第二 电力电子器件PPT课件

1、2.12.1、电力电子器件的基本模型 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电子器件的研制与应用。 定义：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（Power Electronic Device）。 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体电力电子器件。第1页/共208页电力电子器件的基本模型与特性 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所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其

2、电阻为零，断态时其电阻无穷大。导通、截止两种瞬态。 图电力电子器件的理想开关模型l一、基本模型：第2页/共208页电力电子器件的基本模型与特性 二、基本特性： （1）电力电子器件一般都工作在开关状态。 （2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。 （3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。第3页/共208页电力电子器件的种类 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类： 不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需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。 如：电力二极管（

3、Power Diode）；半控型器件：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。 如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；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的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型 晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。 第4页/共208页二、电力电子器件按门极控制信号 的性质不同又可分为两种： 电流控制型器件： 此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。 如：

4、晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等； 电压控制型器件： 这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。 如：代表性器件为 P-MOSFET管和IGBT管。第5页/共208页器件种类开关功能器件特性概略应用领域电力二极管不可控5kV/3kA5kV/3kA400Hz400Hz各种整流装置晶闸管半控导通6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光控SCRSCR炼钢厂、轧钢机、直流输电、电解用整流器可关断晶闸管自关断型（全控）6kV/6kA500Hz工业逆变器、电力机车用逆变器、无

5、功补偿器P-MOSFETP-MOSFET600V/70A100kHz开关电源、小功率UPSUPS、小功率逆变器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各种整流/ /逆变器（UPSUPS、变频器、家电）、电力机车用逆变器、中压变频器第6页/共208页第二章、电力电子器件v 2.1 、电力电子器件的基本模型 v 2.2 、电力二极管 v 2.3 、晶闸管v 2.4 、可关断晶闸管 v 2.5 、 电力晶体管 v 2.6 、电力场效应晶体管 v 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管 v 2.8 、其它新型电力电子器件v 2.9 、电力电子器件的驱动与保护第7

6、页/共208页1、结构2、工作原理3、特性4、参数第8页/共208页2.2 电力二极管 电力二极管及其工作原理电力二极管的特性与参数 第9页/共208页电力二极管及其工作原理 一、电力二极管： 1 1、电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器（Semiconductor Rectifier，简称SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最早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整流的场合发挥着积极的作用, 具有不可替代的地位。 第10页/共208页二、PN结与电力二极管工作原理：基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。以半导体PNPN结为基础。

7、由一个面积较大的PN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。 图电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）结构 b）外形 c）电气图形第11页/共208页二、 PN结与电力二极管工作原理：N型半导体和P型半导体结合后构成PN结: 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一区的扩散运动，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、负电荷称为空间电荷。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

8、的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。内电场:空间电荷建立的电场,也称自建电场，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）向本区运动，即漂移运动。 -。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场第12页/共208页 二、 PN结与电力二极管工作原理：PN结的正向导通状态： 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态： 流过反向饱和漏电流，为高阻状态。 PN结的单向导电性： 二极管的基本

9、原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿： 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN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CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 。l图电力二极管的伏安特性曲线第13页/共208页势垒电容只在外加电压变化时才起作用,空间电荷变化引起。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。（反向电压及较小的正向电压时电容效应明显）扩散电容仅在正向偏置时起作用，多数载流子运动引起。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容

10、为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容影响PN结的工作频率，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，应用时应加以注意。二、 PN结与电力二极管工作原理：第14页/共208页 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。第15页/共208页扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结

11、的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。扩散电容示意图第16页/共208页2.2 电力二极管电力二极管及其工作原理电力二极管的特性与参数 第17页/共208页电力二极管的特性与参数1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数 第18页/共208页1、电力二极管的伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。图电力二极管的伏安特性曲线 特性曲线:/(1)TV VSIIe第19

12、页/共208页电力二极管的特性与参数1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3 、电力二极管的主要参数 第20页/共208页开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完成，它要经历一个短时的过渡过程；此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管有很大差异；理解开关过程对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。状态：状态：过程：过程：导通、阻断开通、关断定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。第21页/共208页（1 1）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过程。如图（a a）所示。电源电压

13、从正向突然转为反向。v 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。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冲。（出现时间段不同，电流先出现电压后出现）图电力二极管开关过程中电压、电流波形第22页/共208页 二极管反向恢复过程示意图第23页/共208页 电力二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间t tfrfr。v 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量非平衡少子，达到稳态导通前管压降较大。v 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，U

