第八章电力电子技术

1、问题的提出：问题的提出： 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。 常用的可控直流电源有以下三种 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。旋转变流机组旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统） G-M系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步

2、电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。 G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2 G-M系统机械特性 静止式可控整流器静止式可控整流器图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统） V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电

3、压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。 V-M系统的特点 与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。 V-M系统的问题 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时

4、间内损坏器件。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M 1. 直流斩波器的基本结构图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 2. 斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流

5、电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为 3. 输出电压计算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 为开关频率。这些技术都属于电力电子技术 为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐

6、发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation）。第八章第八章 电力电子学基础电力电子学基础学习要求学习要求: 掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义； 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点； 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制； 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。 前前 言言 电电力力（强强）电电子

7、子学学电电力力半半导导体体器器件件微微（弱弱）电电子子学学集集成成电电路路半半导导体体器器件件电力电子学的任务：利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。 电力半导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电电力电子学科的形成1.电力技术2.电子技术3.电力电子技术电力电子学科的形成（续1）电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。利用电磁学(电路、磁路、电场、磁场的基本原理)，处理发电、输配电及电力应用的技术统称电力技术。 1.电力技术电力电子学科的形成（续2）电子技术又称为电子学，它是与电子器件、电子电路以及电子设备和系统有关的科学技术。电子技术是研究电子器件，以及利用电子器

8、件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收问题。又称为信息电子技术或信息电子学。 2.电子技术 电力电子学科的形成（续3）也称为电力电子学。利用电力电子开关器件组成电力开关电路，利用集成电路和微处理器构成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适式的控制，经济有效地实现开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。是综合了电子技术、控制技术和电力技术的新兴交叉学科。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲3.电力电子技术(Power Electronics)1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史20/21电力电子技术

9、的发展史电力电子技术的发展史图图1-3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 一般认为，电力电子技术的诞生是以一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用电美国通用电气公司研制出第一个气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志。为标志。1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。或黎明期。 电子管电子管(1904) ，在真空中对电子流进行控制，并，在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。力领域的先河

10、。 水银整流器水银整流器(1930s-1950s)，广泛用于电化学工业、广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用应用。在这一时期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流。来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引引发了电子技术的一场革命。发了电子技术的一场革命。 1.2 电力电子

11、技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸管凭借晶闸管凭借其优越的电气性能和控制性能，很其优越的电气性能和控制性能，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。立的。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于能使其关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简

12、称电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控相控方式方式。 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。实现。 这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。22/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型电力双极型晶体管（晶体管（BJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为为代表的代表的全控型器件全控型器件迅速发展。迅速发展。

13、全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其可使其开通开通又可使其又可使其关断关断。 采用全控型器件的电路的主要控制方式为采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方斩波控制方式式，简称，简称斩控方式斩控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代为代表的表的复合型器件复合型器件异军突起。它是异军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综的复合，综合了两者的优点。合了两者的

14、优点。 与此相对，与此相对，MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和和集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。23/211.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以成技术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集混合集成技术成技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控

15、型电力电子器件的不断进步，电力电子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的电路的工作频率工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关软开关技术技术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关开关损耗损耗降为零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密功率密度度。 电力变换电路的类型电源可分为两类：直流电（D.C） ，频率f=0交流电（A.C） ，频率f0电力变换按电压(电流)的大小、波形及频率变换划分为四类基本变换及相应的四种电力变换电路或电力变换器。这四类基本变换可以组合成许多复合型电力变换器 电力电子变换和控制的技术经

16、济意义电力电子变换和控制的技术经济意义为了满足一定的生产工艺和流程的要求，供电电源的电压、频率甚至波形都必须满足各种用电设备的不同要求。将发电厂生产的单一频率和电压的电能变换为各个用电设备最佳工况所需要的另一种特性和参数(频率、电压、相位和波形)的电能，再供负载使用，用电设备可以获得更好的技术特性和更大的经济效益。1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围电力电子技术的应用范围 一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用电力电子装，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近置进行调速的。一些对调速性能

17、要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。避免调速电机，以达到节能的目的。避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。起动时的电流冲击的软起动装置。 电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源 电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。电机传动1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的

18、应用交通运输交通运输 电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用电气化铁道：电气机车中的直流机车中采用整流装置整流装置，交，交流机车采用流机车采用变频装置变频装置。直流斩波器直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源辅助电源也都离不开电力电也都离不开电力电子技术。子技术。 电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱电动汽车：电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置

19、。一台高的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。29/21富士高速机车1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力系统电力系统 用户终端：用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有发达国家在用户使用的电能中，有60%以以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电：直流输电：其送电端的其送电端的整流阀整流阀和受电端的和受电端的逆变阀逆变阀

