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文檔簡介
1、功率二極管和晶閘管,補(bǔ)充內(nèi)容:功率電子器件概述1.1功率二極管1.2晶閘管1.3雙向晶閘管和其他派生晶閘管本章概述,電子技術(shù)基礎(chǔ)電子器件:晶體管和集成電路基礎(chǔ)功率電子器件本章主要內(nèi)容:功率電子器件的概念、特性和分類概述。介紹了功率二極管和晶閘管的工作原理、基本特性、主要參數(shù)、選擇及使用中應(yīng)注意的問題。1.電力電子器件的概念和特性。由電力電子設(shè)備組成的應(yīng)用系統(tǒng)。電力電子裝置的分類和電力電子裝置概述1)概念:電力電子裝置可直接用于主電路中,以實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換或控制。主電源電路(Main Power Circuit)是電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中直接承擔(dān)電能轉(zhuǎn)換或控制的電路。2)對:電真空裝置(汞弧整流器、閘
2、流管等)進(jìn)行分類。),半導(dǎo)體器件(使用的主要材料仍然是硅),1。電力電子設(shè)備的概念和特征,即處理電力的能力,一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子設(shè)備處理信息的能力。它處理電能的能力小至毫瓦,大至兆瓦,其中大多數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理信息的電子設(shè)備。3)與處理信息的電子設(shè)備相比的一般特性:電力電子設(shè)備一般工作在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通時,阻抗很小,接近短路,管壓降接近零,電流由外部電路決定。當(dāng)阻塞(關(guān)斷狀態(tài))時,阻抗非常大,接近開路,電流幾乎為零,管兩端的電壓由外部電路決定。電力電子器件的動態(tài)特性(即開關(guān)特性)和參數(shù)也是電力電子器件特性的重要方面。在電路分析中,為了簡單起見,通常使用理想開關(guān)。實際上,電力電子設(shè)備經(jīng)常需要由信息電子電路
3、控制。在主電路和控制電路之間,需要一定的中間電路來放大控制電路的信號,控制電路是電力電子器件的驅(qū)動電路。電力電子設(shè)備的功率損耗比信息電子設(shè)備的功率損耗大得多,所以通常安裝散熱器。開態(tài)損耗是設(shè)備功率損耗的主要原因。當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時,開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。電力電子設(shè)備、電力電子系統(tǒng)的主要損耗、開態(tài)損耗、關(guān)態(tài)損耗、開關(guān)損耗、關(guān)態(tài)損耗、開態(tài)損耗:它由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和以電力電子設(shè)備為核心的主電路組成。2.由電力電子器件、控制電路和電氣隔離組成的應(yīng)用系統(tǒng)。在主電路和控制電路中增加了一些電路,以保證電力電子設(shè)備和整個系統(tǒng)的正??煽窟\(yùn)行。功率二極管不能用控制信號來控制它們
4、的開關(guān),所以不需要驅(qū)動電路。晶閘管可以通過控制信號打開,但不能關(guān)閉。完全受控的器件(IGBT,金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)可以通過控制信號控制它們的導(dǎo)通和關(guān)斷,也稱為自關(guān)斷器件。電力電子裝置的分類可根據(jù)裝置可被控制的程度分為以下三類:電流驅(qū)動型通過從控制端注入或汲取電流來實現(xiàn)開或關(guān)的控制。電壓驅(qū)動型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可以實現(xiàn)開關(guān)控制。根據(jù)驅(qū)動電路信號的性質(zhì),它可以分為兩類:單極器件是指載流子參與傳導(dǎo)的器件。雙極器件是指電子和空穴這兩種載流子參與傳導(dǎo)的器件。復(fù)合器件由單極器件和雙極器件組成。根據(jù)電子和空穴兩種載流子在器件中參與導(dǎo)電的情況,它們可以分為三類:1 .結(jié)構(gòu)
5、和伏安特性2。主要參數(shù)3。參數(shù)選擇和使用中的注意事項。主要類型1.1。功率二極管,結(jié)構(gòu)和原理簡單,工作可靠快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管在中高頻整流逆變以及低壓高頻整流中發(fā)揮著不可替代的作用。功率二極管和模塊的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管相同。從外觀上看,包裝主要有兩種類型:螺栓型和平板型。1.結(jié)構(gòu)和伏安特性,陽極和陰極1。二極管的基本原理在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。PN結(jié)狀態(tài),接通條件:在陽極和陰極之間施加直流電壓。關(guān)閉狀態(tài):在陽極和陰極之間施加反向電壓。PN結(jié)(兩種形式)的反向擊穿PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力,但當(dāng)施加的反向電壓過大時,反向電流會急劇增加,這將破壞PN結(jié)的反向偏置到
