毕业论文-固态高压开关技术研究发展

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE III -固态高压开关技术研究发展摘要随着现代化工业的深入发展，用户对配电系统的要求不断提高，尤其是一些电网中敏感负载的数量不断地增加，对电能质量和电力系统的稳定性提出了更高的要求，如何快速断开短路电流，以抑制故障期间电压的跌落，提高电力系统的稳定性显得非常重要。目前，配电线路中多采用的是传统的高压开关，但该类型的高压开关有着明显的缺点，如开关速度较慢、有电弧、使用寿命短等，因此由电力电子器件组成的固态高压开关因其优越的电流关断性引起了广泛的关注。由电力电子器件组成的固态高压开关具有开关速度快、无电弧、寿

2、命长等优点，因开断器件不同，可分为基于晶闸管型、基于GTO型、基于IGBT型、基于IGCT型以及将电力电子器件同机械开关结合的混合型断路器等，但这些固态高压开关也存在一定的缺点。本文就是研究它们的技术、不足及未来发展方向。本文从高压开关、固态高压开关的概念入手，分析了固态高压开关的结构与工作原理，并介绍其发展史。其次，按照所含有的电力电子器件的不同，分别对晶闸管型、GTO型、IGBT型和IGCT型的固态高压开关的技术进行研究分析，对均压、均流、通态损耗、同步控制、实时检测等技术瓶颈问题进行了阐述，最后对其未来发展方向进行分析。关键词固态高压开关；电力电子；高压开关；Technical rese

3、arch and development of solid state high voltage switchAbstractWith the development of modern industry， higher performance standards for electric power distribution system are continually presented by users， the number of sensitive load facilities is increasing very fast， which makes more requiremen

4、ts on electrical power quality and stability of power system. How to break out the fault current within a short time to suppress voltage sag and enhance stability of power system becomes very important. Currently， the traditional mechanical circuit breakers are adopted in transmission line， but they

5、 have some disadvantages such as low switching speed， electric arc and short operation life， etc. Thus， solid-state circuit breaker based on power electronic switching devices is given widespread concern since the advent of them due to their outstanding performance of the switch current.The solid-st

6、ate high voltage switch has the advantages such as high switching speed， no electric are and long operation. The solid-state circuit breakers can be divided into several kinds， such as solid-state high voltage switch based on SCR， solid-state high voltage switch based on GTO， solid-state high voltag

7、e switch based on IGBT， solid-state high voltage switch based on IGCT et al. But those solid-state high voltage switch all have the disadvantages more all less. This article is a study of their technology， insufficient and future direction. From the high voltage switch， solid state high voltage swit

8、ch concept， this paper analyzes the structure and working principle of solid-state high voltage switch， and describes the development history. Second， according to the difference of the power electronic devices， research SCR type， GTO， IGBT and IGCT type solid-state high-voltage switching technology

9、， and find out the pressure， an average current， on-state losses， synchronization control， real-time detection technology bottlenecks， the last of its future development direction of analysis. KeywordsSolid-state high voltage switch， Power electronics， high voltage switchPAGE II- - PAGE V -目录摘要 = 1

10、* ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc328547956 第1章 绪论 PAGEREF _Toc328547956 h 1 HYPERLINK l _Toc328547957 1.1固态高压开关研究背景 PAGEREF _Toc328547957 h 1 HYPERLINK l _Toc328547958 1.1.1电力电子技术的发展 PAGEREF _Toc328547958 h 1 HYPERLINK l _Toc328547959 1.1.2电力电子器件的发展 PAGEREF _Toc328547

11、959 h 2 HYPERLINK l _Toc328547960 1.2固态高压开关研究意义 PAGEREF _Toc328547960 h 3 HYPERLINK l _Toc328547961 1.3本章小结 PAGEREF _Toc328547961 h 4 HYPERLINK l _Toc328547962 第2章 固态高压开关简介 PAGEREF _Toc328547962 h 5 HYPERLINK l _Toc328547963 2.1高压开关概述 PAGEREF _Toc328547963 h 5 HYPERLINK l _Toc328547964 2.1.1高压开关的用途与

12、分类 PAGEREF _Toc328547964 h 5 HYPERLINK l _Toc328547965 2.1.2高压开关的发展 PAGEREF _Toc328547965 h 5 HYPERLINK l _Toc328547966 2.2固态高压开关概述 PAGEREF _Toc328547966 h 6 HYPERLINK l _Toc328547967 2.2.1固态高压开关的概念 PAGEREF _Toc328547967 h 6 HYPERLINK l _Toc328547968 2.2.2固态高压开关的结构 PAGEREF _Toc328547968 h 6 HYPERLIN

