电力电子第二章第三讲

电力电子技术PowerElectronics电力电子技术晶闸管（Thyristor）是能承受高电压、大电流的半控型电力电子器件，也称可控硅整流管（SCR，SiliconControlledRectifier）。由于它电流容量大、电压耐量高以及开通的可控性，已被广泛应用于可控整流和逆变、交流调压、直流变换等领域，成为特大功率、低频（200Hz以下）装置中的主要器件。它包括普通晶闸管及其一系列派生产品，在无特别说明的情况下，本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。2.4晶闸管目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK图2-9晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)封装b)结构c)电气图形符号2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结晶闸管有三个电极，分别是阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G。晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，四个区形成J1、J2、J3三个PN结。若不施加控制信号，将正向电压（阳极电位高于阴极电位）加到晶闸管两端，J2处于反向偏置状态，A、K之间处于阻断状态；若反向电压加到晶闸管两端，则J1、J3反偏，该晶闸管也处于阻断状态。电力电子技术2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结P2N2GKP1N1AJ1J2J3P2N1晶闸管的双晶体管模型电力电子技术将晶闸管等效为一个PNP晶体管V1和一个NPN晶体管V2的复合双晶体管模型。如果在V2基极注入IG（门极电流），则V2导通，产生Ic2（β2IG）。由于Ic2为V1提供了基极电流，因此V1导通，且Ic1=β1Ic2，这时V2的基极电流由IG和Ic1共同提供，从而使V2的基极电流增加，形成强烈的正反馈，使V1和V2很快进入饱和导通。此时即使将IG调整为0也不能解除正反馈，晶闸管会继续导通，即G极失去控制作用。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-10晶闸管的双晶体管模型及其工作原理2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-10晶闸管的双晶体管模型及其工作原理按照晶体管工作原理，忽略两个晶体管的共基极漏电流，可列出如下方程：IK=IA+IG（2-4）IA=Ic1+Ic2=α1IA+α2IK（2-5）其中α1和α2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益。则可推导出（2-6）)(121G2AII2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-10晶闸管的双晶体管模型及其工作原理根据晶体管的特性，在低发射极电流下其共基极电流增益α很小，而当发射极电流建立起来后，α迅速增大。因此，在晶体管阻断状态下，α1+α2很小。若IG使两个发射极电流增大以致α1+α2大于1（通常晶闸管的α1+α2≥1.15），流过晶闸管的电流IA将趋向无穷大，从而实现器件饱和导通，实际通过晶闸管的电流由R确定为EA/R。当α1+α2≥1时，晶闸管的正反馈才可能形成，其中α1+α2=1是临界导通条件，α1+α21为饱和导通条件，α1+α21则器件退出饱和而关断。2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-10晶闸管的双晶体管模型及其工作原理以上分析表明，晶闸管的导通条件可归纳为阳极正偏和门极正偏，即uAK0且uGK0。晶闸管导通后，即使撤除门极触发信号IG，也不能使晶闸管关断，只有设法使阳极电流IA减小到维持电流IH（约十几mA）以下，导致内部已建立的正反馈无法维持，晶闸管才能恢复阻断状态。很明显，如果给晶闸管施加反向电压，无论有无门极触发信号IG，晶闸管都不能导通。2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术其他几种可能导通的情况：正向折转导通：在IG=0时，提高阳极-阴极之间的正向电压VAK，使反向偏置的J2结（N1P2）击穿，电流IA迅速上升，1+2≈1，IA增加到EA/R。高温导通：当温度增加，反向饱和电流随之增加，IA、IK增大，直到1+2≈1，晶闸管导通。2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK电力电子技术其他几种可能导通的情况：du/dt导通：各PN结都存在结电容，当外加正向电压VAK的du/dt很高时，各PN结将流过很大的充电电流：i=cdu/dt。P1N1之间充电电流→IA、IK增大N1P2之间充电电流→IB2增大→IA、IK增大→1+2≈1以上导通都不加门极信号→非正常导通，这是必须防止和避免的。要提高器件本身du/dt耐量，减小漏电流，提高耐压，特别是提高结温下的耐压等。同时在电路中采取保护措施，降低电路上的干扰信号的影响。以防止晶闸管误动作。2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)P1N1P2N2电力电子技术光直接照射硅片，即光触发：有外加正值VAK时，J2结反偏，对J2结注入光照能量，增加漏电流。光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中。应用于光控晶闸管只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术晶闸管工作原理：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2.4.1基本结构和工作原理目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2.5可关断晶闸管（GTO）2.6电力晶体管2.7功率场效应晶体管2.8绝缘栅双极型晶体管*2.9其它新型电力电子器件2.10电力电子器件的发展趋势2.11电力电子器件应用共性问题小结电力电子技术1．晶闸管的稳态伏安特性UDRM、URRM—正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM—正、反向断态不重复峰值电压；Ubo—正向转折电压；IH—维持电流。当AK两端施加反压时，即使有门极信号也不可能在晶闸管内部产生电流正反馈。当反向电压过大而达到反向击穿电压，则反向漏电流迅速上升。类似二极管。正向导通雪崩击穿O+UA-UAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图2-11晶闸管的伏安特性2.4.2晶闸管特性及主要参数目录2.1电力电子器件的特点与分类2.2电力电子器件基础2.3功率二极管2.4晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点2