流大的结温高 导通电阻更小 电流更大 定义 均流系数 各支路电流之和 各支路中最大的支路电流值 并联支路数 1 静态均流 SCR导通时的均流措施 选择伏安特性一致的器件 加均流电阻 当串联的均流电阻R ron时 起均流作用 R越大 效果越好 改变R阻值 可调整各支路电流 R电阻有功率损耗 2 动态均流 SCR从截止 导通过渡过程和从导通 截止过渡过程中 由于器件开通延迟时间和关断延迟时间不一致 造成动态不均流 其中 截止 导通过渡过程中 动态不均流会导致损坏管子 而导通 截止过渡过程中 由于器件在导通时 阳极导电面积大 而且电流在减小 可承受一定的过流 选开通时间一致的SCR 门极强脉冲触发 均流变压器 合理布线 电感均流 均流变压器 3 并联时电流额定值选择 并联臂平均电流 总结 SCR同时串联 并联时 应先串后并 大功率设备中 采用变压器二次绕组分组方式 独立整流 输出成组串联 并联 装置串 并联 三 SCR保护可控硅系统 承受过电压 过电流能力较差 短时间过电流 过电压将会损坏器件 但设计时不能根据过电压 过电流值确定电路参数 应充分发挥器件的过载能力 主要靠保护电路来提高可靠性 一 过电流及保护过电流原因很多 如 SCR损坏 触发电路故障 控制系统故障 交流电压过高 过低或缺相 负载过载或短路 相邻设备故障等 SCR过载能力主要受结温限制 一般 风冷器件1150C 水冷器件1000C 在冷却条件下 流过两倍通态平均电流时 耐受时间0 5s流过三倍通态平均电流时 耐受时间60ms流过六倍通态平均电流时 耐受时间2