13、K l _Toc328547969 2.2.3固态高压开关的工作原理 PAGEREF _Toc328547969 h 7 HYPERLINK l _Toc328547970 2.2.4固态高压开关的发展 PAGEREF _Toc328547970 h 7 HYPERLINK l _Toc328547971 2.3本章小结 PAGEREF _Toc328547971 h 9 HYPERLINK l _Toc328547972 第3章 固态高压开关的技术研究 PAGEREF _Toc328547972 h 10 HYPERLINK l _Toc328547973 3.1半控型固态高压开关 PAGE

14、REF _Toc328547973 h 10 HYPERLINK l _Toc328547974 3.1.1电力电子器件SCR简介 PAGEREF _Toc328547974 h 10 HYPERLINK l _Toc328547975 3.1.1.2半控型固态高压开关的拓扑结构及工作原理 PAGEREF _Toc328547975 h 13 HYPERLINK l _Toc328547976 3.2全控型固态高压开关 PAGEREF _Toc328547976 h 14 HYPERLINK l _Toc328547977 3.2.1 GTO型固态高压开关 PAGEREF _Toc328547

15、977 h 14 HYPERLINK l _Toc328547978 3.2.2 IGBT型固态高压开关 PAGEREF _Toc328547978 h 16 HYPERLINK l _Toc328547979 3.2.3 IGCT型固态高压开关 PAGEREF _Toc328547979 h 23 HYPERLINK l _Toc328547980 3.3本章小结 PAGEREF _Toc328547980 h 26 HYPERLINK l _Toc328547981 第4章 固态高压开关的技术瓶颈和发展方向 PAGEREF _Toc328547981 h 27 HYPERLINK l _T

16、oc328547982 4.1固态高压开关的技术瓶颈 PAGEREF _Toc328547982 h 27 HYPERLINK l _Toc328547983 4.1.1驱动脉冲的同步控制问题 PAGEREF _Toc328547983 h 27 HYPERLINK l _Toc328547984 4.1.2通态损耗问题 PAGEREF _Toc328547984 h 27 HYPERLINK l _Toc328547985 4.1.3均压和均流问题 PAGEREF _Toc328547985 h 27 HYPERLINK l _Toc328547986 4.1.4 IGBT串并联技术不完善

17、PAGEREF _Toc328547986 h 27 HYPERLINK l _Toc328547987 4.1.5故障电压、电流的实时检测 PAGEREF _Toc328547987 h 27 HYPERLINK l _Toc328547988 4.2固态高压开关的发展方向与展望 PAGEREF _Toc328547988 h 28 HYPERLINK l _Toc328547989 4.3本章小结 PAGEREF _Toc328547989 h 28 HYPERLINK l _Toc328547990 结论 PAGEREF _Toc328547990 h 29 HYPERLINK l _T

18、oc328547991 致谢 PAGEREF _Toc328547991 h 30 HYPERLINK l _Toc328547992 参考文献 PAGEREF _Toc328547992 h 31 HYPERLINK l _Toc328547993 附录 PAGEREF _Toc328547993 h 34- PAGE 10 - PAGE 46 -绪论1.1固态高压开关研究背景随着电力系统的迅速发展，现代电力系统面临一系列新的矛盾和问题，也面临前所未有的挑战：电力系统不断扩大，电网短路电流水平迅速提高，现有的断路器如油断路器、空气断路器等，动作速度慢，灭弧困难，断流容量受到限制，难以满足急剧

19、增大的断流容量的要求；在许多场合，特别是对于电力系统稳定控制，开关的速度是关键所在，因此如何快速、安全的开断故障电流显得日趋重要。而机械惯性限制了机械式控制动作速度的提高，严重阻碍了在事故处理及系统稳定控制中的应用，并且机械动作可靠性差、器件寿命短，也已经无法满足电力系统的要求。因此，基于电力电子器件的固态高压开关因其卓越的电流关断性使其自问世以来便引起广泛的关注。同时，现代电力电子技术和电力电子器件的迅速发展，为固态高压开关的研制提供了坚实的物质基础和技术背景1。1.1.1电力电子技术的发展电力电子技术是一门以电力为对象，采用功率半导体器件(电力电子器件)做工具，通过弱电对强电的控制，实现电

