电力二极管和晶闸管共89页

假设干个电力电子器件及必要的辅助元件 做成模块的形式，这给应用带 来了很大的方便 功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成 功率集成电路〔PIC〕。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术开 展的一个重要方向
绪论
三、电力电子技术的应用
1〕一般工业
直流电动机调速，交流电机的变频调速，电化学工业，冶金工业中的高频或中频 感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源
信设备中的高频开关电源。大型计算机、微型计算机内部的电源现在也都采用高
频开关电源。在各种电子装置中采用高频开关电源。
5〕家用电器 变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视 机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源局部也都需要电力电子技术。此外， 有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。
个重要特征。 电力电子技术归属于电气工程学科 电气工程学科中一个最为活泼的分支，其不断进步给电气工程的现代化
以巨大的推动力。 控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各
种需求 电力电子技术可看成“弱电控制强电〞的技术，是“弱电和强电的接口
〞，控制理论是实现该接口的强有力纽带。
2〕交通运输
电气化铁道中，电动汽车 飞机、船舶的电源等。
3〕电力系统：直流输电，柔性交流输电〔FACTS〕，无功补偿和谐波抑制，晶闸
管控制电抗器〔TCR〕、静止无功发生器〔SVG〕、有源电力滤波器〔APF〕、
电
能
质
量
控
制
等
。
4〕电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通
射和射频干扰小。
绪论
五、 电力电子器件的概念和特征 (1) 主电路〔main power circuit〕——电气设备或电力系统中，直接

比 如 ， 峰 值 为 IM 的 正 弦 半 波 电 流 对 应 的 平 均 值 IF(AV)=IM/（平均面积），其对应的有效值I= IM/ 2， 故得I = ( /2) IF(AV) =1.57 IF(AV) 。 2. 正向压降UF 1V左右。 3. 反向重复峰值电压URRM 指所能重复施加的反向 最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。 4. 最高工作结温TJM 指在PN结不致损坏的前提下 所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C 范围之内。
1. 正向平均电流IF(AV)（额定电流）
所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均 值。决定发热的因素本来是电流的有效值，但由 于传统上二极管多用于整流，其输出负载通常需 要平均电流来衡量其性能。然而实际选管时，还 是需要考虑工作电流有效值（发热损耗）是否会 超过允许的定额。应按照实际电流波形所造成的 发热效应与工频正弦半波时的有效值相等的原则 来选取电力二极管的电流定额，并应留有一定的 裕量。
• 电流驱动型和电压驱动型：按驱动信号的 性质，又可分为电流驱动型（如GTR）和 电压驱动型（如MOSFET、IGBT）两类。 由于电压驱动型器件是通过加在控制极与 公共端之间的电压产生可控的电场来改变 流过器件的电流大小和通断状态的，故亦 称作压控器件或场控器件。
• 双极型、单极型和复合型器件：可以按照 器件内部电子和空穴两种载流子参与导电 的 情 况 分 为 双 极 型 器 件 （ GTR 、 SCR 、 GTO、二极管）、单极型器件（MOSFET） 和 复 合 型 器 件 （ IGBT ） 三 类 。 由 一 种 载 流子参与导电的器件称为单极型器件；由 电子和空穴两种载流子参与导电的器件称 为双极型器件；由单极型器件和双极型器 件集成混合而成的器件则被称为复合型器 件，也称混合型器件。

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电力电子技术
二极管与晶闸管
选用晶闸管的原则
按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压U 1. 按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压 TM的2～3倍来选择晶闸 ～ 倍来选择晶闸 管的额定电压，即 管的额定电压， UTn =(2～3) UTM =(2 (1-3) 按电流有效值相等的原则进行换算， 2.按电流有效值相等的原则进行换算，选择晶闸管的额定电流即 IT =1.57 I T(AV) I T(AV)= IT /1.57 由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取( 的安全裕量， 由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取(1.5～2)的安全裕量，即 I T(AV) = (1.5～2)IT /1.57
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电力电子技术
二极管与晶闸管
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，在电路中常作 为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元 件。
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b)
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电力电子技术
二极管与晶闸管
一、晶闸管的符号及外形
小电流 塑封式
大电流 平板式
小电流 螺旋式
大电流螺 旋式

图形 符号
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二极管与晶闸管
二、晶闸管的导通与关断条件
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电力电子技术
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电力电子技术
二极管与晶闸管
一晶闸管接在220 交流回路中， 220V 例 1 - 1 一晶闸管接在 220 V交流回路中 ， 通过器件的电流 有效值为100 100A 问选择什么型号的晶闸管? 有效值为100A，问选择什么型号的晶闸管? 解 选择晶闸管额定电压 =(2 220V=622～933V V=622 UTn =(2～3) UTM = (2～3)×220V=622～933V 按晶闸管参数系列取800 800V 按晶闸管参数系列取800V，即8级。 选择晶闸管的额定电流 I T(AV) = (1.5～2)IT /1.57= (1.5～2) 57= 100/ 57=95～127A ×100/1.57=95～127A 按 晶 闸 管 参 数 系 列 取 1 0 0 A， 所 以 选 取 晶 闸 管 型 号 KPl00 00KPl00-8E。

