修改稿第2章电力电子器件

1、v一一 、 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v二二 、电力二极管、电力二极管 v三、晶闸管三、晶闸管 v四、典型全控型器件四、典型全控型器件 v 1、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管 v 2 、 电力晶体管电力晶体管 v 3 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 4 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 5 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件 v五、电力电子器件的驱动与保护五、电力电子器件的驱动与保护 电力半导体器件是电力电子技术及其应用电力半导体器件是电力电子技术及其应用 系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力

2、电子器件的研制与应用。电子器件的研制与应用。 定义：定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控电力电子电路中能实现电能的变换和控 制的半导体电子器件称为电力电子器件制的半导体电子器件称为电力电子器件 （Power Electronic Device）。）。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和广义上电力电子器件可分为电真空器件和 半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导 体电力电子器件。体电力电子器件。 l 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽 象成下图象成下图1.1.11.1.1所示的理想开关模型，

3、它有三个电极，其中所示的理想开关模型，它有三个电极，其中 A和和B代表开关的两个主电极，代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。是控制开关通断的控制极。 它只工作在它只工作在“通态通态”和和“断态断态”两种情况，在通态时其电两种情况，在通态时其电 阻为零，断态时其电阻无穷大。阻为零，断态时其电阻无穷大。 图图1.1.1 电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的理想开关模型 l1、基本模型：、基本模型： (一一) 按器件的开关控制特性可以分为以下三类：按器件的开关控制特性可以分为以下三类： 不可控器件：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要器件本身没有导通、关断控制功能，而需

4、要 根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管如：电力二极管（Power Diode）；）； 半控型器件：半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关 断的电力电子器件称为半控型器件。断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；）及其大部分派生器件等； 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控制其关断通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断 的器件，称为全控型器件。的器件，称为全控型器件。 如：

5、门极可关断晶闸管（如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、）、 功率场效应管（功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型）和绝缘栅双极型 晶体管（晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。）等。 电流控制型器电流控制型器 件：件： 此类器件采用此类器件采用 电流信号来实现导电流信号来实现导 通或关断控制。通或关断控制。 如：晶闸管、门极如：晶闸管、门极 可关断晶闸管、功可关断晶闸管、功 率晶体管等；率晶体管等； 电压控制半导体器件：电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控制这类器件采用电压控制, , 它的通、断

6、，输入控制端基本它的通、断，输入控制端基本 上不流过控制电流信号，用小上不流过控制电流信号，用小 功率信号就可驱动它工作。功率信号就可驱动它工作。 如：代表性器件为如：代表性器件为 MOSFET管和管和IGBT管。管。 器件种类器件种类 开关开关 功能功能 器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域 电力电力 二极管二极管 不可不可 控控 5kV/3kA5kV/3kA400Hz400Hz 各种整流装置各种整流装置 晶闸管晶闸管 可控可控 导通导通 6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz 8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光 控控SCRSCR 炼钢厂、轧钢机、直流输电、炼钢厂、轧钢机

7、、直流输电、 电解用整流器电解用整流器 可关断可关断 晶闸管晶闸管 自关自关 断型断型 6kV/6kA 500Hz 工业逆变器、电力机车用逆变工业逆变器、电力机车用逆变 器、无功补偿器器、无功补偿器 MOSFETMOSFET 600V/70A 100kHz 开关电源、小功率开关电源、小功率UPSUPS、小功、小功 率逆变器率逆变器 IGBTIGBT 1200V1200V/1200A 20kHz 4.5kV/1.2kA 2kHz 各种整流各种整流/ /逆变器（逆变器（UPSUPS、变频、变频 器、家电）、电力机车用逆变器、家电）、电力机车用逆变 器、中压变频器器、中压变频器 v一一 、 电力电子

8、器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v二二 、电力二极管、电力二极管 v三、晶闸管三、晶闸管 v四、典型全控型器件四、典型全控型器件 v 1、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管 v 2 、 电力晶体管电力晶体管 v 3 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 4 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 5 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件 v五、电力电子器件的驱动与保护五、电力电子器件的驱动与保护 l1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理 l2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 （一）电力二极管（一）电力二极管： （1 1）电力二极管（）电力二极管（

9、Power Diode）也称为半）也称为半 导体整流器（导体整流器（Semiconductor Rectifier，简称，简称 SR），属不可控电力电子器件，是），属不可控电力电子器件，是20世纪最早世纪最早 获得应用的电力电子器件。获得应用的电力电子器件。 （2 2）在中、高频整流和逆变以及低压高频）在中、高频整流和逆变以及低压高频 整流的场合发挥着积极的作用整流的场合发挥着积极的作用, 具有不可替代具有不可替代 的地位。的地位。 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PNPN结结为基础。为基础。 由一个面积较大的由

