第2讲晶闸管名师编辑PPT课件.ppt

电力电子技术 电力电子器件21.1.1 电力电子器件组成的应用系统1.1电力电子器件概述电力电子器件概述 主电路采样驱动电路数字控制器3控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2451.概念 电力电子器件（Power Electronic Device）是指可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2.特征处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，一般都远大于处理信息的电子器件；电力电子器件一般都工作在开关状态；需要驱动电路；电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件 1.1.2电力电子器件的概念与特征 61.1.3电力电子器件的分类受控程度 不控型 半控型 全控型控制方式 电压控制型(场控器件 or 场效应器件)电流控制型71.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.2.1 电力二极管的工作原理当PN结外加正向电压（P极加正、N极加负）时，有从P到N的正向电流流过，此时，PN结表现为低阻，电力二极管电压降维持在1V左右，称为正向导通。当PN结加反向电压（P负N正）时，只有极小的反向漏电流流过PN结，此时PN结表现为高阻，称为反向截止。二极管的基本原理二极管的基本原理：PN结的单向导电性8-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场9反向击穿 施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，从而破坏PN结反向为截止的工作状态，这就叫做反向击穿。热击穿 当发生发生反向击穿时，如果反向电流未被限制住，使得反向电流和反向电压的乘积超过了PN结所容许的耗散功率，就会因大量的热量散发不出去而导致PN结结温快速上升，直至过热而烧毁，这就是热击穿。101.2.2 电力二极管的基本特性与参数 1.电力二极管的伏安特性 外加电压大于二极管的门槛电压UTO时正向电流开始迅速增加，二极管即开始导通。功率二极管两端的电压UF即为其正向电压降。11当电力二极管承受反向电压时，只有很小的反向漏电流IRR流过，器件处于反向截止状态。当反向电压增大到UB时，PN结内产生雪崩击穿，反向电流急剧增大，这将导致二极管发生击穿损坏。122.电力二极管的开关特性 a)正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置 13开关特性开关特性因结电容的存在，状态转换有一个过渡过程，此过程因结电容的存在，状态转换有一个过渡过程，此过程中的电压中的电压电流特性是随时间变化的，开关特性即反映通态和断电流特性是随时间变化的，开关特性即反映通态和断态之间的转换过程态之间的转换过程开通过程：开通过程：二极管的正向压降先出现一个过冲二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。这一动态过程时间被称为正向恢复时间近稳态压降的某个值。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。*达到稳态导通前管压降较大达到稳态导通前管压降较大 *正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，升率越大，UFP越高越高关断过程：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。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电态。在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压过冲143.电力二极管的主要参数 1.正向平均电流正向平均电流IF(AV)额定电流额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值（波电流的平均值（与与SCR相同相同）正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时使用时应按有效值相等的原则应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应来选取电流定额，并应留有一定的裕量。留有一定的裕量。152.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压通常是其雪崩击穿电压UB的的2/3。使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。高峰值电压的两倍来选定。3.正向压降正向压降UF 指功率二极管在指定温度下，指功率二极管在指定温度下，流过稳定的流过稳定的正向正向额定电流额定电流时，器件两端的正向平均电压时，器件两端的正向平均电压，（又称管压降）。（又称管压降）。4.反向漏电流反向漏电流IRR 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。3.电力二极管的主要参数16 5.最高工作结温最高工作结温TJM 结温结温是指管芯是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示表示 最高工作结温最高工作结温是指在是指在PN结不致损坏的前提下所能承结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度受的最高平均温度 TJM通常在通常在125175 C范围之内范围之内 6.反向恢复时间反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到，关断过程中，电流降到0起到恢复反向起到恢复反向阻断能力止的时间阻断能力止的时间 17普通二极管普通二极管又称为整流二极管（Rectifier Diode）常用于开关频率在1KH以下的整流电路中，其反向恢复时间在5s以上，额定电流可达数千安培，额定电压达数千伏以上。快恢复二极管反向恢复时间在5s以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode简称为FRD）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百ns以上，后者的反向恢复时间则在100ns以下，多用于高频整流和逆变电路中。肖特基二极管反向恢复时间为1040ns，反向耐压在200V以下。多用于高频小功率整流或高频控制电路。n结构特殊:金属层+N,不是完整的 PN 结，利用接触势垒的单向导电作用 二极管的几种类型二极管的几种类型18肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点*反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（1040ns）*正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲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 于快恢复二极管于快恢复二极管*其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高效率高肖特基二极管的弱点：肖特基二极管的弱点：当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于此多用于200V以下；以下；*反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。肖特基二极管肖特基二极管19应用于高频/低压场合高频:因为其 trr 小低压:压降小,器件损耗小耐压等级低限制其在高输出电压的应用场合肖特基应用场合201.3 1.3 半控型器件晶闸管半控型器件晶闸管 1.晶闸管的结构2.晶闸管的工作原理3.晶闸管的主要特性4.晶闸管的主要参数211956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(16A/300V)。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。晶闸管晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器引言22符号符号：阳极A，阴极K，门极G（控制极）一一、晶闸管的结构晶闸管的结构23螺栓形螺栓形：螺栓阳极A，粗引线 阴极K 细引线-门极G 特点：安装方便 K AGG K一一、晶闸管的结构晶闸管的结构24平板形平板形：两面分别为阳极A和阴极K 中间引出线-门极G 特点：散热效果好，容量大一一、晶闸管的结构晶闸管的结构25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一一、晶闸管的结构晶闸管的结构26从内部结构看为四层硅单晶体硅单晶体四层三端器件（P1 N1 P2 N2）三个PN结 J1,J2,J3 二二、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理27 晶闸管内部管芯结构图二二、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理28导通的正反馈过程导通的正反馈过程：Ig Ib2 Ic2(Ib1)Ic1半控特性：半控特性：一旦导通，UGK可有可无二二、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理29承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：二二、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理30 晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-8 晶闸管的伏安特性三三、晶闸管的主要特性晶闸管的主要特性31（1）正向特性正向特性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。(雪崩击穿/非正常导通)随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG三三、晶闸管的主要特性晶闸管的主要特性32反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性三三、晶闸管的主要特性晶闸管的主要特性33断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压UDSM在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压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。反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压URSM 在门极断路而结温为额定值时，允许不重复加在器件上的反向峰值电压。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额定电压。选用时，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。使用注意：使用注意：(1)电压定额电压定额四、四、晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数34正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM四、四、晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数35通态平均电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 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，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍。倍。浪涌电流浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。2 2）电流定额电流定额四、四、晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数36正弦半波的电