晶闸管特性及应用教学课件PPT.ppt

1、教学单元一教学单元一 电气工程系电气工程系课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化第一节第一节 功率二极管功率二极管第二节第二节 晶闸管晶闸管教学内教学内容容课课程程单单元元晶闸管的认知晶闸管的认知课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 现将一种半导体基片（N型或P型）通过扩散或合金工艺，在其上形成相反导电类形，这两部分即形成PN结。PN结形成原理，P区的空穴扩散到N区，N区中的电子扩散到P区，在交界面出现空间电荷区，形成由N区指向P区的内电场。内电场阻止多子继续扩散同时又帮助少子向各

2、自对方漂移，在一定温度下，扩散与漂移达到动态平衡，空间电荷达到稳定值。第一节第一节 功率二极管功率二极管课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化功率二极管的伏安特性，当外加正向电压大于（门槛电压）即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到UB（击穿电压），使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流剧增，导致二极管击穿损坏。用于工频整流的功率二极管亦称整流管，国产型号为P，主要参数说明如下：（

3、1）额定正向平均电流F（额定电流）指管子长期运行在规定散热条件下，允许流过正弦半波时的最大平均电流，将此电流值配规定系列的电流等级即为管子的额定电流。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 F受发热限制，因此在使用中按有效值相等来选取管子电流定额。对应额定电流F，其有效值为1.57F。（2）反向重复峰值电压（额定电压）指管子反向能重复施加的最高峰值电压，此值通常为击穿电压B的23。（3）正向平均电压F在规定条件下，管子流过额定正弦半波电流时，管子两端的正向平均电压亦称管压降，此值比直流压降小。（4）反向漏电流对应于反向重复峰值电压时的漏电

4、流。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化系列参数。由于工作于工频，故动态参数不标出。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化开关二极管可分四种工作状态：静态为正向导通和反向阻断，动态为开通过程和关断过程。二极管工作状态转换的特性称为开关特性，现将关断特性与开通特性分析如下：（1）关断特性，开关二极管转换电路，当S从“1”位置立即倒向“2”时，由于PN结内存在大量载流子需要排除和复合，所以反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，在未恢复阻断之前二极管相当于短路状态。其关断过程，t f时刻开

5、关倒向“2”，导通的二极管突加反压UR，正向电流以difd t的速率减小，to时二极管电流降为零，电流变化率的大小为URL，L为电路电感。t1时结内Q l电荷已被抽走，反向电流达最大课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化值IRM，在此以前二极管仍为正偏，t l时刻后管子开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小，其d i r rd t值较大，在电感L中产生较高电动势，此电动势与电源电压叠加，使二极管承受很高的反向电压URM。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化（2）开通特性当图a开关从

6、“”突然倒向“”时，必须先将原先变厚的空间电荷释放，当正向电压上升到门槛电压UTO以上时，结才会有正向电流流过，二极管的开通特性，在开通过程中，二极管两端会出现几伏到几十伏的正向峰值电压f p,它比稳态的管压降大得多，且需要经过开通时间（正向恢复）t f r后才恢复正常，因此限制了正向电流上升率和开关速度。通常正向恢复时间t f r比反向恢复时间t r r小。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化第二节第二节 晶闸管晶闸管 2.3 晶晶闸闸管的主要管的主要参数参数 2.2 晶晶闸闸管的基本特性管的基本特性 2.1 晶晶闸闸管的管的结构与结

7、构与工作原理工作原理 2.4 晶晶闸闸管的管的检测检测及判及判别别方法方法 2.5 晶晶闸闸管的派生器件管的派生器件课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与平板式。晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。图a为小电流塑封式，电流稍大时也需紧固在散热板上，图b、c为螺栓式，使用时必须紧栓在散热器上，图d为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。2.1 晶晶闸闸管的管的结构与结构与工作原理工作原理一、晶闸管的结构一、晶闸管的

8、结构课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化晶闸管晶闸管实物实物图图课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化常用晶闸管的外形常用晶闸管的外形螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化晶闸管散热器，图a适用于螺栓式，图b、c用于平板式。平板式两面散热效果好，电流在200以上的管子都采用平板式结构。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化管芯由

