1、晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管 1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產品 1958年商業(yè)化 開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代 20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位 晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件,2.3.1 晶閘管的結構與工作原理,外形有螺栓型和平板型兩種封裝 引出陽極A、陰極K和

2、門極（控制端）G三個聯(lián)接端 對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間,晶閘管的外形,小電流塑封式,小電流螺旋式,大電流螺旋式,大電流平板式,圖形符號,晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號,普通晶閘管系列,晶閘管如何導通呢？,實驗電路：,試驗項目： 1.只在AK端加正向電壓EA 2.再在GK端加正向電壓EG 3.斷開GK端所加正向電壓EG 4.在AK端加反向電壓EA,試驗結論： 導通條件：在 AK端承受正向電壓，GK端也承受正向電壓時， 晶閘管導通，而且晶閘管一旦導通，門極就失去了控制作用

3、，不論門極電壓是正還是負，晶閘管保持導通。所以，在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)，門極控制信號只需要一個脈沖即可。 關斷條件：如果在晶閘管導通后， AK端一直承受正向電壓，則晶閘管持續(xù)導通，只有降低AK端正向電壓，使通過晶閘管的電流降到一定數(shù)值以下，或去掉AK端的正向電壓，或給AK端施加反向電壓，晶閘管才會關斷。,圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理,Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2） IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和

4、ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式（1-1）（1-4）可得：,（1-5）,晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。 所以IA= 2 IG+ ICBO1+ ICBO2= ICBO1+ ICBO2，流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。 開通時（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。,晶閘管的異常觸發(fā)情況： 陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高 結溫

5、較高 光直接照射硅片，即光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，其它都因不易控制而難以應用于實踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段,2.3.2 晶閘管的基本特性,1. 靜態(tài)特性：,晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性,晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG,1) 正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，晶閘管處于正向阻斷狀態(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折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。 隨著門極

6、電流IG 幅值的增大，正向轉折電壓Ubo會越來越低。也就是說，在達到門極觸發(fā)最低電流之前，IG 的增大會使正向電壓變小，即晶閘管的正向耐壓降低，所以應采取門極觸發(fā)的方式使晶閘管導通。 導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，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。但是若IA剛降到IH以下，并不能說明管子真正關斷了，因為管子內的空穴和電子完全復合需要一定的時間。這時，若再次施加正向陽極電壓，即使沒有門極觸發(fā)，管子也能再次導通。 為保證晶閘管可靠、迅速關斷，真正恢復正向阻斷能力，通常在管子陽極電壓降

7、為零后，再施加一段時間的反向電壓。,2) 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。 當反向電壓超過一定限度，達到反向擊穿電壓URO后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導致晶閘管發(fā)熱損壞。,晶閘管的門極伏安特性,晶閘管的門極觸發(fā)電流是從門極流入 晶閘管，從陰極流出。陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端。為保證可靠、安全的觸發(fā)，門極觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流和功率都應限制在一個可靠的范圍內。 因為門極與陰極的PN結伏安特性在各晶閘管上很分散，無法找到一條典型的曲線代表，所以這一伏安特性只能畫出一個大致的

8、區(qū)域來表示。,門極伏安特性,說明:,OD線：極限低阻伏安特性 OG線：極限高阻伏安特性 OHIJO:不觸發(fā)區(qū) ABCJIHA:不可靠觸發(fā)區(qū) ADEFGCBA:可靠觸發(fā)區(qū) IFGM:門級正向峰值電流 UFGM:門級正向峰值電壓 PGM:瞬時最大功率 PG:平均功率,注意： 在設計門級觸發(fā)電路時，門級所受的漏電壓不應大于0.2V。 一般情況下，可在晶閘管門級上加一個不大于5V的負偏壓，即給門級加一反向電壓。這樣，可以避免誤觸發(fā)，提高抗干擾能力和正向阻斷性能。 這一負偏壓不能太大，否則會使觸發(fā)靈敏度降低，不利于器件快速導通，同時增加了門級的功耗。 反向電壓太高，也可能造成門級PN結的損壞。,典型的直