一个电子形成“空穴”。
2）在P型半导体中：
空穴——为多数载流子 自由电子——为少数载流子
结论： • 半导体的热敏性；
• 半导体的掺杂特性；
• 半导体的光敏性特性 • 三点特性是可人为控制的
3、PN结的形成及其单向导电性
• 载流子要从浓度大域向浓度小的区域扩散,称载流子的扩散的运
动
• 两种半导体结合后，由于浓度差产生载流子的扩散运动 结果产 生空间电荷区耗尽层（多子运动）。
二极管与晶闸管
§4-1 二极管
• 了解半导体的导电特性，掌握二极管的单
向导电性
• 理解普通二极管的伏安特性和主要参数
• 用万用表判别二极管的极性和好坏
半导体二极管简称二极管，是电子电路中最常
用的元件，在汽车电路中广泛应用。二极管的核心
就是PN结 一、半导体的导电特性 (1) 导体：导电性能良好的物质。导电率为 105s.cm-1量级，如：金、银、铜、铝。
• 空间电荷区产生建立了内电场产生载流子定向运动（漂移运
动） • 当扩散运动↑内电场↑漂移运动↑扩散运动↓动态平衡。 • 扩散运动产生扩散电流；漂移运动产生漂移电流。 • 动态平衡时：扩散电流=漂移电流。 形成PN内总电流=0。P 区
与 N 区的交界面就形成了的结称为PN结
二、二极管的的结构和符号
§4-2二极管整流电路
• 掌握单相半波整流电路和桥式整流电路的组成及 工作原理 • 掌握三相桥式整流电路的组成及工作原理 • 了解硅整流堆器件的应用 • 了解电容滤波和电感滤波的基本形式和工作原理
汽车蓄电池是直流电源。若是交流电源，就必须
先将其转换为直流电源才可对汽车直流蓄电池进行充
电。 将交流电转换为直流电称为整流。具有单向导电性 的二极管是最常用的整流元件。 一、单相半波整流电路 1、电路组成

第一章电力二极管与晶闸管
第二节 晶闸管
一、晶闸管的结构 晶和闸等管效是电四路层如(图PlN1-lP32所N示2)三。端(阳极A、阴极K、门极G)器件，其内部结构
a)
b)
图1-3 晶闸管的内部结构和等效电路
a) 内部结构 b)以互补三极管等效
第一章电力二极管与晶闸管
晶闸管的符号及外形
晶闸管的符号及外形如图1-4所示，
试求Im允许多大?
图1-9 流过晶闸管的电流波形
解 KP50-7晶闸管允许流过的电流有效值为 IT =1.57 I T(AV)=1.57×50A=78.5A
实际流过该管的电流有效值 当考虑2倍的安全余量时，Im的允许值为
第一章电力二极管与晶闸管
4．晶闸管的其他参数
(1)维持电流IH 在室温和门极断开时，器件从较大的通态电流 降至维持通态所必需的 最小电流称为维持电流。它一般为 几毫安到几百毫安。
第一章电力二极管与晶 闸管
2023/5/14
第一章电力二极管与晶闸管
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，在电路 中常作为整流、续流、电压隔离、钳位 或保护元件。
第一章电力二极管与晶闸管
一、结构与伏安特性 1. 结构
a) b)
c)
d)
图1-1 电力二极管的结构、符号和外形
第一章电力二极管与晶闸管
第三节 晶闸管派生器件
一、双向晶闸管 1．双向晶闸管的结构与伏安特性曲线
a)
b)
c)
d)
图1-11 双向晶闸管
a) 双向晶闸管的结构 b) 等效电路 c)符号 d) 伏安特性曲线
第一章电力二极管与晶闸管
2．双向晶闸管的参数

图1-5 晶闸管的导通关断实验电路
第二节 晶 闸 管
1)当双刀开关Ｑ１向右反向闭合，晶闸管承受反向阳极电压，不论门 极承受何种电压，灯泡都不亮，说明晶闸管处于关断状态。 2)当双刀开关Ｑ１向左正向闭合，晶闸管承受正向阳极电压，仅当双 刀开关Ｑ２正向闭合，即门极也承受正向电压时灯泡才亮。 3)晶闸管一旦导通，双刀开关Ｑ２不论正接、反接或者断开，晶闸管 都保持导通状态不变，说明门极失去了控制作用。 4)要使晶闸管关断，可以去掉阳极电压，或者给阳极加反压，也可 以降低正向阳极电流至一定数值以下。
图1-2 功率二极管的符号和伏安特性
第一节 功率二极管
二、主要参数 1.额定电流(正向平均电流)ＩＦ
在规定的环境温度为40℃和标准散热条件下，元件PN结温度稳 定且不超过140℃时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流 平均值称为额定电流IF。 2.反向重复峰值电压URRM
在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值UR SM的80%称为反向重复峰值电压URRM。
第一章 功率二极 管和晶闸管
主编
第一节 功率二极管
一、功率二极管的结构与伏安特性 1.结构
功率二极管的内部结构是一个PN结，结面积较大。由于功率二极 管功耗较大，它的外形有螺旋式和平板式两种。螺旋式二极管的阳极 紧拴在散热器上。平板式二极管又分为风冷式和水冷式，它的阳极和 阴极分别由两个彼此绝缘的散热器紧紧夹住。常用大功率二极管的外 形如图1-1所示。
第二节 晶 闸 管
结论： 1)晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时 在它的门极和阴极间也加正向电压，两者缺一不可。 2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电 压一般为脉冲电压。 3)晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。

