電力二極管電力晶體管和晶閘管的應(yīng)用簡介

1、目 錄目 錄I第9章 電力二極管、電力晶體管和晶閘管的應(yīng)用簡介19.1 電力二極管的應(yīng)用簡介19.1.1 電力二極管的種類19.1.2 各種常用的電力二極管結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和用途19.1.3 電力二極管的主要參數(shù)19.1.4 電力二極管的選型原則29.2 電力晶體管的應(yīng)用簡介39.2.1 電力晶體管的主要參數(shù)39.2.2 電力晶體管的選型原則39.3 晶閘管的應(yīng)用簡介49.3.1 晶閘管的種類49.3.2 各種常用的晶體管結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和用途49.3.3 晶閘管的主要參數(shù)59.3.4 晶閘管的選型原則69.4 總結(jié)7第9章 電力二極管、電力晶體管和晶閘管的應(yīng)用簡介 9.1 電力二極管的應(yīng)用簡介電力二極管

2、（Power Diode）在20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，當(dāng)時(shí)也被稱為半導(dǎo)體整流器；它的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管相同，都以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)正向?qū)?、反向截止的功能。電力二極管是不可控器件，其導(dǎo)通和關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。電力二極管實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。9.1.1 電力二極管的種類電力二極管主要有普通二極管、快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管。9.1.2 各種常用的電力二極管結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和用途名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用途實(shí)例圖片整流二極管多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5s以上，其正向電

3、流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。快速恢復(fù)二極管恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5s以下）?？旎謴?fù)外延二極管，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。肖特基二極管優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns），正向恢復(fù)過程中也不會(huì)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；因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。弱點(diǎn)：（1）當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓

4、降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合.（2）反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。9.1.3 電力二極管的主要參數(shù)1 正向平均電流IF（AV）。正向平均電流指電力二極管長期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。其是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。2 正向壓降UF。正向壓降指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3 反向重復(fù)峰值電壓URRM。反向重復(fù)峰值電壓指對(duì)電力二極管所能重

5、復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍以上的裕量。4 最高工作結(jié)溫TJM。結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175 范圍之內(nèi)。5 反向恢復(fù)時(shí)間trr。6 最大浪涌電流IFSM。浪涌電流指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。9.1.4 電力二極管的選型原則（1） 電力二極管的結(jié)構(gòu)和型式滿足應(yīng)用場合的特點(diǎn)和技術(shù)要求。（2） 正向平均電流不小于其在應(yīng)用電路中流過的最大電流。（3） 正向壓降滿足應(yīng)用電路的技術(shù)要求。（4） 反向重復(fù)峰值電壓不小于其在應(yīng)用電路中承受的最大反向電壓峰值的2倍

6、。（5） 最高工作結(jié)溫不小于其在應(yīng)用電路的最高溫度。（6） 反向恢復(fù)時(shí)間滿足應(yīng)用電路的要求。（7） 最大浪涌電流不小于其在應(yīng)用電路中流過的最大浪涌電流。（8） 選擇質(zhì)量好、性價(jià)比高的品牌。9.2 電力晶體管的應(yīng)用簡介電力晶體管（GTR）是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BJT），所以有時(shí)也稱為Power BJT；與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)大功率、高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力的全控型器件。電力晶體管最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好，同時(shí)它既具備晶體管飽和壓降低、開關(guān)時(shí)間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量；電力晶體管的缺點(diǎn)是

7、驅(qū)動(dòng)電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞、驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)功率大。由于它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時(shí)間短，因此在中等容量和中等頻率的電源、電機(jī)控制、通用逆變器等電路中被廣泛應(yīng)用。9.2.1 電力晶體管的主要參數(shù)1 電力晶體管的主要參數(shù)有電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff。2 最高工作電壓。電力晶體管上所加的電壓超過規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。發(fā)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo，基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間

8、的擊穿電壓BUceo，發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces，發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex。且存在以下關(guān)系：9.2.2 電力晶體管的選型原則（1） 電力晶體管的種類、應(yīng)用場合滿足應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)要求。（2） 共發(fā)射極直流放大倍數(shù)HFE滿足應(yīng)用電路的要求。（3） 共發(fā)射極交流放大倍數(shù)滿足應(yīng)用電路的要求。（4） 特征頻率不小于其在應(yīng)用電路中的最大頻率的3倍。（5） 集電極和發(fā)射極間飽和壓降滿足應(yīng)用電路的要求。（6） 集電極最大允許電流不小于其在應(yīng)用電路中的最大電流2倍。（7） 集電極最大允許耗散功率滿足應(yīng)用電路的要求。（8） 開通

