第二章 电力电子器件

杨淑英合肥工业大学电气与自动化工程学院,电力电子技术,PowerElectronicTechnology,2.4半控型器件晶闸管,晶闸管概述晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件晶闸管的触发,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier-SCR）按照IEC（国际电工委员会）的定义，晶闸管是指那些具有3个以上的PN结，主电压电流特性至少在一个象限内具有导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进行转换的半导体器件。1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气（GE）公司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,2.4半控性器件晶闸管,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,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,引出阳极(Anode)A、阴极(Kathode)K和门极(Gate)（控制端）G三个联接端,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器(Radiator)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(Radiator)将其夹在中间,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,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,如前所述，晶闸管是PNPN四层半导体结构。四个区分别命名为P1、N1、P2、N2。P1区引出A极，N2区引出K极，P2区引出G极。四个区形成三个PN结：J1、J2、J3,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,P2,N2,G,K,P2,N1,晶体管回顾,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,开通过程S闭合晶闸管门极注入电流IG流经V2的基极经V2放大后，集电极电流IC2构成了V1的基极电流经V1放大后，进一步增大了V2的基极电流,IG,IB2,IC2,IB1,IC1,正反馈过程,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,假设1=Ic1/Ie1、2=Ic2/Ie2-分别为V1、V2的共基极电流增益,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,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。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和开通（门极触发）：,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,即使门极电流被撤除，IG=0，由于1+21，IK=IA仍将很大，内部已形成强烈正反馈，晶闸管处于通态。IK=IA=EA/R,晶闸管导通的条件，1+21，此时对应的阳极电流成为“擎住电流”，门极便失去了控制能力。,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,其他几种可能导通的情况（非门极出发机构）：正向转折导通：在IG=0时，提高阳极-阴极之间的正向电压VAK，使反向偏置的J2结发生雪崩倍增效应，电流IA迅速上升，1+21，IA增加到EA/R。,热触发：当温度增加，反向饱和电流随之增加，IA、IK增大，直到1+21，晶闸管导通。,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,其他几种可能导通的情况：du/dt导通：各PN结都存在结电容，当外加正向电压VAK的du/dt很高时，各PN结将流过很大的充电电流：i=Cdu/dt。P1N1之间充电电流IA、IK增大P2N2之间充电电流IB2增大IA、IK增大1+21以上导通都不加门极信号非正常导通，这是必须防止和避免的。要提高器件本身du/dt耐量，减小漏电流，提高耐压，特别是提高高结温下的耐压等。同时在电路中采取保护措施，降低电路上的干扰信号的影响。以防止晶闸管误动作。,2.4.1晶闸管的结构与工作原理,1）外加正向电压下J1、J3正偏J2反偏；,2）在GK间正向电压作用下，N2区有电子注入到P2区；,3）注入到P2区的电子除了形成门极电流外，将被J2空间场捕获，扫向N1区；,4）N1区电子的增加，将进一步增加J1结的正偏电压，进而增加了P1区向N1区的空穴注入，并由J2电场将其扫向P2区，进而形成了再生反馈效应；,5）随着J1、J3注入的优势越来越大，结构J2结两侧有足够的载流子积累，J2结极性正偏，晶闸管导通。,开通的物理过程,上次课主要内容回顾,电力二极管的过程,电力二极管的关断过程,上次课主要内容回顾,电力二极管的过程,电力二极管的关断过程,上次课主要内容回顾,电力二极管的主要参数,1）正向平均电流IF(AV),2）正向压降UF,3）反向重复峰值电压URRM额定电压,4）最高工作结温TJM,5）反向恢复时间trr,6）浪涌电流IFSM,电力二极管的主要类型,1）普通二极管,2）快恢复二极管（快速和超快速）,3）肖特基二极管,上次课主要内容回顾,晶闸管的基本结构和工作原理,擎住电流,2.4.2晶闸管的基本特性,晶闸管工作特性：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都将保持导通要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即维持电流以下。,2.4.2晶闸管的基本特性,静态特性晶闸管阳极伏安特性第I象限是正向特性；第III象限是反向特性,晶闸管阳极伏安特性IG2IG1IG,2.4.2晶闸管的基本特性,正向特性,反向击穿,正向阻断,反向阻断,当AK两端施加反压时，即使有门极信号也不可能在晶闸管内部产生电流正反馈。当反向电压过大而达到反向折转电压，则反向漏电流迅速上升。类似二极管。,2.4.2晶闸管的基本特性,晶闸管阳极伏安特性IG2IG1IG,晶闸管阳极伏安特性,2.4.2晶闸管的基本特性,IG=0时，器件两端施加正向电压，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。这种开通叫“硬开通”，一般不允许硬开通。随着IG幅值的增大，正向转折电压降低当IG增加到超过某一临界值以后，正向阻断区几乎消失，类似于二极管的正向伏安特性。,晶闸管阳极伏安特性IG2IG1IG,晶闸管阳极伏安特性,2.4.2晶闸管的基本特性,所以有外加正向电压，只要加至晶闸管上IG超过某一临界值，晶闸管会立即导通，等效于一个正向导电二极管。