晶闸管及其触发电路简介

电力电子技术 华南师范大学 主讲：陈厚福 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 电力二极管 1 晶闸管 2 双向晶闸管及其他派生晶闸管 3 第一章 电力二极管和晶闸管 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 概 念 晶闸管就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅（ SCR），普通 晶闸管是一种具有开关作用的大功 率半导体器件。 晶闸管 的结构 晶闸管具有 四层 PNPN结构 ， 引出 阳极 A、 阴极 K和 门极 G 三个联接端 。 晶闸管的常 见封装外形有 塑封型 、 螺栓 型 、 平板型 。 晶 闸 管 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 对于螺栓型封装的晶闸管 ， 通常螺栓是其阳极 ， 能与 散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由 两个散热器将其夹在中间 。 A A G G K K b) c)a) A G K K G A P 1 N 1 P 2 N 2 J 1 J 2 J 3 G 小电流塑封式 小电流螺栓式 大电流螺栓式 大电流平板式 图形符号 晶 闸 管 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 冷却方式： 自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水 冷。 自冷式 风冷式 水冷式 晶 闸 管 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 SCR导通条件： UAK0 同时 UGK0 综上所述 由导通 关断的条件： 使流过 SCR的电流降低 至维持电流以下。 晶 闸 管 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 相同点 与普通晶闸管 (SCR)的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和极。 1. 结构 A K G A G K IA IC1 IC2 P1N1P2 N1P2N2 1 2 IK 门极关断（ GTO）晶闸管 P1 N1 P2 N2 A K G 不同点 和普通晶闸管的不同点： GTO是一种多元 的功率集成器件，内部包含数十个甚至数 百个共阳极的小 GTO元，这些 GTO元的阴 极和门极在器件内部分别并联在一起。 门极关断晶闸管（ Gate Turn Off thyristor ） 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 2. 导通关断条件 导 通 与晶闸管相同， AK正偏， GK正偏。 A K G EA EG A G K R I A IC1 IC2 P1N1P2 N1P2N2 1 2 IG IK 导通过程等效电路 门极关断（ GTO）晶闸管 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 2. 导通关断条件 关 断 门极加负脉冲电流。 A K G G N1P2N2 EA EG A K R I A IC1 IC2 P1N1P2 1 2 IG IK S 关断过程等效电路 P1 N1 P2 N2 A K G 门极关断（ GTO）晶闸管 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 电力场效应晶体管 （ Power MOSFET） N + G S D P 沟道 b) N + N - S G D P P N + N + N + 沟道 a) G S D N 沟道 图1 - 1 9 电力 MOSFET的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 G 栅极 D 漏极 S 源极 1、结构 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 2、导通关断条件 漏源极导通条件 在栅源极间加正电压 UGS 漏源极关断条件 栅源极间电压 UGS为零 N沟道 G S D 电力场效应晶体管 （ Power MOSFET） 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 绝缘栅双极晶体管（ IGBT） 绝缘栅双极型晶体管简称 为 IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor） ,是 80 年代中期发展起来的一种新 型 复合器件 。 IGBT综合了 MOSFET和 GTR的输入阻抗高、工 作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大 的优点。成为当前电力半导体器件的发展方向。 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 结构 复合结构（ = MOSFET+GTR） E G C N + N - a) P N + N + P N + N + P + 发射极 栅极 集电极 注入区 缓冲区 漂移区J 3 J 2 J 1 G E C + - +- + - I D R N I C V J1 I D R on b ) G C c ) 栅极 集电极 发射极 绝缘栅双极晶体管（ IGBT） 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 导通关断条件 驱动原理与电力 MOSFET基 本相同，属于场控器件，通 断由栅射极电压 uGE决定。 E G C 绝缘栅双极晶体管（ IGBT） 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 导通条件：在栅射极间加正 电压 UGE。 