电力电子技术Chapter1

1、第1章第1页电力电子技术电力电子技术电子教案电子教案第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件第1章第2页目目 录录 引言引言1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 1.7 1.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用 小结小结 第1章第3页引引 言言电子技术的基础电子

2、技术的基础 电子器件（晶体管和电子器件（晶体管和集成电路）集成电路） 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件第1章第4页教学内容教学内容n掌握各种二极管掌握各种二极管n重点掌握半控型器件：晶闸管重点掌握半控型器件：晶闸管n重点掌握典型全控型器件：重点掌握典型全控型器件：GTO、电力、电力MOSFET、IGBT、BJTn了解了解IGCT、MCT、SIT、STIH等其他电力电子器等其他电力电子器件件n掌握电力电子器件的驱动电路掌握电力电子器件的驱动电路n了解功率集成电路和智能功率模块了解功率集成电路和智能功率模块n掌握电力电子器件的保护掌握电力电子器件的保护n掌握电力电子器

3、件的串并联掌握电力电子器件的串并联第1章第5页1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 1.1.2 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1.1.4 1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点第1章第6页1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征主电路（主电路（powercircuit）电气设备或电力系统电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器

4、件（电力电子器件（powerelectronicdevice）可可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件或控制的电子器件第1章第7页1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的广义分类电力电子器件的广义分类电真空器件。目前真空管仅在频率很高（如微电真空器件。目前真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中使用。波）的大功率高频电源中使用。半导体器件。电力半导体器件已取代了汞弧整半导体器件。电力半导体器件已取代了汞弧整流器（流器（MercuryArcRectifier）、闸流管）、闸流管（T

5、hyratron）等电真空器件，成为绝对主力。）等电真空器件，成为绝对主力。第1章第8页1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：般特征： (1)(1) 能处理电功率的大小能处理电功率的大小即承受电压和电流的能力，是最重要的参即承受电压和电流的能力，是最重要的参数；数；其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，瓦级， 大多都远大于处理信息的电子器件。大多都远大于处理信息的电子器件。第1章第9页1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特

6、征电力电子器件的概念和特征(2)一般工作在开关状态一般工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定；电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题；面，有些时候甚至上升为第一位的重要问

7、题；作电路分析时，为简单起见往往用理想开关作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。来代替。第1章第10页1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 (3) (3) 需要驱动电路需要驱动电路实用中，电力电子器件往往需要由信息电子实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制；电路来控制；需要一定的中间电路对控制电路的信号进行需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。放大，这就是电力电子器件的驱动电路。第1章第11页1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征(4) (4) 电力电子器件功率损耗大，需

8、散热设计电力电子器件功率损耗大，需散热设计为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗；导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗；阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗；态损耗；在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗；关断损耗，总称开关损耗；第1章第12页

9、1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征(4) (4) 电力电子器件功率损耗大，需散热设计电力电子器件功率损耗大，需散热设计对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一；造成器件发热的原因之一；通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因；损耗是器件功率损耗的主要成因；器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。能成为器件功率损耗的主要因素。 第1章第13页1.1.

10、2 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成n电力电子系统：由电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路和以电力电和以电力电子器件为核心的子器件为核心的主电路主电路组成组成图图1-1 1-1 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控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2第1章第14页1.1.2 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断，来完成

11、整个系统的功能。通或关断，来完成整个系统的功能。有的电力电子系统需要检测电路；有的电力电子系统需要检测电路；需要进行电气隔离，通过其它手段如光、磁等需要进行电气隔离，通过其它手段如光、磁等来传递信号；来传递信号；为保证电力电子器件和整个电力电子系统正常为保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，需要保护电路；可靠运行，需要保护电路；电力电子器件一般有三个端子（或称极或管电力电子器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。称为控制端（或控制极）。第1章第15页1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类

12、电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：为以下三类：1)半控型器件半控型器件通过控制信号可以控制其导通通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断而不能控制其关断晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定流决定第1章第16页1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类2)全控型器件全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件控制其关断，又称自关

13、断器件绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称，简称为电力为电力MOSFET）门 极 可 关 断 晶 闸 管 （门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - Tu r n - O f fThyristorGTO）第1章第17页1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类3)不可控器件不可控器件不能用控制信号来控制其通断，因不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路此也就不需要驱动电路电力二极管（电力二极管（PowerDiode）只

