电力二极管和晶闸管课件

1、11第一章第一章 电力二极管和晶闸管电力二极管和晶闸管第一节 电力二极管第二节 晶闸管第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管本章小节作业习题解答12第一节第一节电力二极管电力二极管电力二极管：是指可以承受高电压、大电流具有较大耗散功率的二极管，它与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要作用。13基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK第一节电力二极管第一节电力二极管图图1-1 1-1 电力二极管的外形、结构和电气

2、图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) a) 外形外形 b) b) 结构结构 c) c) 电气图形符号电气图形符号14l门槛电压门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。l与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降正向电压降UF 。l承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-2 电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU第一节电力二极管第一节电力二极管15F1 1、额定电流、额定电流I IF F 在规定的环境温度为在规定的环境温度为40400 0和标准散热条件下，元件和标准散热条件下，元件PNPN结温度稳定且结温度稳定且不超过不超过1401400 0C

3、C时所允许长时间连续流过时所允许长时间连续流过50H50HZ Z正弦半波的电流平均值。正弦半波的电流平均值。F2 2、反向重复峰值电压、反向重复峰值电压U URRMRRM 在额定结温条件下，取元件反向不重复峰值电压在额定结温条件下，取元件反向不重复峰值电压U URSMRSM的的80%80%称为反称为反向重复峰值电压。向重复峰值电压。F3 3、正向平均电压、正向平均电压U UF F 在规定的环境温度为在规定的环境温度为40400 0和标准散热条件下，元件和标准散热条件下，元件50H50HZ Z正弦半波额正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间电压的平均值。一般为定正向平均电流时，元件阳极和

4、阴极之间电压的平均值。一般为0.450.451V1V。F4 4、最高工作结温、最高工作结温T TJMJM 指指PNPN结不致损坏的前提条件下所能承受的最高平均温度。结不致损坏的前提条件下所能承受的最高平均温度。 第一节电力二极管第一节电力二极管161 1、参数选择、参数选择 1 1）额定电流）额定电流I IF F的选择原则的选择原则 I IDMDM流过二极管的最大有效电流。流过二极管的最大有效电流。 2 2）额定电压）额定电压U URRMRRM的选择原则的选择原则 57. 1)25 . 1 (DMFIIDMRRMUU)32( 第一节电力二极管第一节电力二极管2 2、使用注意事项、使用注意事项

5、1 1）必须保证规定的冷却条件。）必须保证规定的冷却条件。 2 2）平板元件的散热器一般不应自行拆装。）平板元件的散热器一般不应自行拆装。 3 3）严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。）严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。 171 1、普通二极管、普通二极管（General Purpose Diode） 反向恢复时间长。工作频率在反向恢复时间长。工作频率在1KH1KHZ Z以下。以下。2 2、快恢复二极管、快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 反向恢复时间短，在反向恢复时间短，在100ns100ns以下。以下。3 3、肖特基二极管、肖特基二极管( (Schottky Barri

6、er Diode SBD) 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管叫肖特以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管叫肖特基二极管。反向恢复时间极短（基二极管。反向恢复时间极短（10-40ns10-40ns）。）。 第一节电力二极管第一节电力二极管18第二节第二节 晶晶 闸闸 管管 晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品 ；晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现

7、了弱电对强电的控制 ； 晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。 19晶闸管具有四层PNPN结构，引出阳极A、阴极K和门极G三个电极。晶闸管的常见封装外形有塑封型、螺栓型、平板型三种。螺栓型封装的晶闸管，通常螺栓是其阳极，与散热器紧密联接，安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图图1-3 1-3 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) a) 外形外形 b) b) 结构结构 c) c) 电气图形符号电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G G一、晶闸管的结构一、晶闸

8、管的结构a)b) c)110常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构动画111晶闸管的管耗和散热：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112二、晶闸管的导通和关断条件二、晶闸管的导通和关断条件简单描述晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。动画113二、晶闸管的导通和关断条件二、晶闸管的导通和关断条件动画114二、晶闸管的导通和关断条件二、晶闸管的导通和关断条件UAK0 同时同

