电力二极管和晶闸管

1、第1章电力二极管和晶闸管,Power Electronics,1、概念 主电路（Power Circuit）：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。 电力电子器件（Power Electronic Device) ：直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件,2、广义 分类,电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已逐步被半导体器件取代） 半导体器件（目前所指电力电子器件，采用材料仍然是硅,1.1电力电子器件概述,Power Electronics,电力电子器件是功率半导体器件。 1）电力电子器件处理的电压电流较大。 2）电力电子器件一般都工作在开关状态。 3）注

2、重器件的功率损耗和散热问题。 4）注重对器件的保护。 5）需要驱动与隔离,3、特征,Power Electronics,电力电子系统组成,电力电子电路,由控制电路、驱动电路、电力电子器件为核心的主电路组成,4、系统组成,主电路端子（公共端）驱动电路和主电路， 是主电路电流流出电力电子器件的端子,Power Electronics,导通,主电路中 电力电子器件,关断,检测电路、驱动电路以外的电路,控制电路,由信息电路组成,控制电路,主电路,电力电子系统,检测电路,检测主电路或应用现场信号,通过驱动电路 控制,Power Electronics,主电路,驱动电路,检测电路,控制信号,电气隔离,电气

3、隔离,电气隔离,电气隔离,电气隔离,保护电路 ：保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行,Power Electronics,1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度,半控型器件,全控型器件,通过控制信号可控制 其导通而不能控制其关断,晶闸管 及其派生器件,通过控制信号即可控制 其导通又能控制其关断,绝缘栅双极晶体管 电力效应晶体管 门极可关断晶体管,自关断器件,门极可关断晶体管,处理兆瓦级 大功率电能,5、电力电子器件分类,Power Electronics,不能用控制信号控制 其通断，不需要驱动电路,电力二极管,不控型器件,只有两个端子,2）按照驱动电路加在电力电子器件控制

4、端和公共端 之间信号的性质,电流驱动型,电压驱动型,控 制 端,通 断,注 入 电 流,抽 出 电 流,电压信号,公 共 端,控 制 端,Power Electronics,3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况,单极型器件,由一种载流子参与导电的器件,双极型器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,复合型器件,单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,Power Electronics,电力电子器件,选择、使用时 注意的问题,工作原理 基本特征 主要参数,电力电子器件,掌握,基本特征 型号命名法 参数 特征曲线,6、学习要点,Power Electronics,逐步 取代,结构

5、和原理简单工作可靠,现在仍大量应用于许多电气设备,电力二极管 （半导体整流器,20世纪50年初获得应用,汞弧 整流器,应用,快恢复二极管 肖特基二极管,中、高频电流 逆变 低压高频电流,1.2不可控器件电力二极管,1、电力二极管,Power Electronics,以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样,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,普通二极管（螺栓式,普通二极管（平板式,整流二极管及模块,Power Electronics,N

6、型半导体和P型半导体结合后构成PN结,PN结的形成,Power Electronics,PN结的形成,多子的扩散运动少子的漂移运动,扩散电流,PN结 外加电场,PN结 自建电场,方向相反,形成自P区流入从N区流出的电流,内部,外电路,造成空间电 荷区变窄,正向电流IF,Power Electronics,外加电压升高,PN结的正向导通状态,扩散电流增加,自建电场削弱,PN结流过的正向电流,电阻值较高且为常数,较小,较大,电阻率下降电导率增加,电导调 制效应,PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态,Power E

7、lectronics,PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征,反向电流IR,少子浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定,PN结外加反向电压,外电路电流,N区流入,P区流入出,反向饱 和流IS,高 电 阻,几 乎 没 有 电 流 流 过,PN结的反向截止状态,Power Electronics,PN结的反向击穿,施加PN结反 向电压过大,反向电流 急剧增大,破坏PN结反向偏置 为截止的工作状态,雪崩击穿,齐纳击穿,热击穿,因热量散发不出 PN结温度上升 过热烧坏,Power Electronics,静态特性,电力二极管的伏安特性,电力

8、二极管 静态特征,伏安特征,值定一到大压电向正,正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态,承受反向电压时,只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流,正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降,2、电力二极管的基本特性,正向通态压降UF：0.71.2V 反向漏电流：数十微安数十毫安,Power Electronics,过渡过程中 电压电流 特性随时间 变化,动态特性,电力二极管的动态状态,反映通态和断态之间过程的开关特性,Power Electronics,电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置,电力二极管的关断 经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入截止状态,