20、能变换与控制的技术。电力电子技术的发展与电力电子器件的发展密不可分。50年代末晶闸管的问世标志了电力电子技术的开端，从此电子技术向着两个分支发展，一支是以晶体管集成电路为核心形成的对信息处理的微电子技术，其发展特点是集成度越来越高，集成规模越来越大，各种功能越来越全；另一支是以电力半导体器件为核心用于完成电力处理的电力电子技术，其发展的特点是器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。通常认为，1957年第一只晶闸管(SCR)发明之日即为电力电子技术诞生之时，在以后的五十几年时间里，电力电子技术的发展大体可划分为两个阶段：1957年1980年：传统电力电子技术；1980年至今：现代电力电子技术。

21、事实上，电力电子技术的产生和发展依赖于电力电子器件的不断涌现和发展。按照功能与结构特点，电力电子器件的发展可分为三个发展阶段：第一代电力电子器件以晶闸管为代表，包括普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管、逆导晶闸管(RCT)、双向晶闸管(TRIAC)、不对称晶闸管(ASCR)等等。以第一代电力电子器件为基础发展起来的电力电子技术通常称之为传统电力电子阶段。第二代电力电子器件是从70年代末期开始发展的，电力电子技术的发展对器件提出了更高的要求，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而导致了第二代电力电子器件的出现和迅速发展。因此，电力电子技术迈入了现代电力电子技术的发展阶段。第二代电力电子器

22、件在技术上是既能被控制导通，也能被控制关断的“全控型”或“自关断型”器件，它们在结构上是把若干个(直至数十万个)具有相同功能的元件进行并联集成的。出现在80年代中期的第三代电力电子产品智能功率集成电路（Smart Power IC），进一步把具有不同功能的功率单元、逻辑单元、传感单元、测量单元和保护单元等集于一体，不仅具有电路的功能，而且实现了器件与电路的集成，是强电和弱电相结合，功率与信息的统一。国外有人认为，Smart Power IC的出现，使人类站在了第二次电子学革命的边缘。应该说，第二次电子学革命是电力电子技术与微电子技术、计算机技术在器件和应用各个层次上融合发展的结果。总之，现代电

23、力电子技术已成为信息产业和传统产业之间的重要接口，弱电和被控强电之间的桥梁。它不仅是机电一体化中的一项关键技术，而且也是在广泛应用领域内支持多项高新技术发展的基础技术。电力电子技术的最终发展必将会大幅度节约电能、降低材料消耗、提高生产效率。1.1.2电力电子器件的发展自1957年普通晶闸管问世发展到1980年，电力电子器件的发展己经历了三代，传统的电力电子器件已由普通晶闸管衍生出了快速晶闸管，逆导晶闸管(RCT)，双向晶闸管(TRIAC)，不对称晶闸管(ASCR)等等，从而形成了一个SCR大家族，传统的电力电子器件己发展到相当成熟的地步。70年代后期，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR

24、)及其模块相继实用化，在中大容量的变流装置中，传统的SCR逐渐被这些新型器件取代。此后，各种高频化全控型器件不断地问世，并得到迅速发展，逐渐形成了一个新型的全控型电力电子器件的大家族。80年代中期，第三代产品Smart Power IC功率集成电路问世。目前SCR、TRIAC、ASCR等第一代电力电子器件的发展己处于成熟期、饱和期或接近衰减期的位置，与此相反，第二、第三代新型器件正在迅速发展。在电力电子电路中，电力电子器件的作用类似于一个开关。根据导通、关断的受控情况，电力电子器件可作如下分类：l)不可控器件：这种器件通常为双端器件，其导通与关断取决于它在电路中的工作条件，与控制电路无直接联系

25、。2)半控型器件：这种器件通常为三端器件，通过控制信号只能控制其开通而不能控制其关断，如SCR等传统电力电子器件。3)全控型器件：这种器件也为三端器件。通过控制信号，既可以控制其开通，又可以控制其关断，如GTO、GTR、MOSFET、IGBT、IGCT、ETO等。在半导体器件中存在两种基本载流子自由电子和空穴，器件中流过的电流是由器件体内载流子在外界条件作用下扩散、漂移、复合而形成的。按器件内部载流子参与导电的情况，电力电子器件又可分为双极型、单极型和复合型三类。1)双极型器件：所谓双极型器件是指器件内部自由电子和空穴两种载流子都参与导电的半导体器件。常见的双极型器件有：SCR、GTO、GTR

26、和SITH等。这类器件的特点是：通态压降低，阻断电压高，电流容量大，但工作频率低。适用于大、中容量的变流设备。2)单极型器件：所谓单极型器件是指器件内只有一种载流子(多数载流子)参与导电的半导体器件。这类器件目前已经商品化的有两种，即功率场效应晶体管(Power MOSFET)和静电感应晶体管SIT(Static Induction Transistor)。单极型器件的特点是：输入阻抗高，抗干扰能力强，开关特性好，工作频率高。适用于高频工作的中小容量设备，比如：无线电发射、机器人传动装置等。3)复合型器件：所谓复合型器件是指双极型和单极型器件的集成混合。复合型器件既具有GTR、GTO、SCR等

