电力电子变流技术 第二讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32.

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1 电力电子变流技术 第二讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32

2 1.1 晶闸管的结构与工作原理 1.2 晶闸管的基本特性 1.3 晶闸管的主要参数 1.4 晶闸管的派生器件
第1章 晶闸管 1.1 晶闸管的结构与工作原理 1.2 晶闸管的基本特性 1.3 晶闸管的主要参数 1.4 晶闸管的派生器件

3 1.1晶闸管的结构与工作原理 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。 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。

4 1.1 晶闸管的结构与工作原理 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。
晶闸管的结构与工作原理 图1-1 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。

5 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 平板型晶闸管外形及结构

6 1.1 晶闸管的结构与工作原理 按晶体管的工作原理 ，得： （1-1） （1-2） （1-3） （1-4）
晶闸管的结构与工作原理 按晶体管的工作原理 ，得： （1-2） （1-1） （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 ： （1-5） 图1-2 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

7 1.1 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。
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。

8 1.1 晶闸管的结构与工作原理 其他几种可能导通的情况： 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
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 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。

9 1.2 晶闸管的基本特性 晶闸管正常工作时的特性总结如下： 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。
1.2 晶闸管的基本特性 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，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。 DATASHEET 晶闸管正常工作时的特性总结如下：

10 电力电子变流技术 第三讲 主讲教师：隋振　　　　　　　　　　　　　　　　学时：32

11 1.2 晶闸管的基本特性 1） 静态特性 （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，为正向阻断状态。
1.2 晶闸管的基本特性 1） 静态特性 （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，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。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 正向 导通 雪崩 击穿 O + U A - I H G2 G1 G = bo DSM DRM RRM RSM 图1-3 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG

12 1.2 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。
1.2 晶闸管的基本特性 （2）反向特性 正向 导通 雪崩 击穿 O + U A - I H G2 G1 G = bo DSM DRM RRM RSM 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。 图1-4 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG

13 1.2 晶闸管的基本特性 2） 动态特性 1) 开通过程 2) 关断过程 延迟时间td (0.5~1.5s)
1.2 晶闸管的基本特性 2） 动态特性 1) 开通过程 延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6） 2) 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

14 1.3 晶闸管的主要参数 1）电压定额 断态重复峰值电压UDRM 使用注意： 反向重复峰值电压URRM
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。 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。

15 1.3 晶闸管的主要参数 2）电流定额 通态平均电流 IT(AV） 维持电流 IH 擎住电流 IL 浪涌电流ITSM
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40C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。 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 。

16 晶闸管的主要参数 有效值相等的原则 正弦半波平均值 正弦半波有效值 比值

17 晶闸管的主要参数 有效值相等的原则 计算实际有效值 折算正弦半波平均值 2～５倍余量

18 1.3 晶闸管的主要参数 3）动态参数 断态电压临界上升率du/dt 通态电流临界上升率di/dt
晶闸管的主要参数 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。 ——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。 3）动态参数

19 1.4 晶闸管的派生器件 1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST) 有快速晶闸管和高频晶闸管。
1.4 晶闸管的派生器件 1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST) 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10s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。

20 1.4 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。 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 在第Ｉ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。 a) b) I O U G = T 1 2 图1-5 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

21 1.4 晶闸管的派生器件 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）
1.4 晶闸管的派生器件 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT） b) U O I G = 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。 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。 K G A a) 图1-6 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

22 1.4 晶闸管的派生器件 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）
1.4 晶闸管的派生器件 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT） 光强度 强 弱 b) O U I A 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 与控制电路之间的绝 缘，且可避免电磁干 扰的影响。 因此目前在高压大功 率的场合。 A G K AK a) 图1-7 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