20、都采都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的的IGBT器件。近年发展起来的器件。近年发展起来的柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。也是依靠电力电子装置才得以实现的。 电能质量提高：电能质量提高：晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管晶闸管投切电容器（投切电容器（TSC）、静止无功发生器（静止无功发生器（SVG）、有源有源电力滤波器（电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统等电力电子装置大量用于电力系统的的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。 在配电网系统，电力电子装置还

21、可用于防止电网瞬时在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。停电、瞬时电压跌落、闪变等。 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。给蓄电池充电等都需要电力电子装置。 31/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用32/21图中国南方电网公司安顺换流站图中国南方电网公司安顺换流站静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电

22、压等级的直流电源供电。各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源高频开关电源。大。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用都采用高频开关电源高频开关电源。 在 大 型 计 算 机 等 场 合 ， 常 常 需 要在 大 型 计 算 机 等 场 合 ， 常 常 需 要 不 间 断 电 源不 间 断 电 源（Uninterruptible Powe

23、r Supply_ UPS）供电，不间断电供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。源实际就是典型的电力电子装置。33/211.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。 34/21新能源、可再生能源发电新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网当需要和电力系统联网 时，时，更离不开电力电子技术。更离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要磁场和注入能量时，

24、需要大容量的脉冲电源，这种大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，科学实验或某些特殊场合，常需要一些特种电源。常需要一些特种电源。图图1-7 风场风场新能源发电电力电子器件电力电子器件 不可控器件 半控型器件 全控型器件 不可控器件 二极管是一种不可控器件，其在电路中的图形符号和伏安特性如图2-1所示，二极管在电路中常用D表示。 从伏安特性可见，当阳极电压大于阴极电压0.7V时二极管导通,当施加反向电压值达到击穿电压时二极管被击穿。利用二极管具有的单方向导电性，在电路中广泛用作：整流、箝位、隔离和续流。变流电路中用于整流和续流的二极管是功率二极

25、管。 电力二极管39电力二极管实物图半控型器件 晶闸管晶闸管(SCR) 双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC )晶闸管晶闸管(SCR) 晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 晶闸管（晶闸管（Silicon Controlled Rectifier 简称简称SCR）是在）是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。 优点优点 ： (1) 用很小的功率用很小的功率(电流约几十毫安一百多毫安，电

26、压约电流约几十毫安一百多毫安，电压约24V)可以控制较大的功率可以控制较大的功率(电流自几十安几千安，电压自几百伏几千电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏伏)，功率放大倍数可以达到几十万倍；，功率放大倍数可以达到几十万倍； (2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级； (3) 损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅仅1V左右左右)，总效率可达，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为，而一般机组效率仅为85%左右；左右； (4) 体积小、重量轻。体积小、重量轻。缺点：缺点： (1) 过载

27、能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；流应适当留有余量； (2) 抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作； (3) 导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备； (4) 控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。控制电路比较

28、复杂，对维修人员的技术水平要求高。 在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。管控制系统，获得越来越广泛的应用。10.1 晶闸管晶闸管 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。一、晶闸管的结构和符号一

29、、晶闸管的结构和符号 晶闸管的外形和结构图分别如图所示晶闸管的外形和结构图分别如图所示 ：其中：其中：A阳极，阳极，K阴极，阴极，G控制极。控制极。结构示意图结构示意图表示符号表示符号4层半导体层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个个PN结结二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 实验电路如图（实验电路如图（a）所示，主电路加上交流电压）所示，主电路加上交流电压u2，控制极电路接入，控制极电路接入Eg，在，在t1 瞬间合上开关瞬间合上开关S，在，在t4 瞬间拉开开关瞬间拉开开关S，则，则u2、ug和电和电阻上阻上RL的电压的电压ud的波形关系如图（的波形关系如图（b）所示。）所示。 （1）

30、在）在0t1之间之间: 开关开关S未合上，未合上，ug=0，尽管，尽管uAK0，但，但ud=0，即晶闸，即晶闸管未导通；管未导通； （2）在）在t1t2之间之间: uAK0 ，由于开，由于开关关S合上，使合上，使ug0，而，而 ， 即晶闸即晶闸管导通；管导通； （3）在）在 t2t3 之间，之间， uAK0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断； （4）在）在 t3t4 之间，之间， uAK0，这时，这时ug0 ,而而 ，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通；2uud （5）当）当 t=t4 时，时， ug=0 ，但，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态；，即晶闸管仍处于导通

31、状态；2uud2uud （6）当）当 t=t5 时，时， uAK=0 ， ug=0 ，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 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) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，可按照晶体管工作原理，可列出如下方程：列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式式中中 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

32、增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基的共基极漏电流。极漏电流。47/89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，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。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。由上式是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近

