电力电子技术第2章器件2_SCR

无法控制关断，半
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
控型器件。
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电力电子技术第2章器件2_SCR
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
定量分析：
•（1-1）
•（1-2）
•（1-3）
•（1-4）
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 ：
• 例：某晶闸管实际承担电流波形有效值为400A，则可 选额定电流为400/1.57=255A,考虑裕量，实际选额 定电流为500A的晶闸管。
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晶闸管的主要参数
•3）动态参数
除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：
断态电压临界上升率du/dt
——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。
• 关断： ➢ 电流低于维持电
流。 ➢ 阳极电压反极性。
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2.3.3 晶闸管的主要参数
•1）电压定额
断态重复峰值电压UDRM
——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。
反向重复峰值电压URRM
——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。
图2-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
•（1-5）
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
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。
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。
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思考题
• 说明晶闸管的基本工作原理。在哪些情况下，晶闸管 可以从断态转变为通态？已导通的晶闸管，撤出门极 驱动电流为什么不能关断？怎样才能关断？
• 晶闸管在关断状态为什么要对器件两端的du/dt进行有 效控制？
• 额定电流为10A的晶闸管能否承受长期通过15A的直流 负载电流而不过热？
指电路数决升定到。接
近稳态耗时。
• 门极正偏，Q2、Q1导通，再生正 反馈。电流超挚住电流后，门极 脉冲可去。（一维开通）。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。
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•（2-5）
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•晶闸管的关断问题
• 导通后因门极面 积远小于阴极， 加负门极电流不 能影响阴极主体， 不能关断。
• 无二次击穿问题。
• 导通压降具有负温度系数，不易并联。
• 半控，控制线路复杂。
• 工作频率较低。一般在500Hz内。
• 通态峰值压降较低，平均1V左右，随阳 极电流增大略为增加，一般小于2V。
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本节要点
• 晶闸管原理、特性, 导通、关断条件 • 典型工作频率范围 • 典型导通压降 • 晶闸管的选择
•a)
•b)
图1-12 光控晶闸管的电气 图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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•晶闸管应用特点
• 价低、控制线路成熟、可靠性高。
• 中、大功率应用广泛【HVDC、无功补 偿、高压变频】。MV·A级性能优。 8kA/4kV，6kA/6kV光触发可得到。
•图2-8 晶闸管的伏安特性
•IG2>IG1>IG
随着门极电流幅值的增大，
正向转折电压降低。
• 维持电流IH：通态下若
电流小于此值，管关断。
晶闸管本身的通态压降很
小，在1V左右。
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晶闸管的基本特性
• （2）反向特性
反向特性类似二极管 的反向特性。 反向阻断状态时，只 有极小的反相漏电流 流过。 当反向电压达到反向 击穿电压后，可能导 致晶闸管发热损坏。
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，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
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2.3.2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
晶闸管的派生器件
4) 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor— —LTT）
•I•A
又称光触发晶闸管， •A
是利用一定波长的光
照信号触发导通的晶
•G
闸管。
•K
•光强度
•强
•弱
•O
•U•AK
光触发保证了主电路 与控制电路之间的绝 缘，且可避免电磁干 扰的影响。
用于高压大功率的场 合。
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。
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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发
2）电流定额
通态平均电流 IT(AV）
——在环境温度为40C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。标称其额定电 流的参数。
——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
维持电流 IH
——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
擎住电流 IL
——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IL约为IH的2~4倍。
有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 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10s左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
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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，只能利用外加电压和外电路的作 用使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。
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•a)
•b)
称的伏安特性。
不用平均值而用有效值 来表示其额定电流值。