14、 UFPFP越高 。（2 2）开通特性：如图（：如图（b b）所示）所示 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。图电力二极管开关过程中电压、电流波形第24页/共208页 延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用sr表示。 Tf大， Sr越大，反向电流变化慢，反向尖峰电压越小。图电力二极管开关过程中电压、电流波形第25页/共208页电力二极管的特性与参数（1 1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在KHZ以下

15、的整流电路中，其反向恢复时间在usus以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。 （2 2）快恢复二极管：反向恢复时间在usus以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode简称FDRFDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns100ns以下，其容量可达1200V/200A1200V/200A的水平, , 多用于高频整流和逆变电路中。 （3 3）肖特基二极管：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0.40.40.6V0.6V

16、，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒（10-40ns10-40ns） 。但反向耐压在200200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。电力二极管的主要类型：第26页/共208页电力二极管的特性与参数1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数第27页/共208页3、电力二极管的主要参数 （选择二极管依据）额定正向平均电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC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。设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流(平均电流)为: : 0)(sin21mmAVFIttdII（）（）（）（）2)sin(2102

17、mmFItdtII 电电流流平平均均值值电电流流有有效效值值 fK57. 12)( AVFFfIIK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波形系数（脉动系数），用K Kf f表示：额定电流有效值为: :（1）额定正向平均电流IF(AV)第28页/共208页 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按流过二极管实际波形电流与工频正弦半波平均电流热效应相等（即有效值相等）的原则来选取电流定额，并应留有1.52倍的裕量。 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。 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

18、也不小 。第29页/共208页选择二极管电流定额的过程：求出电路中流过二极管电流的有效值IF ；求二极管电流定额IFAV，等于有效值IF 除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。/1.57FAVFIIIF(AV)=(1.52) IF /1.57第30页/共208页如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。ImFAVI1.57FFAVII第31页/共208页 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。jMjM

19、通常在125125175175范围内。 （2 2）反向重复峰值电压RRMRRM： 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U U的2/32/3。l（3 3） 正向压降F F： 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压( (又称管压降) )。（4 4） 反向漏电流RRRR：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jM：第32页/共208页二极管的基本应用 整流续流D1D2D3D4VDCVAC（a）整流（b）续流DLiSVSRR第33页/共208页第二章、电力电子器件v 2.1 、 电力电子器件的基本模型 v 2.2 、 电力二极管

20、 v 2.3 、 晶闸管v 2.4 、 可关断晶闸管 v 2.5 、 电力晶体管 v 2.6 、 电力场效应晶体管 v 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管 v 2.8 、 其它新型电力电子器件 v 2.9 、 电力电子器件的驱动与保护第34页/共208页2.3 、晶闸管晶闸管及其工作原理晶闸管的特性与主要参数 晶闸管的派生器件 第35页/共208页2.3 、晶闸管 晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别说明的情况下,本书

21、所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普通晶闸管： 也 称 可 控 硅 整 流 管 ( S i l i c o n Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。第36页/共208页晶闸管及其工作原理 （1 1）外形封装形式: :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(额定电流在200A以上), 分别由图、(b)、(c)、(d)所示。 （2 2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极

22、A, 阴极K和门极(或称栅极)G, 它的电气符号如图所示。 图晶闸管的外型及符号1、晶闸管的结构：第37页/共208页常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第38页/共208页晶闸管是大功率器件, 工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上, 采用自然散热冷却方式, 如图所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间, 散热方式可以采用风冷或水冷, 以获得较好的散热效果,如图、(c)所示。图晶闸管的散热器第39页/共208页逆阻型晶闸管SCR两个三极管正反馈晶闸管的结构和结构模型螺栓型第40页/共208页额定电压额定电压, ,用百位或千位数

23、表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者。较小者。正、反向断态重复峰值电压正、反向断态重复峰值电压额定正向平均电流额定正向平均电流( (IF)晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A,额定电压为额定电压为700V。第41页/共208页2、晶闸管的工作原理图晶闸管的结构模型和等效电路 1 1）导通：晶闸管阳极施加正向电压时, , 若给门极G G也加正向电压U Ug g, ,门极电流I Ig g经三极管T T2 2放大后成为集电极电流I Ic2c2，I Ic2c2又是三极管T T1 1的基极电流, , 放大后的集电极电流I Ic1c1