9、四层半导体（P1 N1 P2 N2）组成,形成三个PN结（1、2、3）。阳极阳极阴极阴极门极门极晶闸管的结构二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管1（112）与V2（N122）的组成。PNPPNPNPNNPN课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化外加反向电压外加反向电压（UA UK）（1-4）开通（门极触发）开通（门极触发）：在晶闸管门极加正向触发脉冲。：在晶闸管门极加正向触发脉冲。课程单元一课程

10、单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 门极触发注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致门极触发注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 1+2 趋趋近于近于1，流过晶闸管的电流，流过晶闸管的电流 IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。导通。UAK 很小（很小（1V左右）左右）IA实际由外电路决定。实际由外电路决定。一管基极电流能维持另一管的饱和，此时除去门极正向电压晶闸一管基极电流能维持另一管的饱和，此时除去门极正向电压晶闸管仍导通。管仍导通。（不可控）（不可控）)(121CBO2CBO1G2AIIII课程

11、单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化晶闸管通断规律晶闸管通断规律 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。（反向阻断反向阻断）承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断正向阻断状态。状态。承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（开通。（正向导通正向导通）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（半控半控）。）。要

12、使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流维持电流IH）以下）以下。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温较高结温较高 以上三种情况，因不易控制，难以应用于实践以上三种情况，因不易控制，难以应用于实践 光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发 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光触发可以保证控制电路与主电路

13、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。高压电力设备中，称为光控晶闸管。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段靠的控制手段其他几种可能导通的情况：其他几种可能导通的情况：课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 1 1、晶闸管的导通、关断实验、晶闸管的导通、关断实验v 由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（

14、触发电路）。发电路）。（a）(b)(c)课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化实验实验顺序顺序实验前实验前灯的情灯的情况况实验时晶闸管条件实验时晶闸管条件实验后实验后灯的情灯的情况况结论结论阳极电压阳极电压U UA A门极电压门极电压U UG G导导通通实实验验1 1暗暗反向反向反向反向暗暗晶闸管在反向阳极电压作晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何电压，用下，不论门极为何电压，它都处于关断状态。它都处于关断状态。2 2暗暗反向反向零零暗暗3

15、 3暗暗反向反向正向正向暗暗1 1暗暗正向正向反向反向暗暗晶闸管在正向阳极电压与晶闸管在正向阳极电压与正向门极电压的共同作用正向门极电压的共同作用下，才能导通。下，才能导通。2 2暗暗正向正向零零暗暗3 3暗暗正向正向正向正向亮亮关关断断实实验验1 1亮亮正向正向正向正向亮亮已导通的晶闸管在正向阳已导通的晶闸管在正向阳极作用下，门极失去控制极作用下，门极失去控制作用。作用。2 2亮亮正向正向零零亮亮3 3亮亮正向正向反向反向亮亮4 4亮亮正向（逐正向（逐渐减小到渐减小到接近于零）接近于零）任意任意暗暗晶闸管在导通状态时，当晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零阳极电压减小到接近于零时，晶

16、闸管关断。时，晶闸管关断。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化v 2、实验说明、实验说明v 3、实验结论、实验结论 通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件:（1）晶闸管主电路加正向电压。）晶闸管主电路加正向电压。（2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。）晶闸管控制电路加合适的正向电压。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值

17、以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。方法来实现。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化晶闸管伏安特性，当g=0晶闸管正向电压a增大到正向转折电压BO前，器件处于正向阻断状态，其正向漏电流随a电压增高而逐渐增大，当a达到BO时管子突然从阻断状态转为导通，导通后器件的特性与整流二极管正向伏安特性相似。晶闸管加反向阳极电压时，只流过很小的反向漏电流，当反向电压升高到RO时管子反向击穿损坏，RO称为反向击穿电压。2.2 晶晶闸闸管的基本特性管的基本特性一、晶闸管的伏安特性（静态特

18、性）一、晶闸管的伏安特性（静态特性）课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化第一象限第一象限正向特性正向特性第三象限第三象限反向特性反向特性课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 IG=0时，器件两端施加正向电压，时，器件两端施加正向电压，正向阻正向阻断断状态，只有很小的正向漏电流流过，正状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即向电压超过临界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件则漏电流急剧增大，器件开通。开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降

