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1、电力二极管与晶闸管电力电子技术你现在浏览的是第一页，共29页电力电子技术第一节 电力二极管 电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，在电路中常作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件。你现在浏览的是第二页，共29页电力电子技术一、结构与伏安特性一、结构与伏安特性 1.1.结构结构 a)b)c)d)图1-1 电力二极管的结构、符号和外形 a)结构 b)符号 c)螺旋式外形 d)平板式外形你现在浏览的是第三页，共29页电力电子技术 2.伏安特性 电力二极管的阳极和阴极间的电压UAK和流过管子的电流IA之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图1-2所示。图1-2 电力二极管的伏
2、安特性 你现在浏览的是第四页，共29页电力电子技术二、主要参数二、主要参数 1.额定正向平均电流IF 在规定的环境温度为40和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。将此电流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。2.反向重复峰值电压URRM在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM。将URRM值取规定的电压等级就是该元件的额定电压。3.正向平均电压UF在规定环境温度+40和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系
3、列组别称为正向平均电压UF，简称管压降，一般在0.451V范围内。你现在浏览的是第五页，共29页电力电子技术三、三、电电力二极管的力二极管的选选用用 1.1.选择额选择额定正向平均定正向平均电电流流I IF F 的原的原则则 （1-1）选用时取相应标准系列值即可。2.2.选择额选择额定定电压电压U URRMRRM 的原的原则则 URRM=（23）UDM （1-2）选用时取相应标准系列值。你现在浏览的是第六页，共29页电力电子技术 3.3.电力二极管的测试及使用注意事项电力二极管的测试及使用注意事项 由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用表的R100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向电阻，
4、可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极管的正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。注意：严禁用兆欧表测试电力二极管。电力二极管使用时必须保证规定的冷却条件，如不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的1/3左右。你现在浏览的是第七页，共29页电力电子技术四、四、电电力二极管的主要力二极管的主要类类型型 1.整流二极管 整流二极管多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。但其正向电流定额和反向电压定额却很高。2.快恢复二极管 恢复过程很短(一般在5s以内)的二
5、极管被称为快恢复二极管。可用于要求很小恢复时间的电路中。3.肖特基二极管 肖特基二极管反向恢复时间很短(1040ns)，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。多用于200V以下的低压场合；肖特基二极管适用于较低输出电压和要求较低正向管压降的换流器电路中。你现在浏览的是第八页，共29页电力电子技术第二节 晶闸管 一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构 晶闸管是四层(PlNlP2N2)三端(阳极A、阴极K、门极G)器件，其内部结构和等效电路如图1-3所示。a)b)图1-3 晶闸管的内部结构和等效电路 a)内部结构 b)以互补三极管等效 你现在