UGE大于开启电压 UGE(th) 时， MOSFET内形成沟道， 为晶体管提供基极电流， IGBT导通。 E G C 导通关断条件 绝缘栅双极晶体管（ IGBT） 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 关断条件：栅射极反压或无 信号。 栅射极间施加反压或不 加信号时， MOSFET内的沟 道消失，晶体管的基极电流 被切断， IGBT关断。 导通关断条件 E G C 绝缘栅双极晶体管（ IGBT） 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 双向晶闸管及其他派生晶闸管 双向晶闸管的外形与结构 双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺 栓式和平板式。 平板式 螺栓式 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 内部 结构 是一种 NPNPN五层结构引出三个端线的器件。 相当于两个门极接在一起的普通晶闸管反并联。 T2 T1 G G T1 T2 G 双向晶闸管的外形与结构 双向晶闸管及其他派生晶闸管 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 第五章 晶闸管的触发电路 单结晶体管触发电路 1 同步电压为锯齿波的触发电路 2 集成触发电路及数字触发电路 3 触发电路与主电路电压的同步 4 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 触 发 电 路 在晶闸管可控整流电路中，当晶闸管承受 正向电压时，必须在门极和阴极之间加适 当的正向电压晶闸管才能导通；通过控制 触发角 的大小可控制输出电压大小。这 种控制晶闸管导通和控制触发角 大小的 电路称为触发电路。 第五章 晶闸管的触发电路 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 对于触发电路通常有如下要求： 触发电路输出的脉冲必须具有足够的功率 触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步 触发脉冲能满足主电路移相范围的要求 触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡 第五章 晶闸管的触发电路 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 常见的触发脉冲电压波形 正弦波 尖脉冲 方脉冲 强触发脉冲 脉冲序列 第五章 晶闸管的触发电路 uG t uG t uG t 1 3KHz 700 900 uG t uG t 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 第一节 单结晶体管触发电路 一、单结晶体管 单结晶体管的结构、图形符号及等效电路如下图所示。 b2 b1 N型硅 P型硅 发射极 第二基极 第一基极 欧姆接触 电阻 PN结 结构示意 外形 等效电路 b2 b1 e Rb2 Rb1 VD 图形符号 b2 b1 e 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 b2 b1 e ie Ubb Ue U bb bb bbbA URR URU 21 1 截 止 区 Ue UA ： PN结反偏置， 只有很小的反向漏电流 Ue= UA ： Ie， 特性曲线与纵坐标交于 B点 Ue 上升 ：单结晶体管导通， Ue UD Ubb ， Ue UP时，对应峰点 P称为转折点。 第一节 单结晶体管触发电路 ie Ue P 截止区 负阻区 饱和区 V B UD b2 b1 e Rb2 Rb1 VD A 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 b2 b1 e ie Ubb Ue U bb bb bbbA URR URU 21 2 第一节 单结晶体管触发电路 ie Ue P 截止区 负阻区 饱和区 V B UD b2 b1 e Rb2 Rb1 VD A 负 阻 区 Ue UP： Ie增大 ， Rb1急剧下降 ， UA达到最小， Ue也最小 ，达到谷点 V。 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 b2 b1 e ie Ubb Ue U bb bb bbbA URR URU 21 2 第一节 单结晶体管触发电路 ie Ue P 截止区 负阻区 饱和区 V B UD b2 b1 e Rb2 Rb1 VD A 饱 和 区 Ue达到 UV 之后，单结晶体管处于饱和导通状态。 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 二、单结晶体管自激振荡电路 b2 b1 e Re uR1 uC E R1 R2 C uC t 0 uR1 t 0 UP UV 接通电源， E 通过 Re对 C充电（时间常数为 ReC）； Uc增大 , 达到 UP , 单结晶体管导通 , C通过 R1放电； Uc减到 Uv ，单结晶体管截止， uR1 下 降接近零。 重复充放电过程 第一节 单结晶体管触发电路 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 Re u2 r R2 C V1 R3 VD Rd VT us ud u1 T T uG R1 三、具有同步环节的单结晶体管触发电路 ud t 0 uG t 0 UP UV uc t 0 每周期中电容 C的充放电不止一次，晶闸管由第一 个脉冲触发导通，后面的脉冲不起作用。 改变 Re的大小， 可改变电容充电速度，达到调节 角的目的。 削波的目的：增大移相范围，使输出的触发脉 冲的幅度基本一样。不削波： UPUbb， 为正弦半波， 移相范围小。 