电力电子第二章第三讲

1、 晶闸管（Thyristor）是能承受高电压、大电流的半控型电力电子器件，也称可控硅整流管（SCR，Silicon Controlled Rectifier）。 由于它电流容量大、电压耐量高以及开通的可控性，已被广泛应用于可控整流和逆变、交流调压、直流变换等领域，成为特大功率、低频（200Hz以下）装置中的主要器件。 它包括普通晶闸管及其一系列派生产品，在无特别说明的情况下，本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。2.4 晶闸管晶闸管AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK图2-9 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 封装 b) 结构 c) 电气图形符号2.4.1 基

2、本结构和工作原理基本结构和工作原理 晶闸管有三个电极，分别是阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G。 晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，四个区形成J1、J2、J3三个PN结。若不施加控制信号，将正向电压（阳极电位高于阴极电位）加到晶闸管两端，J2处于反向偏置状态，A、K之间处于阻断状态；若反向电压加到晶闸管两端，则J1、J3反偏，该晶闸管也处于阻断状态。2.4.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理P2N2GKP1N1AP2N1晶闸管的双晶体管模型 将晶闸管等效为一个PNP晶体管V1和一个NPN晶体管V2的复合双晶体管模型。如果在V2基极注入IG（门极电流），则V2导通，产生Ic2（2IG）。

3、由于Ic2为V1提供了基极电流，因此V1导通，且Ic1=1Ic2，这时V2的基极电流由IG和Ic1共同提供，从而使V2的基极电流增加，形成强烈的正反馈，使V1和V2很快进入饱和导通。此时即使将IG调整为0也不能解除正反馈，晶闸管会继续导通，即G极失去控制作用。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-10 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理2.4.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-10 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 按

4、照晶体管工作原理，忽略两个晶体管的共基极漏电流，可列出如下方程： IK=IA+IG （2-4） IA=Ic1+Ic2=1IA+2IK （2-5） 其中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益。则可推导出 （2-6） )(121G2AII2.4.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-10 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理根据晶体管的特性，在低发射极电流下其共基极电流增益很小，而当发射极电流建立起来后，迅速增大。因此，在晶体管阻断状态下，1+2很小。若IG使两个发射极电流增大以致1+2大

5、于1（通常晶闸管的1+21.15），流过晶闸管的电流IA将趋向无穷大，从而实现器件饱和导通，实际通过晶闸管的电流由R确定为EA/R。当1+21时，晶闸管的正反馈才可能形成，其中1+2=1是临界导通条件，1+21为饱和导通条件，1+20且uGK0。晶闸管导通后，即使撤除门极触发信号IG，也不能使晶闸管关断，只有设法使阳极电流IA减小到维持电流IH（约十几mA）以下，导致内部已建立的正反馈无法维持，晶闸管才能恢复阻断状态。很明显，如果给晶闸管施加反向电压，无论有无门极触发信号IG，晶闸管都不能导通。2.4.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：正向折

6、转导通：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（N1P2）击穿，电流IA迅速上升，1+21，IA增加到EA/R。高温导通：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 基本结构和工作原理基本结构和工作原理AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK其他几种可能导通的情况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 N1P2之间充电电流 IB2增大

7、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 基本结构和工作原理基本结构和工作原理光直接照射硅片，即光触发：光触发：有外加正值VAK时，J2结反偏，对J2结注入光照能量，增加漏电流。光触发可以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中。应用于光控晶闸管只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段控制手段2.4.1 基本结构和

8、工作原理基本结构和工作原理晶闸管工作原理：晶闸管工作原理：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2.4.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理 1晶闸管的稳态伏安特性 UDRM、URRM正、反向断态重复峰值电压； UDSM、URSM正、反向断态不重复峰值电压； Ubo正向转折电压； IH维持电流。 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击穿电压，则反向漏电流迅速上升。

9、类似二极管。正向导通雪崩击穿O+UA-UAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图2-11 晶闸管的伏安特性2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数图2-11 晶闸管的伏安特性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。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

10、。2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数图2-11 晶闸管的伏安特性导通期间，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。2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数 图2-12 晶闸管的开通和关断过程波形2晶闸管的动态特性1）开通过程 延迟时间td：阳极电流上升到稳态值IA的10%的时间。 对应的是载流子到达J2结两侧积累起来所需的时间。 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。 对应的是在J2结两侧积累的载流子电流迅速上升，达到局部导通所需的时间。 开通时间：tgt=td+tr。2.

11、4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数 图2-12 晶闸管的开通和关断过程波形2晶闸管的动态特性1）开通过程 影响因素： 延迟时间：门极电流上升的时间及峰值 上升时间：主回路阻抗 温度、阳极电压会影响开通时间2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数 图2-12 晶闸管的开通和关断过程波形2）关断过程原处于导通状态的晶闸管在外加电压由正向变为反向时，由于外部电感的存在，其阳极电流的衰减也需要时间。反向阻断恢复时间trr:正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。正向阻断恢复时间tgr:反向恢复过程结束后，晶闸管恢复对反向电压的阻断能力，但要恢复对正向电压的阻断能力还

12、需要一段时间。晶闸管的关断时间tq=trr+tgr，约为几百s，这是设计反向电压时间的依据。2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数 注意注意:在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管有可能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 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数关断过程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。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.4.2 晶闸管特性及主要

