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1、第2章常用电力电子器件介绍及选择 内容提要与学习要求 掌握晶闸管的结构、工作原理及测试方法。了解各种常 用电力电子器件的原理及应用特点。了解智能电力模块及其 应用。 21晶闸管的结构原理及测试 晶闸管是硅晶体闸流管的简称，包括普通晶闸管、双向 晶闸管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。普通晶闸管又叫可控 硅，常用SCR表示，国际通用名称为Thyristor，简称为TY 。 1普通晶闸管的结构 晶闸管是一种4层（P1、N1、P2、N2）3端（A、G、K ）大功率半导体器件，它有3个PN结：J1、J2、J3其外形有 平板形和螺栓形，3个引出端分别叫做阳极A阴极K和门极G ，门极又叫控制极。晶闸管的图形符号
2、见图2l（C）所示 。 2晶闸管的工作原理 晶闸管是4层3端器件，有J1、J2、J33个PN结，如果把中间的N1和P2 分为两部分，就构成一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管的复合管， 见图所示。 晶闸管具有单向导电特性和正向导通的可控性。需要导通时必须同时 具备以下两个条件： （1）晶闸管的阳极一阴极之间加正向电压。 （2）晶闸管的门极一阴极之间加正向触发电压，且有足够的门极电 流。 晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管从关断变为导通，必须使承受 反向电压的PN给失去阻断作用。 见图22（C），每个晶体管的集电极电流是另一个晶体管的基极电流 。两个晶体管相互复合，当有足够的门极电流入时，就
3、会形成强烈的正 反馈，即两个晶体管迅速饱和导通，即晶闸管他和导通。 若使晶闸管关断，应设法使晶闸管的阳极电流减小到维持电流以下。正向 导通雪崩 击穿O+UA- UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 3晶闸管的主要参数 （1）额定电压UTn在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件 下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰 值电压UDRM，一般规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM 的80；在控制极断路时，可以重复加在品闸管两端的反 向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM，此电压取反向不 重复峰值电压URSM的80。
4、晶闸管的额定电压UTn取UDRM（正向重复峰值电压）和 URRM（反向重复峰值电压）的较小值且靠近标准电压等级 所对应的电压值。 （2）额定电流IT（AV） 晶闸管的额定电流IT（AV）是指在环 境温度为十40和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负 载的单相、工频（ 50H幻、正弦半波（导通角不小于170 的电路中，结温稳定在额定值 125时所允许的通态平均 电流。 （3）通态平均电压UT(AV)；。通态平均电压UT(AV)是指在额 定通态平均电流和稳定结温下，晶闸管阳、阴极间电压的平 均值，一般称为管压降。其范围在0.61.2V之间。 （4）维持电流IH；和擎住电流IL 在室温且控制极开路时
5、，能维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH。维持 电流大的晶闸管容易关断。给晶闸管门极加上触发电压，当 元件刚从阻断状态转为导通状态时就撤除触发电压，此时元 件维持导通所需要的最小阳极电流称为擎住电流IL。对同一 晶闸管来说，擎住电流入要比维持电流人大24倍。 （5）门极触发电流IGT。门板触发电流IGT ，是指在室温且 阳极电压为6V直流电压时，使品闸管从阻断到完全开通所 必需的最小门极直流电流。 （6）门极触发电压UGT。门极触发电压UGT是指对应于门 极触发电流时的门极触发电压。对于晶闸管的使用者来说， 为使触发器适用于所有同型号的晶闸管，触发器送给门极的 电压和电流应适当地大于所
