电力二极管与晶闸管

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1、第 1章 电 力 二 极 管 与 晶 闸 管 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 。 一 、 结 构 与 伏 安 特 性 1. 结 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 2. 伏 安 特 性 电 力 二 极 管 的 阳 极 和 阴 极 间 的 电 压 UA

2、K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 二 、 主 要 参 数 1.额 定 正 向 平 均 电 流 IF 在 规 定 的 环 境 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

3、 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 U RRM。 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

4、压 UF ， 简 称 管 压 降 ， 一 般 在 0.45 1V范 围 内 。 三 、 电 力 二 极 管 的 选 用 1.选 择 额 定 正 向 平 均 电 流 IF 的 原 则 （ 1-1） 选 用 时 取 相 应 标 准 系 列 值 即 可 。2.选 择 额 定 电 压 URRM 的 原 则 U RRM =（ 2 3） UDM （ 1-2） 选 用 时 取 相 应 标 准 系 列 值 。 57.1)25.1( DMF II 3. 电 力 二 极 管 的 测 试 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 R 100

5、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 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

6、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 。 四 、 电 力 二 极 管 的 主 要 类 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 5 s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

7、特 基 二 极 管 肖 特 基 二 极 管 反 向 恢 复 时 间 很 短 (10 40ns)， 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 。 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 。 第 二 节 晶 闸 管 一 、 晶 闸 管 的 结 构 晶 闸 管 是 四 层 (PlNlP2N2)三 端 (阳 极 A、 阴

8、 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 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 二 、 晶 闸 管 的 导 通 与 关 断 条 件 导 通 和 关 断

9、 条 件 可 通 过 图 1-5所 示 的 实 验 图 1-5 晶 闸 管 的 导 通 与 关 断 实 验 电 路 二 、 晶 闸 管 的 导 通 与 关 断 条 件 实 验 结 论 ： 1） 晶 闸 管 的 导 通 条 件 ： 在 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 正 向电 压 ， 两 者 缺 一 不 可 。2)晶 闸 管 一 旦 导 通 ， 门 极 即 失 去 控 制 作 用 ， 因 此 门 极所 加 的 触 发 电 压 一 般 为 脉 冲 电 压 。 晶 闸 管 从 阻 断 变为 导 通 的 过 程

10、称 为 触 发 导 通 。 门 极 触 发 电 流 一 般 只有 几 十 毫 安 到 几 百 毫 安 ， 而 晶 闸 管 导 通 后 ， 可 以 通过 几 百 、 几 千 安 的 电 流 。3)晶 闸 管 的 关 断 条 件 ： 使 流 过 晶 闸 管 的 阳 极 电 流 小 于维 持 电 流 I H 。 三 、 晶 闸 管 的 工 作 原 理 晶 闸 管 等 效 为 两 个 互 补 连 接 的 三 极 管 工 作 分 析 IG IB2 IC2（ IB1) IB2 图 1-6 晶 闸 管 的 工 作 原 理 示 意 图 四 、 晶 闸 管 的 阳 极 伏 安 特 性 晶 闸 管 的 阳 极 与

11、 阴 极 间 的 电 压 ua和 阳 极 电 流 ia之 间 的 关 系 ， 称 为 阳 极伏 安 特 性 。 其 伏 安 特 性 曲 线 如 图 1-7所 示 。 图 1-7 晶 闸 管 的 伏 安 特 性 曲 线 五 、 晶 闸 管 主 要 参 数 1.额 定 电 压 UTn 当 门 极 开 路 ， 元 件 处 于 额 定 结 温 时 ， 根 据 所 测 定 的 正 向 转 折 电 压 UBO 和 反向 击 穿 电 压 URO ， 由 制 造 厂 家 规 定 减 去 某 一 数 值 (通 常 为 1OOV)， 分 别 得 到正 向 不 可 重 复 峰 值 电 压 UDSM和 反 向 不 可

12、 重 复 峰 值 电 压 URSM， 再 各 乘 以 0.9，即 得 正 向 断 态 重 复 峰 值 电 压 UDRM和 反 向 阻 断 重 复 峰 值 电 压 URRM。 2.额 定 电 流 IT(AV) 晶 闸 管 的 额 定 电 流 也 称 为 额 定 通 态 平 均 电 流 ， 即 在 环 境 温 度 为 40 和 规 定的 冷 却 条 件 下 ， 晶 闸 管 在 导 通 角 不 小 于 170 的 电 阻 性 负 载 电 路 中 ， 当 不超 过 额 定 结 温 且 稳 定 时 ， 所 允 许 通 过 的 工 频 正 弦 半 波 电 流 的 平 均 值 。 3.通 态 平 均 电 压

