第二章电力电子器件及应用

1、12345晶闸管晶闸管可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTOGTO）电力晶体管电力晶体管 6电力电子器件基础电力电子器件基础电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类 功率二极管功率二极管 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 7绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管8910其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题11总结总结 122.1 2.1 电力电子器件的特点和分类电力电子器件的特点和分类1电力电子器件的特点电力电子器件的特点 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device

2、）是指能实现电能的变换或控）是指能实现电能的变换或控制的电子器件。和信息系统中的电子器件相比，具有以下特点：制的电子器件。和信息系统中的电子器件相比，具有以下特点：1 1）具有较大的耗散功率）具有较大的耗散功率2 2）工作在开关状态）工作在开关状态3 3）需要专门的驱动电路来控制）需要专门的驱动电路来控制4 4）需要缓冲和保护电路）需要缓冲和保护电路因为具有较高的因为具有较高的导通电流、阻断电压和阻断时的导通电流、阻断电压和阻断时的漏电流漏电流。电路中主要的发热源。体积较大（散热。电路中主要的发热源。体积较大（散热），在使用时一般都要安装散热器，以限制因损），在使用时一般都要安装散热器，以限制

3、因损耗造成的温升。耗造成的温升。为了降低工作损耗。关断时承受一定的电压，但基为了降低工作损耗。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，但只有很本无电流流过；导通时流过一定的电流，但只有很小的导通压降。电力电子器件工作时在开通和关断小的导通压降。电力电子器件工作时在开通和关断之间不断切换，其动态特性（即开关特性）是器件之间不断切换，其动态特性（即开关特性）是器件的重要特性。的重要特性。 电力电子器件处理的电功率较大，信息电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器件的工作状态，需子电路不能直接控制器件的工作状态，需要中间电路将控制信号放大，该放大电路要中间电路

4、将控制信号放大，该放大电路就是驱动电路。就是驱动电路。电力电子器件开关过程中，电压和电流会发生急剧电力电子器件开关过程中，电压和电流会发生急剧变化，为增强器件工作的可靠性，通常采用缓冲电变化，为增强器件工作的可靠性，通常采用缓冲电路抑制电压和电流的变化率，降低器件的电应力；路抑制电压和电流的变化率，降低器件的电应力；采用保护电路防止电压和电流超过器件的极限值采用保护电路防止电压和电流超过器件的极限值电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路控制电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。 电气隔

5、离电气隔离图图2 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2.2.电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制信号控制的程度按照能够被控制信号控制的程度 不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断，由自身在电路中承受的电压和电流来不能用控制信号来控制其通断，由自身在电路中承受的电压和电流来决定。决定。 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 通过控制信号能控制其导通，关断由其在主电路中承受的电压和电流通过控制信号能控制其导通，关断

6、由其在主电路中承受的电压和电流决定的。决定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是门极可关断晶闸管目前最常用的是门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管、电力晶体管（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。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。2.1 2.1 电力电子器件的特点和分类电力电子器件的特点和分类2.1 2.1 电力电子器件的特点和分类电力电子器件的特点和分类221 PN结原理2.2.电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱

7、动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断的控制。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施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现导通信号就可实现导通或者关断的控制。或者关断的控制。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 ） 脉冲触发型脉冲触发型 电平控制型电平控制型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现信号来实现器件的开通或者关断的控制。器件的开通或者关断的控制。 必须通过必须通过持续持续

8、在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信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号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。在导通状态或者关断并维持在阻断状态。 2.1 2.1 电力电子器件的特点和分类电力电子器件的特点和分类221 PN结原理2.2.电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。 双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。 复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，由

9、单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。也称混合型器件。 2.2 电力电子器件基础2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理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，在外电路上则形成自结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区区流入而从流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF，这就是，这就是PN结的正向导结的正向导通状态。通状态。 当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，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，

10、被称为反向截止状态。 PN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，破坏电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。 按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。 否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。 PN结的电容效

11、应结的电容效应 称为称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容 按其产生机制和作用的差别分为按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和和扩散电扩散电容容CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。电压较低时，势垒电容为主。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。扩散电容为结电容主要成分。 结电容影响结电容影响PN结的结的工作