9、时 UGK0晶闸管关断举例：晶闸管关断举例：普通晶闸管直流开关电路普通晶闸管直流开关电路115AGKP1N1P2N2J1J2J3三、晶闸管的工作原理分析三、晶闸管的工作原理分析动画116p2 2）阳极加上正向电压，只要控制极有电流输入）阳极加上正向电压，只要控制极有电流输入, ,则则PNPN结结J J2 2失去阻挡作用。晶闸管内部形成强烈的正反馈，瞬时使两失去阻挡作用。晶闸管内部形成强烈的正反馈，瞬时使两晶体管饱和导通即晶闸管导通。晶体管饱和导通即晶闸管导通。I IG G IIb2 b2 IIc2 c2 (=(=2 2I IK K)I)Ib1 b1 I Ic1 c1 (=(=1 1I IA A

10、)I)IA A 晶闸管导通后，即使晶闸管导通后，即使I IG G=0=0，因，因I IC1C1流入门极起到触发电流的作用，流入门极起到触发电流的作用，晶闸管将持续导通。晶闸管将持续导通。 阳极电流小于维持电流，正阳极电流小于维持电流，正反馈不能进行，反馈不能进行，NPNNPN管截止，晶闸管截止，晶闸管也就截止。管也就截止。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图1-5 1-5 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) b) 工作原理工作原理三、晶闸管的工作原理分析三

11、、晶闸管的工作原理分析动画1171）正向特性）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压UBO，则漏电流急剧增大，器件开通。阳极电压太大时，会使晶闸管“硬导通”，多次硬导通会损坏管子。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管导通后的特性和二极管的正向特性相似。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。晶闸管导通后，如果阳极电流降至维持电流IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，晶闸管关断。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IA+IAIHIG1UBOUDRMURSM图1-5 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸

12、管的阳极伏安特性VUmAIVUmAIVUIBOGBOGBOG5,15200,5800, 0URRMIG2IG=0UDSM正正向向特特性性1182）反向特性）反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IA+IAIHIG1UBOUDRMURSM图1-5 晶闸管的伏安特性IG2IG1IGURRMIG2IG=0UDSM反反向向特特性性1191. 额定

13、电压（额定电压（UTn）1)正向断态重复峰值电压UDRM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峰值电压。2)反向阻断重复峰值电压URRM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峰值电压。3)通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IA+IAIHIG1UBOUDRMURSM图1-5 晶闸管的伏安特性IG2IG1IGURRMIG2IG=0UDSM120通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器中较小的标值作为该器件的

14、额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量, ,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压压2 23 3倍，即倍，即U UTnTn（）（）U UTMTM ( (在交流市电中在交流市电中U UTMTM311V)311V)一般来说，一般来说，SCRSCR的额定电压等级规范标准为：的额定电压等级规范标准为：100V100V1000V1000V，每，每100V100V一个等级；一个等级；1000V1000V3000V3000V，每，每200V200V一个等级。一个等级。五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数12

15、1举例：举例： 晶闸管用于相电压为220V 的单相电路中时，器件的电压等级选择如下： 933V6222322VUUnT）（考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：VUnT700五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数VUnT800或1222. 2. 额定电流（通态平均电流）额定电流（通态平均电流）I IT(AV)T(AV)定义：在环境温度为+140度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路

16、往往按直流平均值来计算，它是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数123晶闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：平均电流IT(AV)与有效值关系为： m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTII五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数124流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.52)倍的安全裕量，即57. 1)2

17、5 . 1 ()(TAVTII式中式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值。是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值。五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数1251）通态平均电压UT(AV)：当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。通态平均电压UT(AV)分为A，对应为0.4V1.2V共九个组别。 2) 维持电流 IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流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

18、4倍。3. 3. 其他参数其他参数五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数1264)断态电压临界上升率dudt ：在额定结温和门极开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。5）通态电流临界上升率didt ：在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。 五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数3. 其他参数其他参数127六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1 1、门极伏安特性、门极伏安特性 指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结， 所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安

19、特性曲线可通过实验画出，如图1-6所示。128 2 2、门极几个主要参数的标准、门极几个主要参数的标准 1）门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD ： 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极不触发电压UGD，相应的最大电流称为门极不触发电流IGD。 ）门极触发电压UGT和门极触发电流IGT 在室温下，对晶闸管加上V正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发电流IGT，相应的门极电压称为门极触发电压UGT。 ）门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM 六、晶闸管门极伏安特性及主要参数129六六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数晶闸管

