1、第一章 電力二極管與晶閘管 學習目標學習目標1.1.掌握電力二極管的結構、伏安特性、主要參掌握電力二極管的結構、伏安特性、主要參數、測試方法和選用方法。數、測試方法和選用方法。2.2.了解晶閘管的結構、工作原理及伏安特性了解晶閘管的結構、工作原理及伏安特性3.3.掌握晶閘管的導通條件和關斷條件。掌握晶閘管的導通條件和關斷條件。4.4.熟練掌握晶閘管的主要參數、測試方法和選熟練掌握晶閘管的主要參數、測試方法和選用方法。用方法。5.5.掌握雙向晶閘管的結構、主要參數及選用測掌握雙向晶閘管的結構、主要參數及選用測試方法。試方法。第一節 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

2、二極管，在電路中常作為整流、續流、電壓隔離、鉗位或保護元件。 一、結構與伏安特性一、結構與伏安特性 1. 構造 a) b) c) d) 圖1-1 電力二極管的結構、符號和外形 a)構造 b)符號 c) 螺旋式外形 d) 平板式外形 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 二、主要參數二、主要參數 1. 額定正向平均電流IF 在規定的環境溫度為40和標準散熱條件下，元件PN結溫度穩定且不超過140時，所允許長時間連續流過50Hz正弦半波的電流平均值。將此電流值取規定系列的電流等

3、級，即為元件的額定電流。2. 反向重復峰值電壓URRM 在額定結溫條件下，取元件反向伏安特性不重復峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復峰值電壓URRM。將URRM值取規定的電壓等級就是該元件的額定電壓。3. 正向平均電壓UF 在規定環境溫度+40和標準散熱條件下，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，取規定系列組別稱為正向平均電壓UF ，簡稱管壓降，一般在0.451V范圍內。三、電力二極管的選用三、電力二極管的選用 1. 1. 選擇額定正向平均電流選擇額定正向平均電流IF IF 的原則的原則 （2-12-1） 選用時取相應標準系列值即可。選用時取相應標

4、準系列值即可。2. 2. 選擇額定電壓選擇額定電壓URRM URRM 的原則的原則 URRM = URRM =（2 23 3UDM UDM （2-22-2） 選用時取相應標準系列值。選用時取相應標準系列值。 57. 1)25 . 1 (DMFII 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部結構為PN結，因此用萬用表的R100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損壞。注意：嚴禁用兆歐表測試電力二極管。 電力二極管使用時

5、必須保證規定的冷卻條件，如不能滿足規定的冷卻條件，必須降低容量使用。如規定風冷元件使用在自冷時，只允許用到額定電流的1/3左右。 四、電力二極管的主要類型四、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快恢復二極管恢復過程很短 (一般在5s以內)的二極管被稱為快恢復二極管。可用于要求很小恢復時間的電路中。3.肖特基二極管 肖特基二極管反向恢復時間很短(1040ns)，正向恢復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，明顯低于快恢復二極管。多用于200V以下的低壓場合；肖特基二

6、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。 第二節 晶閘管 一、晶閘管的結構一、晶閘管的結構 晶閘管是四層晶閘管是四層(PlNlP2N2)(PlNlP2N2)三端三端( (陽極陽極A A、陰極、陰極K K、門極、門極G)G)器件，其內部結構器件，其內部結構和等效電路如圖和等效電路如圖1-31-3所示。所示。 a) b) a) b) 圖圖1-3 1-3 晶閘管的內部結構和等效電路晶閘管的內部結構和等效電路 a) a) 內部結構內部結構 b) b)以互補三極管等效以互補三極管等效 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

7、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 二、晶閘管的導通與關斷條件二、晶閘管的導通與關斷條件 導通和關斷條件可通過圖導通和關斷條件可通過圖1-51-5所示的實驗所示的實驗 圖圖1-5 1-5 晶閘管的導通與關斷實驗電路晶閘管的導通與關斷實驗電路 二、晶閘管的導通與關斷條件二、晶閘管的導通與關斷條件 實驗結論：實驗結論： 1 1晶閘管的導通條件：在晶閘管的陽極和陰極兩端晶閘管的導通條件：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。電壓，兩者缺一不可。2)2)晶閘管一旦導通，門