19、低随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右左右 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为称为维持电流维持电流。1 1、正向特性、正向特性课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化2 2、反向特性、反向特性 晶闸管上施加反向电压时，晶闸管上施加反向

20、电压时，伏安特性类似二极管的反向伏安特性类似二极管的反向特性。特性。晶闸管处于反向阻断状态时，晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。热损坏。晶闸管的伏安特性课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化二、晶闸管的门极伏安特性二、晶闸管的门极伏安特性 门极电流门极电流 I IG G 与门极和阴极之间与门极和阴极

21、之间电压电压U UGKGK的关系。的关系。晶闸管的门极和阴极之间是晶闸管的门极和阴极之间是PNPN结结J J3 3，其伏安特性称为，其伏安特性称为门极伏安特门极伏安特性性。门极触发电流也往往是通过触发门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。电压而产生的。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化极限高阻伏安特性极限低阻伏安特性IFGM：门极正向峰值电流：门极正向峰值电流 UFGM：门极正向峰值电压：门极正向峰值电压IGT：门极触发电流：门极触发电流 UGT：门极触发电压：门极触发电压

22、IGD：门极不触发电流：门极不触发电流 UGD：门极不触发电压：门极不触发电压 PG：平均功率：平均功率 PGM：瞬时最大功率：瞬时最大功率可靠触发区可靠触发区不触发区不触发区不可靠触发区不可靠触发区为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。门极参数a晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极伏安特性课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化三、晶闸管的动态特性三、晶闸管的动态特性开通过程开通过程关断过程关断过程动态参数动态参数 课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作

23、”一体化1 1、开通过程、开通过程延迟时间延迟时间t td d：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间上升时间上升时间t tr r：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间开通时间开通时间tgt以上两者之和，以上两者之和，tgt=td+tr 普通晶闸管延迟时间为普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升，上升时间为时间为0.53 s课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化2 2、关断过程、关断过程正向阻断恢复正向阻断恢复时间时间t tgrgr：晶闸：晶闸管要恢复其对管要恢复其对正向电压的阻正向电压的阻断能力还需要断

24、能力还需要一段时间一段时间反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr：正向电流降为零到反向：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间恢复电流衰减至接近于零的时间课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作分恢复其对正向电压的阻断能

25、力，电路才能可靠工作关断时间关断时间tq：trr与与tgr之和，即之和，即 tq=trr+tgr （1-6）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化3 3、动态损耗、动态损耗导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成形成断态损耗断态损耗这两部分属于这两部分属于静态损耗静态损耗课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗 在

26、器件开通或在器件开通或关断的转换过关断的转换过程中产生程中产生开通开通损耗损耗和和关断损关断损耗耗，是，是动态损动态损耗耗 还有还有扩展损耗扩展损耗和和过渡损耗过渡损耗，也是也是动态损耗动态损耗 课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件通态损耗是器件功率损耗的主要成因功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，器件开关频率较高

27、时，开关损耗开关损耗会随之增大而可能成为器件会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素功率损耗的主要因素 课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 2.3 晶晶闸闸管的主要管的主要参数参数一、电压参数一、电压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23倍。使用注意：使用注意：断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值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时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。峰值电压。反向重复峰值电

28、压反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值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时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。峰值电压。1 1、额定电压、额定电压UTn课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化Tm(2 3)nUUUm工作电路中夹工作电路中夹在管子上的最大在管子上的最大瞬时电压值瞬时电压值T(2 3)2220622933nUV所以取7001000V的管子均可。相反过程也应会计算。例：单相半波整流电路，电源电压有效值为220V，选择晶闸管。晶闸管额定电压的选择晶闸管额定电压的选择课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应

29、用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化2 2、通态平均电压、通态平均电压UT(AV)在规定环境温度、标准散热条件下，在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又又称管压降称管压降)表表1.3 1.3 晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组 组别组别ABC通态平均电压（通态平均电压（V V）T0.40.4T 0.50.5T 0.6组别组别DEF通态平均电压（通态平均电压（V V）0.6T 0.70.7T 0.80.8T 0.9组别组别GHI

