第9章电力二极管电力晶体管和晶闸管的应用简介.doc

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1、目 录目 录I第9章 电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介19.1 电力二极管的应用简介19.1.1 电力二极管的种类19.1.2 各种常用的电力二极管结构、特点和用途19.1.3 电力二极管的主要参数19.1.4 电力二极管的选型原则29.2 电力晶体管的应用简介39.2.1 电力晶体管的主要参数39.2.2 电力晶体管的选型原则39.3 晶闸管的应用简介49.3.1 晶闸管的种类49.3.2 各种常用的晶体管结构、特点和用途49.3.3 晶闸管的主要参数59.3.4 晶闸管的选型原则69.4 总结7第 13 页第9章 电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介 9.1 电力二极管的应用简

2、介电力二极管（Power Diode）在20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器；它的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能。电力二极管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。9.1.1 电力二极管的种类电力二极管主要有普通二极管、快速恢复二极管和肖特基二极管。9.1.2 各种常用的电力二极管结构、特点和用途名称结构特点、用途实例图片整流二极管多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5s以

3、上，其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。快速恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。快恢复外延二极管，采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。肖特基二极管优点：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；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。弱点：（1）当所能承受的反向耐压提

4、高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合.（2）反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。9.1.3 电力二极管的主要参数1 正向平均电流IF（AV）。正向平均电流指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。其是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。2 正向压降UF。正向压降指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3 反向重复峰值电压URRM。反向重复峰值电压指对电力

5、二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍以上的裕量。4 最高工作结温TJM。结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175 范围之内。5 反向恢复时间trr。6 最大浪涌电流IFSM。浪涌电流指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。9.1.4 电力二极管的选型原则（1） 电力二极管的结构和型式满足应用场合的特点和技术要求。（2） 正向平均电流不小于其在应用电路中流过的最大电流。（3） 正向压降满足应用电路的技术要求。（4） 反向重复峰值电压不小于其在应用电路中承受的最大反向电

6、压峰值的2倍。（5） 最高工作结温不小于其在应用电路的最高温度。（6） 反向恢复时间满足应用电路的要求。（7） 最大浪涌电流不小于其在应用电路中流过的最大浪涌电流。（8） 选择质量好、性价比高的品牌。9.2 电力晶体管的应用简介电力晶体管（GTR）是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BJT），所以有时也称为Power BJT；与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。GTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力的全控型器件。电力晶体管最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好，同时它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量；电力晶

7、体管的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏、驱动电路复杂，驱动功率大。由于它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，因此在中等容量和中等频率的电源、电机控制、通用逆变器等电路中被广泛应用。9.2.1 电力晶体管的主要参数1 电力晶体管的主要参数有电流放大倍数、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo、集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff。2 最高工作电压。电力晶体管上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身的特性有关，还与外电路的接法有关。发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo，基极开路时集电

8、极和发射极间的击穿电压BUceo，发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压BUcer和BUces，发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex。且存在以下关系：9.2.2 电力晶体管的选型原则（1） 电力晶体管的种类、应用场合满足应用电路的设计要求。（2） 共发射极直流放大倍数HFE满足应用电路的要求。（3） 共发射极交流放大倍数满足应用电路的要求。（4） 特征频率不小于其在应用电路中的最大频率的3倍。（5） 集电极和发射极间饱和压降满足应用电路的要求。（6） 集电极最大允许电流不小于其在应用电路中的最大电流2倍。（7） 集电极最大允许耗散功率满足应用电路的要求。

9、（8） 开通时间ton和关断时间toff满足应用电路的要求。（9） 选择质量好、性价比高的品牌。9.3 晶闸管的应用简介晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SCR），以前被简称为可控硅。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极、阴极和门极，其属于半控型器件。晶闸管能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，因此被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电路中。9.3.1 晶闸管的种类按其关断、导通及控制方式