24、进一步使IgIg增大且又作为T T2 2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管T T1 1、T T2 2都快速进入饱和状态, ,使晶闸管阳极A A与阴极K K之间导通。此时若撤除Ug, TUg, T1 1、T T2 2内部电流仍维持原来的方向, ,只要满足阳极正偏的条件, ,晶闸管就一直导通。晶闸管( (单向导电性),),导通条件为阳极正偏和门极正偏。双晶体管模型：双晶体管模型：T T2 2的集电极与T T1 1基极连基极连T T2 2的基基极与T T1 1集电极连极连第42页/共208页2. 工作原理 在极短时间内使两在极短时间内使两个三极管均饱和导通，个三极管均饱和导通，此过程称触

25、发导通。此过程称触发导通。G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii EA+_R T1T2EG_+G21iG2iGi2Bi第43页/共208页EA+_R T1T2EG2BiG2iGiG21i_+G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii G第44页/共208页 2 2）阻断：当晶闸管A A 、K K间承受正向电压，而门极电流I Ig g=0=0时, , 上述T T1 1和T T2 2之间的正反馈不能建立起来, ,晶闸管A A 、K K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。 2、晶闸管的工作原理图晶闸管的内部结构和等效电路第45页/共208页阳极电压

26、升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发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设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：第46页/共208页 必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效应不能维持。 将阳极电源断开或者在晶闸管的第47页/共208页AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效电路可控开通关断时：强迫其电流 下降到维持电流以下0111CBA

27、CiIaI0222CBCCiIaI02121IIaIaIIICACCA)(12120aaIaIIgA通态时121aaAI()ACIIAgCIII第48页/共208页2.3 、晶闸管晶闸管及其工作原理晶闸管的特性与主要参数 晶闸管的派生器件 第49页/共208页晶闸管的特性与主要参数定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。 图晶闸管阳极伏安特性 UDRM、URRM正、反向断 态重复峰值电压；UDSM、URSM正、反向断态 不重复峰值电压；UBO正向转折电压；URO反向击穿电压。. 晶闸管的伏安特性 ：第50页/共2

28、08页URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHOUIIG0IG1IG2正向平均电流()If U曲线第51页/共208页I IG G=0=0时，器件两端施加正向电时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压超过临界极限即正向转折电压U Ubobo，则，则漏电流漏电流急剧增大，器急剧增大，器件开通。件开通。随着门极电流幅值的增大，正随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。的正向特性相仿。

29、晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V1V左右。左右。导通期间，如果门极电流为零，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并且阳极电流降至接近于零的某一数值某一数值I IH H以下，则晶闸管又以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。回到正向阻断状态。I IH H称为称为维维持电流持电流在规定的环境和控在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。状态所必须的最小电流。图晶闸管阳极伏安特性（1 1）晶闸管的正向特性：第52页/共208页 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。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反

30、向漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，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加，导致晶闸管发热损坏。图晶闸管阳极伏安特性（2 2）晶闸管的反向特性：第53页/共208页2. 2. 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。l晶闸管的开通和关断过程波形第54页/共208页延迟时间t td d：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%10%的时间。上升时间t tr r：阳极电流从10%10%上升到稳态值的90%90%所需的时间。开通时间t tgtgt：以上两者之和，t tgtgt=t=td d+t+tr r 普通晶闸管延迟时间为0.51.50.51.5s

31、 s，上升时间为0.530.53s s。 晶闸管的开通和关断过程波形 l1) 1) 开通过程：第55页/共208页正向阻断恢复时间t tgrgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间v在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。v实际应用中，应对晶闸管施加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阻断能力，电路才可靠“关断”。关断时间t tq q：t trrrr与t tgrgr之和，即 t tq q =t=trrrr+t+tgrgrl晶闸管的开通和关断过程波形 l2) 2) 关断过程（1-7)1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 反向阻断恢

32、复时间t trrrr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间第56页/共208页 延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用sr表示。 Tf大， Sr越大，反向电流变化慢，反向尖峰电压越小。图电力二极管开关过程中电压、电流波形比较二极管：第57页/共208页（3）晶闸管的开通与关断时间v1 1）开通时间tgt：o普通晶闸管的开通时间tgt 约为6s。o开通时间与触发脉冲的陡度与触发电压（触发电流）大小、结温以及主回路中的电感量等有关。v2）关断时间tq

