【學(xué)習(xí)課件】第二章電力二極管和晶閘管

1、第二章 電力二極管和晶閘管編輯ppt半控型器件（Thyristor） 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET) 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(Power Diode) 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。三. 電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：編輯ppt三. 電力電子器件的分類電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端 注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：編輯pp

2、t Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位。 第二節(jié) 不可控器件電力二極管引言整流二極管及模塊編輯ppt基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)一. PN結(jié)與電力二極管的工作原理0編輯ppt 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大

3、阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿一. PN結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài)編輯ppt主要指其伏安特性門(mén)檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性二. 電力二極管的基本特性1. 靜態(tài)特性正向?qū)ǚ聪驌舸┓聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)編輯ppt 額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用

4、時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量. IF(AV)=(1.52) IM /1.57三. 電力二極管的主要參數(shù)1. 正向平均電流IF(AV)編輯ppt在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3. 反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。URRM=UDn = (23) UM4. 反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf三. 電力二極管的主要參數(shù)2. 正向壓降UF編輯ppt結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之

5、內(nèi)。6. 浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。 三. 電力二極管的主要參數(shù)5. 最高工作結(jié)溫TJM編輯ppt1. 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)5s正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。四. 電力二極管的主要類型編輯ppt1. 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1

6、kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)5s正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。四. 電力二極管的主要類型編輯ppt簡(jiǎn)稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。四. 電力二極管的主要類型2. 快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery DiodeFRD

7、）編輯ppt肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）。正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。四. 電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管(DATASHEET) 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。編輯ppt晶閘管的結(jié)構(gòu)編輯ppt晶閘管的外形小電流塑封式小電流螺旋式大電流螺旋式大電流平板式圖形

8、符號(hào)編輯ppt晶閘管的外形KP螺旋式編輯ppt晶閘管的外形平板式編輯ppt晶閘管的散熱片自冷式風(fēng)冷式水冷式編輯ppt晶閘管的散熱片水冷式風(fēng)冷式自冷式編輯ppt圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)一. 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。編輯ppt晶閘管的結(jié)構(gòu)GP1N1N2N2P2AK編輯ppt晶閘管的結(jié)構(gòu)P1N1P2N2AGKJ1J2J3GP1N1N2N2P2AK 晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 具有J1、J2、J3

9、三個(gè)PN結(jié)。 可用三個(gè)二極管或兩個(gè)三極管等效。編輯ppt晶閘管的等效電路(二極管等效電路)AKGJ1J2J3編輯ppt晶閘管的等效電路(三極管等效電路)AP1N1P2N2GKJ1J2J3編輯ppt晶閘管的等效電路(三極管等效電路)P2N2GKP1N1AJ1J2J3P2N1AGKP1N1P2N1P2N2編輯ppt一. 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 按晶體管的工作原理 ，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-

10、4）（1-5）編輯ppt晶閘管的表示符號(hào)KAGAAAKGG編輯ppt晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷條件實(shí)驗(yàn)電路圖Ia:陽(yáng)極電流Ig:門(mén)極電流Ua:陽(yáng)極電壓Ug:門(mén)極電壓編輯ppt晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷條件點(diǎn)擊進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)電路圖編輯ppt晶閘管的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)順序?qū)嶒?yàn)時(shí)晶閘管條件實(shí)驗(yàn)后燈的情況結(jié)論陽(yáng)極電壓Ua門(mén)極電壓Ua1反向反向暗2反向零暗3反向正向暗晶閘管在反向陽(yáng)極電壓作用下，不論門(mén)極為何種電壓，它都處于關(guān)斷狀態(tài)。編輯ppt晶閘管的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)二 實(shí)驗(yàn)順序?qū)嶒?yàn)時(shí)晶閘管條件實(shí)驗(yàn)后燈的情況結(jié)論陽(yáng)極電壓Ua門(mén)極電壓Ua1正向反向暗2正向零暗3正向正向亮晶閘管同時(shí)在正向陽(yáng)極電壓與正向門(mén)極電壓作用下才能導(dǎo)通。編輯ppt晶閘管

11、導(dǎo)通后的實(shí)驗(yàn)（原來(lái)燈亮） 實(shí)驗(yàn)順序?qū)嶒?yàn)時(shí)晶閘管條件實(shí)驗(yàn)后燈的情況結(jié)論陽(yáng)極電壓Ua門(mén)極電壓Ua1正向反向亮2正向零亮3正向正向亮已導(dǎo)通的晶閘管在正向陽(yáng)極電壓作用下，門(mén)極失去控制作用。編輯ppt晶閘管導(dǎo)通后的關(guān)斷實(shí)驗(yàn)（原來(lái)燈亮） 實(shí)驗(yàn)順序?qū)嶒?yàn)時(shí)晶閘管條件實(shí)驗(yàn)后燈的情況結(jié)論陽(yáng)極電壓Ua門(mén)極電壓Ua1正向（逐漸減小到接近于零）任意暗晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，當(dāng)Ea減小到接近于零時(shí)，晶閘管關(guān)斷。編輯ppt晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷條件導(dǎo)通條件：除陽(yáng)極加正向電壓，必須同時(shí)在門(mén)極與陰極之間加一定的門(mén)極電壓，有足夠的門(mén)極電流。關(guān)斷條件：陽(yáng)極電流小于維持電流IH編輯pptAGKP1N1P2N1P2N2晶閘管的觸發(fā)原理編輯ppt

12、有關(guān)晶閘管的幾個(gè)名詞觸發(fā)：當(dāng)晶閘管加上正向陽(yáng)極電壓后，門(mén)極加上適當(dāng)?shù)恼蜷T(mén)極電壓，使晶閘管導(dǎo)通的過(guò)程稱為觸發(fā)。維持電流IH：維持晶閘管導(dǎo)通所需的最小陽(yáng)極電流。正向阻斷：晶閘管加正向電壓未超過(guò)其額定電壓，門(mén)極未加電壓的情況下，晶閘管關(guān)斷。硬開(kāi)通：給晶閘管加足夠的正向陽(yáng)極電壓，即使晶閘管未加門(mén)極電壓也會(huì)導(dǎo)通的現(xiàn)象叫硬開(kāi)通。反向阻斷：當(dāng)晶閘管加反向陽(yáng)極電壓時(shí)，晶閘管不會(huì)導(dǎo)通。編輯ppt一. 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流

13、增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。編輯ppt一. 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：編輯ppt二. 晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極

14、就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：編輯ppt二. 晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。UA1. 靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+-UA-IAIAIHIG2 IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM編輯ppt二. 晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)

15、時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性編輯ppt二. 晶閘管的基本特性（1) 開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td (0.51.5s)上升時(shí)間tr (0.53s)開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA（2) 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr （1-7)

16、普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒(限制了工作頻率）2. 動(dòng)態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形和二極管相類似編輯ppt三. 晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：1. 電壓定額編輯ppt三. 晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流 I

17、T(AV）在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。I(AV)=(1.52) IM /1.57維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍。浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。2. 電流定額編輯ppt三. 晶閘管的主要參數(shù) 除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/d

18、t 指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)編輯ppt四. 晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1. 快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)編輯ppt四. 晶閘管的派生器件2. 雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極G。在第和第III象限