1 晶闸管和单相整流.ppt

功率二极管、晶闸管和单相相控整流电路，1.1非受控器件功率二极管1.2半受控器件晶闸管1.3单相相控整流电路本章内容提要，第1章，非受控器件功率二极管，1.2.1功率二极管的结构和工作原理1.2.2功率二极管的基本特性1.2.3功率二极管的主要类型1.1功率二极管的结构和工作原理与信息电子电路中二极管的结构和工作原理相同。基于半导体PN结，由大面积PN结、两端引线和封装组成。就外观而言，主要有螺栓型和平板型包装。图1.1-1功率二极管的形状、结构和电气图形符号。功率二极管的结构和工作原理，1.1.1。当施加直流电压时，外部电场减弱内部电场，空间电荷区域变窄，并发生正传导。PN结的正向导通状态，当施加反向电压时，内建电场增强，空间电荷区变宽，只有极小的反向漏电流、反向阻断、PN结的反向截止状态和功率二极管的基本特性。1.静态特性主要指其伏安特性。图1.1-3功率二极管1.1.2的伏安特性和开关器件的四种状态：静态：开和关动态：开和关。它具有接近理想开关的伏安特性，功率二极管的基本特性，2。动态特性，1.1.2，关断过程，从导通到阻塞的过程，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，功率二极管的基本特性，启动过程：2。动态特性，1.1.2，初始启动阶段的感应效应(正向电压降不能立即响应正向电流的变化),这与器件机制、引线长度等因素有关。从阻断到导通，功率二极管的主要类型是通用功率二极管，也称为整流二极管，主要用于开关频率低(1千赫兹以下)的整流电路。正向电流配额和反向电压配额可以达到非常高，分别达到数千安培和数千伏特。1.1.3，2 .快速恢复二极管(FastRecoveryDiodeFRD)，功率二极管的主要类型，1.1.3，反向恢复过程非常短金掺杂措施大多用于该过程中，该结构具有存储较少电荷和快速复合的能力，并在性能方面可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者的反向恢复时间在数百纳秒以上，而后者的反向恢复时间在100纳秒以下，甚至达到20 30纳秒。，功率二极管的主要类型，3。肖特基二极管(SchottkyBarrierDiodeSBD)二极管基于金属和半导体接触形成的势垒，1.1.3肖特基二极管的优点是只传输电子电荷，没有少数载流子存储效应，反向恢复时间短，正向恢复过程中不会有明显的电压过冲。在低反向耐压条件下，正向压降很小，开关损耗和正向导通损耗很小。肖特基二极管的缺点是当反向耐压增加时，正向压降也会很高。耐压低，反向漏电流大，对温度敏感。它的工作温度必须严格限制。半控制装置晶闸管。1.2.1晶闸管的结构和工作原理1.2.2晶闸管的基本特性1.2.3晶闸管的主要参数1.2.4晶闸管的型号1.2.5晶闸管的衍生器件1.2晶闸管：硅晶闸管，可控硅整流器可控硅贝尔实验室于1956年发明了晶闸管，通用电气公司(GE)于1957年开发的第一个晶闸管产品于1958年商业化。自20世纪80年代以来，它已被性能更好的全控制设备所取代。它具有最高的电压和电流容量，运行可靠。从广义上讲，晶闸管包括普通晶闸管及其派生词，但术语晶闸管通常专门用来指普通晶闸管、半控器件-晶闸管，1.2、晶闸管的结构和工作原理以及外部结构：外部形状主要包括螺栓型和平板引出阳极a、阴极k和栅极(控制端)g。图1.2-1晶闸管形状、结构和电气图形符号a)形状b)结构c)电气图形符号1.2.1、内部结构：4 晶闸管结构和工作原理，晶闸管工作状态，正向闭锁，反向闭锁，导通，阳极电位高于阴极电位，栅极无信号，阴极电位高于阳极电位，阳极电位高于阴极电位，栅极加信号，晶闸管结构和工作原理，晶闸管正常工作特性：在反向电压下，栅极是否有触发电流，晶闸管不导通。 