电力电子器件 PPT课件

1、1 1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管（Thyristor）硅晶体闸流管硅晶体闸流管的简称 又称：可控硅整流器SCRSCR，简称可控硅可控硅。晶闸管派生器件：快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸 管、光控晶闸管等。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。能承受大电压和电流，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。第1页/共29页1.1 1.1 晶闸管的结构晶闸管的结构AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3外形有外形有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装。两种封装。有三个电极：有三个电极：A

2、 A、K K 、G G 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。第2页/共29页晶闸管等效电路（a）（b）第3页/共29页常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第4页/共29页解释解释当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0时，只有时，只有EGk0，SCR才能导通（灯亮）。说明才能导通（灯亮）。说明SCR具有单向可控具有单向可控导电性；导电性；SCR导通后，去掉导通后，去掉EGK,SCR仍然导通。说明仍然导

3、通。说明SCR一旦导通，门极一旦导通，门极G将失去将失去控制作用。控制作用。SCR导通后的管压降为导通后的管压降为1V左右，左右，主电路中的电流主电路中的电流I由由R和和EA的的大小决定；大小决定；SCR导通后，若导通后，若UAK0，SCR关断。（若使关断。（若使R增大或增大或EA降低，导致降低，导致I逐渐降逐渐降低至某一个小数值时，则低至某一个小数值时，则SCR同样会关断。该小电流称为同样会关断。该小电流称为SCR的维持电的维持电流。）流。）1.2 晶闸管的单向可控导电性晶闸管的单向可控导电性第5页/共29页承受反向电压时，不论门极是否有承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导

4、通。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。电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以电流降到接近于零的某一数值以下下 。晶闸管的特性总结如下：晶闸管的特性总结如下：结论结论：SCR导通条件：导通条件： UAK0 同时同时 UGK0由导通由导通关断的条件关断的条件：使流过：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降低至维持电流以下。 如去掉阳极电压如去掉阳极电压UAK、加

5、反向电压。、加反向电压。第6页/共29页式中式中 1 1和和 2 2分别是晶体管分别是晶体管V V1 1和和V V2 2的共基极电流增益；的共基极电流增益；I ICBO1CBO1和和I ICBO2CBO2分别是分别是V V1 1和和V V2 2的共基极漏电流。的共基极漏电流。由以上式可得由以上式可得 ：图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理1.3 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）第7页/共29页正

6、向阻断：正向阻断：开关开关S S断开，断开，I IG G=0=0， 1 1+ + 2 2很小。流过晶闸管的漏电流稍很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。大于两个晶体管漏电流之和。触发导通：触发导通：开关开关S S闭合，注入触发闭合，注入触发电流电流I IG G。管子内部形成电流正反馈，管子内部形成电流正反馈，V1V1、V2V2饱和，饱和， 1 1+ + 2 2趋近于趋近于1 1，流过，流过晶闸管的电流晶闸管的电流I IA A急剧增大，晶闸管导急剧增大，晶闸管导通。通。I IA A实际由外电路决定。实际由外电路决定。)(121CBO2CBO1G2AIIIIIGIb2Ic2(=2Ib

7、2)Ib1Ic1(=1Ib1)第8页/共29页阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应（阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应（硬开硬开通通）阳极电压上升率阳极电压上升率d du u/d/dt t过高过高结温较高结温较高光触发光触发光触发原理制成光触发原理制成光控晶闸管，光控晶闸管，可以应用于高压电可以应用于高压电力设备中，保证控制电路与主电路之间的良好绝力设备中，保证控制电路与主电路之间的良好绝缘。缘。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：第9页/共29页2 2 晶闸管的特性晶闸管的特性 阳极伏安特性

8、阳极伏安特性（1 1）正向特性）正向特性I IG G=0=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压正向电压超过正向转折电压U Ubobo，则漏电流急剧，则漏电流急剧增大，器件开通。增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V1V左右。左右。导通期间，若门极电流为零，且阳极导通期间，若门极电流为零，且阳极电流降至某一数值电流降至某一数值I IH H以下，则晶闸管以下，则晶闸管又

9、回到正向阻断状态。又回到正向阻断状态。I IH H称为维持电称为维持电流流。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2.1 2.1 静态特性静态特性图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第10页/共29页反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性第11页/共29页 工作频率低时，不需

