1电力电子器件-第2讲.pptx

《1电力电子器件-第2讲.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1电力电子器件-第2讲.pptx（24页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、会计学11电力电力(dinl)电子器件电子器件-第第2讲讲PPT课件课件第一页，共24页。(1-2)晶闸管的外形、结构(jigu)和电气图形符号a)外形 b)结构(jigu)c)电气图形符号1 1 晶闸管的结构晶闸管的结构(jigu)(jigu)外形有螺栓型和平板型两种封装。外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个连接端。有三个连接端。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。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平板型晶闸管可由两个(lin)(lin)散热器将其夹在中间。散热器将其夹在中间。晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、

2、K、G)的器件。第1页/共24页第二页，共24页。(1-3)1 1 1 1 晶闸管的结构晶闸管的结构晶闸管的结构晶闸管的结构(jigu)(jigu)(jigu)(jigu)小电流小电流(dinli)塑封式塑封式小电流小电流(dinli)螺旋式螺旋式大电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式大电流平板式图形符号图形符号第2页/共24页第三页，共24页。(1-4)常用常用(chn(chn yn yn)晶闸管晶闸管的结构的结构螺栓(lushun)型晶闸管晶闸管模块(m kui)平板型晶闸管外形及结构第3页/共24页第四页，共24页。自冷式自冷式自冷式自冷式风冷式风冷式风冷式风冷式水冷式水冷式水冷式水冷式第

3、4页/共24页第五页，共24页。(1-6)晶闸管的双晶体管模型(mxng)及其工作原理a)双晶体管模型(mxng)b)工作原理 门极开路，给晶闸管加正向(zhn xin)电压，J2承受反向电压，器件AK两端处于阻断状态。当给晶闸管加反向(fn xin)电压时，J1、J3反偏，晶闸管也不能导通。晶闸管导通的工作原理可以用双晶晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释：体管模型来解释：S S闭合前，闭合前，I IGG=0=0 I Ib2b2=0 =0 I Ic2c2=0 =0 I Ic1c1=0=0，晶闸管处于阻断，晶闸管处于阻断状态。状态。S S闭合，外电路向门极注入电流闭合，外电路向门极注入

4、电流I IGG，形成强烈的正反馈，使晶闸管，形成强烈的正反馈，使晶闸管导通。导通。导通后如果撤掉门极电流导通后如果撤掉门极电流I IGG，晶，晶闸管由于内部已形成强烈的正闸管由于内部已形成强烈的正反馈，会继续维持其导通状态。反馈，会继续维持其导通状态。2 2 2 2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理IGIB2IC2(IB1)IC1第5页/共24页第六页，共24页。n n欲使晶闸管导通需具备两个条件：欲使晶闸管导通需具备两个条件：n n应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。n n应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电

5、流。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。n n晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。n n为为使使晶晶闸闸管管关关断断，必必须须使使其其阳阳极极电电流流减减小小到到一一定定数数值值以以下下，这这只只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。n n其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况n n阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩(xubng)(xubng)效应效应n n阳极电压上升率阳极电压上升率du/dtdu/dt过高过高n n

6、结温较高结温较高n n光触发光触发n n光光触触发发可可以以保保证证控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的良良好好绝绝缘缘而而应应用用于于高高压压电力设备中，称为光控晶闸管（电力设备中，称为光控晶闸管（LTTLTT）只有门极触发是最精确、迅速只有门极触发是最精确、迅速(xn s)(xn s)而可靠的控制而可靠的控制第6页/共24页第七页，共24页。(1-8)3 3 3 3 晶闸管的基本晶闸管的基本晶闸管的基本晶闸管的基本(jbn)(jbn)(jbn)(jbn)特性特性特性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。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

7、。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。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。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，必须去除阳极所加的正向电压，或设法使流过晶闸管的电流降要使晶闸管关断，必须去除阳极所加的正向电压，或设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，或者给阳极施加反压。到接近于零的某一数值以下，或者给阳极施加反压。晶闸管门极加正脉冲晶闸管门极加正脉冲(michng)(michng)能够触发晶闸管导通，而加负脉冲能够触发晶闸管导通，而加负脉冲(michng)(michng)却不能使其关断，故

8、称为半控型器件。却不能使其关断，故称为半控型器件。晶闸管正常工作晶闸管正常工作(gngzu)(gngzu)时的特性总结时的特性总结如下：如下：第7页/共24页第八页，共24页。(1-9)正向特性正向特性(txng)(txng)IG=0IG=0时，器件两端施加正时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断向漏电流，为正向阻断状态。状态。正向电压超过正向转折电正向电压超过正向转折电压压UboUbo，则漏电流急剧，则漏电流急剧增大，器件开通。增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，晶闸

9、管本身的压降很小，在在1V1V左右。左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶闸管的伏安(f n)特性IG2IG1IG 晶闸管的伏安晶闸管的伏安(f n)(f n)特性特性第8页/共24页第九页，共24页。(1-10)反反向向特特性性类类似似二二极极管管的的反反向向特性。特性。反反向向阻阻断断状状态态时时，只只有有极极小小的反相漏电流流过。的反相漏电流流过。当当反反向向电电压压达达到到反反向向击击穿穿(j(j chun)chun)电电压压后后，可可能能导导致致晶晶闸管发热损坏。闸管发热损坏。晶闸管的伏安(f n)特性IG2I