30、通态平均电压（通态平均电压（V V）0.9T 1.01.0T 1.11.1T 1.2在实际使用中，在实际使用中，从减小损耗和元从减小损耗和元件发热来看，应件发热来看，应选择选择T(AV)T(AV)小的小的晶闸管。晶闸管。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化二、电流参数二、电流参数1 1、通态平均电流、通态平均电流 IT(AV)（额定电流）（额定电流）晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温不超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过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流最大工频正弦半

31、波电流的平均值。的平均值。决定晶闸管容许电流大小的是温度，即管芯决定晶闸管容许电流大小的是温度，即管芯PN结的温度。结的温度。造成发热的原因是损耗。主要是造成发热的原因是损耗。主要是通态损耗通态损耗，希望正向压降小，希望正向压降小些；其次是断态损耗，希望些；其次是断态损耗，希望IDRM和和IRRM小些；还有开关损耗，工小些；还有开关损耗，工作频率要加以考虑；门极损耗通常较小。作频率要加以考虑；门极损耗通常较小。晶闸管正向电流愈大，晶闸管正向电流愈大，通态损耗通态损耗愈大愈大。晶闸管额定电流以通态平均电流来标定。晶闸管额定电流以通态平均电流来标定。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性

32、及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化电流平均值与电流有效值的比较电流平均值与电流有效值的比较电流平均值电流平均值：各种直流分量（成分）的电流波形都有一个电流：各种直流分量（成分）的电流波形都有一个电流 平均值平均值平均值计算方法：一个周期内电流波形面积的平均值计算方法：一个周期内电流波形面积的平均平均电流平均值是电流平均值是直流电流表直流电流表的读数值的读数值电流有效值电流有效值：各种直流分量（成分）的电流波形也有一个电流各种直流分量（成分）的电流波形也有一个电流 有效值有效值平均值计算方法：一个周期内电流波形的平均值计算方法：一个周期内电流波形的均方根均方根电流有效值是电流有效值是

33、发热成比例发热成比例关系关系有效值相等有效值相等发热相同发热相同电流波形不同，平均值和有效值的关系也不一样。因此要进行电流波形不同，平均值和有效值的关系也不一样。因此要进行换算换算。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化电流平均值与电流有效值的计算电流平均值与电流有效值的计算以正弦半波为例以正弦半波为例有效值：有效值：2)()(2120mmItdtSinII平均值：平均值：mmAVTdItdtSinIII0)()(21均方根均方根波形系数：波形系数：fK有效值有效值平均值平均值57.122)(mmAVTfIIIIK课程单元一课程单元一 晶

34、闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化电流平均值与电流有效值的换算电流平均值与电流有效值的换算额定波形（正弦半波）条件下的电流有效值：额定波形（正弦半波）条件下的电流有效值：I额定额定=1.57 IT（AV）某种波形的电流有效值：某种波形的电流有效值：I=Kf Id有效值相等：有效值相等：Kf Id =1.57IT（AV）)(57.1AVTfdIKI 课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化晶闸管额定电流的选择晶闸管额定电流的选择IT（AV）：晶闸管的额定电流（通态平均电流）：晶闸管的额定电流（通态平均电流）

35、ITn：晶闸管额定有效电流（此值制造厂不提供）：晶闸管额定有效电流（此值制造厂不提供）ITm：晶闸管所处电路中最大电流有效值：晶闸管所处电路中最大电流有效值I Tn=1.57 IT（AV）ITnITm不论流过管子波形如何、导通角多不论流过管子波形如何、导通角多大，只要其最大电流有效值大，只要其最大电流有效值ITn小于小于管子流过的最大有效电流管子流过的最大有效电流ITn，散热，散热冷却符合规定，则晶闸管的发热与冷却符合规定，则晶闸管的发热与温升就能限制在允许范围内温升就能限制在允许范围内注意事项：注意事项：应留一定的裕量，应留一定的裕量，一般取一般取1.51.52 2倍倍1.57 IT（AV）