12、频率工作频率，特别是在高速开关的状，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。222电力电子器件的封装 图图2-2是电力电子器件几种常见的封装形式是电力电子器件几种常见的封装形式23 功率二极管 功率二极管（功率二极管（Power Diode）属于不可控电力）属于不可控电力电子器件，是电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件，世纪最早获得应用的电力电子器件，它在整流、逆变等领域都发挥着重要的作用。它在整流、逆变等领域都发挥着重要的作用。AKAKa)IKAPNJb)c)AK23 功率二极管电力二极管是以半电力二极管是以半导体

13、导体PN结结为基础的为基础的, ,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。图图 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 基本结构基本结构 c) 电气图形符号电气图形符号23 功率二极管常用的电力二极管。常用的电力二极管。 普通结型功率二极管（普通结型功率二极管（General Purpose Diode） 又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多用于开，多用于

14、开关频率不高（关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整流电路中。 快速功率二极管快速功率二极管 又称快恢复二极管（又称快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理 为提高为提高PN结二极管承受反向电压的阻断能力，结二极管承受反向电压的阻断能力，可增加硅片的厚度；可增加硅片的厚度；PIN结构结构可以用很薄的硅片可以用很薄的硅片厚度得到厚度得到PN结构在硅片很厚时才能获得的高反压结构在硅片很厚时才能获得的高反压阻断能力阻断能力，故结型功率二极管多采

15、用，故结型功率二极管多采用PIN结构。结构。 二极管的基本结构是半导体二极管的基本结构是半导体PN结，具有结，具有单向单向导电性导电性，正向偏置时表现为低阻态，形成正向电，正向偏置时表现为低阻态，形成正向电流，称为流，称为正向导通正向导通；而反向偏置时表现为高阻态，；而反向偏置时表现为高阻态，几乎没有电流流过，称为几乎没有电流流过，称为反向截止反向截止。 PIN功率二极管在功率二极管在P型半导体和型半导体和N型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗高阻抗N-区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导体，即本征半导区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导体，即本征

16、半导体。体。232 结型功率二极管的基本特性 图图2-4 2-4 结型功率二极管的伏安特性结型功率二极管的伏安特性1 1稳态特性稳态特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门槛门槛 电压电压UTO ），正向电流才开始），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。明显增加，处于稳定导通状态。 与与IF对应的电力二极管两端的对应的电力二极管两端的 电压即为其电压即为其正向电压降正向电压降UF。 承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有少子少子 引起的微小而数值恒定的引起的微小而数值恒定的反向反向 漏电流漏电流。IOIFUTOUFU电导调制电导调制效应使

17、得效应使得PNPN结在正向电流较大时导通压降仍然很低，且结在正向电流较大时导通压降仍然很低，且不随电流的大小而变化。不随电流的大小而变化。232 结型功率二极管的基本特性 2 2动态特性动态特性 因为因为结电容结电容的存在，电的存在，电压压电流特性是随时间电流特性是随时间变化的，这就是电力二变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断往往专指反映通态和断态之间转换过程的态之间转换过程的开关开关特性特性。 图图2-5 2-5 结型功率二极管的开关过程结型功率二极管的开关过程232 结型功率二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPI

18、RPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 图图2-6 2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a)a) 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b)b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得是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。反向阻断能力，进入截止状态。t0:正向正向电流降电流降为零的为零的时刻时刻t1:反向电反向电流达最大流达最大值的时刻值的时刻t2:电流变电流变化率接近化率接近于

19、零的时于零的时刻刻 在关断之前有较大的反向电流出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。现，并伴随有明显的反向电压过冲。 延迟时间延迟时间：t td d=t=t1 1-t-t0 0 电流下降时间电流下降时间：t tf f =t=t2 2- t- t1 1 反向恢复时间反向恢复时间：t trrrr=t=td d+ + t tf f 恢复特性的软度恢复特性的软度： t tf f / /t td d，或，或称恢复系数，用称恢复系数，用S Sr r表示。表示。232 结型功率二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置 先出现一个先出

