電力二極管與晶閘管

電力二極管與晶閘管《電力電子技術(shù)》第一頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》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，在電路中常作為整流、續(xù)流、電壓隔離、鉗位或保護元件。第二頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》一、結(jié)構(gòu)與伏安特性

1.

結(jié)構(gòu)

a)b)c)d)圖1-1電力二極管的結(jié)構(gòu)、符號和外形

a)結(jié)構(gòu)b)符號c)螺旋式外形d)平板式外形第三頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

2.伏安特性

電力二極管的陽極和陰極間的電壓UAK和流過管子的電流IA之間的關(guān)系稱為伏安特性，其伏安特性曲線如圖1-2所示。

圖1-2電力二極管的伏安特性第四頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》二、主要參數(shù)

1.

額定正向平均電流IF

在規(guī)定的環(huán)境溫度為40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件PN結(jié)溫度穩(wěn)定且不超過140℃時，所允許長時間連續(xù)流過50Hz正弦半波的電流平均值。將此電流值取規(guī)定系列的電流等級，即為元件的額定電流。2.

反向重復(fù)峰值電壓URRM在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。將URRM值取規(guī)定的電壓等級就是該元件的額定電壓。3.

正向平均電壓UF在規(guī)定環(huán)境溫度+40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均電流時，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值，取規(guī)定系列組別稱為正向平均電壓UF，簡稱管壓降，一般在0.45～1V范圍內(nèi)。第五頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》三、電力二極管的選用

1.選擇額定正向平均電流IF

的原則

（1-1）

選用時取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值即可。2.選擇額定電壓URRM

的原則

URRM

=（2～3）UDM

（1-2）

選用時取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。

第六頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

3.電力二極管的測試及使用注意事項

由于電力二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為PN結(jié)，因此用萬用表的R×100擋測量陽極A和陰極K兩端的正、反向電阻，可以判斷電力二極管的好壞。一般電力二極管的正向電阻在幾十歐至幾百歐，而反向電阻在幾千歐至幾十千歐以上為好的；若正、反向電阻都為零或都為無窮大，說明電力二極管已經(jīng)損壞。注意：嚴(yán)禁用兆歐表測試電力二極管。

電力二極管使用時必須保證規(guī)定的冷卻條件，如不能滿足規(guī)定的冷卻條件，必須降低容量使用。如規(guī)定風(fēng)冷元件使用在自冷時，只允許用到額定電流的1/3左右。第七頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》四、電力二極管的主要類型

1.整流二極管

整流二極管多用于開關(guān)頻率不高(1kHz以下)的整流電路中。但其正向電流定額和反向電壓定額卻很高。2.快恢復(fù)二極管恢復(fù)過程很短(一般在5μs以內(nèi))的二極管被稱為快恢復(fù)二極管?？捎糜谝蠛苄』謴?fù)時間的電路中。3.肖特基二極管肖特基二極管反向恢復(fù)時間很短(10～40ns)，正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管。多用于200V以下的低壓場合；肖特基二極管適用于較低輸出電壓和要求較低正向管壓降的換流器電路中。

第八頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》第二節(jié)晶閘管一、晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是四層(PlNlP2N2)三端(陽極A、陰極K、門極G)器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1-3所示。

a)b)

圖1-3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)b)以互補三極管等效

第九頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》晶閘管的符號及外形晶閘管的符號及外形如圖1-4所示，

a)b)c)

圖1-4晶閘管的符號及外形

a)晶閘管的符號b）螺栓形晶閘管的外形c）帶有散熱器平板式晶閘管的外形

第十頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》二、晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件導(dǎo)通和關(guān)斷條件可通過圖1-5所示的實驗

圖1-5晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷實驗電路

第十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》二、晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件實驗結(jié)論：1）晶閘管的導(dǎo)通條件：在晶閘管的陽極和陰極兩端加正向電壓，同時在它的門極和陰極兩端也加正向電壓，兩者缺一不可。2)晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，因此門極所加的觸發(fā)電壓一般為脈沖電壓。晶閘管從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過程稱為觸發(fā)導(dǎo)通。門極觸發(fā)電流一般只有幾十毫安到幾百毫安，而晶閘管導(dǎo)通后，可以通過幾百、幾千安的電流。3)晶閘管的關(guān)斷條件：使流過晶閘管的陽極電流小于維持電流IH。

第十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》三、晶閘管的工作原理晶閘管等效為兩個互補連接的三極管工作分析

IG→IB2↑→IC2（IB1)↑→IB2↑

↑＿＿＿＿＿＿＿＿↓

圖1-6晶閘管的工作原理示意圖

第十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》四、晶閘管的陽極伏安特性晶閘管的陽極與陰極間的電壓ua和陽極電流ia之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。其伏安特性曲線如圖1-7所示。圖1-7晶閘管的伏安特性曲線

第十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

五、晶閘管主要參數(shù)1.額定電壓UTn當(dāng)門極開路，元件處于額定結(jié)溫時，根據(jù)所測定的正向轉(zhuǎn)折電壓UBO和反向擊穿電壓URO，由制造廠家規(guī)定減去某一數(shù)值(通常為1OOV)，分別得到正向不可重復(fù)峰值電壓UDSM和反向不可重復(fù)峰值電壓URSM，再各乘以0.9，即得正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向阻斷重復(fù)峰值電壓URRM。2.額定電流IT(AV)

