第一章：电力二极管和晶闸管n第一节 电力二极管n第二节 晶闸管n第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管n本章小节1AKAKa)第一节 电力二极管Ø电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它与 其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件 ，在各种变流电路中发挥着重要作用；Ø它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同，以 半导体PN结为基础；Ø主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；Ø由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率的 主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致 IKA PNJb)c)图1-1 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2第二节 晶 闸 管晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普 通晶闸管也称为可控硅SCR，普通晶闸管是一 种具有开关作用的大功率半导体器件Ø从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至 今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品 ；Ø晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至 几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大 电流，实现了弱电对强电的控制 ；Ø 晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特 性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用 。
3一、晶闸管的结构Ø晶闸管具有四层PNPN结构，引出阳极A、阴极K和门极G 三个联接端；Ø晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；Ø晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散 热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由 两个散热器将其夹在中间图1-2 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G4晶闸管的管耗和散热：管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压管耗将产生热量，使管芯温度升高如果超 过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热 和冷却冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风 扇）、水冷5二、晶闸管的导通和关断条件〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的 、可开不可关的单向开关图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路6〔解释〕Ø当SCR的阳极和阴极电压UAK0时，且EGk>0，SCR才能导通ØSCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态SCR 导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；Ø当UAK0 同时 UGK>0由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下一般通过减小EA,,直至EA0 → 产生IG → V2通→产生IC2 → V1 通→ IC1↗ → IC2 ↗ → 出现强烈的正反馈 ，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和 ，SCR饱和导通。
8Ø晶闸管的阳极与阴 极间的电压和阳极 电流之间的关系， 称为阳极伏安特性 见图1-5）四、晶闸管的阳极伏安特性IG =0图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向 导通>>UBO正向特性反向特性雪崩 击穿91) 正向特性Ø IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断 状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电 压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电 流急剧增大，器件开通Ø随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降 低Ø导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相 仿Ø晶闸管本身的压降很小，在1V左右Ø导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电 流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸 管又回到正向阻断状态IH称为维持电流图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG四、晶闸管的阳极伏安特性102) 反向特性Ø晶闸管上施加反向电压时，伏安特性 类似二极管的反向特性Ø晶闸管处于反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过Ø当反向电压超过一定限度，到反向击 穿电压后，外电路如无限制措施，则 反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发 热损坏四、晶闸管的阳极伏安特性图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG111. 额定电压（UTn）1) 正向断态重复峰值电压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。
2) 反向阻断重复峰值电压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3) 通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一 规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压 五、晶闸管的主要参数12Ø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，额定电压要留有一定裕 量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰 值电压2~3倍：UTn＝（２～３）UTM (在交流市电中UTM≈311V)Ø一般来说，SCR的额定电压等级规范标准为： 100V~1000V，每100V一个等级；1000V～3000V， 每200V一个等级13举例：一晶闸管用于相电压一晶闸管用于相 电压为220V 的单相电路中时，器件的 电压等级选择如下：考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：142. 额定电流（通态平均电流）IT(AV)定义：在环境温度为+140度和规定的散热 条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工 频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170 度）的电路中，结温稳定在额定值125度时 所允许的通态平均电流n注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路 ，而整流电路往往按直流平均值来计算，它 是以电流的平均值而非有效值作为它的电流 定额。
15闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值 Im之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：平均电流IT(AV)与有效值关系为：16n流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值 也不同，以上比值也不同实际应用中，应根 据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选 用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.5～2)倍的安全裕量，即式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值17Ø 有一晶闸管的电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过的 电流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？Ø分析： I（TAV）=100A的晶闸管Ø对应的电流有效值为： IT=1.57× I（TAV） ＝157A ；Ø波形对应的电流有效值：考虑2倍的安全雨量后得：举例：181）通态平均电压UT(AV)：当晶闸管中流过额定电流并达 到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压通态平均电压UT(AV)分为A～Ｉ ，对应为0.4V～1.2V共九个组别 2) 维持电流 IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电 流Ø一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高 ，则IH越小3) 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。
Ø 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍3. 其他参数194)断态电压临界上升率du／dt ：在额定结温和门极 开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大阳 极电压上升率称为断态电压临界上升率5）通态电流临界上升率di／dt ：在规定条件下， 晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通 态电流最大上升率称为通态电流临界上升率 20六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1、门极伏安特性指门极电压与电流的关系， 晶闸管的门极和阴极之间只 有一个PN结， 所以电压与 电流的关系和普通二极管的 伏安特性相似门极伏安特 性曲线可通过实验画出，如 图1-6所示212、门极几个主要参数的标准 1）门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD ： 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称 为门极不触发电压UGD，相应的最大电流称为门极 不触发电流IGD ２）门极触发电压UGT和门极触发电流IGT 在室温下，对晶闸管加上６V正向阳极电压时， 使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称 为门极触发电流IGT，相应的门极电压称为门极触 发电压UGT ３）门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM 和门极峰值功率PGM 22一、双向晶闸管1.双向晶闸管的外形与结构双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式 、螺栓式和平板式。
但其内部是一种NPNPN五层结 构引出三个端线的器件如图1-7所示 第三节 双向晶闸管及其他派生晶闸管图1-7 双向晶闸管 232.双向晶闸管的特性与参数Ø双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线正 向部分位于第I象限，反向部分位于第III象限 如图1-7（d）所示Ø双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电 流之间的换算关系式为243. 双向晶闸管的触发方式Ø双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触 发主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：§Ⅰ+ 触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为 负特性曲线在第Ⅰ象限§Ⅰ- 触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为 正特性曲线在第Ⅰ象限§Ⅲ+ 触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为 负特性曲线在第Ⅲ象限§Ⅲ- 触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为 正特性曲线在第Ⅲ象限Ø由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏 度不相同，以Ⅲ+ 触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开 ，常采用的触发方式为Ⅰ+ 和Ⅲ- 254. 双向晶闸管的门极控制Ø双向晶闸管的控制方式常用的有两种，第一种 为移相触发，与普通晶闸管一样，是通过控制 触发脉冲的相位来达到调压的目的。
第二种是 过零触发，适用于调功电路及无触点开关电路 Ø本相电压强触发电路这种触发方式电路简单、工作 可靠，主要用于双向晶闸管组 成的交流开关电路 26Ø包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸 管和高频晶闸管（10kHz以上）；Ø管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt 和di/dt耐量都有明显改善；Ø普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒 ，高频晶闸管10s左右；Ø高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高 ；Ø由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其 开关损耗的发热效应；ØFST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频 下工作二、快速晶闸管（Fast Switching Thyristor——FST)27逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极 管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种 器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受 反向电压即开通三、逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）图1-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性28四、 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）n光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用 一定波长的光照信号触发导通的晶闸管 。
图1-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性29本章小结n普通晶闸管导通条件是：对晶闸管的阳极和阴极两 端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适 当的正向电压关断条件是：使流过晶闸管的阳极 电流小于维持电流n熟悉晶闸管的阳极和门极伏安特性和主要参数，对 正确使用和选择元件有着重要的意义选择晶闸管 的额定电压应为元件在电路中可能承受的最大瞬时 值电压的2～3倍晶闸管为单向可控器件,故其额定 电流定义为平均值，但由于晶闸管的结温与流过器 件的有效电流有关，所以选择额定电流参数时，应 使额定电流有效值大于元件在电路中可能流过的最 大电流有效值，一般取1.5～2倍安全裕量 30n双向晶闸管内部结构可看作两只普通晶闸管反 并联，引出的三个端子为主极T1、T2和门极G 它具有正反向对称的伏安特性，主要参数有断 态重复峰值电压UDRM和额定通态电流IT，因双向 晶闸管正反向都能触发导通，所以额。