8、極即失去控制作用，因此門極晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，因此門極所加的觸發電壓一般為脈沖電壓。晶閘管從阻斷變所加的觸發電壓一般為脈沖電壓。晶閘管從阻斷變為導通的過程稱為觸發導通。門極觸發電流一般只為導通的過程稱為觸發導通。門極觸發電流一般只有幾十毫安到幾百毫安，而晶閘管導通后，可以通有幾十毫安到幾百毫安，而晶閘管導通后，可以通過幾百、幾千安的電流。過幾百、幾千安的電流。3)3)晶閘管的關斷條件：使流過晶閘管的陽極電流小于晶閘管的關斷條件：使流過晶閘管的陽極電流小于維持電流維持電流IHIH。 三、晶閘管的工作原理三、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晶閘管等效為兩個

9、互補連接的三極管工作分析 IGIB2IC2 IGIB2IC2IB1IB1）IB2IB2 圖圖1-6 1-6 晶閘管的工作原理示意圖晶閘管的工作原理示意圖 四、晶閘管的陽極伏安特性四、晶閘管的陽極伏安特性 晶閘管的陽極與陰極間的電壓晶閘管的陽極與陰極間的電壓uaua和陽極電流和陽極電流iaia之間的關系，稱為陽極伏安之間的關系，稱為陽極伏安特性。其伏安特性曲線如圖特性。其伏安特性曲線如圖1-71-7所示。所示。 圖圖1-7 1-7 晶閘管的伏安特性曲線晶閘管的伏安特性曲線 五、晶閘管主要參數五、晶閘管主要參數 1 1額定電壓額定電壓UTn UTn 當門極開路，元件處于額定結溫時，根據所測定的正向

10、轉折電壓當門極開路，元件處于額定結溫時，根據所測定的正向轉折電壓UBOUBO和反和反向擊穿電壓向擊穿電壓UROURO，由制造廠家規定減去某一數值，由制造廠家規定減去某一數值( (通常為通常為1OOV)1OOV)，分別得到，分別得到正向不可重復峰值電壓正向不可重復峰值電壓UDSMUDSM和反向不可重復峰值電壓和反向不可重復峰值電壓URSMURSM，再各乘以，再各乘以0.90.9，即得正向斷態重復峰值電壓即得正向斷態重復峰值電壓UDRMUDRM和反向阻斷重復峰值電壓和反向阻斷重復峰值電壓URRMURRM。 2 2額定電流額定電流IT(AV)IT(AV) 晶閘管的額定電流也稱為額定通態平均電流，即在

11、環境溫度為晶閘管的額定電流也稱為額定通態平均電流，即在環境溫度為4040和規和規定的冷卻條件下，晶閘管在導通角不小于定的冷卻條件下，晶閘管在導通角不小于170170的電阻性負載電路中，當的電阻性負載電路中，當不超過額定結溫且穩定時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。不超過額定結溫且穩定時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。 3 3通態平均電壓通態平均電壓UT(AV)UT(AV) 當晶閘管中流過額定電流并達到穩定的額定結溫時，陽極與陰極之間電當晶閘管中流過額定電流并達到穩定的額定結溫時，陽極與陰極之間電壓降的平均值，壓降的平均值， 稱為通態平均電壓。稱為通態平均電壓。 選用晶閘管的原則選

12、用晶閘管的原則1.1.按工作電路中可能承受到的最大瞬時值電壓按工作電路中可能承受到的最大瞬時值電壓UTMUTM的的2 23 3倍來選擇晶閘管的額定電壓，即倍來選擇晶閘管的額定電壓，即 UTn =(2 UTn =(23) UTM 3) UTM (1-3)(1-3)2.2.按電流有效值相等的原則進行換算，選擇晶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閘管的額定電流即 IT =1.57 I T(AV) IT =1.57 I T(AV) I T(AV)= IT /1.57 I T(AV)= IT /1.57 由于晶閘管的過載能力差，一般在選用時由于晶閘管的過載能力差，一般在選用時取取(1

13、.5(1.52)2)的安全裕量，即的安全裕量，即 I T(AV) = (1.5 I T(AV) = (1.52)IT /1.572)IT /1.57 例例1-1 1-1 一晶閘管接在一晶閘管接在220V220V交流回路中，通過器件的電流有效交流回路中，通過器件的電流有效值為值為100A100A，問選擇什么型號的晶閘管，問選擇什么型號的晶閘管? ?解解 選擇晶閘管額定電壓選擇晶閘管額定電壓 UTn =(2 UTn =(23) UTM = (23) UTM = (23)3)220V=622220V=622933V933V 按晶閘管參數系列取按晶閘管參數系列取800V800V，即，即8 8級。級。選

