電力二極管和晶閘管.ppt

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)