9、時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff滿足應(yīng)用電路的要求。（9） 選擇質(zhì)量好、性價(jià)比高的品牌。9.3 晶閘管的應(yīng)用簡介晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SCR），以前被簡稱為可控硅。1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽極、陰極和門極，其屬于半控型器件。晶閘管能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制，因此被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電路中。9.3.1 晶閘管的種類按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式：普通晶閘管

10、（SCR）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）、門極關(guān)斷晶閘管（GTO）、BTG晶閘管、溫控晶閘管（TT國外，TTS國內(nèi)）和光控晶閘管（LTT）等多種。按其引腳和極性：二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。按其封裝形式：金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。按電流容量：大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種。通常，大功率晶閘管多采用陶瓷封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或金屬封裝。按其關(guān)斷速度：普通晶閘管和快速晶閘管，快速晶閘管包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管

11、，有常規(guī)的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應(yīng)用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中。按冷確方式：自然冷確式晶閘管、風(fēng)冷確式晶閘管和水冷確式晶閘管。電流較小的晶閘管一般采用自然冷確，電流較大的采用風(fēng)冷確，電流非常大的采用水冷確。9.3.2 各種常用的晶體管結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和用途名稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、用途實(shí)例圖片普通晶閘管（SCR）晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個(gè)極：陽極、陰極和門極；晶閘管能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制，因此被廣泛應(yīng)用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點(diǎn)電子開關(guān)、逆變及變頻等電路中?？焖倬чl管（FST）快速晶閘管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的

12、耐量都有了明顯改善。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10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。雙向晶閘管（TRIAC）雙向晶閘管可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。具有正

13、向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。門極關(guān)斷晶閘管門極關(guān)斷晶閘管是晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，屬于全控型器件。光控晶閘管（LTT）光控晶閘管是利用一定波長的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合。9.3.3 晶閘管的主要參數(shù)1 電壓定額（1） 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM。斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管上的正向峰值電壓。國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最

14、大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。（2） 反向重復(fù)峰值電壓URRM。反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓。規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。（3） 通態(tài)（峰值）電壓UT。通態(tài)（峰值）電壓指晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。2 電流定額（1） 通態(tài)平均電流IT（AV）。通態(tài)

15、平均電流按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。（2） 維持電流IH。維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。結(jié)溫越高，則IH越小。（3） 擎住電流IL。擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，維持導(dǎo)通所需的最小電流。約為IH的24倍。（4） 浪涌電流ITSM。浪涌電流指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向

16、過載電流。3 動(dòng)態(tài)參數(shù)（1） 開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq。（2） 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。9.3.4 晶閘管的選型原則（1） 晶閘管的結(jié)構(gòu)和型式滿足應(yīng)用場合的特點(diǎn)和技術(shù)要求。（2） 晶閘管的額定電流不小于其在應(yīng)用電路中的最大電流的1.52倍。（3） 晶閘管的額定電壓不小于其在應(yīng)用電路中承受的最大峰值（正向或者反向）電壓

17、的23倍。（4） 晶閘管的動(dòng)態(tài)參數(shù)滿足應(yīng)用電路的要求。（5） 選擇質(zhì)量好、性價(jià)比高的品牌。9.4 總結(jié)（1） 晶閘管是半控型器件，具有單向?qū)щ娦?，晶閘管一旦導(dǎo)通，門極將失去控制作用，導(dǎo)通后流過晶閘管的電流由主電路電源和負(fù)載來決定。導(dǎo)通后陽極電流小于維持電流才會(huì)關(guān)斷，關(guān)斷方法：交流電路利用電壓反向自動(dòng)關(guān)斷晶閘管，直流電路設(shè)置關(guān)斷電路加反壓關(guān)斷晶閘管。（2） 晶閘管加足夠的正向陽極電壓，陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)，陽極電壓上升率du/dt過高或者光觸發(fā)，以上任意一種條件即使晶閘管未加門極電壓也會(huì)導(dǎo)通。（3） 有常規(guī)的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應(yīng)用于400Hz和10k

18、Hz以上的斬波或逆變電。（4） 大功率晶閘管多采用陶瓷封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或金屬封裝，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種，塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。（5） 選用晶閘管時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。但是由于國內(nèi)的制造工業(yè)的不足，因此在選用國內(nèi)的晶閘管時(shí)額定電壓和電流需要在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上放大。（6） 晶閘管電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。（7） 晶閘管的冷確方式有自然冷確、風(fēng)冷確和水冷確。電流較小的晶閘管一般采用自然冷確，電流較大的采用風(fēng)冷確，電流非常大的采用水冷確。（8） 對(duì)較大型的電力電子裝置，當(dāng)單個(gè)電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時(shí)，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)起來工作，或者將電力電子裝置串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。（9） 當(dāng)晶閘管的額定電壓小于實(shí)際要求時(shí)，可以用兩個(gè)以上同型號(hào)