第1章 晶闸管的串并联和保护解读
电力电子技术(第4版)第3讲 电力电子器件
电力电子技术
第1章：
电力电子器件
⑵ GTO的动态特性
iG
开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间 t s ，使等效晶体退出饱 和 。 下降时间 t f ，
O t
尾部时间 t —残存载流子复
t
iA IA 90%合。
10%IA 0
电力电子器件
③最大可关断阳极电流 I A T O ——GTO额定电流。 ④ 电流关断增益off ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电 流最大值IGM 之比称为电流关断增益。
o ff
I ATO I GM
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 电力电子技术
A 强 G K O U AK 光强度 弱
a)
b)
因此目前在高压大功率 的场合。
图1-10 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
电力电子技术
第1章：
电力电子器件
1.6
典型全控型器件
1.6.0 引言
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。
20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时 代。
第1章：
电力电子器件
1.6.2
术语用法：
电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为 巨型晶体管） 。
耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称 为Power BJT。 应用:
(完整版)《电力电子技术》第1章课后习题答案
1.1 晶闸管导通的条件是什么？由导通变为关断的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：u AK>0且u GK>0。
要使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
1.2晶闸管非正常导通方式有几种？（常见晶闸管导通方式有5种，见课本14页，正常导通方式有：门级加触发电压和光触发）答：非正常导通方式有：(1) Ig=0，阳极加较大电压。
此时漏电流急剧增大形成雪崩效应，又通过正反馈放大漏电流，最终使晶闸管导通；(2) 阳极电压上率du/dt过高；产生位移电流，最终使晶闸管导通(3) 结温过高；漏电流增大引起晶闸管导通。
1.3 试说明晶闸管有那些派生器件。
答：晶闸管派生器件有：（1）快速晶闸管，（2）双向晶闸管，（3）逆导晶闸管，（4）光控晶闸管1.4 GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？答:GTO和普通晶闸管同为PNPN 结构,由P1N1P2 和N1P2N2 构成两个晶体管V1、V2 分别具有共基极电流增益α1 和α２，由普通晶闸管的分析可得，α1 + α2 = 1 是器件临界导通的条件。
α1 + α2＞1 两个等效晶体管过饱和而导通；α1 + α2＜1 不能维持饱和导通而关断。
GTO 之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：1）GTO 在设计时α2 较大,这样晶体管T2 控制灵敏,易于GTO 关断;2)GTO 导通时α1 + α2 的更接近于l,普通晶闸管α1 + α2 ≥1.5 ,而GTO 则为α1 + α2 ≈1.05 ，GTO 的饱和程度不深,接近于临界饱和,这样为门极控制关断提供了有利条件;3)多元集成结构使每个GTO 元阴极面积很小, 门极和阴极间的距离大为缩短,使得P2 极区所谓的横向电阻很小, 从而使从门极抽出较大的电流成为可能。
晶闸管电路的保护与其他控制电路
晶闸管电路的保护与其他控制电路一、晶闸管保护电路1、主电路中的晶闸管保护电路晶闸管阳极、阴极两端或晶闸管电源输入端、输出端经常加设相关保护电路，以对晶闸管提供过电压、过电流等相关保护。
1）过电流保护产生过载的主要原因：负荷过载、线路短路、电源缺相、晶闸管本身击穿损坏或误触发等，因晶闸管元件体积小，过载时会造成结温过高而烧毁，所以必须严格限制过载电流，除控制（电子）电路实施的保护外，在主电路中经常采用在电源串入快速熔断器，对晶闸管的过载进行保护，在发生6倍晶闸管额定电流时，一个周波可以熔断。
此外，还可采用过电流继电器、直流快速断路器等用于过载和短路保护，但保护速度和效果不如快速熔断器。
快速熔断器的额定电流值为晶闸管电流平均值的1.25~1.5倍。
下图以直流调压电路为例，说明快速熔断器在主电路中的接法。
图1 快速熔断器在晶闸管主电路中的接法2）过电压保护产生过电压的原因一般因感性负载电路的开闭、电源电压波动、快速熔断器熔断、电源侧侵入的浪涌电压等，针对形成过电压的不同原因，可采取不同的抑制方法，如抑制过电压能量的上升速率、增加其能量的耗散等，目前最常用的是中主电路回路中接入吸收能量的元件，使能量得以耗散，称之为吸收回路或缓冲电路。
通常过电压具有较高的频率，因此常采用电容作为吸收元件，但为防止振荡，增加阻尼电阻，构成R、C吸收回路。
阻容吸收回路可以接在电源输入侧（交流侧）、输出侧（直流侧）和晶闸管的阳极和阴极之间。
但R、C阻容吸收回路的时间常数是固定的，对时间短、峰值高、能量大的过电压吸收能力有限，因而在输入侧，通常还并有硒堆、压敏电阻等非线性元件，用以对晶闸管的过电压进行吸收。
硒堆由多片硒片叠合而成，硒堆涌流容量大，对过电压抵制效果好，有自恢复特性等优点，但因体积大，价格高，在中、小容量的晶闸管装置中，已经很少应用。
