第1章电力晶体管和晶闸管ppt课件

1、第一章：电力二极管和晶闸管第一章：电力二极管和晶闸管n第一节第一节 电力二极管电力二极管n第二节第二节 晶闸管晶闸管n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n本章小节本章小节AKAKa)第一节电力二极管第一节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；元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；它的基本结构、工作原理和伏安特

2、性与信息电子电路中的二极管相同，它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同，以半导体以半导体PNPN结为基础；结为基础；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；由一个面积较大的由一个面积较大的PNPN结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。 IKAPNJb)c)图图1-1 1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a

3、) a) 外形外形 b) b) 构造构造 c) c) 电气图形符号电气图形符号第二节第二节 晶晶 闸闸 管管 晶闸管晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅通晶闸管也称为可控硅SCR，普通晶闸管是一，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。种具有开关作用的大功率半导体器件。从从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，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至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品列产品 ；晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十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

4、流，就可以控制几百至几千安至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对强电的控制培的大电流，实现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性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。应用。 一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构晶闸管具有四层晶闸管具有四层PNPNPNPN结构，引出阳极结构，引出阳极A A、阴极、阴极K K和门极和门极G G三个联接端；三个联接端；晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；晶闸管对于螺栓型封装，通

5、常螺栓是其阳极，能与散晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。两个散热器将其夹在中间。图图1-2 1-2 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) 构造构造 c) c) 电气图形符号电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G G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管耗流过器件的电流器件两端的电压器件两端的电压 管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超管耗将产生热

6、量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。和冷却。 冷却方式：自然冷却散热片）、风冷风冷却方式：自然冷却散热片）、风冷风扇）、水冷扇）、水冷二、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简单描述晶闸管SCRSCR相当于一个半可控的、相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。可开不可关的单向开关。图图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管的工作条件的试验电路解释解释当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0时，且时，且EGk0，SCR才能导通。才能导通。SCR一旦导通，门极一旦导通，门极G将失去控制

7、作用，即无论将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。如何，均保持导通状态。SCR导通导通后的管压降为后的管压降为1V左右，主电路中的电流左右，主电路中的电流I由由R和和RW以及以及EA的大小决定；的大小决定；当当UAK0 同时同时 UGK0由导通由导通关断的条件：使流过关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降低至维持电流以下。 (一般通过减小一般通过减小EA,直至直至EA0来实现。）来实现。）RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图1-4 1-4 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

8、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、晶闸管的工作原理分析具体描述如果具体描述如果IG(门极电流门极电流)注入注入V2基极，基极，V2导通，产生导通，产生IC2（ 2IG ）。它同）。它同时为时为V1的基极电流，使的基极电流，使V1导通，且导通，且IC1= 1IC2,IC1加上加上IG进一步加大进一步加大V2的基极的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使电流，从而形成强烈的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导饱和导通，通过通，通过SCR的电流由的电流由R确定为确定为EA/R。UAK之间的压降

9、相当于一个之间的压降相当于一个PN结加一个结加一个三极管的饱和压降约为三极管的饱和压降约为1V。此时，将。此时，将IG调整为调整为0，即，即UGK0 UGK0 产生产生IG V2IG V2通通产生产生IC2 IC2 V1 V1通通 IC1 IC2 IC1 IC2 出现强出现强烈的正反馈，烈的正反馈，GG极失去控制作用，极失去控制作用，V1V1和和V2V2完全饱和，完全饱和，SCRSCR饱和导通。饱和导通。晶闸管的阳极与阴晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极极间的电压和阳极电流之间的关系，电流之间的关系，称为阳极伏安特性。称为阳极伏安特性。（见图（见图1-51-5）四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管

10、的阳极伏安特性IG =0图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向正向导通导通UBO正向特性正向特性反向特性反向特性雪崩雪崩击穿击穿1) 正向特性正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断时，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，正向电状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏，则漏电流急剧增大，器件开通。电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。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

11、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降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。称为维持电流。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性2) 2) 反向特性反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特

12、性类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。似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿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，导致晶闸管发热向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。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-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG

13、1. 1. 额定电压额定电压UTnUTn）1)1) 正向断态重复峰值电压正向断态重复峰值电压UDRMUDRM在门极断路而结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温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。压。2)2) 反向阻断重复峰值电压反向阻断重复峰值电压URRM URRM 在门极断路而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结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。电压。3)3) 通态峰值电压通态峰值电压UTMUTM晶闸管通以某一规定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。倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。五、晶闸管的

14、主要参数五、晶闸管的主要参数通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRMUDRM和和URRMURRM中较小的标值作为该中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量裕量, ,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压峰值电压2323倍：倍：UTnUTn（UTM UTM ( (在交流市电中在交流市电中UTM311V)UTM311V)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：100V1000V100V1000V，每，每100V100V一个等级；一个等级；1000V

