第1章电力电子器件(定稿)

1、第第1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力二极管电力二极管1.2 晶闸管晶闸管1.1 电力二极管电力二极管1.1.1 功率二极管的结构和工作原理功率二极管的结构和工作原理1 1、元件结构、元件结构 图图1-1图图1-2二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性 当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，结外加正向电压（正向偏置）时， PN结表现为结表现为低低阻态阻态，PN结处于正向导通状态。结处于正向导通状态。导通时，管子压降维持在导通时，管子压降维持在1V左右。不随电流而变。左右。不随电流而变。 当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，结外加反向电压时（反向偏置）时，

2、PN结表现结表现为为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。反向阻断时，有极小的漏电流，平时可忽略不计，但温反向阻断时，有极小的漏电流，平时可忽略不计，但温度升高时漏电流会增大，须引起注意。度升高时漏电流会增大，须引起注意。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为结反向偏置为截止的工作状态，这就叫截止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。1.1.2 功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性IOIFUTOUFU电力

3、二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管v见教材P4。1.1.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数1.2 晶闸管晶闸管v晶闸管晶闸管（又称可控硅（又称可控硅 SCR ）是一种能够用控制）是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器半控型器件件。v晶 闸 管 也 有 许 多 派 生 器 件 ， 如 快 速 晶 闸 管晶 闸 管 也 有 许 多 派 生 器 件 ， 如 快 速 晶 闸 管（FST）、双向晶闸管（）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管）、逆导晶闸管（R

4、CT）和光控晶闸管（）和光控晶闸管（LATT）等。）等。1.2.1 晶闸管的结构晶闸管的结构 1 1、晶闸管的结构、晶闸管的结构 图图1-4u 常见的外形有两种：螺栓型和平板型。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。v具有四层具有四层PNPN结构、三端引出线结构、三端引出线(A、K、G)图图1-41.2.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 1 1、晶闸管的导通、关断实验、晶闸管的导通、关断实验v由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发

5、电路）。发电路）。 （a） (b) (c)图图1-5 图图1-5v2、实验说明、实验说明v3、实验结论、实验结论 通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件个条件: （1）晶闸管阳极和阴极之间加正向电压。）晶闸管阳极和阴极之间加正向电压。 （2）晶闸管门极和阴极之间加正向电压。）晶闸管门极和阴极之间加正向电压。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。晶闸管为半控型器件。 4、晶闸管的导通关断原理、晶闸管的导通关断原理 当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，当晶闸管阳极承受正向电压

6、，控制极也加正向电压时，形成了强烈的正反馈，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：正反馈过程如下： IGIB2IC2(IB1)IC1IB2 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图1-6v 晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持。门极失去控制作用。的正反馈作用来维持。门极失去控制作用。v那怎样才能关断管子呢？那怎样才能关断管子呢？v关断条件：必须将阳极电流减小到使之不能维持正关断条件：必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是减小到维持电流。反馈的程度，也

7、就是减小到维持电流。v可采用的方法有可采用的方法有: :1.1.将阳极电源断开；将阳极电源断开；2.2.改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。加反向电压。 14 1 1、晶闸管的伏安特性、晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流和晶闸管阳极电流IA之间之间的关系特性。的关系特性。IG =0=0图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向正向导通导通UBO正向特性正向特性反向特性反向特性雪崩雪崩击穿击穿1.2.3 晶

8、闸管的特性晶闸管的特性 2、晶闸管的开关特性、晶闸管的开关特性(简介简介) 晶闸管的开关特性如图所示。晶闸管的开关特性如图所示。图图1-8 晶闸管开关特性的说明晶闸管开关特性的说明v通常定义器件的开通时间通常定义器件的开通时间ton为延迟时间为延迟时间td与上升与上升时间时间tr之和。即之和。即 ton=td+trv电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间间toff。反向阻断恢复时间。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间tgr之和。之和。 to

9、ff=trr+tgr 1.2.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数(简介简介)v1、额定电压、额定电压UTn(重点重点) （1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UDRMv在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM的的80%。 （2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRMv在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压此电压取反向不重复峰值电压URSM

10、的的80%。v晶闸管的额定电压则取晶闸管的额定电压则取UDRM和和URRM的较小值且靠近的较小值且靠近标准电压等级所对应的电压值。标准电压等级所对应的电压值。v选择管子的额定电压选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的承受的最大峰值电压的23倍。倍。v2、额定电流、额定电流I T(AV) (重点重点)v是指：在环境温度为是指：在环境温度为+40度和规定的散热条件度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于）、正弦半波（导通角不小于170度）的度）的电路中，结温稳定在

11、额定值电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的度时所允许的通态通态平均电流平均电流。v注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。v实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。倍的安全裕量。 3、维持电流、维持电流IH v在室温和门极断路时，晶闸管已经

12、处于通态后，在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。极电流。 4、擎住电流、擎住电流IL v晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流约为维持电流IH的的(24)倍。倍。5、门极触发电流、门极触发电流IGTv在室温且阳极电压为在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所

13、必需的最小门极直流电流。阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。6、门极触发电压、门极触发电压UGT v对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和和IGT上限，但不应超过其峰值上限，但不应超过其峰值IGFM 和和 UGFM。 7、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率du/ dt v在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误

14、导通。上升率会使晶闸管误导通。 8、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率di / dt v在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。晶闸管损坏。1.2.5 晶闸管的型号、选择原则晶闸管的型号、选择原则1、普通晶闸管的型号、普通晶闸管的型号额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定额定电压以