9、IRP电流过冲最大值 URP电压过冲最大值 td= t1-t0延迟时间 tf= t2-t1电流下降时间 trr=td+tf反向恢复时间 tf /td 恢复特性的软度， 用Sr表示,在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲,Power Electronics,电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置,电力二极管的开通,正向恢复时间tfr 电力二极管的正向压降出现过冲UFP，经过一段时间 接近稳态降压的某个值，这一动态过程时间,电压过冲原因 1)电导调制效应起作用所需大量少子需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。 2)正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升

10、率越大, UFP越高,Power Electronics,注意：电流、电压反向问题 正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多； 但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（reverser-recovery time）以清除过剩载流子,Power Electronics,正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值（额定电流）。 正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有一定的裕量。 当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能

11、忽略。 当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造成的发热效应也不小,正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降,3、电力二极管的主要参数,Power Electronics,浪涌电流IFSM 电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流,最高工作结温TJM 在PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175范围内,反向恢复时间trr 二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。 普通电力二极管：5s以上； 快恢复二极管： 5s以下，一般为数十至数百纳秒,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,Po

12、wer Electronics,4、电力二极管的主要类型,Power Electronics,快恢复二极管,恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（ 5s以下）的二极管，简称快速二极管,快恢复外延二极管反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），反向耐压多在400V以下,快速恢复二极管,超快速恢复二极管,反向恢复时间 数百纳秒或更长,100ns以下， 甚至达2030ns,快恢复二极管从性能上分为两种,Power Electronics,肖特基二极管,以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。导通压降只有0.3V （forward voltage drop），反压为50-

13、100V。反向恢复时间更短，1040ns，不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向耐压时，正向压降也会提高，多用于200V以下的低压场合；反向漏电流也很大,Power Electronics,晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件,1.3半控型器件晶闸管,Power Electronics,晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号,a,c,b,1、晶闸管的结构与工作原理,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,晶闸管塑封模块,Power Electronics,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b工作

14、原理,产生注入门极的触发电流IG的电路,触发,门极触发电路,对晶体管的驱动,IGIB2 IC2（IB1） IC1 IB2,Power Electronics,晶体管工作原理如以下方程所示,Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1,Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2,IK = IA + IG (1-3,IA = IC1 + IC2 (1-4,a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1-1）式（1-4）得,1-5,晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：

15、IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。 其他几种可能导通的情况: 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高使漏电流变大 光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT ）。 门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠

16、的控制手段,Power Electronics,晶闸管的伏安特性,第象限是正向特性 第象限是反向特性,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,正向特性,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

17、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,静态特性,2、晶闸管的基本特性,Power Electronics,晶闸管正常工作时的特性： （1）当晶闸管承受反向电压时，无论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通； （2）晶闸管是一种单向导电器件，即在正常触发导通时电流只能从阳极流向阴极； （3）晶闸管导通的条件：晶闸管承受正向电压，同时在门极有触发电流作用； （4）晶闸管关断条件：若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加反偏电压或外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某个值以下； （5）晶闸管维持导通的条件：晶闸

18、管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发信号是否存在，只要流过晶闸管的电流不低于其维持电流，晶闸管就能维持导通； （6）晶闸管的误导通条件：阳极正偏电压uAK过高；duAk/dt过大；结温过高； （7）晶闸管具有双向阻断作用，既具有正向电压阻断能力，又具有反向电压阻断能力，而不是像二极管那样仅具有反向电压阻断能力,Power Electronics,动态特性,晶闸管的开通和关断过程,开通过程,延迟时间td 阳极电流从零上升到稳态值10%的时间 上升时间tr 阳极电流从10%上到稳态值的90%所需的时间 开通时间tgt tgt=td+tr 普通晶闸管的延迟时间为0.5us，上升时间为0.53

19、us。其延迟时间随门极电流的增大而减小； 与晶闸管特性、外电路电感、阳极电压有关,关断过程,反向阻断恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近零的时间 正向阻断恢复时间tgr 晶体管恢复载流子复合过程对正向电压的阻断的时间（此期间可能产生误导通） 关断时间tq tq=trr+tgr 普通晶闸管的时间约为几百微秒,动态损耗,Power Electronics,断态重复峰值电压UDRM 断态重复峰值电压是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。 反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压是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。 通态（峰值）

20、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,取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。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的23倍,电压定额,3、晶闸管的主要参数,Power Electronics,通态平均电流IT(AV) 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。（额定电流） 维持电流 IH 晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般几十至几百毫安。 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。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍,电流定额,Power Electronics,断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 位移电流 在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在逐段状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。 通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，