电力电子器件-半控型器件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电力电子技术,(Power Electronics),电力电子器件,武汉科技大学信息科学与工程学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,2,章 电力电子器件,2024/9/22,1,第一节 电力电子器件概述,第二节 不可控器件,电力二极管,第三节 半控型器件,晶闸管,第四节 典型全控型器件,第五节 其他新型电力电子器件,第六节 功率集成电路与集成电力电子模块,本章小结及作业,2024/9/22,2,2.3,半控型器件,晶闸管,晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。其,导通时刻可控,，满足了调压要求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。,晶闸管也有许多,派生器件,，如快速晶闸管（,FST,）、双向晶闸管（,TRIAC,）、逆导晶闸管（,RCT,）和光控晶闸管（,LCT,）等。,2024/9/22,3,2.3,半控型器件,晶闸管,晶闸管,(Thyristor),：,晶体闸流管,，,可控硅整流器,（,Silicon Controlled RectifierSCR,）,1956,年美国贝尔实验室（,Bell Lab,）发明了晶闸管,1957,年美国通用电气公司（,GE,）开发出第一只晶闸管产品,1958,年商业化，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，开始被性能更好的全控型器件取代,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,晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型,普通晶闸管,2024/9/22,4,2.3.1,晶闸管的结构与工作原理,1,、晶闸管的结构,具有,四层,PNPN,结构、三端引出线,(A,、,K,、,G),的器件。,外形有,螺栓型,和,平板型,两种封装。,有三个联接端。,螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。,平板型晶闸管可由两个散热器,将其夹在中间,。,2024/9/22,5,螺栓型晶闸管,平板型晶闸管外形及结构,2024/9/22,6,2,、晶闸管的其它封装形式：,还有,塑封,和,模块式,两种封装。,2024/9/22,7,符号,G,控制极,(Gate),K,阴极,(Kathode),阳极,(Anode),A,P1,P2,N1,N2,四 层 半 导 体,三,个,PN,结,结构,2.3.1,晶闸管的结构与工作原理,2024/9/22,8,P1,P2,N1,N2,K,G,A,晶闸管相当于,PNP,和,NPN,型两个晶体管的组合,P,P,N,N,N,P,A,G,K,双晶体管模型,2024/9/22,9,T,1,T,2,A,在极短时间内使两个三极管均,饱和导通,，此过程称,触发导通,。,形成正反馈过程,K,G,E,A, 0,、,E,G, 0,E,G,E,A,+,_,R,晶闸管导通的工作原理,:,2024/9/22,10,晶闸管导通后，去掉,E,G,，,依靠,正反馈,，,仍可维持导通状态,。,E,A, 0,、,E,G, 0,形成正反馈过程,E,A,+,_,R,T,1,T,2,E,G,A,K,晶闸管导通的工作原理,:,2024/9/22,11,按晶体管的工作原理 ，得：,（,2-2,）,（,2-1,）,（,2-3,）,（,2-4,）,式中,1,和,2,分别是晶体管,V,1,和,V,2,的共基极电流增益；,I,CBO1,和,I,CBO2,分别是,V,1,和,V,2,的共基极漏电流。由以上式可得 ：,2024/9/22,12,在低发射极电流下,是很小的，而当发射极电流建立起来之后，,迅速增大。,阻断状态,：,I,G,=0,，,1,+,2,很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。,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，流过晶闸管的电流,I,A,，将趋近于无穷大，实现饱和导通。,I,A,实际由外电路决定。,2024/9/22,13,晶闸管导通的条件：,1.,晶闸管阳极电路,(,阳极与阴极之间,),施加正向电压,（,E,A,0,）。,2.,晶闸管控制电路,(,控制极与阴极之间,),施加正向电压或正向脉冲,(,正向触发电压,),。,E,G,0,晶闸管导通后，控制极便失去作用。,依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。,2.3.2,晶闸管的基本特性,2024/9/22,14,晶闸管关断的条件：,1.,必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。,2.,将阳极电源断开或者在晶闸管的,阳极和阴极间加反相电压。,2024/9/22,15,1.,静态特性,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；伏安特性类似二极管的反向特性,;,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，只有使晶闸管承受反向电压，或使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。,2.3.2,晶闸管的基本特性,16,晶闸管伏安特性,17,晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出。,阴极是晶闸管主电路与控制电路的,公共端,。,门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间,施加触发电压,而产生的。,晶闸管的门极和阴极之间是,PN,结,J,3,，其伏安特性称为,门极伏安特性,。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在,可靠触发区,。,2.3.2,晶闸管的基本特性,18,1),开通过程,延迟时间,t,d,：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的,10%,的时间。,上升时间,t,r,：阳极电流从,10%,上升到稳态值的,90%,所需的时间。,开通时间,t,gt,为以上两者之和，,t,gt,=,t,d,+,t,r,普通晶闸管延迟时间为：,0.51.5,s,，,上升时间为：,0.53,s,。