14、有两个端子，器件的通和断是由其在主电路只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的中承受的电压和电流决定的第1章第18页1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的 性质，分为两类（除电力二极管）：性质，分为两类（除电力二极管）：电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制流来实现导通或者关断的控制电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的施加一

15、定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。又称为场控器件，或场效应器件。控制。又称为场控器件，或场效应器件。第1章第19页1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情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三类：况分为三类：单极型器件单极型器件 由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与由电子和空穴两种载流子参与导电的器件导电的器件复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件成混合而成的器件 第1章第20页1.2 1.2 不

16、可控器件不可控器件 电力二极管电力二极管1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型第1章第21页1.21.2不可控器件不可控器件 电力二极管电力二极管电力二极管（电力二极管（PowerDiode）的特点：结构和原）的特点：结构和原理简单，工作可靠；理简单，工作可靠；快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压

17、高频整流的场合得到频整流和逆变，以及低压高频整流的场合得到大量应用。大量应用。第1章第22页1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样；基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样；以半导体以半导体PN结为基础；结为基础；由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。结和两端引线以及封装组成。AKAKa)IKAPNJb)c)a)外形外形b)结构结构c)电气图电气图形符号形符号第1章第23页1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原结与电力二极管的工作原理理扩散运动与漂移运动扩散运动

18、与漂移运动耗尽层、阻挡层或势垒区耗尽层、阻挡层或势垒区PN结的正向导通状态结的正向导通状态电导调制效应使得电导调制效应使得PN结在正结在正向电流较大时压降仍然很低，向电流较大时压降仍然很低，维持在维持在1V左右，所以正向偏左右，所以正向偏置的置的PN结表现为低阻态。结表现为低阻态。PN结的反向截止状态结的反向截止状态PN结表现为高阻态，几乎没结表现为高阻态，几乎没有电流流过。有电流流过。PN结的单向导电性结的单向导电性二极管二极管的主要特征。的主要特征。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场图图1-3PN结的形成结的形成第1

19、章第24页1.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原结与电力二极管的工作原理理PN结的反向击穿结的反向击穿施加的反向电压过大，反向电流急剧增大，破施加的反向电压过大，反向电流急剧增大，破坏坏PN结反向截止的工作状态。结反向截止的工作状态。有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。热击穿热击穿PN结温度上升，可能导致过热而烧结温度上升，可能导致过热而烧毁。毁。电容效应电容效应PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容应，称为结电容CJ势垒电容势垒电容CB扩散电容扩散电容CD第1章第25页1.2.1 PN1.2.1

20、PN结与电力二极管的工作原结与电力二极管的工作原理理造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素：造成电力二极管和普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略；制效应不能忽略；引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；承受的电流变化率承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响；件自身的电感效应也会有较大影响；为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向为了提高反

21、向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。压降较大。第1章第26页1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性（伏安特性）静态特性（伏安特性）当电力二极管承受的正向当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电电压大到一定值（门槛电压压UTO），正向电流才开始），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流状态。与正向电流IF对应的对应的电力二极管两端的电压电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。值恒定

22、的反向漏电流。IOIFUTOUFU图图1-4 1-4 电力二极管电力二极管的伏安特性的伏安特性第1章第27页1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性动态特性动态特性因结电容的存在，电力二极管在零偏置（外加因结电容的存在，电力二极管在零偏置（外加电压为零）、正向偏置和反向偏置三种状态之电压为零）、正向偏置和反向偏置三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压压 - 电流特性是随时间变化的电流特性是随时间变化的.动态特性往往专指反映通态和断态之间的转换动态特性往往专指反映通态和断态之间的转换过程的开关特性过程的开关特性第1章第

23、28页电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形延迟时间：延迟时间：td=t1-t0，电流下降时间：，电流下降时间：tf=t2-t1，反向恢复时间：，反向恢复时间：trr=td+tf，恢复特性的软度恢复特性的软度Sr：下降时间与延迟时间的比值：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数。，或称恢复系数。正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt第1章第29页1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性关断

24、过程：关断过程：须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态入截止状态在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲向电压过冲开通过程开通过程电力二极管的正向压降先出现一个过冲电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间态过程时间被称为正向恢复时间tfr出现电压过冲的原因出现电压过冲的原因第1章第30页1.2.3 1.2.3 电力二极管的主

25、要参数电力二极管的主要参数1.正向平均电流正向平均电流IF(AV)指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。标称其额定电流的参数。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的

26、发热往往不当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小成的发热效应也不小 第1章第31页1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.正向压降正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。电流时对应的正向压降。有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。电流时器件的最大瞬时正向

