电力电子半导体器件SCR

第三章晶闸管§3.1普通晶闸管Thyristor硅可控整流器，可控硅，SCR。一、结构：四层PNPN结构，三端器件符号正向阻断：A—K接正电压，J2反偏，漏电流很小。反向阻断：A—K接负电压，J1，J3反偏，漏电流很小。等效电路：由PNP和NPN两个晶体管互联，内部正反馈连接。正反馈过程令：两个晶体管共基极电流放大数α1、α2J2结反向漏电流为IC0则：共基极电流放大系数α1、α2与发射极电流变化关系：①IG=0时，α1、α2约为0，IA≈IC0，晶闸管正向阻断。②IG0时，α1、α2随射极电流增大而上升，当α1+α2≈1时，IA迅速增大，正向导通。*此时，即使再为0，晶闸管仍继续导通——半控型器件。1．晶闸管导通的几种情况：①门极触发：Ａ－Ｋ极之间加正向电压；Ｇ－Ｋ极间加正向电压和电流。——通用方法②阳极电压作用：阳极电压上升到相当数值时，J3结击穿，IB2增大，由正反馈作用导致导通。——会引起局部过热，易击穿，不易控制。③du/dt作用：阳极电压上升速率快，J3结电容C产生位移电流导致射极电流增大，引起导通。——控制困难，过大的du/dt会损坏管子。④温度作用：结温增高，漏电流增大，引起导通。⑤光触发：光照射下，产生电子空穴对，形成触发电流。——光触发晶闸管⑤光触发：光照射下，产生电子空穴对，形成触发电流。——光触发晶闸管1．晶闸管导通的几种情况：①门极触发：Ａ－Ｋ极之间加正向电压；Ｇ－Ｋ极间加正向电压和电流。——通用方法②阳极电压作用：阳极电压上升到相当数值时，J3结击穿，IB2增大，由正反馈作用导致导通。——会引起局部过热，易击穿，不易控制。③du/dt作用：阳极电压上升速率快，J3结电容C产生位移电流导致射极电流增大，引起导通。——控制困难，过大的du/dt会损坏管子。④温度作用：结温增高，漏电流增大，引起导通。2．关断条件：阳极电压减小/反向，使阳极电流减小到维持电流以下，IAIH时，管子自动关断。二、特性1．阳极伏安特性：VAK—IA关系VBO：正向转折电压VRSM：反向转折电压导通状态阻断状态反向击穿2．门极伏安特性：VG—IG关系（P3结二极管伏安特性）IGTVGTPGM可靠触发区不可触发区不可靠触发区VGD：门极不触发电压IGD：门极不触发电流VGT：最小门极触发电压IGT：最小门极触发电流VFGM：门极正向峰值电压IFGM：门极正向峰值电流说明：①门极触发电压、电流应处于可靠触发区内，触发功率过大，会使SCR结温上升，影响正常工作，甚至会烧坏门极。②触发电压、电流应大于VGT和IGT，方可保证正常触发。③不触发时，触发电路输出电压应低于门极不触发电压VGD（0.2V）；为提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可加负偏压（1—3V；不大于5V），负偏压过大，会使器件触发灵敏度下降，不利于快速导通，同时门极损耗增大。三、动态特性：P(功耗）iAIA0.9IA0.1IA000UAKtdtrtstontrrtGrtoff开通损耗通态损耗关断损耗断态损耗td:延迟时间tr:上升时间（局部导通)ts:扩展时间（全导通）trr:反向恢复时间非平衡少子耗散时间tGr:门极恢复时间正向阻断恢复时间①开通时间：ton=td+tr普通SCR，td为：0.5—1.5us；tr为：0.5—3us；IG越大，ton越小。②关断时间：toff=trr+tGr；一般为几百us。说明：1．开通时间ton随门极电流增大而减小；阳极电压提高，可使内部正反馈加速，上升时间、延迟时间显著缩短。2．正向电流越大，关断时间toff越长；外加反向电压越高，反向电流越大，关断时间可缩短；结温越高，关断时间越长。3．关断时，过早施加正向电压，会引起误导通。三、参数（一）电压参数1．断态不重复峰值电压VDSM门极开路，加在SCR阳极正向电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。不能重复，每次持续时间不大于10ms的脉冲电压。（转折电压，小于VBO)２．