哈尔滨工业大学 电力电子技术04

电力电子技术第4讲2电力电子器件（2）哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.2电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育本讲是电力电子器件部分的第2讲，上一讲的主要内容是‰2.1电力电子器件概述‰2.2电力二极管本章是按照发展历程的顺序介绍器件：二极管，晶闸管和晶体管系列器件。本讲介绍晶闸管哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.3电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育2.3晶闸管晶闸管的一种派生器件，在晶闸管问世后不久出现。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶闸管（Thyristor）：即晶体闸流管，又称可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）z1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。z1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。z1958年商业化。z开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，标志着电力电子技术的诞生。z20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。z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。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.4电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.晶闸管的结构与工作原理晶闸管的外形、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。2.3.1晶闸管哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.5电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育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哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.6电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育晶闸管特性测试模型哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.7电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育晶闸管正常工作时的特性总结如下：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。为什么会有上述的开关特性呢?哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.8电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育式中α1和α2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：分析等效电路，得：111CBOAcIII+=α222CBOKcIII+=αGAKIII+=21ccAIII+=（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）)(121CBO2CBO1G2Aααα+−++=IIII（2-5）晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.9电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育在低发射极电流下α是很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。（形成强烈正反馈，维持器件自锁导通，不再需要触发电流）)(121CBO2CBO1G2Aααα+−++=IIII（2-5）阻断状态：IG=0，α1+α2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α1+α2趋近于1，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。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.10电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育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：哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.11电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育2.晶闸管的基本特性伏安特性正向：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左右反向：（与二极管相似）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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.12电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育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：电压定额哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.13电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育通态平均电流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(有效值为1.57IT(AV))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。电流定额器件说明书哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.14电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育4.晶闸管的派生器件(1)快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)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10μs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。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.15电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育(2)双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）a)b)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。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.16电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育(3)逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOIIG=0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。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.17电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育(4)光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA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。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.18电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育例题（电流计算和器件选型）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。（电力二极管和晶闸管均以此作为额定电流）ImId0Л2ЛπωωππmmdIttdII==∫0)(sin212)()sin(2102mmItdtII==∫πωωπ57.12≈=πdII()1.57TTAVII≈平均值有效值z通态平均电流的含义发热是由有效值决定的，以有效值作为定额更加实用。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.19电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育例1：一只额定电流为100A的晶闸管，通过下图所示电流时，允许的最大平均电流是多少？（不考虑安全裕量）ImId02/3Л2Л4/3Л23max01157()233mdmIIIdtπωπ===∫根据有效值相等原则:3)(213202mmItdII==∫πωπ流过电流()1.57157TTAVIIA≈=电流定额≤1573TmIII=→=允许的最大平均电流是:哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.20电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育例2：一只晶闸管，通过下图所示电流时，晶闸管的电流定额应至少是多少？（不考虑安全裕量）ImId02/3Л2Л4/3Л()1.571.573mTTAVIII==根据有效值相等原则:3)(213202mmItdII==∫πωπ流过电流()1.57TTAVII≈电流定额≤3mTTIIII=→=通态平均电流是:哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术04.21电力电子技术电力电子器件(2)哈尔滨工业大学远程教育本讲总结2.3.1晶闸管1.晶闸管的结构与工作原理晶闸管的种类:（普通）晶闸管和门极可关断晶闸管晶闸管的工作特性：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。2.晶闸管的基本特性3.晶闸管的主要参数4.晶闸管的派生器件重点：晶闸管的工作原理，主要参数难点：通态平均电流的含义和额定电流的计算第2章习题（1）