电子电力技术教程第1章

1、第一章功率二极管、晶闸管和单相控制整流电路、1.1功率二极管1.2晶闸管1.3单相控制整流电路1.4晶闸管触发电路练习问题和思考问题、1.1功率二极管的工作原理功率二极管以PN结为基础，实际上面积大的PN结和两端并联连接功率二极管的结构和图形符号如图1-1所示。 图1-1的功率二极管的结构和图形符号，功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形，如图1-2所示。 图1-2功率二极管的外形(a )、螺栓型(b )、平板型、功率二极管与电子电路中的二极管的工作原理相同，即，当二极管通过正向电压进行作用时，PN结导通，正向管的电压降小，相反，二极管反向如图1图3所示，对得到的功率二极管的电压-电流特性曲线

2、进行了实验性测定。 图1-3功率二极管的螺栓特性曲线(a )、螺栓类型(b )、平板型、1.1.2功率二极管的主要残奥仪表1正向平均电流I F(AV )、功率二极管的正向平均电流I F(AV )是指在规定的封装温度和散热条件下允许通过的最大商用在实际应用中，流经功率二极管的最大有效电流为I，并且其额定电流通常被选择为方程中的系数1.52作为安全系数。 2顺向电压降UF顺向电压降UF是指在规定温度下，与某稳定顺向电流流过时对应的顺向电压降。 3反复峰值电压URRM反复峰值电压是功率二极管可反复施加的反最高电压，通常是其雪崩电压UB的2/3。 一般而言，在选择功率二极管时，选择在电路可接受的反复峰

3、值电压的2倍的反复峰值电压。 4反向恢复时间trr反向恢复时间是指从施加功率二极管的反向偏置电流变为零开始到恢复反向切断能力为止的时间。 1.1.3功率二极管的主要类型1整流二极管整流二极管多用于开关频率不高的情况，一般的开关频率在1 kHz以下。 整流二极管的特点是额定电流和额定电压高，一般为几千安和几千伏，但反向恢复时间长。 2高速恢复二极管高速恢复二极管的特征可用于恢复时间短，特别是反向恢复时间短、一般在5 s以内、要求较小反向恢复时间的电路，例如与可控开关组合的高频电路。 三肖特基二极管肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，其反复时间更短，一般为1040 ns。 肖

4、特基二极管在正向恢复过程中没有明显的电压过冲，在反向耐压低的情况下，正向电压降也小，明显低于快速恢复二极管，因此其开关损耗和正向导通损耗都小。 肖特基二极管的不足是，受到的逆耐压提高时，正向电压大幅度提高。 适用于要求低输出电压和低正向管电压降的逆变器电路。 1.2晶体管、1.2.1晶闸管的结构晶闸管是大功率半导体转换器部件，具有3个PN结的4层结构，其外形、结构和图形符号如图1-4所示。 从最外面的P1层和N2层引出两个电极，分别是阳极a和阴极k，从中间的P2层引出的电极是栅极g (也称为栅极)。 图1-4晶闸管的外形、构造和图形符号(a )、外形(b )、构造(c )、图形符号，一般的晶闸

5、管，如图1-4(a )所示，有螺栓式和平面式两种外形。 可控硅在工作中因损失而发热定，因此需要安装散热片。 螺栓式晶闸管用阳极(螺栓)紧固在铝制散热器上，可自然冷却的平面型晶闸管，用相互绝缘的2个散热器夹紧晶闸管，用冷风冷却。 额定电流超过200 A的晶闸管均采用平面型外形结构。 另外，晶闸管的冷却方式有水冷、油冷等。1.2.2晶闸管的工作原理用图1-5所示的电路说明晶闸管的工作原理。 在该电路中，由电源Ea、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极构成的电源Eg、开关s、晶闸管的栅极和阴极构成控制电路，也称为触发器电路。 图1-5的栅管导通试验电路图中，栅管的阳极a与电源Ea的正端连接，阴极k经由白炽灯连

6、接电源的负端时，栅管接受正向电压。 控制电路中的开关s断开时，白炽灯不点亮，表示门管不接通。 说明晶闸管的阳极和阴极施加正向电压，控制电路的开关s闭合，栅极也施加正向电压(栅极与阴极相对)时，白炽灯点亮，晶闸管导通。 可控硅导通后，释放栅极上的电压(即关断开关s )，白炽灯依然点亮，可控硅导通后，表示栅极失去了控制作用。 在可控硅的阳极和阴极之间施加反向电压时，即使不对栅极施加电压，灯也不点亮，可控硅关闭。 对栅极施加反向电压时，不管对栅极管主电路施加正向电压还是反向电压，栅极管都不导通。 根据上述实验可知，栅管的导通必须同时具备(1)对栅管主电路施加正向电压这两个条件。 (2)向晶闸管控制电

