电力二极管和晶闸管

电力二级管和晶闸管补充内容：电力电子器件概述1.1电力二极管1.2晶闸管1.3双向晶闸管及其他派生晶闸管本章小结电子技术的基础——电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的基础——电力电子器件本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍电力二极管、晶闸管的工作原理、基本特性、主要参数、选择和使用中应注意问题。1、电力电子器件的概念和特征2、电力电子器件组成的应用系统3、电力电子器件的分类电力电子器件概述1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2）分类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管等)半导体器件(采用的主要材料仍然是硅）1、电力电子器件的概念和特征处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,多都远大于处理信息的电子器件。3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：电力电子器件一般都工作在开关状态。导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗电力电子器件的损耗电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。2、电力电子器件组成的应用系统电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路控制电路电气隔离在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。半控型器件（Thyristor）——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。3、电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。按照驱动电路信号的性质，分为两类：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——由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：一、结构和伏安特性二、主要参数三、参数选择及使用注意事项四、主要类型1.1电力二极管电力二极管结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。电力二极管及模块基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。一、结构与伏安特性AKAKa)IKAPNJb)c)AK阳极阴极1、结构和工作原理状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的状态导通条件：在阳极与阴极间加正向电压关断条件：在阳极与阴极间加反向电压PN结的反向击穿（两种形式)PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截至的工作状态，这就叫反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿（1）正向导通时管压降仅为1V左右。（2）承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流，器件处于截止状态。（3）当反向电压增大到URSM时将导致二极管发生击穿损坏。2、伏安特性UROURSMURRMIRRIRS0IDUD反向重复峰值电压反向不重复峰值电压反向漏电流0∞问题：怎样用万用表判断电力二极管的好坏？答：用万用表欧姆档R×100档或R×1k档测量。正常状态如下：正向导通反向截止0∞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3、动态特性二极管的电压-电流特性随时间变化的（结电容的存在）UFPuiiFuFtfrt02V电力二极管的动态过程波形零偏置转换为正向偏置tfr正向恢复时间1）开通过程：•正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。•正向恢复时间tfr。•电流上升率越大，UFP越高。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt电力二极管的动态过程波形正向偏置转换为反向偏置延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。2）关断过程须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。额定电流——在规定的环境温度和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140℃时，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。二、主要参数1、额定电流IF+40℃对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。3、正向平均压降UF（管压降）2、反向重复峰值电压URRM在规定环境温度和标准散热条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压（又称管压降）。一般在0.45～1V范围内。将URRM取规定的电压等级就是该元件的额定电压结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C范围之内。4、最高工作温度TJM三、参数选择及使用注意事项1、参数选择（1）额定电流的选择原则在规定的室温和冷却条件下，额定电流按下式计算：(1.52)1.57DMFII然后取相应标准系列值。流过二极管的最大电流有效值正弦半波波形系数例：如计算得IF=65A，则查表得：选取额定电流为100A的二极管安全裕量（2）额定电压的选择原则URRM=（2～3）UDM安全裕量工作电路中，管子承受的最大反向瞬时电压。UDM——然后取相应标准系列值。例：如计算得URRM=725V，查表：选取额定电压为800V的二极管2、使用注意事项（1）必须保证规定的冷却条件。如不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。（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。第1次作业（共3题）1、电力二极管的导通条件、关断条件分别是什么？2、按照电力电子器件能够被控制的程度，电力电子器件可以分为哪几类？其中电力二极管属于哪一类？3、如何用万用表判断电力二极管的好坏？又称整流二极管（RectifierDiode）。多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路。其反向恢复时间较长（5µs以上）。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。四、电力二极管的主要类型1、普通二极管（GeneralPurposeDiode）简称快速二极管。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。3）肖特基二极管常用电力二极管型号额定正向反向重复反向电流正向平恢复时间平均电流A峰值电压均电压usZP1-40001-4000A50-5000V1-40mA0.4-1V10uSZP3-20003-2000A100-4000V1-40mA0.4-1V10uS快恢复二极管（美国MOTOROLA）MR86750A600V50uA1.4V400nS超快恢复二极管（美国MOTOROLA）MUR10020CT50A200V25uA1.1V50nS常用电力二极管型号及参数1.2晶闸管一、晶闸管的结构二、晶闸管的导通与关断条件三、晶闸管的工作原理四、晶闸管的阳极伏安特性五、晶闸管的主要参数六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）外形有塑封形、螺栓形和平板形三种封装。塑封形——额定电流10A以下。螺栓型——额定电流10～200A。平板形——额定电流200A以上。平板形螺栓形一、晶闸管的结构外形结构：塑封形晶闸管的外形及电气图形符号有三个联接端。螺栓形封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板形晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。阳极门极阴极AKG问题：如何从外形上区分晶闸管的三个电极？答：塑封形：阴极阳极门极螺栓形：螺栓为阳极，粗辫子为阴极，细辫子为门极。平板形：两侧是阳极和阴极，由中间金属环边引出的细辫子是门极，门极离阴极较近。门极a)AGKP1N1P2N2J1J2J3晶闸管的内部结构及等效电路内部结构：ELAKGQ2EGEAQ1RRP晶闸管的导通关断实验电路结论：当阳极与阴极间加反向电压时，晶闸管处于关断状态。不亮二、晶闸管的导通与关断条件当晶闸管导通以后，门极失去控制作用。晶闸管的导通关断实验电路结论：当阳极与阴极间加正向电压时，且门极与阴极间也承受正向电压时，晶闸管处于导通状态。ELAKGQ2EGEAQ1RRP不亮亮晶闸管的导通关断实验电路结论：要使晶闸管关断，必须使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流IH。ELAKGQ2EGEAQ1RRP不亮亮增大RRP阻值必须同时满足：在晶闸管阳极和阴极间加正向电压。在晶闸管的门极和阴极间也加正向电压。晶闸管导通条件：注：两者缺一不可。使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流IH。晶闸管关断条件：使晶闸管关断的具体方法有：1、撤消在晶闸管阳极所施加的正向电压。2、在阳极施加反向电压。3、降低阳极正向电压数值。4、增大回路阻抗等方式。设法使流过晶闸管的阳极电流降低至维持电流以下。例：如图所示，阳极电源为交流电压，门极在t1瞬间合上开关Q，t4时刻开关Q断开，求电阻Rd上电压波形ud。gugEQ2udu1t2t3t4t5t02ugu0ttRd1t2t3t4t5t02ugu0tt0udtgugEQ2uduRd晶闸管比整流二极管多了一个控制门极，具有单向特性。晶闸管一旦导通以后，门极就失去控制作用。通常在门极只要加上一个正向脉冲电压即可，称之为触发电压。当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上