36、=ITn（1.52）ITm IT（AV）（1.52）1.57TmI课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化计算中常用的积分式：计算中常用的积分式：CuSinuduuSin241212用于有效值计算：用于有效值计算：CCosuduSinu用于平均值计算：用于平均值计算：课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化矩形波有效值：矩形波有效值：NItdIImNm202)(21矩形波平均值：矩形波平均值：NItdIImNmd20)(21周期的周期的 N1周期的周期的 N1课程单元一课程单元一 晶闸管

37、特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化2 2、维持电流、维持电流 IH 在标准室温且门极断开时，管子从较大通态电流降到刚能保持导在标准室温且门极断开时，管子从较大通态电流降到刚能保持导通的最小阳极电流。通的最小阳极电流。额定电流大的管子其额定电流大的管子其IH值亦大值亦大一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小越小同型号的管子其同型号的管子其IH各不相同，各不相同，IH大的管子容易关断大的管子容易关断3 3、擎住电流、擎住电流 IL(掣住电流）掣住电流）晶闸管加上触发脉冲使其开通的过程中，当脉冲消失此时要保

38、晶闸管加上触发脉冲使其开通的过程中，当脉冲消失此时要保持管子维持导通所需的最小阴极电流。持管子维持导通所需的最小阴极电流。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最小电流对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的2 24 4倍倍使晶闸管维持导通使晶闸管维持导通所必需的最小电流所必需的最小电流如管子在开通过程中阳极如管子在开通过程中阳极电流电流Ia尚未上升到尚未上升到IL，当触，当触发脉冲去除后管子又会恢发脉冲去除后管子又会恢复阻断复阻断课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力

39、电子技术任务驱动“教、学、作”一体化三、晶闸管的门极参数三、晶闸管的门极参数1 1、门极触发电流、门极触发电流 IGT IGT是在室温下，阳极电压直流是在室温下，阳极电压直流6V6V时使晶闸管由断态转入通态时使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。所必需的最小门极电流。2 2、门极触发电压、门极触发电压 UGT UGT是产生门极触发电流是产生门极触发电流 的最小门极电压的最小门极电压。由于晶闸管门极伏安特性的由于晶闸管门极伏安特性的分散性分散性很大，标准只规定了很大，标准只规定了IGT和和UGT的下限，使用时应注意产品合格证上所列的实测数值。并大于的下限，使用时应注意产品合格证上所列的实测

40、数值。并大于此值，但不应超过其峰值此值，但不应超过其峰值 IFGM和和UFGM。门极平均功率。门极平均功率 PG（AV）和和峰值功率峰值功率 PGM也不应超过规定值。也不应超过规定值。晶闸管门极伏安特性 在实际使用时，多采用脉冲电流来触发，因此触发脉冲电流在实际使用时，多采用脉冲电流来触发，因此触发脉冲电流幅值允许可达幅值允许可达5 5倍的常规触发电流来进行触发。倍的常规触发电流来进行触发。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化四、晶闸管的动态参数四、晶闸管的动态参数1 1、开通时间、开通时间 tgt普通晶闸管的普通晶闸管的tgt在在6

41、6s左右，快速晶闸管可达左右，快速晶闸管可达1 1s.开通时间与门极触发脉冲前沿上升的陡度与幅值的大小、器件的结温、开通时间与门极触发脉冲前沿上升的陡度与幅值的大小、器件的结温、开通前的电压、开通后的电流以及负载电流的时间常数（开通前的电压、开通后的电流以及负载电流的时间常数（L/RL/R）有关，电）有关，电感性负载时可达几十至几百微妙。感性负载时可达几十至几百微妙。为了缩短开通时间常采用触发脉冲前沿陡、幅度大的窄脉冲，称强脉冲为了缩短开通时间常采用触发脉冲前沿陡、幅度大的窄脉冲，称强脉冲2 2、开通时间、开通时间 tqtq与管子结温、关断前阳极电流及所加反压的大小有关与管子结温、关断前阳极电

42、流及所加反压的大小有关普通晶闸管的普通晶闸管的tq约在几十至几百微妙，用于工频电路完全不考虑开约在几十至几百微妙，用于工频电路完全不考虑开关时间；当工作在中频或高频时，必须选用快速晶闸管，其关断时关时间；当工作在中频或高频时，必须选用快速晶闸管，其关断时间可短至间可短至1 1s。晶闸管动态特性晶闸管动态特性课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化3 3、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率du/dtdu/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