当承受直流电压时，只有当栅电极有触发电流且晶闸管电流高于某一值时，管才会导通。一旦晶闸管导通，门就失去控制。晶闸管只有在电流降到某个值以下时才能关断。1.2.1、晶闸管导通条件下，要承受正阳极电压，必须有一定的正栅极电压(电流)，阳极电流大于或等于保持电流，晶闸管恢复闭锁条件下阳极电流小于保持电流，图1.2-2晶闸管双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理、晶闸管结构和工作原理，1.2.1、1.2.1、晶闸管结构和工作原理、晶体管特性：随着发射极电流的变化而迅速变化。Ig=0: 12非常小，阻塞状态ig0: 12接近1，饱和导通，12 ig1ig，晶闸管的伏安特性，2)反向特性III象限III类似于二极管的反向特性。晶闸管的基本特性，1.2.2，图1.2-3晶闸管伏安特性IG2IG1IG，理想特性，晶闸管的基本特性，1.2.2，1。额定电压，晶闸管的主要参数，1.2.3，允许对器件施加重复的正峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的一个作为装置的额定电压UTn。选择时，额定电压一般取正常运行时晶闸管承受的峰值电压的23倍。允许重复施加到器件的反向峰值电压。当晶闸管以额定电流稳定运行时，阳极和阴极之间的电压降平均值，通常称为管电压降。1)正向阻断重复峰值电压UDRM，2)反向重复峰值电压URRM，3)导通状态平均电压UT，晶闸管的主要参数，2。额定电流，1.2.3，一个周期内工频正弦半波导通电流的平均值，根据实际电流等于额定电流有效值的原则选择晶闸管。1)额定电流信息，晶闸管主要参数，1.2.3，波形系数，工频波形系数3)保持电流i1，2)保持电流IH，晶闸管的主要参数，2。额定电流，1.2.3，3。栅极参数、栅极触发电流IGT和栅极触发电压UGT、最小栅极电流以及组件完全从阻塞状态开启所需的相应栅极电压，4。动态参数，晶闸管的主要参数，1.2.3，1)晶闸管的导通时间tgt和关断时间tq。晶闸管引入门极电流后，需要一段时间才能导通，即从阳极电流到零的导通时间，直到晶闸管恢复正阻断。为了缩短导通时间，强触发和加反向电压可以加速关断过程，晶闸管可以承受大电流的最大增长率而不受不利影响。3)导通状态电流的临界上升率di/dt不会导致晶闸管从关断状态切换到导通状态时施加电压的最大上升率。2)关断状态电压的临界上升率du/dt，1.2.4，晶闸管类型，k，P，平均导通状态电压，额定电压，额定电流，普通反向闭锁类型，晶闸管特性，额定电流分为14个系列，1，5，10，20，30，50，100，200，300，400，500，600，800，1000A，额定电压33541000伏以下1000伏至3000伏，每200伏为一级，9组平均导通电压为，如表1-3所示。晶闸管的衍生器件。1.快速开关晶闸管FST普通晶闸管的关断时间是几百微秒，快速晶闸管是几十微秒，而高频晶闸管由于工作频率高，其开关损耗的热效应是不可忽视的。1.2.5，2 .双向晶闸管(三端双向晶闸管或双向三端双向晶闸管)，图1.2-4双向晶闸管电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性，晶闸管导数，1.2.5，相当于一对普通晶闸管反并联。有两个主电极T1和T2以及一个栅极G。正方向和负方向都可以触发导通，并且具有对称的伏安特性I和III象限。3。