20、现一个过冲过冲U UFPFP，经过，经过一段时间才趋于接近稳态压降一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如的某个值（如2V2V）。）。 正向恢复时间正向恢复时间t tfrfr 图图2-6 2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b) b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 出现电压过冲的原因出现电压过冲的原因: :电电导调制效应导调制效应起作用所需的大量起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件大；正向电流的上升会因器件自身的自身的电感电感而产生较大压降。而产生较大压

21、降。电流上升率电流上升率越大，越大，U UFPFP越高。越高。 233 快速功率二极管 普通结型功率二极管又称整流管（普通结型功率二极管又称整流管（Rectifier Diode），），反向恢复时间在反向恢复时间在5s以上，多用于开关频率在以上，多用于开关频率在1kHz以下的整以下的整流电路中。若是高频电路，应采用快速功率二极管。流电路中。若是高频电路，应采用快速功率二极管。 1 1提高结型功率二极管开关速度的措施提高结型功率二极管开关速度的措施缺点：缺点：少子数量的减少会削弱电导调制效应，导少子数量的减少会削弱电导调制效应，导致正向导通压降升高致正向导通压降升高1）在硅材料掺入金或铂等杂质可

22、有效提高少子复合率，促使存储在）在硅材料掺入金或铂等杂质可有效提高少子复合率，促使存储在N区的过剩载流子减少，从而缩短反向恢复时间区的过剩载流子减少，从而缩短反向恢复时间trr 。 2）在）在P和和N掺杂区之间夹入一层高阻掺杂区之间夹入一层高阻N-型材料以形成型材料以形成PN-N结构，在相结构，在相同耐压条件下，新结构硅片厚度要薄得多，具有更好的恢复特性和较低同耐压条件下，新结构硅片厚度要薄得多，具有更好的恢复特性和较低的正向导通压降，这种结构是目前快速二极管的正向导通压降，这种结构是目前快速二极管普遍采用普遍采用的结构的结构。233 快速功率二极管2 2快速型和超快速型快速型和超快速型 快速

23、功率二极管分为两类快速功率二极管分为两类 （1）快恢复（）快恢复（FRED） 反向恢复时间为几百纳秒，应用于开关频率为反向恢复时间为几百纳秒，应用于开关频率为2050kHz的场合的场合（2）超快恢复（）超快恢复（Hiper FRED，Hiper Fast soft Recovery Epitaxial Diode） 反向恢复时间为反向恢复时间为100ns左右，左右， 应用于开关频率为应用于开关频率为 50kHz以上的场合。以上的场合。234 肖特基势垒二极管图图2-6 SBD2-6 SBD内部结构图内部结构图肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 属于

24、属于多子多子器件器件 优点在于：优点在于：反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（1040ns），正），正向恢复过程中也不会有明显的向恢复过程中也不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向；在反向耐压较低的情况下其耐压较低的情况下其正向压降正向压降也很小，明显低于也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其快恢复二极管；因此，其开关损耗开关损耗和和正向导通损正向导通损耗耗都比快速二极管还要小，效率高。都比快速二极管还要小，效率高。 弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正正向压降向压降也会高得不能满足要求，因此多用于也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；

25、以下的低压场合；反向漏电流反向漏电流较大且对较大且对温度温度敏感，敏感，因此因此反向稳态损耗反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。限制其工作温度。235 功率二极管的主要参数 除了反向恢复时间除了反向恢复时间trr和正向导通压降和正向导通压降UF，选用，选用功率二极管时，还应考虑以下几个参数：功率二极管时，还应考虑以下几个参数： 1 1额定正向平均电流额定正向平均电流I IT T (AV) (AV) 功率二极管长期运行在规定管壳温度和散热条件下，功率二极管长期运行在规定管壳温度和散热条件下，允许流过的允许流过的最大工频正弦半波电流最大工频正弦半波电流的

26、平均值定义为额定正的平均值定义为额定正向平均电流。向平均电流。 按照流过二极管实际波形电流与工频正弦半波平均电按照流过二极管实际波形电流与工频正弦半波平均电流的流的热效应相等热效应相等（即有效值相等）的原则，来选取功率二（即有效值相等）的原则，来选取功率二极管的额定电流，并应留有一定的裕量。极管的额定电流，并应留有一定的裕量。235 功率二极管的主要参数 如图如图2-7所示，设该正弦半波电流的峰值为所示，设该正弦半波电流的峰值为Im，则额定平均，则额定平均电流电流IT(A V)为为 （2-1） 额定电流有效值额定电流有效值IT为为 （2-2） 定义电流的波形系数定义电流的波形系数Kf=IT/

