第1章 晶闸管及整流

1第1章晶闸管及可控整流电路1.1半控型器件——晶闸管1.2单相桥式可控整流电路1.3三相半波可控整流电路1.4三相桥式可控整流电路1.5反电势负载的特点本章作业2电子技术的基础———电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的基础———电力电子器件本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。第1章引言3一电力电子器件的概念和特征二应用电力电子器件的系统组成三电力电子器件的分类引言-电力电子器件概述41）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2）分类:电真空器件(汞弧整流器)半导体器件(采用的主要材料硅）仍然一电力电子器件的概念和特征电力电子器件5能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。一电力电子器件的概念和特征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：6通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗一电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗7电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行二应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路8半控型器件（Thyristor）——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。三电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：9电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。三电力电子器件的分类按照驱动电路信号的性质，分为两类：101.1普通晶闸管1.1.1晶闸管的结构与工作原理1.1.2晶闸管的基本特性1.1.3晶闸管的主要参数1.1.4晶闸管的派生器件111.1半控器件—晶闸管·引言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。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80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，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）12图1-2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1.1.1晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型、平板型和模块型三种封装。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。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3131.1.1晶闸管的结构与工作原理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141.1.1晶闸管的结构与工作原理式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得：图1-3晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理按晶体管的工作原理，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）151.1.1晶闸管的结构与工作原理在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态：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的话，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。161.1.1晶闸管的结构与工作原理阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发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，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。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：171.1.2晶闸管的基本特性承受反向电压时，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并承受反压。晶闸管正常工作时的特性总结如下：181.1.2晶闸管的基本特性（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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图1-4晶闸管的伏安特性IG2IG1IG191.3.2晶闸管的基本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。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1-4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201.1.2晶闸管的基本特性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（1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)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以上两者之和tq=trr+tgr（1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2）动态特性图1-5晶闸管的开通和关断过程波形211.1.3晶闸管的主要参数断态重复峰值电压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。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作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2~3倍。使用注意：1）电压定额221.1.3晶闸管的主要参数通态平均电流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。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。2）电流定额vtitImsinvti231.1.3晶闸管的主要参数通态平均电流IT的计算22sin4121212121)sin(2100220mmmmNItItdtconItdtIImmmmvtTItconIttdIttdITiI0020)(2sin21sin21241.1.3晶闸管的主要参数TNmmTNIIIIII57.157.122TdfTvtNvtIIKIIII57.157.1通态平均电流IT的计算电流有效值相等原则dVTfIIk25额定电流IT=200A的晶闸管,工作波形如下图所示,计算所允许负载电流Id为多少?例题mIvtididvtfffTdTdfIIKKKIIIIK20057.157.157.1max2622sin4121212121)sin(2100220mmmmvtItItdtconItdtIImmmmvtdItconIttdIttdITiI2)(2sin21sin210020422mmdvtfIIIIKAKKIIffTd400420057.120057.157.1max271.1.3晶闸管的主要参数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。28例题例题：型号为KP100-3的晶闸管，维持电流IH=4mA，使用下图电路中是否合理？说明理由。（不考虑电压、电流裕量）E100V50KΩE150V1Ω220V10Ω（a）(b)(c)解：KP100-3UN=300V;IT=100A;IN=157A；Il=(2~4)4mA=(8~16)mA(a)U=Um=100V＜300VI=100/50000=2mA＜Ilmin所以，该电路中晶闸管不能导通。291.1.3晶闸管的主要参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：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。3）动态参数301.1.4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，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10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。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)311.1.4晶闸管的派生器件2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-6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G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。触发排序:I+I_Ⅲ_Ⅲ+。321.1.4晶闸管的派生器件3)逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOIIG=0图1-7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。331.3.4晶闸管的派生器件4)光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-8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。34