《新能源汽车电力电子技术》电子教案 项目三 任务三 晶闸管的认知与检测

《新能源汽车电力电子技术》教案PAGEPAGE6课题晶闸管的认识教学目标能力目标1.电路搭建，能够正确搭建晶闸管控制电路，使用电子元器件和实验设备。2.测试与测量，熟练使用示波器、万用表、逻辑分析仪等仪器对晶闸管电路进行测试和测量。知识目标1.熟悉电力电子器件的分类。2.熟悉晶闸管的结构、工作原理及其特性。3.能搭建晶闸管导通关断条件电路并进行测试。4.能用万用表判断晶闸管的好坏。素质目标1.严谨细致，在电路搭建和测试过程中保持严谨细致，确保每一步操作的准确性。2.科学态度，具备科学的工作态度，注重实验的规范性和数据的可靠性。教学重点能搭建晶闸管导通关断条件电路并进行测试。能用万用表判断晶闸管的好坏。教学难点晶闸管的工作原理及其特性。教学准备投影仪、数字万用表、晶闸管、电源、导线、教材。课型理实一体课授课课时2课时教学过程教学内容教学方法与手段时间一、导入晶闸管是晶体闸流管的简称，是一种较理想的大功率变流器件，主要应用在可控整流、交流调压、无触点交直流开关、逆变和直流斩波等方面。如何诊断晶闸管优劣，判断晶闸管工作正常和会调试晶闸管是本任务主要内容。讲授法；多媒体课件2分钟二、教学实施1、资讯一、晶闸管的结构晶闸管又称可控硅整流器，早期被称为可控硅，是最早出现的电力电子器件之一，属于半控型电力电子器件。由于晶闸管所能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高和最大的而且价格低廉、工作可靠，因此在大容量、低频率的电力电子装置中仍占主导地位。晶闸管是一种4层半导体、3个PN结的三端大功率电力电子器件。如图3-3-1所示晶闸管。图3-3-1为晶闸管两种主要的封装结构，即螺栓型和平板型。每个器件引出阳极A、阴极K的外形、结构以及电气符号。阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个连接端。螺栓型封装的螺栓为阳极，做成螺栓状是为了能与散热器紧密连接且安装方便：较粗的端子为阴极，细的为门极。平板型封装的晶闸管由两个散热器将其夹在中间，两个平面分别是阳极和阴极，引出的细长端子为门极。由图3-3-1可以看出，晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，从上到下分别命名为P1、N1、P2、N2四个区，形成J1、J2、J3三个PN结。阳极A由P1区引出，阴极K由N2区引出，门极由P2区引出。图3-3-1晶闸管的外形、结构及电气符号二、晶闸管的工作原理晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，如果正向电压(阳极高于阴极)加到器件上则J2处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。如果反向电压加到器件上，则J1和J3反偏，该器件也处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图3-3-2所示。如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管VT1、VT2组合而成。如果外电路向门极注入电流IG，也就是注入驱动电流，则IG流入晶体管VT2的基极，即产生集电极电流IC2。它构成晶体管VT1的基极电流，放大成集电极电流IC1，又进一步增大VT2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后VT1和VT2，进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流IG，由于晶闸管内部已形成了强烈的正反馈，因此会仍然维持导通状态。而要使晶闸管关断，则必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。所以，对晶闸管的驱动过程称为触发。由于通过门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管又称为半控型器件。图3-3-2晶闸管的双晶体管模型与等效电路按照晶体管的工作原理，可列出如下方程IC1=α1IA+ICBO1IC2=α2IK+ICBO2IK=IA+IGIA=IC1+IC2式中，α1、α2分别为晶体管VT1和VT2的共基极电流增益；ICBO1、ICBO2分别为VT1和VT由式(3-3-1)、（3-3-2）、（3-3-3）、(3-3-4)可得IA=a2晶体管的特性是：在低发射极电流下α很小，而当发射极电流建立起来后，α迅速增大。因此，在晶体管阻断状态下，IG=0，而α1+α2是很小。