27、IT(A V)；则正弦半波电流的波形；则正弦半波电流的波形系数：系数： （2-3） 实际使用时，对二极管额定平均电流实际使用时，对二极管额定平均电流IT(A V)选择应至少留选择应至少留1倍以上的裕量倍以上的裕量。0mmT(AV)(dsin21IttII图图2-7 2-7 二极管的通态平均电流二极管的通态平均电流2d)sin(21m02mTIttII57. 12T(AV)TfIIK235 功率二极管的主要参数 2 2额定反向电压额定反向电压U URPMRPM 指二极管能承受的重复施加的反向最高峰值电压（额指二极管能承受的重复施加的反向最高峰值电压（额定电压），此电压通常为击穿电压的定电压），此

28、电压通常为击穿电压的2/3。 在选型时留有在选型时留有23倍的裕量。倍的裕量。 3 3最高工作结温最高工作结温T TJMJM 指器件中指器件中PN结在不至于损坏的前提下所能承受的最高结在不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。平均温度。TJM通常在通常在125175范围内。范围内。236 功率二极管的应用特点 1 1功率二极管的选型功率二极管的选型 应根据电路中二极管可能承受的应根据电路中二极管可能承受的最大反向电压最大反向电压和通过的和通过的最大电流最大电流来选择具体的二极管型号。来选择具体的二极管型号。注意注意:二极管的关断时间和正向压降有一折中关系，通常二极管的关断时间和正向压降有一折

29、中关系，通常低压器件具有较高的开关速度低压器件具有较高的开关速度，故不应一味追求二极管，故不应一味追求二极管的反压耐量。的反压耐量。236 功率二极管的应用特点2 2功率二极管的串联和并联功率二极管的串联和并联 图2-8 二极管串联均压措施 串联串联时，应考虑时，应考虑断态时的均压问题断态时的均压问题。图。图2-8中的中的R1R3可均可均衡静态压降，动态压降的平衡需要用到平衡电容，与平衡电容衡静态压降，动态压降的平衡需要用到平衡电容，与平衡电容串联的电阻串联的电阻R4R6是为了限制电容的反向冲击电流。是为了限制电容的反向冲击电流。 并联并联可提高电路的通流能力，要克服可提高电路的通流能力，要克

30、服工作电流在并联二极工作电流在并联二极管中的不均匀分配管中的不均匀分配。在进行并联使用时，应选择同一型号且同。在进行并联使用时，应选择同一型号且同一生产批次的产品，使其静态和动态特性均比较接近。一生产批次的产品，使其静态和动态特性均比较接近。2.4 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理 2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数 2.4.3 晶闸管派生器件及应用晶闸管派生器件及应用 2.4.4 晶闸管的触发晶闸管的触发 2.4.4 晶闸管的应用特点晶闸管的应用特点2.4 2.4 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言晶闸管（晶闸管（Thyr

31、istor）是）是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控可控硅整流器（硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR。 晶闸管及模块晶闸管及模块由于其电流容量大、电压耐量高及开通的可控性，被广泛由于其电流容量大、电压耐量高及开通的可控性，被广泛应用于可控整流和逆变、交流调压、直流变换等领域，应用于可控整流和逆变、交流调压、直流变换等领域，是特大功率、低频（是特大功率、低频（200Hz以下）装置中的主要器件。以下）装置中的主要器件。2.4.1 基本结构与工作原理基本结构与工作原理晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管从外形上来看，晶闸管也主要有也主

32、要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结构两种封装结构 。 引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门门极（控制端）极（控制端）G三个联接三个联接端。端。 内部是内部是PNPN四层半导四层半导体结构。体结构。 图图2-9 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号 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)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3AGKK图图2-10 2-10 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) b) 工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管

