晶闸管课件

G
K
J1 J2 J3
G
A
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 引出阳极A、阴极K和门极G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
1-3
1.3.1
——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。
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 。
1-19
Im
0 π 2π 3π 4π 5π
I T(AV)
IT
1 2
1 2
trr
URRM t gr
晶闸管的开通和关断过程波形
1-17
1.3.3
1. 电压定额
晶闸管的主要参数
断态重复峰值电压UDRM
——在门极断路而结温为额定值时， 使用注意： 允许重复加在器件上的正向峰值电压。通常取晶闸管的 UDRM 和 URRM 中较 反向重复峰值电压URRM 小的标值作为该器 件的额定电压。 ——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。 选用时，一般取 额定电压为正常工 ——晶闸管通以某一规定倍数的额定 作时晶闸管所承受 峰值电压2~3倍。 通态平均电流时的瞬态峰值电压。
(A)
断态 重复 峰值 电压 UDRM
(V)
反向 重复 峰值 电压 URRM
(V)
额 定 结 温 TJM
(℃ )
门极 触发 电流 IGT
(mA)
门极 触发 电压 VGT
(V)
断态 电压 临界 上升 率
通态 电流 临界 上升 率
浪涌 门极 电流 不触 ITSM 发电 流 (A) IGD
(mA)
门极 不触 发电 压 VGD
IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2 （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 （1-1）~（1-4）可得 ：
2 I G I CBO1 I CBO2 （1-5） IA 1 ( 1 2 )
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段
1-11
1.3.2 晶闸管的基本特性
总结前面介绍的工作原理，归纳晶闸管正常工作 时的特性如下：
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。
• 1958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 • 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代 • 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
1-2
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A K P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K
1 2


2
I m sin 2 d
2
2
2
其中： Im=20*2*3.14
； IT = 20*2*3.14/(2*1.41)=44.54
得到： IT(AV)≥1.5*44.54/1.57=42.55(A)
所以，可以选择IT(AV)是50A的SCR
部分晶闸管的型号与参数
型 号 通态 平均 电流 IT(AV)
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。
雪崩 击穿
-IA
晶闸管的伏安特性
1-15
1.3.2 晶闸管的基本特性
2. 动态特性
iA 100% 90%
10% 0 uAK
td
tr IRM
t
O
t
trr
URRM t gr
图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
1-16
1) 开通过程
延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间 tgt 以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）
iA 100% 90%
10% 0 td uAK
tr IRM
t
2) 关断过程
反向阻断恢复时间trr
O
t
正向阻断恢复时间tgr
关断时间tq以上两者之和 tq=trr+tgr （1-7) 普通晶闸管的关断时间 约几百微秒。
(V)
门极 正向 峰值 电流 IGFM
(A)
1-18
通态（峰值）电压UT
1.3.3
晶闸管的主要参数
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。
维持电流 IH 擎住电流 IL
——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 ——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理
1-9
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
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。 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。 开通：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致
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 。
1-12
1.3.2 晶闸管的基本特性
1. 静态特性
IA 正向 导通
UA
URSM URRM
IH O
IG2
IG1
IG=0 +UA
UDRM Ubo UDSM
雪崩 击穿
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
1-13
1.3.2 晶闸管的基本特性
降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。
综上所述：
SCR导通条件： UAK>0 同时 UGK>0 由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。 (一般通过减小EA,,直至EA<0来实现。）
1.3.1 晶闸管导通的条件
• 晶闸管正常导通的条件： 1）晶闸管阳极和阴极之间施加正向阳极电压，
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A
按晶体管的工作原理 ，得：
A P1 N1 G P2 N2 K a) b) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K R EA
Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）


0

0
I m sin d
Im
0.32 I m
0.5I m
IT

( I m sin ) 2 d
Im
I T ( AV )