33、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）将将趋近于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。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)48/89除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外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阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发这些情况除了这些情况除了光

34、触发光触发由于可以保证控制电路由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有于实践。只有门极触发门极触发是最精确、迅速而可是最精确、迅速而可靠的控制手段靠的控制手段。 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触发电流，时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电流

35、触发电流的情况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，门极就失去控制作用，不论门极触发晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下电流降到接近于零的某一数值以下。 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安

36、特性。 正向特性正向特性 当当IG=0时，在器件两端施加时，在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正正向电压，则晶闸管处于正向向阻断状态阻断状态，只有很小的正，只有很小的正向漏电流流过。向漏电流流过。 如果正向电压超过临界极限如果正向电压超过临界极限即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，并且阳如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一极电流降至接近于零的某一数值数值I

37、H以下，则晶闸管又回以下，则晶闸管又回到到正向阻断正向阻断状态，状态，IH称为称为维维持电流持电流。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+ UA- UA- IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+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的反向特性。反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的时，只有极小的反向漏电流反向漏电流通通过。过。 当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，

38、则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+ UA- UA- IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+ 综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论： （1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；晶闸管具有正、反向阻断能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时正向

39、电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；个条件； （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。电压降低到一定值（或断开，或反向）。 晶闸管的晶闸管的PN结可通过几十安结可通过几十安几千安的电流，因此，它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管几千安的电流，因此，它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳

40、极与阴极间的管压降为导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。分配在负载电阻上。 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 阳极电流的增长不可能是阳极电流的增长不可能是瞬瞬时：时：晶闸管内部的晶闸管内部的正反馈过程正反馈过程需需要时间；要时间；外电路电感外电路电感的限制的限制 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大的增大而减小而减小,上升时间除反映晶闸管上升

41、时间除反映晶闸管本身特性外，还受到本身特性外，还受到外电路电感外电路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极电压阳极电压,延延迟时间和上升时间都可显著缩短。迟时间和上升时间都可显著缩短。 图图2-10 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态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳态阳极电流稳态值的值的10% 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原处的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流然由正向变为反向时，

42、其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。 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 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。 在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果重内如果重新对晶闸管施加新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。图图2-10 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%反向恢复电流最反向恢复电流最大值大值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrt

43、grURRMIRMiA四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 1. 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压端的正向峰值电压 。UDRM=UDSM -100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般： 晶闸管的晶闸管的UDRM 、 UDRM应等于所承受的正、反向电压的（应等于所承受的正、反向电压的（23）倍。）倍。 2. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端晶闸管反向

44、截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压的反向峰值电压 。URRM=URSM -100 3. 额定通态平均电流（额定电流）额定通态平均电流（额定电流）IT 在环境温度不大于在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。额定通态平均电流，简称为额定电流。 4. 维持电流维持电流 IH 在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几在规定的环境温度

45、和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几mA一百多一百多mA 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态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平均电流时的瞬态峰值电 压。压。 额定电压：额定电压：通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值。中较小的标值。 选选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。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，一般为电流，一般为几十到几百毫安。

46、几十到几百毫安。 结温结温越高，则越高，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，能维持导通所需的维持导通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性最大正向过载电流最大正向过载电流动态参数动态参数 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，不导致晶闸管从断态在额定结

47、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到通态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，就会使晶闸管误电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通导通 。 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最大通态电流上升率电流上升率。 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。双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC ) 双向晶闸管也称双向三极半导体开关元件(Bidirectional Triode

48、Thyristor)，它和单向晶闸的区别是：第一，它在触发之后是双向导通的；第二，在门极中所加的触发信号不管是正的还是负的都可以使双向晶闸管导通。双向晶闸管可看作由两个单间晶闸管反向并联组成。 2） 双向晶闸管 双向晶闸管可被认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成。图1-9所示为它的基本结构、等效电路及伏安特性。 双向晶闸管有两个主电极V1和2，一个门极G。门极使器件在主电极的正、反两个方向均可触发导通，因此双向晶闸管在第一和第三象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通， 因此有四种触发方式： +、-表示V1、2间加正向电压时，正、负脉冲能触发晶闸管导通；+、-

49、表示1、2间加反向电压时，正、负脉冲能触发晶闸管导通。 图6-9(c)中注明了两个主电极1和2相对的电压极性，并注明门极G相对主电极2的电压极性。四种触发方式的灵敏度各不相同， 其中+方式最低，因此在实际应用中只采用(+、 -)与(-、 -)两组触发方式。 T2T2T1T1GGG(a)符号(b)双向开关IVT1T2T2T1Ig+-T2T1GIg+-(c)伏安特性G双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性双向晶闸管TRIAC 双向晶闸管与一对反并联晶闸管相比是经济的，并且控制电路比较简单， 但有以下局限性： （1） 双向晶闸管重新施加du/dt的能力差，这使它难以用于感性负载。双向晶闸管在交流电路中使