9、接耦合式GTO驅動電路,在開關頻率較高時，由于開關動作頻繁，開通與關斷的時間相對于開關過程變得不可忽略，其開通與關斷時的動態(tài)損耗也就不能忽視，而是成為晶閘管發(fā)熱的主要原因。,2. 動態(tài)特性,晶閘管的開通和關斷過程波形,1) 開通特性,晶閘管元件的開通過程,在門級受到理想階躍電流后，陽極電流iA的增加不會是突變的必然有一個過程。 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0.51.5s，上升時間為0.53s。,td 與tr也受陽

10、極電壓的影響，UAK越高，可使內部的正反饋機制加速，可顯著縮短td 與tr,1) 關斷特性,晶閘管元件的關斷過程,由于主電路中總帶有感性負載，陽極電流iA在下降時有一個過渡過程。 iA從導通電流逐步下降到0，然后由電路漏感決定的di/dt在反方向建立恢復電流，經(jīng)過最大值IRM后，再反方向衰減到0。在恢復電流快速衰減時，由于漏感作用，會使晶閘管兩端出現(xiàn)反向尖峰電壓URRM。之后才逐步恢復電壓阻斷能力。,關斷時間： 反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間 正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間 在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管

11、施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通。 實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。 關斷時間tq與下列因素有關： 正向電流的大小 反向電壓的大小 結溫的高低 再次施加正向電壓的時間與上升率,晶閘管的導通與關斷條件： 導通條件：在 AK端承受正向電壓，GK端也承受正向電壓時， 晶閘管導通，而且晶閘管一旦導通，門極就失去了控制作用，不論門極電壓是正還是負，晶閘管保持導通。所以，在實驗中，我們發(fā)現(xiàn)，門極控制信號只需要一個脈沖即可。 關斷條件：如果

12、在晶閘管導通后， AK端一直承受正向電壓，則晶閘管持續(xù)導通，只有降低AK端正向電壓，使通過晶閘管的電流降到一定數(shù)值以下，或去掉AK端的正向電壓，或給AK端施加反向電壓，晶閘管才會關斷。,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),1. 電壓定額,在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的 正向峰值電壓。,1)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM,2)斷態(tài)不重復峰值電壓UDSM,在雷擊、短路時超過UDRM，但是還沒有達到正向轉折電壓Ubo的這樣一個電壓，這個電壓不能重復，較高頻率的發(fā)生。,UDRM= UDSM90%,通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一

13、般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。,晶閘管通以某一規(guī)定倍 數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。,5)通態(tài)（峰值）電壓UTM, 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。,3)反向重復峰值電壓URRM,4)反向不重復峰值電壓URSM,2. 電流定額,1)通態(tài)平均電流 IT(AV),晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。,2) 維持電流 IH,使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結溫有關。結溫越高，則IH越小。,3) 擎住電流 IL,晶閘管剛從

14、斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導通所需的最小電流對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。,4) 浪涌電流ITSM,指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流 。,例題2：單相橋式電路,平均值：,有效值：,所以：,/相同有效值下的等效平均值,3. 門極定額,1) 門極觸發(fā)電流IGT,在室溫下，陽極直流6V時，晶閘管從斷到通所需的最小門極電流。,2) 門極觸發(fā)電壓UGT,產生IGT所需的最小門極電壓,以上兩個值均為下限值，應用時應適當大于這兩個值，當不能超過其峰值IFGM和UFGM。且兩者之積也不能超過峰值功率PGM,最好在門極平均功率PG之下。,4. 其他

15、參數(shù),器件正常工作時允許的最高PN結結溫。在這個溫度以下，一切特性均能保證。,1）額定結溫,后兩個參數(shù)屬于動態(tài)參數(shù),2) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt,關斷時，加在AK端的正向電壓的變化速度。,du/dt有一個臨界值，低于這一值，晶閘管正常工作，高于這一值，有可能使晶閘管誤導通。,3) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt,晶閘管從斷態(tài)轉入通態(tài)時，電流的變化速度。,di/dt過大時，剛導通的晶閘管在門極周圍會集中很大的電流，會造成局部過熱，使晶閘管損壞。,在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當于一個電容的J2結會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結時，起到類似門極觸發(fā)電流的作