6、目前的工作狀態(tài)。這被稱為反向擊穿。雪崩擊穿和齊納擊穿都會導(dǎo)致熱擊穿。(1)當(dāng)正向接通時,管電壓降僅約為1V。(2)在反向電壓下,只有小而恒定的反向漏電流,器件處于關(guān)斷狀態(tài)。(3)當(dāng)反向電壓增加到URSM時,二極管將被擊穿損壞。伏安特性,反向重復(fù)峰值電壓,反向非重復(fù)峰值電壓,反向漏電流,問題:如何用萬用表判斷功率二極管的質(zhì)量?答:用萬用表測量歐姆檔R100或R1k檔。正常狀態(tài)如下:1、正向?qū)?、反向截止、電壓和電流特性在過渡過程中隨時間變化,功率二極管的動態(tài)狀態(tài)反映了通態(tài)和斷態(tài)之間的開關(guān)特性。動態(tài)特性二極管的電壓-電流特性隨時間變化(結(jié)電容的存在),功率二極管的動態(tài)過程波形從零偏置變?yōu)檎蚱茫?/p>
7、正向恢復(fù)tfr,1)正向恢復(fù)時間tfr開啟。當(dāng)前的上升速度越高,UFP就越高。功率二極管的動態(tài)過程波形由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置,延遲時間td=t1- t0,電流下降時間tf=t2- t1,反向恢復(fù)時間TRR=TD,恢復(fù)特性的柔度tf /td,或恢復(fù)系數(shù),用Sr表示,2)在關(guān)斷過程中,需要很短的時間才能恢復(fù)反向阻斷能力并進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前,有一個大的反向電流,伴隨著明顯的反向電壓過沖。額定電流在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下,元件的PN結(jié)溫度穩(wěn)定且不超過140時,允許流動的最大工頻正弦半波電流的平均值。中頻是根據(jù)電流的熱效應(yīng)來定義的。使用時,應(yīng)根據(jù)有效值相等的原則選擇當(dāng)前定額,并預(yù)留一定的
8、余量。主要參數(shù):1 .額定電流IF,40,可重復(fù)施加到功率二極管的最高反向峰值電壓。使用時,應(yīng)預(yù)留兩倍的余量。3。正向平均壓降UF(管壓降),2。反向重復(fù)峰值電壓URRM,是在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下,當(dāng)穩(wěn)定的額定電流流動時,器件兩端的正向平均電壓(也稱為管壓降)。URRM的規(guī)定電壓電平是元件的額定電壓,結(jié)溫是指芯片PN結(jié)的平均溫度,用TJ表示。TJM指的是在不損壞PN結(jié)的情況下可以維持的最高平均溫度。TJM通常在125175攝氏度的范圍內(nèi)。4。最高工作溫度TJM;3.參數(shù)選擇及使用中的注意事項;1.參數(shù)選擇;(1)額定電流的選擇原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下,額定電流按以下公式計算:然后
9、取相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)系列值。流經(jīng)二極管的最大電流的有效值,正弦半波波形系數(shù),例如,如果按中頻=65A計算,該表可查如下:1、選擇額定電流為100A的二極管,有安全裕度;(2)額定電壓URRM=(23)UDM、安全裕度和管道在工作回路中承受的最大反向瞬時電壓的選擇原則。UDM,然后采取相應(yīng)的斯坦如果不能滿足規(guī)定的冷卻條件,必須減少容量使用。(2)一般來說,平板部件的散熱器不應(yīng)自行拆卸和組裝。(3)禁止用兆歐表檢查部件的絕緣。1.功率二極管的通斷條件是什么?2、根據(jù)電力電子設(shè)備可以控制的程度,電力電子設(shè)備可以分為哪幾種?功率二極管屬于哪一類?3.如何用萬用表判斷功率二極管的質(zhì)量?也稱為整流二極管。它們主要
10、用于低開關(guān)頻率(低于1千赫)的整流電路。其反向恢復(fù)時間較長(超過5s)。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。4.功率二極管的主要類型1。通用二極管,簡稱快速二極管。性能可分為兩個級別:快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)。前者的反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長,而后者的反向恢復(fù)時間低于100納秒甚至高達(dá)2030納秒。2)快速恢復(fù)二極管,肖特基二極管的弱點(diǎn)正向壓降會隨著反向耐受電壓的提高而增加,反向耐受電壓主要用于200伏以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略,必須嚴(yán)格限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時間非常短(1040納秒)。正向恢復(fù)過程中不會出現(xiàn)明顯的電壓過沖。當(dāng)反向耐受電壓較低時,正向壓降明顯低于快速恢復(fù)二