10、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。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。 图图2.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）外形）外形 b）结构）结构 c）电气图形）电气图形 N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结结: 内电场内电场:空间电荷建立的电场空间电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运，其方向是阻止扩散运 动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子） 向本区

11、运动，即向本区运动，即漂移运动漂移运动。 空间电荷空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另 一区的一区的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了 带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、 负电荷称为负电荷称为空间电荷。空间电荷。 空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间 电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷

12、电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷 量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称 为为空间电荷区空间电荷区。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 - 。 + + + + + + + + + + + + + + + +- +- +- +- +- 空 间 电 荷 区P 型 区N 型 区 内 电 场 PN结的正向导通状态：结的正向导通状态： PN结在正向电流较大时压降结在正向电流较大时压降 仍然很低，维持在仍然很低，维持在1V左右，所左

13、右，所 以正向偏置的以正向偏置的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结的单向导电性。结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单结的单 向导电性这一主要特征。向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿：结的反向击穿： 有雪崩击穿形式，可能导致热击穿。有雪崩击穿形式，可能导致热击穿。 PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ， 又称为微分电容。又称为微分电容。 l图图2 2.2.2 电力二极管的伏安特性曲线电力二极管的

14、伏安特性曲线 l1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理 l2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 l（1）电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性 l（2）电力二极管的开关特性电力二极管的开关特性 l（3）电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 （1）电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性 当电力二极管承受的当电力二极管承受的 正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门门 槛电压槛电压UTO），正向电流才），正向电流才 开始明显增加，处于稳定开始明显增加，处于稳定 导通状态。与正向电流导通状态。与正向电流IF对对 应的电力二极管两端的电应的电力二极管两端的电 压压UF即

15、为其正向电压降。即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向当电力二极管承受反向 电压时，只有少子引起的电压时，只有少子引起的 微小而数值恒定的反向漏微小而数值恒定的反向漏 电流。电流。 l图图2 2.2.2 电力二极管的电力二极管的 l伏安特性曲线伏安特性曲线 特性曲线特性曲线: （1）电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性 （2）电力二极管的开关特性电力二极管的开关特性 （3）电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1 1）关断特性）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态 过程。（图过程。（图a)a) v 须经过一段短暂的时间

16、才能重新获得反向阻断能力，进入截止状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。态。 v 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。冲。 定义：定义：反映通态和断态之间的转换过程（反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程关断过程、开通过程）。）。 图图2 2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形 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U UFP FP，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

17、压降的某个值（如 2V2V）。这一动态过）。这一动态过 程时间被称为正向恢复时间程时间被称为正向恢复时间t tfr fr。 。 v 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。 电流上升率越大，电流上升率越大，U UFP FP越高 越高 。 2 2）开通特性）开通特性：( (图图b)b) 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。 图图2 2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形 l延迟时间：延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：电流下降时间：tf=

18、 t2- t1 l反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tf l恢复特性的软度：恢复特性的软度：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，用或称恢复系数，用sr表示。表示。 图图2 2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形 （1 1）普通二极管）普通二极管：普通二极管又称整流管普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），），多用于开关频率在多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，以下的整流电路中， 其反向恢复时间在其反向恢复时间在usus以上，额定电流达数千安，额定以上，额定电流达数千安，额定 电压

19、达数千伏以上。电压达数千伏以上。 （2 2）快恢复二极管：）快恢复二极管：反向恢复时间在反向恢复时间在usus以下的称为快恢复以下的称为快恢复 二极管（二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode简称简称FDRFDR）。快恢复二极）。快恢复二极 管从性能上可分为管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管快速恢复和超快速恢复二极管。前者。前者 反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns100ns以下，其以下，其 容量可达容量可达1200V/200A1200V/200A的水平的水平, , 多用于高频整流和逆变电多用于高

20、频整流和逆变电 路中路中。 （3 3）肖特基二极管：）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接肖特基二极管是一种金属同半导体相接 触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为 0.40.40.6V0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但 反向耐压在反向耐压在200200以下。以下。它常被用于高频低压开关电路或它常被用于高频低压开关电路或 高频低压整流电路中高频低压整流电路中。 电力二极管的主要类型：电力二极管的主要类型： （1）电力二极管的伏安特电力二极管的伏安特 性性 （2）电力二极管