7、路施加适当的正向电压。 为了进一步说明晶闸管的工作原理，晶闸管可视为连接了PNP型和NPN型的晶体管，连接形式如图1-6所示。 阳极a相当于PNP型晶体管V1的发射极，阴极k相当于NPN型晶体管V2的发射极。 此外，图1-6的可控硅工作原理等效电路，当对可控硅阳极施加正向电压、对栅极也施加正向电压时，晶体管V2成为正向偏置，EC产生的栅极电流IG成为第二基极电流IB2、V2的集电极电流IC2=2 IG。 IC2是晶体管1的基极电流，第一集电极电流IC1=1IC2=12 IG (1和2分别是1和V2的电流放大率)。 电流IC1又流向V2的基极，再次放大。 以这种方式循环时，形成强正反馈，两晶体管

8、立即饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。 接通后，施加在晶闸管上的电压降小，几乎所有电源电压都施加在负载上，流过晶闸管的负载电流。 闸流管导通后，其导通状态通过管本身的正反馈作用而完全维持，即使没有栅极电流，闸流管也会变为导通状态。 因此，闸门的作用只是触发晶闸管使其导通，导通后闸门就会失去控制作用。 用于关断晶闸管的最基本的方式是使得无法维持正反馈的程度，即使晶闸管的阳极电流小于维持电流。 可采用的方法是关闭阳极电源和关闭阳极电源。改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极之间施加反方向的电压。 1.2.3晶闸管的伏安特性将晶闸管阳极和阴极之间的电压UA和阳极电流IA的关系称为阳极伏安特性，为

9、了正确使用晶闸管，需要知道其伏安特性。 图1图7是晶闸管的阳极-电流特性曲线，包含正向特性(第1象限)和反向特性(第3象限)两个部分。 图1-7的可控硅的阳极伏安特性曲线，可控硅的正向特性有断路状态和导通状态之分。 在正向切断状态下，是根据栅极电流IG的增加而不同的曲线簇的组。 当IG=0时，阳极电压UA逐渐增大，只有很小的正向漏电流，伴随晶闸管正向切断的阳极电压的增加，当达到正向转换电压UBO时，漏电流突然急剧增加，晶闸管从正向切断急剧变化为正向导通状态。 当IG=0时，通过增大阳极电压来强制导通晶闸管的方式被称为“硬导通”。 多次“硬接通”会损坏晶闸管，通常不允许。另外，随着栅极电流IG的

10、增大，可控硅的正向转换电压UBO急速降低，在IG足够大的情况下，可控硅的正向转换电压小，与一般的二极管一样，只要施加正向阳极电压就可以看作管导通了。 可控硅的正向导通的伏安特性与二极管的正向特性类似，即，如果流过大的阳极电流，则可控硅的电压降小。UDRM、URRM正、反向断开状态的重复峰值电压UDSM、URSM正、反向断开状态不重复峰值电压的UBO正转电压URO反向耐压。 晶闸管正向导通后，为了将晶闸管转为切断，仅通过逐渐减小阳极电流IA，使IA小于维持电流IH (维持晶闸管导通的最小电流)，晶闸管就从正向导通状态变化为正向截止状态。 图1-7中各物理量的意思是晶闸管的反向特性与一般的二极管的

11、反向特性类似。 通常，接受反向阳极电压后，栅极管始终处于切断状态，仅流过很小的反向漏电流。 当反向电压增加到一定值时，反向漏电流的增加加快，当反向阳极电压持续增加时，会导致晶闸管的反向破坏，晶闸管被永久破坏，此时的对应电压是反向破坏电压URO。 1.2.4晶闸管的主要残奥仪表1正向重复峰值电压UDRM在栅极切断和晶闸管正向切断的条件下，可重复施加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM。 一般来说，该电压被规定为正转电压UBO的80%。 2将反复峰值电压URRM栅极截止时能够反复施加到晶闸管两端的反复峰值电压称为反复峰值电压URRM。 这个电压取反向耐压URO的80%。3on状态

12、平均电流IV(AV )的环境温度小于40，在标准散热和全导通的条件下，晶闸管可连续导通的商用频率半波电流的平均值称为导通状态平均电流IV(AV )或正向平均电流，一般而言，晶闸管有多便宜是指该电流。 如果将正弦半波电流的最大值设为IM，则额定电流有效值为，但在实际使用中，晶闸管中流动的电流波形形状、波形导通角不一定，对于包含直流成分的每个电流波形，都有电流平均值(1个周期内的波形面积的平均值)，也有电流有效值(均方根值)。 当前，某个电流波形的有效值与平均值之比定义该电流的波形系数，用Kf表示，即，能够根据上式求出正弦半波电流的波形系数，额定电流IV(AV)=100 A的晶闸管表示额定电流有效