27、压降。3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。指对电力二极管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通常是其雪崩击穿电压UB的的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定高峰值电压的两倍来选定。第1章第32页1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数4. 最高工作结温最高工作结温TJM结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示表示最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的结不致

28、损坏的前提下所能承受的最高平均温度最高平均温度TJM通常在通常在125175 C范围之内范围之内5. 反向恢复时间反向恢复时间trr关断过程中，电流下降到零起到恢复反向阻断能力止的关断过程中，电流下降到零起到恢复反向阻断能力止的时间时间6. 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。的过电流。第1章第33页1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电特别是反向恢复

29、特性的不同，介绍几种常用的电力二极管；力二极管；在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管；类型的电力二极管；性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。别造成的。第1章第34页1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.普通二极管（普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（又称整流二极管（RectifierDiode）；）；多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电以下）的整流电路中；路中；其反向恢复时间较长，一般在

30、其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在以上，这在开关频率不高时并不重要；开关频率不高时并不重要；正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上；分别可达数千安和数千伏以上；第1章第35页1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.快恢复二极管（快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5 s以下）的二极管，也简称快速二极管；以下）的二极管，也简称快速二极管；工艺上多采用了掺金措施，有的采用工艺上多采用了掺金

31、措施，有的采用PN结型结构，有结型结构，有的采用改进的的采用改进的PiN结构；结构；采用外延型采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（结构的的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），其反向恢复时间），其反向恢复时间更短（可低于更短（可低于50ns），正向压降也很低（），正向压降也很低（0.9V左右），左右），但其反向耐压多在但其反向耐压多在400V以下以下从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，以下，甚

32、至达到甚至达到2030ns。第1章第36页1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3.肖特基二极管（肖特基二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管；管；20世纪世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用；力电子电路中广泛应用；第1章第37页1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管的优点：肖特基二极管的优点：反向

33、恢复时间很短（反向恢复时间很短（1040ns）；）；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；于快恢复二极管；其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。效率高。肖特基二极管的弱点：肖特基二极管的弱点：当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于因此多用于200V以下的低压场合；以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗

34、不反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。第1章第38页1.3 1.3 半控型器件半控型器件 晶闸管晶闸管 1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第1章第39页1.31.3半控型器件半控型器件 晶闸管晶闸管晶闸管（晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silico

35、nControlledRectifierSCR），可控硅），可控硅1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管；）发明了晶闸管；1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产）开发出第一只晶闸管产品；品；1958年商业化；年商业化；开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代；开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代；20世纪世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代；年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代；能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位；

36、合具有重要地位；晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型 普通晶闸管，普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。第1章第40页1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装；外形有螺栓型和平板型两种封装；引出阳极引出阳极A、阴极、阴极K和门极（控制端）和门极（控制端）G三个三个联接端。联接端。a)外形外形b)结构结构c)电气图形符号电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3第1章第41页1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工

37、作原理晶闸管的结构与工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)外电路向门极注入驱动外电路向门极注入驱动电流电流IG，会在晶闸管内，会在晶闸管内部形成强烈的正反馈，部形成强烈的正反馈，使晶闸管导通；使晶闸管导通；此时撤掉此时撤掉IG，晶闸管由，晶闸管由于内部已形成了强烈的于内部已形成了强烈的正反馈，仍然维持导通正反馈，仍然维持导通状态；状态；要使晶闸管关断，必须要使晶闸管关断，必须使流过晶闸管的电流降使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关值以下，晶闸管才能关断。断。a)晶闸管的双晶体管模型

38、晶闸管的双晶体管模型b)工作原理工作原理第1章第42页1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理Ic1= 1 IA+ ICBO1（1-1）Ic2= 2 IK+ ICBO2（1-2）IK=IA+IG（1-3）IA=Ic1+Ic2（1-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。由以上式（的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得）可得（1-5）晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射是很小的，而当发射极电流

39、建立起来之后，极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。)(121CBO2CBO1G2AIIII第1章第43页1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理阻断状态：阻断状态：IG=0， 1+ 2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和；两个晶体管漏电流之和；开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致大以致 1+ 2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实

40、际由外电路决定；实际由外电路决定；晶闸管其他几种可能导通的情况：晶闸管其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高；过高；结温较高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发；光直接照射硅片，即光触发；只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。手段。第1章第44页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.静态特性静态特性承受反向电压时，不论承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；