21、的开关特电力二极管的开关特 性性 （3）电力二极管的主要参电力二极管的主要参 数数 额定正向平均电流额定正向平均电流在指定的管壳温（简称壳温，用在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）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。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。 设该正弦半波电流的峰值为设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流则额定电流(平均电流平均电流)为为: : 0 )( sin 2 1 m mAVF I ttdII （2 2.2.5.2.5） （2.2.42.2.4） （2.2.62.2.6） （2.2.72.2.7） 2 )sin( 2 1 0

22、 2 m mF I tdtII 电电流流平平均均值值 电电流流有有效效值值 f K 57. 1 2 )( AVF F f I I K 可求出正弦半波电流的波形系数可求出正弦半波电流的波形系数: : 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，用波形系数，用K Kf f表示：表示： 额定电流有效值为额定电流有效值为: : 1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(A V) 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义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的，因此使用时应按有效值相等的原则来选

23、取 电流定额，并应留有电流定额，并应留有1.52倍倍的的裕量裕量。 当用在频率较高的场合时，当用在频率较高的场合时，开关损耗开关损耗造成的造成的 发热往往不能忽略。发热往往不能忽略。 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其 断态损耗断态损耗造成的发热效应也不小造成的发热效应也不小 。 l 指器件中结不至于损坏的前提下所能承受的指器件中结不至于损坏的前提下所能承受的 最高平均温度。最高平均温度。jM jM通常在 通常在125125175175范围内。范围内。 2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压RRM RRM： ： 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（

24、额定电压）指器件能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此电压通常为击穿电压U UB B的的2/32/3。 l3 3） 正向压降正向压降F F： 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端 的正向平均电压的正向平均电压( (又称管压降又称管压降) )。 4 4） 反向漏电流反向漏电流RR RR： ： 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。 5）最高工作结温最高工作结温jM： ： v一一 、 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v二二 、电力二极管、电力二极管 v三、晶闸管

25、三、晶闸管 v四、典型全控型器件四、典型全控型器件 v 1、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管 v 2 、 电力晶体管电力晶体管 v 3 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 4 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 5 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件 v五、电力电子器件的驱动与保护五、电力电子器件的驱动与保护 l1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理 l2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 l3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 晶闸管晶闸管(Thirsted)包括：包括：普通晶闸管普通晶闸管(SCR)、快速晶、快速晶 闸管闸管(FST)、双向晶闸管、

26、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可控硅整流管(Silicon 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/8000

27、V)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。 l （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2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。所示。 l （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 (

28、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2 2.3.1(e)所示。所示。 l图图2 2.3.1 .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： 晶闸管是大功率器件晶闸管是大功率器件, 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2 2.3.2(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

29、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2 2.3.2 (b)、(c)所示。所示。 图图2 2.3.2 .3.2 晶闸管的散热器晶闸管的散热器 图图2.3.3 2.3.3 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 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 也加正向电压也加正向电压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放大后成为集电极电 流流I Ic2 c2， ，I Ic2 c2又是三极管 又是三极管T T1 1的基极电流的基极电流, , 放

30、大后的集电极电流放大后的集电极电流I Ic1 c1 进一步使进一步使IgIg增大且又作为增大且又作为T T2 2的基极电流流入。重复上述正反的基极电流流入。重复上述正反 馈过程馈过程，两个三极管两个三极管T T1 1、T T2 2都快速进入饱和状态都快速进入饱和状态, ,使晶闸管阳使晶闸管阳 极极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Ug, TUg, T1 1、T T2 2内部电流仍维内部电流仍维 持原来的方向持原来的方向, ,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

31、导通条件为阳极正偏阳极正偏和和门极正偏门极正偏。 （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，而间承受正向电压，而 门极电流门极电流I Ig g=0=0时时, , 上述上述T T1 1和和T T2 2之间的正反馈不能建立起之间的正反馈不能建立起 来来, ,晶闸管晶闸管A A 、K K间只有很小的正向漏电流，它处于正间只有很小的正向漏电流，它处于正 向向阻断阻断状态。状态。 图图2.3.3 2.3.3 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 l1、 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理 l2 、晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 l3 、 晶闸

32、管的派生器件晶闸管的派生器件 定义：定义：晶闸管阳极与阴极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。 l图图2 2.3.4 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（）晶闸管的伏安特 性性

33、 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2 2.3.4 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： IG=0时，器件两端施加正向电压，正时，器件两端施加正向

34、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。 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，如果门极电流为零，并且导通期间，如果门极电流为零，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，则晶闸管又回到正向阻断状态。以下，则晶闸管又回到正向