R-K-4-E-导通后门极加负电压-23
nR-K-E-导通后减小阳极电流-24
nR-K-E-导通后减小阳极电压或去除阳极电压-25
H-R-K-EA-导通后阳极加反压-26
Rw-导通和关断条件-LAMP-SCR-〔解释-当SCR的阳极和阴极电压UAK<O,即EA下正上负，无论门 G-加什么电压，SCR始终处于关断状态；->-UAK>0时，且EG>0,SCR才能导通。-SCR一旦导通， 极G将失去控制作用，即无论Ec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 和Rw以及EA的大小决定；-当UAK<O时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时-SCR关断。其实， 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。 小电流称为SCR的维持电流。-27
3、电力二极管使用注意事项-1必须保证规定的冷却条件。-2平板型元件的散热器一般不应自行拆-装。-3如不能 足规定的冷却条件，必须降-低容量使用，如规定风冷元件使用在自冷-时，只允许用到额定电流的三分之一左右。-4 禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。-如需检查整机的耐压时，应将原件短接。-10
四、电力二极管的主要类型-1-普通二极管General Purpose Diode-又称整流二极管Rect fier Diode-多用于开关频率不高1kHz以下的整流电路-其反向恢复时间较长-■-正向电流定额和反向 压定额可以达到很高-2-快恢复二极管-Fast Recovery DiodeFRD-简称快速二极管。从性能 可分为快速恢复和超快速恢-复两个等级。前者t为数百纳秒或更长，后者则在100ns以-下，甚至达到20-30 s。-11

*
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)
产生注入门极的触发电流IG的电路
触发
门极触发电路
对晶体管的驱动
IGIB2 IC2（IB1） IC1 IB2 ———————
*
晶体管工作原理如以下方程所示
Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1)
雪崩击穿
因热量散发不出 PN结温度上升 过热烧坏
*
静态特性
电力二极管的伏安特性
电力二极管 静态特征
伏安特征
值定一到大压电向正
正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态。
承受反向电压时
只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。
2、电力二极管的基本特性
反向电流IR
少子浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定
PN结外加反向电压
N区流入
P区流入出
反向饱 和流IS
高 电 阻
几 乎 没 有 电 流 流 过
PN结的反向截止状态
*
PN结的反向击穿 齐纳击穿 热击穿
反向电流 急剧增大
破坏PN结反向偏置 为截止的工作状态
Power Electronics
控制电路
主电路
电力电子系统
检测电路：
检测主电路或应用现场信号
通过驱动电路 控制
*
主电路
驱动电路
检测电路
控制信号
电气隔离
电气隔离
电气隔离
电气隔离
电气隔离
保护电路 ：保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行
*
1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度

a）汽车尾灯
b）交通信号灯 c）点阵显示屏
LED灯应用示例
第四章
4．光敏二极管
二极管与晶闸管
光敏二极管也称光电二极管，是一种将光信号变成电信
号的半导体器件。
a）外形
b）内部结构 光敏二极管
c）图形符号
第四章
二极管与晶闸管
a) 发射电路 远红外遥控电路
b)接收电路
第四章
二极管与晶闸管
光电二极管不仅能构成光电传感器件，如果制成受光面
第四章
2．工作原理
二极管与晶闸管
单相桥式整流电流通路
第四章
二极管与晶闸管
3．负载上的直流电压UL
即负载上脉动电压在一周内的平均值，相当于两个 半波整流合成作用在负载上，故UL=0.45U2+0.45U2， 即 UL=0.9U2。
第四章
二极管与晶闸管
4．整流二极管的选用
（1）二极管最大正向电流 桥式整流电路中流过二极管的平均电流是流过负载电 流的一半，因此整流二极管的最大正向电流应大于负载电 流的一半，即
第四章
二极管与晶闸管
3．正向平均电流（ IT AT ）
正向平均电流是指在规定的环境温度和散热条件下，允
许通过的工频半波电流在一个周期内的最大平均值。
4．通态平均电压（ U ）
汽车上的发电机其实是一个三相交流发电机、整流二极
管和调压器的总成。
汽车发电机总成
第四章
二极管与晶闸管
常见的几种汽车发电机专用整流二极管
整流、调压器总成
第四章
二极管与晶闸管
2．光电式曲轴位置传感器
汽车上的曲轴位置传感器有一般有三种，霍尔式、电磁
式和光电式。