第1章电力电子器件第二讲

1、第第1章、电力电子器件章、电力电子器件v 1.1 、 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v 1.2 、 电力二极管电力二极管 v 1.3 、 晶闸管晶闸管v 1.4 、 可关断晶闸管可关断晶闸管 v 1.5 、 电力晶体管电力晶体管 v 1.6 、 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 v 1.7 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 1.8 、 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 v 1.9 、 电力电子器件的驱动与保护电力电子器件的驱动与保护1.3 、晶闸管晶闸管 1.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理 1.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参

2、数 1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 1.3 晶闸管晶闸管 晶闸管晶闸管(Thyristor)包括：包括：普通晶闸管普通晶闸管(SCR)、快速、快速晶闸管晶闸管(FST)、双向晶闸管、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别因此在无特别说明的情况下说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普 通 晶 闸 管 ：普 通 晶 闸 管 ： 也 称 可 控 硅 整 流 管也 称

3、 可 控 硅 整 流 管 ( S i l i c o n Controlled Rectifier), 简称简称SCR。 由于它电流容量大由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率成为特大功率低频低频(200Hz以下以下)装置中的主要器件。装置中的主要器件。1.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理 （1 1）外形封装形式）外形封装形式: :可分为小电流塑封式、小电流螺可分为小电流塑封

4、式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在额定电流在200A以以上上), 分别由图分别由图1.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。所示。 （2 2）晶闸管有）晶闸管有三个电极三个电极, 它们是阳极它们是阳极A, 阴极阴极K和门极和门极(或称栅极或称栅极)G, 它的电气符号如图它的电气符号如图1.3.1(e)所示。所示。 l图图1.3.1 1.3.1 晶闸管的外型及符号晶闸管的外型及符号1、晶闸管的结构：晶闸管的结构：1.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理1、晶闸管的结构晶闸管的结构（续）续） 晶闸管是大功率器件晶闸管是大功率器件,

5、工作时产生大量的热，因此必须安装工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。散热器。 螺旋式晶闸管螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上紧栓在铝制散热器上, 采用自然散热冷却方式采用自然散热冷却方式, 如图如图1.3.2(a)所示。所示。 平板式晶闸管平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间, 散热方散热方式可以采用风冷或水冷式可以采用风冷或水冷, 以获得较好的散热效果以获得较好的散热效果,如图如图1.3.2 (b)、(c)所示。所示。图图1.3.2 1.3.2 晶闸管的散热器晶闸管的散热器2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理图图1.3.3 1.3.3 晶闸管的内部结构

6、和等效电路晶闸管的内部结构和等效电路 (1) (1)导通：导通：晶闸管阳极施加正向电压时晶闸管阳极施加正向电压时, , 若给门极若给门极G G也也加正向电压加正向电压U Ug g, ,门极电流门极电流I Ig g经三极管经三极管T T2 2放大后成为集电极电流放大后成为集电极电流I Ic2c2，I Ic2c2又是三极管又是三极管T T1 1的基极电流的基极电流, , 放大后的集电极电流放大后的集电极电流I Ic1c1进进一步使一步使IgIg增大且又作为增大且又作为T T2 2的基极电流流入。重复上述正反馈的基极电流流入。重复上述正反馈过程过程，两个三极管两个三极管T T1 1、T T2 2都快

7、速进入饱和状态都快速进入饱和状态, ,使晶闸管阳极使晶闸管阳极A A与阴极与阴极K K之间导通。此时若撤除之间导通。此时若撤除UgUg, T, T1 1、T T2 2内部电流仍维持内部电流仍维持原来的方向原来的方向, ,只要满足阳极正偏的条件只要满足阳极正偏的条件, ,晶闸管就一直晶闸管就一直导通导通。晶闸管晶闸管( (单向导电性单向导电性),),导通条件为导通条件为阳极正偏阳极正偏和和门极加正向触发电流门极加正向触发电流。2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理(2(2）阻断：）阻断：当晶闸管当晶闸管A A 、K K间承受正向电压，而门间承受正向电压，而门极电流极电流I Ig g=0=0时时,

8、, 上述上述T T1 1和和T T2 2之间的正反馈不能建立起来之间的正反馈不能建立起来, ,晶闸管晶闸管A A 、K K间只有很小的正向漏电流，它处于间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻正向阻断断状态。状态。 2、晶闸管的工作原理续晶闸管的工作原理续) )图图1.3.3 1.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的内部结构和等效电路1.3 、晶闸管晶闸管 1.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理 1.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 1.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数定义：定义：晶闸管阳极与阴极

9、之间的电晶闸管阳极与阴极之间的电压压Ua与阳极电流与阳极电流Ia的关系曲线称的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。为晶闸管的伏安特性。 第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第三象、第三象限是限是反向特性反向特性。图图1.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性 UDRM、URRM正、反向断正、反向断 态重复峰值电压；态重复峰值电压；UDSM、URSM正、反向断态正、反向断态 不重复峰值电压；不重复峰值电压；UBO正向转折电压；正向转折电压；URO反向击穿电压。反向击穿电压。. 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 ：. 晶闸管的伏安特性（续）晶闸管的伏安特性（续） ： 晶闸管上施加反向电压时，晶闸

