晶闸管

电力电子第二章晶闸管笔记，包括电力电子器件的定义和分类、电力二极管的主要参数、门级关断晶闸管和电力晶体管GTR的结构和主要参数等内容。

电力电子技术第二章 电力电子器件及驱动和保护

• 2.1 概述
  • 2.1.1电力电子器件的定义：电力电子装置中实现电能变换与控制的器件。
  • 2.1.2理想的电力电子开关
  • 2.1.3电力电子器件的损耗
    • 一般来说通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗也会成为主要损耗
  • 2.1.4电力电子器件的分类
    • 根据器件被控制信号所控制的程度分类
      • 不可控器件(Uncontrollable device)
        • 1：不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。
        • 2：两个端子，器件通断由主电路决定。
        • 3：单向导电。
        • 典型器件：功率二极管（Power Diode）。
      • 半控型器件(Half-controllable device)
        • 1：可控制开通但不能控制关断，器件导通后控制端失去控制能力，器件关断决定于外部条件。
        • 2：三端器件。
        • 典型器件：晶闸管及派生器件。
      • 全控型器件(Fully-controllable device)
        • 既能控制开通，又能控制关断，又叫自关断器件。
        • 典型器件: Power MOSFET、IGBT、GTO等 。
    • 根据器件驱动信号的类型分类
      • 电流控制型器件
        • 通过向控制端注入或从控制端抽出电流实现器件的开通、关断
      • 电压控制型器件
        • 器件的开通、关断控制是通过加在控制端与公共端之间的电压 来实现的，又叫场控型器件或场效应器件。电压控制型器件需要的 控制极驱动功率要小得多
    • 根据器件驱动信号的波形分类
      • 脉冲触发型: 如晶闸管及派生器件
      • 电平驱动型: 如GTR、IGBT等
    • 按照器件内部载流子的类型分类
      • 单极型 Unipolar devices Majority carrier devices
        • 只有多子导电，无少子存储效应，开通关断时间短，典型值为20 ns。
        •  输入阻抗很高，通常大于40 兆欧，电压控制型。
        •  电流有负温度系数，不易产生局部热点，二次击穿可能性极小 。
        •  通态压降高，电压和电流额定值比双极型器件小。
        •  适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备
      • 双极型 Bipolar devices Minority carrier devices
        • 通态压降较低。
        • 阻断电压高。
        • 电压和电流额定值较高，适用于大中
        • 容量的变流设备
      • 复合型 Composite devices
        • 既有晶闸管、GTO等双极型器件的电流 密度高、 导通压降低等优点，又具有功率场 效应管等单极型器件的输入阻抗高、响应速度 快的特点，是一类综合性能较好、具有发展前 途的电力电子器件。
• 2.2 电力二极管
  • 功率二极管用途
    • 功率二极管主要作整流、续流和隔离等
  • 2.2.1: 电力二极管的结构和基本工作原理
    • 一个面积较大的PN结和两端引线封装组成。
    • 二极管的基本原理——PN结的单向导电性
    • PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流 将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。 按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。
    • 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍 可恢复原来的状态。 否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。
  • 2.2.2: 电力二极管的基本工作特性
    • 静态特性（主要指伏安特性）
      • 门槛电压UTO
      • 正向压降UF
      • 反向时，只有漏电流。
    • 动态特性
      • 1：偏值状态改变时的过渡过程。 2：电压电流特性随时间变化。 3：由于结电容的存在
      • 关断过程
        • 延迟时间：td= t1- t0,
        • 电流下降时间：tf= t2- t1
        • 反向恢复时间：trr= td+ tf
      • 开通过程
        • 正向压降先出现过冲UFP，经一段时间趋于稳态压降的某个值
        • 正向恢复时间tfr
        • 电流上升率越大，UFP越高
  • 2.2.3： 电力二极管主要参数
    • 正向平均电流（额定电流）I f(AV)
      • 长期运行时，在指定的壳温和散热条件下，结 温稳定且不超过允许的最高工作结温，所允许流过的 最大工频正弦半波电流的平均值，即为正向平均电流。 将此电流值取规定系列的电流等级值，即为元件的额 定电流。
