電子技工業(yè)務(wù)2 電子技工業(yè)務(wù)-第6節(jié) 電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)

第2章

船舶電子電氣基礎(chǔ)一、電力二極管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通半導(dǎo)體電路中的二極管相同,都是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ),具有實(shí)現(xiàn)正向?qū)?、反向截止的功能。所不同的是電力二極管內(nèi)部一般采用面積較大的PN結(jié)進(jìn)行封裝,其兩端的連接引線也較普通半導(dǎo)體二極管粗。而且,為了獲得較高的反向擊穿電壓,電力二極管通常都采用高純單晶硅制造。一、電力二極管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)根據(jù)外形不同,電力二極管可分為螺栓型和平板型兩種封裝類型,如圖2-53所示。圖2-53電力二極管外觀為縮小體積和減少連線,常把幾個管子集成封裝為一個器件,即二極管模塊。螺栓型電力二極管的陽極,一般做成螺栓,可固定在散熱器上。平板型電力二極管可導(dǎo)通的電流通常比螺栓型大,其安裝一般采用專門的支架進(jìn)行。一、電力二極管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)電力二極管消耗功率大,發(fā)熱多,使用時應(yīng)安裝傳熱良好的散熱器。散熱器冷卻方式主要有自冷、風(fēng)冷、液冷和沸騰冷(熱管)四種。電力二極管的正常運(yùn)行,在很大程度上取決于散熱器的合理選配以及器件與散熱器之間的裝配質(zhì)量。電力二極管在許多電力電子電路中都有著廣泛的應(yīng)用,可在交-直流變換電路中作為整流元件,也可在電感元件的電能需要適當(dāng)釋放的電路中作為續(xù)流元件,還可在各種變流電路中作為電壓隔離、鉗位或保護(hù)元件。在應(yīng)用時,應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求,選擇不同類型的電力二極管。一、電力二極管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)電力二極管通常工作在開關(guān)狀態(tài),所謂開關(guān)狀態(tài),就是只工作在導(dǎo)通(通態(tài))和阻斷(斷態(tài))兩種狀態(tài)。導(dǎo)通時(通態(tài))阻抗很小,接近于短路,器件壓降接近于零,而電流由外電路決定。電力二極管阻斷時(斷態(tài))阻抗很大,接近于斷路,電流幾乎為零,而管子兩端電壓由外電路決定。工作在導(dǎo)通或阻斷狀態(tài)時,電力二極管件損耗較小。一、電力二極管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)常用的電力二極管主要有:普通二極管、快速恢復(fù)二極管和肖特基勢壘二極管等。普通二極管又稱為整流二極管,多用于開關(guān)頻率低于1kHz的整流電路中,包括電力牽引、蓄電池充電、焊接和UPS(不間斷電源)等。其反向恢復(fù)時間較長,但其正向電流定額和反向電壓定額卻可以達(dá)到很高,分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上?？焖倩謴?fù)二極管簡稱快速二極管,一般指從導(dǎo)通恢復(fù)到截止的時間(反向恢復(fù)時間)在5μs以下的二極管。一、電力二極管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)快速二極管還可再分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級,超快速恢復(fù)等級的恢復(fù)時間小于0.1μs,甚至達(dá)到0.02~0.03μs。以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管,簡稱為肖特基二極管。優(yōu)點(diǎn)：具有低導(dǎo)通電壓和極短的開關(guān)時間特性。因此,其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小,效率高。缺點(diǎn)：反向漏電流大和阻斷電壓低。目前的電流和電壓范圍為1~300A、45~1000V,主要應(yīng)用于高頻、低壓方面,如高頻儀表和開關(guān)電源等。二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)晶閘管是晶體閘流管的簡稱,又稱作晶閘管整流器。由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的,而且工作可靠,在大容量、大電流的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)晶閘管的外形有螺栓式和平板式兩種,如圖2-54(a)所示。圖2-54晶閘管的外形結(jié)構(gòu)和符號不管哪種形式,都是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),如圖2-54(b)所示。晶閘管的管芯是P1N1P2N2四層半導(dǎo)體,形成3個PN結(jié)J1、J2和J3。從最外面的P層和N層引出兩個電極,分別為陽極A和陰極K,從中間的P型引出控制極K。圖2-54(c)是晶閘管的電氣圖形符號。1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)根據(jù)晶體管的等效電路,將晶閘管當(dāng)成雙晶體管,配以外圍電路,實(shí)現(xiàn)晶閘管實(shí)驗(yàn)電路如圖2-55(b)所示；（a）晶閘管模型

