电力二极管和晶闸管

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1、第第1 1章 电力二极管和晶闸管章 电力二极管和晶闸管1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.3 1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管11 1、概念、概念 主电路（Power Circuit）：在电气设备或电力系统中 ，直接承担电能的变化或控制任务的电路。 电力电子器件（Power Electronic Device) ：直接用于处 理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子 器件。2 2、广义、广义分类分类电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已 逐步被半导体器件取代） 半导体器件（目前所指电力电子器件，采 用材料仍然是硅）

2、 1.11.1 电力电子器件概述 电力电子器件概述2电力电子器件是功率半导体器件。1）电力电子器件处理的电压电流较大。2）电力电子器件一般都工作在开关状态。3）注重器件的功率损耗和散热问题。4）注重对器件的保护。5）需要驱动与隔离。3 3、特征、特征3电力电子系统组成控制电路检测 电路驱动 电路RL主电路V1V2电力电子电路由控制电路、驱 动电路、电力电 子器件为核心的 主电路组成4 4、系统组成、系统组成主电路端子（公共端）驱动电路和主电路， 是主电路电流流出电力电子器件的端子。4导通主电路中 电力电子器件关断检测电路、驱动电路以外的电路控制电路由信息电路组成控制电 路主电路电力电子系统检测

3、电路： 检测主电路或应用现场信号通过驱动电路 控制5主电路驱动电路检测电路控制信号电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离保护电路 ：保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠运行61）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度半控型器件全控型器件通过控制信号可控制 其导通而不能控制其关断晶闸管及其派生器件通过控制信号即可控制 其导通又能控制其关断绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管自关断器件门极可关断晶体管 处理兆瓦级 大功率电能5 5、电力电子器件分类、电力电子器件分类7不能用控制信号控制 其通断，不需要驱动电路电力二极管不控型器件只有两个端子2）按照驱动电路加在电力电子器

4、件控制端和公共端 之间信号的性质电流驱动型电压驱动型控 制 端通 断注 入 电 流抽 出 电 流电压信号公 共 端控 制 端83）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况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单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件9电力电子器件选择、使用时 注意的问题 工作原理 基本特征 主要参数电力电子器件掌握基本特征 型号命名法 参数 特征曲线6 6、学习要点、学习要点10逐步 取代结构和原理简单 工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管 （半导体整流器）20世纪50年 初获得应用汞弧 整流器应用快恢复二极

5、管 肖特基二极管中、高频电流 逆变 低压高频电流1.21.2 不可控器件 不可控器件电力二极管电力二极管 1 1、电力二极管、电力二极管11以半导体PN结 为基础，由一个 面积较大的PN结 和两端引线以及 封装组成，外形 上看，主要有螺 栓型和平板型两 种封装，基本结 构和工作原理与 信息电子电路中 的二极管一样。电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号12普通二极管（螺栓式） 普通二极管（平板式） 整流二极管及模块13N型半导体和P型半导体结合后构成PN结PN结的形成 + + + + + + + + + + + + + + + + + P型区空间电荷区

6、 N型区内电场14PN结的形成多子的扩散运动少子的漂移运动扩散电流PN结 外加电场PN结 自建电场方向相反形成自P区流 入从N区流出 的电流内部外电路造成空间电 荷区变窄正向电流 IF + + + + + + + + + + + + + + + + + P型区空间电荷区 N型区内电场15外加电压升高PN结的正向导通状 态扩散电流增加自建电场削弱PN结流过 的正向电流电阻值较高且为常数较小较大电阻率下降电导率增加电导调 制效应PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结 在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏 置的PN结表现为低阻态。16PN结的反向截止状态 PN结的单向 导电

7、性,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性 这个主要特征。反向电流IR少子浓度很小，在 温度一定时漂移电 流的数值趋于恒定PN结外加 反向电压外电路电 流N区流入P区流入出反向 饱 和流IS高 电 阻几 乎 没 有 电 流 流 过 PN结的反向截止状态17PN结的反向击穿施加PN结反 向电压过大反向电流 急剧增大破坏PN结反向偏置 为截止的工作状态雪崩击穿齐纳击穿热击 穿因热量散发不 出 PN结温度上升 过热烧坏18静态特性电力二极管的伏安特性电力二极管 静态特征伏安特征值定一到大压电向正正向电流开始明 显增加，处于稳 定导通状态。承受反向电压时只有少子引起的 微小而数值恒定 的反向漏电流。