6、规定的UGT和IGT上限，但不应超 过其峰值IGFM和UGFM。门极平均功率Pc和峰值功率（允许的 最大瞬时功率）PGM也不应超过规定值。 （7）断态电压临界上升率dudt。把在额定给温和门极 断路条件下，使器件从断态转人通态的最低电压上升率称为 断态电压临界上升率dudt。 （8）通态电流临界上升率didt。把在规定条件下，由门 板触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的 通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率didt。晶 闸管所允许的最大电流上升率应小于此值。 4.普通晶闸管的型号 按国家标准 JB11441975规定，国产普通晶闸管型号中 各部分的含义如下： 例如，KP10
7、0-12G表示额定电流为100A，额定电压为 1200V，管压降为1V的普通晶闸管。 5普通晶闸管的选择原则 （1）选择额定电流IT(AV)的原则。在规定的室温和冷却条 件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路 中实际通过的最大电流有效值IT即可。考虑元件的过载能力 ，实际选择时应有l52倍的安全裕量。其计算公式为： 式中， IT为电路中实际可能流过的最大电流有效值。然后取 相应标准系列值。 （2）选择额定电压 UT。的原则。选择普通晶闸管额定电 压的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大正反向 瞬时值电压UTM的23倍，即： 式中， UTM为电路中最大正反向瞬时值电压。然后取
8、相应标 准系列值。 6晶闸管管脚极性的判断 用万用表 R XI k挡测量晶闸管的任意两管脚电阻，其中有一管脚对 另外两管脚正反向电阻都很大，在几百千欧以上，此管脚是阳极 A。再 用万用表 R X 10挡测量另外两个管脚的电阻值，应为数十欧到数百欧 ，但正反向电阻值不一样，阻值小时黑麦笔所接的管脚为控制极G，另 一管脚就是阴极K。 7.晶闸管的测试 用万用表欧姆挡判断晶闸管好坏的方法是：将万用表置于 R XI k挡 ，测量阳极一阴极之间正反向电阻，正常时阻值都应在几百千欧以上， 如测得的阻值很小或为零，则阳极一阴极之间短路；用万用表 R X 10 挡测门极一阴极之间正反向电阻，正常时阻值应为数十
9、欧到数百欧，反 向电阻较正向电阻略大，如测得的正反向阻值都很大，则门极一阴极之 间断路，如测得的阻值很小或为零，则门极一阴极之间短路。注意：在 测量门极一阴极之间的电阻值时，不允许使用 R X 10k挡，以免表内 高压电池击穿门极的 PN结。8晶闸管的门极驱动（触发） 在晶闸管的阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发 电压，晶闸管才能从阻断变为导通。触发电压决定每个晶闸管的导通时 刻，是晶闸管变流装置中木可缺少的一个重要组成部分。 晶闸管的型号很多，不同型号、不同类型的晶闸管应用电路对触发信 号有不同的要求。 归纳起来，晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等 。不管是
10、哪种触发电路，对它产生的触发脉冲都有如下要求： （1）触发信号可为直流。交流或脉冲电压。但实际上，由于晶闸管 触发导通后，门极触发信号即失去控制作用，为了减小门极损耗，一般 不采用直流或交流触发信号，而广泛采用脉冲触发信号。 （2）触发脉冲应有足够的功率。触发脉冲的电压和电流应大于晶闸 管要求的数值，并留有一定的裕量。触发脉冲功率的大小是决定晶闸管 元件能否可靠触发的一个关键指标。 （3）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿应尽可能陡，以使元件 在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过擎住电流而维持导通。对于电 感性负载，由于电感会抵制电流上升，因而触发脉冲的宽度应更大一些 。有些具体的电路对触发脉
