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1、大連理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 電氣工程概論輔導(dǎo)資料七 主 題：大功率二極管，晶閘管，門極可關(guān)斷晶閘管，光控晶閘管，晶閘管派生器件 學(xué)習(xí)時間：2010年11月29日－12月5日 內(nèi) 容： 我們這周主要學(xué)習(xí)大功率二極管，晶閘管，門極可關(guān)斷晶閘管，光控晶閘管，晶閘管派生器件。 一、學(xué)習(xí)要求 通過學(xué)習(xí)了解大功率二極管，晶閘管，門極可關(guān)斷晶閘管，光控晶閘管，晶閘管派生器件。 二、主要內(nèi)容 第三章 電力電子技術(shù) 引言 近年來基于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電力電子領(lǐng)域得到了高度發(fā)展。同時電力電子的市場也在迅速地擴張，在開關(guān)電源、不間斷電源、節(jié)能、自動化、運輸、感應(yīng)加熱、電力事業(yè)諸方面

2、都得到了廣泛的使用【詳見表3-1】。 第一節(jié) 功率半導(dǎo)體器件 u 功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的心臟，是電力電子電路的基礎(chǔ)。 u 功率集成電路是最近10年功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的一個重要趨勢，是將功率半導(dǎo)體開關(guān)器件與其驅(qū)動、緩沖、檢測、控制和保護等硬件集成一體，構(gòu)成一個功率集成電路PIC。 u 智能功率模塊IPM是功率集成電路中典型的例子，近年得到了較為廣泛的應(yīng)用。 一、概述 （一）功率半導(dǎo)體器件的功能 圖3-1為電力電子裝置的示意圖，功率輸入經(jīng)功率變換器后輸出至負載。功率變換器通常采用電力電子器件作為功率開關(guān)，應(yīng)用不同拓撲組合構(gòu)成，實現(xiàn)電功率形式的變換（電壓或頻率等變換）。

3、此外，系統(tǒng)功率可以是雙向的，即電功率也可以從輸出端送至輸入端。 功率半導(dǎo)體器件作為功率開關(guān)，其工作特點如下： 1）功率半導(dǎo)體器件通常都處于在開關(guān)狀態(tài)。 2）功率半導(dǎo)體器件由斷態(tài)轉(zhuǎn)換成通態(tài)及由通態(tài)轉(zhuǎn)換成斷態(tài)時，在轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的損耗，分別稱之為開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱為開關(guān)損耗。 3）大功率是功率半導(dǎo)體器件的特點，這就要求一個理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)該是能承受高電壓、大電流的器件。 一個理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)當(dāng)具有的理想的靜態(tài)和動態(tài)特性是：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降；在開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換時具有短的開、關(guān)時間，能承受高的 和

4、 ；同時器件具有全控功能，即器件的通斷可通過電信號控制。 （二）功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展 功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段： u 大功率二極管產(chǎn)生于20世紀(jì)40年代，是功率半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡單、使用最廣泛的一種器件。 u 20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了稱之為第二代的自關(guān)斷器件，如門極可關(guān)斷晶閘管、大功率雙極型晶體管、功率場效應(yīng)晶體管等。 u 20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了的第三代復(fù)合導(dǎo)電機構(gòu)的場控半導(dǎo)體器件，以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT或IGT)為典型代表，另外還有靜電感應(yīng)式晶體管、靜電感應(yīng)式晶閘管、MOS控制晶閘管、集成門極換流晶閘管等。 u 現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)了第四代電力電子

5、器件——集成功率半導(dǎo)體器件，它將功率器件與驅(qū)動電路、控制電路及保護電路集成在一塊芯片上，從而開辟了電力電子器件智能化的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。 圖3-2示出了各種功率半導(dǎo)體器件的工作范圍 二、大功率二極管 大功率二極管屬不可控器件，在不可控整流、電感性負載回路的續(xù)流、電壓源型逆變電路中提供無功路徑、電流源型逆變電路換流電容與反電動勢負載的隔離等場合均得到廣泛使用。 （一）大功率二極管的結(jié)構(gòu) 大功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個具有P型、N型半導(dǎo)體、一個PN結(jié)和陽極A、陰極K的兩層兩端半導(dǎo)體器件，其符號表示如圖3-3(a)所示。 從外部構(gòu)成看，也分成管芯和散熱器兩部分。一般情況下，20

6、0A以下的管芯采用螺旋式(圖3-3(b) )，以上則采用平板式(圖3-3(c) )。 （二）大功率二極管的特性 1.大功率二極管的伏安特性 二極管陽極和陰極間的電壓Uak與陽極電流ia 間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖3-4所示。由于大功率二極管的通態(tài)壓降和反向漏電流數(shù)值都很小，可忽略，于是大功率二極管的理想伏安特性如圖3-4(b)所示。 2. 大功率二極管的開通、關(guān)斷特性 圖3-5為大功率二極管的開通過程。大功率二極管的開通過程較短，導(dǎo)通壓降很小，通常可視為一理想開關(guān)。 圖3-6為大功率二極管關(guān)斷過程，其截止時的反向電流恢復(fù)時間必須考慮。 u 反向恢復(fù)電流的作用便是移

