PowerElectronics電力電子技術(shù)(第5版)第1章電力電子器件1.3

晶閘管

晶閘管(Thirsted)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)和光控晶閘管等。普通晶閘管：也稱可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),簡稱SCR。

由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域,成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。1.3.1晶閘管及其工作原理

（1）外形封裝形式:可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上),分別由圖2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。（2）晶閘管有三個電極,它們是陽極A,陰極K和門極(或稱柵極)G,它的電氣符號如圖1.3.1(e)所示。

圖1.3.1晶閘管的外型及符號1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：1、晶閘管的結(jié)構(gòu)

晶閘管是大功率器件,工作時產(chǎn)生大量的熱，必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上,采用自然散熱冷卻方式,如圖1.3.2(a)所示。平板式晶閘管由兩個彼此絕緣的散熱器緊夾在中間,散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷,以獲得較好的散熱效果,如圖1.3.2(b)、(c)所示。圖1.3.2晶閘管的散熱器1.3.1晶閘管及其工作原理2、晶閘管的工作原理圖1.3.3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路(1)導(dǎo)通：晶閘管陽極施加正向電壓時,若給門極G也加正向電壓Ua,門極電流Ig經(jīng)三極管T2放大后成為集電極電流Ic2，Ic2又是三極管T1的基極電流,放大后的集電極電流Ic1進一步使Ig增大且又作為T2的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋過程，兩個三極管T1、T2都快速進入飽和狀態(tài),使晶閘管陽極A與陰極K之間導(dǎo)通。此時若撤除Ug,T1、T2內(nèi)部電流仍維持原來的方向,只要滿足陽極正偏的條件,晶閘管就一直導(dǎo)通。晶閘管(單向?qū)щ娦?,導(dǎo)通條件為陽極正偏和門極正偏。1.3.1晶閘管及其工作原理(2)阻斷：當(dāng)晶閘管A、K間承受正向電壓，而門極電流Ig=0時,上述T1和T2之間的正反饋不能建立起來,晶閘管A、K間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻斷狀態(tài)。

2、晶閘管的工作原理圖1.3.3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路1.3.1晶閘管及其工作原理1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

圖1.3.4晶閘管陽極伏安特性

定義：晶閘管陽極與陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。

UDRM、URRM─正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓；

UDSM、URSM─正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；

UBO─正向轉(zhuǎn)折電壓；

URO─反向擊穿電壓。１.晶閘管的伏安特性：１.晶閘管的伏安特性：

（1）晶閘管的反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖1.3.4晶閘管陽極伏安特性1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)１.晶閘管的伏安特性：

（2）晶閘管的正向特性

IG=0時，器件兩端施加正向電壓即正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。圖1.3.4晶閘管陽極伏安特性1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)2.晶閘管的開關(guān)特性晶閘管的開通和關(guān)斷過程電壓和電流波形。1.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

(1)開通過程：

延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。

上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。

開通時間tgt：以上兩者之和，tgt=td+tr

普通晶閘管延遲時為0.5∽1.5s，上升時間為0.5∽3s。2.晶閘管的開關(guān)特性1.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

正向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?。實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。

關(guān)斷時間tq：

tq

=trr+tgr

普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。

2.晶閘管的開關(guān)特性1.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

(2)關(guān)斷過程

反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)（3）晶閘管的開通與關(guān)斷時間開通時間tgt：普通晶閘管的開通時間tgt

約為6μs。開通時間與觸發(fā)脈沖的陡度與電壓大小、結(jié)溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。關(guān)斷時間tq

：普通晶閘管的tq

約為幾十到幾百微秒。關(guān)斷時間與元件結(jié)溫

、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。2.晶閘管的開關(guān)特性1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)3.晶閘管的主要特性參數(shù)

（1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓─額定電壓Ute

正向重復(fù)峰值電壓UDRM:

