電力電子技術(shù)第一章-功率二極管和晶閘管課件

1、第一章功率二極管和晶閘管 主編第一節(jié)功率二極管一、功率二極管的結(jié)構(gòu)與伏安特性1.結(jié)構(gòu) 功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)PN結(jié)，結(jié)面積較大。由于功率二極管功耗較大，它的外形有螺旋式和平板式兩種。螺旋式二極管的陽極緊拴在散熱器上。平板式二極管又分為風(fēng)冷式和水冷式，它的陽極和陰極分別由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊緊夾住。常用大功率二極管的外形如圖1-1所示。圖1-1大功率二極管的外形第一節(jié)功率二極管2.伏安特性 功率二極管的陽極和陰極間的電壓和流過管子的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖12所示。當(dāng)電壓從零逐漸增大時(shí)，開始陽極電流很小，這一段特性曲線很靠近橫坐標(biāo)軸。當(dāng)正向電壓大于05V時(shí)，正向陽極電流急劇上升，管

2、子正向?qū)?。如果在電路中不接限流元件，二極管將被燒毀。圖1-2功率二極管的符號(hào)和伏安特性第一節(jié)功率二極管二、主要參數(shù)1.額定電流(正向平均電流) 在規(guī)定的環(huán)境溫度為40和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件PN結(jié)溫度穩(wěn)定且不超過140時(shí)，所允許長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)流過50Hz正弦半波的電流平均值稱為額定電流IF。2.反向重復(fù)峰值電壓URRM 在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。第一節(jié)功率二極管3.正向平均電壓UF 在規(guī)定環(huán)境溫度40和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均電流時(shí)，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值稱為正向平均電壓UF，簡(jiǎn)稱管壓降，

3、一般在0451V范圍內(nèi)。4.最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常為125175。第一節(jié)功率二極管三、功率二極管的參數(shù)選擇及使用注意事項(xiàng)1.參數(shù)選擇(1)額定正向平均電流IF的選擇原則（）（11）(2)額定電壓URRM的選擇原則（）(12)2.功率二極管的使用注意事項(xiàng)1)必須保證規(guī)定的冷卻條件，如強(qiáng)迫風(fēng)冷或水冷。2)平板型元件的散熱器一般不應(yīng)自行拆裝。3)嚴(yán)禁用兆歐表檢查元件的絕緣情況。第一節(jié)功率二極管四、功率二極管的主要類型 在實(shí)際應(yīng)用中，人們根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求，選擇不同類型的功率二極管。1

4、.普通功率二極管 普通功率二極管又稱整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，但其正向電流定額和反向電壓定額卻可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。第一節(jié)功率二極管2.快速恢復(fù)功率二極管 反向恢復(fù)過程很短(一般在5s以下)的二極管被稱為快速恢復(fù)功率二極管，簡(jiǎn)稱快速二極管。其正向壓降很低(09V左右)，但其反向耐壓多在400V以下。不管是什么結(jié)構(gòu)，快速恢復(fù)二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。第一節(jié)功率二極管3.肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成

5、的勢(shì)壘為基本結(jié)構(gòu)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管，簡(jiǎn)稱肖特基二極管。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短(10ns)，正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快速恢復(fù)二極管。因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速恢復(fù)二極管還要小，工作效率高。肖特基二極管的弱點(diǎn)在于：當(dāng)其所能承受的反向耐壓提高時(shí)，其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此，肖特基二極管多用于200V以下的低壓場(chǎng)合。第二節(jié)晶閘管一、晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管的外形及符號(hào)如圖13所示。晶閘管的外形大致有三種：塑封形、螺栓形和平板形。圖13a為塑封形，多用于額定電流10A以下；圖13b為螺栓形，一般用

