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；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；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；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21 1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理2 2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性3 3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数4 4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型第一节：电力二极管功率型、不可控器件3 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 。第一节：电力二极管功率型、不可控器件整流二极管及模块4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1.1 PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK5状态 参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态 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)可能导致热击穿1.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态6lPN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效 应，称为结电容CJ，又称为微分电容。l电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。1.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：7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对应的电力二 极管两端的电压即为 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1.2 电力二极管的基本特性 1) 静态特性IOIFUTOUFU82) 动态特性二极管的电压-电流特 性随时间变化的结电容的存在1.2 电力二极管的基本特性b)UFPu i iFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trr tdtft1t2tURURPIRPdiF dtdiR dt图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正 向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟 时间 的比值tf /td，或称恢复系数， 用Sr表示。9v正向压降先出现一个过冲UFP，经 过一段时间才趋于接近稳态压降的 某个值（如 2V）。v正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，UFP越高 。UFPu iiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程1.2 电力二极管的基本特性开通过程：关断过程 须经过一段短暂的时间才能重新获得反 向阻断能力，进入截止状态。 关断之前有较大的反向电流出现，并伴 随有明显的反向电压过冲。IFUFtFt0trr tdtft1t2tURURPIRPdiF dtdiR dt图1-5(b)关断过程10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。IF(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。8.2.3 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流IF(AV)11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。（1伏左右）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。 4）反向恢复时间trr trr= td+ tf1.3 电力二极管的主要参数2）正向压降UF121) 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正向电流定额和反向电压定额可以达到很高DATASHEET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。1.4 电力二极管的主要类型13简称快速二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes 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。1.41.4 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）14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。8.2.4 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15n小结：n1 PN结与电力二极管的工作原理n2 电力二极管的基本特性n3 电力二极管的主要参数n4 电力二极管的主要类型16n作业：n1、简述电力二极管的基本特性。n2、简述电力二极管有哪些主要类型，各具 有什么特点？17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。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 ；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 ； 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 。 18一、晶闸管的结构晶闸管具有四层PNPN结构，引出阳极A、阴极K和门极G 三个联接端；晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；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G19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20二、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21解释当SCR的阳极和阴极电压UAK0时，且EGk0，SCR才能导通。SCR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；当UAK0 同时 UGK0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。23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 IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向 导通UBO正向特性反向特性雪崩 击穿241) 正向特性 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。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降 低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相 仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。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 IG2IG1IG四、晶闸管的阳极伏安特性252) 反向特性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。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极 小的反相漏电流流过。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 IG2IG1IG261. 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27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23倍：UTn（）UTM (在交流市电中UTM311V)一般来说，SCR的额定电压等级规范标准为： 100V1000V，每100V一个等级；1000V3000V， 每200V一个等级。28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：292. 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。30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：31n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(1.52)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32 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=？分析： I（TAV）=100A的晶闸管对应的电流有效值为： IT=1.57 I（TAV） 157A ；波形对应的电流有效值：考虑2倍的安