第一章 电力二极管与晶闸管

《电力电子技术》第1章电力二极管与晶闸管学习目标1.掌握电力二极管的结构、伏安特性、主要参数、测试方法和选用方法。2.了解晶闸管的结构、工作原理及伏安特性3.掌握晶闸管的导通条件和关断条件。4.熟练掌握晶闸管的主要参数、测试方法和选用方法。5.掌握双向晶闸管的结构、主要参数及选用测试方法。《电力电子技术》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，在电路中常作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件。《电力电子技术》一、结构与伏安特性1.结构a)b)c)d)图1-1电力二极管的结构、符号和外形a)结构b)符号c)螺旋式外形d)平板式外形《电力电子技术》2.伏安特性电力二极管的阳极和阴极间的电压UAK和流过管子的电流IA之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图1-2所示。图1-2电力二极管的伏安特性《电力电子技术》二、主要参数1.额定正向平均电流IF在规定的环境温度为40℃和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140℃时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。将此电流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。2.反向重复峰值电压URRM在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM。将URRM值取规定的电压等级就是该元件的额定电压。3.正向平均电压UF在规定环境温度+40℃和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别称为正向平均电压UF，简称管压降，一般在0.45～1V范围内。《电力电子技术》三、电力二极管的选用1.选择额定正向平均电流IF的原则（1-1）选用时取相应标准系列值即可。2.选择额定电压URRM的原则URRM=（2～3）UDM（1-2）选用时取相应标准系列值。57.1)2~5.1(DMFII《电力电子技术》3.电力二极管的测试及使用注意事项由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用表的R×100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向电阻，可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极管的正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。注意：严禁用兆欧表测试电力二极管。电力二极管使用时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。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的1/3左右。《电力电子技术》四、电力二极管的主要类型1.整流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。但其正向电流定额和反向电压定额却很高。2.快恢复二极管恢复过程很短(一般在5μs以内)的二极管被称为快恢复二极管。可用于要求很小恢复时间的电路中。3.肖特基二极管肖特基二极管反向恢复时间很短(10～40ns)，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。多用于200V以下的低压场合；肖特基二极管适用于较低输出电压和要求较低正向管压降的换流器电路中。《电力电子技术》第二节晶闸管一、晶闸管的结构晶闸管是四层(PlNlP2N2)三端(阳极A、阴极K、门极G)器件，其内部结构和等效电路如图1-3所示。a)b)图1-3晶闸管的内部结构和等效电路a)内部结构b)以互补三极管等效《电力电子技术》晶闸管的符号及外形晶闸管的符号及外形如图1-4所示，a)b)c)图1-4晶闸管的符号及外形a)晶闸管的符号b）螺栓形晶闸管的外形c）带有散热器平板式晶闸管的外形《电力电子技术》二、晶闸管的导通与关断条件导通和关断条件可通过图1-5所示的实验图1-5晶闸管的导通与关断实验电路《电力电子技术》二、晶闸管的导通与关断条件实验结论：1）晶闸管的导通条件：在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正向电压，两者缺一不可。2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。晶闸管从阻断变为导通的过程称为触发导通。门极触发电流一般只有几十毫安到几百毫安，而晶闸管导通后，可以通过几百、几千安的电流。3)晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流IH。《电力电子技术》三、晶闸管的工作原理晶闸管等效为两个互补连接的三极管工作分析IG→IB2↑→IC2（IB1)↑→IB2↑↑＿＿＿＿＿＿＿＿↓图1-6晶闸管的工作原理示意图《电力电子技术》四、晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极与阴极间的电压ua和阳极电流ia之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图1-7所示。图1-7晶闸管的伏安特性曲线《电力电子技术》五、晶闸管主要参数1.额定电压UTn当门极开路，元件处于额定结温时，根据所测定的正向转折电压UBO和反向击穿电压URO，由制造厂家规定减去某一数值(通常为1OOV)，分别得到正向不可重复峰值电压UDSM和反向不可重复峰值电压URSM，再各乘以0.9，即得正向断态重复峰值电压UDRM和反向阻断重复峰值电压URRM。2.额定电流IT(AV)晶闸管的额定电流也称为额定通态平均电流，即在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°的电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。3.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。《电力电子技术》选用晶闸管的原则1.按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压UTM的2～3倍来选择晶闸管的额定电压，即UTn=(2～3)UTM(1-3)2.按电流有效值相等的原则进行换算，选择晶闸管的额定电流即IT=1.57IT(AV)IT(AV)=IT/1.57由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取(1.5～2)的安全裕量，即IT(AV)=(1.5～2)IT/1.57《电力电子技术》例1-1一晶闸管接在220V交流回路中，通过器件的电流有效值为100A，问选择什么型号的晶闸管?