电力电子技术课件第1章

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1、第1章 功率二极管、晶闸管 及单相相控整流电路,1.1 功率二极管 1.2 晶闸管 1.3 单相相控整流电路 1.4 晶闸管触发电路 习题及思考题,1.1 功 率 二 极 管,1.1.1 功率二极管的工作原理 功率二极管是以PN结为基础的，实际上就是由一个面积较大的PN结和两端引线封装组成的。功率二极管的结构和图形符号如图1-1所示。,图 1-1 功率二极管的结构和图形符号,功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形， 如图1-2 所示。,图 1-2 功率二极管的外形 (a) 螺栓型； (b) 平板型,功率二极管和电子电路中的二极管工作原理一样，即若二极管处于正向电压作用下，则PN结导通， 正向管

2、压降很小； 反之， 若二极管处于反向电压作用下，则PN结截止， 仅有极小的可忽略的漏电流流过二极管。经实验测量可得功率二极管的伏安特性曲线，如图1-3所示。,图1-3 功率二极管的伏安特性曲线 (a) 螺栓型； (b) 平板型,1.1.2 功率二极管的主要参数 1正向平均电流I F(AV) 功率二极管的正向平均电流I F(AV)是指在规定的管壳温度和散热条件下允许通过的最大工频半波电流的平均值, 元件标称的额定电流就是这个电流。实际应用中，功率二极管所流过的最大有效电流为I，则其额定电流一般选择为,式中的系数1.52是安全系数。,2正向压降UF 正向压降UF是指在规定温度下，流过某一稳定正向电

3、流时所对应的正向压降。,3 反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压， 通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。一般在选用功率二极管时， 以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。,4反向恢复时间trr 反向恢复时间是指功率二极管从所施加的反向偏置电流降至零起到恢复反向阻断能力为止的时间。,1.1.3 功率二极管的主要类型 1 整流二极管 整流二极管多用于开关频率不高的场合，一般开关频率在1 kHz以下。 整流二极管的特点是电流定额和电压定额可以达到很高，一般为几千安和几千伏，但反向恢复时间较长。,2 快速恢复二极管 快速恢复二极管的特点是

4、恢复时间短，尤其是反向恢复时间短，一般在5 s以内，可用于要求很小反向恢复时间的电路中，如用于与可控开关配合的高频电路中。,3 肖特基二极管 肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管， 其反向恢复时间更短， 一般为1040 ns。 肖特基二极管在正向恢复过程中不会有明显的电压过冲， 在反向耐压较低的情况下正向压降也很小，明显低于快速恢复二极管，因此，其开关损耗和正向导通损耗都很小。肖特基二极管的不足是，当所承受的反向耐压提高时，其正向电压有较大幅度提高。它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。,1.2 晶 闸 管,1.2.1 晶闸管的结构 晶闸管是一种大功率半导

5、体变流器件， 它具有三个PN结的四层结构，其外形、 结构和图形符号如图1-4所示。由最外的P1层和N2层引出两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间P2层引出的电极是门极G（也称控制极）。,图 1-4 晶闸管的外形、 结构和图形符号(a) 外形； (b) 结构； (c) 图形符号,常用的晶闸管有螺栓式和平板式两种外形，如图1-4(a)所示。晶闸管在工作过程中会因损耗而发热，因此必须安装散热器。螺栓式晶闸管是靠阳极（螺栓）拧紧在铝制散热器上， 可自然冷却；平板式晶闸管由两个相互绝缘的散热器夹紧晶闸管， 靠冷风冷却。 额定电流大于200 A的晶闸管都采用平板式外形结构。此外，晶闸管的冷却方式还有水冷

6、、油冷等。,1.2.2 晶闸管的工作原理 我们通过图1-5所示的电路来说明晶闸管的工作原理。 在该电路中，由电源Ea、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成晶闸管主电路； 由电源Eg、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路, 也称触发电路。,图 1-5 晶闸管导通试验电路图,当晶闸管的阳极A接电源Ea的正端，阴极K经白炽灯接电源的负端时， 晶闸管承受正向电压。当控制电路中的开关S断开时， 白炽灯不亮， 说明晶闸管不导通。 当晶闸管的阳极和阴极承受正向电压，控制电路中开关S闭合， 使控制极也加正向电压（控制极相对阴极）时，白炽灯亮， 说明晶闸管导通。 当晶闸管导通时，将控制极上的电压去掉（即将开关S断开

7、），白炽灯依然亮，说明一旦晶闸管导通，控制极就失去了控制作用。 当晶闸管的阳极和阴极间加反向电压时，不管控制极加不加电压，灯都不亮， 晶闸管截止。如果控制极加反向电压， 无论晶闸管主电路加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。,通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件： （1） 晶闸管主电路加正向电压。 （2） 晶闸管控制电路加合适的正向电压。 为了进一步说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的，连接形式如图1-6所示。阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极，阴极K相当于NPN型晶体管V2的发射极。,图 1-6 晶闸管工作原理等效电路,当晶闸管

