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1、电力电子技术电力电子技术第二章 电力二极管和晶闸管电力电子技术电力电子技术l半控型器件（Thyristor）通过控制信号可以控制其导通 而不能控制其关断。l全控型器件（IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控制其导通又 可控制其关 断，又称自关断器件。l不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。三. 电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类 ：电力电子技术电力电子技术三. 电力电子器件的分类l电流驱动 型通过从控制端 注入或者 抽出电流来实现导 通或者 关断的控 制。l电压驱动型仅通过在控制端 和公共端之间施加一定 的电压信号就
2、可实现导 通或者关断的控制。按照驱动电路信号的性质，分为两类：电力电子技术电力电子技术 Power Diode结构和原理简单，工作可靠， 自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、 高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合 ，具有不可替代的地位。第二节 不可控器件电力二极管引 言整流二极管及模块电力电子技术电力电子技术 基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 一样。 由一个面积较大 的PN结和两端 引线以及封装组 成的。 从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号一
3、. PN结与电力二极管的工作原理0电力电子技术电力电子技术状态态 参数正向导导通反向截止反向击击穿电电流正向大几乎为为零反向大电压电压维维持1V反向大反向大阻态态低阻态态高阻态态 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特 征。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿一. PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态电力电子技术电力电子技术主要指其伏安特性l门槛电压UTO，正向电流 IF开始明显增加所对应的电压 。l与IF对应的l电力二极管l两端的电压即为其正向电压降UF 。l承受反向电压时，只有微 小而数值恒定的反向漏电流。图1-4 电力二极管的伏安特性二. 电力二极
4、管的基本特性 1. 静态特性正向 导通反向 击穿反向截 止状态电力电子技术电力电子技术额定电流在指定的管壳温度 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。nIF(AV)是按照电流的发热效应来定 义的，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.n IF(AV)=(1.52) IM /1.57三. 电力二极管的主要参数1. 正向平均电流IF(AV)电力电子技术电力电子技术在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电 流时对应的正向压降。3. 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。使用时，应当留有两倍的裕量。URRM=UDn = (2
5、3) UM4. 反向恢复时间trr trr= td+ tf三. 电力二极管的主要参数2. 正向压降UF电力电子技术电力电子技术结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示 。TJM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. 浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几 个工频周期的过电流。 三. 电力二极管的主要参数5. 最高工作结温TJM电力电子技术电力电子技术1. 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整 流电路其反向恢复时间较长5
6、s正向电流定额和反向电压定额可以达到很 高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能 ，特别是反向恢复特性的不同介绍。四. 电力二极管的主要类型电力电子技术电力电子技术1. 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整 流电路其反向恢复时间较长5s正向电流定额和反向电压定额可以达到很 高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能 ，特别是反向恢复特性的不同介绍。四. 电力二极管的主要类型电力电子技术电力电子技术简称快速二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes
7、 FRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低 （0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个 等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在 100ns以下，甚至达到2030ns。四. 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2. 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）电力电子技术电力电子技术肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于 200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工 作温度。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。反向耐压较低时其正向压