10、：普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。按其引脚和极性：二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。按其封装形式：金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。按电流容量：大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用陶瓷封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。按其关断速度：普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而

11、设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。按冷确方式：自然冷确式晶闸管、风冷确式晶闸管和水冷确式晶闸管。电流较小的晶闸管一般采用自然冷确，电流较大的采用风冷确，电流非常大的采用水冷确。9.3.2 各种常用的晶体管结构、特点和用途名称结构特点、用途实例图片普通晶闸管（SCR）晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极、阴极和门极；晶闸管能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，因此被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电路中。快速晶闸管（FST）快速晶闸管的开关时间以及du/dt和

12、di/dt的耐量都有了明显改善。普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。双向晶闸管（TRIAC）双向晶闸管可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。逆导晶闸管逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即

13、开通。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。门极关断晶闸管门极关断晶闸管是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，属于全控型器件。光控晶闸管（LTT）光控晶闸管是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。9.3.3 晶闸管的主要参数1 电压定额（1） 断态重复峰值电压UDRM。断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管上的正向峰值电压。国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电

14、压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。（2） 反向重复峰值电压URRM。反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压。规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。（3） 通态（峰值）电压UT。通态（峰值）电压指晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。2 电流定额（1） 通态平均电流IT（

15、AV）。通态平均电流按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.52倍。（2） 维持电流IH。维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。结温越高，则IH越小。（3） 擎住电流IL。擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，维持导通所需的最小电流。约为IH的24倍。（4） 浪涌电流ITSM。浪涌电流指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重

16、复性最大正向过载电流。3 动态参数（1） 开通时间tgt和关断时间tq。（2） 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。9.3.4 晶闸管的选型原则（1） 晶闸管的结构和型式满足应用场合的特点和技术要求。（2） 晶闸管的额定电流不小于其在应用电路中的最大电流的1.52倍。（3） 晶闸管的额定电压不小于其在应用电路中承受的最大峰值（正向或

17、者反向）电压的23倍。（4） 晶闸管的动态参数满足应用电路的要求。（5） 选择质量好、性价比高的品牌。9.4 总结（1） 晶闸管是半控型器件，具有单向导电性，晶闸管一旦导通，门极将失去控制作用，导通后流过晶闸管的电流由主电路电源和负载来决定。导通后阳极电流小于维持电流才会关断，关断方法：交流电路利用电压反向自动关断晶闸管，直流电路设置关断电路加反压关断晶闸管。（2） 晶闸管加足够的正向阳极电压，阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应，阳极电压上升率du/dt过高或者光触发，以上任意一种条件即使晶闸管未加门极电压也会导通。（3） 有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400

18、Hz和10kHz以上的斩波或逆变电。（4） 大功率晶闸管多采用陶瓷封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种，塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。（5） 选用晶闸管时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。但是由于国内的制造工业的不足，因此在选用国内的晶闸管时额定电压和电流需要在标准的基础上放大。（6） 晶闸管电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。（7） 晶闸管的冷确方式有自然冷确、风冷确和水冷确。电流较小的晶闸管一般采用自然冷确，电流较大的采用风冷

19、确，电流非常大的采用水冷确。（8） 对较大型的电力电子装置，当单个电力电子器件的电压或电流定额不能满足要求时，往往需要将电力电子器件串联或并联起来工作，或者将电力电子装置串联或并联起来工作。（9） 当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个以上同型号器件相串联。为达到静态均压，首先应选用参数和特性尽量一致的器件，此外可以采用电阻均压。为达到动态均压，同样首先应选择动态参数和特性尽量一致的器件，另外还可以用RC并联支路作动态均压；对于晶闸管来讲，采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异。（10） 大功率晶闸管装置中，常用多个器件并联来承担较大的电流。晶闸管并联就会分别因静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。均流的首要措施是挑选特性参数尽量一致的器件，此外还可以采用均流电抗器；同样，对于晶闸管来讲，用门极强脉冲触发也有助于动态均流。（11） 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。