      • 注意： 正向平均电流按照发热条件定义，使用时，应按电 流有效值相等原则选取，并留裕量。
    • 正向压降U F 定义：在指定温度下，流过某一指定的稳 态正向电流时对应的正向压降
    • 反向重复峰值电压U RRM 二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪 崩击穿电压UB的2/3，是二极管的额定电压。
    • 最高工作结温T JM 在pn结不损坏前提下所能承受的最高平均温度TJM ， 通常在125°C-175°C。
    • 反向恢复时间t rr 指功率二极管由导通到关断时，从正向电流 过零到反向电流下降到峰值的25%时的时间间隔。 它与反向电流上升率、结温及正向导通时的最大 正向电流有关。
    • 浪涌电流I FSM 指功率二极管所能承受的最大的连续一个或 几个工频周期的过电流。一般用额定正向平均电 流的倍数和相应的浪涌时间（工频周波数）来规 定。
  • 2.2.4：电力二极管的主要类型
    • 按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同分类
    • 普通二极管(Rectifier Diode)
      • 多用于频率不高（1kHz以下）的整流电路
      • 反向恢复时间较长,5微秒以上；
      • 正向电流定额和反向电压定额高。
    • 快恢复二极管（Fast Recovery Diode）
      • 恢复过程短，特别是反向恢复过程较短（在5微秒以下）。
      • 分为快速恢复和超快速恢复。 前者反向恢复时间为数百纳秒或更长；后者则在100 ns以下，甚至达到20-30ns
    • 肖特基二极管（Schottky Diode）
      • 以金属和半导体接触形成的势垒为基础。
      •  优点：反向恢复时间很短（10-40 ns）；正向恢复过程无明显电压超调；反向耐压较低时正向压降小，开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小。
      •  缺点：反向耐压提高时，正向压降会高得无法接受。小，开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小。
      •  多用于200 V以下的场合
• 2.3 晶闸管
  •  硅晶体闸流管的简称，俗称可控硅（Silicon Controlled Rectifier—SCR）。
  • 2.3.1晶闸管结构
    • 封装形式：螺栓式和平板式。
    • 冷却方式：自然冷却、强迫风冷和水冷。
  • 2.3.2晶闸管的工作原理
    • 晶闸管开通过程：
      •  正向阳极电压：J1和J３正偏，J2反偏。要使晶闸管导通，须使J2失去阻挡。
      •  正反馈，两个晶体管饱和导通，即晶闸管导通。
  • 2.3.3晶闸管的基本工作特性
    • • 晶闸管的静态特性----伏安特性（阳极伏安特性和门极伏安特性）
      • 阳极伏安特性
        • 反向特性
          • 反向阻断时，只有极小反向漏电流。
          • 反向电压过大可能导致晶闸管击穿。
        • 正向特性
          • IG=0时，正向阻断状态。
          • 正向电压>正向转折电压，漏电流↑，器件开通。
          • 门极电流幅值↑，正向转折电压↓。
          • 管压降1V左右
      • 门级伏安特性
    • • 晶闸管的动态特性---开关特性
      • 开通过程
        • 延迟时间 td (0.5~1.5µs)
        • 上升时间 tr (0.5~3µs)
        • 开通时间 tgt=td+tr
        • 延迟时间随门极电流的增大而减小
      • 关断过程
        • 反向阻断恢复时间trr
        • 正向阻断恢复时间tgr
        • 关断时间 tq=trr+tgr
        • 关断时间约几百微秒
      • 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，而不是受门极电流控制而导通。
  • 2.3.4晶闸管的主要参数
    • 电压参数
      •  断态不重复峰值电压
        • 门极开路，晶闸管额定结温时，管子 阳极电压升到正向转折电压之前，即管子 正向漏电流开始急剧增大，伏安特性曲线 急剧弯曲处，此时对应的阳极电压称为断 态不重复峰值电压。
      • 反向不重复峰值电压
        • 门极开路，晶闸管承受反向电压时， 对应反向漏电流开始急剧增大的电压值称 为反向不重复峰值电压。
      •  断态重复峰值电压UDRM
        • 断态不重复峰值电压的90%为断态重复峰 值电压。
      • 反向重复峰值电压URRM
        • 反向不重复峰值电压的90%为反向重复峰 值电压。
      • 通态平均电压
        • 晶闸管通以额定通态平均电流，待结 温稳定时，阳极与阴极之间电压降的平均值 定义为通态平均电压，通称管压降。
    • 电流参数
      •  通态平均电流IT（AV）
        • 环境温度+40℃和规定冷却条件下，晶 闸管在阻性负载的单相工频正弦半波、导通角 不小于170°电路中，结温稳定并不超过额定 结温时，允许通过的最大平均电流。
      •  维持电流IH