10、管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。加，导致晶闸管发热损坏。图图1.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性（1 1）晶闸管的反向特性：）晶闸管的反向特性：. 晶闸管的伏安特性（续）晶闸管的伏安特性（续）： IG=0时，器件两端施加正向电压，正时，器件两端施加

11、正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流向阻断状态，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流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压转折电压Ubo，则，则漏电流漏电流急剧增大，急剧增大，器件开通。器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右。左右。 导通期间，如果导通期间，如果门极电流为零门极电流为零，并且，并且阳极电流降至接近于零的某一数值阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下以下，

12、则晶闸管又回到，则晶闸管又回到正向阻断正向阻断状态。状态。IH称为称为维持电流维持电流。图图1.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性（2 2）晶闸管的正向特性：）晶闸管的正向特性：2. 2. 晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。l 1.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形 延迟时间延迟时间t td d：门极电流门极电流阶跃时刻开始，到阳极阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的电流上升到稳态值的10%10%的时间。的时间。 上升时间上升时间t tr r：阳极电流阳极电流从从10%10%上升到稳

13、态值的上升到稳态值的90%90%所需的时间。所需的时间。 开通时间开通时间t tgtgt：以上两者以上两者之和，之和，t tgtgt= =t td d+t+tr r 普通普通晶闸管延迟时为晶闸管延迟时为0.51.5s0.51.5s，上升时间，上升时间为为0.53s0.53s。2. 2. 晶闸管的开关特性（续）晶闸管的开关特性（续）1.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形 l(1) (1) 开通过程：开通过程： 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间t tgrgr：晶闸管要晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间需要一段时间v 在正向阻断恢复

14、时间内如果重在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。闸管会重新正向导通。v 实际应用中，应对晶闸管施加实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压足够长时间的反向电压，使晶，使晶闸管充分恢复其对正向电压的闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。阻断能力，电路才能可靠工作。 关断时间关断时间t tq q：t trrrr与与t tgrgr之和，即之和，即 t tq q = =t trrrr+t+tgrgr2. 2. 晶闸管的开关特性（续）晶闸管的开关特性（续）l1.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形

15、 l(2) (2) 关断过程关断过程普通晶闸管的关断时间约几百微秒。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间接近于零的时间（3）晶闸管的开通与关断时间）晶闸管的开通与关断时间v1 1）开通时间）开通时间tgt：o 普通晶闸管的开通时间普通晶闸管的开通时间tgt 约为约为6s。o 开通时间与触发脉冲的开通时间与触发脉冲的陡度陡度与与电压大小电压大小、结结温温以及主回路中的以及主回路中的电感电感量等有关。量等有关。v2）关断时间关断时间tq ：o 普通晶闸管的普通晶闸管的tq

16、 约为几十到几百微秒。约为几十到几百微秒。o 关断时间与元件关断时间与元件结温结温 、关断前、关断前阳极电流的大阳极电流的大小小以及所加以及所加反压的大小反压的大小有关。有关。3. 晶闸管的主要特性参数晶闸管的主要特性参数 1 1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UDRM : : 门极断开门极断开( (I Ig g=0), =0), 元件处在元件处在额定结温额定结温时时, ,正向阳极电正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压压为正向阻断不重复峰值电压U UDSMDSM ( (此电压不可连续施此电压不可连续施加加) )的的80%80%所对应的电压所对应的电压( (此电压可重复施加此电压可重复施加,

17、 ,其重复频其重复频率为率为50HZ50HZ，每次持续时间不大于，每次持续时间不大于10ms)10ms)。2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM : : 元件承受反向电压时元件承受反向电压时, ,阳极电压为反向不重复峰值电阳极电压为反向不重复峰值电压压URsM的的80%80%所对应的电压。所对应的电压。 3 3）晶闸管铭牌标注的晶闸管铭牌标注的额定电压额定电压通常取通常取U UDRMDRM与与U URRMRRM中的最小中的最小值值, , 选用时，额定电压要留有一定选用时，额定电压要留有一定裕量裕量, ,一般取额定电一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压压为正常工作时晶闸管所

18、承受峰值电压2 23 3倍。倍。（1）晶闸管的重复峰值电压）晶闸管的重复峰值电压额定电压额定电压Ute（2）晶闸管的额定通态平均电流）晶闸管的额定通态平均电流额定电流额定电流IT(AV) 在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以后至少还要乘以1.51.52 2的安全系数，使其有一定的电的安全系数，使其有一定的电流裕量。流裕量。1 1）定义：）定义：在环境温度为在环境温度为40和规定的冷却条件下和规定的冷却条件下, 晶晶闸管在电阻性负载导通角不小于闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦的单相工频正弦半波电路中半波电路中,