33、的工作原理 按照晶体管工作原按照晶体管工作原理，可列出如下方程：理，可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII1212AccAKIIIII（2-4）（2-5）式中式中 1 1和和 2 2分别是晶体管分别是晶体管V V1 1和和V V2 2的共基极电流增益；的共基极电流增益；I ICBO1CBO1和和I ICBO2CBO2分别是分别是V V1 1和和V V2 2的共基极漏电流。的共基极漏电流。2.4.1 基本结构与工作原理基本结构与工作原理2.4.1 基本结构与工作原理基本结构与工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下，其共基极电流晶体管的特性是：在低发射极电流下，

34、其共基极电流 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大迅速增大2GA121()II 由以上式（由以上式（2-42-4）、（）、（2-52-5）可得）可得(2-6)在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。如果注是很小的。如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋趋近于近于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）将趋近于将趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。 1+ 2 =1是临界导通条件，是临界导

35、通条件， 1+ 2 1为饱和导通条件，为饱和导通条件， 1+ 2 0且且uGK0。 2、晶闸管导通后，撤除门极触发信号、晶闸管导通后，撤除门极触发信号IG，不能使晶闸管，不能使晶闸管关断，只有使阳极电流关断，只有使阳极电流IA减小到维持电流减小到维持电流IH（约十几（约十几mA）以）以下，晶闸管才能恢复阻断状态。下，晶闸管才能恢复阻断状态。 3、给晶闸管施加反向电压，无论有无门极触发信号、给晶闸管施加反向电压，无论有无门极触发信号IG，晶闸管都不能导通。晶闸管都不能导通。2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数1、晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，

36、如果在器件两时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管端施加正向电压，则晶闸管处于正向处于正向阻断状态阻断状态，只有很，只有很小的正向漏电流流过。小的正向漏电流流过。 如果正向电压超过临界极如果正向电压超过临界极限即限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏，则漏电流急剧增大，器件电流急剧增大，器件开通开通 。 随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增大，的增大，正向转折电压正向转折电压降低，晶闸管降低，晶闸管本身的压降很小，在本身的压降很小，在1V左右。左右。 如果门极电流为零，并且如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某阳极电流降至接近于零的某一数值一数值IH以下，则晶闸管又回以下，则晶闸管

37、又回到到正向阻断正向阻断状态，状态，IH称为称为维持维持电流电流。 图图2-11 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 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+正向正向断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 门极断路结温为额定值时，允门极断路结温为额定值时，允许许重复重复加在器件上的加在器件上的正向峰值电压正向峰值电压 国标规定国标规定UDRM为为正向正向断态不重断态不重复峰值电压复峰值电压UDSM的的80% UDRM应低于应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。 反向反向断态重复峰

38、值电压断态重复峰值电压URRM 门极断路结温为额定值时，允门极断路结温为额定值时，允许许重复重复加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值电压峰值电压 规定规定URRM为为反向反向不重复峰值电不重复峰值电压压URSM的的80%。 URRM 应低于应低于反向击穿电压反向击穿电压2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的反向的反向特性。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，只有极小的只有极小的反向漏电流反向漏电流通过。通过。 当反向电压超过一定限度，到当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路

39、如无限制后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。致晶闸管发热损坏。 图图2-11 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG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+2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数2、动态特性动态特性 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，其阳极电流的增长不可能后，其

40、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的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。 图图2-12 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阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrr

41、tgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数关断过程关断过程 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有过渡过渡过程的。过程的。 关断时间约几百微秒。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 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

42、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，而不是受门极电流控制而导通。是受门极电流控制而导通。图图2-12 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100%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%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数 3、主要特性参数主要特性参数额定电压额定电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电 压。压。 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

43、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，一般取为正常工作时晶闸管所承受峰值电压选用时，一般取为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。额定通态平均电流额定通态平均电流 IT(AV） 国标规定国标规定IT(AV）为晶闸管在环境温度为为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷却状态冷却状态下，下，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 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。 一般取一般取IT(AV）为按发热效应相等（即有

44、效值相等）的原则所得计算为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的结果的1.52倍。倍。 2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管特性及主要参数通态平均电压通态平均电压UT(AV) 在规定的环境温度、标准散热条件下，晶闸管通以正弦半波额定电流在规定的环境温度、标准散热条件下，晶闸管通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值。使用中时，阳极与阴极间电压降的平均值。使用中UT(AV)越小损耗越小越小损耗越小维持电流维持电流IH 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，一般为几十到几电流，一般为几十到几百毫安。百毫安。 结温结温越高，则越