晶閘管的額定電流也稱為額定通態(tài)平均電流，即在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管在導(dǎo)通角不小于170°的電阻性負載電路中，當(dāng)不超過額定結(jié)溫且穩(wěn)定時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。3.通態(tài)平均電壓UT(AV)

當(dāng)晶閘管中流過額定電流并達到穩(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。

第十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》選用晶閘管的原則1.按工作電路中可能承受到的最大瞬時值電壓UTM的2～3倍來選擇晶閘管的額定電壓，即

UTn=(2～3)UTM(1-3)2.按電流有效值相等的原則進行換算，選擇晶閘管的額定電流即

IT=1.57IT(AV)

IT(AV)=IT/1.57由于晶閘管的過載能力差，一般在選用時取(1.5～2)的安全裕量，即

IT(AV)=(1.5～2)IT/1.57第十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

例1-1一晶閘管接在220V交流回路中，通過器件的電流有效值為100A，問選擇什么型號的晶閘管?解選擇晶閘管額定電壓

UTn=(2～3)UTM=(2～3)×220V=622～933V

按晶閘管參數(shù)系列取800V，即8級。選擇晶閘管的額定電流

IT(AV)=(1.5～2)IT/1.57=(1.5～2)×100/1.57=95～127A

按晶閘管參數(shù)系列取100A，所以選取晶閘管型號KPl00-8E。第十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》例1-2現(xiàn)有晶閘管型號為KP50-7，用于某電路中時，流過的電流波形如圖1-9所示，試求Im允許多大?

圖1-9流過晶閘管的電流波形解KP50-7晶閘管允許流過的電流有效值為

IT=1.57IT(AV)=1.57×50A=78.5A實際流過該管的電流有效值

當(dāng)考慮2倍的安全余量時，Im的允許值為第十八頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》4．晶閘管的其他參數(shù)(1)維持電流IH

在室溫和門極斷開時，器件從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必需的最小電流稱為維持電流。它一般為幾毫安到幾百毫安。(2)擎住電流IL

晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)就去掉觸發(fā)信號，能使器件保持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流。(3)斷態(tài)電壓臨界上升率du／dt

在額定結(jié)溫和門極開路情況下，不使器件從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的陽極電壓最大上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率。(4)通態(tài)電流臨界上升率di／dt

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。第十九頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

六、晶閘管的門極伏安特性及主要參數(shù)

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。2.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6V正向陽極電壓時，使器件由斷態(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。3.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

在晶閘管觸發(fā)過程中，不致造成門極損壞的最大門極電壓、最大門極電流和最大瞬時功率分別稱為門極正向峰值電壓UGM、門極正向峰值電流IGM和門極峰值功率PGM。使用時晶閘管的門極觸發(fā)脈沖不應(yīng)超過以上數(shù)值。第二十頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》七、晶閘管對觸發(fā)電路的要求1.觸發(fā)脈沖應(yīng)具有足夠的功率和一定的寬度；2.觸發(fā)脈沖與主電路電源電壓必須同步；3.觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿足變流裝置提出的要求。第二十一頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》第三節(jié)

晶閘管派生器件

一、雙向晶閘管1．雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)與伏安特性曲線

a)b)c)d)

圖1-11雙向晶閘管a)雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)b)等效電路c)符號d)伏安特性曲線

第二十二頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

2．雙向晶閘管的參數(shù)雙向晶閘管的主要參數(shù)中只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參數(shù)定義與普通晶閘管相似。由于雙向晶閘管工作在交流電路中，正反向電流都可以流過，所以它的額定電流不是用平均值，而是用有效值(方均根值)來表示，定義為：在標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，當(dāng)器件的單向?qū)ń谴笥?70°時，允許流過器件的最大交流正弦電流的有效值，用IT(RMS)表示。雙向晶閘管有效值電流與普通晶閘管平均值電流之間的換算關(guān)系式為

(1-7)

以此推算，一個100A的雙向晶閘管與兩個45A的普通晶閘管反并聯(lián)電流容量相等。第二十三頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

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：(1)I+觸發(fā)方式主極T2為正，T1為負；門極電壓G為正，T1為負。(2)I_觸發(fā)方式主極T2為正，T1為負；門極電壓G為負，T1為正。(3)Ⅲ+觸發(fā)方式主極T2為負，T1為正；門極電壓G為正，T1為負。(4)Ⅲ—觸發(fā)方式主極T2為負，T1為正；門極電壓G為負，T1為正。四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，I+觸發(fā)方式靈敏度最高，Ⅲ+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時要盡量避開Ⅲ+，常采用的觸發(fā)方式為I+和Ⅲ-。第二十四頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》二、快速晶閘管

快速晶閘管是專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，國產(chǎn)快速晶閘管為KK系列。常規(guī)的快速晶閘管工作在400Hz以下，更高頻的晶閘管可應(yīng)用于10kHz以上的斬波或逆變電路中。快速晶閘管的開關(guān)時間以及du／dt和di／dt耐量都有了明顯改善。從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10μs左右。與普通晶閘管相比，高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。

第二十五頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

三、逆導(dǎo)晶閘管

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電力集成器件，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，其電氣圖形符號和伏安特性如圖1-13所示。圖1-13逆導(dǎo)晶閘管的電氣符號和伏安特性

第二十六頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》四、光控晶閘管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，其電氣圖形符號和伏安特性如圖1-14所示。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子，大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。圖1-14光控晶閘管的電氣符號和伏安特性

第二十七頁，共二十九頁，2022年，8月28日《電力電子技術(shù)》

本章小結(jié)電力二極管也是由PN