电力电子技术课件：01 晶闸管

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1、第一章第一章 晶闸管晶闸管NUAA晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶晶体体闸闸流流管管，可可控控硅硅整整流流器器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管）发明了晶闸管1957年年美美国国通通用用电电气气公公司司（General Electric Company）开开发出第一只晶闸管产品发出第一只晶闸管产品1958年商业化年商业化(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世纪世纪80年代以来，开始逐步为

2、全控型器件取代年代以来，开始逐步为全控型器件取代能能承承受受的的电电压压和和电电流流容容量量最最高高，工工作作可可靠靠，在在大大容容量量的的场场合具有重要地位，目前在许多工业领域仍在广泛使用合具有重要地位，目前在许多工业领域仍在广泛使用2NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管3NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管第一节第一节 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理一一.晶闸管的结构晶闸管的结构 结构结构 符号符号 封装封装(外形外形)举例举例4D2Pak (SMD-220) TO-247AC TO-200AB (A-Puk) TO-118 http:/ 晶闸管晶闸管二二.晶闸管的工作原理晶闸管

3、的工作原理 等效电路等效电路a)AGKP1N1P2N2J1J2J36NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管关断过程关断过程： 打破自锁条件打破自锁条件Ig Ib2 Ic2 (Ib1 ) Ic1 正反馈正反馈,自锁自锁Ib2Ib1令令IA0导通过程导通过程7 电路分析（电路分析（P8,P8,自学自学) )NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管 阻断状态：阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的电流近似为J2结反向漏电流。开通状态：开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话， IA会急剧上升，晶闸管由正阻断状态转为正向导通状态，电流大小仅取决于外部主回路8 导通和关断的原理分

4、析（导通和关断的原理分析（P8) 晶体管的共基极电流放大系数晶体管的共基极电流放大系数 在低发射在低发射极电流下极电流下 很小，很小， 当发射极电流建立起来之后，当发射极电流建立起来之后， 迅速增大迅速增大 NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管9NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管断断 通通:1.阳极和阴极之间加正向阳极电压阳极和阴极之间加正向阳极电压 且且 2.门和阴极之间加适当的正向门极电压门和阴极之间加适当的正向门极电压三三.晶闸管的通断条件晶闸管的通断条件维持导通维持导通:阳极和阴极之间的电流大于维持阳极和阴极之间的电流大于维持 电流电流(此时门极电压不起作用此时门极电压不起作用)通通 断

5、断: 阳极和阴极之间的电流小于维持电流阳极和阴极之间的电流小于维持电流脉冲触发脉冲触发10NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管正向正向反向阻断反向阻断反向击穿反向击穿第二节第二节晶闸管的晶闸管的特性和主要参数特性和主要参数一、一、晶闸管的伏安晶闸管的伏安特性特性I象限：正向特性象限：正向特性III象限：反向特性象限：反向特性（1）正向伏安特性）正向伏安特性IG=0时时：正向正向导通导通雪崩雪崩击穿击穿O+UA- -UA- -IAIAIHIG2IG1IG= =0UBoUDSMUDRMURRMURSMNUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管器器件件两两端端施施加加正正向向电电压压，只只有有很很小小的的正正

6、向向漏漏电电流流，为正向阻断状态。为正向阻断状态。正正向向电电压压超超过过正正向向转转折折电电压压UBo，则则漏漏电电流流急急剧剧增增大大，器器件件开开通通。(雪雪崩崩击击穿穿/非非正正常导通常导通)IG增大增大 时：时：较小的较小的UAK即可导通，即可导通，导通压降小导通压降小 （在（在1V左右）左右）导通后导通后IA取决于外部电路取决于外部电路IAIG1IG类似二极管的反向特性类似二极管的反向特性反反向向阻阻断断状状态态时时，只只有有极极小的反向漏电流流过小的反向漏电流流过当当反反向向电电压压达达到到反反向向击击穿穿电电压压后后，可可能能导导致致晶晶闸闸管管雪崩击穿雪崩击穿正向正向导通导通