27、双极型器件的电流密度大、通态压降低的优点，同时又具有MOSFET等单极型器件的输入阻抗高、响应速度快、控制简单等优点。因此，这类新型器件已引起人们的高度重视。目前已开发的复合型器件主要有：IGBT、MCT等。电力电子器件的发展标志着固态高压开关的发展，只有电力电子器件不断地完善，才会研发出新型的固态高压开关，满足当下电力系统的要求。1.2固态高压开关研究意义基于电力电子器件的固态高压开关因其优越的电流关断性能，使其自问世以来便引起广泛的关注。在国外，尤其是发达国家如日本、德国早在十几年前己开发出完全由电力电子器件构成的固态高压开关，己形成许多品种、规格的系列产品。在我国，固态高压开关的研发也逐

28、渐得到重视，越来越多的固态高压开关正在进入市场。与传统高压开关相比，固态高压开关具有开断时间短、无声响、无弧光、无关断死区、寿命长及工作可靠性高等特点，使固态高压开关具有较高的推广和应用价值。固态高压开关是利用电力电子器件作为无触点开关装置，克服了机械式开关的缺点，在系统开通关断瞬间不会产生电弧，延长开关使用寿命，可避免开关投切过程中在电力系统中引起的操作过电压。因此可使电力设备绝缘水平大幅度降低，由于操作不当而引起设备(包括开关本身)的损坏也可大大减少。同时，由于电力电子器件的通断时间在微秒甚至纳秒级，故而使得断路器的动作速度大大提高。此优点在一些对开关动作要求较高的场合，如超快速负荷开关、

29、限流断路器及转换开关中有较为广阔的应用前景。所以这种技术在国外已经得到广泛应用，而在国内也逐渐得到重视和推广。进一步研究和改进固态断路器将有着很好的实用意义。1.3本章小结本章简单介绍了固态高压开关的研究背景和研究意义，阐述了固态高压开关是随着电力电子技术和电力电子器件的发展而进行的，为后文介绍固态开关做铺垫。固态高压开关简介2.1高压开关概述2.1.1高压开关的用途与分类高压开关（或称高压断路器）它不仅可以切断或闭合高压电路中的空载电流和负荷电流，而且当系统发生故障时通过继电器保护装置的作用，切断过负荷电流和短路电流，它具有完善的灭弧结构和足够的断流能力，可分为：油断路器（多油断路器、少油断

30、路器）、六氟化硫断路器（SF6断路器）、真空断路器、压缩空气断路器等。高压断路器在高压电路中起控制作用，是高压电路中的重要电器元件之一。断路器用于在正常运行时接通或断开电路，故障情况下在继电保护装置的作用下迅速断开电路，特殊情况（如自动重合到故障线路上时)下可靠地接通短路电流。高压断路器是在正常或故障情况下接通或断开高压电路的专用电器。2.1.2高压开关的发展在我国，开关产品已从初期的油断路器、空气开关，进入到了以真空断路器和SF6断路器及其成套设备（GIS）为主导的新时代；设备电压等级从交流12kV、40.5kV提升到750kV，并正在向1100kV特高压电压等级发展；而对其机械加工也已从最

31、基本的工艺手段发展到具有适合规模化、专业化生产的大型数控机床、加工中心、柔性生产线及专用工艺装备等；产品性能从仅能满足近距离机械连锁操作，向可以远距离、无人值守的自动遥控、遥测操作发展；产品灭弧机理、灭弧室结构设计研发更为科学、先进，更加安全可靠；产品实现了真正意义上的计算机辅助设计，产品主要技术性能接近或达到世界先进水平。产品市场需求趋于多样化。由于考虑投资、效益等一系列问题，目前用户在产品选型和使用方面也在发生变化，产品要求多样化趋势今后将进一步加强。高压开关市场产品更加丰富，这是供、配电系统和产品综合性能考虑、市场发展日趋成熟和用户个性化的必然结果。无油化将是市场发展主流。无油化开关设备

