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1、鄂东职业技术学院,11,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作业习题解答,鄂东职业技术学院,12,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。,一、结构二、伏安特性三、主要参数四、参数选择及使用注意事项五、主要类型,鄂东职业技术学院,13,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。,一、结构,第一
2、节电力二极管,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,鄂东职业技术学院,14,门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,图1-2 电力二极管的伏安特性,第一节电力二极管,二、伏安特性,鄂东职业技术学院,15,1、额定电流IF 在规定的环境温度为400和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过1400C时所允许长时间连续流过50HZ正弦半波的电流平均值。2、反向重复峰值电压URRM 在额定结温条件下，取元件反向不重复峰值电压URSM的
3、80%称为反向重复峰值电压。3、正向平均电压UF 在规定的环境温度为400和标准散热条件下，元件50HZ正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间电压的平均值。一般为0.451V。4、最高工作结温TJM 指PN结不致损坏的前提条件下所能承受的最高平均温度。,三、主要参数,第一节电力二极管,鄂东职业技术学院,16,1、参数选择 1）额定电流IF的选择原则 IDM流过二极管的最大有效电流。2）额定电压URRM的选择原则,四、参数选择及使用注意事项,第一节电力二极管,2、使用注意事项 1）必须保证规定的冷却条件。2）平板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。,鄂东职业
4、技术学院,17,1、普通二极管（General Purpose Diode）反向恢复时间长。工作频率在1KHZ以下。2、快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）反向恢复时间短，在100ns以下。3、肖特基二极管(Schottky Barrier Diode SBD)以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管叫肖特基二极管。反向恢复时间极短（10-40ns）。,五、主要类型,第一节电力二极管,鄂东职业技术学院,18,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
5、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。,鄂东职业技术学院,19,晶闸管具有四层PNPN结构，引出阳极A、阴极K和门极G三个电极。晶闸管的常见封装外形有塑封型、螺栓型、平板型三种。螺栓型封装的晶闸管，通常螺栓是其阳极，与散热器紧密联接，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1-3 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形 b)结构 c)电气
6、图形符号,G,一、晶闸管的结构,鄂东职业技术学院,110,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,一、晶闸管的结构,动画,鄂东职业技术学院,111,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,鄂东职业技术学院,112,二、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。,动画,鄂东职业技术学院,113,二、晶闸管的导通和关断条件,4）要使晶闸管关断，可以去掉阳极电压、阳极加反压；或者降
7、低阳极电压或增大回路电阻。,3）晶闸管一旦触发导通后，Q2不论正接、反接或断开，晶闸管保持导通状态不变，灯泡一直发亮。说明门极失去控制作用。,2）当Q1扳向左方，晶闸管承受正电压，仅当门极承受正电压灯泡才会亮。,1）当Q1扳向右方，则不论门极承受何种电压，晶闸管都不导通，灯泡不会亮。,实验步骤如下：,动画,鄂东职业技术学院,114,二、晶闸管的导通和关断条件,实验结论：,1）晶闸管导通条件：阳极-阴极间加正电压，同时门极-阴极间加正电压，两个条件要同时满足。即 UAK0 同时 UGK0,2）晶闸管一旦触发导通，门极失去控制作用。因此，通常在门极只要加上一个正向脉冲电压即可。,3）晶闸管的关断条
8、件：使流过晶闸管的电流小于维持电流。,晶闸管关断举例：普通晶闸管直流开关电路,鄂东职业技术学院,115,三、晶闸管的工作原理分析,1）控制极无电流输入时，无论阳极电压极性如何，晶闸管中的三个结，始终有一个处于反向偏置状态，晶闸管不会导通。,动画,鄂东职业技术学院,116,2）阳极加上正向电压，只要控制极有电流输入,则PN结J2失去阻挡作用。晶闸管内部形成强烈的正反馈，瞬时使两晶体管饱和导通即晶闸管导通。IG Ib2 Ic2(=2IK)Ib1 Ic1(=1IA)IA,晶闸管导通后，即使IG=0，因IC1流入门极起到触发电流的作用，晶闸管将持续导通。阳极电流小于维持电流，正反馈不能进行，NPN管截
9、止，晶闸管也就截止。,图1-5 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,动画,鄂东职业技术学院,117,1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压UBO，则漏电流急剧增大，器件开通。阳极电压太大时，会使晶闸管“硬导通”，多次硬导通会损坏管子。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管导通后的特性和二极管的正向特性相似。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。晶闸管导通后，如果阳极电流降至维持电流IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，晶闸管关断。,正向,导通,雪崩,击穿,O,+UA
10、,-UA,-,IA,+IA,I,H,IG1,UBO,UDRM,URSM,图1-5 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,四、晶闸管的阳极伏安特性,URRM,IG2,IG=0,UDSM,正向特性,鄂东职业技术学院,118,2）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,反向特性,鄂东职业技术学院,119,1.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
11、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。3)通态（峰值）电压UTM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,鄂东职业技术学院,120,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。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23倍，即UTn（）UTM(在交流市电中UTM311V),一般来说，SCR的额定电压等级规范标准为：100V1000V，每100V一个等级；1000V3000V，每200V一个等级。,五、晶闸管的主要参数,鄂
12、东职业技术学院,121,举例：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：,五、晶闸管的主要参数,或,鄂东职业技术学院,122,2.额定电流（通态平均电流）IT(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。,五、晶闸管的主要参数,鄂东职业技术学院,123,晶闸管的通态
13、平均电流IT(AV)和正弦电流最大值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：,五、晶闸管的主要参数,鄂东职业技术学院,124,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(1.52)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。,五、晶闸管的主要参数,鄂东职业技术学院,125,1）通态平均电压UT(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UT(AV)分为A
