电力电子技术-第一章晶闸管

1课程内容简介晶闸管晶闸管(4h)可控整流电路可控整流电路(14h)有源逆变有源逆变(4h)功率晶体管和二极管功率晶体管和二极管(4h)晶体管功率电路晶体管功率电路(16h)功率晶体管的缓冲电路功率晶体管的缓冲电路(6h)驱动电路驱动电路(4h)功率变换器中的磁性元件设计功率变换器中的磁性元件设计(4h)2电力电子技术PowerElectronics第一章第一章 晶闸管晶闸管3晶闸管晶闸管引言引言1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GeneralElectricCompany）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化(16A/300V)开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始逐步为全控型器件取代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，目前在许多工业领域仍在广泛使用晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）4功率等级功率等级:几kA/几kV种类种类:普通，快速,双向,可关断,光触发特点特点:体小,轻重,效率高,反应快,高压大容量,弱电控制强电弱电控制强电(几十毫安控制几百几千安)应用应用:整流,逆变(尤其在大功率场合)晶闸管引言5第一章第一章 晶闸管晶闸管第一节晶闸管的结构和工作原理第二节晶闸管的特性和主要参数6第一节晶闸管的结构和工作原理一晶闸管的结构晶闸管的结构 外部、内部外部、内部二晶闸管的导通关断条件晶闸管的导通关断条件三晶闸管的工作原理7第一节晶闸管的结构和工作原理一晶闸管的结构晶闸管的结构1 符号符号：阳极A，阴极K，门极G（控制极）CathodeAnodeGate8第一节晶闸管的结构和工作原理螺栓形螺栓形：螺栓阳极A粗引线阴极K细引线-门极G特点：安装方便 AGG一晶闸管的结构晶闸管的结构2 外形外形：9第一节晶闸管的结构和工作原理平板形平板形：两面分别为阳极A和阴极K中间引出线-门极G特点：散热效果好，容量大一晶闸管的结构晶闸管的结构 2 外形外形：10螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第一节晶闸管的结构和工作原理11基本材料:硅单晶体硅单晶体四层三端器件四层三端器件(P1N1P2N2）钼片：导电材料，用于减小/缓冲相邻两种材料的热膨胀系数的差别，以保证在各种温度下接触可靠AP1N1P2N2N2第一节晶闸管的结构和工作原理一晶闸管的结构晶闸管的结构3 晶闸管的内部管芯结构晶闸管的内部管芯结构：12晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号一晶闸管的结构晶闸管的结构第一节晶闸管的结构和工作原理13实验说明（P7）实验页面链接:二晶闸管的导通关断条件晶闸管的导通关断条件1 实验现象实验现象第一节晶闸管的结构和工作原理141导通条件：导通条件：UAK0ANDUGK0(iG0适当值)2关断条件：关断条件：IA减小至维持电流以下UAK减小到零或加反压来达到3一旦导通，门极失去控制一旦导通，门极失去控制可用脉冲信号控制第一节晶闸管的结构和工作原理二晶闸管的导通关断条件晶闸管的导通关断条件承受反向电压时，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 晶闸管正常工作时的特性晶闸管正常工作时的特性只能控制导通，不能控制关断只能控制导通，不能控制关断-半控半控15三晶闸管的工作原理从内部结构分析单向导通的工作原理四层三端器件（P1N1P2N2）三个PN结J1,J2,J3:UAK0时，J1,J3正偏,J2反偏（正向阻断状态正向阻断状态）UAKIG1IG第二节晶闸管的特性和主要参数22（1）正向伏安特性正向伏安特性：Ig=0时：UBO-正向转折电压雪崩击穿导通Ig增大时：较小的UAK即可导通，导通压降小（在1V左右）导通后IA取决于外部电路IAIH时关断正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM一、晶闸管的伏安特性第二节晶闸管的特性和主要参数23反向特性类似二极管的反向特性反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管雪崩击穿正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性第二节晶闸管的特性和主要参数一、晶闸管的伏安特性24二、晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压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断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压UDSM在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的正向峰值电压1）电压参数电压参数第二节晶闸管的特性和主要参数Ig=0,TIg=0,TJ J=T=TJMJM,50hz,50hz 不大于不大于10ms/10ms/次次UUDSMDSMU管芯半导体结温-流过电流的有效值（相同的电流有效值条件下，其发热情况相同相同的电流有效值条件下，其发热情况相同）第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数28有效值与平均值的定义f()为表示电压或电流的周期函数，则它在12期间的平均值和有效值分别为二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数 I ITavTav通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流（额定电流）（额定电流）（额定电流）（额定电流）第二节晶闸管的特性和主要参数29正弦半波的电流平均值与有效值第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数 I ITavTav通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流（额定电流）（额定电流）（额定电流）（额定电流）30第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数 I ITavTav通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流（额定电流）（额定电流）（额定电流）（额定电流）波形系数波形系数波形系数波形系数K Kf f有效值有效值有效值有效值/平均值平均值平均值平均值n n如果额定电流为如果额定电流为100A100A的晶闸管的晶闸管 其允许通过的电流有效值为其允许通过的电流有效值为1.571001.57100157A157A31第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数 I ITavTav通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流（额定电流）（额定电流）（额定电流）（额定电流）某一额定电流的器件通过非正弦半波的电流时允许流某一额定电流的器件通过非正弦半波的电流时允许流某一额定电流的器件通过非正弦半波的电流时允许流某一额定电流的器件通过非正弦半波的电流时允许流过的电流可以达到多少过的电流可以达到多少过的电流可以达到多少过的电流可以达到多少？