32、以其诸多优点纵横天下，近年来使用量和市场占有率一直在迅速增加。主要表现为高压、超高压断路器向SF6断路器方向调整和发展，而随着SF6产品价格的下降，油断路器产量将越来越少，126kV真空断路器也将有所需求；40.5kV SF6开关和真空开关将并驾齐驱向前发展，真空开关占优，12kV产品将主要向真空方向发展，比重仍将继续增加。向智能化、信息化方向发展。产品智能化就是实现高压开关二次技术现代化，是将计算机技术同机械系统结合，再通过传感器采集信息，利用光纤或其他方式传导信息，实现开关设备在线检测、运行状态监视、分析、判断、控制、保护及操作智能化。高新技术与传统技术相结合的信息化、智能化产品的市场需求

33、将进一步扩大，产品市场向信息化、智能化方向发展的进程必将加快。2.2固态高压开关概述2.2.1固态高压开关的概念固态高压开关，即固态断路器(SSCB)是背靠背的将晶闸管并联在一起，形成一个交流开关模块，再按额定电压将其串联起来2。固态断路器（SSCB）是柔性交流输电系统（FACTS）和DFACTS（配电FACTS）中实现对电力系统参数和网络结构快速、灵活、准确控制的关键设备，也是保障现代电力系统安全、可靠运行的重要设备。2.2.2固态高压开关的结构图2-1固态高压开关结构图如图2-1所示，该装置主要由以下几部分组成：固态开关由电力电子器件构成单相或三相固态交流开关，实现对主电路的通、断控制。检

34、测电路装置的检测电路完成对线路上电流及电压的即时检测，并根据电流及电压的变化进行相应的判断，并最终输出相应的检测信号。控制驱动电路主要以DSP芯片为核心，配以复杂可编程逻辑器件CPLD以及驱动保护电路构成，负责整个装置动作的正确完成和电力电子回路的保护等。根据检测电路测量的主电路电压、电流的模拟量，处理成开关量送入DSP处理器。DSP处理器将得到的信号经过数值计算、数字滤波、逻辑处理后送到驱动电路，经驱动电路功率放大后发出正确的控制驱动信号给固态开关。缓冲电路：固态开关上并联缓冲电路，是由于固态开关在关断的时候会产生较大的反相关断电压。因此设计了由电容、电阻、二极管等构成的缓冲回路来吸收关断时

35、的能量以保护电力电子器件，防止固态开关因开关动作产生的冲击而损坏，同时也减少了电力电子器件的开关损耗。2.2.3固态高压开关的工作原理固态断路器的工作原理：当断路器控制回路得电后，测控装置通过人机接口下达合闸命令，DSP经过检测断路器的各种信号，当符合条件时使一个开关输出量变成高电平，该高电平送到电力电子器件的驱动电路使其导通。当断路器接通后测控装置会通过传感器、A/D器件检测线路上的交流信号，并且同时将转换后的数据送DSP处理，计算出各交流信号的有效值、频率、功率等。当检测到故障的时候或者进行分闸的时候，DSP经过检测断路器的各种信号，使开关输出量变为低电平，该低电平送到电力电子器件的驱动电

36、路使其关断并发出故障信号，使电力电子固态开关迅速分断。2.2.4固态高压开关的发展固态断路器是随着电力电子器件的发展而发展起来的。在20世纪70年代末，出现了以晶闸管(SCR)器件作开关元件的固态断路器，由于该类型的断路器中没有机械运动部件，在当时被称为静态断路器。最早的静态断路器包括两种基本类型：一种是在电流第一次自然过零时开断的单环断路器；另一种则是在电流第一次自然过零之前通过转移回路产生人工高频零点而开断的限流断路器。晶闸管型的固态断路器只有过零才能开断，开断延迟较大，不能准确控制开断时刻；人工过零又需要研究相应的配套技术并增加电流转移回路的投资。然而80年代后，随着门极关断晶闸管GTO

37、、绝缘栅双极晶体管IGBT、MOS控制晶闸管MCT等全控器件的诞生，固态断路器又有了新的发展，可以准确控制开断时刻并能解决故障电流的限流开断问题。特别是在90年代，随着ABB和日本三菱的集成栅极换流可控硅IGCT、美国硅功率公司的MOS关断可控硅及美国CPES黄勤教授提出的发射极关断可控硅ETO的问世，这三种具有硬关断能力的新型大功率器件为固态断路器提供了更多的选择余地【3】。目前常用器件的容量如表2-2所示。器件功能器件功能SCR35KA/6.5KVIGBT1.2KA/3.3KVGTO10KA/8KVIGCT4KA/4.5KVMOSFET200A/1.5KVIEBT3KA/4.5KV表2-2