7、雪崩雪崩击穿击穿O+UA- -UA- -IAIAIHIG2IG1IG= =0UboUDSMUDRMURRMURSM（2 2）反向特性）反向特性NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管这些参数代表：这些参数代表：1）安全工作范围；或）安全工作范围；或2）正常工作时的特性）正常工作时的特性1.电压参数电压参数: P11重要：额定电压重要：额定电压; ; 通态平均电压（通态正向压降）通态平均电压（通态正向压降）3.动态参数动态参数: P14电流电压变化率；开通关断时间电流电压变化率；开通关断时间2. 电流参数电流参数: P13重要：通态平均电流重要：通态平均电流; ; 维

8、持电流维持电流; ; 掣住电流掣住电流二、二、晶闸管的参数晶闸管的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NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压URSM 在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的反向峰值电压。NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管UDSM断态不重复峰值

9、电压断态不重复峰值电压UDRM 断态重复峰值电压断态重复峰值电压URSM 反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压反向重复峰值电压额定电压：额定电压：min(UDRM URRM)取整取整 选选用用时时，一一般般取取额额定定电电压压为为正正常常工工作作时时晶晶闸闸管管所所承承受受峰峰值电压值电压23倍倍-安全裕度安全裕度NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管18UON通态平均电压（管压降）通态平均电压（管压降）NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管通过正弦半波的额定通态平均电流和额定结温时，通过正弦半波的额定通态平均电流和额定结温时，A-K电压电压降平均值降平均值 ITav通态平均

10、电流通态平均电流（额定电流）（额定电流） 允许通过的工频允许通过的工频正弦半波电流的平均值正弦半波电流的平均值 （环境温度+40度和规定的冷却条件下导通角不小于170度阻性负载电路） (之所以通态平均电流来标定是因为整流电路输出端常用平均电流来表征)决定晶闸管的最大电流 - 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，选取型号相同）192 电流参数电流参数NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管20对于周期性函数对于周期性函数 f(t) :平均值的定义平均值的定义有效值的定义有效值的定义 NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管正弦半波的电流平均值与有效值正弦半波的电流平

11、均值与有效值21NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管22波形系数波形系数Kf=有效值有效值/平均值平均值n如果额定电流为如果额定电流为100A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1.57100157ANUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管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？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IT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在实际选用时，一般取在实际选用时，一般

12、取1.52倍的安全裕量倍的安全裕量IT=KfIdITav=IT/1.57NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管可以认为，额定有效值电流为可以认为，额定有效值电流为1.57ITav24n n用法一：用法一：用法一：用法一：对于任意波形应用，在知道具体电流大小，求解晶对于任意波形应用，在知道具体电流大小，求解晶对于任意波形应用，在知道具体电流大小，求解晶对于任意波形应用，在知道具体电流大小，求解晶闸管的额定电流取值闸管的额定电流取值闸管的额定电流取值闸管的额定电流取值n n用法二：用法二：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，求对于任意波形应用，给定晶闸管的额定电流后，求对于任意波

13、形应用，给定晶闸管的额定电流后，求对于任意波形应用，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解任意波形的平均值最大允许值解任意波形的平均值最大允许值解任意波形的平均值最大允许值NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管 维持电流维持电流 IH 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 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流能维持导通所需的最小电流 对同一个晶闸管来说，通常对同一个晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍倍 浪涌电流浪涌电流浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM

14、 指由于电路异常情况引起的并使结温不超过额指由于电路异常情况引起的并使结温不超过额定结温的不重复性最大正向过载电流定结温的不重复性最大正向过载电流NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管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SCR A-K两端并RC (防止截止期间误导通)263 动态参数动态参数 du/dt-断态电压临界上升率断态电压临界上升率 条件：额定结温，门极开路条件：额定结温，门极开路 使使SCR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NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管27 didi/ /dtdt-通态电流临界上升率通态电流临界上升

