第第2 2课课 半导体变流技术半导体变流技术晶闸管晶闸管学习目的：学习目的： 1、了解晶闸管的结构、符号和伏安特性；、了解晶闸管的结构、符号和伏安特性； 2、理解晶闸管的工作原理，掌握晶闸管导通、理解晶闸管的工作原理，掌握晶闸管导通和关断的条件。和关断的条件。学习内容：学习内容： 一、晶闸管的结构和工作原理；一、晶闸管的结构和工作原理； 二、晶闸管的特性；二、晶闸管的特性； 三、晶闸管的主要参数。三、晶闸管的主要参数。第第2 2课课 半导体变流技术半导体变流技术晶闸管晶闸管 什么是半导体变流技术？什么是半导体变流技术？ 利利用用电电力力半半导导体体器器件件把把电电能能进进行行变变换换的的技技术术。也也称电力半导体变流技术称电力半导体变流技术。 半半导导体体变变流流技技术术是是电电力力电电子子学学科科的的主主要要骨骨干干技技术术。从从机机电电一一体体化化、数数控控等等专专业业的的培培养养目目标标出出发发，只只能能把把最最基基础础部部分分，突突出出变变流流器器进进行行学学习习，为为学学习习后续内容打下基础。后续内容打下基础。第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理 晶晶闸闸管管就就是是硅硅晶晶体体闸闸流流管管的的简简称称( (又又称称可可控控硅硅) )。晶晶闸闸管管是是普普通通晶晶闸闸管管、双双向向晶晶闸闸管管、可可关关断断晶晶闸闸管管和和逆导晶闸管逆导晶闸管等电力半导体器件的总称。等电力半导体器件的总称。一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构螺栓式螺栓式平板式平板式按外形分类按外形分类（有二种）：（有二种）：1 1、分类、分类第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构2 2晶闸管的晶闸管的外部外部结构结构螺栓式螺栓式平板式平板式阳极A阴极K门极G一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构3 3晶闸管的晶闸管的内部内部结构结构第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理 当当晶晶闸闸管管上上加加的的电电压压与与上上述述极极性性相相反反时时，晶晶闸闸管管承承受受反反向向阳阳极极电电压压，此此时时虽虽然然中中间间的的PNPN结结J J2 2承承受受正正向向电电压压，但但两两端端的的PNPN结结J J1 1 和和J J3 3承承受受反反向向电电压压，晶晶闸闸管管也也不不能能导导通，称为通，称为反向阻断状态反向阻断状态。第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 当当晶晶闸闸管管上上加加的的电电压压使使其其阳阳极极A的的电电位位高高于于阴阴极极K的的电电位位时时，晶晶闸闸管管承承受受正正向向阳阳极极电电压压。但但中中间间PN结结的的J2承承受受反反向向电电压压，所所以以晶晶闸闸管管不不能导通，能导通，称为称为正向阻断状态；正向阻断状态； 第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 晶闸管的阳极与阴极之间加正向阳晶闸管的阳极与阴极之间加正向阳极电压，同时在门极极电压，同时在门极G与阴极与阴极K之间再之间再加正向门极电压时，晶闸管会由阻断状加正向门极电压时，晶闸管会由阻断状态转为导通状态。这表明，在晶闸管承态转为导通状态。这表明，在晶闸管承受正向电压情况下，受正向电压情况下，门极对其导通与否门极对其导通与否有控制作用有控制作用。导通后的晶闸管压降很小导通后的晶闸管压降很小。第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 晶闸管一旦导通后，不论门极是否晶闸管一旦导通后，不论门极是否继续加正向电压，甚至门极与阴极之间继续加正向电压，甚至门极与阴极之间改加反向门极电压，均不影响其导通状改加反向门极电压，均不影响其导通状态，也不影响晶闸管中阳极电流的大小。态，也不影响晶闸管中阳极电流的大小。即即晶闸管导通后门极便失去了控制作用晶闸管导通后门极便失去了控制作用。 第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 晶闸管承受反向电压时，门极与阴晶闸管承受反向电压时，门极与阴极之间不论加何种极性的电压，均不能极之间不论加何种极性的电压，均不能使晶闸管由关断转变为导通。使晶闸管由关断转变为导通。 晶闸管导通后的阳极电流晶闸管导通后的阳极电流Ia若减小若减小到某一数值以下，或再加上反向阳极电到某一数值以下，或再加上反向阳极电压时，晶闸管才能由导通状态转变为关压时，晶闸管才能由导通状态转变为关断。断。第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 晶闸管为什么晶闸管为什么会有这样的特会有这样的特性呢性呢? 第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理由于由于BG1和和BG2所构成的正反馈作所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极控制极G的电流消失了，可控硅仍的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的。