43、升率。态转换的外加电压最大上升率。在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的个电容的J J2 2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J J3 3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管电电流足够大，就会使晶闸管误导通误导通。4 4、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率di/dtdi/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指在规定条件下，晶

44、闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏损坏。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化三、国产晶闸管的型号三、国产晶闸管的型号按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化如如KP1

45、0012GKP10012G表示额定电流为表示额定电流为100A100A，额定电压为，额定电压为1200V1200V，管，管压降（通态平均电压）为压降（通态平均电压）为1V1V的普通型晶闸管。的普通型晶闸管。有的制造厂采用老型号有的制造厂采用老型号3CT3CT。如。如3CT1003CT100800800表示额表示额定电流为定电流为100A100A，额定电压为，额定电压为800V800V的可控硅整流元件，即现在定的可控硅整流元件，即现在定名的晶闸管。名的晶闸管。3CTK3CTK为快速管，为快速管，3CTS3CTS为双向管。为双向管。晶闸管型主要特性参数。晶闸管型主要特性参数。课程单元一课程单元一

46、晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化指由于电指由于电路异常情路异常情况引起的况引起的并使结温并使结温超过额定超过额定结温的不结温的不重复性最重复性最大正向过大正向过载电流载电流课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化1.1.按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压UTM的的23倍来选择倍来选择晶闸管的额定电压，即晶闸管的额定电压，即 UTn=(2=(23)3)UTM (1-3)(1-3)2.2.按电流有效值相等的原则进行换算，选择晶闸管的额定电流即按电流有效值相等的原则

47、进行换算，选择晶闸管的额定电流即 IT=1.57 I T(AV)I T(AV)=IT/1.57/1.57 由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取(1.5(1.52)2)的安全裕量，的安全裕量，即即 I T(AV)=(1.5=(1.52)2)ITm/1.57/1.57选用晶闸管的原则选用晶闸管的原则课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化 例例1-1 1-1 一晶闸管接在一晶闸管接在220V220V交流回路中，通过器件的电流有效值为交流回路中，通过器件的电流有效值为100A100A，问选择什么型号的晶闸管

48、，问选择什么型号的晶闸管?解解:选择晶闸管额定电压选择晶闸管额定电压U UTnTn=(2=(23)3)U UTM TM=(2=(23)3)220V=622220V=622933V933V 按晶闸管参数系列取按晶闸管参数系列取800V800V，即，即8 8级级。选择晶闸管的额定电流选择晶闸管的额定电流 I I T(AV)T(AV)=(1.5=(1.52)2)I IT T/1.57/1.57 =(1.5 =(1.52)2)100/1.57=95100/1.57=95127A127A 按晶闸管参数系列取按晶闸管参数系列取100A100A。所以选取晶闸管型号所以选取晶闸管型号KPl00-8EKPl00

49、-8E。课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化例例1-2 1-2 现有晶闸管型号为现有晶闸管型号为KP50-7KP50-7，用于某电路中时，流过的电流，用于某电路中时，流过的电流波形如图所示，试求波形如图所示，试求I Im m允许多大允许多大?解：解：KP50-7KP50-7晶闸管允许流过的晶闸管允许流过的电流有效值为电流有效值为 I IT T=1.57=1.57 I I T(AV)T(AV)=1.57=1.5750A=78.5A50A=78.5A实际流过该管的电流有效值实际流过该管的电流有效值 当考虑当考虑2 2倍的安全余量时，倍的安全

50、余量时，I Im m的允许值为的允许值为3)(21m3/202mItdIIA68A25.783mI 流过晶闸管的电流波形流过晶闸管的电流波形课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化例题：例题：220V交流输交流输入单相半波可控整入单相半波可控整流电路带流电路带40W白炽白炽灯，确定晶闸管型灯，确定晶闸管型号。号。220V220V 课程单元一课程单元一 晶闸管特性及应用晶闸管特性及应用电力电子技术任务驱动“教、学、作”一体化解：步骤一：单相半波可控整流电路中，晶闸管可能承受的最大电压：222220311TMUUVV考虑23倍余量：(2 3)(