Im
2
Im
2

1.57 2
波形系数： 电流的有效值与电流平均值的比值;
K f IT
I T ( AV )
对于晶闸管而言，无论流过的电流波形是不是正弦半波电流， 都应根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦半波电流 的有效值IT折合成等效的正弦半波电流平均值IT(AV) ，可以方便的 选择晶闸管的额定值。
晶闸管的结构和外形封装
2、晶闸管的其它封装形式： 还有塑封和模块式两种封装。
图
晶闸管的其它封装形式
1-4
晶闸管的开关特点
〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可
开不可关的单向开关。
图
晶闸管的工作条件的试验电路
晶闸管的开关特点
〔解释〕
当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR 始终处于关断状态；
UAK>0
2）晶闸管门极和阴极之间必须施加适当的正 向脉冲电压和电流， UGK>0 维持晶闸管导通的条件：
保持流过晶闸管的阳极电流在其维持电流以上
1-7
1.3.1
晶闸管关断的条件
• 晶闸管的关断 只需将流过晶闸管的电流减小到其 维持电流以下，可采用： 阳极电压反向 减小阳极电压 增大回路阻抗
1-8
雪崩 击穿
晶闸管本身的压降很小， 在1V左右。
-IA
晶闸管的伏安特性(IG2>IG1>IG)
1-14
1.3.2 晶闸管的基本特性
2) 反向特性
施加反向电压时，伏安特
IA 正向 导通
性类似二极管的反向特性。
反向阻断状态时，只有极
UA URSM URRM IH O IG2 IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
1 Id 2
IT 1 2


4
I m wenku.baidu.comind
2
I m (2
2)
4
0.272I m


4
I m sin 2 d
Im
3 2
4
0.477I m
选用KP100的晶闸管,则：IT(AV)=100A,
有效值：IT=1.57 IT(AV)=157A
IT=157 =0.477Im ， 由此得到：Im =157/0.477=329A ； Id=0.272Im =89.5A
IT= kf Id =1.57 IT(AV) ； 即：IT= 1.57 IT(AV)
四种波形的K’f值
1-21
例题：下图是晶闸管导通的电流波形，不考虑安全裕量，如果 选用KP100的晶闸管，求出电流最大值Im和平均电流Id的值。
Im
π 2π 9π /4 3π 4π 17π /4 5π
0
π /4
平均值： 有效值：
晶闸管额定电流的选定*
例
Im
0 π π /2 2π 5π /2 3π 4π 9π /2 5π
某整流电路电流波形如下，其平均值Id =20A，试选用SCR （A=1.5)。

1 Id 2
IT


2
I m sind
Im
2
20A
Im
IT(AV)≥(A * IT)/1.57
Id=Im/(2*3.14)=20 IT= Im/(2*1.41) A=1.5
1.3
半控器件—晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数
1-1
1.3
半控器件—晶闸管
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
• 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管 • 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品
UAK>0时，只有EGk>0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力； SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR 导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定； 当UAK<0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I 逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续
晶闸管的命名和选择
根据规定，晶闸管的型号及其含义如下：
例如：KP100－12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，通态平 均压降为1V的普通晶闸管。
1-23
1.3.4
晶闸管额定电流的选定*
SCR产品参数给出的额定电流是平均值，应根据实际电路计算有效值来选定 SCR。 SCR管芯的发热效应是与流过电流的有效值有关系的。 在实际选用SCR时，根据电流有效值相等原则。即： 实际波形的电流有效值IT≤SCR额定电流IT(AV)对应的电流有效值IT 由于测量IT(AV) 的电路为正弦半波电路。此时额定有效值IT与IT(AV)之 间的关系为：IT = IT(AV)*1.57 。 由此可见，SCR的额定电流有效值和平均值之间可以方便换算。 综上所述，选用SCR可以采用以下公式来确定额定电流： IT(AV)≥(A * IT)/1.57 其中， IT(AV)为选用SCR的额定电流； A为裕量系数，一般为1.5～2； IT为实际电路的电流有效值。
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。
1-10
1.3.1 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
阳极电压上升率du/dt过高 结温较高
光直接照射硅片，即光触发
• 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）。
1) 正向特性
IG=0时，器件两端施加正
向电压，只有很小的正向 漏电流，正向阻断状态。
URSM URRM IH O IA 正向 导通
IG2
IG1
IG=0
正向电压超过正向转折电 压Ubo，则漏电流急剧增大， UA 器件开通。
UDRM Ubo +UA UDSM
随着门极电流幅值的增大， 正向转折电压降低。