8、阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时， 晶体管V2处于正向偏置，EC产生的控制极电流IG就是2的基极电流IB2，V2的集电极电流IC2 =2 IG 。而IC2 又是晶体管1的基极电流，1的集电极电流IC1=1IC2 =12 IG （ 1和2分别是1和V2的电流放大系数）。电流IC1又流入V2的基极， 再一次放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后， 晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。,在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持， 即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通

9、状态。因此， 控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。 要想关断晶闸管， 最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。 可采用的方法有： 将阳极电源断开； 改变晶闸管的阳极电压的方向， 即在阳极和阴极间加反向电压。,1.2.3 晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极与阴极间的电压UA和阳极电流IA的关系称为阳极伏安特性， 正确使用晶闸管必须要了解其伏安特性。 图1-7所示即为晶闸管阳极伏安特性曲线， 包括正向特性（第一象限）和反向特性（第三象限）两部分。,图 1-7 晶闸管阳极伏安特性曲线,晶闸管的正向特性又有阻

10、断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时， 晶闸管的伏安特性是一组随门极电流IG的增加而不同的曲线簇。当IG =0时，逐渐增大阳极电压UA，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断；随着阳极电压的增加，当达到正向转折电压UBO时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断突变为正向导通状态。 这种在IG =0时，依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”。多次“硬开通”会使晶闸管损坏，因此通常不允许这样做。,随着门极电流IG的增大，晶闸管的正向转折电压UBO迅速下降，当 IG足够大时，晶闸管的正向转折电压很小，可以看成与一般二极管一样，只要加上正向阳极电压，管子就导通了。 晶闸管正向导通的伏安特性与

11、二极管的正向特性相似，即当流过较大的阳极电流时， 晶闸管的压降很小。 ,UDRM、 URRM正、 反向断态重复峰值电压； UDSM、URSM正、 反向断态不重复峰值电压； UBO正向转折电压； URO反向击穿电压。,晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减小阳极电流IA，使IA下降到小于维持电流IH（维持晶闸管导通的最小电流），则晶闸管又由正向导通状态变为正向阻断状态。 图1-7中各物理量的含义如下：,晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。在正常情况下，当承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增加到一定值时，反向漏电流增加较快，再继续增大

12、反向阳极电压会导致晶闸管反向击穿， 造成晶闸管永久性损坏，这时对应的电压为反向击穿电压URO。,1.2.4 晶闸管的主要参数 1 正向重复峰值电压UDRM 在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM。一般规定此电压为正向转折电压UBO的80%。 2反向重复峰值电压URRM 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM。此电压取反向击穿电压URO的80%。 ,3 通态平均电流IV(AV) 在环境温度小于40和标准散热及全导通的条件下， 晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流平均值称为通态平均电流IV(AV

13、)或正向平均电流，通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。 如果正弦半波电流的最大值为IM，则,额定电流有效值为,然而在实际使用中，流过晶闸管的电流波形形状、波形导通角并不是一定的，各种含有直流分量的电流波形都有一个电流平均值（一个周期内波形面积的平均值），也就有一个电流有效值（均方根值）。现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用Kf表示，即,根据上式可求出正弦半波电流的波形系数,这说明额定电流IV(AV)=100 A的晶闸管，其额定电流有效值为IV=KfIV(AV)=157 A。,不同的电流波形有不同的平均值与有效值，波形系数Kf也不同。在选用晶闸管的时候，首先要根据管子的

14、额定电流（通态平均电流）求出元件允许流过的最大有效电流。不论流过晶闸管的电流波形如何，只要流过元件的实际电流最大有效值小于或等于管子的额定有效值，且散热冷却在规定的条件下，管芯的发热就能限制在允许范围内。由于晶闸管的电流过载能力比一般电机、电器要小得多，因此在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少要乘以1.52的安全系数，使其有一定的电流裕量。,4维持电流IH和掣住电流IL 在室温且控制极开路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH。维持电流大的晶闸管容易关断。维持电流与元件容量、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH的实测值

15、。 给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态时就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流IL。对同一晶闸管来说，掣住电流 IL要比维持电流IH大24倍。 ,5 晶闸管的开通与关断时间 1） 开通时间tgt 一般规定：从门极触发电压前沿的10%到元件阳极电压下降至10%所需的时间称为开通时间tgt ，普通晶闸管的tgt约为6 s。开通时间与触发脉冲的陡度大小、结温以及主回路中的电感量等有关。为了缩短开通时间，常采用实际触发电流比规定触发电流大35倍、前沿陡的窄脉冲来触发，称为强触发。另外， 如果触发脉冲不够宽， 晶闸管就不可能触发导通。一般说来， 要求触发脉冲的宽度稍大于tgt ，以保证晶闸管可靠触发。,2） 关断时间tq 晶闸管导通时，内部存在大量的载流子。晶闸管的关断过程是： 当阳极电流刚好下降到零时，晶闸管内部各PN结附近仍然有大量的载流子未消失，此时若马上重新加上正向电压， 晶闸管仍会不经触发而立即导通，只有再经过一定时间，待元件内的载流子通过复合而基本消失之后，晶闸管才能完全恢复正向阻断能力。我们把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需要的这段时间称为关断时间tq。 晶闸管的关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒。,