第章電力晶體管和晶閘管PPT課件

1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級*第章電力晶體管和晶閘管2AKAKa)第一節(jié)電力二極管電力二極管是指可以承受高電壓大電流具有較大耗散功率的二極管，它與其他電力電子器件相配合，作為整流、續(xù)流、電壓隔離、鉗位或保護元件，在各種變流電路中發(fā)揮著重要作用；它的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性與信息電子電路中的二極管相同，以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)；主要類型有普通二極管、快恢復(fù)二極管和肖特基二極管；由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成，從外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型兩種封裝，小功率的

2、和普通二極管一致。 IKAPNJb)c)圖1-1 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號3第二節(jié) 晶 閘 管 晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR，普通晶閘管是一種具有開關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。從1957年美國研制出第一只普通晶閘管以來，至今已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品 ；晶閘管作為大功率的半導(dǎo)體器件，只需用幾十至幾百毫安的電流，就可以控制幾百至幾千安培的大電流，實現(xiàn)了弱電對強電的控制 ； 晶閘管具有體積小、重量輕、損耗小、控制特性好等優(yōu)點，曾經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。 4一、晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘

3、管具有四層PNPN結(jié)構(gòu)，引出陽極A、陰極K和門極G三個聯(lián)接端；晶閘管的常見封裝外形有螺栓型、平板型、塑封型；晶閘管對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。圖1-2 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號G5晶閘管的管耗和散熱： 管耗流過器件的電流器件兩端的電壓 管耗將產(chǎn)生熱量，使管芯溫度升高。如果超過允許值，將損壞器件，所以必須進行散熱和冷卻。 冷卻方式：自然冷卻（散熱片）、風(fēng)冷（風(fēng)扇）、水冷6二、晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件簡單描述晶閘管SCR相當(dāng)于一個半可控的、可開不可關(guān)的單向開關(guān)。圖1-3

4、 晶閘管的工作條件的試驗電路7解釋當(dāng)SCR的陽極和陰極電壓UAK0時，且EGk0，SCR才能導(dǎo)通。SCR一旦導(dǎo)通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當(dāng)UAK0 同時 UGK0由導(dǎo)通關(guān)斷的條件：使流過SCR的電流降低至維持電流以下。 (一般通過減小EA,直至EA0來實現(xiàn)。）8圖1-4 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理三、晶閘管的工作原理分析具體描述如果IG(門極電流)注入V2基極，V2導(dǎo)通，產(chǎn)生IC2（ 2IG ）。它同時為V1的基極電流，使V1導(dǎo)通，且IC1= 1

5、IC2,IC1加上IG進一步加大V2的基極電流，從而形成強烈的正反饋，使V1V2很快進入完全飽和狀態(tài)。此時SCR飽和導(dǎo)通，通過SCR的電流由R確定為EA/R。UAK之間的壓降相當(dāng)于一個PN結(jié)加一個三極管的飽和壓降約為1V。此時，將IG調(diào)整為0，即UGK0 產(chǎn)生IG V2通產(chǎn)生IC2 V1通 IC1 IC2 出現(xiàn)強烈的正反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導(dǎo)通。9晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。（見圖1-5）四、晶閘管的陽極伏安特性IG =0圖1-5 晶閘管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向?qū)║BO正向特性反向特性雪崩擊穿10

6、1) 正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。圖1-5 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG四、晶閘管的陽極伏安特性112) 反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓超過

7、一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。四、晶閘管的陽極伏安特性圖1-5 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG121. 額定電壓（UTn）1)正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。2)反向阻斷重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3)通態(tài)（峰值）電壓UTM晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。五、晶閘管的主要參數(shù)13通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常

8、工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍：UTn（）UTM (在交流市電中UTM311V)一般來說，SCR的額定電壓等級規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為：100V1000V，每100V一個等級；1000V3000V，每200V一個等級。14舉例： 一晶閘管用于相電壓一晶閘管用于相電壓為220V 的單相電路中時，器件的電壓等級選擇如下： 考慮到既能滿足耐壓要求，又較經(jīng)濟取系列值：152. 額定電流（通態(tài)平均電流）IT(AV)定義：在環(huán)境溫度為+140度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載時的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導(dǎo)通角不小于170度）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125度時所允許的通態(tài)平均電流。注意：由于晶閘管較多

