电力晶体管和晶闸管

第一章：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1第一章电力二极管和晶闸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，它与其它电力电子部件相配合组成各种变流电路，在整流、续流、钳位以及隔离等场合发挥重要作用。晶闸管是晶体闸流管的简称，曾称为可控硅〔SCR〕。晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等特点。晶闸管的派生器件有：双向晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管及光控晶闸管等。2第一节电力二极管1、结构电力二极管有一个结面积大一些的PN结，两个引出级：阳极A和阴极K。外形结构有螺旋式和平板式。螺旋式二极管的阳极紧栓在散热器上，平板式二极管分为风冷和水冷，它的阳极和阴极分别由两个彼此绝缘的散热器紧紧夹住。一、结构与伏安特性3电力二极管外形图PN结与符号4螺栓型实物图5电力二极管的阳极与阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系。2.伏安特性6二、主要参数1、正向平均电流〔额定电流〕IF在规定的环境温度为40℃和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140℃时，所允许的长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值，将此电流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。2、反向重复峰值电压URRM在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压。将URRM值取规定的电压等级就是该元件的额定电压。73、正向平均电压UF在规定环境温度40℃和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压平均值，取规定系列组别，称为正向平均电压，简称管压降，一般在0.45~1V范围内。8三、选择原那么1、选择额定正向平均电流的原那么在规定的室温和冷却条件下，〔管子额定电流有效值〕>〔管子在电路中可能流过的最大电流有效值〕。考虑1.5~2倍裕量，另外，正弦半波电流有效值是平均值的1.57倍，所以2、选择额定电压的原那么93、电力二极管使用本卷须知〔1〕必须保证规定的冷却条件。〔2〕平板型元件的散热器一般不应自行拆装。〔3〕如不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用，如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的三分之一左右。〔4〕严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。如需检查整机的耐压时，应将原件短接。104．电力二极管的主要类型3．电力二极管的主要参数〔1〕普通二极管〔GeneralPurposeDiode〕又称整流二极管〔RectifierDiode〕多用于开关频率不高〔1kHz以下〕的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以到达很高〔2〕快恢复二极管〔FastRecoveryDiode——FRD〕简称快速二极管。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者那么在100ns以下，甚至到达20-30ns。四、电力二极管的主要类型11〔3〕肖特基二极管(DATASHEET)以金属和半导体接触形成的势垒为根底的二极管称为肖特基势垒二极管〔SchottkyBarrierDiode——SBD〕肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下；反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度；肖特基二极管的优点反向恢复时间很短〔10~40ns〕；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲;反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管；效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。12第二节晶闸管

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。

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一、晶闸管的结构晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；晶闸管具有四层PNPN结构，引出阳极A、阴极K和门极G三个联接端；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两个散热器将其夹在中间。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GABC14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15散热器16螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构常用晶闸管的结构17二、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。图1-3晶闸管的工作条件的试验电路18晶闸管导通关断实验 AG KEgSEAR动画演示19 AG KEgSEAR门极加负电压20门极加正电压 AG KEgSEARIgIA21导通后撤除门极电压 AG KEgSEARIA22导通后门极加负电压 AG KEgSEARIA23导通后减小阳极电流 AG KEgSEAnRIA24 AG KEgSEAnR导通后减小阳极电压或去除阳极电压25 AG KEgSEAR导通后阳极加反压26〔解释〕当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始终处于关断状态；UAK>0时，且EGk>0，SCR才能导通。SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；当UAK<0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低〔通过调整RW〕至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，那么SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。导通和关断条件27从实验结果我们可以如下结论：1．晶闸管导通的条件：阳极加正向电压，同时门极加适宜的正向触发电压。晶闸管关断的条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流或突加反向电压。2．晶闸管具有单向导电性3．晶闸管属于半控型半导体器件，门极可以触发导通晶闸管，但是不能使其关断28图1-4晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理三、晶闸管的工作原理分析〔具体描述〕如果IG(门极电流)注入V2基极，V2导通，产生IC2〔β2IG〕。它同时为V1的基极电流，使V1导通，且IC1=β1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流，从而形成强烈的正反响，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通过SCR的电流由R确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为1V。此时，将IG调整为0，即UGK<0，也不能解除正反响，G极失去控制作用。在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2连接而成。此时，其工作过程如下：UGK>0→产生IG→V2通→产生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出现强烈的正反响，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。29晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。〔见图1-5〕四、晶闸管的阳极伏安特性IG

=0图1-5晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向导通>>UBO正向特性反向特性雪崩击穿301)正向特性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，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，那么漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。图1-5晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG四、晶闸管的阳极伏安特性311)正向特性导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。导通期间，如果门极电流为零，将阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，那么晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。图1-5晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG四、晶闸管的阳极伏安特性322)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，那么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图1-5晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG331.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。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。五、晶闸管的主要参数34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压UTM2~3倍：UTn＝〔２～３〕UTM35举例：一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：

考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：

362.额定电流〔通态平均电流〕IT(AV)定义：在环境温度为40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，而整流电路往往按电流平均值来计算，它是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。37晶闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦半波电流最大值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：

38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那么进行换算，并且在选用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.5～2)倍的平安裕量，即式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值39有一晶闸管的电流额定值IT〔AV〕=100A，用于电路中流过的电流波形如下图，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倍的平安裕量后得：

举例：40晶闸管的型号3通态平均电压UT(AV)：当晶闸管中流过额定电流并到达稳定的额定结温时，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～Ｉ，对应为0.4V～1.2V共九个组别。411)

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，那么IH越小2)

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。4.其他参数423)断态电压临界上升率du／dt：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。4〕通态电流临界上升率di／dt：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。43六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1、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。门极伏安特性曲线可通过实验画出，如图1-6所示。442、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。２〕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６V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。３〕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PGM45

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。但其内部是一种NPNPN五层结构引出三个端线的器件。如图1-7所示。第三节双向晶闸管及其他派生晶闸管图1-7双向晶闸管

46双向晶闸管引脚图472.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。正向局部位于第I象限，反向局部位于第III象限。如下图。双向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

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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：Ⅰ+触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅰ象限。Ⅰ-触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅰ象限。Ⅲ+触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅲ象限。Ⅲ-触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅲ象限。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Ⅲ+触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为Ⅰ+和Ⅲ-

。3、双向晶闸管触发方式494.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到达调压的目的。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。50快速晶闸管的外形、符号、根本结构和伏安特性与普通晶闸管相同，但它专为快速应用而设计。快速晶闸管的开通与关断时间短，允许的电流上升率高，开关损耗小，在规定的频率范围内可获得较平直的电流波形。普通晶闸管的关断时间为数百微秒，快速晶闸管那么为数十μs。二、快速晶闸管〔FastSwitchingThyristor——FST)51