11、極管。效率高,其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗小于快速二極管。基于由金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘的二極管被稱為肖特基勢壘二極管SBD。3)肖特基二極管,常用功率二極管型號額定正向和反向重復(fù)反向電流正向和平坦恢復(fù)時間平均電流峰值電壓平均電壓uszp1-40001-4000 a50-5000V 1-40ma 0.4-1v 10 us zp3-20003-2000 a 100-4000V 1-40ma 0.4-1v 10 us快速恢復(fù)二極管(美國摩托羅拉)MR 867 50A 600 V 50UA 1.4 V 400晶閘管結(jié)構(gòu),2。晶閘管通斷條件,3。晶閘管的工作原理;4.晶閘管的陽極伏安特性;5.晶閘管的主
12、要參數(shù);6.晶閘管的柵極伏安特性和主要參數(shù)貝爾實驗室在1956年發(fā)明了晶閘管。1957年,美國通用電氣公司開發(fā)了第一個晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。它開辟了電力電子技術(shù)快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新時代。自20世紀(jì)80年代以來,它已經(jīng)被完全受控的設(shè)備所取代。它能承受最高的電壓和電流容量,工作可靠,在大容量場合發(fā)揮重要作用。晶閘管:晶閘管,可控硅整流器,有三種封裝:塑料封裝,螺栓封裝和扁平封裝。塑料包裝的額定電流低于10A。螺栓型的額定電流為10200A。平額定電流超過200安。平板形,螺栓形,1。晶閘管的結(jié)構(gòu)、形狀結(jié)構(gòu)、塑封形狀、晶閘管的形狀和電氣圖形符號,有三個連接端子。螺栓形封裝,通常以螺栓為陽極
13、,可與散熱器緊密連接,安裝方便。扁平晶閘管可以被兩個散熱器夾在中間。陽極,柵極,陰極,A,K,G問題:如何從外觀上區(qū)分晶閘管的三個電極?塑料包裝形狀:陰極,陽極,門,螺栓形狀:螺栓是陽極,粗編織物是陰極,細(xì)編織物是門。平板:陽極和陰極在兩側(cè),從中間金屬環(huán)引出的細(xì)編織物是柵極,更靠近陰極。門電路,晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及等效電路,內(nèi)部結(jié)構(gòu):晶閘管通斷實驗電路,結(jié)論:當(dāng)陽極和陰極之間施加反向電壓時,晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)。、不亮、2。晶閘管的通斷條件,當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時,柵極失去控制。結(jié)論:當(dāng)陽極和陰極之間施加直流電壓,柵極和陰極之間也施加直流電壓時,晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)。、不亮、亮、要增加RRP電阻,必須滿足以下
14、要求:在晶閘管的陽極和陰極之間增加直流電壓。晶閘管的柵極和陰極之間也增加了直流電壓。晶閘管導(dǎo)通條件:注:兩者缺一不可。因此流過晶閘管的陽極電流小于保持電流IH。關(guān)斷晶閘管的具體方法如下:1 .撤回晶閘管陽極上施加的直流電壓。2.向陽極施加反向電壓。3.降低陽極直流電壓值。4.增加回路阻抗等。嘗試將流經(jīng)晶閘管的陽極電流降低到保持電流以下。如圖所示,陽極電源為交流電壓,柵極在t1閉合開關(guān)Q,開關(guān)Q在t4斷開,得到電阻Rd上的電壓波形ud。rd、0、ud、t、rd,晶閘管比具有單向特性的整流二極管多一個控制柵極。一旦晶閘管接通,柵極就會失去控制。通常,只有正向脈沖電壓被施加到柵極,這被稱為觸發(fā)電壓。
15、當(dāng)正陽極電壓施加到晶閘管上時,適當(dāng)?shù)恼龞艠O電壓施加到柵極上,使晶閘管導(dǎo)通,這被稱為觸發(fā)。摘要:可控晶閘管將不會導(dǎo)通,不管在反向電壓下柵極是否有觸發(fā)電流。該門在一定條件下可以觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,但不能關(guān)斷,屬于半控裝置。晶閘管只能在阻斷和導(dǎo)通狀態(tài)下穩(wěn)定工作,是一種理想的無觸點(diǎn)開關(guān),可以用小的柵極電流控制大的陽極電流的導(dǎo)通。晶閘管工作原理圖3。晶閘管的工作原理V1管和V2管的電流放大系數(shù)是晶閘管陽極電流:三極管集電極電流和漏電流之和,即晶閘管的工作原理。分析:V1和V2電流放大系數(shù)的值隨發(fā)射極電流而變化。當(dāng)晶閘管受到正向陽極電壓,但沒有施加?xùn)艠O電壓時,它非常小,晶閘管的陽極電流是處于正向阻斷狀態(tài)的IaIc0晶閘管。晶閘管的工作原理,晶閘管的工作原理,分析:晶閘管飽和導(dǎo)通時,晶閘管的陽極電流由外部電路決定,柵極導(dǎo)通后失去控制功能。降低電源電壓或增加回路電阻,將陽極電流降至維持電流IH以下。此時,總和迅速下降,晶閘管返回阻塞狀態(tài)。陽極電壓上升到非常高的值,導(dǎo)致雪崩效應(yīng)。陽極電壓上升率du/dt太高。結(jié)溫很高。光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路和主電路之間的良好絕緣,用于高壓電力設(shè)備中,稱為光觸發(fā)晶閘管。只有柵極觸發(fā)才是最準(zhǔn)確、快速、可靠的控制方法,還有其他幾種可能的導(dǎo)
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