电力极管以及晶闸管

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1、电力极管以及晶闸管电力电子技术第一节 电力二极管 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，在电路中常作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件。 电力电子技术一、一、结构与伏安特性构与伏安特性 1. 1. 结构构 a) b) c) d) 图1-1 电力二极管的结构、符号和外形 a)结构 b)符号 c) 螺旋式外形 d) 平板式外形电力电子技术 2. 伏安特性 电力二极管的阳极和阴极间的电压UAK和流过管子的电流IA之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图1-2所示。 图1-2 电力二极管的伏安特性 电力电子技术二、主要参数二、主要参数 1.额定正向平均电流IF 在规定的环境

2、温度为40和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。将此电流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。2.反向重复峰值电压URRM在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM。将URRM值取规定的电压等级就是该元件的额定电压。3.正向平均电压UF在规定环境温度+40和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别称为正向平均电压UF ，简称管压降，一般在0.451V范围内。电力电子技术三、三、电力二极管的力二极管的选用

3、用 1.1.选择额定正向平均定正向平均电流流I IF F 的原的原则 （1-1） 选用时取相应标准系列值即可。2.2.选择额定定电压U URRMRRM 的原的原则 URRM =（23）UDM （1-2） 选用时取相应标准系列值。 电力电子技术 3. 3. 电力二极管的力二极管的测试及使用注意事及使用注意事项 由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用表的R100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向电阻，可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极管的正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。注意：严禁用兆欧表测试电力二

4、极管。 电力二极管使用时必须保证规定的冷却条件，如不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的1/3左右。 电力电子技术四、四、电力二极管的主要力二极管的主要类型型 1.整流二极管 整流二极管多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。但其正向电流定额和反向电压定额却很高。 2.快恢复二极管 恢复过程很短 (一般在5s以内)的二极管被称为快恢复二极管。可用于要求很小恢复时间的电路中。 3.肖特基二极管 肖特基二极管反向恢复时间很短(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

5、。多用于200V以下的低压场合；肖特基二极管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。 电力电子技术第二节 晶闸管 一、晶一、晶闸管的管的结构构 晶闸管是四层(PlNlP2N2)三端(阳极A、阴极K、门极G)器件，其内部结构和等效电路如图1-3所示。 a) b) 图1-3 晶闸管的内部结构和等效电路 a) 内部结构 b)以互补三极管等效 电力电子技术晶闸管的符号及外形晶闸管的符号及外形如图1-4所示， a) b) c) 图1-4 晶闸管的符号及外形 a) 晶闸管的符号 b）螺栓形晶闸管的外形 c）带有散热器平板式晶闸管的外形 电力电子技术二、晶二、晶闸管的管的导通与关断条件通与关断

6、条件 导通和关断条件可通通和关断条件可通过图1-51-5所示的所示的实验 图1-5 1-5 晶晶闸管的管的导通与关断通与关断实验电路路 电力电子技术二、晶二、晶闸管的管的导通与关断条件通与关断条件 实验结论： 1 1）晶晶闸管管的的导通通条条件件：在在晶晶闸管管的的阳阳极极和和阴阴极极两两端端加加正正向向电压，同同时在在它它的的门极极和和阴阴极极两两端端也也加加正正向向电压，两者缺一不可。，两者缺一不可。2)2)晶晶闸管管一一旦旦导通通，门极极即即失失去去控控制制作作用用，因因此此门极极所所加加的的触触发电压一一般般为脉脉冲冲电压。晶晶闸管管从从阻阻断断变为导通通的的过程程称称为触触发导通通。

7、门极极触触发电流流一一般般只只有有几几十十毫毫安安到到几几百百毫毫安安，而而晶晶闸管管导通通后后，可可以以通通过几百、几千安的几百、几千安的电流。流。3)3)晶晶闸管管的的关关断断条条件件：使使流流过晶晶闸管管的的阳阳极极电流流小小于于维持持电流流IH。 电力电子技术三、晶三、晶闸管的工作原理管的工作原理 晶晶闸管等效管等效为两个互两个互补连接的三极管工作分析接的三极管工作分析 IGIB2IC2（IB1) IB2 图1-6 晶闸管的工作原理示意图 电力电子技术四、晶四、晶闸管的阳极伏安特性管的阳极伏安特性 晶晶闸管管的的阳阳极极与与阴阴极极间的的电压ua和和阳阳极极电流流ia之之间的的关关系系

