第2章 1器件——晶闸管

电力半导体器件Power Semiconductor Devices

主讲：伍文俊

自动化与信工程学院电气系

--电力电子技术--

电力电子器件的概念电力电子器件(Power Electronic Device)是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变

换或控制的电子器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担

电能的变换或控制任务的电路。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导

体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。

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电力电子器件的特征◆承受电压和电流的能力是其最重要的参数，

所能处理电功率的一般都较大。◆一般都工作在开关状态。

◆需要驱动电路。◆自身的功率损耗大，一般都需要安装散热器。

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电力电子器件的功率损耗通态损耗

断态损耗开关损耗

开通损耗 关断损耗

通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。 当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

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电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中，一般是由控 制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的 主电路组成一个系统。检测 电路 保护 电路 驱动 电路V 1 L V 2 R

控 制 电 路

主电路

电气隔离

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电力半导体器件的分类:1、按可控性分类 (1)不控型器件 :电力二极管 (2)半控型器件 ：晶闸管 (3)全控型器件 ：GTO、GTR、IGBT、MOSFET、 IGCT

2、按驱动信号类型分类(1)电流控制型 ： GTO、GTR、SCR (2)电压控制型 ： IGBT、MOSFET、IGCT 3、按控制信号的形式分类 (1)脉冲触发器件 :SCR、GTO (Pulse Triggered Devices) (2)电平触发器件:GTR、IGBT、MOSFET、IGCT (Level Triggered Switching Devices)

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§2.1 晶闸管(Thyristor)又称可控硅(Silicon Controlled Rectifier--SCR)

一.分类 二.晶闸管的结构 三.晶闸管的工作原理 四.晶闸管的特性 五.晶闸管的主要参数 六.晶闸管的派生器件

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一、分类 按门极控制信号性质： 光控晶闸管 电控晶闸管 按输出伏安特性： 逆导晶闸管 双向晶闸管 按器件的使用频率： 高频晶闸管(快速晶闸管) 低频晶闸管(普通晶闸管)

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二、晶闸管的结构 结构:分为管芯及散热器两大部分。 方式: 分为螺栓型与平板型两种。

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螺栓型：散热效果差，用于200A以下容量的元件，自 冷。 平板型：散热效果好，用于200A以上的元件，水冷和 风冷。

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内部结构：四层(P-N-P-N)

三端(A、K、G)

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三、晶闸管的工作原理 1、 内部物理过程：

晶体管的集电极电流为另一只晶体管的基极电流 →形成正反馈

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2、 工作原理 导通条件：正向阳极电压，正向门极电压。 关断条件：必须使阳极电流降低到某一数值之下(约 几十毫安)。 两种强迫关断方式：电流换流和电压换流。 特点： A 、无门极电流，阳阴极电压为正或为负均不能开通， 电阻无穷大； B 、导通后电流由外部电路决定，通态压降小，导通 电阻近于0; C、晶闸管一旦导通，门极便失去控制作用； D、单向导电性。

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四、 晶闸管的特性 1、晶闸管的阳极伏安特性----静态特性① 正向阻断--高阻区② 负阻区 ③ 正向导通--低阻区

④ 反向阻断--高阻区

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2、门极伏安特性----静态特性门极峰值功率

门极正向峰电流

门极平均功率

门极正向峰电压确保触发：Ig > IGT, Ug > UGT

加反压< 10V,防止误触发

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3、

晶闸管的动态特性

延迟时间

上升时间

反向阻断恢复时间

正向阻断恢复时间

延迟时间td :ia从0到0.1IT;上升时间tr:ia从0.1IT到0.9IT

开通时间ton :ton=td+tr

;

关断时间：toff=trr+tgr。

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五、 晶闸管的主要参数 1、额定电压UR

正反向重复峰值电压UDRM = 0.9UDSM,URRM = 0.9 URSM

器件选取时，取UDRM和URRM中较小值，取整1000V以下(100V一个等级),1000~3000V(200V 一个等级)

选用器件时 UR=(2~ 3)UTM

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2、通态平均电流(额定电流)IT(AV) 单相、工频、正弦半波、全导通°I T(AV) I 1 2

1 2

0

I m sin td t

Im

0

( I m sin t ) 2 d t

Im 2

波形系数∶Kf=I/ IT(AV) =π/2 = 1.57

选择元件：按电流有效值选 整流输出：平均电流 从平均电流找出相应波形的有效电流以保证不过热选用器件时 IT(AV)=(1.5~ 2)IT/1.57

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3 、 通 态 平均 电 压 ( 管 压降)UT(AV)

4、维持电流IH

关断过程能维持导通的最小电流 几十mA,结温↑ IH↓(不易关断)5、擎住电流IL

开通过程中，能维持导通的最小电流。IL=(

2~4)IH

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6、门极触发电流IGT与门极触发电压UGT 对触发电路要求，随温度变化。

7、电路换向关断时间tq导通时有载流子存在。使载流子消失， 恢复正向阻断能力，tq > 40微秒以上。

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8、断态电压临界上升率 du/dt

门极开路，使元件断→通的最小电压上升率 Uak < UB0, Ic相当于Ig

9、通态电流临界上升率 di/dt

di/dt过大→J↑

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qmem.html