第1章晶闸管(2013)

1、第第1章章 晶闸管晶闸管本章内容本章内容: :介绍晶闸管的介绍晶闸管的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参主要参数数以及选择和使用中应注意的一些问题。以及选择和使用中应注意的一些问题。介绍电力二极管、晶闸管派生器件的介绍电力二极管、晶闸管派生器件的基本特基本特性性和使用中应注意的一些问题。和使用中应注意的一些问题。学习重点学习重点: :晶闸管的晶闸管的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以以及及选择选择和使用中应注意的一些问题。和使用中应注意的一些问题。 本章学习内容与重点本章学习内容与重点1.1 引言引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。年美国贝尔实验室发明了晶闸管

2、。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。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。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。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。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。的场合具有重要地位。普通晶闸管所达到的水平普通晶闸管所达到的水平:12KV:12KV、1KA1KA，4KV4KV、3KA3KA。 晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器

3、（Silicon Controlled RectifierSCR）图1-1 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1.2 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理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。有三个联接端。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便（密联接且安装方便（I IA A200AIG1IGKGA1.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（1）晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性正向特性正向特性I IG G=0=0时，器件两端施加正向电压，时，器件两端施

4、加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。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，则电流急剧增大，器件开通。则电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。转折电压降低。I IH H 维持电流。维持电流。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V1V左左右右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 静态特性静态特性图1-6 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（

5、2）门极伏安特性门极伏安特性 实际产品的门极伏安特性分散性实际产品的门极伏安特性分散性很大，为应用方便，以一条典型的很大，为应用方便，以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代低阻门极伏安特性之间的区域来代表，称为门极伏安特性区域。表，称为门极伏安特性区域。 曲线曲线0D、0G：极限低阻、高阻伏：极限低阻、高阻伏安特性曲线安特性曲线 IFGM 门极正向峰值电流门极正向峰值电流 UFGM 门极正向峰值电压门极正向峰值电压 PGM 门极峰值功率门极峰值功率 PG 门极平均功率门极平均功率 首先，晶闸管必须工作在首先，晶闸管必须工作在0DE

6、FG0 内，否则，晶闸管损坏。内，否则，晶闸管损坏。1 1） 静态特性静态特性图1- 6 500A晶闸管的门极伏安特性DEFGL0ABCKIFGMUFGMUGTUG(V)IG(A)PGMPG10121.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性0UUGTIGTUGDIIGDABCJIH1 1） 静态特性静态特性（2）门极伏安特性门极伏安特性IGT 门极触发电流门极触发电流UGT 门极触发电压门极触发电压IGD 门极不触发电流门极不触发电流UGD 门极不触发电压门极不触发电压OHIJO 不触发区不触发区HABCJIH 不可靠触发区不可靠触发区ADEFGCB 可靠触发区可靠触发区注：注：1 IGIGT，

7、UGUGT（设计触发脉冲）（设计触发脉冲）2 门极加负偏门极加负偏13V，提高抗干扰能力，提高抗干扰能力3 增大脉冲幅值及前沿陡度，缩短开通增大脉冲幅值及前沿陡度，缩短开通 时间。时间。图图1- 7 500A晶闸管的门极伏安晶闸管的门极伏安特性特性0ABC0区放大图区放大图1.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性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tgt以上两者之和，以上两者之和， tgt=td+ tr （1-2）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程关断过程(j

8、(j1 1、j j3 3) )反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr(j (j2 2) )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t tq以上两者之和以上两者之和tq=trr+tgr （1-31-3) )普通晶闸管的关断时间约几百微秒普通晶闸管的关断时间约几百微秒2） 动态特性动态特性图图1-8 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GAKP1N1P2N2J1J2J31.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通态与断态通态与断态 通态通态导通状态。导通状态。 断态断态阻断状态。阻断状态。断态断态重复峰值电压重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在

9、器件上的正向峰值电压（防操作过压）。断态断态不重复峰值电压不重复峰值电压U UDsMDsM 在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的正向峰值电压（防雷击、短路等）。 一般取 U UDRMDRM= =90%U UDsMDsM1）电压定额电压定额正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-6 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM (URsM) 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。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作

