第2讲晶闸管-医学资料

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1、电力电子技术 电力电子器件,2,1.1.1 电力电子器件组成的应用系统,1.1电力电子器件概述,主电路,采样驱动电路,数字控制器,3,4,5,1.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,6,1.1.3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

2、器件 or 场效应器件) 电流控制型,7,1.2 不可控器件电力二极管,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：PN结的单向导电性,8,9,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

3、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。,10,1.2.2 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。,12,2.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,开关特性因结电容的存在，

4、状态转换有一个过渡过程，此过程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态之间的转换过程 开通过程： 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 *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，UFP越高 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。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,14,3.电力二极管的主要参数,1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下

5、，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值（与SCR相同） 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。,15,2.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 通常是其雪崩击穿电压UB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高峰值电压的两倍来选定。 3.正向压降UF 指功率二极管在指定温度下，流过稳定的正向额定电流时，器件两端的正向平均电压，（又称管压降）。 4. 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。,3.电力二极管的主要参数,16,5. 最高工作结温TJM 结

6、温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 最高工作结温是指在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125175C范围之内 6. 反向恢复时间trr trr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的时间,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

7、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。 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,18,肖特基二极管的优点 * 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 * 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 * 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 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，因此

8、多用于200V以下； * 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。,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,20,1.3 半控型器件晶闸管,晶闸管的结构 晶闸管的工作原理 晶闸管的主要特性 晶闸管的主要参数,21,1956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(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。

9、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：晶体闸流管，可控硅整流器,引言,22,符号：阳极A，阴极K，门极G（控制极）,一、晶闸管的结构,23,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,A,G,G,K,一、晶闸管的结构,24,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、晶闸管的结构,25,常用晶闸管的结构,一、晶闸管的结构,26,从内部结构看为四层硅单晶体 四层三端器件（P1 N1 P2 N2） 三个PN结 J1,J2,J3,二、晶闸管的工作原理,27,晶闸管内部管芯结构图,二、晶

10、闸管的工作原理,28,导通的正反馈过程： Ig Ib2 Ic2 (Ib1) Ic1 半控特性： 一旦导通，UGK可有可无,二、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：,二、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,图1-8 晶闸管的伏安特性,三、晶闸管的主要特性,31,（1）正向特性 IG=0时，器件两端施加正

11、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。,三、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,+,U,A,-,U,A,-,I,A,I,A,I,H,I,G2,I,G1,I,G,=,0,U,bo,U,DSM,U,DRM,U,RRM,U,RSM,（2）反向特性,三、晶闸管的主要特性,33,断态重复

12、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。 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：,(1) 电压定额,四、晶闸管的主要参数,34,四、晶闸管的主要参数,35,通态平均电流 IT(A

13、V） 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。标称其额定电流的参数。 使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 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 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。 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）电流定额,四、晶闸管的主要参数,36,正弦半波的电流平均值与有效值：,四、晶闸管的主要参数,37,由于有效值与平均值的特定含义，这里定义两者之间

14、的比例关系为波形系数： 如果额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为1.57100157A,四、晶闸管的主要参数,38,在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦半波波形 对于这些波形，应根据电流有效值相等即发热相同的原则 将非正弦半波电流的有效值IT折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值 由于晶闸管元件的热容量小，过载能力低，故在实际选用时，一般取1.5-2倍的安全裕量,四、晶闸管的主要参数,39,公式折算含义！,IT为应用电流的有效值；Id为应用电流的平均值；Kf为应用电流的波形系 ；ITav为额定电流 用法一：对于任意波形应用，在知道具体电流大小，求解其额定电

15、流取值 用法二：对于任意波形应用，给定晶闸管的额定电流后，求解任意波形的平均值最大允许值,四、晶闸管的主要参数,40,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。标称其额定电流的参数。 使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 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 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。 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）电流

16、定额,四、晶闸管的主要参数,41,晶闸管的选取方法,主要包括额定电压、额定电流参数两部分。额定电压参数的选取主要是根据晶闸管所承受的最大电压，再根据要求乘以电压安全裕量系数； 额定电流参数的选取主要是根据晶闸管电流的通态平均值，再根据要求乘以电流安全裕量系数即可。 根据计算的电压和电流的数值，及生产厂家提供的晶闸管的参数表，就可确定所选晶闻管的型号。,42,1.4 全控型电力电子器件,门极可关断晶闸管(GTO) 电力晶体管 (GTR) 电力场效应晶体管(Power MOSFET) 绝缘栅双级晶体管(IGBT),43,门极可关断晶闸管（Power Turn off Thyristor）简称GTO。 特点：具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高电流大等；是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下器件导通，在负脉冲电流触发下器件关断。 应用：电力机车的逆变、大功率远程直流送电