文档介绍：第一章:电力二极管和晶闸管
第一节电力二极管
第二节晶闸管
第三节双向晶闸管及其他派生晶闸管
本章小节
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A
K
A
K
a)
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,它与其他电力电子器件相配合,作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件,在各种变流电路中发挥着重要作用;
它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同,以半导体PN结为基础;
主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管;
由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成,从外形上看,大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装,小功率的和普通二极管一致。
I
K
A
P
N
J
b)
c)
图1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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第二节晶闸管
晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管,普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。
从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来,至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品;
晶闸管作为大功率的半导体器件,只需用几十至几百毫安的电流,就可以控制几百至几千安培的大电流,实现了弱电对强电的控制;
晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点,曾经在许多领域中得到了广泛的应用。
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一、晶闸管的结构
晶闸管具有四层PNPN结构,引出阳极A、阴极K和门极G三个联接端;
晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型;
晶闸管对于螺栓型封装,通常螺栓是其阳极,能与散热器紧密联接且安装方便;平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
图1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
G
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晶闸管的管耗和散热:
管耗=流过器件的电流×器件两端的电压
管耗将产生热量,使管芯温度升高。如果超过允许值,将损坏器件,所以必须进行散热和冷却。
冷却方式:自然冷却(散热片)、风冷(风扇)、水冷
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二、晶闸管的导通和关断条件
〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。
图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路
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〔解释〕
当SCR的阳极和阴极电压UAK<0,即EA下正上负,无论门极G加什么电压,SCR始终处于关断状态;
UAK>0时,且EGk>0,SCR才能导通。
SCR一旦导通,门极G将失去控制作用,即无论EG如何,均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右,主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定;
当UAK<0时,无论SCR原来的状态,都会使R熄灭,即此时SCR关断。其实,在I逐渐降低(通过调整RW)至某一个小数值时,刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I,则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。
导通和关断条件
综上所述:
SCR导通条件: UAK>0 同时 UGK>0
由导通→关断的条件:使流过SCR的电流降低至维持电流以下。
(一般通过减小EA,,直至EA<0来实现。)
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图1-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
三、晶闸管的工作原理分析
〔具体描述〕如果IG(门极电流)注入V2基极,V2导通,产生IC2( β2IG )。它同时为V1的基极电流,使V1导通,且IC1= β 1IC2,IC1加上IG进一步加大V2的基极电流,从而形成强烈的正反馈,使V1V2很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通,通过SCR的电流由R确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为1V。此时,将IG调整为0,即UGK<0,也不能解除正反馈,G极失去控制作用。
在分析SCR的工作原理时,常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。
此时,其工作过程如下:
UGK>0 →产生IG → V2通→产生IC2 → V1通→ IC1↗→ IC2 ↗→出现强烈的正反馈,G极失去控制作用,V1和V2完全饱和,SCR饱和导通。
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晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系,称为阳极伏安特性。(见图1-5)
四、晶闸管的阳极伏安特性
IG =0
图1-5 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
UA
IA
IG1
IG2
正向导通
>
>
UBO
正向特性
反向特性
雪崩击穿
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1) 正向特性
IG=0时,器件两端施加正向电压,正向阻断状态,只有很小的正向漏电流流过,正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通。
随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低。
导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。
晶闸管本身的