19、 当结温稳定且不超过额定结温时所允许的当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。最大通态平均电流。 这说明额定电流这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为的晶闸管，其额定有效值为IT = Kf IT(AV) = 157A。2） IT(AV)计算方法：计算方法：0)(sin21mmAVTIttdII2)sin(2102mmTItdtII 电电流流平平均均值值电电流流有有效效值值 fK57. 12)( AVTTfIIK（1.3.31.3.3）（1.3.41.3.4）（1.3.51.3.5）（1.3.61.3.6） 根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单

20、相工根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。频正弦波电流时的允许最大平均电流。额定电流有效值为：额定电流有效值为： 现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用形系数，用Kf表示：表示：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：额定电流额定电流(平均电流平均电流)为：为：正弦半波电流的峰值正弦半波电流的峰值（3）门极触发电流）门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT 1 1）定义：定义：在室温下，晶闸管加在室温下，晶闸管加6V

21、正向阳极电压正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压称为门极触发电压UGT。 2 2）晶闸管由于）晶闸管由于门极特性门极特性的差异，其触发电流、触的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。了触发电流、电压的上、下限值。 3 3）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流

22、、电压受常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响温度的影响很大，温度升高，很大，温度升高，UGT 、IGT 值会显著降低，温度降值会显著降低，温度降低，低，UGT 、IGT 值又会增大。值又会增大。为了保证晶闸管的可靠为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT 大几倍。大几倍。（4）通态平均电压通态平均电压UT(AV ) 1 1）定义：）定义：在规定环境温度、标准散热条件下，在规定环境温度、标准散热条件下， 元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压降

23、的平均值，称通态平均电压(又称管压降又称管压降) 2 2）其数值按表）其数值按表1.3.3分组分组在实际使用中，从减在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择小损耗和元件发热来看，应选择T(AV) 小的晶闸管小的晶闸管。组组 别别ABC通态平均电压（通态平均电压（V） T0.40.4T0.50.5T0.6组组 别别DEF通态平均电压（通态平均电压（V） 0.6T0.70.7T0.80.8T0.9组组 别别GHI通态平均电压（通态平均电压（V） 0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表表1.3.3 1.3.3 晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组（5）维持电流）维持电流 和掣住电

24、流和掣住电流L 1 1）维持电流）维持电流：v 在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的好能保持导通的最小阳极电流最小阳极电流为维持电流为维持电流H 。v 维持电流与元件容量维持电流与元件容量 、结温等因素有关，同一型号的、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下明了常温下IH 的实测值。的实测值。 2 2）掣住电流）掣住电流L ：v 给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除

25、触发电压，此时元件维持导通所需为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流要的最小阳极电流称掣住电流L。v 对同一晶闸管来说，掣住电流对同一晶闸管来说，掣住电流L 要比维持电流要比维持电流H 大大24倍。倍。 （6）通态电流临界上升率）通态电流临界上升率 di/dt 1 1、定义：、定义：晶闸管晶闸管能承受而没有损害能承受而没有损害影响的最大影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率通态电流上升率称通态电流临界上升率 di/dt。2 2、影响：、影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间在靠近门极附

26、近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到的推移，导通区才逐渐扩大到PN结的全部面结的全部面积。如果积。如果阳极电流上升阳极电流上升得得太快太快，则会导致门，则会导致门极附近的结因极附近的结因电流密度过大而烧毁电流密度过大而烧毁，使，使晶闸管损坏。晶闸管损坏。 晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。（7）断态电压临界上升率）断态电压临界上升率du/dt 1 1）定义：）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率升率，称为断态

27、电压临界上升率du/dt。 2 2）影响：）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个便会有一个充电电流流过结面充电电流流过结面，该充电电，该充电电流流经靠近阴极的结时，产生相当于流流经靠近阴极的结时，产生相当于触发电流触发电流的作用，如果这个电流过大，将的作用，如果这个电流过大，将会使元件会使元件误触发导通误触发导通。 1.3 、晶闸管晶闸管 1.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理 1.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器

28、件 1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 可允许开关频率在可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称以上工作的晶闸管称为为快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching Thyristor，简，简称称FST)，开关频率在，开关频率在10KHZ 以上的称为以上的称为高频晶高频晶闸管闸管。 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管得比普通晶闸管薄薄，因此承受正反向阻断重复，因此承受正反向阻断重复峰值峰值电压较低电压较低，一般在，一般在2000V以下。以下。 快速晶闸管快速晶闸管du/dt的耐量较差，使用时必须注的耐量较差，使用时必

29、须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的意产品铭牌上规定的额定开关频率下的du/dt，当当开关频率升高开关频率升高时，时，du/dt 耐量耐量会会下降下降。1. 快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFSTFST 可认为是一对反并联联接的普可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。通晶闸管的集成。 有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门，一个门极极G。 正反两方向均可触发导通正反两方向均可触发导通，所，所以双向晶闸管在第和第以双向晶闸管在第和第III象限象限有有对称的伏安特性对称的伏安特性。 与一对反并联晶闸管相比是经与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。和交流电机调速等领域应用较多。 通常用在交流电路中，因此不通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额用平均值而用有效值来表示其额定电流值。定电流值。1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 a)b)IOUIG=0GT1T2图图1.3.6 1.3.6 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符