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。IH称为维持电流。,晶闸管阳极伏安特性IG2IG1IG,晶闸管阳极伏安特性,2.4.2晶闸管的基本特性,转变区（亚稳态）,维持电流,擎住电流,2.4.2晶闸管的基本特性,门极伏安特性晶闸管门极伏安特性指门极电压和门极电流之间的关系，呈现二极管的伏安特性。与二极管特性有所不同，正向电压中P2横向电阻压降占的比重较大，且不同器件电阻差异较大；门极电压可从几伏到几十伏，门极电流可从几毫安到几百毫安；通常以一条典型的极限高阻抗门极伏安曲线和一条极限低阻抗门极伏安曲线表示门极特性,2.4.2晶闸管的基本特性,门极伏安特性,不触发区,可靠触发区,不可靠触发区,门极极高阻抗曲线,门极极低阻抗曲线,平均功率损耗曲线,2.4.2晶闸管的基本特性,动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性,1）开通过程,延迟时间td：1+2向1逼近的过程，晶闸管电流不大，主要电子、空穴向J2移动的渡越时间；,影响延迟时间的因素：触发脉冲的前沿陡度和幅值；,2.4.2晶闸管的基本特性,动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性,1）开通过程,上升时间tr：J2靠近门极的区域开始导通,扩展时间ts：J2导通区由门极横向扩展,开通时间：tgt=td+tr,影响上升时间的因素：回路阻抗,2.4.2晶闸管的基本特性,动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性,1）开通过程,扩展时间ts：J2导通区由门极横向扩展,2.4.2晶闸管的基本特性,动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性,2）关断过程,强迫关断：阳极阴极间施加反压完成关断；,在反向电压和电路电感的作用下电流衰减,与二极管类似，电流过零后体内大量的非平衡载流子需靠反向电流抽取；,2.4.2晶闸管的基本特性,动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性,2）关断过程,电流到达反向最大值后，迅速衰减，J1、J3恢复反向阻断能力，trr反向恢复时间；,J2结电子需要较长的时间进行复合，tgr正向阻断时间；,关断时间：tq=trr+tgr,2.4.2晶闸管的基本特性,动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性,2）关断过程,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,2.4.2晶闸管的基本特性,动态特性反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性,2）关断过程,影响关断时间的因素：从应用电路设计看，有结温，反向恢复电流下降率，反向电压及再加的du/dt等。以结温和反向电压对关断时间影响最大，结温越高，关断时间越长，反向电压增高，关断时间缩短。,电压定额注意：晶闸管正向既可处于阻断状态又可处于导通状态。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（国标规定重复频率50Hz，持续时间不超过10ms,UDRM=90%UDSMUbo)。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(国标中有类似规定）。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。额定电压UNMin（UDRM，URRM），选用时，要留有一定安全裕量，一般取UN（23）晶闸管所承受峰值电压,2.4.3晶闸管的主要参数,电流定额通态平均电流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额定电流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应留一定的裕量，一般取1.52倍,2.4.3晶闸管的主要参数,维持电流IH晶闸管触发导通以后，在室温和门极开路条件下，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最大正向过载电流,2.4.3晶闸管的主要参数,动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt（防止位移电流致使其导通）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通态电流临界上升率di/dt（考虑导通时的扩展时间）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,2.4.3晶闸管的主要参数,2.4.3晶闸管的主要参数,快速晶闸管（FastSwitchingThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规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，不能忽略开关损耗多用在频率较高的斩波和逆变电路中开关损耗不可忽视。,2.4.4晶闸管的派生器件,2.4.4晶闸管的派生器件,双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）,1）一般可认为是一对反并联连接晶闸管的集成,2）比反并联晶闸管经济，且控制简单,3）多用于交流调压电路、固态继电器以及交流电机软起、调速中,4）电流定额不用平均值而用有效值进行标定,2.4.4晶闸管的派生器件,双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）,5）根据主电极间电压极性的不同和门极触发信号极性的不同，有4种触发方式：,a）+触发方式,b）-触发方式,c）+触发方式,d）-触发方式,逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT）,2.4.4晶闸管的派生器件,逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性,1）晶闸反并联一个二极管制作在同一管芯上,2）不具有承受反向电压的能力,3）相比与普通晶闸管，他正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点,4）其电流定额有两个：晶闸管、反并联二极管,光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）,2.4.4晶闸管的派生器件,光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性,1）又称之为光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