2电力电子器件(2)-半控型器件.pptx

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1、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第2章 电力电子器件电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院第一节第一节第一节第一节 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述第二节第二节第二节第二节 不可控器件不可控器件不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力二极管电力二极管第三节第三节第三节第三节 半控型器件半控型器件半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管第四节第四节第四节第四节 典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件第五节第五节第五节第五节 其

2、他新型电力电子器件其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件第六节第六节第六节第六节 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结及作业本章小结及作业本章小结及作业本章小结及作业 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2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶晶闸闸管管是是一一种种能能够够用用控控制制信信号号控控制制其其导导通通，但但不不能能控控制制其其关关断断的的半半控控型型器器件件。其其导导通通时时刻刻可可控控，满满足足了了调

3、调压压要要求求。它它具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、效效率率高高、动动作作迅迅速速、维维护护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。晶晶闸闸管管也也有有许许多多派派生生器器件件，如如快快速速晶晶闸闸管管（FST）、双双向向晶晶闸闸管管（TRIAC）、逆逆导导晶晶闸闸管管（RCT）和和光光控控晶晶闸闸管（管（LCT）等。）等。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2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶晶闸闸管管(Thyristor)：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Co

4、ntrolled RectifierSCR）l1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管l1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品l1958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l20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代l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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1 1、晶闸管的结构、晶闸管的结构 具有四层PNPN结构、三端

5、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。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螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形及结构电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2、晶闸管的其它封装形式：、晶闸管的其它封装形式：还有还有塑封塑封和和模块式模块式两种封装。两种封装。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符号GG控制极控

6、制极控制极控制极(Gate)(Gate)K K 阴极阴极阴极阴极(Kathode)(Kathode)阳极阳极阳极阳极(Anode)(Anode)A AP1P2N1N2四四四四 层层层层 半半半半 导导导导 体体体体三三 个个PNPN 结结结构2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院P1P2N1N2K GA晶闸管相当于晶闸管相当于PNPPNP和和NPNNPN型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合PPNNNPAGK双晶体管模型电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科

7、技大学信息科学与工程学院 T1T2A A在极短时间内使两个三在极短时间内使两个三极管均极管均饱和导通饱和导通，此过，此过程称程称触发导通触发导通。形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程KKGGE EA A 0 0、E EG G 0 0EGEA+_R晶闸管导通的工作原理晶闸管导通的工作原理: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 晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉E EGG ，依靠依靠依靠依靠正反馈正反馈正反馈正反馈，仍可维持导仍可维持导仍可维持导仍可维持导通状态通状态通状态通状态。E

8、EA A 0 0、E EG G 0 0形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程EA+_R T1T2EGA AKK晶闸管导通的工作原理晶闸管导通的工作原理: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V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得：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l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

9、大。l阻断状态阻断状态：IG=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。l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，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。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晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1.1.晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间)施加正向电施加正向电施加正向电施加正向电压压压压（E EA A00）。）。）。）。2.2.晶闸管控制电

10、路晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路(控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间)施加正向施加正向施加正向施加正向电压或正向脉冲电压或正向脉冲电压或正向脉冲电压或正向脉冲(正向触发电压正向触发电压正向触发电压正向触发电压)。E EGG00 晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反依靠正反依靠正反依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。馈，晶闸管仍可维持导通状态。馈，晶闸管仍可维持导通状态。馈，晶闸管仍可维持导通状态。2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性电力电子技术(

11、Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：1.必须使可控硅阳极电流减小必须使可控硅阳极电流减小,直直到正反馈效应不能维持。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。阳极和阴极间加反相电压。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1.1.静态特性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;承承受受正正向向电电压压时时，仅仅在在门门极极有有触触发发电电流流的的情

12、情况况下下晶闸管才能开通。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 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性16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晶闸管伏安特性晶闸管伏安特性晶闸管伏安特性晶闸管伏安特性17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

13、电压而产生的。晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门门极极伏伏安安特特性性。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 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性18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1)1)开通过程开通过程延延迟迟时时间间t td d：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%10%的时间。上上升升时时间间t tr r：阳极电流从10%上升到稳态值的90%90%所需的时间。开通时间开通时间t tgtgt为以上两者之和，tgt=td+tr 普通晶闸管延迟时间为

