第1章电力晶体管和晶闸管

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1,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,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；,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,PN,结为基础；,2,第一节,电力二极管,一、结构与伏安特性,1.,结构,由一个面积较大的,PN,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。,3,A,K,A,K,a),I,K,A,P,N,J,b),c),图,1-1,电力二极管的外形、结构和电气图形符号,a),外形,b),结构,c),电气图形符号,2.,伏安特性,4,一、结构与伏安特性,U,I,二、主要参数,1.,额定电流（,I,F,）,在一定条件下的正向电流平均值,2.,反向重复峰值电压,U,RRM,U,RRM,=U,RSM,*80%,3.,正向平均电压,U,F,4.,最高工作结温,T,JM,5,三、参数选择及使用注意事项,1.,参数选择,1,）额定正向平均电流,I,F,的选择原则,I,F,=(1.52)I,DM,/1.57,2,）额定电压,U,RRM,的选择原则,U,RRM,=(23)U,DM,6,三、参数选择及使用注意事项,2.,电力二极管使用注意事项,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,）严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。,7,四、电力二极管的主要类型,反向恢复时间：,当电压由正向变为反向时,电流并不立刻成为反向特性,而是要经过一段时间，这段时间称为反向恢复时间,该过程使二极管不能在快速连续脉冲下当做开关使用。如果反向脉冲的持续时间比反向恢复时间短,则二极管在正、反向都可导通,起不到开关作用。因此了解二极管反向恢复时间对正确选取管子和合理设计电路至关重要。,8,1.,普通二极管,用在开关频率不高的整流电路中，反向恢复时间较长，一般在,5us,以上,2.,快恢复二极管,反向恢复时间短，一般在,5us,以下,3.,肖特基二极管,反向恢复时间很短（,1040ns,）,9,四、电力二极管的主要类型,10,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。,11,一、晶闸管的结构,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,G,12,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,13,二、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,14,解释,当,SCR,的阳极和阴极电压,U,AK,0,时，且,E,Gk,0,，,SCR,才能,导通,。,SCR,一旦导通，门极,G,将失去控制作用,，即无论,E,G,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,R,W,以及,E,A,的大小决定；,当,U,AK,0,同时,U,GK,0,由导通关断的条件：,使流过,SCR,的电流降低至维持电流以下。,(,一般通过减小,E,A,直至,E,A,0,来实现。）,15,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,I,G,(,门极电流,),注入,V2,基极，,V2,导通，产生,I,C2,（,2,I,G,）,。它同时为,V1,的基极电流，使,V1,导通，且,I,C1,=,1,I,C2,I,C1,加上,I,G,进一步加大,V2,的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使,V1V2,很快进入完全饱和状态。此时,SCR,饱和导通，通过,SCR,的电流由,R,确定为,E,A,/R,。,U,AK,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,I,G,调整为,0,，即,U,GK,0,产生,I,G,V2,通产生,I,C2,V1,通,I,C1,I,C2,出现强烈的正反馈，,G,极失去控制作用，,V1,和,V2,完全饱和，,SCR,饱和导通。,16,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,I,G,=0,图,1-5,晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,U,A,I,A,I,G1,I,G2,正向导通,U,BO,正向特性,反向特性,雪崩击穿,17,1),正向特性,I,G,=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,U,bo,，则漏电流急剧增大，器件开通。,随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。,导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,1V,左右。,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,I,H,以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。,I,H,称为维持电流。,图,1-5,晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,四、晶闸管的阳极伏安特性,18,2),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,图,1-5,晶闸管的伏安特性,I,G2,I,G1,I,G,19,1.,额定电压（,U,Tn,）,1),正向断态重复峰值电压,U,DRM,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,U,RRM,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,U,TM,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,20,通常取,晶闸管的,U,DRM,和,U,RRM,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,2,3,倍：,U,Tn,（）,U,TM,(,在交流市电中,U,TM,311V),一般来说，,SCR,的额定电压等级规范标准为：,100V,1000V,，每,100V,一个等级；,1000V,3000V,，每,200V,一个等级。,21,举例：,一,晶闸管用于相电压,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：,22,2.,额定电流（通态平均电流）,I,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。,23,闸管的通态平均电流,I,T(AV),和正弦电流最大值,I,m,之间的关系表示为：,正弦半波电流的有效值为：,平均电流,I,T(AV),与有效值关系为：,24,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,(1.5,2),倍的安全裕量，即,式中,IT,是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值,25,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,I,M,=,？,分析：,I,（,TAV,）,=100A,的晶闸管,对应的电流有效值为：,I,T,=1.57 I,（,TAV,）,157A,；,波形对应的电流有效值：,考虑,2,倍的安全雨量后得：,举例：,26,1,）,通态平均电压,U,T(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,U,T(AV),分为,A,，对应为,0.4V,1.2V,共九个组别。,2),维持电流,I,H,：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,I,H,越小,3),擎住电流,I,L,：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,I,L,约为,I,H,的,2,4,倍。,3.,其他参数,27,4),断态电压临界上升率,d,u,d,t,：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,d,i,d,t,：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。,28,六、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。,29,2,、门极几个主要参数的标准,1,）门极不触发电压,U,GD,和门极不触发电流,I,GD,：,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,U,GD,，相应的最大电流称为门极不触发电流,I,GD,。,）门极触发电压,U,GT,和门极触发电流,I,GT,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,I,GT,，相应的门极电压称为门极触发电压,U,GT,。,）门极正向峰值电压,U,GM,、门极正向峰值电流,I,GM,和门极峰值功率,P,GM,30,一、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,31,2.,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,32,3.,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,T,1,为正，,T,2,为负；门极电压,G,为正，,T,2,为负。特性曲线在第,象限。,-,触发方式：,主极,T,1,为正，,T,2,为负；门极电压,G,为负，,T,2,为正。特性曲线在第,象限。,+,触发方式：,主极