6、浏览的是第九页，共29页电力电子技术晶闸管的符号及外形晶闸管的符号及外形如图1-4所示，a)b)c)图1-4 晶闸管的符号及外形 a)晶闸管的符号 b）螺栓形晶闸管的外形 c）带有散热器平板式晶闸管的外形 你现在浏览的是第十页，共29页电力电子技术二、晶闸管的导通与关断条件二、晶闸管的导通与关断条件 导通和关断条件可通过图导通和关断条件可通过图1-51-5所示的实验所示的实验 图图1-5 1-5 晶闸管的导通与关断实验电路晶闸管的导通与关断实验电路 你现在浏览的是第十一页，共29页电力电子技术二、晶闸管的导通与关断条件二、晶闸管的导通与关断条件 实验结论：实验结论：1 1）晶晶闸闸管管的的导导
7、通通条条件件：在在晶晶闸闸管管的的阳阳极极和和阴阴极极两两端端加加正正向向电电压压，同同时时在在它它的的门门极极和和阴阴极极两两端端也也加加正正向向电压，两者缺一不可。电压，两者缺一不可。2)2)晶晶闸闸管管一一旦旦导导通通，门门极极即即失失去去控控制制作作用用，因因此此门门极极所所加加的的触触发发电电压压一一般般为为脉脉冲冲电电压压。晶晶闸闸管管从从阻阻断断变变为为导导通通的的过过程程称称为为触触发发导导通通。门门极极触触发发电电流流一一般般只只有有几几十十毫毫安安到到几几百百毫毫安安，而而晶晶闸闸管管导导通通后后，可可以以通通过过几几百百、几几千千安安的的电流。电流。3)3)晶晶闸闸管管的
8、的关关断断条条件件：使使流流过过晶晶闸闸管管的的阳阳极极电电流流小小于于维持电流维持电流IH。你现在浏览的是第十二页，共29页电力电子技术三、晶闸管的工作原理三、晶闸管的工作原理 晶闸管等效为两个互补连接的三极管工作分析晶闸管等效为两个互补连接的三极管工作分析 IGIB2IC2（IB1)IB2 图1-6 晶闸管的工作原理示意图 你现在浏览的是第十三页，共29页电力电子技术四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性 晶晶闸闸管管的的阳阳极极与与阴阴极极间间的的电电压压ua和和阳阳极极电电流流ia之之间间的的关关系系，称称为为阳阳极极伏伏安安特特性性。其伏安特性曲其伏安特性曲线线如如图图1-
9、71-7所示。所示。图图1-7 晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的伏安特性曲线 你现在浏览的是第十四页，共29页电力电子技术 五、晶闸管主要参数五、晶闸管主要参数 1 1.额额定定电压电压UTn 当当门门极极开开路路，元元件件处处于于额额定定结结温温时时，根根据据所所测测定定的的正正向向转转折折电电压压UBO和和反反向向击击穿穿电电压压URO，由由制制造造厂厂家家规规定定减减去去某某一一数数值值(通通常常为为1OOV)，分分别别得得到到正正向向不不可可重重复复峰峰值值电电压压UDSM和和反反向向不不可可重重复复峰峰值值电电压压URSM，再再各各乘乘以以0.9，即即得得正正向向断断态态重重复复峰峰值电
10、压值电压UDRM和反向阻断重复峰值电压和反向阻断重复峰值电压URRM。2 2.额额定定电电流流IT(AV)晶晶闸闸管管的的额额定定电电流流也也称称为为额额定定通通态态平平均均电电流流，即即在在环环境境温温度度为为40和和规规定定的的冷冷却却条条件件下下，晶晶闸闸管管在在导导通通角角不不小小于于170的的电电阻阻性性负负载载电电路路中中，当当不不超超过过额额定定结结温温且且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。3 3.通通态态平均平均电压电压UT(AV)当当晶晶闸闸管管中中流流过过额额定定电电流流并并达达到到稳稳定定的的额额定定结结温温时时，