33、 ：o普通晶闸管的tq 约为几十到几百微秒。o关断时间与元件结温 、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。第58页/共208页3. 晶闸管的主要特性参数 1 1）正向重复峰值电压UDRM : : 门极断开(I(Ig g=0), =0), 元件处在额定结温时, ,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压U UDSMDSM ( (此电压不可连续施加) )的80%80%所对应的电压( (此电压可重复施加, ,其重复频率为50HZ50HZ，每次持续时间不大于10ms)10ms)。2 2）反向重复峰值电压URRM : : 元件承受反向电压时, ,阳极电压为反向不重复峰值电压URRM的80%80%所对应

34、的电压。 3 3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取U UDRMDRM与U URRMRRM中的最小值, , 选用时，额定电压要留有一定裕量, ,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 23 3倍。（1）晶闸管的重复峰值电压额定电压Ute第59页/共208页（2）晶闸管的额定通态平均电流额定电流IT(AV) 在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.51.52 2的安全系数，使其有一定的电流裕量。1 1）定义：在环境温度为40和规定的冷却条件下, 晶闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦半波电路中, 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。第6

35、0页/共208页 这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为IT = Kf IT(AV) = 157A。2） IT(AV)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（）（）（）（） 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Im, 则额定电流(平均电流)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形系数，用Kf表示：根据上式可求出正弦半波电流的波

36、形系数：第61页/共208页 图中画斜线部分为一个2周期中晶闸管的电流波形。若各波形的最大值为Im=100A，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3 。 若考虑2倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求？例题答：第62页/共208页（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT 1 1）定义：在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。 2 2）晶闸管由于门极特性的差异，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触发电

37、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常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响很大，温度升高，UGT 、IGT 值会显著降低，温度降低，UGT 、IGT 值又会增大。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UGT 大几倍。第63页/共208页（4）通态平均电压UT(AV ) 1 1）定义：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，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降) 2 2）其数值按表分组在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择T(AV) 小的晶闸管。组 别ABC通态平均电压（V）T0.4

38、0.4T0.50.5T0.6组 别DEF通态平均电压（V）0.6T0.70.7T0.80.8T0.9组 别GHI通态平均电压（V）0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表晶闸管通态平均电压分组第64页/共208页（5）维持电流 和掣住电流L 1 1）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好能保持导通的最小阳极电流为维持电流H 。（晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。由通态转为断态的临界）v维持电流与元件容量 、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明了常温下IH 的实测值。 2 2）掣(che)(che)住电流L ：v给晶闸管门极加上触

39、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要的最小阳极电流称掣住电流L。（由断态转为通态）v对同一晶闸管来说，掣住电流L 要比维持电流H 大24倍。(易断不易通。管子由通态转为断态在温度较高情况下，易断不易通。管子由通态转为断态在温度较高情况下，故故维持电流H 较小）较小） 第65页/共208页（6）通态电流临界上升率 di/dt 1 1、定义：晶闸管能承受而没有受损害的最大通 态 电 流 上 升 率 称 通 态 电 流 临 界 上 升 率 di/dt。2 2、影响：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，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到

40、PN结的全部面积。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，使晶闸管损坏。 晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。第66页/共208页（7）断态电压临界上升率du/dt 1 1）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管误触发导通( ( 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du/dt。 2 2）影响：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，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，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。 第67页/共208页第68页/共208页2.3 、晶闸管

41、晶闸管及其工作原理晶闸管的特性与主要参数 晶闸管的派生器件 第69页/共208页晶闸管的派生器件 可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(Fast Switching Thyrister，简称FST)，开关频率在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。 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薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。 快速晶闸管du/dt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du/dt，当开关频率升高时，du/dt 耐量会下降。1. 快速晶闸管(Fast Switching ThyristerFSTFST第70

42、页/共208页 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。 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、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。 通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。晶闸管的派生器件 a)b)IOUIG=0GT1T2图双向晶闸管的电气图形符号和图双向晶闸管的电气图形符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2. 双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)第71页/共208页晶闸管