由式(3-3-5)可以看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大，以致α1+α2趋近于1，则流过晶闸管的电流IA(阳极电流)将趋于无穷大，从而实现器件饱和导通。但由于外电路负载的限制，晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通，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dudt三、晶闸管的特性1.晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性又称为晶闸管的伏安特性，是指晶闸管器件端电压与电流的关系。下面介绍晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性。(1)晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性曲线如图3-3-3所示。图中，URSM为反向不重复峰值电压，URRM为反向重复峰值电压，UDRM为断态重复峰值电压，UDSM为断态不重复峰值电压。晶闸管的阳极伏安特性分为两个区域。第一象限为正向特性区，第二象限为反向特性区。在正向特性区，当晶闸管两端加正向电压且门极加触发信号时，晶闸管导通。而当IG=0时，晶闸管处于正向断状态，只有很小的正向漏电流流过。如果正向电压超过临界极限正向转折电压UBO，漏电流将急剧增大，器件由高阻线区经虚线负阻区到低阻区而导通，导通后的晶闸管特性与二极管正向特性相仿。随着门极电流的增大，正向转折电压降低。即使通过较大的阳极电流，晶闸管本身的电压降也很小，约为1V。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，晶闸管又回到正向阻断状态，当晶闸管承受反向阳极电压时，由于J1和J3两个PN结处于反向偏置，器件处于反向阻断状态，只流过一个很小的漏电流。随着反向电压的增加，反向漏电流略有增大。一旦阳极反向电压超过一定限度，达到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热，造成永久性损坏。(2)晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极触发电流是从门极流入晶闸管，从阴极流出。阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。从晶闸管的结构可以看出，门极和阴极之间存在一个PN结，其伏安特性称门极伏安特性。门极伏安特性是指这个PN结上正向门极电压UG与门极电流I图3-3-3晶闸管的阳极伏安特性曲线2.晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性是指器件上电压、电流随时间变化的关系。晶闸管突加电压或电流时的工作状态，往往直接影响电路的工作稳定性、可靠性和可运行性，特别是高频电力电子电路，更应该注意。如图3-3-4所示，晶闸管的动态特性给出了晶闸管开通和关断过程的波形。图3-3-4晶闸管的动态特性(1)开通过程开通过程是使门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃电流触发的情况。由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。如图3-3-4所示，从门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值10%，这段时间称为延迟时间td，与此同时晶闸管的正向电压降也在减小。阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间称为上升时间tr，开通时间tgt定义为td和tr之和。(2)关断过程如图3-3-4所示，原处于导通状态的晶闸管当外电压突然由正向变为反向时，由于电路电感的存在，阳极电流将逐步衰减到零，在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值IRM后再反方向衰减。同样，在恢复电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在晶闸管两端引起反向的尖峰电压URRM。最终反向恢复电流衰减至接近于零，晶闸管恢复其对反向电压的阻断能力。从正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时间，称为晶闸管的反向阻断恢复时间trr。