14、，对应为0.4V1.2V共九个组别。2)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，则IH越小3)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24倍。,3.其他参数,五、晶闸管的主要参数,鄂东职业技术学院,126,4)断态电压临界上升率dudt：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didt：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。,五、
15、晶闸管的主要参数,3.其他参数,鄂东职业技术学院,127,六、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。,鄂东职业技术学院,128,2、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。）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
16、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。）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PGM,六、晶闸管门极伏安特性及主要参数,鄂东职业技术学院,129,六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数,普通晶闸管具有单向可控特性，电流只能从阳极流向阴极。它不但有反向阻断能力，同时具有正向阻断能力。门极像一扇闸门一样，起着控制导通的作用。可用很小的门极电流就能控制很大的阳极电流。晶闸管阻断时，只有很小的漏电流，导通时只有1V左右的导通压降。晶闸管只能稳定工作在“阻断”与“导通”二状态，是比较理想的单向无触点功率开关。,鄂东职业技术学院,130,有一晶闸管的电流额定值I（
17、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倍的安全裕量后得：,举例：,2,鄂东职业技术学院,131,一、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。其内部有NPNPN五层结构,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管集成的。引出三个电极，即两个主电极T1和T2，一个门极G。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,鄂东职业技术学院,132,2.双向晶闸管
18、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。双向晶闸管的额定电流值，不用平均值而用有效值来表示。双向晶闸管有效值（方均根值）电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为,第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管,图1-7 双向晶闸管,鄂东职业技术学院,133,3.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T1为正（相对于T2）；门极电压G为正（相对于T2）。特性曲线在第象限。-触发方式：主极T1为正；门极电压G为负。特性曲线在
19、第象限。+触发方式：主极T1为负；门极电压G为正。特性曲线在第象限。-触发方式：主极T1为负；门极电压G为负。特性曲线在第象限。由于双向晶闸管内部结构的原因，四种触发方式中以+灵敏度最高，-次之。以+灵敏度最低，使用时要尽量避开。常用的触发方式为+和-。,第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管,鄂东职业技术学院,134,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达到调压的目的。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。,鄂东职业
20、技术学院,135,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（10kHz以上）；管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt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，高频晶闸管10s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；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；快速晶闸管由于允许长期通过的电流有限，所以不宜在低频下工作。,二、快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST),鄂东职业技术学院,136,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，这种器
21、件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。,三、逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,图1-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号 b)伏安特性,鄂东职业技术学院,137,四、光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。,图1-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号 b)伏安特性,光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。光控晶闸管目前用在高压大功率的场合。,鄂东职业技术学院,138,本章小结
22、,普通晶闸管导通条件是：对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适当的正向电压。关断条件是：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。,熟悉晶闸管的阳极和门极伏安特性和主要参数，对正确使用和选择元件有着重要的意义。选择晶闸管的额定电压应为元件在电路中可能承受的最大瞬时值电压的23倍。晶闸管为单向可控器件,故其额定电流定义为平均值，但由于晶闸管的结温与流过器件的有效电流有关，所以选择额定电流参数时，应使额定电流有效值大于元件在电路中可能流过的最大电流有效值，一般取1.52倍安全裕量。,鄂东职业技术学院,139,双向晶闸管内部结构可看作两只普通晶闸管反并联，引出的三个端子为主极T
23、1、T2和门极G。它具有正反向对称的伏安特性，主要参数有断态重复峰值电压UDRM和额定通态电流IT，因双向晶闸管正反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效值。双向晶闸管有四种触发方式：+、-、+、-，其中以+触发灵敏度最高，应优先采用，以+触发灵敏度最低，应尽量避开。常采用的触发方式有+、-。,本章小结,鄂东职业技术学院,140,作业,课本第17页 第1、2题 课本第18页 第3,4,5题,鄂东职业技术学院,141,习题解答,P18.6双向晶闸管额定电流参数是如何定义的？额定电流为 100A 的双向晶闸管若用普通晶闸管反并联代替，普通晶闸管的额定电流应选多大？答：1）双向晶闸管额定电流参数是以
24、流过管子的电流有效值来定义的；2）双向晶闸管方均根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为 I T（AV）=0.45I T（RMS）以此推算，一个 100的双向晶闸管与两个反并联 45的普通晶闸管电流容量相等。,鄂东职业技术学院,142,答：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：(一)+触发方式 主极1 为正，2 为负；门极电压为正，2 为负。特性曲线在第象限。(二)-触发方式 主极1 为正，2 为负；门极电压为负，2 为正。特性曲线在第象限。(三)+触发方式 主极1 为负，2 为正；门极电压为正，2 为负。特性曲线在第象
25、限。(四)-触发方式 主极1 为负，2 为正；门极电压为负，2 为正。特性曲线在第象限。由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中，+触发方式触发灵敏度为最低。,P18.7说明图1-18 所示电路的工作原理，指出双向晶闸管的触发方式。,鄂东职业技术学院,143,P18.8图1-19 为程控管组成的蓄电池充电电路，说明该电路的工作原理。,答：程控管PUT 的 C 端电压上升快，导通电阻小，工作频率高，输出脉冲幅值大。当 c 点电位高于 b 点电位时，程控管PUT 导通，电容C 放电，输出的脉冲经 V1 功率放大后触发双向晶闸管 VT。该电路有以下特点：1）c 点电位、b 点电位跟随蓄电池被充电后的电位升高而升高；2）蓄电池接反或短路时VT 不工作；3）被充电蓄电池的电压大小取决于电源变压器TR 的二次侧电压峰值大小。,