45、高，则IH越小。越小。 擎住电流擎住电流 IL 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，能维持导通所需的所需的最小最小电流。电流。 约为约为IH的的24倍倍 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不重复性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最大正向过载电流向过载电流。2.4.2 晶闸管特性及主要参数晶闸管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

46、闸管从断态到通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，就会使晶闸管误导通电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上最大通态电流上升率升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。2.4.3 晶闸管的派生器件及应用晶闸管的派生器件及应用快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switc

47、hing ThyristorFST） 有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。 允许的开关频率分别达允许的开关频率分别达到到400Hz，10kHz以上。以上。 从从关断时间关断时间来看，普通晶闸管一般为来看，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速微秒，快速晶闸管为晶闸管为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。 高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。定额都不易做高。 由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其通态平均电流时不能忽略其开关损耗开

48、关损耗的发热效应。的发热效应。 2.4.3 晶闸管的派生器件及应用晶闸管的派生器件及应用a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC Triode AC SwitchSwitchTRIACTRIAC或或Bidirectional triode Bidirectional triode thyristorthyristor） 是一对是一对反并联联接反并联联接的普通晶闸管的普通晶闸管的集成的集成。分为分为I I+ +触发方式触发方式 、 I I- -触发方触发方式式 、 + +触发方式触发方式 和和- -触发方式触发方式四四种工作方式。种工作方式。 门极使器件在主电极

49、的正反两方门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第向均可触发导通，在第和第和第IIIIII象限象限有有对称的伏安特性对称的伏安特性。 双向晶闸管通常用在交流电路中，双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额来表示其额定电流值。定电流值。图图2-13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) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 2.4.3 晶闸管的派生器件及应用晶闸管的派生器件及应用a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Reverse Conducting Conduc

50、ting ThyristorThyristorRCTRCT） 是将是将晶闸管反并联一个晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上的制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受功率集成器件，不具有承受反向电压反向电压的能力，一旦承受的能力，一旦承受反向电压即开通。反向电压即开通。 具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。要阻断反向电压的电路中。 图图2-14 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安

51、特性 2.4.3 晶闸管的派生器件及应用晶闸管的派生器件及应用AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Light Triggered Triggered ThyristorThyristorLTTLTT） 是利用一定波长的是利用一定波长的光照信号光照信号触触发导通的晶闸管。发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了主电路由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的与控制电路之间的绝缘绝缘，而且可以，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图2-15 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电

52、气图形符 号和号和伏安特性伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性触发参数特殊。触发参数特殊。1 1）触发光功率：加有正向电压的光控晶闸管由阻断状态转变成导通）触发光功率：加有正向电压的光控晶闸管由阻断状态转变成导通状态所需的输入光功率，通常为几状态所需的输入光功率，通常为几mWmW到几十到几十mWmW。2 2）光谱响应范围：光控晶闸管只对一定波长范围的光线敏感，超出）光谱响应范围：光控晶闸管只对一定波长范围的光线敏感，超出波长范围，则无法使其导通。波长范围，则无法使其导通。2.4.4 晶闸管的触发晶闸管的触发 晶闸管触发电路的晶闸管触发电路的作用作用是产生是产生符合要

53、求的门极触发脉冲，保证符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。应满足下列要求：导通。应满足下列要求：（1 1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管）触发脉冲的宽度应保证晶闸管能可靠导通；能可靠导通；（2 2）触发脉冲应有足够的幅度；）触发脉冲应有足够的幅度；（3 3）触发脉冲不超过门极电压、电）触发脉冲不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区流和功率定额，且在可靠触发区域之内；域之内；（4 4）应有良好的抗干扰性能、温度）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。稳定性及与主电路的电气隔离。理想的触发脉冲电流波形理想的触发脉冲电流波形2