門極斷開(Ig=0),元件處在額定結(jié)溫時,正向陽極電壓為正向阻斷不重復(fù)峰值電壓UDSM(此電壓不可連續(xù)施加)的80%所對應(yīng)的電壓(此電壓可重復(fù)施加,其重復(fù)頻率為50HZ，每次持續(xù)時間不大于10ms)。反向重復(fù)峰值電壓URRM:

元件承受反向電壓時,陽極電壓為反向不重復(fù)峰值電壓URRM的80%所對應(yīng)的電壓。

晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓通常取UDRM與URRM中的最小值,選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2～3倍。1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流─額定電流IT(AV)

定義：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻條件下,晶閘管在電阻性負載導(dǎo)通角不小于170°的單相工頻正弦半波電路中,當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時所允許的最大通態(tài)平均電流。

在選用晶閘管額定電流時，根據(jù)實際最大的電流計算后至少還要乘以1.5～2的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。

IT(AV)計算方法：

根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時的允許最大平均電流。設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im,則額定電流(平均電流)為：3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)（1.3.3）

即額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，其額定有效值為IT=Kf

IT(AV)=157A（1.3.4）（1.3.5）（1.3.4）額定電流有效值為：

現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的波形系數(shù)，用Kf表示：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)（3）門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT

定義：在室溫下，晶閘管加6V正向陽極電壓時，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫下的實測值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響很大，溫度升高，UGT

、IGT

值會顯著降低，溫度降低，UGT

、IGT

值又會增大。為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實際應(yīng)用中，外加門極電壓的幅值應(yīng)比UGT

大幾倍。3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)（4）通態(tài)平均電壓UT(AV)

定義：在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，

元件通以正弦半波額定電流時，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降)

其數(shù)值按表1.3.3分組．在實際使用中，從減小損耗和元件發(fā)熱來看，應(yīng)選擇ＵT(AV)

小的晶閘管。

組別ABC通態(tài)平均電壓（V）ＵT≤0.40.4＜ＵT≤0.50.5＜ＵT≤0.6

組別DEF通態(tài)平均電壓（V）0.6＜ＵT≤0.70.7＜ＵT≤0.80.8＜ＵT≤0.9

組別GHI通態(tài)平均電壓（V）0.9＜ＵT≤1.01.0＜ＵT≤1.11.1＜ＵT≤1.2表1.3.3晶閘管通態(tài)平均電壓分組3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)（5）維持電流ＩＨ

和掣住電流ＩL

維持電流ＩＨ：在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽極電流為維持電流ＩH。維持電流與元件容量

、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型號的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下IH

的實測值。

掣住電流ＩL：給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱掣住電流ＩL。對同一晶閘管來說，掣住電流ＩL

要比維持電流ＩH

大2~4倍。

3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)（6）通態(tài)電流臨界上升率

di/dt

定義：晶閘管能承受而沒有損害影響的最大通態(tài)電流上升率稱通態(tài)電流臨界上升率

di/dt。

影響：門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴大到PN結(jié)的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會導(dǎo)致門極附近的ＰＮ結(jié)因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率。3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)（7）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

定義：把在規(guī)定條件下，不導(dǎo)致晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大陽極電壓上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。

影響：晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個電容，若突然加一正向陽極電壓，便會有一個充電電流流過結(jié)面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的ＰＮ結(jié)時，產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，如果這個電流過大，將會使元件誤觸發(fā)導(dǎo)通。

3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)1.3.3晶閘管的派生器件

可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(FastSwitchingThyrister，簡稱FST)，開關(guān)頻率在10KHZ

以上的稱為高頻晶閘管?？焖倬чl管為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在2000V以下?？焖倬чl管du/dt的耐量較差，使用時必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開關(guān)頻率下的du/dt，當(dāng)開關(guān)頻率升高時，du/dt

耐量會下降。1.快速晶閘管(FastSwitchingThyrister—FST）

可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖1.3.6雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路、電氣圖形符號和伏安特性a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)b)等效電路c)電氣圖形符號d)伏安特性2.雙向晶閘管(T