8、，称称为阳阳极极伏安特性。其伏安特性曲伏安特性。其伏安特性曲线如如图1-71-7所示。所示。 图1-7 晶晶闸管的伏安特性曲管的伏安特性曲线 电力电子技术 五、晶五、晶闸管主要参数管主要参数 1 1. .额定定电压UTn 当当门极极开开路路，元元件件处于于额定定结温温时，根根据据所所测定定的的正正向向转折折电压UBO和和反反向向击穿穿电压URO，由由制制造造厂厂家家规定定减减去去某某一一数数值(通通常常为1OOV)，分分别得得到到正正向向不不可可重重复复峰峰值电压UDSM和和反反向向不不可可重重复复峰峰值电压URSM，再再各各乘乘以以0.9，即得正向断，即得正向断态重复峰重复峰值电压UDRM和

9、反向阻断重复峰和反向阻断重复峰值电压URRM。 2 2. .额定定电流流IT(AV) 晶晶闸管管的的额定定电流流也也称称为额定定通通态平平均均电流流，即即在在环境境温温度度为40和和规定定的的冷冷却却条条件件下下，晶晶闸管管在在导通通角角不不小小于于170的的电阻阻性性负载电路路中中，当当不不超超过额定定结温且温且稳定定时，所允，所允许通通过的工的工频正弦半波正弦半波电流的平均流的平均值。 3 3. .通通态平均平均电压UT(AV) 当当晶晶闸管管中中流流过额定定电流流并并达达到到稳定定的的额定定结温温时，阳阳极极与与阴阴极极之之间电压降的平均降的平均值， 称称为通通态平均平均电压。 电力电子

10、技术选用晶用晶闸管的原管的原则1.1.按按工工作作电路路中中可可能能承承受受到到的的最最大大瞬瞬时值电压UTM的的23倍倍来来选择晶晶闸管的管的额定定电压，即，即 UTn =(2 =(23)3) UTM (1-3) (1-3)2.2.按按电流有效流有效值相等的原相等的原则进行行换算，算，选择晶晶闸管的管的额定定电流即流即 IT =1.57 I T(AV) I T(AV)= = IT /1.57 /1.57 由由于于晶晶闸管管的的过载能能力力差差，一一般般在在选用用时取取(1.5(1.52)2)的的安安全全裕裕量，即量，即 I T(AV) = (1.5= (1.52)2)IT /1.57 /1.

11、57电力电子技术 例例1-1 1-1 一一晶晶闸管管接接在在220220V V交交流流回回路路中中，通通过器器件件的的电流有效流有效值为100100A A，问选择什么型号的晶什么型号的晶闸管管? ?解解 选择晶晶闸管管额定定电压 UTn =(2 =(23)3) UTM = (2(23)220V=6223)220V=622933V933V 按晶按晶闸管参数系列取管参数系列取800800V V，即即8 8级。选择晶晶闸管的管的额定定电流流 I T(AV) = = (1.5(1.52)2)IT /1.57= /1.57= (1.5(1.52) 2) 100/1.57=95100/1.57=95127

12、A127A 按按晶晶闸管管参参数数系系列列取取100100A A，所所以以选取取晶晶闸管管型型号号KPl00-8EKPl00-8E。电力电子技术例例1-2 1-2 现有有晶晶闸管管型型号号为KP50-7KP50-7，用用于于某某电路路中中时，流流过的的电流波形如流波形如图1-1-9 9所示，所示，试求求Im允允许多大多大? ? 图1-1-9 9 流流过晶晶闸管的管的电流波形流波形解解 KP50-7KP50-7晶晶闸管允管允许流流过的的电流有效流有效值为 IT =1.57 =1.57 I T(AV)=1.5750A=78.5A50A=78.5A实际流流过该管的管的电流有效流有效值 当考当考虑2