图1-10 双向晶闸管的电 气图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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晶闸管的派生器件
3) 逆 导 晶 闸 管 （ Reverse Conducting
Thyristor——RCT）
——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。
通态电流临界上升率di/dt
——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，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
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2.3.4 晶闸管的派生器件
• 1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST)
浪涌电流ITSM
——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 。
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例：晶闸管额定电流的选择
• 设正弦电流峰值为Im,则正弦半波电流的平均值为
• 正弦半波电流的有效 值为
• 即额定电流为100A的晶闸管能承受157A的有效值电流， 对非正弦电流应按实际电流波形计算有效值除以1.57作 为选择晶闸管电流额定值的依据。设计一般应留1.5~2 倍的安全裕量。
晶闸管的基本特性
••流挚1达住）到电静此流值态IL：时特断撤性态除被触触发发电，流电， （I晶H大闸1）2管～正可4自倍向动。特维挚性持住通电态流。和常维比持
电流都随结温下降而增大。
IG=0时，器件两端施加正 向电压，只有很小的正向 漏电流，为正向阻断状态。
正向电压超过正向转折电 压Ubo，则漏电流急剧增大， 器件开通。
•t
要恢复对正向电压的阻断
•u•AK
能力还需要一段时间。
••IRM
关断时间tq以上两者之和
tq=trr+tgr
Hale Waihona Puke （1-7)•O•t
普通晶闸管的关断时间约 几百微秒。
••trr •U•RRM••tgr
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图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
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•晶闸管的开通特性
通态（峰值）电压UT
——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。
使 用 注 意 ： 通常取晶闸管的 UDRM和URRM中较小 的标值作为该器件 的额定电压。
选用时，一般取额 定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰 值电压2~3倍。
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晶闸管的主要参数
•I
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。
•K •G
•A
•I•G•=•0
•O
•U
具有正向压降小、 关断时间短、高温 特性好、额定结温 高等优点。
•a)
•b)
图1-11 逆导晶闸管的电 气图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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2020/11/27
电力电子技术第2章器件2_SCR
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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。
晶闸管的派生器件
2）双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC 或Bidirectional triode thyristor）
可认为是一对反并联联
接的普通晶闸管的集成。
•T•1
有两个主电极T1和T2，
一个门极G。
•G
•T•2
•I •O
•I•G•=•0 •U
在第Ｉ和第III象限有对
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图2-7 晶闸管的双晶体管模型
电力电子技术第2章器件2_SCR
2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
原理可以按照双 晶体管模型来解释， 根据晶体管的工作 原理 ，晶闸管的开 通是一个强烈的正 反馈过程(开通的机 理)。
关断过程。
可以控制其开通，图2-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
晶闸管的基本特性
2) 关断过程
• 因载流子复合较慢，过早加正压会引 起误导通。管关断后须加足够时间反
反向阻断恢复时间trr（与 二极管的关断特性相似）
压，保证管恢复阻断能力。 ••iA •100%
•90%
正向阻断恢复时间tgr：反
向恢复结束后，由于载流 子复合过程较慢，晶闸管
•10% •0 ••td ••tr
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•图1-8 晶闸管的伏安特性
•IG2>IG1>IG
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晶闸管的基本特性
• 2） 动态特性
1) 开通过程
••iA
延迟时间td (0.5~1.5s)
•100% •90%
上升时间tr (0.5~3s)
•10%
开 通 时 间 tgt 以 上 两 者 之 和 ，
•0 •u•AK
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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
•螺栓型晶闸管
•晶闸管模 块
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•平板型晶闸管外形及结构
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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
•1、结构：PNPN四层半导体 结构，三个PN结。 •2、P1引出阳极A、N2引出 阴极K、P2引出门极K； •3、外加电压，晶闸管工作状 态。
••td
••tr
tgt=td+ tr
（1-6）
延迟时间随门级电流的增
加而减小；与外电路特性 •O
有关；提高阳极电压可以
提高V2管放大倍数，加快
反馈过程，提高开通速度。
•t ••IRM
•t ••trr •U•RRM••tgr
图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
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•
注发t心s:入，射门触靠极极发门位电电极于部流流阴先极使增导晶晶大通片体，以中管
的 致
•
•
t建阴t流现dr然耗慢::立极1门I饱阳后时。+A耗电极将和扩 。 （极2时 流正趋导趋展 耐 二电。 ＝脉近到 压 维通近阳 控流冲于全 越 开。于极 制使无体高通I1电极正A阴扩）的穷实流电反极展话大际＝流馈的越，，由。0，实外电