,2.,动态特性,2.3.2,晶闸管的基本特性,19,2),关断过程,反向阻断恢复时间,t,rr,：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。,正向阻断恢复时间,t,gr,：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。,在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会,重新正向导通,。,实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压,，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。,关断时间,t,q,：即,t,q,=,t,rr,+,t,gr,普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,2.3.2,晶闸管的基本特性,20,开通过程,延迟时间,t,d,(0.51.5,s),上升时间,t,r,(0.53,s),开通时间,t,gt,以上两者之和，,t,gt,=,t,d,+,t,r,100%,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,关断过程,反向阻断恢复时间,t,rr,正向阻断恢复时间,t,gr,关断时间,t,q,以上两者之和,t,q,=,t,rr,+,t,gr,普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,2,.,动态特性,图,2-9,晶闸管的开通和关断过程波形,触发脉冲,21,2.3.3,晶闸管的主要参数,1.,电压定额,1),断态,重复峰值电压,U,DRM,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。,2),反向,重复峰值电压,U,RRM,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。,3),通态（峰值）电压,U,TM,晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。,通常取晶闸管的,U,DRM,和,U,RRM,中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压,23,倍。,2024/9/22,22,晶闸管伏安特性,2024/9/22,23,2.,电流定额,1),通态平均电流,I,T(AV),即,额定电流,-,晶闸管在环境温度为,40,C,和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。,应留一定的裕量，一般取,1.5,2,倍。,I,T(AV),t,2,2.3.3,晶闸管的主要参数,2024/9/22,24,2),维持电流,I,H,使晶闸管,维持导通,所必需的最小电流,（,一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则,I,H,越小。,3),擎住电流,I,L,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。对同一晶闸管来说，通常,I,L,约为,I,H,的,24,倍。,4),浪涌电流,I,TSM,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。,2.,电流定额,2.3.3,晶闸管的主要参数,2024/9/22,25,3.,动态参数,除开通时间,t,gt,和关断时间,t,q,外，还有：,(1),断态电压临界上升率,d,u,/d,t,指在额定结温和门极开路的情况下，,不导致晶闸管从断态到通态转换,的外加电压最大上升率。,(2),通态电流临界上升率,d,i,/d,t,指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。,如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成,局部过热,而使晶闸管损坏。,2.3.3,晶闸管的主要参数,2024/9/22,26,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别,共九级,用字母,AI,表示,0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示,取,U,DRM,或,U,RRM,较小者,额定通态平均电流,(,I,F,),（晶闸管类型）,P,-,普通晶闸管,K,-,快速晶闸管,S,-,双向晶闸管,K,P,晶闸管,(,可控硅,),普通型,如,KP5-7,表示额定正向平均电流为,5A,额定电压为,700V,。,2024/9/22,27,2.3.4,晶闸管的派生器件,1.,快速晶闸管（,Fast Switching ThyristorFST),普通晶闸管关断时间,数百微秒,，快速晶闸管,数十微秒,，高频晶闸管,10,s,左右,2.,双向晶闸管,（,Triode AC SwitchTRIAC,或,Bidirectional triode thyristor,）,与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、,固态继电器（,Solid State RelaySSR,）,和交流电机调速等领域应用较多,2024/9/22,28,工作原理：,U,T,1,U,T,2,时，,控制极相对于,T,2,加,正脉冲,，晶闸管正向导通，电流从,T,1,流向,T,2,。,U,T,2,U,T,1,时，,控制极相对于,T,2,加,负,脉冲,，晶闸管反向导通，电流从,T,2,流向,T,1,。,T,2,T,1,G,电气图形符号：,双向晶闸管,：相当于两个反向晶闸管并联，两者共用一个控制极。,2024/9/22,29,3.,逆导晶闸管,（,Reverse Conducting Thyristor RCT,）,将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件,4.,光控晶闸管,（,Light Triggered ThyristorLTT,）,又称,光触发晶闸管,，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管,适用于功率更大场合。,2.3.4,晶闸管的派生器件,2024/9/22,30,晶闸管串联问题，,P204,如此串联，两个器件都会失去控制,!,31,晶闸管串联问题，,P204,可以采用,电阻均压,，同时使用,RC,并联支路,作动态均压,2024/9/22,32,晶闸管并联，,P205,均流电抗器,2024/9/22,33,作业：,习题（教材,P42）,2，3，4，5,34,