11、阳阳极极与与阴阴极极之之间间电电压压降降的的平平均均值值，称为通态平均电压。称为通态平均电压。你现在浏览的是第十五页，共29页电力电子技术选用晶闸管的原则选用晶闸管的原则1.1.按按工工作作电电路路中中可可能能承承受受到到的的最最大大瞬瞬时时值值电电压压UTM的的23倍倍来来选选择择晶晶闸闸管的额定电压，即管的额定电压，即 UTn=(2=(23)3)UTM (1-3)(1-3)2.2.按按电电流有效流有效值值相等的原相等的原则进则进行行换换算，算，选择选择晶晶闸闸管的管的额额定定电电流即流即 IT=1.57 I T(AV)I T(AV)=IT/1.57/1.57 由于晶由于晶闸闸管的管的过载过
12、载能力差，一般在能力差，一般在选选用用时时取取(1.5(1.52)2)的安全裕量，即的安全裕量，即 I T(AV)=(1.5=(1.52)2)IT/1.57/1.57你现在浏览的是第十六页，共29页电力电子技术 例例1-1 1-1 一一晶晶闸闸管管接接在在220220V V交交流流回回路路中中，通通过过器器件件的的电电流有效流有效值为值为100100A A，问选择问选择什么型号的晶什么型号的晶闸闸管管?解解 选择选择晶晶闸闸管管额额定定电压电压 UTn=(2=(23)3)UTM=(2(23)220V=6223)220V=622933V933V 按晶按晶闸闸管参数系列取管参数系列取800800V
13、 V，即，即8 8级级。选择选择晶晶闸闸管的管的额额定定电电流流 I T(AV)=(1.5(1.52)2)IT /1.57=/1.57=(1.5(1.52)2)100/1.57=95100/1.57=95127A127A 按按晶晶闸闸管管参参数数系系列列取取100100A A，所所以以选选取取晶晶闸闸管管型型号号KPl00-8EKPl00-8E。你现在浏览的是第十七页，共29页电力电子技术例例1-2 1-2 现现有有晶晶闸闸管管型型号号为为KP50-7KP50-7，用用于于某某电电路路中中时时，流流过过的的电电流流波波形如形如图图1-1-9 9所示，所示，试试求求Im允允许许多大多大?图图1-
14、1-9 9 流流过过晶晶闸闸管的管的电电流波形流波形解解 KP50-7KP50-7晶晶闸闸管允管允许许流流过过的的电电流有效流有效值为值为 IT=1.57=1.57 I T(AV)=1.5750A=78.5A50A=78.5A实际实际流流过该过该管的管的电电流有效流有效值值 当考当考虑虑2 2倍的安全余量倍的安全余量时时，Im的允的允许值为许值为你现在浏览的是第十八页，共29页电力电子技术4晶闸管的其他参数晶闸管的其他参数 (1)(1)维维持持电电流流IH 在在室室温温和和门门极极断断开开时时，器器件件从从较较大大的的通通态态电电流流降降至至维维持持通通态态所所必必需需的的 最最小小电电流流称
15、称为为维维持持电电流流。它它一一般般为为几几毫毫安安到到几几百百毫毫安。安。(2)(2)擎擎住住电电流流IL 晶晶闸闸管管刚刚从从断断态态转转入入通通态态就就去去掉掉触触发发信信号号，能能使使器器件件保持保持导导通所需要的最小阳极通所需要的最小阳极电电流。流。(3)3)断断态态电电压压临临界界上上升升率率dudt 在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路情情况况下下，不不使使器器件件从从断断态态到到通通态态转转换换的的阳阳极极电电压压最最大大上上升升率率称称为为断断态态电电压临界上升率。压临界上升率。(4)(4)通通态态电电流流临临界界上上升升率率d did dt 在在规规定定条条件件下下，晶
16、晶闸闸管管在在门门极极触触发发开开通通时时所所能能承承受受不不导导致致损损坏坏的的通通态态电电流流最最大大上上升升率率称称为为通通态态电电流流临临界界上升率。上升率。你现在浏览的是第十九页，共29页电力电子技术 六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数 1 1.门门极不触极不触发电压发电压UGD和和门门极不触极不触发电发电流流IGD 不不能能使使晶晶闸闸管管从从断断态态转转入入通通态态的的最最大大门门极极电电压压称称为为门门极极不不触触发发电电压压UGD，相，相应应的最大的最大电电流称流称为门为门极不触极不触发电发电流流IGD。2 2.门门极触极触发电压发电压UGT
