电力二极管和晶闸管

1第1章电力二极管和晶闸管1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——电力二极管1.3半控型器件——晶闸管21、概念主电路（PowerCircuit）：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件（PowerElectronicDevice)：直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2、广义分类电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已逐步被半导体器件取代）半导体器件（目前所指电力电子器件，采用材料仍然是硅）§1.1电力电子器件概述3电力电子器件是功率半导体器件。1）电力电子器件处理的电压电流较大。2）电力电子器件一般都工作在开关状态。3）注重器件的功率损耗和散热问题。4）注重对器件的保护。5）需要驱动与隔离。3、特征4电力电子系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子电路由控制电路、驱动电路、电力电子器件为核心的主电路组成4、系统组成主电路端子（公共端）——驱动电路和主电路，是主电路电流流出电力电子器件的端子。5导通主电路中电力电子器件关断检测电路、驱动电路以外的电路控制电路由信息电路组成控制电路主电路电力电子系统检测电路：检测主电路或应用现场信号通过驱动电路控制6主电路驱动电路检测电路控制信号保护电路：保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行71）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度半控型器件全控型器件通过控制信号可控制其导通而不能控制其关断｛晶闸管及其派生器件通过控制信号即可控制其导通又能控制其关断｛绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管自关断器件门极可关断晶体管处理兆瓦级大功率电能5、电力电子器件分类8不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路电力二极管不控型器件｛只有两个端子2）按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质电流驱动型电压驱动型通断93）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况单极型器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件10电力电子器件选择、使用时注意的问题工作原理基本特征主要参数电力电子器件掌握基本特征型号命名法参数特征曲线6、学习要点11逐步取代结构和原理简单工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管（半导体整流器）20世纪50年初获得应用汞弧整流器应用快恢复二极管肖特基二极管中、高频电流逆变低压高频电流§1.2不可控器件——电力二极管1、电力二极管12以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。AKAKa)IKAPNJb)c)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13普通二极管（螺栓式）普通二极管（平板式）整流二极管及模块14N型半导体和P型半导体结合后构成PN结PN结的形成－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++P型区空间电荷区N型区内电场15PN结的形成多子的扩散运动少子的漂移运动扩散电流PN结外加电场PN结自建电场方向相反形成自P区流入从N区流出的电流造成空间电荷区变窄正向电流IF－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++P型区空间电荷区N型区内电场16外加电压升高PN结的正向导通状态扩散电流增加自建电场削弱PN结流过的正向电流电阻值较高且为常数较小较大电阻率下降电导率增加电导调制效应PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。17PN结的反向截止状态PN结的单向导电性,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。反向电流IR少子浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定PN结外加反向电压外电路电流N区流入P区流入出反向饱和流IS高电阻几乎没有电流流过PN结的反向截止状态18PN结的反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结反向偏置为截止的工作状态雪崩击穿齐纳击穿热击穿因热量散发不出PN结温度上升过热烧坏19静态特性电力二极管的伏安特性电力二极管静态特征伏安特征正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态。只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。2、电力二极管的基本特性IOIFUTOUFU正向通态压降UF：0.7～1.2V反向漏电流：数十微安～数十毫安20零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中电压—电流特性随时间变化动态特性电力二极管的动态状态反映通态和断态之间过程的开关特性21电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置电力二极管的关断经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入截止状态。IRP——电流过冲最大值URP——电压过冲最大值td=t1-t0——延迟时间tf=t2-t1——电流下降时间trr=td+tf——反向恢复时间tf/td——恢复特性的软度，用Sr表示在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt22电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的开通正向恢复时间tfr电力二极管的正向压降出现过冲UFP，经过一段时间接近稳态降压的某个值，这一动态过程时间。电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。2)正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大,UFP越高。b)UFPuiiFuFtfrt02V23注意：电流、电压反向问题正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（reverser-recoverytime）以清除过剩载流子。24正向平均电流IF(AV)在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值（额定电流）。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有一定的裕量。当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造成的发热效应也不小。正向压降UF电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。3、电力二极管的主要参数25浪涌电流IFSM电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。最高工作结温TJM在PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175℃范围内。反向恢复时间trr二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。普通电力二极管：5μs以上；快恢复二极管：5μs以下，一般为数十至数百纳秒反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压26普通二极管(整流二极管）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中反向恢复时间长一般在5µs以上正向电流定额和反向电压定额很高，分别可达数千安和数千伏以上4、电力二极管的主要类型27快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5µs以下）的二极管，简称快速二极管。快恢复外延二极管反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），反向耐压多在400V以下。快速恢复二极管超快速恢复二极管反向恢复时间数百纳秒或更长100ns以下，甚至达20～30ns快恢复二极管从性能上分为两种28肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。导通压降只有0.3V（forwardvoltagedrop），反压为50-100V。反向恢复时间更短，10～40ns，不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向耐压时，正向压降也会提高，多用于200V以下的低压场合；反向漏电流也很大。29晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件§1.3半控型器件——晶闸管30P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG晶闸管外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号a)c)b)AGKGKA1、晶闸管的结构与工作原理31螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构32晶闸管塑封模块33RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)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)产生注入门极的触发电流IG的电路触发门极触发电路对晶体管的驱动IGIB2IC2（IB1）IC1IB2———————34晶体管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1(1-1)Ic2=a2IK+ICBO2(1-2)IK=IA+IG(1-3)IA=IC1+IC2(1-4)a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1-1）~式（1-4）得：)(121212aaIIIaICBOCBOGA(1-5)35晶体管的特性是：在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。其他几种可能导通的情况:•阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应•阳极电压上升率du/dt过高•结温较高使漏电流变大•光直接照射硅片，即光触发——光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段36晶闸管的伏安特性第Ⅰ象限是正向特性第Ⅲ象限是反向特性IG=0-UA0IAUbo正向导通雪崩击穿IH-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2UPRMURSMIG2IG1IGIG=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，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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。正向特性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。静态特性2、晶闸管的基本特性37晶闸管正常工作时的特性：（1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；（2）晶闸管是一种单向导电器件，即在正常触发导通时电流只能从阳极流向阴极；（3）晶闸管导通的条件：晶闸管承受正向电压，同时在门极有触发电流作用；（4）晶闸管关断条件：若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加反偏电压或外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某个值以下；（5）晶闸管维持导通的条件：晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发信号是否存在，只要流过晶闸管的电流不低于其维持电流，晶闸管就能维持导通；（6）晶闸管的误导通条件：阳极正偏电压uAK过高；duAk/dt过大；结温过高；（7）晶闸管具有双向阻断作用，既具有正向电压阻断能力，又具有反向电压阻断能力，而不是像二极管那样仅具有反向电压阻断能力。38动态特性晶闸管的开通和关断过程开通过程延迟时间td阳极电流从零上升到稳态值10%的时间上升时间tr阳极电流从10%上到稳态值的90%所需的时间开通时间t