15、电压等级给出，通常标准电压等级规定为：电压在为：电压在1000V以下，每以下，每100V为一级；为一级；1000V到到3000V，每，每200V为一级。为一级。 组别组别ABCDE通态平均电通态平均电压（压（V）UT0.40.4UT0.50.5UT0.60.6UT0.70.7UT0.8组别组别FGHI通态平均电通态平均电压（压（V）0.8UT0.90.9UT1.01.0UT1.11.1UT1.2晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组 2、普通晶闸管的选择原则、普通晶闸管的选择原则（1）选择额定电流的原则）选择额定电流的原则v在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额在规定的室温和冷却条件

16、下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值过的最大电流有效值 即可。考虑元件的过载能即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公倍的安全裕量。计算公式为：式为：v然后取相应标准系列值。然后取相应标准系列值。57. 1)25 . 1 (TMT(AV)IITMI1.2.6 晶闸管的其它派生元件晶闸管的其它派生元件(简介简介)v双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两对反向并联的普通晶闸管。在主

17、电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。个方向均可用交流或直流电流触发导通。图图1-12v双向晶闸管在第双向晶闸管在第和第和第象限有对称的伏安特性象限有对称的伏安特性。图图1-1431包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管（管和高频晶闸管（10kHz10kHz以上）；以上）；FSTFST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。频下工作。快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)32 逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极逆导晶闸管是将晶闸管反

18、并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。反向电压即开通。逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）b)a)UOIKGAIG=0图图1-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性33光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）v光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发

19、导通的晶闸管一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。图图1-10 1-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性光强度强弱b)AGKa)OUAKIA通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 控控制制电电路路检检 测测电电 路路保保 护护电电 路路驱驱 动动电电 路路RLV1V2主主 电电 路路电气隔离电气隔离

20、图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成1.3 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）1.3.1 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理n 晶闸管的一种派生器件，但晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控电流使其关断，因而属于全控型器件。型器件。 n GTO为四层为四层PNPN结构、三端结构、三端线（线（A、K、G）的器件。和）的器件。和晶闸管不同的是：晶闸管不同的是：GTO内部是内部是由许多四层结构的小晶闸管并由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极联而成，这些小晶闸管的门

21、极和阴极并联在一起，成为和阴极并联在一起，成为GTO元元图图1-15图图1-1539/89导通与关断导通与关断GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱饱和程度和程度较浅。较浅。晶闸管的回路增益晶闸管的回路增益1+2常为常为1.15左右，而左右，而GTO的的1+2非常接近非常接近1。因而。因而GTO处于临界饱和状态。处于临界饱和状态。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流晶体管发射极电流IA和和IK的减小使的减小使 1+ 21时，器件退出时，器件退出饱饱和和而关

22、断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走而关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。阳极电流的方法不能使其关断。GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，更快，承受承受di/dt的能力增强。的能力增强。 GTO的主要参数的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同数意义相同 电流关断增益电流关断增益 off 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲与门极负脉冲电流最大值电流最大值IGM之比。之比。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这

23、是左右，这是GTO的的一个主要缺点。一个主要缺点。 不少不少GTO都制造成都制造成逆导型逆导型，类似于逆导晶闸，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和管。当需要承受反向电压时，应和电力二极电力二极管管串联使用。串联使用。 41/891.3.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直译为巨按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 GTR和和GTO一样具有自关断能力

24、，属于电流控制型自关一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。断器件。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。大、耐压高等优点。 GTR的开关时间在的开关时间在几微秒几微秒以内，比晶闸管和以内，比晶闸管和GTO都短很多都短很多v共射极电路的输出特性曲线共射极电路的输出特性曲线 图图1-19 2、GTR的动态（开关）特性的动态（开关）特性 v晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和

25、关断作用时采用开关工作方式。通和关断作用时采用开关工作方式。GTR主要应主要应用于开关工作方式。用于开关工作方式。v在开关工作方式下，用一定的正向基极电流在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去去驱动驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流导通，而用另一反向基极电流IB2迫使迫使GTR关断，由于关断，由于GTR 不是理想开关，故在开关过不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。程中总存在着一定的延时和存储时间。u简称简称P-MOSFET（Power MOSFET）。）。v是用是用栅极栅极电压来控制电压来控制漏极漏极电流的电流的v开关时间在开关时间在10100ns之间，其工作

26、频率可达之间，其工作频率可达100kHz以上，以上，是主要电力电子器件中最高的。是主要电力电子器件中最高的。u电力电力MOSFET的种类的种类按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道和沟道和N沟道。沟道。 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型耗尽型栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型增强型。在电力在电力MOSFET中，主要是中，主要是N沟道增强型沟道增强型。 1.3.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-

27、1945/89电力电力MOSFET的工作原理的工作原理截止截止 栅极栅极和和 源极源极间电压为间电压为零零时，无漏极电流时，无漏极电流ID，截止截止导通导通 在在栅极栅极和和源极源极之间加一之间加一正电压正电压UGS，当，当UGS大于某一电压值大于某一电压值UT开启电开启电压（或阈值电压）时压（或阈值电压）时，导通。，导通。UGS超过超过UT越多，导电能力越强，漏极电越多，导电能力越强，漏极电流流ID越大。越大。本身结构所致，本身结构所致，漏极漏极和和源极源极之间形成了一个之间形成了一个 与与MOSFET反向并联的反向并联的寄生二极管寄生二极管。 GTR和和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。驱动电路复杂。n电力电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。n绝缘栅双极晶