38、 常用器件的容量表我国在固态断路器方面研究比国外起步晚，但也初步取得了一定成果。浙江大学对具有短路限流保护功能的固态开关的研究工作起步于1995年，对适用于交流系统的限流技术进行了较为深入的仿真研究和各种情况下实验室样机的小容量实验。东南大学的研究人员在基于IGBT的低压固态断路器进行了大量的仿真和样机实验基础上，对结合了机械开关静态特性和固态开关快速动作特性的混合式断路器也进行了深入研究。还有许多国内的高校和研究机构对固态断路器进行了许多仿真和试验研究，但还没有应用于工程实践的产品。根据固态断路器的发展历程可将其分为静态断路器和混合型断路器4：1)静态断路器5静态断路器（基于SCR）的拓扑结

39、构如图2-3：图2-3 静态断路器静态断路器与传统的断路器相比，其具有开断时间短、无声响、无弧光、无关断死区、寿命长及工作可靠性高等特点，但是它同时也存在设备的过压与过流、器件损耗过大而必须加上较大的冷却系统及相较于机械式断路器价格高等缺点，以上这些缺点极大地影响了静态断路器的推广应用。2)混合型断路器混合型断路器（基于IGBT）的拓扑结构如图2-4：图2-4 混合型断路器针对纯固态断路器的缺点，提出利用机械式断路器良好的静态特性，结合电力电子回路的动态特性而构成混合型断路器，即在机械式开关的基础上，利用电力电子器件作为无触头开关与机械式开关的触头并联，构成一种综合两者共同优点的新型断路器。其

40、工作原理是：主开关S与固态开关同时通、断，利用主开关S触点间电弧电压的反电势作用将电流切换到固态开关部份，主开关S作为正常工作时的电流通道，固态开关部份只负责断路器通断切换时的动态换流。与静态断路器相比较，由于电力电子器件只在开关开断的瞬间导通，平时几乎没有损耗，所以省却了笨重的冷却设备。2.3本章小结本章介绍了固态高压开关主要有固态开关、检测电路、缓冲电路和驱动电路四部分组成，阐述了其各部件作用及整体工作原理，最后对其过往的发展进行了阐述。固态高压开关的技术研究固态高压开关按照电力电子器件分：半控型（以SCR为代表）和全控型（以GTO、IGBT、IGCT为代表）3.1半控型固态高压开关半控型

41、固态高压开关主要是以电力电子器件SCR为主。3.1.1电力电子器件SCR简介3.1.1.1晶闸管SCR的结构与原理晶闸管主要有螺栓形和平板形两种封装结构，均引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个连接端。SCR内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四个区。P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，P2区引出门级G。四个区形成J1、J2、J3三个PN结。如果正向电压（阳极高于阴极）加到器件上，则J2处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则J1和J3反偏，该器件也处于阻断状态仅有极小的反向漏电流通过6。如图3-1为晶闸管的

42、结构和电气符号：图3-1晶闸管结构图与电气符号晶闸管导通的工作原理：可以将其按照双晶体管的模型来解释，可以把晶闸管看成由P1N1P2和N1P2N2两个晶体管V1、V2组合而成。工作原理图如图3-2。当外电路给予门极注入驱动电流IG时，IG流入晶体管V2的基极，产生集电极电流Ic2，而它又构成晶体管V1的基极电流，放大成集电极电流Ic1，又进一步增大V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最终V1和V2进入完全饱和状态，从而晶闸管导通。而若要晶闸管关断，必须去掉阳极A所加的正向电压或者对其施加反向电压，再或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。正是由于通过门极只能控

43、制其开通，不能控制其关断，所以称其为半控型器件。图3-2 SCR工作原理电路图SCR的基本特性（1）静态特性。可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。当晶闸管承受正向电压时，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，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。以上特点反映到晶闸管的伏安特性如下图3-3所示。位于第I象限的正向特性，位于第象限的是反向特性。当IG=0时，如果在器件两端施加正向电

44、压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。如果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（由高阻区经虚线负阻区到低阻区）。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。即使通过较大的阳极电流，晶闸管本身的压降也很小，在1V左右。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为维持电流。当在晶闸管上施加反向电压时，其伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向

45、漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。晶闸管的门极触发电流是从门极流入晶闸管，从阴极流出的。阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。从晶闸管的结构图可以看出，门极和阴极之间是一个PN结，其伏安特性称为门极伏安特性。为了保证可靠、安全的触发，门极触发电路所提供的触发电压、触发电流和功率都应限制在晶闸管门极伏安特性曲线中的可靠触发区。图3-3 晶闸管的伏安特性动态特性下图3-4给出了晶闸管开通和关断过程的波形。其开通过程描述的是使门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况；而关断过程描述的是对已导通的晶闸管，外电路所加电压在某