10、为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-6 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG实验电路 通态通态（峰值）电压（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。1.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数n通态平均电流通态平均电流 IT(AV)定义定义在环境温度在环境温度为为4040 C C和规定和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的定结温

11、时所允许流过的最大工频正最大工频正弦半波电流的平均值弦半波电流的平均值，即额定电流，即额定电流的参数标称值。的参数标称值。选取原则选取原则使用时应按使用时应按有效值相有效值相等的原则等的原则来选取晶闸管来选取晶闸管( (电流有效值电流有效值相等器件热效应相同相等器件热效应相同, ,PT=RI2T ）2 2）电流定额电流定额02iIT(A V)IMt图图1-9 1-9 晶闸管的通态平均电流晶闸管的通态平均电流 IT(AV)1.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数n通态平均电流通态平均电流 IT(AV)n 计算计算都换算成有效值都换算成有效值n如图如图1-91-9所示所示, ,当电流峰值为当电流峰

12、值为IM时时2 2）电流定额电流定额图图1-9 1-9 晶闸管的通态平均电流晶闸管的通态平均电流 IT(AV)()01sin( )(1 4)2MT AVMIIItdtpwwpp=-201(sin)()(1 5)22MMIIIt dtpwwp=-()1.57(1 6)2T AVIIp=-则其有效值为:其有效值与通态平均电流之比通态平均电流之比为:02iIT(AV)IMt使用注意：使用注意： 选用时，一般取通态通态平均电流平均电流为正常工作允许的1.52倍或()(1.5 2)1.57T AVII=1.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数n通态平均电流通态平均电流 IT(AV)有效值与平均值之比称为

13、波形系数有效值与平均值之比称为波形系数K Kf f则则: : K Kf f=I/I=I/Id d或或I= I= K Kf fI Id d 。例例: :设晶闸管承受的电压有效值为，流过的电流平设晶闸管承受的电压有效值为，流过的电流平均为，波形系数为均为，波形系数为. ., ,考虑安全裕量，求晶考虑安全裕量，求晶闸管电压、电流闸管电压、电流定额定额。解：解：(2(23)1.4143)1.414220 =622 933933（取（取800800) )2 2）电流定额电流定额图图1-11 1-11 晶闸管的平均电流晶闸管的平均电流 Id 选用时，一般取通态通态平均电流平均电流为正常工作允许的1.52倍

14、或使用注意：使用注意：02iIdIMt()(1.52)1.57T AVII=()(1.52)(1.52)1.571.571.11 157(1.52)1662221.57fdT AVK IIIA= （取200）1.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数n维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的使晶闸管维持导通所必需的最小电流。最小电流。擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，移除触发信号后， 能维持导通所能维持导通所需的最小电流。需的最小电流。对同一晶闸管来对同一晶闸管来说说，通常通常IL约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流ITSM指由

15、于电路异常情况引起的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并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流性最大正向过载电流 。2 2）电流定额电流定额正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1- 6 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率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到通 态转换的外加电压最大

16、上升率。态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通导通 。 通态电流临界上升率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。上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数1.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。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

17、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。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。DATASHEET1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)1.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2 2）双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）图1-15 双向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a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极

18、G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。DATASHEET1.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图1-16 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) 伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。1.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered Thyristor

19、LTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-17 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) 伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。1.6 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.6 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言整流二极管及模块基本结构和工作原理与信

20、息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-18 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1.6.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK主要指其伏安特性伏安特性l门槛电压门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。l与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电正向电压降压降UF 。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-19 电力二极管的伏安特性1.6.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1)

21、 静态特性静态特性IOIFUTOUFU2) 动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压- -电流特性随时电流特性随时 间变化的间变化的 结电容的存在结电容的存在1.6.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表

22、示。v正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。v正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程1.6.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 开通过程开通过程： 关断过程关断过程v须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。v关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5(b)关断过程额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(

23、AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。1.6.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1) 正向平均电流正向平均电流IF(AV)在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3） 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间）反向恢复时间trr trr= td+ tf1.6.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UF结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提

24、下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6) 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 1.6.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高工作结温）最高工作结温TJM1) 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高DATASHEET按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。1.6.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类

25、型简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。DATASHEET 1 2 31.6.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2) 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明