7、去二極管中多余載流子，使其能承受反向電壓。如果反向電流很快下降至零，將會在帶電感的電路中感應(yīng)出一個危險的過電壓，危及二極管的安全，必須采用適當(dāng)吸收電路來加以保護。 u 在應(yīng)用低頻整流電路時，一般不考慮大功率二極管的動態(tài)過程，但在高頻逆變器、高頻整流器、緩沖電路等頻率較高的電力電子電路中必須考慮大功率二極管的開通、關(guān)斷等動態(tài)過程，通常使用快恢復(fù)二極管(反向恢復(fù)時間很短的大功率二極管)?？旎謴?fù)二極管具有開通壓降低、反向快速恢復(fù)性能好的優(yōu)點。 三、晶閘管(SCR) 晶閘管是硅晶體閘流管的簡稱，其價格低廉、工作可靠，盡管開關(guān)頻率較低，但在大功率、低頻的電力電子裝置中仍占主導(dǎo)地位。 （一）晶

8、閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分，分別如圖3-7及圖3-8所示。 （二）晶閘管的基本特性 晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有三個PN結(jié)。當(dāng)陽極電源使晶閘管陽極電位高于陰極電位時，晶閘管承受正向陽極電壓，反之承受反向陽極電壓。當(dāng)門極控制電源使晶閘管門極電位高于陰極電位時，晶閘管為正向門極電壓，反之承受反向門極電壓。 通過理論分析和實驗驗證表明： 1) 只有當(dāng)晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。 2) 晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不必

9、是一個持續(xù)的直流電壓，但必須是一個具有一定寬度和幅度的正向脈沖電壓，其脈沖寬度與晶閘管開通特性及負載性質(zhì)有關(guān)。這個脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。 3) 要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之下(晶閘管維持電 流，約幾十毫安)。通常通過降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實現(xiàn)。 1. 靜態(tài)特性 （1）陽極伏安特性。晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓Uak與陽極電流ia 之間的關(guān)系曲線，如圖3-9所示。 陽極伏安特性可以劃分為兩個區(qū)域，第I象限為正向特性區(qū)，第III象限為反向特性區(qū)。 第I象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。 u 正向

10、阻斷狀態(tài)隨著不同的門極電流，Ig大小呈現(xiàn)不同的分支。 u 正向?qū)顟B(tài)下的特性與一般二極管的正向特性一樣，此時晶閘管流過很大的陽極電流而管子本身只承受約1V左右的管壓降，特性曲線靠近并幾乎平行于縱軸。 晶閘管在第III象限的反向特性與二極管的反向特性類似。 （2）門極伏安特性。 晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結(jié)J3，門極伏安特性就是指這個PN結(jié)上正向門極電壓Ug 與門極電流Ig 間的關(guān)系。由于這個PN結(jié)的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來代表所有元件的門極伏安特性，如圖3-10陰影區(qū)域所示。 2. 動態(tài)

11、特性 晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路，有時也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時，需要嚴(yán)格地考慮晶閘管的開關(guān)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。 （1）開通特性 晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程。圖3-11給出了晶閘管的開關(guān)特性。 延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。 （2）關(guān)斷特性 通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。 普通晶閘管的關(guān)斷時間為幾百微秒。要使已導(dǎo)通的晶閘管完全恢復(fù)正向阻斷能力，加在晶閘管上的反向陽極電壓時間必須大于晶閘管的關(guān)斷時間，否則晶閘管無法可靠

12、關(guān)斷。 （三）晶閘管的主要參數(shù) 1. 電壓參數(shù) （1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDRM的90％定義為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM，“重復(fù)”表示這個電壓可以以每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms的重復(fù)方式施加于元件上。 （2）反向重復(fù)峰值電壓URRM 取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的90％為定義為反向重復(fù)峰值電壓URRM，這個電壓允許重復(fù)施加。 （3）晶閘管的額定電壓UR 取UDRM和URRM中較小的一個，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電壓等級上做為晶閘管的額定電壓UR。由于晶閘管工作中可能會遭受到一些意想不到的瞬時過電壓，為了確保管子安全運行，在選用晶閘管時應(yīng)

13、使其額定電壓為正常工作電壓峰值UTM的2-3倍，以作安全余量。 2 電流參數(shù) 1）通態(tài)平均電流IT(AV) 選用晶閘管時應(yīng)根據(jù)有效電流相等的原則來確定晶閘管的額定電流。選用晶閘管的額定電流IT(AV)應(yīng)使其對應(yīng)有效值電流為實際流過電流有效值的1.5－2倍。 （2）維持電流IH 維持電流IH是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 （3）擎住電流IL 晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門極觸發(fā)信號時，維持元件導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為擎住電流IL。一般擎住電流比維持電流大2～4倍。 3. 其它參數(shù) （1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門極

14、斷路條件下，使元件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。實際使用中，必須要求晶閘管斷態(tài)下陽極電壓的上升速度要低于此值。 （2）通態(tài)電流臨界上升率di/dt 通態(tài)電流臨界上升率di/dt是指在規(guī)定的條件下，晶閘管由門極進行觸發(fā)導(dǎo)通時，管子能夠承受而不致?lián)p壞的通態(tài)平均電流的最大上升率。應(yīng)用時，晶閘管所允許的最大電流上升率要小于這個數(shù)值。 （四）晶閘管的派生器件 ? 快速晶閘管 ? 雙向晶閘管 ? 逆導(dǎo)晶閘管 ? 門極可關(guān)斷晶閘管 ? 光控晶閘管 三、重要考點 簡答題 1晶閘管導(dǎo)通的條件是什么?維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么? 2晶閘管驅(qū)動的基本要求? 參考答案： 1見課本91頁。 2見課本95頁。 第14頁 共14頁