9、用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來計算，它是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額。16閘管的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為： 正弦半波電流的有效值為： 平均電流IT(AV)與有效值關(guān)系為： 17流過晶閘管的電流波形不同時，其電流有效值也不同，以上比值也不同。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進行換算，并且在選用晶閘管時，電流電流參數(shù)還應(yīng)取(1.52)倍的安全裕量，即式中IT是流過晶閘管中可能出現(xiàn)的最大電流有效值18 有一晶閘管的電流額定值I（TAV）=100A，用于電路中流過的電流波形如圖所示，允許流過的電流峰值IM=？分析： I（TAV）=1

10、00A的晶閘管對應(yīng)的電流有效值為： IT=1.57 I（TAV） 157A ；波形對應(yīng)的電流有效值： 考慮2倍的安全雨量后得： 舉例：191）通態(tài)平均電壓UT(AV)：當(dāng)晶閘管中流過額定電流并達(dá)到穩(wěn)定的額定結(jié)溫時，陽極與陰極之間電壓降的平均值，稱為通態(tài)平均電壓。通態(tài)平均電壓UT(AV)分為A，對應(yīng)為0.4V1.2V共九個組別。 2)維持電流 IH ：使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小3)擎住電流 IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。 對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。3. 其他參數(shù)204)斷態(tài)電

11、壓臨界上升率dudt ：在額定結(jié)溫和門極開路情況下，不使元件從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大陽極電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率。5）通態(tài)電流臨界上升率didt ：在規(guī)定條件下，晶閘管在門極觸發(fā)開通時所能承受不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率稱為通態(tài)電流臨界上升率。 21六、晶閘管門極伏安特性及主要參數(shù)1、門極伏安特性 指門極電壓與電流的關(guān)系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個PN結(jié)， 所以電壓與電流的關(guān)系和普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特性曲線可通過實驗畫出，如圖1-6所示。22 2、門極幾個主要參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn) 1）門極不觸發(fā)電壓UGD和門極不觸發(fā)電流IGD ： 不能使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大門極電壓稱為門

12、極不觸發(fā)電壓UGD，相應(yīng)的最大電流稱為門極不觸發(fā)電流IGD。 ）門極觸發(fā)電壓UGT和門極觸發(fā)電流IGT 在室溫下，對晶閘管加上V正向陽極電壓時，使元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必須的最小門極電流稱為門極觸發(fā)電流IGT，相應(yīng)的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。 ）門極正向峰值電壓UGM、門極正向峰值電流IGM和門極峰值功率PGM 23 一、雙向晶閘管 1.雙向晶閘管的外形與結(jié)構(gòu) 雙向晶閘管的外形與普通晶閘管類似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其內(nèi)部是一種NPNPN五層結(jié)構(gòu)引出三個端線的器件。如圖1-7所示。 第三節(jié) 雙向晶閘管及其他派生晶閘管圖1-7 雙向晶閘管 242.雙向晶閘管的特性與參數(shù)雙向晶閘管具有正

13、反向?qū)ΨQ的伏安特性曲線。正向部分位于第I象限，反向部分位于第III象限。如圖1-7（d）所示。雙向晶閘管均方根值電流與普通晶閘管平均值電流之間的換算關(guān)系式為 25 3. 雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個方向都能導(dǎo)通，門極加正負(fù)電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：+ 觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門極電壓G為正，T2為負(fù)。特性曲線在第象限。- 觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門極電壓G為負(fù)，T2為正。特性曲線在第象限。+ 觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門極電壓G為正，T2為負(fù)。特性曲線在第象限。- 觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門極電壓G為負(fù)，T2為

14、正。特性曲線在第象限。由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以+ 觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時要盡量避開，常采用的觸發(fā)方式為+ 和- 。 264. 雙向晶閘管的門極控制雙向晶閘管的控制方式常用的有兩種，第一種為移相觸發(fā)，與普通晶閘管一樣，是通過控制觸發(fā)脈沖的相位來達(dá)到調(diào)壓的目的。第二種是過零觸發(fā)，適用于調(diào)功電路及無觸點開關(guān)電路。本相電壓強觸發(fā)電路 這種觸發(fā)方式電路簡單、工作可靠，主要用于雙向晶閘管組成的交流開關(guān)電路。 27包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管（10kHz以上）；管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進行了改進，開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有

15、明顯改善；普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右；高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高；由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)；FST由于允許長期通過的電流有限，所以其不宜在低頻下工作。二、快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)28 逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。三、逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）圖1-9 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性29四、 光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。圖1-10 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性30本章小結(jié)普通晶閘管導(dǎo)通