13、 U T(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 。 选 用 晶 闸 管 的 原 则1.按 工 作 电 路 中 可 能 承 受 到 的 最 大 瞬 时 值 电 压 UTM的 2 3倍 来 选择 晶 闸 管 的 额 定 电 压 ， 即 UTn =(2 3) UTM (1-3)2.按 电 流 有 效 值 相 等 的 原 则 进 行 换 算 ， 选 择 晶 闸 管 的 额 定 电 流即 IT =1.57 I T(AV) I T(AV)= IT /1.5

14、7 由 于 晶 闸 管 的 过 载 能 力 差 ， 一 般 在 选 用 时 取 (1.5 2)的 安 全裕 量 ， 即 I T(AV) = (1.5 2)IT /1.57 例 1-1 一 晶 闸 管 接 在 220V交 流 回 路 中 ， 通 过 器 件 的电 流 有 效 值 为 100A， 问 选 择 什 么 型 号 的 晶 闸 管 ?解 选 择 晶 闸 管 额 定 电 压 UTn =(2 3) UTM = (2 3) 220V=622 933V 按 晶 闸 管 参 数 系 列 取 800V， 即 8级 。选 择 晶 闸 管 的 额 定 电 流 I T(AV) = (1.5 2)IT /1.

15、57= (1.5 2) 100/1.57=95 127A 按 晶 闸 管 参 数 系 列 取 100A， 所 以 选 取 晶 闸 管 型 号KPl00-8E。 例 1-2 现 有 晶 闸 管 型 号 为 KP50-7， 用 于 某 电 路 中 时 ， 流 过 的 电流 波 形 如 图 1-9所 示 ，试 求 Im允 许 多 大 ? 图 1-9 流 过 晶 闸 管 的 电 流 波 形解 KP50-7晶 闸 管 允 许 流 过 的 电 流 有 效 值 为 I T =1.57 I T(AV)=1.57 50A=78.5A实 际 流 过 该 管 的 电 流 有 效 值 当 考 虑 2倍 的 安 全 余

16、 量 时 ， Im的 允 许 值 为 3)(21 m3/20 2m ItdII A68A2 5.783m I 4 晶 闸 管 的 其 他 参 数 (1)维 持 电 流 IH 在 室 温 和 门 极 断 开 时 ， 器 件 从 较 大 的 通 态 电 流降 至 维 持 通 态 所 必 需 的 最 小 电 流 称 为 维 持 电 流 。 它 一 般 为几 毫 安 到 几 百 毫 安 。(2)擎 住 电 流 IL 晶 闸 管 刚 从 断 态 转 入 通 态 就 去 掉 触 发 信 号 ， 能使 器 件 保 持 导 通 所 需 要 的 最 小 阳 极 电 流 。(3)断 态 电 压 临 界 上 升 率

17、 du dt 在 额 定 结 温 和 门 极 开 路 情 况 下 ，不 使 器 件 从 断 态 到 通 态 转 换 的 阳 极 电 压 最 大 上 升 率 称 为 断 态电 压 临 界 上 升 率 。(4)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 。 六 、 晶 闸 管 的 门 极 伏 安 特 性 及 主 要 参 数 1.门 极 不 触 发 电 压 UG D和 门 极 不 触 发 电 流 IG D 不

18、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 UG D， 相 应 的 最 大 电 流 称 为 门 极 不 触 发 电 流 IG D。2.门 极 触 发 电 压 UG T和 门 极 触 发 电 流 IG T 在 室 温 下 ， 对 晶 闸 管 加 上 6V正 向 阳 极 电 压 时 ， 使 器 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 IG T，相 应 的 门 极 电 压 称 为 门 极 触 发 电 压 UG T。3.门 极 正 向 峰 值 电 压 UG M、 门 极 正

19、向 峰 值 电 流 IG M和 门 极 峰 值 功率 P G M 在 晶 闸 管 触 发 过 程 中 ， 不 致 造 成 门 极 损 坏 的 最 大 门 极 电压 、 最 大 门 极 电 流 和 最 大 瞬 时 功 率 分 别 称 为 门 极 正 向 峰 值 电压 UG M、 门 极 正 向 峰 值 电 流 IG M和 门 极 峰 值 功 率 PG M。 使 用 时晶 闸 管 的 门 极 触 发 脉 冲 不 应 超 过 以 上 数 值 。 七 、 晶 闸 管 对 触 发 电 路 的 要 求 1.触 发 脉 冲 应 具 有 足 够 的 功 率 和 一 定 的 宽 度 ；2.触 发 脉 冲 与 主