15、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，在规定条件下，SCR门极触发开通时，门极触发开通时，SCR能承受的不会导能承受的不会导致损坏的通态电流最大上升率致损坏的通态电流最大上升率di/dt超过会引起过热损坏：超过会引起过热损坏： 电流集中！电流集中！限制方法：限制方法： 在阳极电路串一小电感；在阳极电路串一小电感；快速上升的强触发脉冲可提快速上升的强触发脉冲可提高高di/dt承受能力承受能力NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管28 t tONON-门极控制开通时间门极控制开通时间门极控制开通时间门极控制开通时间 t tONON =t =td d( (延时延时延时延时)+)+t tr

16、r( (上升上升上升上升) )NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管29 t tOFOF-电路换向关断时间电路换向关断时间电路换向关断时间电路换向关断时间 t tOFOF = =t trrrr( (反向恢复反向恢复反向恢复反向恢复)+)+t tgrgr( (门极恢复门极恢复门极恢复门极恢复) )SCRSCR承受反压时间必须大于承受反压时间必须大于承受反压时间必须大于承受反压时间必须大于T ToFoFNUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管动态特性动态特性晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管门极伏安特性：门极伏安特性： UGK-Ig关系。 与二极管相似三个

17、区：三个区： 不触发区：0-UGDIGD UGD不触发电压 IGD 不触发电流 可靠触发区：ABCGFED UGT触发电压 IGT 触发电流 不可靠触发区：ABCJIH31G三、门极伏安特性和三、门极伏安特性和参数定额参数定额NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管UGFM门极的正向峰值电压IGFM 门极的正向峰值电流 PGav 门极的平均功率PGM 门极的峰值功率32可靠触发可靠触发不能过功率不能过功率NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管四、四、晶闸管器件的晶闸管器件的电压电流电压电流定额计算定额计算 -根据电路容量选器件根据电路容量选器件器件手册上所给的器件定额参

18、数：器件手册上所给的器件定额参数： 额定电压额定电压 URM 正弦半波条件下正弦半波条件下的平均电流的平均电流 ITavNUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管1. 电压电压 参数计算参数计算 器件承受的最大正器件承受的最大正/反向电压反向电压2. 电流参数计算电流参数计算 电流过大则过热烧毁，所以要限制电流有效值电流过大则过热烧毁，所以要限制电流有效值 IT 依据依据“任何波形下电流有效值任何波形下电流有效值相等相等即发热相同的原则即发热相同的原则”，将非正弦半波电流的有效值，将非正弦半波电流的有效值IT或平均值或平均值Id折合成等效的折合成等效的正正弦半波电流平均值弦半波电流平均值-据此计算电流

19、定额据此计算电流定额NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管电流定额的计算过程：电流定额的计算过程： 确定晶闸管在具体电路条件下（即某种波形下）的电流确定晶闸管在具体电路条件下（即某种波形下）的电流有效值有效值IT 计算该计算该IT对应的额定电流（即在正弦半波条件下的平均对应的额定电流（即在正弦半波条件下的平均电流电流 ）: Itav1.57 IT 留裕量；查手册选器件留裕量；查手册选器件 举例：书举例：书P13 例例1 （P13）流经晶闸管的电流波形如图所示，试计算该）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。若取安全系数为电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安

20、全系数为2，问额定电流为，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的该波形电的晶闸管，其允许通过的该波形电流平均值和最大值为多少流平均值和最大值为多少?NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管额定额定100A的晶闸管允许流过的电流有效值：的晶闸管允许流过的电流有效值：IT=(1.57100)/278.5(A) 代入代入(2)，得，得 Im=再代入再代入(1)，得，得 Id(1)(2) 例例2 流经晶闸管的电流波形如图所示，流过得电流均值不流经晶闸管的电流波形如图所示，流过得电流均值不超过超过50A，若取安全系数为，若取安全系数为2，请问所需晶闸管的电流额定，请问所需