35、阻断状态。 IH称为称为维持电流维持电流。 图图2 2.3.4 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： 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 2.3.5 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

36、时间t tgt gt： ：以上两者以上两者 之和，之和，t tgt gt=t =td d+t+tr r 普通普通 晶闸管延迟时为晶闸管延迟时为 0.51.5us0.51.5us，上升时间，上升时间 为为0.53us0.53us。 l2.3.5 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 l1) 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 tgr gr： ：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

37、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，使晶足够长时间的反向电压，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 trr rr与 与t tgr gr之和，即 之和，即 t tq q =t =trr rr+t +tgr gr l2.3.5 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 l2) 2) 关断过程关断过程 （2-7)2-7) 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

38、断恢复时间反向阻断恢复时间t trr rr： ：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 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陡度与电压大小、结开通时间与触发脉冲的陡度与电压大小、结 温以及主回路中的电感量等有关。温以及主回路中的电感量等有关。 v2）关断时间关断时间tq ： o普通晶闸管的普通晶闸管的tq 约为几十到几百微秒。约为几十到几百微秒。 o关断时间与元件结温关断时间与元件结温 、关断前阳极电流的大、关断前阳极电流的大 小以及所加反压的大

39、小有关。小以及所加反压的大小有关。 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), 元件处在额定结温时元件处在额定结温时, ,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 UDSM DSM ( (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, ,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

40、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URRM的的80%80%所对应的电压。所对应的电压。 3 3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取晶闸管铭牌标注的额定电压通常取U UDRM DRM与 与U URRM RRM中的最小 中的最小 值值, , 选用时，额定电压要留有一定裕量选用时，额定电压要留有一定裕量, ,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UTN 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

41、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, 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)

42、 = 157A。 0 )( sin 2 1 m mAVT I ttdII 2 )sin( 2 1 0 2m mT I tdtII 电电流流平平均均值值 电电流流有有效效值值 f K 57. 1 2 )( AVT T f I I K （2.3.32.3.3） （2.3.42.3.4） （2.3.52.3.5） （2.3.42.3.4） 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。设该正弦半波电流的峰值为频正弦波电流时的允许最大平均电流。设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流则额定电流(平均

43、电流平均电流)为：为： 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： 1 1）定义：定义：在室温下，晶闸管在室温下，晶闸管加加6V正向阳极电压时，正向阳极电压时， 使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触 发电流发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极。对应于门极触发电流的门极电压称为门极 触发电压触发电压UGT。 2

44、 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了发电压也相差很大。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。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、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很 大，温度升高，大，温度升高，UGT 、IGT 值会显著降低，温度降低，值会显著降低，温度降低， UGT 、IGT 值又会增大。值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，为了保证

45、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在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT 大几倍。大几倍。 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 1.3.3分组分组在实际使用中，从减小损耗和元在实际使用中，从减小损耗和元 件发热来看，应选择件发热来看，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

46、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2 2.3.3 .3.3 晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组 l1 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 好能保持导通的最小阳极电流为维持电流好能保持导通的最小阳极电流为维持电流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、

47、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。 l2 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

48、率 di/dt 1 1、定义：、定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大晶闸管能承受而没有损害影响的最大 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。如果阳极电流上升得太快，则会导致门积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门 极附近的结因电流密度过大而烧毁，使极附近的结因电流密度过大而烧毁，使 晶闸管损坏。晶闸管损

49、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。 l1 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，称为断态电压临界上升率du/dt。 l2 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， 便会有一个充电电流流过结面，该充电电便会有一个充电电流流过结面，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

50、生相当于 触发电流的作用，如果这个电流过大，将触发电流的作用，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。 l1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理 l2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 l3 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 Thyrister，简称，简称 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闸高频晶闸 管管。 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

51、得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复 峰值电压较低，一般在峰值电压较低，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， 当开关频率升高当开关频率升高时，时，du/dt 耐量会下降。耐量会下降。 （1） 快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching ThyristerFSTFST l 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T

52、2，一个门，一个门 极极G。 正反两方向均可触发导通，所正反两方向均可触发导通，所 以双向晶闸管在第和第以双向晶闸管在第和第III象象 限有对称的伏安特性。限有对称的伏安特性。 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。 a)b) I O U IG=0 G T1 T2 图图2.3.