压敏电阻的电压与电流呈非线性关系，当其两端所加电压低于压敏电压值时，压敏电阻的电阻值接近无穷大，为高阻状态，对连接电路没有影响；当压敏电阻两端电压高于压敏电压值时，迅速击穿导通（变为低阻状态），形成较大的泄放电流。
晶闸管课件PPT
V2
K
（1）控制极不加电压 时IG=0，尽管这时晶闸 管的阳极和阴极之间 加有正向电压，由于 V1没有基极电流输入， 因此V1和V2中只有很 小的漏电流，晶闸管 处于阻断状态。
A β1 I G V2 β1 β2 IG + UG － K S G IG V1 RA + UA －
0
π
2π
3π
t 4π ω
输出电压的平均值：
1 Uo = 2π
∫ 2U 2 sin ωtd(ωt )
π α
2U 2 = (1 + cos α ) 2π 1 + cos α = 0.45U 2 2
输出电流的平均值：
Io = Uo U 1 + cos α = 0.45 2 RL RL 2
晶闸管承受的最高正向和反向电压：
VT + u2 － iD VD RL － io + uo
L
2. 单相半控桥式整流电路
uo ，io uo
+ u1 －
+ u2 －
VT 1 a
VT 2 + RL b
io
0 uVT1
io
ωt
uo －
VD 1
VD2
0 uVT2
u2的正半周VT1和VD2承受正 向电压。这时如对晶闸管 VT1引入触发信号，则VT1和 VD2导通，电流通路为： a→VT1→RL→VD2→b 这 时 VT2 和 VD1 都 因 承 受 反 向电压而截止。
10.1.3 晶闸管的工作特性与主要参数
1.正向特性 正向特性 UAK>0，IG=0时，晶 闸管正 向阻断，对应特性曲线的0A 段。此时晶闸管阳极和阴极 之间呈现很大的正向电阻， 只有很小的正向漏电流。当 UAK增加到正向转折电压UBO 时，PN结J2 被击穿，漏电流 突然增大，从A点迅速经B点 跳到C点，晶闸管转入导通 状态。晶闸管正向导通以后 工作在BC段，电流很大而管 压降只有1V左右，此时的伏 安特性和普通二极管的正向 特性相似。
晶闸管
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。
2019年7月21日星期日
2019年7月21日星期日
4、强触发
ig
作用：1）脉冲前沿越陡，导通面积
Ikm 0.9Ikm
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。
Ik1
t1：脉冲前沿时间，上升速度>0.5A/us;
t1 t2 t3
t
t2：强触发脉冲宽度>50us;
t3：触发脉冲持续时间≥550us(10°)。
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3。值继续降低。=60时ud出现了为零的点，波形见图 ☞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。
2019年7月21日星期日
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 相√位6个依晶次闸差管60的 脉。冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，
第1章--电力晶体管和晶闸管
一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高， 则IH越小
3) 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。
IG2 > IG1 > IG =0
UBO UA
雪崩 击穿
图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
16
IA
四、晶闸管的阳极伏安特性
正向 导通
1) 正向特性
URSM URRM -UA
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻
断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向
J1 J2 J3
K
a)
b)
图1-2 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
K G
A c)
11
晶闸管的管耗和散热：
管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压
管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超 过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热 和冷却。
冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风 扇）、水冷
雪崩 击穿
UDSM
电电压流超急过剧临增界大极，限器即件开正通向。转折电压Ubo，则漏
-IA
图1-5 晶闸管的伏安特性
随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降
IG2>IG1>IG
低。
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1V左右。
晶闸管串并联技术及其参数的计算
晶闸管串并联技术及其参数的计算用于配电网的TSC或TCR的额定电压大于单个晶闸管的额定电压值，可以将晶闸管串联起来以满足电压要求。
3.2.1 晶闸管串联技术两个反极性晶闸管并联构成晶闸管级，由多个晶闸管级串联起来称为晶闸管串，作为幵关单元晶闸管串承受最大两倍的峰值线电压。
对于lOkV的配电线路的SVC并联电容器采用三角形连接，每相晶闸管串承受的最大电压为28.3kV。
晶闸管静态截止时，由于其漏电流不同，其漏电阻也不同，使晶闸管的端电压分布不均匀，造成静态均压问题。
晶闸管在关断和开通的过程中也存在动态均压问题。
