第章电力电子器件

1、1第一章 电力电子器件2/1331.1 1.1 电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类- -特点特点p电力电子器件在电力电子电路中一般都工作在开关状态。电力电子器件在电力电子电路中一般都工作在开关状态。关断时承受一定的电压，但基本无电流流过；导通时流过一定的电流，但器件只有很小的导通压降。关断时承受一定的电压，但基本无电流流过；导通时流过一定的电流，但器件只有很小的导通压降。电力电子器件工作时在导通和关断之间不断切换，其动态特性是器件的重要特性。电力电子器件工作时在导通和关断之间不断切换，其动态特性是器件的重要特性。p电力电子器件处理的功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压。电力电子

2、器件处理的功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压。由于自身的导通电阻和阻断时的漏电流，电力电子器件会产生较大的耗散功率，往往是电路中主要的由于自身的导通电阻和阻断时的漏电流，电力电子器件会产生较大的耗散功率，往往是电路中主要的发热源。为便于散热，电力电子器件往往具有较大的体积，并且使用时一般都要安装散热器，以限发热源。为便于散热，电力电子器件往往具有较大的体积，并且使用时一般都要安装散热器，以限制因耗散功率造成的升温。制因耗散功率造成的升温。p电力电子器件的工作状态通常由信息电子电路来控制。电力电子器件的工作状态通常由信息电子电路来控制。由于电力电子器件处理的电功率较大，信息电子电路不能直接控

3、制，需要中间电路将控制信号放大，由于电力电子器件处理的电功率较大，信息电子电路不能直接控制，需要中间电路将控制信号放大，该放大电路就是电力电子器件的驱动电路。该放大电路就是电力电子器件的驱动电路。p需要缓冲和保护电路。需要缓冲和保护电路。电力电子器件的主要用途是高速开关，与普通电气开关、熔断器和接触器等电气元件相比，其过载能电力电子器件的主要用途是高速开关，与普通电气开关、熔断器和接触器等电气元件相比，其过载能力不强，电力电子器件导通时的电流要严格控制在一定范围内。力不强，电力电子器件导通时的电流要严格控制在一定范围内。3/1331.1 1.1 电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类

4、- -分类分类p按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可对电力电子器按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可对电力电子器件进行如下分类：件进行如下分类：(1)不可控器件。不可控器件。不能不能通过控制信号来控制电路的通断，器件的导通与关断完全通过控制信号来控制电路的通断，器件的导通与关断完全由自身在电路中承受的电压和电流来决定。典型器件是功率二极管。由自身在电路中承受的电压和电流来决定。典型器件是功率二极管。(2)半控型器件。通过控制信号能控制其导通而半控型器件。通过控制信号能控制其导通而不能控制其关断不能控制其关断的电力电子器件。的电力电子器件。典型半控型器件是晶闸管及其派

5、生器件。典型半控型器件是晶闸管及其派生器件。(3)全控型器件。通过控制信号全控型器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电的电力电子器件。这类器件的品种很多，典型器件有门极可关断晶闸管子器件。这类器件的品种很多，典型器件有门极可关断晶闸管(GTO)、电力晶体、电力晶体管管(GTR)、功率场效应管、功率场效应管(Power MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。等。4/1331.1 1.1 电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类- -分类分类p而按照控制电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，

6、而按照控制电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，又可将可控电力电子器件分为电流驱动型器件和电压驱动型器件。又可将可控电力电子器件分为电流驱动型器件和电压驱动型器件。(1)电流驱动型器件。电流驱动型器件。通过从控制极注入和抽出电流来实现器件的通断，其典型代表是GTR。(2)电压驱动型器件。电压驱动型器件。通过在控制极上施加正向控制电压实现器件导通，通过撤除控制电压或施加反向控制电压使器件关断。当器件处于稳定工作状态时，其控制极无电流，因此平均控制功率较小。由于电压驱动型器件是通过控制极电压在主电极间建立电场来控制器件导通，故也称场控或场效应器件，其典型代表是Power MOSFET和

7、IGBT。5/1331.1 1.1 电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类- -分类分类p按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ）（1）脉冲触发型。）脉冲触发型。通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。（2）电平控制型。）电平控制型。必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。6/1331.1 1.1 电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类- -分类分类p根据器件内部带电粒子参与导电的种类不同，电力电子器件又可分为根据器件内部带电粒子参与导电

8、的种类不同，电力电子器件又可分为单极型、双极型和复合型三类。单极型、双极型和复合型三类。（1）单极型器件。）单极型器件。器件内部只有一种带电粒子参与导电的称为单极型器件，如Power MOSFET；（2）双权型器件。）双权型器件。器件内有电子和空穴两种带电粒子参与导电的称为双极型器件，如GTR和GTO；（3）复合型器件。）复合型器件。由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件称为复合型器件，也称混合型器件。如IGBT等。7/1331.2 1.2 晶闸管及派生器件晶闸管及派生器件p晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅整流器（Silicon Controlled Re