54、.4.4 晶闸管的触发晶闸管的触发 右图为常见的带右图为常见的带强触发的晶闸管触强触发的晶闸管触发电路发电路。使用整流桥可获得约。使用整流桥可获得约50V的直流电源，在的直流电源，在V2导通前，导通前，50V电电源通过源通过R5向向C2充电，充电，C1很大，很大，C2相对较小，相对较小，C2两端电压接近两端电压接近50V。当脉冲放大环节当脉冲放大环节V1、V2导通时，导通时，C2迅速放电，通过脉冲变压器迅速放电，通过脉冲变压器TM向晶闸管的门极和阴极之间输出强向晶闸管的门极和阴极之间输出强触发脉冲。当触发脉冲。当C2两端电压低于两端电压低于15V时，时，VD4导通，此时导通，此时C2两端电压两

55、端电压被钳位在被钳位在15V，进入触发脉冲平稳，进入触发脉冲平稳阶段。当阶段。当V1、V2由导通变为截止由导通变为截止时，脉冲变压器储存的能量通过时，脉冲变压器储存的能量通过VD1和和R3释放。释放。C3是加速电容。是加速电容。晶闸管晶闸管触发电路触发电路2.4.5 晶闸管的应用特点晶闸管的应用特点 图图2-17 2-17 晶闸管的串、并联晶闸管的串、并联 a) a) 伏安特性差异伏安特性差异 b) b) 串联均压措施串联均压措施 c) c) 并联均流措施并联均流措施 晶闸管串联晶闸管串联 晶闸管阻断时各器件承受的电压晶闸管阻断时各器件承受的电压不等。承受电压高的器件先达到转不等。承受电压高的

56、器件先达到转折电压导通，使另一个器件承担全折电压导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用；反部电压也导通，失去控制作用；反向时，可能使其中一个器件先反向向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。击穿，另一个随之击穿。 为达到静态分压，应选用参数和为达到静态分压，应选用参数和特性尽量一致的器件；此外可采用特性尽量一致的器件；此外可采用电阻均压。电阻均压。 晶闸管并联晶闸管并联 动态均流难控制。动态均流难控制。（1）保证晶闸管的开关控制尽可能一）保证晶闸管的开关控制尽可能一致致（2）可采用均流变压器等强制措施）可采用均流变压器等强制措施2.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门

57、极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 具有普通晶闸管的全部优点，如具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高耐压高、电流大电流大等，同等，同时它又是时它又是全控型全控型器件，即在门极器件，即在门极正脉冲正脉冲电流触发下电流触发下导通导通，在在负脉冲负脉冲电流触发下电流触发下关断关断。GTO开关时间在几开关时间在几s至几十至几十s之间，是目前容量唯一与晶闸管接近的全控型器件，之间，是目前容量唯一与晶闸管接近的全控型器件，适用于开关频率为数百至几千适用于开关频率为数百至几千Hz的大功率场合。的大功率场合。 2.5.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理GTOGT

58、O的结构的结构 是是PNPNPNPN四层两端结构四层两端结构 是一种多元的功率集是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的甚至数百个共阳极的小小GTOGTO元元，这些，这些GTOGTO元的元的阴极阴极和和门极门极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。缩短了门极和阴在一起。缩短了门极和阴极间的距离极间的距离, , P2基区的横基区的横向电阻很小，便于从门向电阻很小，便于从门极抽出较大的电流。极抽出较大的电流。 图图2-18 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联

59、单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号 2.5.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理 图图2-10 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理GTOGTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如图仍然可以用如图2-102-10所示的所示的双双晶体管模型晶体管模型来分析，来分析，V V1 1、V V2 2的共基极的共基极电流增益分别是电流增益分别是 1 1、 2 2。 1 1+ + 2 2=1=1是器是器件临界导通的条件，大于件临界导通的条件，大于1 1导通，小导通，小于于1 1则关断

60、。则关断。 GTOGTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同 设计设计 2 2较大，使晶体管较大，使晶体管V V2 2控控制灵敏，易于制灵敏，易于GTOGTO关断。关断。 导通时导通时 1 1+ + 2 2更接近更接近1 1，导通，导通时接近时接近临界饱和临界饱和，有利门极控制关断，有利门极控制关断，但导通时管但导通时管压降压降增大。增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P P2 2基区基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。流。 2.5.1 基本结构和工作原理基本结构和工作原理GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不