各晶闸管反相恢复电荷不同，其关断时间也不同。
关断电荷少，关断时间短。
先关断的晶闸管会承担外加电源电压，造成动态电压不均。
各晶闸管的开通时间不一致，即使同时触发，开关时间短的元件先导通，于是全部正向电压都由其余尚未导通的晶闸管承担，如果动态均压不良。
可使其中某一晶闸管的正向电压超过转折电压，造成硬性转折，对元件是一种损伤。
所以每个晶闸管的性能和参数尽可能完全相同。
两个以上晶闸管级串联运行可以提高整体的工作电压，但需要解决静态和动态均压问题。
串联运行电压分配不均的因素主要有：1静态伏安特性对静态电压的影响；2关断电荷和开通时间等动态特性对均压的影响；3杂散电容对均压的影响。
在选择晶闸管元件时，尽量选择性能、参数完全一致的元件，采用强触发脉冲、光纤传输触发信号可以减小开通时间上的差异，可以有效改善开通过程中的动态均压问题。
若选择晶闸管阀两端电压为零时触发晶闸管，则不会出现开通过压问题。
多个晶闸管级串联后将电气和机械部件结合，包括所有连接线、辅件和机械结构，可与SVC的每一相的电抗器或电容器串联构成晶闸管阀。
TSC开关电路晶闸管阀每相一组的主电路如图3-4所示。
为避免晶闸管承受过电压或过电流应采取保护措施。
晶闸管元件过电流保护方法中常用的是快速熔断器，当电路出现过电流时，在晶闸管元件发生热击穿之前，快速熔断器迅速熔断，达到保护晶闸管的目的。
电力电子器件的串联和并联使用
2. IGBT的并联连接
(1)并联时的注意事项
应考虑栅极电路、线路布线、电流不平衡和器件之间的温度不平衡等问题。
(2)并联时的接线方法
在各模块的栅极上分别接上各模块推荐值的栅极电阻RG。栅极到各模块驱动级的配线长短及引线电感要相等，否则会引起各模块电流的分配不均匀，并会造成工作过程中开关损耗的不均匀。
器件并联后，必须降低电流的额定值使用，
晶闸管并联连接时
1应尽可能选择参数比较接近的晶闸管进行并联；
2触发脉冲的前沿要陡，触发脉冲的电流要大，使并联的各晶闸管开通时间之差要小。
3在安装时使各并联支路铜线长短相同，使各支路的分布电感和导线电阻相近。布线尽可能对称,以减少磁场的影响。
在晶闸管装置需要同时采取串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法。
控制回路的接线应使用双芯线或屏蔽线。
主电路需采用低电感接线。使接线尽量靠近各模块的引出端，使用铜排或扁条线，以尽可能降低接线的电感量。
[归纳小结]
1、晶闸管的串并联注意事项。
2、双极型功率晶体管的串并联注意事项。
[布置作业]
为什么有的电力电子器件不采用串联连接？
[课后预习]
三相半波可控整流电路
湖南省技工学校
理论教学教案
教师姓名：
学
科
变频
调速
执行记录
日期
星期
检查
签字
班级
节次
课题
电力电子器件的串联和并联使用
课的
类型
复习
教
学
目
的
掌握电力电子器件的串联和并联原理与使用注意事项。
教
学
重
点
电力电子器件的串联和并联原理与使用注意事项。
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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。
2018/11/26 电力电子技术 4
器件串联时，必须降低电压的额定值使用：
(0.8 ~ 0.9)nsUTN (2 ~ 3)U m
式中：ns 为串联器件数
UTN 为晶闸管额定电压 Um 作用于串联器件上的正反向峰值电压
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二. 过电流保护的一般方法
过电流——过载和短路两种情况 常用措施： 快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和 合理性
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电力电子技术
11
电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短 路时的部分区段的保护，直流快速断路器整 定在电子电路动作之后实现保护，过电流继 电器整定在过载时动作
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
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电阻均流
均流变压器
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器件并联时，必须降低电流的额定值使用：
(0.8 ~ 0.9)np IT ( AV ) (1.5 ~ 2.0)I
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第二节 晶闸管的保护
一. 晶闸管的过电流及其保护
晶闸管在规定的冷却条件下， 通过两倍通态平均电流时，可经受的时间为0.5s； 通过三倍通态平均电流时，可经受的时间为60ms； 通过六倍通态平均电流时，可经受的时间为20ms； 通过二十倍通态平均电流时，可经受的时间为10ms。 浪涌电流ITSM
反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一 个随之击穿。
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静态均压措施 选用参数和特性尽量一致的器件 采用电阻均压， Rp 的阻值应比器件阻断时的 正、反向电阻小得多
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电力电子技术
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动 态 不 均 压 —— 由 于 器 件 动态参数和特性的差异造 成的不均压。 动态均压措施：
