1、第第1章章 晶閘管晶閘管本章內容本章內容: :介紹晶閘管的介紹晶閘管的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參主要參數數以及選擇和使用中應注意的一些問題。以及選擇和使用中應注意的一些問題。介紹電力二極管、晶閘管派生器件的介紹電力二極管、晶閘管派生器件的基本特基本特性性和使用中應注意的一些問題。和使用中應注意的一些問題。學習重點學習重點: :晶閘管的晶閘管的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數主要參數以以及及選擇選擇和使用中應注意的一些問題。和使用中應注意的一些問題。 本章學習內容與重點本章學習內容與重點1.1 引言引言1956年美國貝爾實驗室發明了晶閘管。年美國貝爾實驗室發明了晶閘管

2、。1957年美國通用電氣公司開發出第一只晶閘管產品。年美國通用電氣公司開發出第一只晶閘管產品。1958年商業化。年商業化。開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的嶄新時代。開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的嶄新時代。20世紀世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。的場合具有重要地位。普通晶閘管所達到的水平普通晶閘管所達到的水平:12KV:12KV、1KA1KA，4KV4KV、3KA3KA。 晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器

3、（Silicon Controlled RectifierSCR）圖1-1 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號1.2 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理外形有外形有螺栓型螺栓型和和平板型平板型兩種封裝。兩種封裝。有三個聯接端。有三個聯接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便（密聯接且安裝方便（I IA A200AIG1IGKGA1.3 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性（1）晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性正向特性正向特性I IG G=0=0時，器件兩端施加正向電壓，時，器件兩端施

4、加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態。阻斷狀態。正向電壓超過正向轉折電壓正向電壓超過正向轉折電壓U Ubobo，則電流急劇增大，器件開通。則電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。轉折電壓降低。I IH H 維持電流。維持電流。晶閘管本身的壓降很小，在晶閘管本身的壓降很小，在1V1V左左右右。正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態特性靜態特性圖1-6 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG1.3 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性（

5、2）門極伏安特性門極伏安特性 實際產品的門極伏安特性分散性實際產品的門極伏安特性分散性很大，為應用方便，以一條典型的很大，為應用方便，以一條典型的極限高阻門極伏安特性和一條極限極限高阻門極伏安特性和一條極限低阻門極伏安特性之間的區域來代低阻門極伏安特性之間的區域來代表，稱為門極伏安特性區域。表，稱為門極伏安特性區域。 曲線曲線0D、0G：極限低阻、高阻伏：極限低阻、高阻伏安特性曲線安特性曲線 IFGM 門極正向峰值電流門極正向峰值電流 UFGM 門極正向峰值電壓門極正向峰值電壓 PGM 門極峰值功率門極峰值功率 PG 門極平均功率門極平均功率 首先，晶閘管必須工作在首先，晶閘管必須工作在0DE

6、FG0 內，否則，晶閘管損壞。內，否則，晶閘管損壞。1 1） 靜態特性靜態特性圖1- 6 500A晶閘管的門極伏安特性DEFGL0ABCKIFGMUFGMUGTUG(V)IG(A)PGMPG10121.3 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性0UUGTIGTUGDIIGDABCJIH1 1） 靜態特性靜態特性（2）門極伏安特性門極伏安特性IGT 門極觸發電流門極觸發電流UGT 門極觸發電壓門極觸發電壓IGD 門極不觸發電流門極不觸發電流UGD 門極不觸發電壓門極不觸發電壓OHIJO 不觸發區不觸發區HABCJIH 不可靠觸發區不可靠觸發區ADEFGCB 可靠觸發區可靠觸發區注：注：1 IGIGT，

7、UGUGT（設計觸發脈沖）（設計觸發脈沖）2 門極加負偏門極加負偏13V，提高抗干擾能力，提高抗干擾能力3 增大脈沖幅值及前沿陡度，縮短開通增大脈沖幅值及前沿陡度，縮短開通 時間。時間。圖圖1- 7 500A晶閘管的門極伏安晶閘管的門極伏安特性特性0ABC0區放大圖區放大圖1.3 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開通過程開通過程延遲時間延遲時間td (0.51.5 s)上升時間上升時間tr (0.53 s)開通時間開通時間tgt以上兩者之和，以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-2）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關斷過程關斷過程(j

8、(j1 1、j j3 3) )反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr(j (j2 2) )正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr關斷時間關斷時間t tq以上兩者之和以上兩者之和tq=trr+tgr （1-31-3) )普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒2） 動態特性動態特性圖圖1-8 晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形GAKP1N1P2N2J1J2J31.4 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數通態與斷態通態與斷態 通態通態導通狀態。導通狀態。 斷態斷態阻斷狀態。阻斷狀態。斷態斷態重復峰值電壓重復峰值電壓UDRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在

9、器件上的正向峰值電壓（防操作過壓）。斷態斷態不重復峰值電壓不重復峰值電壓U UDsMDsM 在門極斷路而結溫為額定值時，允許不重復加在器件上的正向峰值電壓（防雷擊、短路等）。 一般取 U UDRMDRM= =90%U UDsMDsM1）電壓定額電壓定額正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖1-6 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG1.4 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM (URsM) 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作

10、為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：使用注意：1）電壓定額電壓定額正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖1-6 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG實驗電路 通態通態（峰值）電壓（峰值）電壓UTM 晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。1.4 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數n通態平均電流通態平均電流 IT(AV)定義定義在環境溫度在環境溫度為為4040 C C和規定和規定的冷卻條件下，穩定結溫不超過額的冷卻條件下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的定結溫