8、降明显低于快恢复二 极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速 二极管还小。四. 电力二极管的主要类型 3. 肖特基二极管(DATASHEET)以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖 特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD） 。电力电子技术电力电子技术晶闸管的结构晶闸管的结构电力电子技术电力电子技术晶闸管的外形晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式图形符号电力电子技术电力电子技术晶闸管的外形晶闸管的外形KPKP螺旋式螺旋式电力电子技术电力电子技术晶闸管的外形晶闸管的外形平板式平板式电力电子技术电力电子技术晶闸管的散热片晶闸管的散
9、热片自冷式自冷式风冷风冷式式水冷水冷式式电力电子技术电力电子技术晶闸管的散热片晶闸管的散热片水冷水冷式式风冷风冷式式 自冷自冷式式电力电子技术电力电子技术图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号一. 晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器 紧密联接且安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。电力电子技术电力电子技术晶闸管的结构晶闸管的结构GP1N1N2N2P2AK电力电子技术电力电子技术晶闸管的结构晶闸管的结构P1N1P2N2AGKJ1J1J2J2J3J3GP1N1N2
10、N2P2AKp 晶闸管是PNPN四层半导体结构。p 具有J1、J2、J3三个PN结。p 可用三个二极管或两个三极管等效。电力电子技术电力电子技术晶闸管的等效电路晶闸管的等效电路( (二极管等效电路二极管等效电路) )AKGJ1J2J3电力电子技术电力电子技术晶闸管的等效电路晶闸管的等效电路( (三极管等效电路三极管等效电路) )AP1N1P2N2GKJ1J1J2J2J3J3电力电子技术电力电子技术晶闸管的等效电路晶闸管的等效电路( (三极管等效电路三极管等效电路) )P2N2GKP1N1AJ1J1J2J2J3J3P2N1AGKP1N1P2N1P2N2电力电子技术电力电子技术一. 晶闸管的结构与
11、工作原理式中1和2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。由以上 式可得 ：图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理按晶体管的工作原理 ，得 ：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）电力电子技术电力电子技术晶闸管的表示符号晶闸管的表示符号KAG AAAKG G电力电子技术电力电子技术晶闸管的导通关断条件晶闸管的导通关断条件实验电路图实验电路图I Ia a: :阳极电流阳极电流I Ig g: :门极电流门极电流U Ua a: :阳极电压阳极电压U Ug g: :门极电压门极电压电力电子技术电
12、力电子技术晶闸管的导通关断条件晶闸管的导通关断条件点击进入仿真实实 验验 电电 路路 图图电力电子技术电力电子技术晶闸管的导通实验一晶闸管的导通实验一实验实验 顺顺序实验时实验时 晶闸闸管条 件实验实验 后灯 的情况结论结论阳极电压电压 Ua门门极电压电压 Ua1反向反向暗2反向零暗3反向正向暗晶闸管在反向阳极电压作用下，不论 门极为何种电压，它都处于关断状态 。电力电子技术电力电子技术晶闸管的导通实验二晶闸管的导通实验二 实验实验 顺顺序实验时实验时 晶闸闸管条 件实验实验 后灯 的情况结论结论阳极电压电压 Ua门门极电压电压 Ua1正向反向暗2正向零暗3正向正向亮晶闸管同时在正向阳极电压与
13、正向门 极电压作用下才能导通。电力电子技术电力电子技术晶闸管导通后的实验（原来灯亮）晶闸管导通后的实验（原来灯亮） 实验实验 顺顺序实验时实验时 晶闸闸管条 件实验实验 后灯 的情况结论结论阳极电压电压 Ua门门极电压电压 Ua1正向反向亮2正向零亮3正向正向亮已导通的晶闸管在正向阳极电压作用 下，门极失去控制作用。电力电子技术电力电子技术晶闸管导通后的关断实验（原来灯亮）晶闸管导通后的关断实验（原来灯亮） 实验实验 顺顺序实验时实验时 晶闸闸管条 件实验实验 后灯 的情况结论结论阳极电压电压 Ua门门极电压电压 Ua1正向 （逐渐渐 减小到 接近于 零）任意暗晶闸管在导通状态时，当Ea减小到
14、接 近于零时，晶闸管关断。电力电子技术电力电子技术晶闸管的导通关断条件晶闸管的导通关断条件导通条件：导通条件：除阳极加正向电压，必须同时在门极与阴极之间加 除阳极加正向电压，必须同时在门极与阴极之间加 一定的门极电压，有足够的门极电流。一定的门极电压，有足够的门极电流。关断条件：关断条件：阳极电流小于维持电流 阳极电流小于维持电流I IHH电力电子技术电力电子技术AGKP1N1P2N1P2N2晶闸管的触发原理晶闸管的触发原理电力电子技术电力电子技术有关晶闸管的几个名词有关晶闸管的几个名词触发触发：当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压：当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的
15、正向门极电压，使晶闸管导通的过程称为触发。，使晶闸管导通的过程称为触发。维持电流维持电流I IHH：维持晶闸管导通所需的最小阳极电流。维持晶闸管导通所需的最小阳极电流。正向阻断：正向阻断：晶闸管加正向电压未超过其额定电压，门极未加电压的情晶闸管加正向电压未超过其额定电压，门极未加电压的情况下，晶闸管关断。况下，晶闸管关断。硬开通：硬开通：给晶闸管加足够的正向阳极电压，即使晶闸管未加门极电压给晶闸管加足够的正向阳极电压，即使晶闸管未加门极电压也会导通的现象叫硬开通。也会导通的现象叫硬开通。反向阻断：反向阻断：当晶闸管加反向阳极电压时，晶闸管不会导通。当晶闸管加反向阳极电压时，晶闸管不会导通。电力
16、电子技术电力电子技术一. 晶闸管的结构与工作原理 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。 开通状态：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，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。电力电子技术电力电子技术一. 晶闸管的结构与工作原理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，称为光控晶 闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段 。其他几种可能