（b）工作原理2.晶閘管的工作原理與基本特性圖2-55晶閘管模型和工作原理初始狀態(tài)IG=0,IA=0晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)。但開關(guān)S合上,晶閘管的門極電流IG增大,即晶閘管的IB2增大,使得IC2增大,即第一級的IB1增大；經(jīng)過放大后,使IC1增大,而IC1的增大作用在第二級晶體管的基極,使IB2再次增大,如此反復(fù),晶閘管處于正反饋,電流快速飽和,進(jìn)入完全導(dǎo)通狀態(tài),而此后,即使門極的電流IG為0,也不影響電路的導(dǎo)通狀態(tài)。二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)根據(jù)以上分析,晶體管應(yīng)具備如下幾個特性:2.晶閘管的工作原理與基本特性(1)欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個條件。①應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓。當(dāng)晶閘管承受反向電壓時,不論門極是否有觸發(fā)電流,晶閘管都不會導(dǎo)通。②應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流,即當(dāng)晶閘管承受正向電壓時,僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)根據(jù)以上分析,晶體管應(yīng)具備如下幾個特性:2.晶閘管的工作原理與基本特性(2)晶閘管一旦導(dǎo)通,門極即失去控制作用即不論門極觸發(fā)電流是否還存在,晶閘管都保持導(dǎo)通,晶閘管又稱為半控型器件。二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)根據(jù)以上分析,晶體管應(yīng)具備如下幾個特性:2.晶閘管的工作原理與基本特性(3)為使晶閘管關(guān)斷,必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實(shí)現(xiàn)。二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)晶閘管的伏安特性如圖2-56所示；圖2-56晶閘管的伏安特性2.晶閘管的工作原理與基本特性當(dāng)IG=0時,如果在器件兩端施加正向電壓,則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài),只有很小的正向漏電流流過。如果正向電壓超過臨界極限,即正向轉(zhuǎn)折電壓UBO,則漏電流急劇增大,器件開通。該導(dǎo)通不受門極電流控制,并很容易造成晶閘管的不可恢復(fù)性擊穿而使元件損壞,使用中應(yīng)該避免。二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)圖2-56晶閘管的伏安特性2.晶閘管的工作原理與基本特性隨著門極電流幅值的增大,正向轉(zhuǎn)折電壓降低,如圖2-56所示。晶閘管本身導(dǎo)通時的壓降很小,為1V左右導(dǎo)通后門極電流不再起作用,晶閘管保持導(dǎo)通。但是如果門極電流為零,并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下,則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài),IH稱為維持電流。二、晶閘管第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)圖2-56晶閘管的伏安特性2.晶閘管的工作原理與基本特性其反向伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時,只有極小的反向漏電流通過。但當(dāng)反向電壓超過一定限度,到反向擊穿電壓后,外電路如無限制措施,則反向漏電流急劇增大,導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。三、使用萬用表進(jìn)行晶閘管的極性判別第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)1.晶閘管的極性判別單向晶閘管有陽極A、陰極K、控制極G三個引出腳。只有當(dāng)單向晶閘管陽極A與陰極K之間加有正向電壓,同時控制極G與陰極間加上所需的正向觸發(fā)電壓時,方可被觸發(fā)導(dǎo)通。此時A、K間呈低阻導(dǎo)通狀態(tài),陽極A與陰極K間壓降約1V。單向晶閘管導(dǎo)通后,控制極G即使失去觸發(fā)電壓,只要陽極A和陰極K之間仍保持正向電壓,單向晶閘管就會繼續(xù)處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)。只有把陽極A電壓拆除或陽極A、陰極K間電壓極性發(fā)生改變(交流過零)時,單向晶閘管才由低阻導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高阻截止?fàn)顟B(tài)。三、使用萬用表進(jìn)行晶閘管的極性判別第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)1.晶閘管的極性判別單向晶閘管一旦截止,即使陽極A和陰極K間又重新加上正向電壓,仍須在控制極G和陰極K間重新加上正向觸發(fā)電壓方可導(dǎo)通。

所以單向晶閘管的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于開關(guān)的閉合與斷開狀態(tài),用它可制成無觸點(diǎn)開關(guān)。如果是大功率晶閘管,用肉眼即可判斷出控制極,即外形最小的為控制極。用萬用表測量該極與其他兩極,不通的是A極;相反,導(dǎo)通(雖然有電阻)的是K極。

三、使用萬用表進(jìn)行晶閘管的極性判別第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)1.晶閘管的極性判別如果不能根據(jù)外形判斷,晶閘管的管腳判別可用下述方法:先用萬用表R×1k擋(數(shù)字式萬用表用二極管擋,且表棒與指針式萬用表相反使用)測量三腳之間的阻值,用紅、黑兩表筆分別測任意兩引腳間正反向電阻，直至找出讀數(shù)為數(shù)十歐姆的一對引腳,該兩腳分別為控制極和陰極,但尚不能判斷出哪個是控制極,哪個是陰極,可以肯定的是所剩的一腳為陽極;再將萬用表置于R×10k擋(數(shù)字式萬用表仍用二極管擋,且表棒與指針式萬用表相反使用),用手指捏住陽極和另一腳,且不讓兩腳接觸,黑表筆接陽極,紅表筆接剩下的一腳,若表針向有擺動,阻值讀數(shù)為10Ω左右,說明紅表筆所接為陰極,不擺動則為控制極。三、使用萬用表進(jìn)行晶閘管的極性判別第六節(jié)電力二極管、晶閘管的基本特性和主要參數(shù)2.晶閘管的好壞判別最簡單的方法是看看A、K有沒有短路,晶閘管一般是不容易壞的,沒有短路就可使用。

但是具體情況仍需具體分析,可總結(jié)如下:萬用表選電阻R×1Ω擋(數(shù)字式萬用表用二極管擋,且表棒與指針式萬用表相反使用),找到控制極和陰極后(控制極和陰極之間正反兩種接法均導(dǎo)通),判斷出另一空腳為陽極A。此時將黑表筆接已判斷了的陽極A,紅表筆仍接陰極K,萬用表指針應(yīng)不動。三、使用萬用表進(jìn)行晶閘管的極性判別第六節(jié)電力二極管、晶閘管的