器件工作时一定是流过正弦半波电流吗？器件工作时一定是流过正弦半波电流吗？器件工作时一定是流过正弦半波电流吗？器件工作时一定是流过正弦半波电流吗？器件通过某一非正弦半波的电流，应该如何选择器件器件通过某一非正弦半波的电流，应该如何选择器件器件通过某一非正弦半波的电流，应该如何选择器件器件通过某一非正弦半波的电流，应该如何选择器件的电流定额？的电流定额？的电流定额？的电流定额？或者或者32第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数 I ITavTav通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流（额定电流）（额定电流）（额定电流）（额定电流）电流有效值相等（即发热相同）的原则电流有效值相等（即发热相同）的原则电流有效值相等（即发热相同）的原则电流有效值相等（即发热相同）的原则将非正弦半波电流的有效值将非正弦半波电流的有效值将非正弦半波电流的有效值将非正弦半波电流的有效值I IT T折合成折合成折合成折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值由于晶闸管元件的热容量小，过载能力低由于晶闸管元件的热容量小，过载能力低由于晶闸管元件的热容量小，过载能力低由于晶闸管元件的热容量小，过载能力低 在实际选用时，一般取在实际选用时，一般取在实际选用时，一般取在实际选用时，一般取1 15 52 2倍的安全裕量倍的安全裕量倍的安全裕量倍的安全裕量IT=KfIdITav=IT/1.57ITav=(1.52)IT/1.57=(1.52)KfId/1.57通过非正弦波形的电流时晶闸管额定电流如何计算通过非正弦波形的电流时晶闸管额定电流如何计算通过非正弦波形的电流时晶闸管额定电流如何计算通过非正弦波形的电流时晶闸管额定电流如何计算？33第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数 I ITavTav通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流（额定电流）（额定电流）（额定电流）（额定电流）例（P13）流经晶闸管的电流波形如图所示，试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全系数为2，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的该波形该波形电流平均值和最大值为多少?34第二节晶闸管的特性和主要参数例（P13）流经晶闸管的电流波形如图所示，试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全系数为2，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的该波形电流平均值和最大值为多少?ITav=(1.52)IT/1.57=(1.52)KfId/1.5735第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数 I ITavTav通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流（额定电流）（额定电流）（额定电流）（额定电流）总结：总结：IT为应用电流的有效值；Id为应用电流的平均值；Kf为应用电流的波形系数；ITav为额定电流用法一：用法一：对于任意波形应用，在知道具体电流大小，求解晶闸管的额定电流取值用法二：用法二：对于任意波形应用，给定晶闸管的额定电流后，求解任意波形的平均值最大允许值ITav=(1.52)IT/1.57=(1.52)KfId/1.5736第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数2）电流参数电流参数 I ITavTav通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流（额定电流）（额定电流）（额定电流）（额定电流）维持电流维持电流维持电流维持电流 I IHH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流使晶闸管维持导通所必需的最小电流 擎住电流擎住电流擎住电流擎住电流 I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，号后，能维持导通所需的最小电流能维持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为约为约为I IHH的的的的2424倍倍倍倍 浪涌电流浪涌电流浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM 指由于电路异常情况引起的并使结温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超过额定结温的不重复性最大正向过载电流37第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数3）动态参数动态参数 du/dt-du/dt-断态电压临界上升率断态电压临界上升率断态电压临界上升率断态电压临界上升率 条件：条件：条件：条件：额定结温，门极开路额定结温，门极开路 使使SCRSCR保持断态所能承受的最大电压上升率保持断态所能承受的最大电压上升率 超过会误导通超过会误导通：J2结电容效应-位移电流限制方法限制方法：在SCRA-K两端并RC(防止截止期间误导通)38第二节晶闸管的特性和主要参数二、晶闸管的主要参数3）动态参数动态参数 di/dt-di/dt-通态电流临界上升率通态电流临界上升率通态电流临界上升率通态电流临界上升率在规定条件下，在规定条件