15、1000V3000V3000V，每每200V200V一个等级。一个等级。2. 2. 额定电流通态平均电流额定电流通态平均电流IT(AV)IT(AV)定义：在环境温度为定义：在环境温度为+140+140度和规定的散热度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频工频50Hz50Hz）、正弦半波导通角不小于）、正弦半波导通角不小于170170度的电路中，结温稳定在额定值度的电路中，结温稳定在额定值125125度时所允许的通态平均电流。度时所允许的通态平均电流。留意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，留意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流

16、平均值来计算，它而整流电路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是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。流定额。闸管的通态平均电流闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大和正弦电流最大值值Im之间的关系表示为：之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为：正弦半波电流的有效值为： 平均电流平均电流IT(AV)与有效值关系为：与有效值关系为： m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTIIn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

17、，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)25 . 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1 1通态平均电压通态平均电压UT(AV)UT(AV)：当晶闸管中流过额定电流并：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。通态平均电压均值，称为通态平均电压。通态平均电压UT(AV)UT(AV)分为分为A A，对应为，对应为0.4V0.4V1.2V1.2V共九个组别。共九个组别。 2)2) 维持电流

18、维持电流 IH IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电：使晶闸管维持导通所必需的最小电流流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IHIH越小越小3)3) 擎住电流擎住电流 IL IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，信号后， 能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常ILIL约为约为IHIH的的2424倍。倍。3. 3. 其他参数其他参数4)4)断态电压临界上升率断态电压临界上升率dududt dt ：在额定结温和门极：在额定结温和门极开路情况

19、下，不使元件从断态到通态转换的最大开路情况下，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。阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。5 5通态电流临界上升率通态电流临界上升率dididt dt ：在规定条件下，：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。通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。 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，指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只晶闸管的门极和阴极之间只有一个有一个PNPN

20、结，结， 所以电压与所以电压与电流的关系和普通二极管的电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特伏安特性相似。门极伏安特性曲线可通过实验画出，如性曲线可通过实验画出，如图图1-61-6所示。所示。 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 1门极不触发电压门极不触发电压UGDUGD和门极不触发电流和门极不触发电流IGD IGD ： 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称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为门极不触发电压UGDUGD，相应的最大电流称为门，相应的最大电流称为门极不触发电流极不触发电流IGDIGD。 门极触发电压门极触发电压UGT

21、UGT和门极触发电流和门极触发电流IGT IGT 在室温下，对晶闸管加上在室温下，对晶闸管加上V V正向阳极电压时，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为门极触发电流IGTIGT，相应的门极电压称为门极，相应的门极电压称为门极触发电压触发电压UGTUGT。 门极正向峰值电压门极正向峰值电压UGMUGM、门极正向峰值电流、门极正向峰值电流IGMIGM和门极峰值功率和门极峰值功率PGM PGM 一、双向晶闸管一、双向晶闸管 1.1.双向晶闸管的外形与结构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、

22、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。但其内部是一种螺栓式和平板式。但其内部是一种NPNPNNPNPN五层结构五层结构引出三个端线的器件。如图引出三个端线的器件。如图1-71-7所示。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 2.2.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。双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第正向部分位于第I I象限，反向部分位于第象限，反向部分位于第IIIIII象限。如图象限。如图1-71-7d d所示。所示。双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均双向

23、晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为值电流之间的换算关系式为 )()()(45. 02RMSTRMSTAVTIII 3. 3. 双向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：合，可以得到四种触发方式：+ + 触发方式：主极触发方式：主极T1T1为正，为正，T2T2为负；门极电为负；门极电压压G G为正，为正，T2T2为负。特性曲线在第为负。特性曲线在第象限。象限。- - 触发方式：主极触发方式：主极

24、T1T1为正，为正，T2T2为负；门极电为负；门极电压压G G为负，为负，T2T2为正。特性曲线在第为正。特性曲线在第象限。象限。+ + 触发方式：主极触发方式：主极T1T1为负，为负，T2T2为正；门极电为正；门极电压压G G为正，为正，T2T2为负。特性曲线在第为负。特性曲线在第象限。象限。- - 触发方式：主极触发方式：主极T1T1为负，为负，T2T2为正；门极电为正；门极电压压G G为负，为负，T2T2为正。特性曲线在第为正。特性曲线在第象限。象限。由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏度不相同，以式中触发灵敏度不相同，以+ + 触

25、发方式灵触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为发方式为+ + 和和- - 。 4. 4. 双向晶闸管的门极控制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，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。功电路及无触点开关电路。本相电压强触发电路本相电压强触发电路 这种触发方式电路简单、任务这种触发方式电路简单、任务

26、可靠，主要用于双向晶闸管组可靠，主要用于双向晶闸管组成的交流开关电路。成的交流开关电路。 包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸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管和高频晶闸管10kHz10kHz以上）；以上）；管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明显改善；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，普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管高频晶闸管1010s s左右；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；高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高；由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应；开关损耗的发热效应；FSTFST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。频下工作。二、快速晶闸管二、快速晶闸管Fast Fast Switching ThyristorFST)Switching ThyristorFST) 逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极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