53、6 2.3.6 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) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 （2） 双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC) 1)将晶闸管反并联一个二极管制将晶闸管反并联一个二极管制 作在同一管芯上的功率集成器件。作在同一管芯上的功率集成器件。 2)与普通晶闸管相比，逆导晶闸与普通晶闸管相比，逆导晶闸 管具有正压降小、关断时间短、管具有正压降小、关断时间短、 高温特性好、额定结温高等优点；高温特性好、额定结温高等优点； 3)根据逆导晶闸管的伏安特性可根据逆导晶闸管的伏安特性可 知，它的反向击穿电压很低；因知，它的反向击

54、穿电压很低；因 此只能适用于反向不需承受电压此只能适用于反向不需承受电压 的场合；的场合； 4)逆导晶闸管存在着晶闸管区和逆导晶闸管存在着晶闸管区和 整流管区之间的隔离区；整流管区之间的隔离区； 5)逆导晶闸管的额定电流分别以逆导晶闸管的额定电流分别以 晶闸管和整流管的额定电流表示；晶闸管和整流管的额定电流表示； b)a) UO I K G A IG=0 图图2.3.7 逆导晶闸管的电气图逆导晶闸管的电气图 形符号和伏安特性形符号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 l（3） 逆导晶闸管逆导晶闸管 (RCT) v1)1)又称光触发晶闸管，是利用一又称光触发晶闸管，

55、是利用一 定波长的光照信号触发导通的晶定波长的光照信号触发导通的晶 闸管。闸管。 v2) 2) 小功率光控晶闸管只有阳极和小功率光控晶闸管只有阳极和 阴极两个端子。阴极两个端子。 v3 3）大功率光控晶闸管则还带有光）大功率光控晶闸管则还带有光 缆，光缆上装有作为触发光源的缆，光缆上装有作为触发光源的 发光二极管或半导体激光器。发光二极管或半导体激光器。 v4 4）光触发保证了主电路与控制电）光触发保证了主电路与控制电 路之间的绝缘，且可避免电磁干路之间的绝缘，且可避免电磁干 扰的影响，因此目前在高压大功扰的影响，因此目前在高压大功 率的场合，如高压直流输电和高率的场合，如高压直流输电和高 压

56、核聚变装置中，占据重要的地压核聚变装置中，占据重要的地 位。位。 图图2.3.8 控晶闸管的电气图形符控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 （4） 光控晶闸管光控晶闸管(LTT)(LTT) v一一 、 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v二二 、电力二极管、电力二极管 v三、晶闸管三、晶闸管 v四、典型全控型器件四、典型全控型器件 v 1、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管 v 2 、 电力晶体管电力晶体管 v 3 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 4 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 v 5 、其它

57、新型电力电子器件、其它新型电力电子器件 v五、电力电子器件的驱动与保护五、电力电子器件的驱动与保护 可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-Off (Gate-Turn-Off Thyristor)Thyristor)简称简称GTOGTO。 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压 高，电流大等。同时它又是全控型器件，高，电流大等。同时它又是全控型器件， 即在门极正脉冲电流触发下导通，在负即在门极正脉冲电流触发下导通，在负 脉冲电流触发下关断。脉冲电流触发下关断。 l（1 1） 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 l（2 2） 可关断晶闸管的特性

58、与主要参数可关断晶闸管的特性与主要参数 与普通晶闸管的与普通晶闸管的相同点相同点： PNPNPNPN四层半导体结构，外部四层半导体结构，外部 引出阳极、阴极和门极。引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的和普通晶闸管的不同点不同点：GTOGTO是一种多元的功率集成器是一种多元的功率集成器 件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTOGTO元，这些元，这些 GTOGTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。 图图2.4.1 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

59、的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联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 1）可关断晶闸管的结构可关断晶闸管的结构 l2 2）可关断晶闸管的工作原理）可关断晶闸管的工作原理 l （1 1）GTOGTO的的导通机理导通机理与与SCRSCR是是相同的相同的。GTOGTO 一旦导通之后，门极信号是可以撤除的一旦导通之后，门极信号是可以撤除的, , 但在但在 制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界 饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态， 这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态

60、这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态 使其关断。使其关断。 l （2 2）在）在关断机理关断机理上与上与SCRSCR是是不同的不同的。门极。门极 加负脉冲即从门极抽出电流加负脉冲即从门极抽出电流( (即抽取饱和导通即抽取饱和导通 时储存的大量载流子时储存的大量载流子) )，强烈正反馈使器件退，强烈正反馈使器件退 出饱和而关断。出饱和而关断。 l（1 1） 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 l（2 2） 可关断晶闸管的特性与主要参数可关断晶闸管的特性与主要参数 导通过程与导通过程与SCR一一 样，只是导通时饱和程样，只是导通时饱和程 度较浅。需经过延迟时度较浅。需经过延迟时