13、2倍的安全余量倍的安全余量时，Im的允的允许值为电力电子技术4晶晶闸管的其他参数管的其他参数 (1)(1)维持持电流流IH 在在室室温温和和门极极断断开开时，器器件件从从较大大的的通通态电流流降降至至维持持通通态所所必必需需的的 最最小小电流流称称为维持持电流流。它它一一般般为几几毫毫安到几百毫安。安到几百毫安。(2)(2)擎擎住住电流流IL 晶晶闸管管刚从从断断态转入入通通态就就去去掉掉触触发信信号号，能能使器件保持使器件保持导通所需要的最小阳极通所需要的最小阳极电流。流。( (3)3)断断态电压临界界上上升升率率dudt 在在额定定结温温和和门极极开开路路情情况况下下，不不使使器器件件从从

14、断断态到到通通态转换的的阳阳极极电压最最大大上上升升率率称称为断断态电压临界上升率。界上升率。(4)(4)通通态电流流临界界上上升升率率d did dt 在在规定定条条件件下下，晶晶闸管管在在门极极触触发开开通通时所所能能承承受受不不导致致损坏坏的的通通态电流流最最大大上上升升率率称称为通通态电流流临界上升率。界上升率。电力电子技术 六、晶六、晶闸管的管的门极伏安特性及主要参数极伏安特性及主要参数 1 1. .门极不触极不触发电压UGD和和门极不触极不触发电流流IGD 不不能能使使晶晶闸管管从从断断态转入入通通态的的最最大大门极极电压称称为门极极不不触触发电压UGD，相相应的最大的最大电流称流

15、称为门极不触极不触发电流流IGD。2 2. .门极触极触发电压UGT和和门极触极触发电流流IGT 在在室室温温下下，对晶晶闸管管加加上上6 6V V正正向向阳阳极极电压时，使使器器件件由由断断态转入入通通态所所必必须的的最最小小门 极极电流流称称为门极极触触发电流流IGT，相相应的的门极极电压称称为门极触极触发电压UGT。3 3. .门极极正正向向峰峰值电压UGM、门极极正正向向峰峰值电流流IGM和和门极极峰峰值功功率率PGM 在在晶晶闸管管触触发过程程中中，不不致致造造成成门极极损坏坏的的最最大大门极极电压、最最大大门极极电流流和和最最大大瞬瞬时功功率率分分别称称为门极极正正向向峰峰值电压U

16、GM、门极极正正向向峰峰值电流流IGM和和门极极峰峰值功功率率PGM。使使用用时晶晶闸管管的的门极触极触发脉冲不脉冲不应超超过以上数以上数值。电力电子技术七、晶七、晶闸管管对触触发电路的要求路的要求 1.1.触触发脉冲脉冲应具有足具有足够的功率和一定的的功率和一定的宽度；度；2.2.触触发脉冲与主脉冲与主电路路电源源电压必必须同步；同步；3.3.触触发脉冲的移相范脉冲的移相范围应满足足变流装置提出的要求。流装置提出的要求。电力电子技术第三第三节 晶晶闸管派生器件管派生器件 一、双向晶一、双向晶闸管管 1 1双向晶双向晶闸管的管的结构与伏安特性曲构与伏安特性曲线 a) b) c) d) a) b

17、) c) d) 图1-1-11 11 双向晶双向晶闸管管a) a) 双向晶双向晶闸管的管的结构构 b) b) 等效等效电路路 c)c)符号符号 d) d) 伏安特性曲伏安特性曲线 电力电子技术 2双向晶双向晶闸管的参数管的参数 双双向向晶晶闸管管的的主主要要参参数数中中只只有有额定定电流流与与普普通通晶晶闸管管有有所所不不同同，其其他他参参数数定定义与与普普通通晶晶闸管管相相似似。由由于于双双向向晶晶闸管管工工作作在在交交流流电路路中中，正正反反向向电流流都都可可以以流流过，所所以以它它的的额定定电流流不不是是用用平平均均值，而而是是用用有有效效值( (方方均均根根值) )来来表表示示，定定义

