功率二極管、晶閘管及單相相控整流電路

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1、1.1功率二極管1.2晶閘管1.3單相相控整流電路1.4晶閘管觸發(fā)電路習(xí)題及思考題第1章功率二極管、晶閘管及單相相控整流電路1.1.1功率二極管的工作原理功率二極管是以PN結(jié)為基礎(chǔ)的，實(shí)際上就是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成的。功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖1-1所示。圖1-1功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)1.1功率二極管功率二極管主要有螺栓型和平板型兩種外形，如圖1-2所示。圖1-2功率二極管的外形(a)螺栓型；(b)平板型功率二極管和電子電路中的二極管工作原理一樣，即若二極管處于正向電壓作用下，則PN結(jié)導(dǎo)通，

2、正向管壓降很??；反之，若二極管處于反向電壓作用下，則PN結(jié)截止，僅有極小的可忽略的漏電流流過二極管。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量可得功率二極管的伏安特性曲線，如圖1-3所示。圖1-3功率二極管的伏安特性曲線(a)螺栓型；(b)平板型1．正向平均電流IF(AV)功率二極管的正向平均電流IF(AV)是指在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下允許通過的最大工頻半波電流的平均值,元件標(biāo)稱的額定電流就是這個(gè)電流。實(shí)際應(yīng)用中，功率二極管所流過的最大有效電流為I，則其額定電流一般選擇為式中的系數(shù)1.5～2是安全系數(shù)。1.1.2功率二極管的主要參數(shù)2．正向壓降UF

3、正向壓降UF是指在規(guī)定溫度下，流過某一穩(wěn)定正向電流時(shí)所對(duì)應(yīng)的正向壓降。3．反向重復(fù)峰值電壓URRM反向重復(fù)峰值電壓是功率二極管能重復(fù)施加的反向最高電壓，通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3。一般在選用功率二極管時(shí)，以其在電路中可能承受的反向峰值電壓的兩倍來選擇反向重復(fù)峰值電壓。4．反向恢復(fù)時(shí)間trr反向恢復(fù)時(shí)間是指功率二極管從所施加的反向偏置電流降至零起到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時(shí)間。1．整流二極管整流二極管多用于開關(guān)頻率不高的場(chǎng)合，一般開關(guān)頻率在1kHz以下。整流二極管的特點(diǎn)是電流定額和電壓定額可以達(dá)到很高，一般為幾千安和幾

4、千伏，但反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。1.1.3功率二極管的主要類型2．快速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管的特點(diǎn)是恢復(fù)時(shí)間短，尤其是反向恢復(fù)時(shí)間短，一般在5μs以內(nèi)，可用于要求很小反向恢復(fù)時(shí)間的電路中，如用于與可控開關(guān)配合的高頻電路中。3．肖特基二極管肖特基二極管是以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間更短，一般為10～40ns。肖特基二極管在正向恢復(fù)過程中不會(huì)有明顯的電壓過沖，在反向耐壓較低的情況下正向壓降也很小，明顯低于快速恢復(fù)二極管，因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都很小。肖特基二極管的不足是，當(dāng)所承受的反向耐

5、壓提高時(shí)，其正向電壓有較大幅度提高。它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。1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體變流器件，它具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)，其外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖1-4所示。由最外的P1層和N2層引出兩個(gè)電極，分別為陽(yáng)極A和陰極K，由中間P2層引出的電極是門極G（也稱控制極）。1.2晶閘管圖1-4晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)(a)外形；(b)結(jié)構(gòu)；(c)圖形符號(hào)常用的晶閘管有螺栓式和平板式兩種外形，如圖1-4(a)所示。晶閘管在工作過程中會(huì)因損耗而發(fā)熱，因此必須安裝散熱器。螺栓式

6、晶閘管是靠陽(yáng)極（螺栓）擰緊在鋁制散熱器上，可自然冷卻；平板式晶閘管由兩個(gè)相互絕緣的散熱器夾緊晶閘管，靠冷風(fēng)冷卻。額定電流大于200A的晶閘管都采用平板式外形結(jié)構(gòu)。此外，晶閘管的冷卻方式還有水冷、油冷等。我們通過圖1-5所示的電路來說明晶閘管的工作原理。在該電路中，由電源Ea、白熾燈、晶閘管的陽(yáng)極和陰極組成晶閘管主電路；由電源Eg、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路,也稱觸發(fā)電路。1.2.2晶閘管的工作原理圖1-5晶閘管導(dǎo)通試驗(yàn)電路圖當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極A接電源Ea的正端，陰極K經(jīng)白熾燈接電源的負(fù)端時(shí)，晶閘管承受正向電壓。當(dāng)

7、控制電路中的開關(guān)S斷開時(shí)，白熾燈不亮，說明晶閘管不導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極承受正向電壓，控制電路中開關(guān)S閉合，使控制極也加正向電壓（控制極相對(duì)陰極）時(shí)，白熾燈亮，說明晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，將控制極上的電壓去掉（即將開關(guān)S斷開），白熾燈依然亮，說明一旦晶閘管導(dǎo)通，控制極就失去了控制作用。當(dāng)晶閘管陽(yáng)極和陰極間加反向電壓時(shí)，不管控制極加不加電壓，燈都不亮，晶閘管截止?？刂茦O加反向電壓，無論晶閘管主電路加正向電壓還是反向電壓，晶閘管都不導(dǎo)通。通過上述實(shí)驗(yàn)可知，晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：（1）晶閘管主電路加正向電壓

8、。（2）晶閘管控制電路加合適的正向電壓。為了進(jìn)一步說明晶閘管的工作原理，可把晶閘管看成是由一個(gè)PNP型和一個(gè)NPN型晶體管連接而成的，連接形式如圖1-6所示。陽(yáng)極A相當(dāng)于PNP型晶體管V1的發(fā)射極，陰極K相當(dāng)于NPN型晶體管V2的發(fā)射極。圖1-6晶閘管工作原理等效電路當(dāng)晶閘管陽(yáng)極承受正向電壓，控制極