2电力电子器件(2)-半控型器件

电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/31第2章电力电子器件电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/32第一节电力电子器件概述第二节不可控器件——电力二极管第三节半控型器件——晶闸管第四节典型全控型器件第五节其他新型电力电子器件第六节功率集成电路与集成电力电子模块本章小结及作业电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/332.3半控型器件—晶闸管晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。其导通时刻可控，满足了调压要求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LCT）等。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/342.3半控型器件——晶闸管晶闸管(Thyristor)：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）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，开始被性能更好的全控型器件取代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往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/352.3.1晶闸管的结构与工作原理1、晶闸管的结构具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。外形有螺栓型和平板型两种封装。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。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/36螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形及结构电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/372、晶闸管的其它封装形式：还有塑封和模块式两种封装。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/38符号G控制极(Gate)K阴极(Kathode)阳极(Anode)AP1P2N1N2四层半导体三个PN结结构2.3.1晶闸管的结构与工作原理电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/39P1P2N1N2KGA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合PPNNNPAGKKAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGKAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKIKG+双晶体管模型电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/310T1T2AG2Bii1BG22Ciii在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。211CCiβi2BG21ii形成正反馈过程KGEA0、EG0EGEA+_RGi2BiG21iββG2iβ晶闸管导通的工作原理:电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/311晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。EA0、EG0G2Bii1BG22Ciii211CCiβi2BG21ii形成正反馈过程EA+_RT1T2Gi2BiGiββ21Giβ2EGAK晶闸管导通的工作原理:电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/312)(121CBO2CBO1G2AIIII按晶体管的工作原理，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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：电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/313)(121CBO2CBO1G2AIIII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。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/314晶闸管导通的条件：1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压（EA0）。2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)施加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。EG0晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。2.3.2晶闸管的基本特性电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院15晶闸管关断的条件：1.必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。2.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。2019/8/3电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院161.静态特性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；伏安特性类似二极管的反向特性;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，只有使晶闸管承受反向电压，或使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。2.3.2晶闸管的基本特性电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院17晶闸管伏安特性))((曲线UfI正向特性反向特性URRMUDRMIG2IG1IG0UBRIFUBOUBO正向转折电压IHoUUUIIG0IG0IG1IG2__+__++__++__正向平均电流维持电流UIL反向转折电压擎住电流电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院18晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出。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。晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。2.3.2晶闸管的基本特性电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院191)开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%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。开通时间tgt为以上两者之和，tgt=td+tr普通晶闸管延迟时间为：0.5~1.5s，上升时间为：0.5~3s。2.动态特性2.3.2晶闸管的基本特性电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院202)关断过程反向阻断恢复时间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：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。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。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。关断时间tq：即tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。2.3.2晶闸管的基本特性电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院21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+tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA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普通晶闸管的关断时间约几百微秒。2.动态特性图2-9晶闸管的开通和关断过程波形触发脉冲电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/3222.3.3晶闸管的主要参数1.电压定额1)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。2)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。3)通态（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。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，额定电压要留有一定裕量,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。电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院23晶闸管伏安特性))((曲线UfI正向特性反向特性URRMUDRMIG2IG1IG0UBRIFUBOUBO正向转折电压IHoUUUIIG0IG0IG1IG2__+__++__++__正向平均电流维持电流UIL反向转折电压擎住电流2019/8/3电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/3242.电流定额1)通态平均电流IT(AV)即额定电流---晶闸管在环境温度为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。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.5~2倍。π)(sinπ21mπ0mFIttdIIIT(AV)t2i2.3.3晶闸管的主要参数电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/3252)维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流（一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。3)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。4)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。2.电流定额2.3.3晶闸管的主要参数电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/3263.动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：(1)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。(2)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，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。2.3.3晶闸管的主要参数电力电子技术(PowerElectronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2019/8/327晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九