uV1 t 0 uS 第一节 单结晶体管触发电路 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 实际应用中，常用晶体管 2代替电位器 Re， 以便实现自 动移相。 TP： 脉冲变压器， 实现触发电路与主电路的电气隔离。 恒流源 第一节 单结晶体管触发电路 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 第三节 集成触发电路及数字触发电路 集成触发电路具有可靠性高，技术性能好，体积小， 功耗低，调试方便等优点。 晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代 分立式电路。 KJ004 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似 ,分为同步 、 锯 齿波形成 、 移相 、 脉冲形成 、 脉冲分选及脉冲放大几 个环节 。 11 12 16 1 15 1413943 5 7 8 R 23 + 15 V + 15 V + 15 V RP 1 R 24 R 2 R 20 RP 4 R 5 R 1 R 3 R 4 R 6 R 7 R 8 R 12 R 10 R 11 R 14 R 19 R 13 R 25R 26 R 27 R 28 R 20 R 22 R 16 R 17 R 21 R 18 R 15 V 3 V 2 V 1 V 18 V 19 V 20 V 4 V 5 V 6 V 12 V 13 V 14 V 15 V 16 V 9 V 10 V 11 V 8 V 7 V 17 VS 5 VS 1 VS 2 VS 3 VS 4 VS 6 VS 7 VS 8 VS 9 VD 1 VD 2 VD 3 VD 4 VD 5 VD 6 VD 7 C 1 C 2 u b u co u s 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 完整的三相全控桥触发电路 3个 KJ004集成块和 1个 KJ041集成块 ， 可形成六路双 脉冲 ， 再由六个晶体管进行脉冲放大即可 。 u sa 1 2 3 4 5 6 7 11 10 9 14 13 12 8 16 15 1 2 3 4 5 6 7 11 10 9 14 13 12 8 16 15 KJ 004 KJ 004 - 1 5 V + 15 V 1 2 3 4 5 6 7 11 10 9 14 13 12 8 16 15 KJ 004 RP 6 RP 3 ( 1 6 脚为 6 路单脉冲输入) 1 2 3 4 5 6 7 11 10 9 14 13 12 8 16 15 KJ 0 4 1 ( 1 5 1 0 脚为 6 路双脉冲输出) 至 VT 1 u sb u sc u p u co R 19 R 13 R 20 R 14 R 21 R 15 R 9 R 3 R 6R 18 R 8 R 2 R 5R 17 R 7 R 1 R 4R 16 R 10 R 11 R 12C 7 C 4 C 1 C 8 C 5 C 2 C 9 C 6 C 3 RP 4 RP 1 RP 5 RP 2 至 VT 2 至 VT 3 至 VT 4 至 VT 5 至 VT 6 第三节 集成触发电路及数字触发电路 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 交流开关及其应用电路 常规的电磁式开关在断开负载时往往有电弧产生 ， 触头易烧损 、 开断时间长；在运行过程中会产生噪音 污染环境等等 。 由电力电子器件组成的交 、 直流开关 具有无触头 、 开关速度快 、 使用寿命长等优点 ， 因而 获得广泛的应用 。 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 第一节 交流开关及其应用电路 一 、 晶闸管交流开关及应用 晶闸管开关的基本形式 VT1 VT2 VD1 VD2 RL u Q （ a） VT Q RL R1 C1 R u （ b） VD1 VD2 u Q VD3 VD4 （ c） VT RL 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 晶闸管开关的基本形式 Q VT1 VT2 VD1 VD2 RL u （ a） 第一节 交流开关及其应用电路 一 、 晶闸管交流开关及应用 u 0时： VT1被触发导通，电流 i由 AVT 1 RLB ； u 0时： VT2被触发导通，电流 i由 BVT 2 RLA 。 i A B VT Q RL R1 C1 R u （ b） VD1 VD2 u Q VD3 VD4 （ c） VT RL 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 VT Q RL R1 C1 R u （ b） 晶闸管开关的基本形式 第一节 交流开关及其应用电路 一 、 晶闸管交流开关及应用 u 0时： VT被触发导通，电流 i由 A RLVTB ； u 0时： VT被触发导通，电流 i由 BVT RLA 。 i A B VD1 VD2 u Q VD3 VD4 （ c） VT RL VT1 VT2 VD1 VD2 RL u Q （ a） 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 晶闸管开关的基本形式 第一节 交流开关及其应用电路 一 、 晶闸管交流开关及应用 i A B u 0时 :VT被触发导通 ,电流 i由 A VD4 VT VD1 RL B； u 0时 :VT被触发导通 ,电流 i由 B RL VD3VT VD2 A。 VD1 VD2 u Q VD3 VD4 （ c） VT RL VT1 VT2 VD1 VD2 RL u Q （ a） VT Q RL R1 C1 R u （ b） 电力电子技术 第 5章 晶闸管的触发电路 光电耦合交流开关 B RL u u为正半波 为负半波 第一节 交流开关及其应用电路 + + + 1、 2端无信号 ， B截止 ， V导通 , VT1、 VT2截止 . 一 、 晶闸管交流开关及应用 、 端接信号 ， 导通 ， 截止 、 导通