21、晶闸管的电流额定为多少为多少?NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管由由(1)，均值，均值50A对应的峰值：对应的峰值：Im=50/0.24208(A) 代入代入(2)，得，得 有效值有效值Im=95.8A对应的所需额定电流对应的所需额定电流IdTav95.8/1.57=61.0(A)留两倍裕量后：留两倍裕量后：61.02122.2A查手册，满足要求的晶闸管其电流定额为查手册，满足要求的晶闸管其电流定额为？A(1)(2)第一章学习要求第一章学习要求掌握晶闸管的：掌握晶闸管的：电工符号，三个极名称；电工符号，三个极名称；基本特性；开通和关断条件基本特性；开通和关断条

22、件伏安特性伏安特性主要参数；额定电流，额定电压主要参数；额定电流，额定电压 选择和使用中应注意的一些问题选择和使用中应注意的一些问题了解：了解：内部结构构成及工作原理；内部结构构成及工作原理； 门极可靠触发区选取门极可靠触发区选取 NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管晶闸管的选取方法晶闸管的选取方法主要包括额定电压、额定电流参数两部分。额定电压参数主要包括额定电压、额定电流参数两部分。额定电压参数的选取主要是根据晶闸管所承受的最大电压，再根据要求的选取主要是根据晶闸管所承受的最大电压，再根据要求乘以电压安全裕量系数；乘以电压安全裕量系数；额定电流参数的选取主要是根据晶闸管电流的通态平均值，额定电

23、流参数的选取主要是根据晶闸管电流的通态平均值，再根据要求乘以电流安全裕量系数即可。再根据要求乘以电流安全裕量系数即可。根据计算的电压和电流的数值，根据计算的电压和电流的数值，及生产厂家提供的晶闸管及生产厂家提供的晶闸管的参数表，的参数表，就可确定所选晶闻管的型号。就可确定所选晶闻管的型号。41NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管42NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管作业作业: P17 1, 2, 3, 4, 5(c), 6(c)43NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管BackupNUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管已给额定电流已给额定电流ITav 指定波形下允许的电流平均值指定波形下允许的电流平均值

24、（解释式（解释式1-9：确定给定器件的工作范围）：确定给定器件的工作范围）额定电流额定电流ITav是是半波整流波形（图半波整流波形（图1-7）时的）时的平均值平均值对应的对应的有效值有效值 IT=1.57 ITav (1.57: 整流半波的波形系数）整流半波的波形系数）指定波形（波形系数为指定波形（波形系数为Kf）下的电流）下的电流平均值平均值 Id*= IT / Kf考虑考虑1.52倍裕量后允许的倍裕量后允许的平均值平均值 Id = Id* /(1.52)式式1-9小结小结NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管某一波形下的电流平均值某一波形下的电流平均值确定确定 额定电流额定电流ITav (选器

25、件选器件)额定电流额定电流(平均值平均值)=IT/1.57 (Kf =1.57:整流半波的波形系数整流半波的波形系数)额定电流对应的额定电流对应的有效值有效值 =IT 等效点等效点该波形（其波形系数该波形（其波形系数Kf）下的电流）下的电流有效值有效值IT =IdKf考虑考虑1.52倍裕量后取额定电流倍裕量后取额定电流ITav = (1.52) IT/1.5746NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管晶闸管的电流参数选择晶闸管的电流参数选择(选器件选器件)电流的几个概念：平均值电流的几个概念：平均值ITav，有效值，有效值IT，波形，波形系数系数Kf平均值平均值ITav有效值有效值IT波形系数波形系数Kf47NUAA第一章第一章 晶闸管晶闸管已给额定电流已给额定电流ITav 某一波形下允许的电流平均值某一波形下允许的电流平均值（解释式（解释式1-9：确定给定器件的工作范围）：确定给定器件的工作范围）某一波形允许的电流平均值某一波形允许的电流平均值 额定电流额定电流ITav (选器件选器件)半波整流波形半波整流波形