41、晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；下晶闸管才能开通；晶闸管一旦导通，门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能要使晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路利用外加电压和外电路的作用使晶闸管的电流的作用使晶闸管的电流降到接近于零的某一数降到接近于零的某一数值以下。值以下。 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图1-8晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第1章第45页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶

42、闸管的基本特性晶闸管的伏安特性：第晶闸管的伏安特性：第I I象象限的是正向特性，第限的是正向特性，第IIIIII象象限的是反向特性限的是反向特性IG=0时，器件两端施加正时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流只有很小的正向漏电流流过；过；正向电压超过临界极限即正向电压超过临界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电，则漏电流急剧增大，器件开通；流急剧增大，器件开通；随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；正向转折电压降低；正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMUR

43、SM图图1-8晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第1章第46页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性导通后的晶闸管特性和二导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿；极管的正向特性相仿；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；导通期间，如果门极电流导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值接近于零的某一数值IH以以下，则晶闸管又回到正向下，则晶闸管又回到正向阻断状态阻断状态。IH称为维持电称为维持电流。流。晶闸管上施加反向电压时，晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反伏安特性类似二极管的反向

44、特性；向特性；正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图1-8晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第1章第47页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性当反向电压超过一定限度，到当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，反向漏电流反向击穿电压后，反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损急剧增大，导致晶闸管发热损坏；坏；晶闸管的门极触发电流从门极晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，阴流入晶闸管，从阴极流出，阴极是晶闸管主电路与控制电路极是晶闸管主电路与控制电路的公共端；的公共端；门极触发电流也往

45、往是通过触门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的；触发电压而产生的；为保证可靠、安全的触发，触为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。流和功率应限制在可靠触发区。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图1-8晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第1章第48页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.2.动态特性动态特性开通过程开通过程延迟时间延迟时间td：从：从门极电流阶跃门极电

46、流阶跃时刻开始，到时刻开始，到阳极电流上升阳极电流上升到 稳 态 值 的到 稳 态 值 的10%的时间的时间上升时间上升时间tr：阳：阳极电流从极电流从10%上升到稳态值上升到稳态值的的90%所需的所需的时间时间100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第1章第49页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.2.动态特性动态特性开通过程开通过程开通时间开通时间tgt：以上两者之以上两者之和，即和，即 tgt=td+tr（1-6）普 通 晶 闸 管普 通 晶 闸 管延 迟 时 间 为延 迟 时 间 为0.51.5 s，上 升 时 间 为上 升 时

47、间 为0.53 s100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第1章第50页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2)关断过程关断过程反向阻断恢复反向阻断恢复时间时间trr：正向：正向电流降为零，电流降为零，到反向恢复电到反向恢复电流衰减至接近流衰减至接近于零的时间于零的时间正向阻断恢复正向阻断恢复时间时间tgr：晶闸：晶闸管要恢复其对管要恢复其对正向电压的阻正向电压的阻断能力的一段断能力的一段时间时间100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第1章第51页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2)关

48、断过程关断过程n关断时间关断时间tq：trr与与tgr之和，之和，即即tq=trr+tgr（1-7）普通晶闸管的普通晶闸管的关断时间约几关断时间约几百微秒。百微秒。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第1章第52页1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2)关断过程关断过程在正向阻断恢复在正向阻断恢复时间内如果重新时间内如果重新对晶闸管施加正对晶闸管施加正向电压，晶闸管向电压，晶闸管会重新正向导通会重新正向导通实际应用中，应实际应用中，应对晶闸管施加足对晶闸管施加足够长时间的反向够长时间的反向电压，使晶闸管电压，使晶闸管充分恢复其对正充分恢复

49、其对正向电压的阻断能向电压的阻断能力，电路才能可力，电路才能可靠工作靠工作100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第1章第53页1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数普通晶闸管在反向稳态下，一定处于阻断状态；普通晶闸管在反向稳态下，一定处于阻断状态；在正向工作时，不但可能处于导通状态（通态），在正向工作时，不但可能处于导通状态（通态），而且可能处于阻断状态（断态）。而且可能处于阻断状态（断态）。1.1.电压定额电压定额1)断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM2)反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM3)通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT

50、M通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。倍。第1章第54页1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.电流定额电流定额1)通态平均电流通态平均电流IT(AV)额定电流额定电流晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工