16、用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通 。,2.3.4 晶閘管的派生器件,1. 快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST) 包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。 管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。 普通晶閘管關斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。 高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。,高頻晶閘管系列,使用時應注意： 1.選用晶閘管時，不單要關斷時間短，而且要求高頻時的di/

17、dt耐量高，且有一定裕量。 2.高頻晶閘管為了提高關斷速度，硅片厚度較薄，所以其重復阻斷電壓不易很大。 3.快速晶閘管的門極占據(jù)的面積增大，使陽極面積被壓縮，使長期允許通過的電流受到限制，故不宜工作于低頻。,2.雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,雙向晶閘管內部結構,伏安特性,觸發(fā)方式,+觸發(fā)：T1為正，T2為負；門極為正，T2為負。-觸發(fā)：T1為正，T2為負；門極為負，T2為正。 +觸發(fā)：T1為負，T2為正；門極為正，T2為負。 -觸發(fā)：T1為負，T2為正；門極為負，T2為正。,常用觸發(fā) 方式：+ 、-,雙向

18、晶閘管系列,KS系列雙向可控硅元件，是一種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的器件，可用作交流無觸點開關，交流電機調速調光、調壓、調溫等設備中作為主要功率控制元件。,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)導通，所以雙向晶閘管在第和第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，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機調速等領域應用較多。,使用時應注意：,1.兩個指標： A.額定通態(tài)電流 由于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。 如：200A（有效值）雙向晶閘管 峰值為：IM=200sqr

19、t(2)=283A 平均值為：Id= IM/=90A 所以：一個200A的雙向晶閘管可代替兩個90A的普通晶閘管。 B.換向電流臨界下降率di/dt及換流電壓臨界上升率du/dt,2.門極電路靈敏度比較低：觸發(fā)脈沖需采用寬脈沖或脈沖序列，以使陽極電流上升至大于IL時脈沖才消失。 3.管子關斷時間tq較長 4.要防止雙向晶閘管正、負半波工作的不對稱 5.當元件電流過零關斷時，必須給電感線圈磁場能量一個泄放回路，以免過高的自感電勢損壞元件。 6.在電路中要在雙向晶閘管的陽極與陰極之間加RC吸收回路，以限制過大的du/dt,主要參數(shù)與普通晶閘管基本一致。 IT(RSM)：額定通態(tài)電流。其額定電流是用

20、有效值定義的。,UDRM：斷態(tài)重復峰值電壓 (額定電壓) 。應用時通常取兩倍的裕量。,其它參數(shù),斷態(tài)電壓臨界上升率分級規(guī)定,換向電流臨界下降率(di/dt)的規(guī)定,3. 逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性,將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點。 逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流。,4. 光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）,光控晶閘管符號及等效電路,光控晶閘管的伏安特性

21、,又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。,小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。,大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導體激光器。,光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。,晶閘管智能控制模塊，內含自動調節(jié)電路、晶閘管和移相觸發(fā)電路， 具有對電力進行調節(jié)、自動控制的功能。廣泛應用于直流電機調速、交流調壓，工業(yè)加熱調溫，工業(yè)電氣自動化，各類電氣控制及各類用途的電源（電鍍、調溫、勵磁、調光等）。,晶閘管智能模塊,MT MD MF型電力半導體模

22、塊,MTC、MFC、MDC模塊是晶閘管或整流管的管芯。采用塑料封裝型式組合的模塊器件，管芯與散熱底板構緣，接線方式由端子和插片引出，因此其安裝使用方便，接線簡單，采用模塊組成的各種整流電路。它具有線路排列美觀，重量輕，體積小，對減少變流裝置的整機結構和組合型式起了積極作用。,模塊器件通過二只內組合的管芯選擇變換可以形成全晶閘管或全整流管。,KP型可控硅主要適用于電鍍、電解、儀表以及軋鋼機、扎管機、印染機、造紙機、橡膠塑料機等需要電氣傳動控制系統(tǒng)中，作為調節(jié)電壓或電流的主要功率整流元件，也是各個部門中變流設備，電機勵磁調速，調壓，調頻，調溫等無觸點開關及自動控制等方面。,KK型快速可控硅元件，適用