14、擇晶閘管的額定電流選擇晶閘管的額定電流 I T(AV) = (1.5 I T(AV) = (1.52)IT /1.57= (1.52)IT /1.57= (1.52) 2) 100/1.57=95100/1.57=95127A127A 按晶閘管參數系列取按晶閘管參數系列取100A100A，所以選取晶閘管型號，所以選取晶閘管型號KPl00-8EKPl00-8E。例例1-2 1-2 現有晶閘管型號為現有晶閘管型號為KP50-7KP50-7，用于某電路中時，流過的電，用于某電路中時，流過的電流波形如圖流波形如圖1-91-9所示，所示，試求試求ImIm允許多大允許多大? ? 圖圖1-9 1-9 流過晶

15、閘管的電流波形流過晶閘管的電流波形解解 KP50-7 KP50-7晶閘管允許流過的電流有效值為晶閘管允許流過的電流有效值為 IT =1.57 I T(AV)=1.57 IT =1.57 I T(AV)=1.5750A=78.5A50A=78.5A實際流過該管的電流有效值實際流過該管的電流有效值 當考慮當考慮2 2倍的安全余量時，倍的安全余量時，ImIm的允許值為的允許值為3)(21m3/202mItdIIA68A25 .783mI4晶閘管的其他參數晶閘管的其他參數 (1)(1)維持電流維持電流IH IH 在室溫和門極斷開時，器件從較大的通態電流在室溫和門極斷開時，器件從較大的通態電流降至維持通

16、態所必需的降至維持通態所必需的 最小電流稱為維持電流。它一般為最小電流稱為維持電流。它一般為幾毫安到幾百毫安。幾毫安到幾百毫安。(2)(2)擎住電流擎住電流IL IL 晶閘管剛從斷態轉入通態就去掉觸發信號，能晶閘管剛從斷態轉入通態就去掉觸發信號，能使器件保持導通所需要的最小陽極電流。使器件保持導通所需要的最小陽極電流。 (3) (3)斷態電壓臨界上升率斷態電壓臨界上升率dududt dt 在額定結溫和門極開路情況在額定結溫和門極開路情況下，不使器件從斷態到通態轉換的陽極電壓最大上升率稱為下，不使器件從斷態到通態轉換的陽極電壓最大上升率稱為斷態電壓臨界上升率。斷態電壓臨界上升率。(4)(4)通態

17、電流臨界上升率通態電流臨界上升率dididt dt 在規定條件下，晶閘管在門極在規定條件下，晶閘管在門極觸發開通時所能承受不導致損壞的通態電流最大上升率稱為觸發開通時所能承受不導致損壞的通態電流最大上升率稱為通態電流臨界上升率。通態電流臨界上升率。 六、晶閘管的門極伏安特性及主要參六、晶閘管的門極伏安特性及主要參數數 1 1門極不觸發電壓門極不觸發電壓UGDUGD和門極不觸發電流和門極不觸發電流IGDIGD 不能使晶閘管從斷態轉入通態的最大門極電壓稱為門極不觸不能使晶閘管從斷態轉入通態的最大門極電壓稱為門極不觸發電壓發電壓UGDUGD，相應的最大電流稱為門極不觸發電流，相應的最大電流稱為門極不

18、觸發電流IGDIGD。2 2門極觸發電壓門極觸發電壓UGTUGT和門極觸發電流和門極觸發電流IGTIGT 在室溫下，對晶閘管加上在室溫下，對晶閘管加上6V6V正向陽極電壓時，使器件由斷態正向陽極電壓時，使器件由斷態轉入通態所必須的最小門轉入通態所必須的最小門 極電流稱為門極觸發電流極電流稱為門極觸發電流IGTIGT，相，相應的門極電壓稱為門極觸發電壓應的門極電壓稱為門極觸發電壓UGTUGT。3 3門極正向峰值電壓門極正向峰值電壓UGMUGM、門極正向峰值電流、門極正向峰值電流IGMIGM和門極峰值功和門極峰值功率率PGMPGM 在晶閘管觸發過程中，不致造成門極損壞的最大門極電壓、在晶閘管觸發過

19、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UGMUGM、門極正向峰值電流門極正向峰值電流IGMIGM和門極峰值功率和門極峰值功率PGMPGM。使用時晶閘管的。使用時晶閘管的門極觸發脈沖不應超過以上數值。門極觸發脈沖不應超過以上數值。七、晶閘管對觸發電路的要求七、晶閘管對觸發電路的要求 1. 1. 觸發脈沖應具有足夠的功率和一定的寬度；觸發脈沖應具有足夠的功率和一定的寬度；2. 2. 觸發脈沖與主電路電源電壓必須同步；觸發脈沖與主電路電源電壓必須同步；3. 3. 觸發脈沖的移相范圍應滿足變流裝置提出的

