晶闸管

nullnull 晶闸管 1.晶闸管基础知识2.可控整流电路4.晶闸管的保护3.相控整流电路的驱动控制引言6.晶闸管的派生器件5.晶闸管的串并联引言■ 晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器 （Silicon Controlled Rectifier——SCR），以前被简称为可控硅。 ■ 1956年美国贝尔（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到 1957年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。 ■ 由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块引言1.晶闸管基础知识1.晶闸管基础知识1.1基本结构1.2工作原理1.4主要参数1.3伏安特性null1.1 基本结构G 晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。(c) 结构晶闸管的外形、结构及符号null晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合1.2 工作原理1.2 工作原理A 在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。形成正反馈过程KGEA > 0、EG > 0EGnull 晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导通状态。GEA > 0、EG > 0Knull晶闸管导通的条件： 1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件： 1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。null正向特性反向特性IG2 > IG1 > IG0 正向转折电压反向转折电压正向平均电流维持电流1.3 伏安特性1.4 主要参数1.4 主要参数UFRM:正向重复峰值电压（晶闸管耐压值） 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。 一般取UFRM = 80% UB0 。 普通晶闸管 UFRM 为100V — 3000Vnull如果正弦半波电流的最大值为Im, 则普通晶闸管IF为1A — 1000A。nullUF: 通态平均电压（管压降） 在的条件下，通过正弦半波平均电流时， 晶闸管阳、阴极间的电压平均值。 一般为1V左右。IH: 维持电流 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导 通状态所必须的最小电流。 一般IH为几十 ~ 一百多毫安。UG、IG：控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完 全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。 一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。null晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别 共九级, 用字母A~I表示0.4~1.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。2.可控整流电路2.可控整流电路以三相桥式全控整流电路为例■原理图 ◆阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。 ◆共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。 ◆晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 三相桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路■带电阻负载时的工作情况 ◆电路分析 ☞各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。 ☞当≤60时 √ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。 √=0时，ud为线电压在正半周的包络线。波形见图1 三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 √=30时，晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud平均值降低，波形见图2。 √=60时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。=60时ud出现了为零的点，波形见图3。 ☞当>60时 √因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。 √=90时的波形见图4。 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路◆三相桥式全控整流电路的一些特点 ☞每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。 ☞对触发脉冲的要求 √6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60 。 √共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120 。 √同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180 。 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路☞整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。 ☞在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲 √宽脉冲触发 ：使脉冲宽度大于60（一般取80~100） √双脉冲触发 ：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为20~30 。 √常用的是双脉冲触发。 ☞晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也一样。 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路■阻感负载时的工作情况 ◆电路分析 ☞当≤60时 √ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。 √区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。 √=0时的波形见图5，=30时的波形见图6。 ☞当>60时 √由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。 √=90时的波形见图7。 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路■基本数量关系 ◆带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。 ◆整流输出电压平均值 ☞带阻感负载时，或带电阻负载≤60时 ☞带电阻负载且>60时 (3-26)(3-27)三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路◆输出电流平均值为Id=Ud/R。 ◆当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图6中所示，为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为： ◆三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时的Id为： 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。 (3-28)(3-29)3.相控整流电路的驱动控制相控电路 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角a的大小来控制输出电压大小。交流电力变换电路和交交变频电路也采用晶闸管相控方式。 相控电路的驱动控制 为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲---同步触发电路。 3.相控整流电路的驱动控制null1、触发信号形式 交流、直流和脉冲。为减小门极损耗，一般为脉冲形式。2、触发脉冲应有足够功率（电压、电流）3、触发脉冲宽度 一般为 （m为整流器的相数），但为减小门极功耗，一般宜采用较窄脉冲。 触发脉冲最小宽度主要保证触发脉冲作用期间，晶闸管阳极电流能上升到擎住电流值上。综合考虑阳极电流断续、开通时间、串并联保护等因素，触发脉冲最小宽度约为：10°～15°。3.1晶闸管对可控整流电路的要求null宽脉冲：特点：1）脉冲变压器体积大； 2）脉冲前沿不陡； 3）α较大时，晶闸管承受反压时，门极仍有脉冲，反向漏电流增加，损耗大。窄脉冲：特点：1）脉冲变压器体积小； 2）多只晶闸管并联，在窄脉冲作用时间内可能某些管子不能开通，引起其他元件过载，可靠性差； 3）α较大时，负载电流很小时，阳极电流易断续，变流器可靠性差。 null4、强触发作用：1）脉冲前沿越陡，导通面积扩展速度越快； 2）晶闸管串并联时，保证晶闸管同时开通。 强触发形式：Ikm通常为Ik1的5倍。 t1：脉冲前沿时间，上升速度>0.5A/us; t2：强触发脉冲宽度>50us; t3：触发脉冲持续时间≥550us(10°)。 null常见的晶闸管触发电路■常见的晶闸管触发电路 ◆由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。 ◆当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。 ◆VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。 ◆为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。 null3.2 晶闸管触发电路的分类1、由分立元件构成的触发器1）同步电压为正弦波的触发电路； 2）同步电压为锯齿波的触发电路； 3）单结晶体管触发电路。2、由集成电路构成的触发器1）TC787---三相，TC785---单相； 2）KC系列。 3）数字触发器等。3、由可编程逻辑器件、微处理器、微控制器等构成的触发器 如DSP、单片机、FPGA等null同步信号为锯齿波的触发电路结构3.3 同步电压为锯齿波的触发电路锯齿波触发电路输出：窄脉冲（可以是双窄脉冲）； 主要环节：同步，锯齿波形成与移相， 脉冲形成与放大，双窄脉冲，强触发。