反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间，这段时间称为正向阻断恢复时间tgr。在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。所以实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。晶闸管的电路换向关断时间tq定义为trr与tgr之和。普通晶闸管的关断时间为几百微秒。四、晶闸管的测试晶闸管的导通条件：单向晶闸管由阻断到导通必须同时具备两个条件，即晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压、控制极与阴极之间加正向触发电压，而晶闸管从截止到导通后触发电压就失去了作用。晶闸管的关断条件：要使单向晶闸管从导通到关断，可减小阳极与阴极之间的阴极电流，使之小于维持电流或使阳极电压反向或断开主电路。1.单向晶闸管的各电极判别(1)根据外形结构识别如图3-3-5所示为常用单向晶闸管的外形结构，图中展示晶闸管的阳极A、阴极K和门极(控制端)G。图3-3-5常用单向晶闸管的外形结构和电极（2）使用万用表进行判别使用万用表判断晶闸管电极，应将万用表拨至R×100Ω或R×1KΩ测量任意两电极间的电阻。仅当黑表笔接G极，红表笔接2.单向晶闸管的质量判断使用万用表的R×1KΩ单向晶闸管的门极G与阴极K之间的正向电阻值约为2KΩ，反向电阻值约为80KΩ以上，若两次测得的电阻值均很大(∞)或很小，则说明单向晶闸管的门极G与阴极K断路或短路。单向晶闸管的阳极A与门极G的正向阻值接近无穷大，若出现阳极A与控制极G之间断路或短路间的正、反向电阻值不一样(一大一小)，则说明其中有一个PN结被击穿。3.检查晶闸管的触发能力检查晶闸管的触发能力需分两种情况，分别为小功率晶闸管和中、大功率晶闸管。对于小功率单向晶闸管，可用万用表的R×1对于电流在5A以上的中、大功率普通晶闸管，因其通态电压降UT、维持电流IH及门极触发电压UG均相对较大，万用表R×1挡所提供的电流偏低，晶闸管不能完全导通，故检测时可在黑表笔端串联1~3节1.5V电池(视被测晶闸管的容量而定，若工作电流大于100A，应用3节1.5V干电池)，黑表笔接干电池负极，再用万用表R讲授法、情景教学法；多媒体课件、实物演示20分钟2、初步训练布置任务：判断晶闸管的好坏。分组讨论，小组交流：学生分成两组，依据布置的任务制定出任务实施计划，确定工作步骤和顺序，并进行交流。表3-3-1工具明细序号名称数量1数字万用表12晶闸管若干3电源若干4导线1个5教材1个工作步骤：1.取出万用表，选择电阻挡，并对万用表进行校零，然后再进行测量。2.将万用表红表笔连接晶闸管A端子，黑表笔连接K端子，进行测量，读取数值不导通。3.将万用表红表笔连接晶闸管K端子，黑表笔连接A端子，进行测量，读取数值，不导通。4.将万用表红表笔连接晶闸管G端子，黑表笔连接K端子，进行测量，读取数值0.8KΩ，导通。5.将万用表红表笔连接晶闸管K端子，黑表笔连接G端子，进行测量，读取数值0.8KΩ，导通。6.将测试值与维修手册标准值比较，判断晶闸管是否正常7.取下红黑表笔，复位万用表，收拾整理场地。讨论法、演示法；实物16分钟3、强化训练二、晶闸管导通关断条件测试1.根据图3-3-6搭建晶闸管测试电路，搭建电路时不能带电操作。图3-3-6晶闸管测试电路2.电路搭建完成后，打开电源开关，闭合开关S1，此时灯泡应该点亮。3.分别闭合开关S2、S3、S4，灯泡应该都不亮。4.先闭合开关S1，再闭合开关S3，此时灯泡亮度应该逐渐增强。5.先闭合开关S1，再闭合开关S2或S4，此时灯泡亮度没变化。6.关断电源，拆除电路。项目教学法；实物10分钟4、项目检查对学生完成的任务工单结果给予检查，且将检测结果与标准检测值对比。检查作业工单完成情况。项目教学法；实物演示12分钟5、总结评价对学生的表现和操作结果进行评价项目教学法；成果展示6分钟6、项目考核学生根据操作成果，自评、互评。评价标准表1-2-2任务测评表序号主要内容考核要求评分标准配分扣分得分1完成电路搭建根据任务要求，找出电路元件，完成电路焊接1.元件选择正确，每处扣10分2.元件按照电路图焊接，每处错误扣10分502完成电路调试根据任务要求，按照电路图焊接1.检测方法和步骤不正确，每处扣10分403安全文明生产劳动保护用品穿戴整齐；遵守操作规程；尊重老师，讲文明礼貌；操作结束要清理现场1.操作中，违犯安全文明生产考核要求的任何一项扣2分，扣完为止2.当发现学生有重大事故隐患时，要立即予以制止，并每次扣安全文明生产总分5分10合计开始时间:结束时间:讲授法6分钟7、课后作业思考题：1)电力电子器件按照能够被控制信号所控制的程度可以分