1、第三講半控型電力電子器件晶閘管3.1 概述晶閘管 （ thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（ silicon controlledrectifier scr）。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(chǎn)品；1958年商業(yè)化 , 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代；20 世紀(jì) 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。外形有螺栓型和平板型兩種

2、封裝：引出陽極 (anode)a 、陰極 (kathode)k和門極 (gate) （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 (radiator) 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 (radiator)將其夾在中間。agkkp1j1kn 1gj2gp2j3an 2aagka)b)c)圖 1 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管可用如圖2 所示的等效電路來表示。i c11 i ai cbo 1（ 1）i c22 i ki cbo 2（ 2）i ki a i g（ 3）1

3、 / 8i ai c1i c 2（ 4）式中1 和2 分別是晶體管1 和2 的共基極電流增益；i cbo1和 i cbo2分別是1 和2aavvv v的共基極漏電流。由以上式（ 1-1 ）（ 1-4 ）可得i a2 i gicbo1icbo2（ 5）1( 12 )aap1i apnpn 1n1v 1ic2rg igi c1gp2p2v2n2snpneaegi kkka)b)圖 2 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 等效電路晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 a 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， a 迅速增大。阻斷狀態(tài)： i g=0， a1 +a2 很小。流過晶閘管的

4、漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和；開通（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 a1+a2 趨近于 1 的話，流過晶閘管的電流 i a（陽極電流）將趨近于無窮大， 實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。 i a實際由外電路決定。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：1） 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)；2） 陽極電壓上升率du/d t 過高；3） 結(jié)溫較高；4） 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(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐，稱為光控晶閘管 （light triggered thyristor ltt）。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確

5、、迅速而可靠的控制手段3.3 晶閘管的基本特性3.3.1靜態(tài)特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通；2 / 8承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管的陽極伏安特性 是指晶閘管陽極電流和陽極電壓之間的關(guān)系曲線，如圖 3 所示。其中：第 i 象限的是正向特性；第 iii 象限的是反向特性ia正向?qū)╱rsm urrmig2ig1ig=0ih-oudr mubo +uauaudsm雪崩擊穿- ia圖 3晶閘管陽極伏安特性 i iig2g1 gi g=0 時

6、，器件兩端施加正向電壓，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，則漏電流急劇增大，器件開通。這種開通叫 “硬開通” ，一般不允許硬開通；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 i h 以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。 i h稱為維持電流 。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；陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端；晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出，門極觸發(fā)電流也往往是通過觸

7、發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的。晶閘管的門極和陰極之間是 pn結(jié) j3，其伏安特性稱為 門極伏安特性， 如圖 4 所示。圖中 abcgfed所圍成的區(qū)域為可靠觸發(fā)區(qū)；圖中陰影部分為不觸發(fā)區(qū)；圖中 abcjih所圍成的區(qū)域為不可靠觸發(fā)區(qū)。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。3 / 8i fgmdeabigtpgmkfhiigdci gtabglc0ju gufgmu gu gtdt圖 4晶閘管門極伏安特性3.3.2動態(tài)特性晶閘管的動態(tài)特性主要是指晶閘管的開通與關(guān)斷過程，動態(tài)特性如圖5 所示。i a100%90%10%0 tdtrtuakir

8、 mottr ru rr m tgr圖 5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形開通過程 :開通時間 t gt 包括延遲時間 t d 與上升時間 t r ，即t gttdt r（ ）6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%所需的時間普通晶閘管延遲時間為 0.5 1.5 ms，上升時間為 0.5 3ms關(guān)斷過程 :關(guān)斷時間 t q：包括 反向阻斷恢復(fù)時間 t rr 與正向阻斷恢復(fù)時間 t gr ，即tqtrrt gr（ 7）4 / 8普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。反向阻斷恢復(fù)時間t rr ：正向電流降為零到反向恢復(fù)電

9、流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復(fù)時間t gr ：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注 :1）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3.4 晶閘管的主要參數(shù)3.4.1電壓定額1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 u drm 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。2) 反向重復(fù)峰值電壓 u rrm 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3) 通態(tài)（峰值）電壓 u tm 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流

10、時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的 u drm 和 u rrm 中較小的標(biāo)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3.4.2電流定額1) 通態(tài)平均電流 i t ( av ) ( 額定電流 )額定電流 - 晶閘管在環(huán)境溫度為 40oc 和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。舉例說明：使用時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管，應(yīng)留一定的裕量，一般取 1.5 2 倍2) 維持電流 i h使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越

11、高，則i h 越小3) 擎住電流 i l晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流對同一晶閘管來說，通常i l 約為 i h 的 24 倍5 / 84) 浪涌電流 i tsm指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流3.4.3動態(tài)參數(shù)除開通時間 t gt 包括延遲時間 t d 外，還有：1) 斷態(tài)電壓臨界上升率 du / dt指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。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(dāng)于一個電容的j2 結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng) j3 結(jié)時，起到類似門

12、極觸發(fā)電流的作用。 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(dǎo)通。2) 通態(tài)電流臨界上升率 di / dt指在規(guī)定條件下， 晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，則晶閘管剛開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。3.5 晶閘管的派生器件1） 快速晶閘管 （fast switching thyristor fst）包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管；管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)時間以及 du/ dt 和 di / dt 耐量都有明顯改善；普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒

13、，高頻晶閘管10ms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(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。2 ） 雙向 晶 閘管 （ triodeac switch triac 或bidirectionaltriodethyristor）可認(rèn)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(jì)的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（ solid state relay ssr）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多；6 / 8通常用

14、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。it1ig=0ougt2a)b)圖 6 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性3） 逆導(dǎo)晶閘管 （reverse conducting thyristorrct）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(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)；逆導(dǎo)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。ikig=0gouaa)b)圖 7 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性4、光控晶閘管 （light triggered thyristor ltt）光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，