解选择晶闸管额定电压UTn=(2～3)UTM=(2～3)×220V=622～933V按晶闸管参数系列取800V，即8级。选择晶闸管的额定电流IT(AV)=(1.5～2)IT/1.57=(1.5～2)×100/1.57=95～127A按晶闸管参数系列取100A，所以选取晶闸管型号KPl00-8E。《电力电子技术》例1-2现有晶闸管型号为KP50-7，用于某电路中时，流过的电流波形如图1-9所示，试求Im允许多大?图1-9流过晶闸管的电流波形解KP50-7晶闸管允许流过的电流有效值为IT=1.57IT(AV)=1.57×50A=78.5A实际流过该管的电流有效值当考虑2倍的安全余量时，Im的允许值为3)(π21m3/π202mItdIIA68A25.783mI《电力电子技术》4．晶闸管的其他参数(1)维持电流IH在室温和门极断开时，器件从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维持电流。它一般为几毫安到几百毫安。(2)擎住电流IL晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能使器件保持导通所需要的最小阳极电流。(3)断态电压临界上升率du／dt在额定结温和门极开路情况下，不使器件从断态到通态转换的阳极电压最大上升率称为断态电压临界上升率。(4)通态电流临界上升率di／dt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。《电力电子技术》六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数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。2.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6V正向阳极电压时，使器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IGT，相应的门极电压称为门极触发电压UGT。3.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在晶闸管触发过程中，不致造成门极损坏的最大门极电压、最大门极电流和最大瞬时功率分别称为门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM。使用时晶闸管的门极触发脉冲不应超过以上数值。《电力电子技术》七、晶闸管对触发电路的要求1.触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；2.触发脉冲与主电路电源电压必须同步；3.触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。《电力电子技术》第三节晶闸管派生器件一、双向晶闸管1．双向晶闸管的结构与伏安特性曲线a)b)c)d)图1-11双向晶闸管a)双向晶闸管的结构b)等效电路c)符号d)伏安特性曲线《电力电子技术》2．双向晶闸管的参数双向晶闸管的主要参数中只有额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义与普通晶闸管相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电流不是用平均值，而是用有效值(方均根值)来表示，定义为：在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170°时，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用IT(RMS)表示。双向晶闸管有效值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为(1-7)以此推算，一个100A的双向晶闸管与两个45A的普通晶闸管反并联电流容量相等。T(RMS)T(RMS)T(AV)45.0π2III《电力电子技术》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：(1)I+触发方式主极T2为正，T1为负；门极电压G为正，T1为负。(2)I_触发方式主极T2为正，T1为负；门极电压G为负，T1为正。(3)Ⅲ+触发方式主极T2为负，T1为正；门极电压G为正，T1为负。(4)Ⅲ—触发方式主极T2为负，T1为正；门极电压G为负，T1为正。四种触发方式中触发灵敏度不相同，I+触发方式灵敏度最高，Ⅲ+触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开Ⅲ+，常采用的触发方式为I+和Ⅲ-。《电力电子技术》二、快速晶闸管快速晶闸管是专为快速应用而设计的晶闸管，国产快速晶闸管为KK系列。常规的快速晶闸管工作在400Hz以下，更高频的晶闸管可应用于10kHz以上的斩波或逆变电路中。快速晶闸管的开关时间以及du／dt和di／dt耐量都有了明显改善。从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10μs左右。与普通晶闸管相比，高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。《电力电子技术》三、逆导晶闸管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电力集成器件，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通，其电气图形符号和伏安特性如图1-13所示。图1-13逆导晶闸管的电气符号和伏安特性《电力电子技术》四、光控晶闸管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，其电气图形符号和伏安特性如图1-14所示。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子，大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。图1-14光控晶闸管的电气符号和伏安特性《电力电子技术》本章小结电力二极管也是由PN结组成，加正向电压导通，加反向电压截止，是一个不可控的单向导通器件。普通晶闸管内部为PNPN四层结构，向外引出阳极A、阴极K和门极G三个电极。它的导通条件是：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。晶闸管的工作原理可用两个互补连接的等效晶体管电路来分析，当门极注入一定电流时，会形成一个强烈的正反馈过程，使管子迅速饱和导通。管子导通时，内部等效电路中的任一只管子的集电极电流即为另一只管子的基极电流，去除门极触发电流不会影响管子的导通状态，即门极失去控制作用。《电力电子技术》本章小结熟悉晶闸管的阳极和门极伏安特性和主要参数，对正确使用和选择器件有着重要的意义。选择晶