10、要考虑动态特性；工作频率高时必须考虑动态特性。（1） 开通过程开通过程延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的到稳态值的10%的时间的时间上升时间上升时间tr：阳极电流从：阳极电流从10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%所所需的时间需的时间开通时间开通时间ton以上两者之和，以上两者之和， ton=td+ tr普通晶闸管延迟时间为普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为，上升时间为0.53 s2.2 晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性 影响因素：影响因素：阳极电压大小、阳极电压大小、门极电流大小、门极电流大小、主回路电感

11、大小主回路电感大小等等第12页/共29页（1）开通过程开通过程延迟时间延迟时间td (0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开通时间开通时间ton以上两者之和以上两者之和， ton=td+ tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关断时间关断时间toff以上两者之和以上两者之和toff=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几普通晶闸管的关断时间约几百微秒百微秒晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形（2）关断过程关断过程2.2 晶闸管的动态特性晶闸管的

12、动态特性 第13页/共29页反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr：正向电流：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间近于零的时间（2 2）关断过程）关断过程正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间t tgrgr：晶闸管要：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间需要一段时间第14页/共29页 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，使晶闸管充分恢复实际应用中，应对晶闸管施加

13、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，电路才能可靠工作其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作关断时间关断时间toff ：trr与与tgr之和，即之和，即 toff=trr+tgr （1-6） 普通晶管的关断时间约几百微秒。普通晶管的关断时间约几百微秒。第15页/共29页动态损耗动态损耗这两部分属于这两部分属于静态损耗静态损耗导通时器件上有一定导通时器件上有一定的通态压降，形成的通态压降，形成通态损耗通态损耗阻断时器件上有微小阻断时器件上有微小小断态漏电流流过，小断态漏电流流过，形成形成断态损耗断态损耗第16页/共29页 在器件开通或关断的转换过程中产生在器件开通或关断

14、的转换过程中产生开通开通损耗损耗和和关断损耗关断损耗，是，是动态损耗动态损耗 还有还有扩展损耗扩展损耗和和过渡损耗过渡损耗，也是，也是动态动态损耗损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗第17页/共29页 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件通态损耗是器件功率损耗的主要成因功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增大而可能成为器件会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素功率

15、损耗的主要因素 第18页/共29页正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM一、电压定额一、电压定额1)1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM在门极断开而结温为额定值时，允许重在门极断开而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。复加在器件上的正向峰值电压。2)2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 在门极断开而结温为额定值时，允许在门极断开而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。重复加在器件上的反向峰值电压。通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中

16、较小者，再取相应的标准电压等级中较小中较小者，再取相应的标准电压等级中较小值作为该器件的额定电压。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一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压闸管所承受峰值电压2323倍倍3 3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数第19页/共29页正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM3)3) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平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。

17、均电流时的瞬态峰值电压。4 4）通态平均电压（管压降）通态平均电压（管压降）UTUT（AVAV） 晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结温时，两端电压降的平均值。第20页/共29页1) 1) 通态平均电流通态平均电流 I IT(AV)T(AV) 晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为4040 C C和规定的冷却状态下，稳定结温不超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最大工频正弦半波电流的平均值。 将此电流按晶闸管标准电流系列取相应的电流等级，称为额定将此电流按晶闸管标准电流系列取相应的电流等级，称为额定电流。电流。

18、二、电流定额二、电流定额整流输出关心平均值，因此额定电流按平均值标定整流输出关心平均值，因此额定电流按平均值标定电流波形不同时，需要根据电流波形不同时，需要根据有效值相等的原则有效值相等的原则换算到额定波形情况下换算到额定波形情况下，计算通态平均电流，选取晶闸管。，计算通态平均电流，选取晶闸管。第21页/共29页波形系数：波形系数：fK有效值有效值平均值平均值dII有效值：有效值：2)()(2120mmItdtSinII平均值：平均值：mmAVTdItdtSinIII0)()(21波形系数：波形系数：57. 122)(mmAVTfIIIIK额定情况的波形系数：额定情况的波形系数：第22页/共2

19、9页换算方法：换算方法：()1.57TT AVII通过晶闸管的电流的有效值晶闸管选取方法：晶闸管选取方法：()(1.5 2)1.57TMT AVII电路中可能出现的最大电流有效值第23页/共29页第24页/共29页5) 5) 浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM 指由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性指由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流2) 2) 维持电流维持电流 I IH H 使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流 一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则I IH H越小越小3) 3) 擎住电流擎住电流 I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所能维持导通所需的最小阳极电流需的最小阳极电流 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为I IH H的的2424倍倍4) 4) 断态重复峰值电流断态重复峰值电流I IDRMDRM和反向重复峰值电流和反向重复峰值电流I IRRMRRM 与断态重复峰值电压和反向重复峰值电压对应第