11、冲的宽度会有一定的要求，如三枪全控桥等 电路的触发脉冲宽度要求大于60或采用双窄脉冲；有些则需要强触 发脉冲。 （4）触发脉冲必须与品闸管的阳极电压同步，脉冲移相范 围必须满足电路要求。 现今晶闸管主要应用于交流一直流相控整流和交流一交 流相控调压，适用于这些应用的各种驱动触发器都已集成化 、系列化，可供研制者直接选用。 用光耦合器组成的应用触发电路如图23所示。该电路 是触发单相半波可控主电路的光耦合电路。R1用来限制晶 闸管VT门极触发电流；二极管VD用来阻止反向电流通过门 极；稳压管VD；用来限制光电三极管的工作电压，一般限 制在30V以下。电路在晶闸管阳极承受正向电压时，光耦合 器B输
12、入控制电压Uc，通过内部光的耦合使三极管导通。这 样，正向触发电流经光电三极管流向晶闸管门极，于是晶闸 管触发导通。 9晶闸管的应用举例 晶闸管投切电容器（TSC）是一种并联的晶闸管投切的 电容器，（又称无触点开关）通过对晶闸管阀进行全导通或 全关断控制，可阶梯式改变其等效容抗。它通常由多个并联 的电容器交路组成，每个支路都由设有触发角控制的晶闸管 阀来投切，从而达到阶梯式改变注入系统无功功率的目的。 TSC使用晶闸管作为开关，与机械投切电容器相比，晶闸管 开关是无触点的，它的操作寿命几乎是无限的，而且晶闸管 的投切时刻可以精确控制，能够快速无冲击地将电容器、电 抗器等设备接入电网，大大减小了
13、投切时的冲击涌流和操作 困难，所以从开关角度来看，TSC等设备比传统断路器投切 具有明显优势。 单相TSC的基本结构如图2-4所示，它由电容器、双向导 通晶闸管（或反并联晶闸管）和阻抗情很小的限流电抗器组 成。限流电抗器的主要作用是限制晶闸管阀由于误操作引起 的浪涌电流，而这种误操作往往是由于误控制导致电容器在 不适当的时机进行投入引起的。同时，限流电抗器与电容器 通过参数搭配可以避免与交流系统电抗在某些特定频率上发 生诸报。TSC有两个工作状态，即投入和断开状态。投入状 态下，双向晶闸管（或反并联晶闸管）导通，电容器（组） 起作用，TSC发出容性无功功率；断开状态下，双向晶闸管 （或反并联晶
14、闸管）阻断，ThC支路不起作用，不输出无功 功率。在工程实际中，一般将电容器分成几组，每组都可由 晶闸管投切。这样可根据电网的无功需求投切这些电容器， TSC实际上就是断续可调的发出容性无功功率的动态无功补 偿器。 22门极可关断晶闸管（GTO）Gate-Turn-Off Thyristor 门极可关断晶闸管具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、 电流大、耐浪涌能力强、使用方便和价格低等。同时它又具有 自身的优点，如具有自关断能力、工作效率较高、使用方便。 无须辅助关断电路等。GTO可用门极信号控制其关断，是一种 应用广泛的大功率全控开关器件，在高电压和大中容量的轨波 器及逆变器中获得了广泛应用
15、。 1GTO的结构 GTO也是4层P1 N1P2N2结构，3端引出线（A、K、G）的器 件。但和普通晶闸管不同的是：GTO内部可看成是由许多P1 N1P2N2四层结构的小晶闸管并联而成的，这些小晶闸管的门极 和阴极并联在一起，成为GTO元，所以 GTO是集成元件结构， 而普通晶闸管是独立元件结构。正是由于GTO和普通品闸管在 结构上的不同，因而在关断性能上也不同。图2.5给出了GTO的 等效电路及图形符号。GTO的外形与普通晶闸管相同。2GTO的工作原理 由于GTO也具有P1 N1P2N2四层结 构，所以同样可用双晶体管模型来 分析其工作原理。其中1和2分 别为P1N1P2和N1P2N2的共基极电流 放大倍数，1比2小，GTO与晶 闸管最大区别就是回路增益1+2 数值不同。 GTO的开通原理与晶闸管一样。 当GTO的阳极加正向电压，门极加 足够的正脉冲信号后，GTO即可进 入导通状态。 当12=1时，双晶体管处于 临界饱和导通状态； 12 1 时，双晶体管处于饱和度较深的导 通状态； 12 1时，双晶体 管处于关断状态。 通常 GTO导通时，