14、：0.51.50.51.5 s s，上升时间为：0.530.53 s s。2.动态特性动态特性2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性19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2)2)关断过程关断过程反反向向阻阻断断恢恢复复时时间间t trrrr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。正正向向阻阻断断恢恢复复时时间间t tgrgr：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

15、压的阻断能力，电路才能可靠工作。关关断断时时间间t tq q：即 t tq q=t trrrr+t tgrgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性20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l开通过程延迟时间延迟时间td(0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开开通通时时间间tgt以上两者之和，tgt=td+tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiAl关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关关断断时时间间

16、t tq以上两者之和tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。2.动态特性动态特性图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2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.1.电压定额电压定额1)1)断断态态重重复复峰峰值值电电压压U UDRMDRM在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。2)2)反反向向重重复复峰峰值值电电压压U URRMRRM在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定值时，允许重复加在

17、器件上的反向峰值电压。定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3)3)通通态态（峰峰值值）电电压压U UTMTM晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定定倍倍数数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通通常常取取晶晶闸闸管管的的U UDRMDRM和和U URRMRRM中中较较小小的的标标值值作作为为该该器器件件的的额额定定电电压压。选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2323倍。倍。电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科

18、技大学信息科学与工程学院晶闸管伏安特性晶闸管伏安特性晶闸管伏安特性晶闸管伏安特性电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2.2.电流定额电流定额1)1)通态平均电流通态平均电流 I IT(AV)T(AV)即额额定定电电流流-晶晶闸闸管管在在环环境境温温度度为为4040 C C和和规规定定的的冷冷却却状状态态下下，稳稳定定结结温温不不超超过过额额定定结结温温时时所所允允许许流流过过的的最最大大工频正弦半波电流的平均值。工频正弦半波电流的平均值。使使用用时时应应按按实实际际电电流流与与通通态态平平均均电电流流有有效效值值相相等等的的原原则来选取晶

19、闸管。则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取应留一定的裕量，一般取1.51.52 2倍。倍。IT(AV)t 2 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院2)2)维维持持电电流流 I IH 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 IH H越小。3)3)擎擎住住电电流流 I IL 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 IL L约为I IH H的24倍。4)4)浪浪涌涌电电流流I ITSMTSM指由于电路

20、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.电流定额电流定额2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院3.3.动态参数动态参数 除开通时间t tgtgt和关断时间t tq q外，还有：(1)(1)断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt 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)(2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt 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

21、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 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级共九级共九级,用字母用字母用字母用字母AIAI表示表示表示表示0.41.2V0.41.2V额定电压额定电压,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UDRM或或URRM较小者较小者额定通态平均电流额定

22、通态平均电流(IF)（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）P P-普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管KK-快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管S S-双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管 K P晶闸管晶闸管(可控硅可控硅)普通型普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。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2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.1.快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)Fast Switching ThyristorF

23、ST)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1010 s s左右2.2.双双 向向 晶晶 闸闸 管管（Triode Triode AC AC SwitchTRIACSwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional 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工作原理：工作原理：UT1UT

24、2时，时，控制极相对于控制极相对于T2加加正脉冲正脉冲，晶闸管正向导，晶闸管正向导通，电流从通，电流从T1流向流向T2。UT2UT1时，时，控制极相对于控制极相对于T2加加 负负脉冲脉冲，晶闸管反向导，晶闸管反向导通，电流从通，电流从T2流向流向T1。T2T1G 电气图形符号：电气图形符号：双向晶闸管双向晶闸管：相当于两个反向晶闸管并联，两：相当于两个反向晶闸管并联，两者共用一个控制极。者共用一个控制极。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3.3.逆导晶闸管逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor Revers

25、e Conducting Thyristor RCTRCT）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4.4.光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）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 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院晶闸管串联问题，晶闸管串联问题，P204如此串联，两个器件都会失去控制!31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晶闸管串联问题，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晶闸管并联，晶闸管并联，P205均流电抗器电力电子技术(Power Electronics)电力电子器件武汉科技大学信息科学与工程学院作业：习题（教材P42）2，3，4，534