半控型电力电子器件—晶闸管

半控制型电力电子器件-晶闸管晶闸管(Thyristor ) :晶闸管、晶闸管整流器(silicontrolledrectifir SCR )。1956年美国贝尔研究所(Bell Lab )发明了晶闸管1957年美国通用电气公司(GE )开发了最初的晶闸管产品1958年商业化，开创了电力电子技术快速发展和广泛应用的新时代80年代以来，开始被性能更好的全控制型设备取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量情况下具有重要地位。晶闸管通常指的是晶闸管基本类型的普通晶闸管。 晶闸管也包含许多类型的派生元件。外形有螺栓型和板型两种封装拉出三个连接端子：“阳极”(Anode)A、“阴极”(Kathode)K和“栅极”(Gate ) (控制端子)。在螺栓类型的封装中，通常螺栓是其阳极，与散热器(Radiator )紧贴安装容易平板式封装的晶闸管可以夹在两个散热器之间。图1晶闸管的外形、结构、电气图形符号a )外形b )结构c )电气图形符号3.2晶闸管的结构和工作原理晶闸管可由图2所示的等效电路表示。(1)(2)(3)(4)式中的a1及a2分别是晶体管V1及V2的共用基极电流增益，ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共用基极漏电流。 由上述式(1-1)(1-4)可以得到(5)图2晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a )双晶体管型号b )等效电路关于晶体管的特性，在低发射极电流下，a较小，但在发射极电流成立时，a迅速变大。切断状态： IG=0，a1 a2较小。 流过晶闸管漏电流比两个晶体管的漏电流之和稍大导通(栅极触发):注入触发电流增大晶体管的发射极电流，使a1 a2接近1时，晶闸管中流动的电流IA (阳极电流)接近无限大，实现饱和导通。 IA实际上由外部电路决定。还有一些其他情况1 )阳极电压上升到相当高的数值，引起雪崩效应2 )阳极电压上升率du/dt过高3 )结温高4 )光直接照射到硅晶片上的光触发、光触发除了能够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外，其他因难以控制而实践困难，被称为光控制晶闸管(lighttriggeredthyristor ltt )。 只有门触发器(包括光触发器)是最准确、迅速且可靠控制单元3.3晶闸管的基本特性3.3.1静态特性在接收到反向电压时，晶闸管不导通，而与栅极是否有触发电流无关接受正向电压后，晶闸管仅在栅极有触发电流时导通当晶闸管接通时，闸门失去控制作用要关断晶闸管，晶闸管的电流必须在接近零的某个数值以下。晶闸管的阳极电压-电流特性是指晶闸管的阳极电流和阳极电压的关系曲线，如图3所示。 其中，第I象限是正向特性，第III象限是逆向特性图3晶闸管的阳极伏安特性ig2igg1ig在IG=0的情况下，当在装置的两端施加正向电压时，在正向关断状态下，仅流过很小的正向漏电流，并且当正向电压超过作为临界极限的正向转换电压Ubo时，漏电流急剧增大，装置导通。 这条通车被称为“硬通车”，一般不允许硬通车随着栅极电流振幅增大，正向转换电压降低导通后晶闸管特性与二极管的正向特性相似晶闸管本身的电压降很小，约为1V在导通期间，当栅极电流为零、阳极电流成为接近零的某个数值IH以下时，晶闸管再次返回到正向截止状态。 IH被称为维持电流。当向晶闸管施加反向电压时，电压-电流特性类似于二极管的反向特性阴极是晶闸管主电路和控制电路的公共端子晶闸管的栅极触发电流经常从栅极流向晶闸管，从阴极流向晶闸管，栅极触发电流也经常通过触发电路在栅极和阴极之间施加触发电压而产生。晶闸管的栅极与阴极之间为PN结J3，其伏安特性如图4所示称为栅极伏安特性。 图中由ABCGFED包围的区域是可靠的触发区域，图中的阴影部分是非触发区域.为了确保可靠且安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率必须限制在可靠的触发区域内。图4晶闸管栅极电压-电流特性3.3.2动态特性晶闸管的动态特性主要指晶闸管的导通和截止过程，动态特性如图5所示。