6、于額定電流10200A；圖13c為平板形，用于額定電流在200A以上。晶閘管工作時(shí)，由于器件損耗而產(chǎn)生熱量，需要通過散熱器降低管芯溫度，器件外形就是為便于安裝散熱器而設(shè)計(jì)的。圖1-3晶閘管的外形及符號(hào)a)塑封形b)螺栓形c)平板形d)符號(hào)第二節(jié)晶閘管圖1-4晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路a)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)b)互補(bǔ)晶體管等效電路第二節(jié)晶閘管二、晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件 晶閘管是單向可控的開關(guān)元件，它的導(dǎo)通和關(guān)斷條件，可通過如圖15所示的實(shí)驗(yàn)電路來說明。圖1-5晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)電路第二節(jié)晶閘管1)當(dāng)雙刀開關(guān)向右反向閉合，晶閘管承受反向陽極電壓，不論門極承受何種電壓，燈泡都不亮，說明晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)。

7、2)當(dāng)雙刀開關(guān)向左正向閉合，晶閘管承受正向陽極電壓，僅當(dāng)雙刀開關(guān)正向閉合，即門極也承受正向電壓時(shí)燈泡才亮。3)晶閘管一旦導(dǎo)通，雙刀開關(guān)不論正接、反接或者斷開，晶閘管都保持導(dǎo)通狀態(tài)不變，說明門極失去了控制作用。4)要使晶閘管關(guān)斷，可以去掉陽極電壓，或者給陽極加反壓，也可以降低正向陽極電流至一定數(shù)值以下。第二節(jié)晶閘管結(jié)論：1)晶閘管的導(dǎo)通條件：在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時(shí)在它的門極和陰極間也加正向電壓，兩者缺一不可。2)晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，因此門極所加的觸發(fā)電壓一般為脈沖電壓。3)晶閘管的關(guān)斷條件：使流過晶閘管的陽極電流小于維持電流。第二節(jié)晶閘管三、晶閘管的陽極伏安特性

8、晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。其伏安特性曲線如圖16所示。圖1-6晶閘管的陽極伏安特性第二節(jié)晶閘管四、晶閘管主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)在附表2中列出。1.額定電壓UTn 當(dāng)門極開路、元件處于額定結(jié)溫時(shí)，所測(cè)定的正向轉(zhuǎn)折電壓UB0和反向擊穿電壓UR0，由制造廠家規(guī)定減去某一數(shù)值(通常為100V)，分別得到正向不可重復(fù)峰值電壓UDSM和反向不可重復(fù)峰值電壓URSM，再各乘以09，即得正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向阻斷重復(fù)峰值電壓URRM。第二節(jié)晶閘管 將UDRM和URRM中較小的那個(gè)值按百位取整后作為該晶閘管的額定電壓值。例如，一晶閘管實(shí)測(cè)UDRM840V，U

9、RRM720V，將二者較小的720V取整得700V，該晶閘管的額定電壓就為700V即7級(jí)。表11所列為晶閘管額定電壓的等級(jí)與額定電壓范圍的關(guān)系。表1-1晶閘管正反向重復(fù)峰值電壓的等級(jí)第二節(jié)晶閘管2.額定電流IT(AV) 晶閘管的額定電流也稱為額定通態(tài)平均電流，是在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管在導(dǎo)通角不小于170的電阻性負(fù)載電路中，當(dāng)不超過額定結(jié)溫且穩(wěn)定時(shí)，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取值(見附表2)稱為該晶閘管的額定電流。第二節(jié)晶閘管3.通態(tài)平均電壓UT(AV) 當(dāng)晶閘管中流過額定電流并達(dá)到穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)，陽極與陰極之間電壓降的平均值，稱為通

10、態(tài)平均電壓。P12.TIF第二節(jié)晶閘管圖1-7流過晶閘管的電流波形例1-1一晶閘管接在220V交流回路中，通過器件的電流有效值為100A，問選擇什么型號(hào)的晶閘管?例1-2現(xiàn)有晶閘管型號(hào)為KP507，用于某電路中時(shí)，流過的電流波形如圖1-7所示，試求Im允許多大?第二節(jié)晶閘管4.其他參數(shù)(1)維持電流IH在室溫條件下，門極斷開時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必需的最小電流稱為維持電流。(2)擎住電流IL晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)就去掉觸發(fā)信號(hào)，能使元件保持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流。晶閘管是單向可控器件，即僅在晶閘管的陽極和陰極兩端加正向電壓時(shí)，晶閘管仍處于正向阻斷狀態(tài)，必須在它的門極和陰極兩端