20、 电 路 电 源 电 压 必 须 同 步 ；3.触 发 脉 冲 的 移 相 范 围 应 满 足 变 流 装 置 提 出 的 要 求 。 第 三 节 晶 闸 管 派 生 器 件 一 、 双 向 晶 闸 管 1 双 向 晶 闸 管 的 结 构 与 伏 安 特 性 曲 线 a) b) c) d) 图 1-11 双 向 晶 闸 管a) 双 向 晶 闸 管 的 结 构 b) 等 效 电 路 c)符 号 d) 伏 安 特 性 曲 线 2 双 向 晶 闸 管 的 参 数 双 向 晶 闸 管 的 主 要 参 数 中 只 有 额 定 电 流 与 普 通 晶 闸 管 有 所 不 同 ， 其他 参 数 定 义 与

21、普 通 晶 闸 管 相 似 。 由 于 双 向 晶 闸 管 工 作 在 交 流 电 路 中 ， 正反 向 电 流 都 可 以 流 过 ， 所 以 它 的 额 定 电 流 不 是 用 平 均 值 ， 而 是 用 有 效 值(方 均 根 值 )来 表 示 ， 定 义 为 ： 在 标 准 散 热 条 件 下 ， 当 器 件 的 单 向 导 通 角大 于 170 时 ， 允 许 流 过 器 件 的 最 大 交 流 正 弦 电 流 的 有 效 值 ， 用 IT(RMS)表示 。 双 向 晶 闸 管 有 效 值 电 流 与 普 通 晶 闸 管 平 均 值 电 流 之 间 的 换 算 关 系 式 为 (1-

22、7) 以 此 推 算 ， 一 个 100A的 双 向 晶 闸 管 与 两 个 45A的 普 通 晶 闸 管 反 并 联 电 流 容 量 相 等 。 T(RMS)T(RMS)T(AV) 45.02 III 3 双 向 晶 闸 管 的 触 发 方 式 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 ： (1) I+ 触 发 方 式 主 极 T2为 正 ， T1为 负 ； 门 极 电 压 G为 正 ， T1为 负 。 (2) I_ 触 发 方 式

23、主 极 T2为 正 ， T1为 负 ； 门 极 电 压 G为 负 ， T1为 正 。 (3) +触 发 方 式 主 极 T2为 负 ， T1为 正 ； 门 极 电 压 G为 正 ， T1为 负 。 (4) 触 发 方 式 主 极 T2为 负 ， T1为 正 ； 门 极 电 压 G为 负 ， T1为 正 。 四 种 触 发 方 式 中 触 发 灵 敏 度 不 相 同 ， I + 触 发 方 式 灵 敏 度 最 高 ， +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 -。 二 、 快 速 晶 闸 管 快 速 晶 闸 管 是

24、 专 为 快 速 应 用 而 设 计 的 晶 闸 管 ，国 产 快 速 晶 闸 管 为 K K 系 列 。 常 规 的 快 速 晶 闸 管 工作 在 400H z以 下 ， 更 高 频 的 晶 闸 管 可 应 用 于 10kH z以 上 的 斩 波 或 逆 变 电 路 中 。 快 速 晶 闸 管 的 开 关 时 间以 及 du dt和 di dt耐 量 都 有 了 明 显 改 善 。 从 关 断时 间 来 看 ， 普 通 晶 闸 管 一 般 为 数 百 微 秒 ， 快 速 晶 闸管 为 数 十 微 秒 ， 而 高 频 晶 闸 管 则 为 10 s左 右 。 与 普通 晶 闸 管 相 比 ， 高

25、 频 晶 闸 管 的 不 足 在 于 其 电 压 和 电流 定 额 都 不 易 做 高 。 三 、 逆 导 晶 闸 管 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 电 力 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 ， 其 电 气 图 形 符 号 和 伏 安 特 性 如 图1-13所 示 。 图 1-13 逆 导 晶 闸 管 的 电 气 符 号 和 伏 安 特 性 四 、 光 控 晶 闸 管 光 控 晶 闸 管 又 称 光 触 发 晶 闸 管 ，

26、是 利 用 一 定 波 长 的 光 照信 号 触 发 导 通 的 晶 闸 管 ， 其 电 气 图 形 符 号 和 伏 安 特 性 如 图 1-14所 示 。 小 功 率 光 控 晶 闸 管 只 有 阳 极 和 阴 极 两 个 端 子 ， 大 功率 光 控 晶 闸 管 则 还 带 有 光 缆 ， 光 缆 上 装 有 作 为 触 发 光 源 的 发光 二 极 管 或 半 导 体 激 光 器 。 图 1-14 光 控 晶 闸 管 的 电 气 符 号 和 伏 安 特 性 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

27、 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

28、 定 电 流 时 ， 会 形 成 一 个 强 烈 的 正反 馈 过 程 ， 使 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 。 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

29、 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 器 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 。 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 U DRM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 。