50、用时，须承受正、 反两个半波电流和电压。它在一个方向导电虽已结束，但当管芯硅片各层中的载流子还没有回复到阻断状态的位置时就立即承受反向电压，这些载流子电流有可能成为晶闸管反向工作时的触发电流而使之误导通，造成换相失败。另外，其换相能力随结温升高而有所下降。 （2） 电路灵敏度比较低。 （3） 管子的关断时间tq比较长。 双向晶闸管常在电阻性负载电路中用作相位控制，也用作固态继电器，有时还用于电动机控制，其供电频率通常被限制在工频附近。就目前的工艺水平而言，双向晶闸管的电压和电流定额比普通晶闸管低些。 由于双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示它的额定电流值。以200 A(

51、有效值)双向晶闸管为例,其峰值电流即为。而由式（1-2）可知，一个峰值为283 A的普通晶闸管的平均电流值为283 A/90 A, 所以一个200 A(有效值)的双向晶闸管可代替两个90 A(平均值)的普通晶闸管。 A2832220全控型器件全控型器件 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效益管 绝缘删极晶体管66/89典型全控型器件典型全控型器件引言引言门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。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、门极可关断晶闸管

52、、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块68/898.1.3门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管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，因而属于电流使其关断，因而属于全控全控型器件型器件。 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半导体结构四层半导体结构。 是一种多元的功率集成器件，是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极则包含

53、数十个甚至数百个共阳极的的小小GTO单元单元，这些，这些GTO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在一起。一起。 图图2-14 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 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 电气图形符号电气图形符号 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 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GTO的工作原理的工作原理 V1、V2的共基极电流增益分别的共基极电流增益分别是是 1、 2。 1

54、+ 2=1是器件临界导是器件临界导通的条件，大于通的条件，大于1导通，小于导通，小于1则关则关断。断。 GTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同 设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制控制 灵敏，易于灵敏，易于GTO关断。关断。 导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通时，导通时接近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P2基区基区横横向电阻很小，能从门极抽出较大电向电阻很小，能从门极抽出较大电流。流。 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，只不过

55、导通时过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电而关断时，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流，当两个晶体管发射极电流IA和和IK的减小使的减小使1+ 21时，器件退出时，器件退出饱和饱和而关断。而关断。 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开通过程过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。 GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管类开通过程与普通晶闸管类似。似。 关断过程关断过程 储存时间储存时间ts 下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 通常通常tf比比ts小得多，

56、而小得多，而tt比比ts要长。要长。 门极负脉冲电流门极负脉冲电流幅值幅值越越大，大，前沿前沿越陡，越陡， ts就越短。就越短。使门极负脉冲的使门极负脉冲的后沿后沿缓慢缓慢衰减，在衰减，在tt阶段仍能保持适阶段仍能保持适当的当的负电压负电压，则可以缩短，则可以缩短尾部时间尾部时间。GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时储存的抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间大量载流子的时间等效晶体管从饱和区退等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐至放大区，阳极电流逐渐减小时间渐减小时间

57、残存载流残存载流子复合所子复合所需时间需时间 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数意义相同。的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 用来标称用来标称GTO额定电流额定电流。 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与门极负脉冲电流最大值与门极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。 开通时间开通时间ton 延迟延迟时间与时间与上升上升时间之和。时间之和。 延迟时间一般约延迟时间一般约1

58、2 s，上升时间则随，上升时间则随通态阳极电流值通态阳极电流值的增大而的增大而 增大。增大。 关断时间关断时间toff 一般指一般指储存储存时间和时间和下降下降时间之和，而不包括时间之和，而不包括尾部尾部时间。时间。 储存时间随储存时间随阳极电流阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于的增大而增大，下降时间一般小于2 s。2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的流的双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）

59、 GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 最主要的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关特性开关特性好好。 GTR的结构的结构 采用至少由两个晶体管按采用至少由两个晶体管按达林顿接法达林顿接法组成的单元结构，并采用集组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元成电路工艺将许多这种单元并联并联而成。而成。 GTR是由是由三层半导体三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结

60、构。结构。2 电力晶体管电力晶体管 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a) 内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 电气图形符号电气图形符号 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动+表示高掺杂表示高掺杂浓度，浓度，-表示表示低掺杂浓度低掺杂浓度 电力晶体管电力晶体管Iiiceobc空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib内部载流子的流动内部载流子的流动 iibc在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极一般采用共发射极接法。集电极电流电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的的电流放大系数电流