断态重复峰值电压VDRM门极开路，额定结温下，允许50次/s，持续时间不大于10ms，重复施加在阳极上的正向最大脉冲电压。VDRM≈90%VDSM３．反向不重复峰值电压VRSM门极开路，加在SCR阳极反向电压上升到反向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。不能重复，每次持续时间不大于10ms的脉冲电压。４．反向重复峰值电压VRRM门极开路，额定结温下，允许50次/s，持续时间不大于10ms，重复施加在SCR上的反向最大脉冲电压。VRRM≈90%VRSM５．额定电压将VDRM和VRRM中较小的一个取整后，做额定电压。（使用时，选择2—3倍；π倍）６．通态峰值电压VTMSCR通以两倍/或规定倍数额定通态平均电流时，在额定结温下，A—K之间瞬态峰值电压（管压降）。越小，通态损耗越小。（二）电流参数1．通态平均电流IT(AV)环境温度400C，规定冷却条件下，θ不少于1700，电阻性负载，额定结温时；允许通过的工频正弦半波电流的平均值。取整后为额定电流。（选择管子以有效值相同的原则）２．维持电流IH导通后，室温下，G极开路，维持通态所需最小阳极电流。３．擎住电流IL门极触发，SCR刚从断态转入通态时，去掉触发信号，能使SCR维持导通所需最小电流。IL≈（2—4）IH４．断态重复峰值电流IDRM；反向重复峰值电流IRRM；对应于VDRM和VRRM电压下的峰值电流。５．浪涌电流ITSM规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。由电路发生故障引起，使管子超过结温损坏，用于设计保护电路。（三）门极参数１．门极触发电压VGT触发导通所需最小门极直流电压，1—5V。２．门极反向峰值电压VRGMJ3结反偏电压，小于10V。３．门极触发电流IGT在规定条件下，触发SCR导通所需最小门极直流电流。几十——几百mA（与通态电流IT(AV)有关）（四）动态参数１．断态电压临界上升率dv/dt在额定结温，门极开路时，SCR保持断态所能承受的最大电压上升率（V/us)。过大会引起误导通，如：雷电、合闸，分闸。２．通态电流临界上升率di/dt规定条件下，SCR用门极触发信号开通时，能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率（A/us)。过大会局部发热，损坏管子。选用时，di/dt留余量，如：di/dt减小到一半，器件寿命提高近4倍。３．门极控制开通时间ton；电路换向关断时间toff。例：国产KP系列SCR主要参数、门极参数§3.2特殊晶闸管为了满足晶闸管使用中的一些特殊要求，在科学技术和工艺水平不断提高的前提下，研制出许多不同性能的特殊晶闸管，都是普通晶闸管的派生器件。一、高频晶闸管普通SCR开关时间较长，di/dt小，工作频率低（小于400Hz）当工作频率升高时，开关损耗增加，器件发热增大。采用特殊工艺:(1)在器件中掺入金或铂的重金属杂质；(2)γ辐照；(3)电子辐照。缩短开关时间，增大di/dt，产生了快速晶闸管，工作频率1K—2KHz。高频晶闸管，工作频率10KHz以上。国产快速晶闸管：KK系列国产高频晶闸管：KG系列高频晶闸管的特点：①工作频率高，di/dt大。②关断时间短，最高允许结温下10us左右。③短时间内（3us）承受尖峰反向电压高，抗过电压能力强，dv/dt大。④重复阻断电压较低，800—1000V。⑤抗直通电流能力差，需配置快速过电流保护环节。二、双向晶闸管单向SCR在用于交流控制时，必须两个器件反并联，如：交流调压，灯光调节，温度控制，无触点交流开关，交流电机调速（软启动）。采用双向SCR，可使电路简单，工作可靠、稳定。（一）结构、原理NPNPN结构，五层结构，三端器件，4个PN结，两个主电极T1和T2，门极G。门极结构使得门极触发特性可正、可负，用来开通两个反并联的SCR。（二）四种触发方式①I+触发方式：T1→T2加正电压，门极加正电压，与SCR导通一致（P1N1P2N2），第一象限特性。②I-触发方式：T1→T2加正电压，门极加负电压导通由P1N1P2N3→P1N1P2N2，开始门极电流流出，导通后，由于T1端正电压引入，门极电流反向。