17、和和门门极触极触发电发电流流IGT 在在室室温温下下，对对晶晶闸闸管管加加上上6 6V V正正向向阳阳极极电电压压时时，使使器器件件由由断断态态转转入入通通态态所所必必须须的的最最小小门门 极极电电流流称称为为门门极极触触发发电电流流IGT，相相应应的的门门极极电压电压称称为门为门极触极触发电压发电压UGT。3 3.门门极极正正向向峰峰值值电电压压UGM、门门极极正正向向峰峰值值电电流流IGM和和门门极极峰峰值值功功率率PGM 在在晶晶闸闸管管触触发发过过程程中中，不不致致造造成成门门极极损损坏坏的的最最大大门门极极电电压压、最最大大门门极极电电流流和和最最大大瞬瞬时时功功率率分分别别称称为为
18、门门极极正正向向峰峰值值电电压压UGM、门门极极正正向向峰峰值值电电流流IGM和和门门极极峰峰值值功功率率PGM。使使用用时时晶晶闸闸管管的的门门极触极触发发脉冲不脉冲不应应超超过过以上数以上数值值。你现在浏览的是第二十页，共29页电力电子技术七、晶闸管对触发电路的要求七、晶闸管对触发电路的要求 1.1.触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；2.2.触发脉冲与主电路电源电压必须同步；触发脉冲与主电路电源电压必须同步；3.3.触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。你现在浏览的是第二十一页，共29页电力电子技术
19、第三节第三节 晶闸管派生器件晶闸管派生器件 一、双向晶闸管一、双向晶闸管 1 1双向晶闸管的结构与伏安特性曲线双向晶闸管的结构与伏安特性曲线 a)b)c)d)a)b)c)d)图图1-1-11 11 双向晶双向晶闸闸管管a)a)双向晶双向晶闸闸管的管的结结构构 b)b)等效等效电电路路 c)c)符号符号 d)d)伏安特性曲伏安特性曲线线 你现在浏览的是第二十二页，共29页电力电子技术 2双向晶闸管的参数双向晶闸管的参数 双双向向晶晶闸闸管管的的主主要要参参数数中中只只有有额额定定电电流流与与普普通通晶晶闸闸管管有有所所不不同同，其其他他参参数数定定义义与与普普通通晶晶闸闸管管相相似似。由由于于双
20、双向向晶晶闸闸管管工工作作在在交交流流电电路路中中，正正反反向向电电流流都都可可以以流流过过，所所以以它它的的额额定定电电流流不不是是用用平平均均值值，而而是是用用有有效效值值(方方均均根根值值)来来表表示示，定定义义为为：在在标标准准散散热热条条件件下下，当当器器件件的的单单向向导导通通角角大大于于170170时时，允允许许流流过过器件的最大交流正弦器件的最大交流正弦电电流的有效流的有效值值，用，用IT(RMS)表示。表示。双向晶双向晶闸闸管有效管有效值电值电流与普通晶流与普通晶闸闸管平均管平均值电值电流之流之间间的的换换算关系式算关系式为为 (1-7)(1-7)以以此此推推算算，一一个个1
21、00A的的双双向向晶晶闸闸管管与与两两个个45A的的普普通通晶晶闸闸管管反反并并联联电电流流容容量量相相等。等。你现在浏览的是第二十三页，共29页电力电子技术 3 3双向晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式 双双向向晶晶闸闸管管正正反反两两个个方方向向都都能能导导通通，门门极极加加正正负负电电压压都都能能触触发发。主主电电压压与触与触发电压发电压相互相互 配合，可以得到四种触配合，可以得到四种触发发方式：方式：(1)(1)I I+触触发发方式方式 主极主极T T2 2为为正，正，T T1 1为负为负；门门极极电压电压G G为为正，正，T T1 1为负为负。(2)(2)I I_ _ 触触发发方式
22、方式 主极主极T T2 2为为正，正，T T1 1为负为负；门门极极电压电压G G为负为负，T T1 1为为正。正。(3)(3)+触触发发方式方式 主极主极T T2 2为负为负，T T1 1为为正；正；门门极极电压电压G G为为正，正，T T1 1为负为负。(4)(4)触触发发方式方式 主极主极T T2 2为负为负，T T1 1为为正；正；门门极极电压电压G G为负为负，T T1 1为为正。正。四四种种触触发发方方式式中中触触发发灵灵敏敏度度不不相相同同，I I+触触发发方方式式灵灵敏敏度度最最高高，+触触发发方方式式灵灵敏度最低，使用敏度最低，使用时时要尽量避开要尽量避开+，常采用的触，常采