11、也加適當(dāng)?shù)恼蛴|發(fā)電壓，晶閘管才能導(dǎo)通。有關(guān)晶閘管的觸發(fā)控制參看觸發(fā)電路一章。第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管一、雙向晶閘管1.雙向晶閘管的外形與結(jié)構(gòu) 雙向晶閘管的外形有塑封式、螺栓式和平板式，其內(nèi)部是一種NPNPN五層結(jié)構(gòu)引出三個(gè)端線的器件，如圖18所示。2.雙向晶閘管的特性與參數(shù) 雙向晶閘管具有正反向?qū)ΨQ的伏安特性曲線。正向部分位于第象限，反向部分位于第象限，如圖18d所示。圖1-8雙向晶閘管第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管3.雙向晶閘管的觸發(fā)方式 雙向晶閘管正反兩個(gè)方向都能導(dǎo)通，門極加正負(fù)電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到4種觸發(fā)方式：(1)+觸發(fā)方式主極為正，為負(fù)；門極電

12、壓G為正，T為負(fù)。(2)-觸發(fā)方式主極為正，為負(fù)；門極電壓G為負(fù)，T為正。(3)+觸發(fā)方式主極為負(fù)，為正；門極電壓G為正，T為負(fù)。(4)-觸發(fā)方式主極為負(fù)，為正；門極電壓G為負(fù)，T為正。 由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，4種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時(shí)可盡量避開，常采用的觸發(fā)方式有+和-。第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管4.雙向晶閘管的門極控制 雙向晶閘管的控制方式常用的有兩種：第一種是移相觸發(fā)，與普通晶閘管一樣，是通過控制觸發(fā)脈沖的相位來達(dá)到調(diào)壓的目的；第二種是過零觸發(fā)，適用于調(diào)功電路及無觸點(diǎn)開關(guān)電路。(1)本相電壓強(qiáng)觸發(fā)電路這種觸發(fā)方式電路簡(jiǎn)單、工作可靠，主要用

13、于雙向晶閘管組成的交流開關(guān)電路，如圖1-9所示。圖1-9本相電壓的觸發(fā)方式第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管 圖中雙向晶閘管的T和G之間通過開關(guān)Q和g相連接，當(dāng)Q閉合，交流電源加在T、兩極的電壓直接加至和G之間，作為雙向晶閘管的觸發(fā)電壓。、G兩端的電壓將隨電源電壓的變化而變化，當(dāng)該電壓形成的電流達(dá)到雙向晶閘管的觸發(fā)電流時(shí)，雙向晶閘管導(dǎo)通。元件導(dǎo)通后與之間的電壓瞬時(shí)降至雙向晶閘管的導(dǎo)通壓降1V左右，從而使門極電壓也降至很小，不再對(duì)雙向晶閘管產(chǎn)生什么影響。本電路雙向晶閘管的觸發(fā)方式為+和-。第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管(2)用程控管(PUT)組成的觸發(fā)電路程控單結(jié)晶體管如圖1-10a所示，也是由

14、PNPN型四層半導(dǎo)體材料組成的，以陽極A、陰極C、門極G為三端的器件。圖1-10程控單結(jié)管結(jié)構(gòu)、符號(hào)及工作原理a)結(jié)構(gòu)b)符號(hào)c)工作原理第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管二、快速晶閘管 快速晶閘管有常規(guī)的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應(yīng)用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中。從關(guān)斷時(shí)間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。與普通晶閘管相比，高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。圖1-11逆導(dǎo)晶閘管電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管四、光控晶閘管 光控晶閘管又稱光觸