13、值为IV=KfIV(AV)=157 A。 平均值和有效值因电流波形而异，波形系数Kf也不同。 选择晶闸管时，首先根据管道的额定电流(导通平均电流)求出元件能够流过的最大有效电流。 无论晶闸管中流动的电流波形如何，只要元件中流动的实际电流的最大有效值为管的额定有效值以下，且散热冷却为规定的条件，晶片的发热都可以限制在允许范围内。 可控硅的电流过载能力比一般的电动机、电气设备小得多，因此在选择可控硅额定电流时，从实际的最大电流进行校正后，至少要乘以1.52的安全系数，使其具有一定的电流馀量。 4 .当维持电流IH和钩电流IL在室温下栅极打开时，维持晶闸管持续导通的最小电流被称为维持电流IH。 维持

14、电流大的晶闸管容易断开。 维持电流与元件容量、结温等因素有关，即使是同一形式的元件，维持电流也不同。 通常，晶闸管的铭牌上标明常温下IH的实测值。 对晶闸管栅极施加触发电压，在元件刚从截止状态变为导通状态后去除触发电压，此时为了维持元件导通，将必要的最小阳极电流称为截止电流IL。 对于同一晶闸管，挂钩电流IL大维持电流IH的24倍。5晶闸管的导通截止时间1 )导通时间tgt一般规定为：从栅极触发电压的上升沿的10%到元件阳极电压下降到10%为止所需的时间为导通时间tgt，通常晶闸管的tgt约为6 s。 导通时间与触发脉冲的陡峭度的大小、结温度、主回路中的电感量等有关。 为了缩短导通时间，实际的

15、触发电流比规定的触发电流大35倍，多用上升陡峭的狭窄脉冲触发，被称为强触发。 此外，如果触发脉冲不够宽，晶闸管不能导通。 一般来说，触发脉冲的宽度要求比tgt大一点，以确保晶闸管能够触发。 2 )当关断时间tq晶闸管导通时，在内部存在大量的载波。 可控硅的关断过程是，当阳极电流刚刚下降到零时，在可控硅内部的各PN结附近还没有大量的载流子消失，此时，如果立即施加正向电压，可控硅还没有触发就立即导通，经过一定时间，元件内的载流子复合晶闸管能够完全恢复正向切断能力晶闸管从正向阳极电流降低到零到恢复正向切断能力所需的时间称为截止时间tq。 晶闸管的关断时间取决于元件的结温度、关断前的阳极电流的大小以及

16、施加的反压的大小。 通常的晶闸管的tq为几十至几百微秒左右。 6导通电流临界上升率di/dt栅极流过触发电流后，晶闸管只在栅极附近的小区域开始导通，随着时间的经过，导通区域逐渐扩大至PN结的总面积。 如果阳极电流上升过快，则栅极附近的PN结因电流密度过大而烧损，晶闸管破损。 因此，晶闸管必须规定允许的最大通路状态电流上升率，称为导通状态电流临界上升率di/dt。 7关断电压临界上升率du/dt晶闸管的结面积在关断状态下相当于电容，如果突然施加正向阳极电压，则在靠近阴极的PN结中流过充电电流时产生相当于触发电流的作用，如果该电流过大，则元件错误地导通， 可控硅容许的最大截止电压上升也需要规定的规

17、定条件下，可控硅直接从截止状态转移到导通状态的最大阳极电压上升率称为截止电压临界上升率du/dt。 1.2.5可控硅的型号和简单的测试方法1可控硅的型号，图1-8可控硅的型号的意思，2可控硅的简单的测试方法对可控硅的3个电极，可以用万用表粗略地测定其好坏。 基于PN结的单向导电原理，通过万用表欧姆移位测量元件三个电极之间的电阻值，可以初步判断管道是否干净。 如果用万用表R1 k测量阳极a和阴极k之间的正、反电阻，则均大到数百千欧姆以上，正、反电阻之差小的栅电极g和阴电极k之间的电阻值，最好用R10或R100位移进行测量，正方向电阻比反方向电阻小或接近。 阳极和阴极或阳极和栅极之间存在短路，阴极和栅极之间短路或切断时，晶闸管变差。 3晶闸管的派生系列1 )快速晶闸管快速晶闸管的外形、符号、基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同，但它们是为了快速应用而修改的。 高速晶闸管的通断时间短，允许的电流上升率高，开关损失小，在规定的频率范围内可以得到比较平坦的电流波形。 通常晶闸管的关断时间为数百微秒，高速晶闸管为数十s。 2 )双向晶闸管(Triode AC Switch-TRIAC或双向晶闸管)双向