23、用的触发发方式方式为为I I+和和-。你现在浏览的是第二十四页，共29页电力电子技术二、快速晶二、快速晶闸闸管管 快快速速晶晶闸闸管管是是专专为为快快速速应应用用而而设设计计的的晶晶闸闸管管，国国产产快快速速晶晶闸闸管管为为KK系系列列。常常规规的的快快速速晶晶闸闸管管工工作作在在400Hz以以下下，更更高高频频的的晶晶闸闸管管可可应应用用于于10kHz以以上上的的斩斩波波或或逆逆变变电电路路中中。快快速速晶晶闸闸管管的的开开关关时时间间以以及及dudt和和didt耐耐量量都都有有了了明明显显改改善善。从从关关断断时时间间来来看看，普普通通晶晶闸闸管管一一般般为为数数百百微微秒秒，快快速速晶晶
24、闸闸管管为为数数十十微微秒秒，而而高高频频晶晶闸闸管管则则为为10s左左右右。与与普普通通晶晶闸闸管管相相比比，高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。你现在浏览的是第二十五页，共29页电力电子技术 三、逆导晶闸管三、逆导晶闸管 逆逆导导晶晶闸闸管管是是将将晶晶闸闸管管反反并并联联一一个个二二极极管管制制作作在在同同一一管管芯芯上上的的电电力力集集成成器器件件，这这种种器器件件不不具具有有承承受受反反向向电电压压的的能能力力，一一旦旦承承受受反反向向电电压压即即开开通通，其其电电气气图图形形符符号号和和伏伏安安特特性性如如图图1-13所示
25、。所示。图图1-11-13 3 逆导晶闸管的电气符号和伏安特性逆导晶闸管的电气符号和伏安特性 你现在浏览的是第二十六页，共29页电力电子技术四、光控晶闸管四、光控晶闸管 光光控控晶晶闸闸管管又又称称光光触触发发晶晶闸闸管管，是是利利用用一一定定波波长长的的光光照照信信号号触触发发导导通通的的晶晶闸闸管管，其其电电气气图图形形符符号号和和伏伏安安特特性性如如图图1-1-1 14 4所所示示。小小功功率率光光控控晶晶闸闸管管只只有有阳阳极极和和阴阴极极两两个个端端子子，大大功功率率光光控控晶晶闸闸管管则则还还带带有有光光缆缆，光光缆缆上上装装有有作作为为触触发发光光源源的的发发光光二二极管或半导体
26、激光器。极管或半导体激光器。图图1-11-14 4 光控晶闸管的电气符号和伏安特性光控晶闸管的电气符号和伏安特性 你现在浏览的是第二十七页，共29页电力电子技术 本章小结本章小结 电力二极管也是由PN结组成，加正向电压导通，加反向电压截止，是一个不可控的单向导通器件。普通晶闸管内部为PNPN四层结构，向外引出阳极A、阴极K和门极G三个电极。它的导通条件是：对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加适当的正向电压。关断条件是：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。晶闸管的工作原理可用两个互补连接的等效晶体管电路来分析，当门极注入一定电流时，会形成一个强烈的正反馈过程，使管子迅
27、速饱和导通。管子导通时，内部等效电路中的任一只管子的集电极电流即为另一只管子的基极电流，去除门极触发电流不会影响管子的导通状态，即门极失去控制作用。你现在浏览的是第二十八页，共29页电力电子技术 本章小结本章小结 熟悉晶闸管的阳极和门极伏安特性和主要参数，对正确使用和选择器件有着重要的意义。选择晶闸管的额定电压应为器件在电路中可能承受的最大瞬时值电压的23倍。晶闸管为单向可控器件，故其额定电流定义为平均值，但由于晶闸管的结温与流过器件的有效电流有关，所以选择额定电流参数时，应使额定电流有效值大于器件在电路中可能流过的最大电流有效值，一般取1.52倍安全裕量。双向晶闸管内部结构可看作两只普通晶闸管反并联，引出的三个端子为主极T1、T2和门极G。它具有正反向对称的伏安特性，主要参数有断态重复峰值电压UDRM和额定通态电流IT（RMS），因双向晶闸管正反向都能触发导通，所以额定通态电流为有效值。双向晶闸管有四种触发方式：I+、I-、III+、III-，其中以I+触发灵敏度最高，III+最低，使用时一般采用I+、III-接法。你现在浏览的是第二十九页，共29页