20、要觸發脈沖的移相范圍應滿足變流裝置提出的要求。求。第三節第三節 晶閘管派生器件晶閘管派生器件 一、雙向晶閘管一、雙向晶閘管 1 1雙向晶閘管的結構與伏安特性曲線雙向晶閘管的結構與伏安特性曲線 a) b) c) d) a) b) c) d) 圖圖1-11 1-11 雙向晶閘管雙向晶閘管a) a) 雙向晶閘管的結構雙向晶閘管的結構 b) b) 等效電路等效電路 c) c)符號符號 d) d) 伏安特性曲線伏安特性曲線 2雙向晶閘管的參數雙向晶閘管的參數 雙向晶閘管的主要參數中只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參雙向晶閘管的主要參數中只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參數定義與普通晶閘管相似

21、。由于雙向晶閘管工作在交流電路中，正反向數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( (方均方均根值根值) )來表示，定義為：在標準散熱條件下，當器件的單向導通角大于來表示，定義為：在標準散熱條件下，當器件的單向導通角大于170170時，允許流過器件的最大交流正弦電流的有效值，用時，允許流過器件的最大交流正弦電流的有效值，用IT(RMS)IT(RMS)表示。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系式為雙向晶閘管有效值電流與普通晶閘管平均值

22、電流之間的換算關系式為 (1-7) (1-7) 以此推算，一個以此推算，一個100A100A的雙向晶閘管與兩個的雙向晶閘管與兩個45A45A的普通晶閘管反并聯電流的普通晶閘管反并聯電流容量相等。容量相等。T(RMS)T(RMS)T(AV)45. 02III 3雙向晶閘管的觸發方式雙向晶閘管的觸發方式 雙向晶閘管正反兩個方向都能導通，門極加正負電壓都能觸發。主電雙向晶閘管正反兩個方向都能導通，門極加正負電壓都能觸發。主電壓與觸發電壓相互壓與觸發電壓相互 配合，可以得到四種觸發方式：配合，可以得到四種觸發方式： (1) I+ (1) I+ 觸發方式觸發方式 主極主極T2T2為正，為正，T1T1為負

23、；門極電壓為負；門極電壓G G為正，為正，T1T1為負。為負。 (2) I_ (2) I_ 觸發方式觸發方式 主極主極T2T2為正，為正，T1T1為負；門極電壓為負；門極電壓G G為負，為負，T1T1為正。為正。 (3) + (3) +觸發方式觸發方式 主極主極T2T2為負，為負，T1T1為正；門極電壓為正；門極電壓G G為正，為正，T1T1為負。為負。 (4) (4) 觸發方式觸發方式 主極主極T2T2為負，為負，T1T1為正；門極電壓為正；門極電壓G G為負，為負，T1T1為正。為正。 四種觸發方式中觸發靈敏度不相同，四種觸發方式中觸發靈敏度不相同，I+ I+ 觸發方式靈敏度最高，觸發方式

24、靈敏度最高，+觸觸發方式靈敏度最低，使用時要盡量避開發方式靈敏度最低，使用時要盡量避開+，常采用的觸發方式為，常采用的觸發方式為I+ I+ 和和-。二、快速晶閘管二、快速晶閘管 快速晶閘管是專為快速應用而設計的晶閘管，國產快速快速晶閘管是專為快速應用而設計的晶閘管，國產快速晶閘管為晶閘管為KKKK系列。常規的快速晶閘管工作在系列。常規的快速晶閘管工作在400Hz400Hz以下，更以下，更高頻的晶閘管可應用于高頻的晶閘管可應用于10kHz10kHz以上的斬波或逆變電路中。快以上的斬波或逆變電路中。快速晶閘管的開關時間以及速晶閘管的開關時間以及dududtdt和和dididtdt耐量都有了明顯改耐

25、量都有了明顯改善。從關斷時間來看，普通晶閘管一般為數百微秒，快速晶善。從關斷時間來看，普通晶閘管一般為數百微秒，快速晶閘管為數十微秒，而高頻晶閘管則為閘管為數十微秒，而高頻晶閘管則為10s10s左右。與普通晶左右。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。做高。 三、逆導晶閘管三、逆導晶閘管 逆導晶閘管是將晶閘管反并聯一個二極管制作在逆導晶閘管是將晶閘管反并聯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氣圖形符號和伏安特性如圖1-141-14所示。所示。 圖圖1-14 1-14 逆導晶閘管的電氣符號和伏安特性逆導晶閘管的電氣符號和伏安特性 四、光控晶閘管四、光控晶閘管 光控晶閘管又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信光控晶閘管又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管，其電氣圖形符號和伏安特性如圖號觸發