9、ctifierSCR）, 普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。小电流塑封式小电流塑封式小电流螺旋式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式大电流平板式图形符号图形符号8/1331.1.晶闸管的结构晶闸管的结构p晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。1.2.1 1.2.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理图1-2 晶闸管的外形、结构和符号9/1332.2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理IGIb2IC2(Ib1)IC1图1-2 晶闸管的双晶体管模型与工作电路图1.2.1 1.2.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理10/133p

10、欲使晶闸管导通需具备两个条件：欲使晶闸管导通需具备两个条件：应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。p晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。p为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。1.2.1 1.2.1 晶闸管的结构和工作原理晶

11、闸管的结构和工作原理11/133(1) (1) 晶晶闸管的伏安特性闸管的伏安特性p晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。图1-3 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG1.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+ 正向特性正向特性 当当IG=0时，如果在时，如果在器件两端施加正向电压，器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向则晶闸管处于正向阻断状阻断状态态，只有很小的正向漏电，只有很小的正向漏

12、电流流过。流流过。 如果正向电压超过临如果正向电压超过临界极限即界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件器件开通开通 。 随着随着门极电流幅值门极电流幅值的的增大，增大，正向转折电压正向转折电压降低，降低，晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。 如果门极电流为零，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于并且阳极电流降至接近于零的某一数值零的某一数值IH以下，则以下，则晶闸管又回到晶闸管又回到正向阻断正向阻断状状态，态，IH称为称为维持电流维持电流。 12/133反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的反向特性

13、。的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的态时，只有极小的反向漏电反向漏电流流通过。通过。 当反向电压超过一定限当反向电压超过一定限度，到度，到反向击穿电压反向击穿电压后，外后，外电路如无限制措施，则反向电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。管发热损坏。 图1-3 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+1.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数13/133(

14、2) 晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性p晶闸管开通与关断过程中的伏晶闸管开通与关断过程中的伏安特性变化关系称为晶闸管的动态特性安特性变化关系称为晶闸管的动态特性图1-4 晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳态阳极电流稳态值的值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳态阳极电流稳态值的值的10%1.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其

15、阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。 延迟时间延迟时间td (0.51.5 s) 上升时间上升时间tr (0.53 s) 开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增大而减小的增大而减小,上升时间除反映上升时间除反映 晶闸管本身特性外，还受到晶闸管本身特性外，还受到外电路电感外电路电感的严重影响。的严重影响。 提高提高阳极电压阳极电压,延迟时间和延迟时间和 上升时间都可显著缩短。上升时间都可显著缩短。 14/133反向恢复反向恢复电流最大电流最大值值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图

16、1-4 晶闸管的开通和关断过程波形关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。有过渡过程的。 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。 在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果内如果重新对晶闸管施加重新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不晶闸管会重新正向导通，而不是受

17、门极电流控制而导通。是受门极电流控制而导通。1.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数15/133 3.3.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压U UDSMDSM 晶闸管在门极开路时，施加晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。处所对应的电压值。 它是一个它是一个不能重复不能重复且每次持且每次持续时间不大于续时间不大于10ms10ms的断态最大的断态最大脉冲电压。脉冲电压。 U UDSMDSM值小于转折电压

18、值小于转折电压U Ubobo，其，其差值大小，由晶闸管制造厂自差值大小，由晶闸管制造厂自定。定。1.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+16/133 断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM 是在门极断路而结温是在门极断路而结温为额定值时，允许为额定值时，允许重复重复加加在器件上的在器件上的正向峰值电压正向峰值电压。 国标规定断态重复峰国标规定断态重复峰值电压值电压U UDRMDRM为断态不重复为断态不重复峰值电压（

19、即断态最大瞬峰值电压（即断态最大瞬时电压）时电压）U UDSMDSM的的90%90%。 断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压应低于应低于正向转折电压正向转折电压U Ubobo。正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+1.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数17/1331.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数 反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压U URSMRSM 晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电压时

20、，对应于压时，对应于10ms10ms的反向最大脉冲电的反向最大脉冲电压。压。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 是在门极断路而结温为额定值时，是在门极断路而结温为额定值时，允许允许重复重复加在器件上的加在器件上的反向峰值电压反向峰值电压 规定反向重复峰值电压规定反向重复峰值电压U URRMRRM为反向不为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）U URSMRSM的的90%90%。 反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应低于反向击反向击穿电压穿电压。 通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UT T 晶闸管通以某一规定倍数的额定通晶闸管通以某

21、一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。态平均电流时的瞬态峰值电压。 正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+18/133通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器件的中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2323倍倍。电流定额电流定额通态平均电流通态平均电流 I IT(AVT(AV）国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均

22、电流为晶闸管在环境温度为4040 C C和规定的和规定的冷冷却状态却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。弦半波电流的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发热效应来定义的。来定义的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的原则所得计算结果的1.521.52倍。倍。 1.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数19/133维持电流维持电流

23、I IH H 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，电流，一般为几十到几百毫安。一般为几十到几百毫安。 结温结温越高，则越高，则I IH H越小。越小。 擎住电流擎住电流I IL L 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的后，能维持导通所需的最小最小电流。电流。 约为约为I IH H的的2424倍倍 浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流。1.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数20/1331.2.2 1.2.2 晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通导通 。 通态电流临界上升率通态电流