13、参数晶闸管特性及主要参数3晶闸管的主要特性参数 1）晶闸管的重复峰值电压额定电压UT 正向断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中的最小值 选用元件的额定电压值应比实际正常工作时的最大电压大23倍。 2）晶闸管的额定通态平均电流额定电流IT(AV) 在环境温度为40和规定的冷却条件下，当结温稳定且不超过额定结温时，晶闸管所允许的最大工频正弦半波电流的平均值，称为额定电流。 在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.52的安全系数，使其具有一定的电流裕量。2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数3）通态平均电压UT(AV) 在规定的环境温度、标准散热条件下，晶闸管通

14、以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，被称为通态平均电压（也称管压降）。反映了器件的通流能力，也和过载能力相关。4）维持电流IH和掣住电流IL 在室温下门极断开时，元件晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流被称为维持电流IH。 给晶闸管门极加上触发电压，当晶闸管刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时晶闸管维持导通所需要的最小阳极电流，被称为掣住电流IL。 对同一晶闸管来说，掣住电流IL要比维持电流IH大24倍。2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数5）晶闸管的开通与关断时间 晶闸管的关断时间tq与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有

15、关。6）通态电流临界上升率di/dt 晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率，称为通态电流临界上升率di/dt。7）断态电压临界上升率du/dt 在规定条件下，晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数1快速晶闸管 快速晶闸管（FST，Fast Switching Thyristor），其允许开关频率达到400Hz以上。其中开关频率在10kHz以上快速晶闸管的称为高频晶闸管。它们的外形、电气符号、基本结构、伏安特性都与普通晶闸管相同。 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1010

16、s s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 频率较高的斩波和逆变电路2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用2双向晶闸管 双向晶闸管（TRIAC，Triode AC Switch）具有正、反两个方向都能控制导通的特性，在交流调压、交流开关电路及交流调速等领域得到广泛应用。 有两个主电极T1和T2，一个门极G，正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性 与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多 通常用在交流电路中，因

17、此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 其电气符号和伏安特性分别如图2-13所示。双向晶闸管有4种触发方式：2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用图2-13 双向晶闸管的电气图形符号与伏安特性电气图形符号a) 伏安特性1）I+触发方式 当主电极T1对T2所加的电压为正向电压，门极G对T2所加电压为正向触发信号时，双向晶闸管导通，伏安特性处于第一象限；2）I-触发方式 保持主电极T1对T2所加的电压为正向电压，门极G触发信号改为反向信号，双向晶闸管也能导通；2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用图2-13 双向晶闸管的电气图形符号与伏安特性电气图形符号a) 伏安特

18、性3）+触发方式 当主电极T1为负，门极G对T1所加电压为正向触发信号时，双向晶闸管导通，电流从T2流向T1，其伏安特性处于第三象限；4）-触发方式 主电极T1仍为负，门极G对T1所加电压为反向触发信号时，双向晶闸管导通。 在实际应用中，特别是直流信号触发时，常选用I-触发方式和-触发方式。 由于双向晶闸管是工作在交流回路中，其额定电流用正弦电流有效值而不用平均值来标定。2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用图2-14 逆导晶闸管的电气图形符号与伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 3逆导晶闸管 在逆变或直流电路中，经常需要将晶闸管和二极管反向并联使用，逆导晶闸管（RCT

19、，Reverse Conducting Thyristor）就是根据这一要求将晶闸管和二极管集成在同一硅片上制造而成的逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性如图2-14所示。2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用图2-14 逆导晶闸管的电气图形符号与伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 3逆导晶闸管 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 主要用于直流斩波器，倍频式中频电源及三相逆变器等 逆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的电流与两只分立的晶闸管和电力二极管反并联的连接相比，体积更小，高温特性好。2.4.3 晶闸管派生器件及应用

20、晶闸管派生器件及应用 4光控晶闸管 光控晶闸管（LTT，Light Triggered Thyristor）是一种利用一定波长的光照信号控制的开关器件，它与普通晶闸管的不同之处在于其门极区集成了一个光电二极管。在光的照射下，光电二极管漏电流增加，此电流成为门极触发电流使晶闸管开通。图2-15 光控晶闸管的电气图形符号与伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用 4光控晶闸管 小功率光控晶闸管只有阳、阴两个电极，大功率光控晶闸管的门极带有光缆，光缆上有发光二极管或半导体激光器作为触发光源。由于主电路与触发电路之间有光电隔离，因此绝缘性能好，可

21、避免电磁干扰。光控晶闸管的参数与普通晶闸管类同，只是触发参数特殊。图2-15 光控晶闸管的电气图形符号与伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用 4光控晶闸管 1）触发光功率 加有正向电压的光控晶闸管由阻断状态转变成导通状态所需的输入光功率称为触发光功率，其数值通常为几mW到几十mW。 2）光谱响应范围 光控晶闸管只对一定波长范围的光线敏感，超出波长范围，则无法使其导通。 适用于信号源与主回路高度绝缘的大功率高压装置。如高压直流输电，高压核聚变图2-15 光控晶闸管的电气图形符号与伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用 晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求： （1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管能可靠导通； （2）触发脉冲应有足够的幅度； （3）触发脉冲不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内； （4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。理想的触发脉冲电流波形理想的