图5晶闸管导通和截止的过程波形开通进程：导通时间是延迟时间和上升时间，即(6)延迟时间：从栅极电流阶梯开始到阳极电流上升到稳定值的10%的时间上升时间：阳极电流从10%上升到稳定值90%所需的时间通常晶闸管延迟时间为0.51.5ms，上升时间为0.53ms切断过程：关闭时间：包括反向阻断恢复时间和正向阻断恢复时间(7)正常晶闸管的关闭时间约为几百微秒。反向阻断恢复时间：从正向电流变为零到反向恢复电流接近零时间前向关断恢复时间：晶闸管恢复对前向电压的关断能力还需要时间注：1 )如果在正向断开恢复时间内重新向晶闸管施加正向电压，则晶闸管再次正向导通2 )在实际应用中，向晶闸管施加足够时间的反向电压，以使晶闸管充分恢复对正向电压的截止能力，从而确保电路能够正常工作3.4晶闸管的主要参数3.4.1电压额定值1 )关断迭代峰值电压在栅极被关断并且交叉温度为额定值时允许重复施加到装置的正向峰值电压。2 )反复峰值电压在栅极被断开并且交叉温度为额定值时允许反复施加到装置的反复峰值电压。3 )导通(峰值)电压晶闸管通过某规定倍数的额定导通平均电流时的过渡峰值电压。通常，将晶闸管之和中较小的值作为该器件的额定电压。 选择时，请使额定电压留有馀量，通常额定电压为正常动作时晶闸管受到的峰值电压的23倍3.42额定电流1 )导通平均电流(额定电流)额定电流-晶闸管是在环境温度规定为40oC的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时流过的最大商用频率正弦半波电流的平均值。让我举个例子选择晶闸管使实际电流与导通平均电流的有效值相等，保留一定的馀量，一般为1.52倍2 )维持电流维持晶闸管导通所需的最小电流一般为数十至数百毫安，与结温有关，结温越高则越小3 )发动机电流可控硅从关断状态转变到导通状态，并且在刚刚移除了触发信号之后，在导通时维持必需的最小电流在相同晶闸管中，通常是IH的约24倍4 )浪涌电流指电路异常引起的接合温度的超过无额定结温再现性的最大正向过载电流3.43动态参数开通时间包括延迟时间，其中包括：1 )关断电压临界上升率额定结为温和的栅极开路时，是指晶闸管从截止切换为导通的施加电压的最大上升率。加在被切断的晶闸管两端的电压具有正向上升率时，充电电流流过相当于一个电容的J2结，被称为位移电流。 该电流流过J3结时，起到类似栅极触发电流的作用。 如果电压上升率过大，充电电流变得足够大，晶闸管会误导通。2 )导通电流临界上升率是指在规定条件下晶闸管能够承受不受有害影响的最大通电电流上升率。电流上升过快时，晶闸管刚接通后，大电流集中在栅极附近的小区域，局部过热，晶闸管破损。3.5晶闸管派生设备1 )快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFST )包括为快速应用而设计的所有晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管模头结构和制造工艺得到改善，开关时间和容量明显改善普通晶闸管关断时间为数百微秒，快速晶闸管数为十微秒，高频晶闸管为10毫秒左右高频晶闸管的不足是电压和电流的额定值难以提高，工作频率高，因此在选择导通平均电流的情况下，其开关损耗的发热效果不容忽视。2 )双向晶闸管(Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor )认为是一对反并联连接普通晶闸管的集成，有两个主电极T1和T2、一个栅极g由于正反两个方向都可以触发导通，所以双向晶闸管具有在第I和第III象限中对称的伏安特性与一对反并联晶闸管相比，经济实惠，控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器ssr、交流电机调速等领域应用较多通常用于交流电路，因此不是以平均值而是以有效值表示额定电流值。图6双向晶闸管的电模式符号和电压-电流特性a )电气图形符号b )伏安特性3 )反导晶闸管(reverserveconductingthyristor-RCT )功率集成元件，在同一芯片上反并联地制作晶闸管一个二极管具有正向电压降小、断开时间短、高温特性好、额定结温高等优点反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电流。图7反导晶闸管的电图符号和电压-电流特性a )电气图形符号b )伏安特性4、光控制晶闸管(lighttriggeredthuyristor ltt )光控制晶闸管(也称为光触发晶闸管)是利