20、的门极伏安特性及主要参数p普通晶闸管具有单向可控特性，电流只能从阳极流向阴普通晶闸管具有单向可控特性，电流只能从阳极流向阴极。它不但有反向阻断能力，同时具有正向阻断能力。极。它不但有反向阻断能力，同时具有正向阻断能力。p门极像一扇闸门一样，起着控制导通的作用。可用很小门极像一扇闸门一样，起着控制导通的作用。可用很小的门极电流就能控制很大的阳极电流。的门极电流就能控制很大的阳极电流。p晶闸管阻断时，只有很小的漏电流，导通时只有晶闸管阻断时，只有很小的漏电流，导通时只有1V1V左右左右的导通压降。的导通压降。p晶闸管只能稳定工作在晶闸管只能稳定工作在“阻断阻断”与与“导通导通”二状态，是二状态，是

21、比较理想的单向无触点功率开关。比较理想的单向无触点功率开关。130有一晶闸管的电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过的电流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？分析：I（TAV）=100A的晶闸管对应的电流有效值为：IT=1.57 I（TAV） 157A ；波形对应的电流有效值：考虑2倍的安全裕量后得：举例：举例：MMItdII6121310AIM3 .1921576212131 一、双向晶闸管一、双向晶闸管 1.双向晶闸管的外形与结构 双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。其内部有NPNPN五层结构,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管集成的。引出三个电极，即

22、两个主电极T1和T2，一个门极G。如图1-7所示。第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管图图1-7 1-7 双向晶闸管双向晶闸管 1322.2.双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第I象限，反向部分位于第III象限。如图1-7（d）所示。双向晶闸管的额定电流值，不用平均值而用有效值来表示。双向晶闸管有效值（方均根值）电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为)()()(45. 02RMSTRMSTAVTIII第三节第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管图图1-7 1-7 双向晶闸管双向晶闸管 1333. 3. 双向

23、晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：+ 触发方式：主极T1为正正（相对于T2）；门极电压G为正正（相对于T2）。特性曲线在第象限。- 触发方式：主极T1为正；门极电压G为负。特性曲线在第象限。+ 触发方式：主极T1为负；门极电压G为正。特性曲线在第象限。- 触发方式：主极T1为负；门极电压G为负。特性曲线在第象限。由于双向晶闸管内部结构的原因，四种触发方式中以+ 灵敏度最高，-次之。以+灵敏度最低，使用时要尽量避开。常用的触发方式为+和 - 。 第三节第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶

24、闸管及其他派生晶闸管134双向晶闸管的门极控制双向晶闸管的控制方式常用的有两种：第一种为移相触发，与普通晶闸管一样，是通过控制触发脉冲的相位来达到调压的目的。第二种是过零触发，适用于调功电路及无触点开关电路。本相电压强触发电路：这种触发方式电路简单、工作可靠，主要用于双向晶闸管组成的交流开关电路。 135包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管（10kHz以上）；管芯结构和制造工艺进行了改进，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10s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

25、高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应；快速晶闸管由于允许长期通过的电流有限，所以不宜在低频下工作。二、快速晶闸管二、快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)136 逆导晶闸管是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，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。三、逆导晶闸管三、逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）b)a)UOIKGAIG=0图图1-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性137四、四

26、、 光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。图图1-10 1-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性光强度强弱b)AGKa)OUAKIA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。目前用在高压大功率的场合。138本章小结本章小结普通晶闸管导通条件是：对晶闸管的阳极和阴极两普通晶闸管导通条件是：对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适端加正向

27、电压，同时在它的门极和阴极两端也加适当的正向电压。关断条件是：使流过晶闸管的阳极当的正向电压。关断条件是：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。电流小于维持电流。139 双向晶闸管内部结构可看作两只普通晶闸管反并双向晶闸管内部结构可看作两只普通晶闸管反并联，引出的三个端子为主极联，引出的三个端子为主极T T1 1、T T2 2和门极和门极G G。它具。它具有正反向对称的伏安特性，主要参数有断态重复有正反向对称的伏安特性，主要参数有断态重复峰值电压峰值电压U UDRMDRM和额定通态电流和额定通态电流I IT T，因双向晶闸管，因双向晶闸管正反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效正反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效值。双向晶闸管有四种触发方式：值。双向晶闸管有四种触发方式：+ +、- -、+ +、- -，其中以，其中以+ +触发灵敏