18、为：在在标准准散散热条条件件下下，当当器器件件的的单向向导通通角角大大于于170170时，允，允许流流过器件的最大交流正弦器件的最大交流正弦电流的有效流的有效值，用，用IT(RMS)表示。表示。 双向晶双向晶闸管有效管有效值电流与普通晶流与普通晶闸管平均管平均值电流之流之间的的换算关系式算关系式为 (1-7) (1-7) 以以此此推推算算，一一个个100A的的双双向向晶晶闸管管与与两两个个45A的的普普通通晶晶闸管管反反并并联电流流容量相等。容量相等。电力电子技术 3 3双向晶双向晶闸管的触管的触发方式方式 双双向向晶晶闸管管正正反反两两个个方方向向都都能能导通通，门极极加加正正负电压都都能能

19、触触发。主主电压与触与触发电压相互相互 配合，可以得到四种触配合，可以得到四种触发方式：方式： (1) (1) I I+ + 触触发方式方式 主极主极T T2 2为正，正，T T1 1为负；门极极电压G G为正，正，T T1 1为负。 (2) (2) I I_ _ 触触发方式方式 主极主极T T2 2为正，正，T T1 1为负；门极极电压G G为负，T T1 1为正。正。 (3) (3) + +触触发方式方式 主极主极T T2 2为负，T T1 1为正；正；门极极电压G G为正，正，T T1 1为负。 (4) (4) 触触发方式方式 主极主极T T2 2为负，T T1 1为正；正；门极极电压G

20、 G为负，T T1 1为正。正。 四四种种触触发方方式式中中触触发灵灵敏敏度度不不相相同同，I I+ + 触触发方方式式灵灵敏敏度度最最高高，+ +触触发方方式式灵灵敏敏度度最最低低，使使用用时要要尽尽量量避避开开+ +，常常采采用用的的触触发方方式式为I I+ + 和和- -。电力电子技术二、快速晶二、快速晶闸管管 快快速速晶晶闸管管是是专为快快速速应用用而而设计的的晶晶闸管管，国国产快快速速晶晶闸管管为KK系系列列。常常规的的快快速速晶晶闸管管工工作作在在400Hz以以下下，更更高高频的的晶晶闸管管可可应用用于于10kHz以以上上的的斩波波或或逆逆变电路路中中。快快速速晶晶闸管管的的开开关

21、关时间以以及及dudt和和didt耐耐量量都都有有了了明明显改改善善。从从关关断断时间来来看看，普普通通晶晶闸管管一一般般为数数百百微微秒秒，快快速速晶晶闸管管为数数十十微微秒秒，而而高高频晶晶闸管管则为10s左左右右。与与普普通通晶晶闸管管相相比比，高高频晶晶闸管管的的不不足足在在于于其其电压和和电流流定定额都不易做高。都不易做高。 电力电子技术 三、逆三、逆导晶晶闸管管 逆逆导晶晶闸管管是是将将晶晶闸管管反反并并联一一个个二二极极管管制制作作在在同同一一管管芯芯上上的的电力力集集成成器器件件，这种种器器件件不不具具有有承承受受反反向向电压的的能能力力，一一旦旦承承受受反反向向电压即即开开通

22、通，其其电气气图形形符符号号和和伏伏安安特特性性如如图1-13所示。所示。 图1-11-13 3 逆逆导晶晶闸管的管的电气符号和伏安特性气符号和伏安特性 电力电子技术 本章小本章小结 电力二极管也是由PN结组成，加正向电压导通，加反向电压截止，是一个不可控的单向导通器件。 普通晶闸管内部为PNPN四层结构，向外引出阳极A、阴极K和门极G三个电极。它的导通条件是：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。晶闸管的工作原理可用两个互补连接的等效晶体管电路来分析，当门极注入一定电流时，会形成一个强烈的正反馈过程，使

23、管子迅速饱和导通。管子导通时，内部等效电路中的任一只管子的集电极电流即为另一只管子的基极电流，去除门极触发电流不会影响管子的导通状态，即门极失去控制作用。电力电子技术 本章小本章小结 熟悉晶闸管的阳极和门极伏安特性和主要参数，对正确使用和选择器件有着重要的意义。选择晶闸管的额定电压应为器件在电路中可能承受的最大瞬时值电压的23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器件在电路中可能流过的最大电流有效值，一般取1.52倍安全裕量。 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（RMS），因双向晶闸管正反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效值。双向晶闸管有四种触发方式：I+、I-、III+、III-，其中以I+触发灵敏度最高，III+最低，使用时一般采用I+、III-接法。