式中：np 为并联支路数
IT（AV） 为晶闸管额定电流 I 为允许过载时晶闸管一组（桥臂）的
平均电流
IT ( AV )
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(1.5 ~ 2.0) I I (1.7 ~ 2.5) (0.8 ~ 0.9)n p np
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电力MOSFET和IGBT并联运行的特点
电力MOSFET并联运行的特点
Ron 具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容 易并联 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联 电路走线和布局应尽量对称 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用
IGBT并联运行的特点
在 1/2 或 1/3 额定电流以下的区段，通态压降具有负的 温度系数 在以上的区段则具有正温度系数 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联
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（三）快速开关和过流继电器 快速开关都用在直流电路，全分断时间最快 为10ms。 过流继电器有直流和交流两种，动作时间一 般都是几百毫秒。 在容易发生过流的装置中，加设快速开关或 过流继电器。动作值整定得低些，当出现过流时， 总是快速开关或过流继电器首先动作，即使动作 速度不如快熔，也不致危及晶闸管。此后经过复 位，又可恢复正常工作。
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快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两 种 全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适 用于小功率装置或器件裕度较大的场合 短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区 域起保护作用 对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控 型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路 进行过电流保护 常在全控型器件的驱动电路中设置电子电路过 电流保护环节，响应最快
U TN
(2 ~ 3)U m Um (2.2 ~ 3.8) (0.8 ~ 0.9)ns ns
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二. 晶闸管的并联
目的：多个器件并联来承担较大的电流 问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流 分配不均匀 均流措施
挑选特性参数尽量一致的器件
采用均流电抗器
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电力电子技术
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（一）快速熔断器（快熔）的过载特性与晶闸管的 配合 快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最 广的一种过电流保护措施 曲线 1是 300A快熔的保 护特性，表明流过快 熔的电流越大，其熔 断时间越短。当短路 电流通过时，熔断时 间可缩短到 5ms以下。 在额定电流下工作时， 熔断时间为无穷大， 可长期工作。
2018/1 200A 晶闸管的过载特性。在 交点 A 的 左侧 ， 快溶的 熔断时间小于晶闸管达 到额定结温所需时间， 快熔起到保护作用。在 A 点的右 侧快熔 不起保 护作用。 再考虑到快熔和晶闸管的特性都有分散性，而且还 随温度而变化，所以快熔用作短路保护是合适的， 但不宜作过载保护。
2018/11/26 电力电子技术 14
（二）快速熔断器的主要参数
1. 额定电压 根据熔断后快熔能实际承受的电压。
有250、500、750、1000、1500V五个等级。
2 . 额定电流 指快熔能能长期通过的电流有效值。 有10、50、100、200、350、500、750、1000A。 3 . 允通能量 通常用 i 2 dt表示。快熔的 i 2 dt 值应 小于被保护器件的允许 i 2 dt值。 为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑 其时间电流特性。
第六章
第一节
晶闸管的串并联和保护
晶闸管的串联和并联
对较大型的整流装置，单个晶闸管的电压 和电流定额远不能满足要求。在高电压和大电流 的场合，必须把晶闸管的串联或并联起来应用， 或者晶闸管装置串联或并联起来应用。
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1
一. 晶闸管的串联
目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差 异，使器件电压分配不均匀。 静态不均压，串联的器件流过的漏电流相同，但 因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。 承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使 另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用。