46、一时刻突然由正向变向反向的情况。开通过程由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延迟时间td，与此同时晶闸管的正向压降也在减小。阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间称为上升时间tr，开通时间tgr，即定义为两者之和。普通晶闸管延迟时间为0.51.5微秒，上升时间为0.53微秒。其延迟时间随门极电流的增大而减小。上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。延迟时间和上升时间还与阳极电压的大小有关。提高阳极电压可以增大晶体管V2的电流增

47、益2，从而使正反馈过程加速，延迟时间和上升时间都可显著缩短。关断过程由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。阳极电流将逐步衰减到零，然后同电力二极管的关断动态过程类似，在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值IRM后，再反方向衰减。同样，在恢复电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在晶闸管两端引起反向的尖峰电压URRM。最终反向恢复电流衰减至接近于零，晶闸管恢复其对反向电压的阻断能力。从正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时间，就是晶闸管的反向阻断恢复时间。反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要

48、恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间，称为正向阻断恢复时间。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，而不是受门极电流控制而导通。所以实际应用中，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。图3-4 晶闸管的开通和关断过程波形3.1.1.2半控型固态高压开关的拓扑结构及工作原理下图3-5为半控型固态高压开关的拓扑结构图3，由于晶闸管是半控型器件，因此需加上一个强迫换流电路以迫使两个反并联的晶闸管关断。其工作原理是：在正常工作状态时，电流流过两个主晶闸管，两个电容必须按照图示方向预先充好电，当故障发生时，触发辅

49、助晶闸管，电流立即换流到辅助路径上，电容开始放电，迫使电流迅速过零以达到使晶闸管关断的目的。其整体工作原理为：在正常情况下，控制回路得电后，DSP通过对检测电路提供的正常电压和电流的处理，向驱动电路提供一个高电平，使SCR导通，以保证交流电流通过；当检测电路发现有过电流或系统工作不正常时，DSP则向驱动电路提供一个低电平，使SCR阳极承受反向电压，使其迅速关断并发出故障信号7。图3-5 基于SCR的固态断路器部分拓扑结构3.2全控型固态高压开关3.2.1 GTO型固态高压开关1、GTO简介GTO（Gate-Turn-Off Thyristor)是门极可关断晶闸管的简称，严格地讲也是晶闸管的一种

50、派生器件，和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极、阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出三个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图3-6分别为GTO内部并联结构断面示意图和电气符号：图3-6 GTO内部并联结构断面示意图和电气符号GTO的工作原理与普通晶闸管一样，也可以用双晶体管模型来分析。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。由普通晶闸管的分析可以看出，1+2=1是器件临界导通的条件。当大于时，两个等效晶体管过饱和而

51、使器件导通：当小于时，不能维持饱和导通而关断。GTO与普通晶闸管不同的是：在设计器件时使得2较大，这样晶体管V2控制灵敏，使得GTO易于关断；使得导通时的1+2更接近于1。普通晶闸管设计为1+21.15，而GTO设计为1+21.05，这样使GTO导通时饱和程度不深，更接近于临界饱和，从而为门极控制关断提供了有利条件，但却导致导通时管压降增大了；多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2基区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。2、GTO的动态特性下图3-7给出了GTO开通和关断过程中门极电流和阳极电流的波形。与普通晶闸管类似，开通过程中需要经

52、过延迟时间和上升时间。关断过程有所不同，需要经历抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间，从而使等效晶体管退出饱和状态；然后则是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间；最后还有残存载流子复合所需时间。图3-7 GTO的开通与关断过程电流波形3、GTO应用于固态高压开关在中高电压场合，固态断路器常采用额定电压和额定电流相对较高的GTO。GTO型断路器通过给GTO管门极加正向或负向脉冲电流来实现电流的通断。与晶闸管相比，它不需要换流电路；不需要换流电容充电电路，因此缩短了自复时间；电流关断时间也比晶闸管短，因而在故障电流达到阀值后，能减小经过断路器故障电流的峰值，降低了对GTO容量的要求，

53、也降低了断路器的成本。这一类型的固态断路器也是目前唯一投入高压场合中实际运行的固态断路器8。单独的GTO应用到固态断路器中时，由于它构成的固态断路器能在任何时候关断，但是通态损耗较高，所需驱动电路功率高，庞大的保护及缓冲电路不但增加了其运行费用，还使装置复杂，降低了装置的可靠性。又因为它过载能力低，不能持续导通故障电流，而只能在故障电流到达其最大关断值前关断。GTO与机械式开关触头并联构成的混合型断路器结合了传统断路器通态损耗小、固态断路器开断速度快等优点，GTO只有在开关开断的瞬间导通，平时几乎没有损耗，所以省了笨重的冷却装置。研究表明，这种装置可在1ms内将60kA的预期故障电流限制在10