③III+触发方式：T1→T2加负电压，门极加正电压，P2N1P1N4触发过程为多个晶体管相互作用，触发电流较大，有可能不能触发导通。④III-触发方式：T1→T2加负电压，门极加负电压，P2N1P1N4一般常用I-触发方式和III-触发方式（三）特性参数①伏安特性②换向特性：两个反并的晶闸管导通、关断相互影响——换向问题。换向能力是晶闸管的一个特有参数，用换向电流临界下降率来表示(di/dt)c，为可靠运行，要求双向晶闸管有很强的换向能力。标准将(di/dt)c分为0.2、0.5、1、2四个等级。如：200A的器件，0.2级为(di/dt)c=200×0.2%=0.4A/us③额定通态方均根电流：IT(RMS)由于双向晶闸管工作在交流回路中，用方均根（有效值）来表征额定电流。定义：在标准散热条件下，导通角不小于1700，允许流过器件的最大交流正弦电流的方均根值。方均根电流与与普通SCR平均值电流之间换算关系：国产双向晶闸管：KS系列三、逆导晶闸管前面的SCR为逆阻型器件，反向高阻特性，正向可控导通。逆导晶闸管是将SCR与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上，是一种反向导通的晶闸管。（一）结构：隔离区（防止换向失败）（二）特性：正向晶闸管，反向二极管。用于各类逆变器，斩波器不需要阻断反向电压（三）特点：①正向转折电压高，正向压降小，关断时间短。②电流容量大。（基区宽度薄）③开关速度快。④高温特性好。（结温在1500C以上）⑤减小了引线电感，缩小装置体积，配线简单，换相电路小，轻型化。⑥电流定额受限制。KN-200/70（比值1—3）国产逆导晶闸管：KN系列四、光控晶闸管：利用一定波长的光照信号控制的开关器件（一）结构：（二）特性：小功率管只有A、K两极大功率管带光缆，装发光器件和激光器。（三）参数：①触发光功率：几毫瓦到十几毫瓦。②光谱响应范围：0.55—1.0um之间；峰值波长约为0.85um。国产光控晶闸管：GK系列§3.3触发电路——门极控制电路一、触发电路的基本要求1．触发信号可为直流、交流、脉冲信号，且为正脉冲信号。采用脉冲形式，可以减少门极损耗。２．触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于门极的触发电压和电流，为可靠触发应留有足够的功率裕量。但不能超过门极的极限参数（VGm10V；IGm10A)３．触发脉冲移相范围应满足变流装置的要求。移相范围与主电路形式、负载性质、变流装置用途有关。如：三相半波整流电路，电阻性负载，移相范围1500三相桥式全控整流电路，电阻负载，移相范围1200工作于整流、逆变状态，电感负载，移相范围0—1800一般移相范围小于1800，还应限制αmin和βmin。４．触发脉冲宽度与陡度①触发脉冲宽度应保证SCR阳极电流在脉冲消失前达到擎住电流。——最小宽度。脉冲宽度与负载性质及主电路形式有关如：单相整流，电阻性负载，宽度大于10us电感性负载，宽度大于100us三相全控桥式电路，单脉冲触发时，脉宽600—1200双脉冲触发时，脉宽100左右。②前沿越陡，有利于开通，对并联、串联SCR同时触发越有利。要求：前沿陡度大于10V/us，800mA/us。5．触发脉冲与主电路电源电压必须同步。电源电压相位与触发脉冲位置关系正确。二、触发电路形式移相控制：通过改变控制脉冲产生时间，改变导通角。垂直控制：靠移相信号和控制信号叠加，借改变控制信号的大小来改变导通角。数字式：数字逻辑电路，微处理器。模拟式：阻容移相桥、单结晶体管触发电路、锯齿波移相电路、正弦波移相电路。分立元件触发电路集成电路触发电路专用集成触发电路微机触发电路三、单结晶体管触发电路1．单结晶体管：双基极二极管，负阻特性。RB1和RB2为基区硅片电阻，约4—10kΩ,发射极E对基极B1和B2都构成一个PN结，具有二极管的单向导电性。①外加电压VBB后，若VE=0，则：η=RB1/(RB1+RB2)；分压比，0.3—0.9此时，VD反偏电压ηVBB，