        • 晶闸管被触发导通后，在室温和门极开 路条件下，晶闸管从较大通态电流到恰能 保持其导通的最小阳极电流，称维持电流 IH。
      •  擎住电流IL
        • 晶闸管加上触发电压后，从阻断状态刚转 为导通状态时就去掉触发电压，而要保持晶闸 管导通所需要的最小阳极电流，称为擎住电流 IL。
      •  断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR
      •  浪涌电流ITSM
    • 动态参数
      • 通态电流临界上升率di/d
        • 规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时， 晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流最大 上升率称为通态电流临界上升率。 • 晶闸管电流上升率太大，会造成局部过热而 使晶 闸管损坏。
      • 断态电压临界上升率du/dt
        • • 额定结温和门极开路条件下，使元件保持断 态所能承受的最大电压上升率，一般用每微 秒若干伏表示。
    • 门级参数
      • 门极触发电流：在室温下，器件从断态到完全开通所必须的最小门极电流。
      • 门极触发电压：与门极触发电流对应的门极触发电压。
      • 门极参数大小选择应合理，不能太大或太小。
      • 环境温度对门极触发参数影响较大。环温高时，门极参数降低，随着温度的降低，则增大。
  • 2.3.6 晶闸管的派生器件
    • 快速晶闸管
    • 双向晶闸管
    • 逆导晶闸管
    • 光控晶闸管
• 2.4 门级关断晶闸管
  • 晶闸管的一种派生器件 四层三端，阳极、阴极和门极三个电极。 • 多元集成器件，由数百个共阳极的小GTO单元组成，为便于实 现门极控制关断特殊设计。；
  • 可通过在门极施加负脉冲电流关断；
  • 电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍 有较多的应用。
  • 工作原理
• 2.5 电力晶体管GTR
  • 结构
    • 由三层半导体材料、两个PN结组成的三端器件，三个极分别为基极、集 电极和发射极。
  • 主要参数
    • 电流放大倍数
    •  直流电流增益
    •  集电极与发射极间漏电流
    •  集电极和发射极间饱和压降
    •  开通时间，和关断时间
    •  最高工作电压
    •  集电极连续直流电流额定值Ic
    •  集电极最大允许电流ICM
    •  集电极最大耗散功率PCM
• 2.6 电力场效应晶体管
  • 简述
    • 结型和绝缘栅型。 通常指绝缘栅型中的 型，简称电力MOSFET。 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（SIT）
  • 特点
    • 用栅极电压来控制漏极电流
    • 驱动电路简单，需要的驱动功率小；
    • 开关速度快，工作频率高；
    • 热稳定性优于GTR；
    • 电流容量小，耐压低，适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
  • 种类
    • 增强型
    • 耗尽型
  • 开关特性
    • 开启特性
      • 开通延迟时间td(on)
      • 电流上升时间tr
      • 电压下降时间tfv
      • 开通时间ton= td(on)+tr+tfv
    • 关断特性
      • 关断延迟时间td(off)
      • 电压上升时间trv
      • 电流下降时间tfi
      • 关断时间toff=td(off)+trv+tfi
• 2.7 绝缘栅双极型晶体管
  • 简述
    • GTR和GTO是双极型电流驱动器件 由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动 功率大，驱动电路复杂。 电力MOSFET是单极型电压驱动器件 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路 简单。 IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。
  • 结构
    • 是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。
• 2.8 其他新型电力电子器件
  • 静电感应晶体管SIT
  • 静电感应晶闸管SITH
  • 集成门极换流晶闸管IGCT
  • 电子注入增强栅晶体管IEGT
  • 功率模块与功率集成电路
• 常用电力半导体开关器件性能对比
• 浮动主题
• 晶闸管的可能触发导通的其它条件
  • 1. 阳极电压太高，晶闸管击穿；
  • 2. 阳极电压du/dt太大，引起导通；
  • 3. 结温太高，漏电流增大引起导通；
  • 4. 光触发：光直接照射在硅片上产生电子空穴对，在电场作用下产生触发电流
• 晶闸管开通和关断具有的以下特点
  • 只有同时承受正向阳极电压和正向门极电压时才能导通，二者缺一不可；
  • 一旦稳定导通后，门极失去控制作用，故门极控制电压只要是有一定宽度的正向脉冲电压即可，这个脉冲称为触发脉冲；
  • 要使已经导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到维持电流以下。