51、频正弦半波电流的平均值。正弦半波电流的平均值。决定晶闸管允许电流大小的是管芯的结温；而结温的高决定晶闸管允许电流大小的是管芯的结温；而结温的高低是由允许发热的条件决定的，造成晶闸管发热的原因低是由允许发热的条件决定的，造成晶闸管发热的原因是损耗。影响晶闸管发热的条件主要有散热器尺寸及元是损耗。影响晶闸管发热的条件主要有散热器尺寸及元件与散热器的接触情况，采用的冷却方式（自冷却、强件与散热器的接触情况，采用的冷却方式（自冷却、强压通风冷却、液体冷却）以及环境温度等。晶闸管发热压通风冷却、液体冷却）以及环境温度等。晶闸管发热和冷却的条件不同，其允许通过的通态平均电流值也不和冷却的条件不同，其允许通

52、过的通态平均电流值也不一样。一样。第1章第55页1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数从管芯发热的角度看，表征热效应的电流应以有效值表示，从管芯发热的角度看，表征热效应的电流应以有效值表示，不论流经晶闸管的电流波形如何，只要电流的有效值相等，不论流经晶闸管的电流波形如何，只要电流的有效值相等，其发热就是相同和等效的。因此，只要流过晶闸管的任意波其发热就是相同和等效的。因此，只要流过晶闸管的任意波形电流的有效值等于该元件通态平均电流（即额定电流）的形电流的有效值等于该元件通态平均电流（即额定电流）的有效值，则管芯的发热一样，其通过的电流就是允许的。有效值，则管芯的发热一样，其通

53、过的电流就是允许的。在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦波形，在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦波形，应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。管。应留一定的裕量，一般取应留一定的裕量，一般取1.52倍倍第1章第56页通态平均电流的计算通态平均电流的计算n工频正弦半波电流波形工频正弦半波电流波形n电流平均值电流平均值Id通态平均电流通态平均电流IT (AV)n电流有效值电流有效值ITn正弦半波电流波形系数正弦半波电流波形系数Kf0tiTIT(AV)Im00cos2)(sin21mmmdItIttdII2

54、42sin221)(d)sin(21002mmmTIttIttII57. 1/2/mmdTfIIIIK第1章第57页通态平均电流的计算通态平均电流的计算n当流过晶闸管的电流为任意的非正弦半波电流时，将非正弦当流过晶闸管的电流为任意的非正弦半波电流时，将非正弦半波电流的有效值半波电流的有效值IT或平均值或平均值Id折合成等效的正弦半波电流折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管的额定值。平均值去选择晶闸管的额定值。Kf为非正弦半波的波形系数。为非正弦半波的波形系数。n实际选用时，一般取实际选用时，一般取1.52倍的安全裕量倍的安全裕量n当给定晶闸管的额定电流当给定晶闸管的额定电流IT (AV)

55、值后，流过该晶闸管任意波形值后，流过该晶闸管任意波形允许的电流平均值为允许的电流平均值为57. 157. 157. 1)()(TdfAVTAVTdfTIIKIIIKI57. 1)25 . 1 (57. 1)25 . 1 ()(TdfAVTIIKI)25 . 1 (57. 1)(fAVTdKII第1章第58页1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2)维持电流维持电流IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越越小小3)擎住电流擎住电流IL晶闸管刚从断态转入通

56、态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持能维持导通所需的最小电流导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍倍4)浪涌电流浪涌电流ITSM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最大正向过载电流不重复性最大正向过载电流第1章第59页1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3.动态参数动态参数除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：(1)断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶

57、闸管从断指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外加电压最大上升率态到通态转换的外加电压最大上升率.如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通误导通(2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率态电流上升率.如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部

58、过热而使晶闸管损坏闸管损坏第1章第60页1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸快速晶闸管管1.快速晶闸管（快速晶闸管（FastSwitchingThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和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；高频晶闸管；管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和和di/dt耐量都有明显改善；耐量都有明显改善；普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管频晶闸管10 s左右；左右；

59、高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高；高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高；由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。损耗的发热效应。第1章第61页1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件双向晶闸管双向晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成；闸管的集成；有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门极，一个门极G；正反两方向均可触发导通，所以双正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第向晶闸管在第I和第和第III象限有对称象限有对称的伏安特性；的伏安

60、特性；与一对反并联晶闸管相比是经济的，与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器和交流电机调速等领域固态继电器和交流电机调速等领域应用较多；应用较多；通常用在交流电路中，因此不用平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定电流均值而用有效值来表示其额定电流值。值。a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或或BidirectionalTriodeThyristor）a)电气图形符号电气图形符号b)伏安特性伏安特性第1章第62页1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