null■同步环节 触发电路与主电路的同步是指要求锯齿波的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。 ----同步变压器（起隔离和同步作用） 锯齿波是由开关V2管来控制的：锯齿波触发电路■锯齿波的形成和脉冲移相环节 ◆锯齿波电压形成的较多，如采用自举式电路、恒流源电路等，本电路采用恒流源电路。 ◆恒流源电路方案由V1、V2、V3和C2等元件组成，其中V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路null☞V2开关的频率就是锯齿波的频率； ☞V2由导通变截止期间产生锯齿波——锯齿波起点基本就是同步电压由正变负的过零点。 ☞V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度——取决于充电时间常数R1C1。■脉冲形成与放大环节 ◆由晶体管V4、V5组成，V7、V8起脉冲放大作用。 ◆控制电压uco加在V4基极上 ☞电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。 ☞脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。锯齿波触发电路null双窄脉冲形成环节 锯齿波触发电路null强触发◆V5、V6构成一个“或”门 ☞当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出。 ☞只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。 ☞第一个脉冲由本相触发单元产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60的后一相触发单元产生（通过V6）。 ◆在三相桥式全控整流电路中，器件的导通次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，彼此间隔60，相邻器件成双接通，所以某个器件导通的同时，触发单元需要给前一个导通的器件补送一个脉冲。 锯齿波触发电路◆双脉冲电路：每个触发单元的一个周期内输出两个间隔60的脉冲的电路。null小结： 1）脉冲宽度：V5截止的时间---R11和C3； 2）移相范围： 锯齿波宽度：RP2、R1、C1； 3）控制角： Rp1、Rp2、uco； 4）在一个正弦周期中只发一次脉冲，且主要在正弦波的负半周。锯齿波触发电路null■触发电路的定相：触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。 ■触发电路的定相 ◆利用一个同步变压器保证触发电路和主电路频率一致。 ◆接下来的问是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确，关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。 3.4 触发电路的定相锯齿波触发电路null三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图◆分析三相全控桥 ☞VT1所接主电路电压为+ua，VT1的触发脉冲从0至180的范围为t1~t2。 ☞锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了的30线性度不好，舍去不用，使用中间的180，锯齿波的中点与同步信号的300位置对应。 ☞将=90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前向后各有90的移相范围。于是=90与同步电压的300对应，也就是=0与同步电压的210对应。 ☞=0对应于ua的30的位置，则同步信号的180与ua的0对应，说明VT1的同步电压应滞后于ua180。 ☞对于其他5个晶闸管，也存在同样的对应关系。 null◆ 下图给出了变压器接法的一种情况及相应的矢量图，其中主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结，同步电压选取的结果如下页表1所示，为防止电网电压波形畸变对触发电路产生干扰，可对同步电压进行R-C滤波，当R-C滤波器滞后角为60时，同步电压选取结果如下页表2所示。 同步变压器和整流变压器的接法及矢量图 null表1 三相全控桥各晶闸管的同步电压表2 三相桥各晶闸管的同步电压（有R-C滤波滞后60）nullKJ004电路原理图■集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，已逐步取代分立式电路。 ■ KJ004 ◆与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。3.5集成触发器null■完整的三相全控桥触发电路 ◆ 3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。 ◆ KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门，其作用是将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出。 ■模拟触发电路与数字触发电路 ◆模拟触发电路的优点是结构简单、可靠;缺点是易受电网电压影响，触发脉冲不对称度较高， 可达3~4，精度低。 ◆数字触发电路的脉冲对称度很好，如基于8位单片机的数字触发器精度可达0.7~1.5。null4.晶闸管的保护4.晶闸管的保护 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。 晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏； 晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。4.1 晶闸管的过流保护4.1 晶闸管的过流保护1. 快速熔断器保护 电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。与晶闸 管串联接在输入端接在输出端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。2. 过流继电器保护2. 过流继电器保护3. 过流截止保护 在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。 在交流侧设置电流电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。4.2 晶闸管的过压保护4.2 晶闸管的过压保护1. 阻容保护2. 硒堆保护 利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压 的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电 阻中消耗掉。 硒堆保护 (硒整流片)晶闸管元件 的阻容保护5.晶闸管的串并联图9-17 晶闸管的串联 a)伏安特性差异　b)串联均压措施■对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作，或者将电力电子装置串联或并联起来工作。 ■晶闸管的串联 ◆当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。 ◆静态不均压问题 ☞由于器件静态特性不同而造成的均压问题。 ☞为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压。 ◆动态不均压问题 ☞由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压问题。 ☞为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外还可以用RC并联支路作动态均压；对于晶闸管来讲，采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异。 Rp的阻值应比任何一个器件阻断时的正、反向电阻小得多5.晶闸管的串并联1.晶闸管的串联null■晶闸管的并联 ◆大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。 ◆晶闸管并联就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。 ◆均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，此外还可以采用均流电抗器；同样，用门极强脉冲触发也有助于动态均流。 ◆当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。 2.晶闸管的并联6.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。6.晶闸管的派生器件null2）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。图1-10 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 null逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）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。 图1-11 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 null光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）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。null三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路图1 三相桥式全控整流电路带电阻负载=0时的波形三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路图2 三相桥式全控整流电路带电阻负载=30时的波形三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路图3 三相桥式全控整流电路带电阻负载=60时的波形三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路图4三相桥式全控整流电路带电阻负载=90时的波形 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路图5三相桥式全控整流电路带阻感负载=0时的波形三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路图6 三相桥式全控整流电路带阻感负载=30时的波形三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路图7 三相桥式整流电路带阻感负载，=90时的波形