10、G1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM反向反向(fn xin)特性特性第9页/共24页第十页，共24页。晶闸管的门极伏安特性由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性OG和一条极限低阻门极伏安特性OD之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM允许的瞬时(shn sh)最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,OABCO为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区。晶闸管的门极伏安(f n)特性第10页/共24页第

11、十一页，共24页。(1-12)开通过程开通过程延延迟迟时时间间(shjin)td(shjin)td(0.51.5(0.51.5s)s)上升时间上升时间(shjin)tr (0.53(shjin)tr (0.53s)s)开开通通时时间间(shjin)ton(shjin)ton以以上上两两者者之之和，和，ton=td+tr ton=td+tr （1-61-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA关断过程反向阻断恢复(huf)时间trr正向阻断恢复(huf)时间tgr关断时间toff以上两者之和toff=trr+tgr （1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒 晶

12、闸管的开通和关断过程(guchng)波形 晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性(开关特性）开关特性）第11页/共24页第十二页，共24页。（1 1）断断态态重重复复峰峰值值电电压压UDRMUDRM，在在门门极极断断路路(dun(dun l)l)而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的 正向峰值电压。正向峰值电压。(UDSM Ubo)(UDSM Ubo)（2 2）反反向向重重复复峰峰值值电电压压URRMURRM，在在门门极极断断路路(dun(dun l)l)而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的反反向峰值电压。向峰值电压。(URS

13、M Uro)(URSM Uro)（3 3）额额定定电电压压，断断态态重重复复峰峰值值电电压压UDRMUDRM和和反反向向重重复复峰峰值值电电压压URRMURRM中中较较小小的的那那个个数数值值标标作作器器件件型型号号上上的的额额定定电电压压。通通常常选选用用晶晶闸闸管管时时，电电压压选选择择应应取取(2(23)3)倍的安全裕量。倍的安全裕量。(4)(4)通态电压通态电压UTMUTM 晶晶闸闸管管通通以以规规定定倍倍数数额额定定通通态态平平均均电电流流时时的的瞬瞬态态峰峰值值电电压压。从从减减少少功功耗耗和和发发热热的的观观点点出出发发，应应该选择通态电压较小的晶闸管。该选择通态电压较小的晶闸管

14、。4 4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通 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(gngzu)时晶闸管所承受峰值电压23倍。使使用用(shyng)注注意：意：第12页/共24页第十三页，共24页。(5)(5)额定电流额定电流IT(AV)IT(AV)在环境温度为在环境温度为+40+40和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中电路中,管子全导通管子全导通(导通角导通角 170)170)，在稳定，在稳定(wndng)(wndng)的额定结温时所允

15、的额定结温时所允许的最大通态平均电流。许的最大通态平均电流。晶闸管流过正弦半波电流波形晶闸管流过正弦半波电流波形 如图所示如图所示 使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。晶闸管流过正弦半波电流(dinli)波形第13页/共24页第十四页，共24页。它的通态平均电流它的通态平均电流IT(AV)IT(AV)和正弦电流最大值和正弦电流最大值ImIm之间的关系表示为：之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：正弦半波电流的有效值为：)式中式中 Kf Kf为波形系数为波形系数 流流过过晶晶闸闸管管的的电电流流波波形形不不同同，其其波波形形系系数数也也不不同同，实

16、实际际应应用用中中，应应根根据据电电流流有有效效值值相相同同(xin(xin tn)tn)的的原原则则进进行行换换算算，通通常常选选用用晶晶闸闸管管时时，电电流流选选择择应应取取(1.5(1.52)2)倍倍的的安安全全裕裕量。量。第14页/共24页第十五页，共24页。(6)(6)浪涌电流浪涌电流 ITSM ITSM这是晶闸管所允许的半周期内使结温超过额定结温的不重复正向过载电这是晶闸管所允许的半周期内使结温超过额定结温的不重复正向过载电流。该值比晶闸管的额定电流要大得多。实际上它体现了晶闸管抗流。该值比晶闸管的额定电流要大得多。实际上它体现了晶闸管抗短路短路(dunl)(dunl)冲击电流的能

17、力。可用来设计保护电路。冲击电流的能力。可用来设计保护电路。(7)(7)维持电流维持电流 IH IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。维持通态所必须的最小阳极电流。(8)(8)擎住电流擎住电流 IL IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流ILIL约为维约为维持电流持电流IHIH的的(2

18、(24)4)倍。倍。(9)(9)门极触发电流门极触发电流IGTIGT在室温且阳极电压为在室温且阳极电压为6V6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。的最小门极直流电流。第15页/共24页第十六页，共24页。(10)(10)门极触发电压门极触发电压UGT UGT 对对应应于于门门极极触触发发电电流流时时的的门门极极触触发发电电压压。触触发发电电路路给给门门极极的的电电压压和和电电流流应应适适当当地地大大于于所所规规定定的的UGTUGT和和IGTIGT上上限限，但但不不应应超超过过其其峰峰值值(fn(fn zh)IGFM zh)I

