新电力电子技术第二讲晶闸管

2010-2011（2）刘刚-电力电子技术教案11.3半控器件—晶闸管全称晶体闸流管，又称可控硅整流器（SCR）。1、晶闸管的结构与工作原理晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图如图1所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。可等效为PNP和NPN两个三极管。图1晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图晶闸管的工作原理是：门极电流IG↑→Ib2↑→Ic2(Ib1)↑→Ic1↑→IK↑，阳极A、阴极K饱和导通。2、晶闸管工作特点是：（1）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。（2）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。（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。（4）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。3、晶闸管电流关系根据晶体管的工作原理和结点电流定律，得：IIICBOAC111IIICBOKC222IIIGAKIIICCA21)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-1）阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管阳极的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。2010-2011（2）刘刚-电力电子技术教案2开通状态：若注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1，则流过晶闸管的电流IA将趋近于无穷大，实现饱和导通，IA实际由外电路决定。4、闸管静态特性晶闸管静态V-I特性曲线图如图2所示。图2晶闸管静态V-I特性曲线图（1）正向特性：IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。（2）反向特性：反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。5、动态特性晶闸管的开通和关断过程波形如图7所示。图7晶闸管的开通和关断过程波形（1）开通过程：延迟时间td：0.5~1.5s。上升时间tr：0.5~3s。开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr。2010-2011（2）刘刚-电力电子技术教案3（2）关断过程：反向阻断恢复时间trr，正向阻断恢复时间tgr，关断时间tq是以上两者之和tq=trr+tgr。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。6、晶闸管的主要参数（1）电压定额断态重复峰值电压UDRM：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM：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。通态（峰值）电压UT：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。（2）电流定额通态平均电流IT(AV)：在环境温度为40C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最大工频正弦半波电流的平均值。标称其为额定电流参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM：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性最大正向过载电流。（3）动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有以下几个参数：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，不导致晶闸管从断态到通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，就会使晶闸管误导通。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。1.6.2晶闸管的触发电路1、触发电路要求晶闸管的触发电路作用：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）脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；触发脉冲应有足够的幅度。（2）不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。2010-2011（2）刘刚-电力电子技术教案4（3）有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。理想的晶闸管触发脉冲电流波形如图2所示。图2理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2脉冲前沿上升时间（1s）。t1~t3强脉宽度。IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）。t1~t4脉冲宽度。I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）。2、教材所述触发电路教材图1-6-3所示。V2、V3构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。V2、V3导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1回流（或续流）二极管；VD2整流（或检波）二极管；VD3是保护二极管，当脉冲变压器反相输出时，使加到门极和阴极反相电压小于0.7V。图1-6-3常见的晶闸管触发电路3、实验台单结晶体管触发电路（1）利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和RC的充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路，如图3所示，单结晶体管触发电路的各点波形如图4所示。2010-2011（2）刘刚-电力电子技术教案5图中V6为单结晶体管，其常用的型号有BT33和BT35两种，由等效电阻V5和C1组成组成RC充电回路，由C1-V6-脉冲变压器组成电容放电回路，调节RP1即可改变C1充电回路中的等效电阻。图3单结晶体管触发电路原理图图4单结晶体管触发电路各点的电压波形(α=900)2010-2011（2）刘刚-电力电子技术教案6工作原理简述如下：由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经VD1半波整流，再由稳压管V1、V2进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过R7及等效可变电阻V5向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压UP时，单结晶体管V6导通，电容通过脉冲变压器原边放电，脉冲变压器副边输出脉冲。同时由于放电时间常数很小，C1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv，使V6关断，C1再次充电，周而复始，在电容C1两端呈现锯齿波形，在脉冲变压器副边输出尖脉冲。在一个梯形波周期内，V6可能导通、关断多次，但只有输出的第一个触发脉冲对晶闸管的触发时刻起作用。充电时间常数由电容C1和等效电阻等决定，调节RP1改变C1的充电的时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制。单结晶体管触发电路的各点波形如图1-9所示。电位器RP1已装在面板上，同步信号已在内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。4、实验台锯齿波同步移相触发电路锯齿波同步移相触发电路由同步检测、锯齿波形成、移相控制、脉冲形成、脉冲放大等环节组成，其原理图如图5所示。图5锯齿波同步移相触发电路I原理图由V3、VD1、VD2、C1等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压UT来控制锯齿波产生的时刻及锯齿波的宽度。由V1、V2等元件组成的恒流源电路，当V3截止时，恒流源对C2充电形成锯齿波；当V3导通时，电容C2通过R4、V3放电。调节电位器RP1可以调节恒流源的电流大小，从而改变了锯齿波的斜率。控制电压Uct、偏移电压Ub和锯齿波电压在V5基极综合叠加，从而构成移相控制环节，RP2、RP3分别调节控制电压Uct和偏移电压Ub的大小。V6、V7构成脉冲形成放大环节，2010-2011（2）刘刚-电力电子技术教案7C5为强触发电容改善脉冲的前沿，由脉冲变压器输出触发脉冲，电路的各点电压波形如图6所示。本装置有两路锯齿波同步移相触发电路，I和II，在电路上完全一样，只是锯齿波触发电路II输出的触发脉冲相位与I恰好互差180O，供单相整流及逆变实验用。电位器RP1、RP2、RP3均已安装在挂箱的面板上，同步变压器副边已在挂箱内部接好，所有的测试信号都在面板上引出。图6锯齿波同步移相触发电路I各点电压波形(α=900)