反向导体 RCT，图1.2-5反向导体的电气图形符号和伏安特性A)电气图形符号B)伏安特性，晶闸管的衍生器件，1.2.5，等效于普通晶闸管和二极管的反向并联，具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。4。光触发晶闸管 LTT，图1.2-6光触发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，晶闸管的衍生器件，1.2.5，也称为光触发晶闸管，由照明信号触发的晶闸管。光触发保证了主电路和控制电路之间的绝缘，可以避免电磁干扰，主要用于高压大功率场合。为了简化分析过程，作出以下假设：晶闸管和功率二极管都是理想的元件：导通时的正向压降和关断时的漏电流被忽略。导通和关断都是瞬时的。基本方法是根据整流元件导通和关断的物理过程以及负载的特性，得到一系列的电压和电流波形，并根据波形分析得到一系列的定量关系。单相相控整流电路，交流侧接单相电源，几个典型的单相可控整流电路，单相半波整流电路，带阻性负载的工况，带阻性负载的工况，单相全波整流电路，单相桥式全控整流电路，带阻性负载的工况，带反电动势负载的工况，单相桥式半控整流电路，1.3，单相半波可控整流电路，阻性负载特性：电压与电流成正比，两种波形相同。图1.3-1单相半波可控整流电路及波形，1.3.1，控制角：a导通角：这种通过控制触发脉冲的相位来控制DC输出电压大小的方式称为相位控制模式，简称为相位控制。电压互感器的相移范围为180，单相半波可控整流电路，1.3.1，1.3.1，单相半波图1.3-2带感性负载的单相半波电路及其波形，单相半波可控整流电路，1.3.1，图1.3-3单相半波感性负载连接电流二极管的电路及其波形，单相半波可控整流电路，1.3.1，为了避免Ud过小，在整流电路的负载两端并联续流二极管。如果id近似地被认为是水平线，并且id是常数，则存在单相半波可控整流电路。1.3.1、晶闸管一周导通角：二极管一周导通角：单相全波可控整流电路和变压器无DC磁化问题。在一个周期中，每个次级绕组仅在一半时间内需要管的高反向耐受电压。图1.3-4单相全波可控整流电路和波形，1.3.2单相桥式全控整流电路，图1.3-5单相全控桥式负载电阻时的电路和波形，1.3.3，1。电阻负载，定量关系A角的相移范围为0 ，流经晶闸管的电流平均值仅为输出DC平均值的一半：单相桥式全控整流电路，1.3.3，单相桥式全控整流电路，1.3.3，流经晶闸管的电流有效值：变压器二次测量电流的有效值I2等于输出直流的有效值I:从以上两个公式，图1.3-6单相全控桥负载时的电路和波形大电感负载不与流量管连接。晶闸管的相移范围是90。对于U2变压器的次级侧电流i2，晶闸管承受的最大正向和反向电压是180正和180负的矩形波。其有效值I2=Id，单相桥式全控整流电路，1.3.3，大电感负载，1.3.3，单相桥式全控整流电路，连续流管，输出电压波形与电阻负载相同，晶闸管的平均电流和有效电流发生变化。晶闸管的导通角为：续流管的导通角为：图1.3-7单相桥式全控整流电路接反电动势负载时的电路和波形，单相桥式全控整流电路，1.3.3有反电动势负载时的工作状态，特性：产生与输入电流方向相反的极性的电位，单相桥式全控整流电路，当d时，整流输出电压为：通常在主电路的DC输出侧串联一个平滑电抗器，以减小电流脉动，延长晶闸管导通图1.3-8单相桥式全控整流电路，带反电动势负载串联平滑电抗器，连续电流临界条件，单相桥式全控整流电路，1.3.3，当电路与电感负载相同时，单相桥式半控整流电路，图1.3-9单相桥式半控整流电路，电阻负载电路和波形，1.3.4，1。电阻负载半控制电路和全控制电路在相同的电阻负载下工作。图1.3-10单相桥式半控整流电路，大电感负载下的电路和波形，单相桥式半控整流电路，1.3.4，2 .大电感负载，单