所以这种可控硅是不可关断的。由于可控硅只有导通和关断两种工由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化。种特性需要一定的条件才能转化。 第一节第一节 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理晶闸管（晶闸管（可控硅）导通和关断条件可控硅）导通和关断条件 状状 态态条条 件件说说 明明从关断到导通从关断到导通 1、阳极电位高于是阴极电位、阳极电位高于是阴极电位2、控制极有足够的正向电压和电流、控制极有足够的正向电压和电流 两者缺一不可两者缺一不可 维持导通维持导通 1、阳极电位高于阴极电位、阳极电位高于阴极电位2、阳极电流大于维持电流、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可两者缺一不可从导通到关断从导通到关断 1、阳极电位低于阴极电位、阳极电位低于阴极电位2、阳极电流小于维持电流、阳极电流小于维持电流 任一条件即可任一条件即可 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 晶闸管阳极与阴极之间的阳极电压晶闸管阳极与阴极之间的阳极电压Ua与其与其阳极电流阳极电流Ia的关系，简称为的关系，简称为晶闸管伏安特性晶闸管伏安特性。第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 为了正确地选择和使用晶闸管，必须了解晶为了正确地选择和使用晶闸管，必须了解晶闸管的主要参数（教材第闸管的主要参数（教材第8-9页）页） 主要参数分类（主要参数分类（4类类）1晶闸管的电压参数 2晶闸管的电流参数 3晶闸管的门极参数4晶闸管的动态参数 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性一晶闸管的电压参数一晶闸管的电压参数 1 1、断态不重复峰值电压、断态不重复峰值电压U UDSMDSM 门门极极开开路路，晶晶闸闸管管额额定定结结温温时时，管管子子阳阳极极电电压压U Ua a。升升到到正正向向转转折折电电压压U UB0B0之之前前，即即管管子子正正向向漏漏电电流流开开始始急急剧剧增增大大，伏伏安安特特性性曲曲线线急急剧剧转转弯弯处处，此此时时对对应应的的阳阳极极电电压压称为断态不重复峰值电压称为断态不重复峰值电压U UDSMDSM。 第二节第二节 晶闸管的特晶闸管的特一晶闸管的电压参数一晶闸管的电压参数 2 2、反向不重复峰值电压、反向不重复峰值电压U URSMRSM 门门极极开开路路，晶晶闸闸管管承承受受反反向向电电压压时时，对对应应反反向向漏漏电电流流开开始始急急剧剧增增大大的的电电压压值值称为反向不重复峰值电压。称为反向不重复峰值电压。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性一晶闸管的电压参数一晶闸管的电压参数 3 3、断态重复峰值电压、断态重复峰值电压U UDRMDRM 取取断断态态不不重重复复峰峰值值电电压压的的9090定定义义为为断断态态重重复复峰峰值值电压电压U UDRMDRM第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性一晶闸管的电压参数一晶闸管的电压参数 4 4、反向重复峰值电压、反向重复峰值电压U URRMRRM 取取反反向向不不重重复复峰峰值值电电压压的的9090定定义义为为反反向向重复峰值电压重复峰值电压U URRMRRMo o 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性一晶闸管的电压参数一晶闸管的电压参数 5 5、额定电压、额定电压U UTNTN 通通常常取取断断态态重重复复峰峰值值电电压压U UDRMDRM和和反反向向重重复复峰峰值值电电压压U URRMRRM中中较较小小的的那那个个数数值值，并并按按标标准准电电压压等等级级取取整整数数，作作为该为该晶晶闸闸管的管的额额定定电压电压。 由由于于瞬瞬时时过过电电压压也也会会使使晶晶闸闸管管遭遭到到损损坏坏，因因而而应应选选用用晶晶闸闸管管的的额额定定电电压压为为其其正正常常工工作作峰峰值值电电压压的的2 23 3倍，作为安全裕量。倍，作为安全裕量。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性一晶闸管的电压参数一晶闸管的电压参数 6 6、通、通态态峰峰值电压值电压( (通通态态平均平均电压电压)Uvm)Uvm 晶晶闸闸管管通通以以额额定定通通态态平平均均电电流流，待待结结温温稳稳定定时时，阳阳极极与与阴阴极极之之间间电电压压降降的的平平均均值值定定义义为为通通态态平平均均电电压压UTmUTm，通常称，通常称为为管管压压降降。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 二晶闸管的电流参数二晶闸管的电流参数 1 1、通、通态态平均平均电电流流I ITaTa 在在环环境境温温度度为为+40+40和和规规定定冷冷却却条条件件下下，晶晶闸闸管管在在电电阻阻性性负负载载的的单单相相工工频频正正弦弦半半波波，导导通通角角不不小小于于1701700 0的的电电路路中中，当当结结温温稳稳定定并并不不超超过过额额定定结结温温时时，所所允允许许通通过过的的最最大大平平均均电电流流。