19、GFM 和和 UGFMUGFM。(11)(11)断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt du/dt 在在额额定定结结温温和和门门极极断断路路条条件件下下，不不导导致致器器件件从从断断态态转转入入通通态态的的最最大大电电压压上上升升率率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。(12)(12)通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt di/dt 在在规规定定条条件件下下，由由门门极极触触发发晶晶闸闸管管使使其其导导通通时时，晶晶闸闸管管能能够够承承受受而而不不导导致致损损坏坏的的通通态态电电流流的的最最大大上上升升率率。在在晶晶闸闸管管开开通通时

20、时，如如果果电电流流上上升升过过快快，会会使使门门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。第16页/共24页第十七页，共24页。例例1-11-1 两个不同的电流波形两个不同的电流波形(阴影斜线部分阴影斜线部分(b fen)(b fen)如图所示，分别流经晶闸管，若各如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值波形的最大值Im=100AIm=100A，试计算各波形下晶闸管的电流平均值，试计算各波形下晶闸管的电流平均值Id1Id1、Id2Id2，电流有效值，电流有效值I1I1、I2 I2，并计算波形系数并计算波形系数Kf1Kf1、Kf2Kf2。

21、流过晶闸管的电流(dinli)波形第17页/共24页第十八页，共24页。解：如图所示的平均值和有效值可计算解：如图所示的平均值和有效值可计算解：如图所示的平均值和有效值可计算解：如图所示的平均值和有效值可计算(j sun)(j sun)如下：如下：如下：如下：第18页/共24页第十九页，共24页。思考思考思考思考1 1：如果晶闸管的额定电流是：如果晶闸管的额定电流是：如果晶闸管的额定电流是：如果晶闸管的额定电流是100A,100A,考虑晶闸管的安全裕量考虑晶闸管的安全裕量考虑晶闸管的安全裕量考虑晶闸管的安全裕量,请问在请问在请问在请问在以上的情况以上的情况以上的情况以上的情况(qngkung)

22、(qngkung)下下下下,允许流过的平均电流是多少允许流过的平均电流是多少允许流过的平均电流是多少允许流过的平均电流是多少?思考思考2：如果考虑：如果考虑(kol)晶闸管晶闸管2倍的安全裕量倍的安全裕量,请问在以上的情况请问在以上的情况下下,允许流过的平均电流是多少允许流过的平均电流是多少?第19页/共24页第二十页，共24页。(1-21)4 4 4 4 晶闸管的派生晶闸管的派生晶闸管的派生晶闸管的派生(pishng)(pishng)(pishng)(pishng)器件器件器件器件1.1.有工作在有工作在有工作在有工作在400Hz400Hz左右左右左右左右(zu(zu yu)yu)的快速晶闸

23、管和的快速晶闸管和的快速晶闸管和的快速晶闸管和10kHz10kHz左右左右左右左右(zu(zu yu)yu)或更高频率的高频晶闸管。或更高频率的高频晶闸管。或更高频率的高频晶闸管。或更高频率的高频晶闸管。2.2.开关时间以及开关时间以及开关时间以及开关时间以及du/dtdu/dt和和和和di/dtdi/dt耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。3.3.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，高频晶闸管普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管

24、数十微秒，高频晶闸管 1010s s左右左右左右左右(zu(zu yu)yu)。4.4.高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。5.5.由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。1 1）快速）快速(kui s)(kui s)晶闸管（晶闸管（Fast Switching Fast Switching

25、 Thyristor FST)Thyristor FST)第20页/共24页第二十一页，共24页。(1-22)2 2 2 2）双双双双向向向向晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管（Triode Triode Triode Triode AC AC AC AC SwitchTRIACSwitchTRIACSwitchTRIACSwitchTRIAC或或或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor）可认为是一对反

26、并联(bnglin)联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。双向晶闸管等效电路及符号(fho)双向晶闸管的伏安(f n)特性第21页/共24页第二十二页，共24页。(1-23)3)3)3)3)逆逆逆逆 导导导导 晶晶晶晶 闸闸闸闸 管管管管（Reverse Reverse Reverse Reverse Conducting Conducting Conducting Conducting ThyristorThyristorThyristorThyristorRCTRCTRCTRCT）a)KGA

27、逆导晶闸管的电气(dinq)图形符号和伏安特性a)电气(dinq)图形符号 b)伏安特性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。这种器件不具有反向阻断能力，一旦承受反向电压即开通(kitng)，故称为逆导晶闸管。第22页/共24页第二十三页，共24页。(1-24)4)4)4)4)光控晶闸管（光控晶闸管（光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTTLTTLTT）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。光触发保证了主电路(dinl)与控制电路(dinl)之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前用在高压大功率的场合。光控晶闸管的符号(fho)及等效电路光控晶闸管的伏安(f n)特性第23页/共24页第二十四页，共24页。