11、時所允許流過的最大工頻正最大工頻正弦半波電流的平均值弦半波電流的平均值，即額定電流，即額定電流的參數標稱值。的參數標稱值。選取原則選取原則使用時應按使用時應按有效值相有效值相等的原則等的原則來選取晶閘管來選取晶閘管( (電流有效值電流有效值相等器件熱效應相同相等器件熱效應相同, ,PT=RI2T ）2 2）電流定額電流定額02iIT(A V)IMt圖圖1-9 1-9 晶閘管的通態平均電流晶閘管的通態平均電流 IT(AV)1.4 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數n通態平均電流通態平均電流 IT(AV)n 計算計算都換算成有效值都換算成有效值n如圖如圖1-91-9所示所示, ,當電流峰值為當電流峰

12、值為IM時時2 2）電流定額電流定額圖圖1-9 1-9 晶閘管的通態平均電流晶閘管的通態平均電流 IT(AV)()01sin( )(1 4)2MT AVMIIItdtpwwpp=-201(sin)()(1 5)22MMIIIt dtpwwp=-()1.57(1 6)2T AVIIp=-則其有效值為:其有效值與通態平均電流之比通態平均電流之比為:02iIT(AV)IMt使用注意：使用注意： 選用時，一般取通態通態平均電流平均電流為正常工作允許的1.52倍或()(1.5 2)1.57T AVII=1.4 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數n通態平均電流通態平均電流 IT(AV)有效值與平均值之比稱為

13、波形系數有效值與平均值之比稱為波形系數K Kf f則則: : K Kf f=I/I=I/Id d或或I= I= K Kf fI Id d 。例例: :設晶閘管承受的電壓有效值為，流過的電流平設晶閘管承受的電壓有效值為，流過的電流平均為，波形系數為均為，波形系數為. ., ,考慮安全裕量，求晶考慮安全裕量，求晶閘管電壓、電流閘管電壓、電流定額定額。解：解：(2(23)1.4143)1.414220 =622 933933（取（取800800) )2 2）電流定額電流定額圖圖1-11 1-11 晶閘管的平均電流晶閘管的平均電流 Id 選用時，一般取通態通態平均電流平均電流為正常工作允許的1.52倍

14、或使用注意：使用注意：02iIdIMt()(1.52)1.57T AVII=()(1.52)(1.52)1.571.571.11 157(1.52)1662221.57fdT AVK IIIA= （取200）1.4 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數n維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導通所必需的使晶閘管維持導通所必需的最小電流。最小電流。擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態轉入通態并晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，移除觸發信號后， 能維持導通所能維持導通所需的最小電流。需的最小電流。對同一晶閘管來對同一晶閘管來說說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流ITSM指由

15、于電路異常情況引起的指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流性最大正向過載電流 。2 2）電流定額電流定額正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖1- 6 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG1.4 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 除開通時間除開通時間tgt和關斷時間和關斷時間tq外，還有：外，還有：斷態電壓臨界上升率斷態電壓臨界上升率du/dt 指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態到通 態轉換的外加電壓最大

16、上升率。態轉換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通導通 。 通態電流臨界上升率通態電流臨界上升率di/dt 指在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流指在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流上升率。上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3 3）動態參數動態參數1.5 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘

17、管數十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關損耗的發熱效應。DATASHEET1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)1.5 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2）雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）圖1-15 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極

18、G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來表示其額定電流值來表示其額定電流值。DATASHEET1.5 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件逆導晶閘管（逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-16 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點。1.5 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered Thyristor

19、LTT）AGKa)AK光強度強弱b)OUIA圖1-17 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。光觸發保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場合。1.6 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用。快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。1.6 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言整流二極管及模塊基本結構和工作原理與信

20、息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-18 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號1.6.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK主要指其伏安特性伏安特性l門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應的電壓。l與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電正向電壓降壓降UF 。承受反向電壓時，只有微小而數值恒定的反向漏電流。圖1-19 電力二極管的伏安特性1.6.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1)

21、 靜態特性靜態特性IOIFUTOUFU2) 動態特性動態特性 二極管的電壓二極管的電壓- -電流特性隨時電流特性隨時 間變化的間變化的 結電容的存在結電容的存在1.6.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5 電力二極管的動態過程波形 a) 正向偏置轉換為反向偏置 b) 零偏置轉換為正向偏置延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復時間：trr= td+ tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復系數，用Sr表

22、示。v正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值（如 2V）。v正向恢復時間tfr。v電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程1.6.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開通過程開通過程： 關斷過程關斷過程v須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態。v關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關斷過程額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(

23、AV)是按照電流的發熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。1.6.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降。3） 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。使用時，應當留有兩倍的裕量。 4）反向恢復時間）反向恢復時間trr trr= td+ tf1.6.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數2）正向壓降正向壓降UF結溫結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結不致損壞的前提

24、下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內。6) 浪涌電流浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流。 1.6.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數5）最高工作結溫）最高工作結溫TJM1) 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高DATASHEET按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹。1.6.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類

25、型簡稱快速二極管快恢復外延二極管快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者trr為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。DATASHEET 1 2 31.6.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2) 快恢復二極管快恢復二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）肖特基二極管的弱點弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩態損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優點優點反向恢復時間很短（1040ns）。正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明