8、正向电流IF对应的 电力二极管两端 的电压UF为其正 向电压降。2 2、电力二极管的基本特性、电力二极管的基本特性IOIFUTOUFU正向通态压降UF：0.71.2V 反向漏电流：数十微安数十毫安19零偏置正向 偏置反向 偏置过渡过程中 电压电流 特性随时间 变化 动态特性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20电力二极管的动态过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置电力二极管的关断 经过一段短暂的时间才 能重新获得反向阻断， 进入截止状态。IRP电流过冲最大值URP电压过冲最大值td= t1-t0延迟时间tf= t2-t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间tf /td 恢

9、复特性的软度， 用Sr表示在关断之前有较大的 反向电流，伴随明显 的反向电压过冲。a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt21电力二极管的动态过程波形b) 零偏置转换为正向偏置电力二极管的开通正向恢复时间tfr 电力二极管的正向压降出 现过冲UFP，经过一段时间 接近稳态降压的某个值， 这一动态过程时间。 电压过冲原因 1)电导调制效应起作用所需 大量少子需要一定时间储 存达到稳态导通前管压降 较大。 2)正向电流的上升因器件 自身的电感而产生较大压 降。电流上升率越大, UFP 越高。b)U FPu i i Fu Ft frt02V22注意：电流、电压

10、反向问题正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导 通时，二极管看成是理想开关元件，因为 它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小 的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时 间（reverser-recovery time）以清除过剩 载流子。23正向平均电流IF(AV)在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大 工频正弦半波电流的平均值（额定电流）。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按 有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有 一定的裕量。当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造 成的发热效应也不小 。正向压降UF 电力二极管

11、在正向电流导通时二 极管上的正向压降。3 3、电力二极管的主要参数、电力二极管的主要参数24浪涌电流IFSM 电力二极管所能承受的最大的连 续一个或几个工频周期的过电流。最高工作结温TJM 在PN结不受损坏的前提下，二 极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175范围 内。 反向恢复时间trr 二极管由导通到截止、并恢复 到自然阻断状态所需的时间。 普通电力二极管：5s以上； 快恢复二极管： 5s以下，一般为数十至数百纳秒反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复 施加的反向最高峰值电压25普通二极管 (整流二极管）多用于开关频率 不高（1kHz以下） 的整流电路中 反向恢复时间长 一

12、般在5s以上正向电流定额和 反向电压定额很 高，分别可达数 千安和数千伏以上 4 4、电力二极管的主要类型、电力二极管的主要类型26快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（ 5s以下 ）的二极管，简称快速二极管 。快恢复外延二极管反向恢复时间更短（可低于50ns），正向 压降也很低（0.9V左右），反向耐压多在400V以下。快速恢复二极管超快速恢复二极管 反向恢复时间 数百纳秒或更长100ns以下， 甚至达2030ns快恢复二极管从性能上分为两种 27肖特基二极管以金属和半导体接触形成的 势垒为基础的二极管。导通 压降只有0.3V （forward voltage drop），反压为

13、50- 100V。反向恢复时间更短， 1040ns，不会有明显的电 压过冲。缺点是当提高反向 耐压时，正向压降也会提高 ，多用于200V以下的低压场 合；反向漏电流也很大。28 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件1.31.3 半控型器件 半控型器件晶闸管晶闸管29P1 N1 P2 N2J1 J2 J3AGKAKG晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 a)c)b)AG KGKA1 1、晶闸管的结构与工作原理、晶闸管的结构与工作原理30螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构31晶闸管塑封模块 32晶闸管的双晶体管模型及

14、其工作原理a) 双晶体管模型 b工作原理)产生注入门极的触发 电流IG的电路触发门极触发电路对晶体管的驱动IGIB2 IC2（IB1） IC1IB2 33晶体管工作原理如以下方程所示Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1)Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2)IK = IA + IG (1-3) IA = IC1 + IC2 (1-4)a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益； ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1 -1）式（1-4）得：(1-5)34晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极 电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两 个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大 以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将 趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。 其他几种可能导通的情况: 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高使漏电流变大 光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路 与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它 都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light