54、kA以内，限流效果非常显著，这不但减轻了故障电流带来的电磁应力和热应力，而且可使电压跌落在瞬间恢复，有效消除了电压跌落对其他负荷的影响。但是混合式断路器结构复杂，不利于控制，当真空开关断开时有电弧产生，这不但磨损了开关触头，影响真空断路器的寿命，而且较长时间的电弧电流转移不但威胁着GTO的安全，又限制了GTO快速开断故障电流的能力，同时其成本可能比普通的固态断路器还高，只能作为一种过渡方案。下图3-8为其拓扑结构：图3-8 GTO混合型断路器拓扑结构其工作原理是：当系统正常运行时，固态断路器断开，真空断路器闭合，输出分闸脱扣信号，同时给GTO发出导通脉冲信号，随后真空开关分闸，短路电流在电弧电

55、压的作用下经过一定的时间全部转移至GTO，然后GTO再断开9。3.2.2 IGBT型固态高压开关1、IGBT简介IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。下图3-9为IGBT的结构、简化等效电路。从图3-9可以看出IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。IGBT的结构类似于MOSFET，其不同点在于IGBT比MOSFET多了一层P+注入区，因而形成了一个大面积的P+N

56、结。这样使得IGBT导通时由P+注入区向N-漂移区发射少子，从而实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT有很强的通流能力。从图3-9看出IGBT是由GTR和MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图中Rdr为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT是以GTR为主导元件、MOSFET为驱动元件的场控器件。图3-9 IGBT的剖面结构图和简化等效电路图IGBT的开通和关断是由栅极和发射极间的电压决定的，当栅极施以正电压时，在栅极下的P区内便形成N沟道，此沟道连通源区和漂移区，为PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。此时，从P+区注入到N-区的少子对N-进行

57、电导调制10，减小N-区的电阻Rdr，使高耐压的IGBT也具有与GTR相当的低通态压降；当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。2、IGBT的基本特性1）静态特性11静态特性分为传输特性(又称转移特性)和输出特性。(1)传输特性：IGBT的传输特性描述了集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系曲线，如图3-10，它与MOSFET的转移特性相同。当栅射电压小于开启电压时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分集电极电流范围内，IC与UGE呈线性关系。最高栅射电压受最大集电极电流限制，其最佳值一般取15V。开启电压是IG

58、BT实现电导调制导通时的最低栅射电压，它随温度升高而略有下降，温度每升高1，其值下降5mV左右。在+25时，IGBT的开启电压在(2)输出特性：IGBT的输出特性是以栅射电压UGE为控制变量，集电极电流IC与集射极电压UCE之间的相互关系，如图3-10所示。图中URM是IGBT能够承受的最高反向阻断电压，UFM是IGBT能够承受的最高正向阻断电压，它与GTR的输出特性相似，不同的是IGBT的控制变量为栅射电压UGE，GTR为基极电流IB。由于PN结的开启电压不为零，所以IGBT的输出特性曲线不始于坐标原点。图3-10 IGBT的传输特性和输出特性IGBT的输出特性分为正向阻断区、线性区和饱和区

59、。当UCE0而栅射电压小于开启电压时，IGBT为正向阻断工作状态，J2结处于反偏，IGBT只有很小的集电极漏电流ICES流过；当UCE0，栅射电压大于开启电压时，IGBT进入正向导通状态，随着栅射电压的升高，向N区基极提供电子的导电沟道加宽，集电极电流IC增大。在正向导通的大部分区域内，IC与UGE呈线性关系，而与UCE无关，这部分区域即为线性区，作为开关状态的IGBT要避开此区，否则功耗将很大。饱和区指输出特性明显弯曲的部分，此时集电极电流IC与栅射极电压UGE不再是线性关系。动态特性IGBT开通过程的大部分时间是作为功率MOSFET来运行的，所以其电压电流波形与功率MOSFET开通时相似，

60、只是在集射电压下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和区，又增加了一段延迟时间。下图3-11(a)是IGBT开通时的电压、电流波形图。实际应用中常给出的集电极电流开通时间ton为td(on)和tri之和。IGBT在关断过程中，集电极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成集电极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压UCE的上升时间，tfi1和tfi2组成集电极电流的下降时间tfi，如下图3-11b)所示。实际应用中常给出的集电极电流关断时间为关断延迟时间、电压UCE上升时间与集电极电流下降时间三者之和。IGBT的开关时间与集电