称称为为该该晶晶闸闸管管的的额额定定电流电流。第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 二晶闸管的电流参数二晶闸管的电流参数 1 1、通、通态态平均平均电电流流I ITaTa 决决定定其其允允许许电电流流大大小小的的是是温度温度 影响晶闸管散热的因素：1晶闸管与散热器接触的紧密程度；2散热器的大小和冷却方式(自冷、风冷和水冷等)；3环境温度和冷却介质的温度等。当这些情况不同时，晶闸管允许通过的通态平均电流也不同。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 二晶闸管的电流参数二晶闸管的电流参数 (1) (1)通通态态平均平均电电流流I ITaTa 温温度度不不同同允允许许通通过过电电流流的的大小大小也不同。也不同。热热效效应应只只和和电电流流的的有有效效值值有关有关 不论流经晶闸管电流的波不论流经晶闸管电流的波形如何只要该电流的有效形如何只要该电流的有效值等于该管额定电流值等于该管额定电流I ITaTa的的有效值，管芯的发热就一有效值，管芯的发热就一样样.第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 二晶闸管的电流参数二晶闸管的电流参数 1 1、通、通态态平均平均电电流流I ITaTa 任一含有直流分量的电流波形都有以下几个参数：1、电流平均值ITa 2、电流的有效值I 3、波形系数Kf 第第2 2课课 半导体变流技术半导体变流技术晶闸管晶闸管三、晶闸管的主要参数三、晶闸管的主要参数 2 2晶闸管的电流参数晶闸管的电流参数 (1) (1)通通态态平均平均电电流流I ITaTa 平均电流平均电流I Itata有效值有效值I I为为 波形系数波形系数K Kf f I = 1.57 ITa第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 二晶闸管的电流参数二晶闸管的电流参数 2 2、维维持持电电流流J JH H 晶晶闸闸管管被被触触发发导导通通后后，在在室室温温和和门门极极开开路路条条件件下下，晶晶闸闸管管从从较较大大的的通通态态电电流流降降到到恰恰能能保保持持其其导导通通的的最最小阳极电流，称小阳极电流，称维持电流维持电流J JH H。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 三晶三晶闸闸管的管的门门极参数极参数 1 1、门门极触极触发电发电流流I IGTGT 室室温温下下，晶晶闸闸管管施施加加6V6V正正向向阳阳极极电电压压时时，使使其其完完全全开开通所必通所必需的最小需的最小门门极极电电流，称流，称为为门门极触极触发电发电流流。 2 2、门极触发电压、门极触发电压U UGTGT 对应于门极触发电流时的门极电压，称为对应于门极触发电流时的门极电压，称为门极触发电压门极触发电压U UGTGT。 通常为了保证晶闸管可靠的触发，加在门极上电压的幅值通常为了保证晶闸管可靠的触发，加在门极上电压的幅值要比要比U UGTGT大几倍。大几倍。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 四晶闸管的动态参数四晶闸管的动态参数 1 1、断、断态电压临态电压临界上升率界上升率dududt dt 在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路条条件件下下，使使器器件件从从断断态态转转为为通通态态的最低的最低电压电压上升率，一般用每微秒若干伏表示。上升率，一般用每微秒若干伏表示。 2 2、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率dididtdt 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，称为通态电流临界上升率称为通态电流临界上升率dididtdt 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 四晶闸管的动态参数四晶闸管的动态参数 3 3、门门极控制的开通极控制的开通时间时间t tgtgt 晶晶闸闸管管门门极极引引入入触触发发电电流流后后，要要经经过过一一段段时时间间才才能能导导通，通，这这段段时间时间称称为门为门极控制的开通极控制的开通时间时间t tgtgt简简称称为为开通开通时间时间 为为了了缩缩短短开开通通时时间间和和使使触触发发导导通通时时刻刻更更加加准准确确，可可以以使使用用实实际际触触发发电电流流的的幅幅值值比比规规定定触触发发电电流流大大3 35 5倍倍的的窄脉冲触发。这种触发方式称为强触发。窄脉冲触发。这种触发方式称为强触发。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 四晶闸管的动态参数四晶闸管的动态参数 4 4、关断、关断时间时间t tq q 从从阳阳极极电电流流t tq q降降到到零零时时起起，到到晶晶闸闸管管开开始始有有能能力力再再一一次次承承受受规规定定的的断断态态电电压压为为止止的的时时间间间间隔隔，称称为为关关断断时时间间t tq q ，它它可可达达100s100s以上。以上。 完完