43、的派生器件 1)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。 2)与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点； 3)根据逆导晶闸管的伏安特性可知，它的反向击穿电压很低；不具有承受反向电压的能力，一旦承受即开通。因此只能适用于不需要阻断反向电压的电路中；故称为逆导型。 4)逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流管区之间的隔离区； 5)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；b)a)UOIKGAIG=0图逆导晶闸管的电气图形符图逆导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l3. 逆导

44、晶闸管 (RCT)第72页/共208页v1)1)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。v2) 2) 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。v3 3）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率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。晶闸管的派生器件 图控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 4. 光控晶闸管(LTT)(LTT)第73页/共208页第二章、电力电子器件v 2. 1、电力电子器件的基

45、本模型 v 2. 2、电力二极管 v 2. 3、晶闸管v 2. 4、可关断晶闸管 v 2. 5、电力晶体管 v 2. 6、电力场效应晶体管 v 2. 7、绝缘栅双极型晶体管 v 2. 8、其它新型电力电子器件v 2. 9、电力电子器件的驱动与保护第74页/共208页2.4 2.4 可关断晶闸管 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTOGTO。 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，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。 第75页/共208页2.4 2.4 可关断晶闸

46、管 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管的特性与主要参数 第76页/共208页 可关断晶闸管及其工作原理 与普通晶闸管的相同点： PNPNPNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTOGTO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GTOGTO元，这些GTOGTO元的阴极和门极则在器件内部分别并联在一起，以便于实现门极控制关断。图图1-13 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

47、形符号1、可关断晶闸管的结构第77页/共208页 2 2、可关断晶闸管的工作原理 1 1）GTOGTO的导通机理与SCRSCR是相同的。GTOGTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的, , 但在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，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。 2 2）在关断机理上与SCRSCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流( (即抽取饱和导通时储存的大量载流子) )，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 第78页/共208页T2的电流分配系数2较大；T1、T2饱和深度较浅。GTO （Gate Turn-Off Thyris

48、tor）为什么能靠反向触发电流关断？采用双晶体管模型来分析：采用双晶体管模型来分析： 分别具有共基电流增益分别具有共基电流增益1 1、2 2，由普通晶闸管分析可知：由普通晶闸管分析可知：1 1+ +2 2=1=1是器件导通的临界条件。是器件导通的临界条件。1 1+ +2 2 1 1两个等效晶体管过饱和使器件导通。两个等效晶体管过饱和使器件导通。1 1+2 2 UUGE(TH)GE(TH)( (开启电压, ,一般为3 36V) 6V) ；其输出电流I Ic c与驱动电压U UGEGE基本呈线性关系； 图的伏安特 性和转移特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 1、IGBT的伏安特性和转移特性（2

49、2）IGBTIGBT的转移特性曲线（如图b b）IGBTIGBT关断：IGBTIGBT开通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)；第125页/共208页 2、IGBT的开关特性 （1）IGBT的开通过程： 从正向阻断状态转换到正向导通的过程。 v开通延迟时间td(on) ： IC从10%UCEM到10%ICM所需时间。v电流上升时间tr ： IC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。v开通时间ton ton ： ton = td(on) + + tr缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 图的开关特性 第126页/共208页2、IGBT的开关特性（2）IGBT的关断过程v关断延迟时间td(

50、off) ：从UGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到ic下降至90%ICM v电流下降时间：ic从90%ICM下降至10%ICM 。v关断时间toff：关断延迟时间与电流下降之和。 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2 tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，ic下降较快； tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，ic下降较慢。缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 图的开关特性 第127页/共208页v（1 1）最大集射极间电压U UCEMCEM： IGBTIGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。 v（2 2）通态压降： 是指IGBTIGBT在导通状态时集电极和发射

51、极之间的管压降。v（3 3）集电极电流最大值I ICMCM： IGBTIGBT的 I IC C增大，可至器件发生擎住效应，此时为防止发生擎住效应，规定的集电极电流最大值I ICMCM。 v（4 4）最大集电极功耗P PCMCM： 正常工作温度下允许的最大功耗 。 缘栅双极型晶体管的特性与主要参数 l3、IGBT的主要参数第128页/共208页 3、IGBT的主要参数v(5) (5) 安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在开通时为正向偏置时的安全工作区，如图所示。反偏安全工作区RBSOARBSOA：IGBTIGBT在关断时为反向偏置时的安全工作区，如图IGBTIGBT的

52、导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。 在使用中一般通过选择适当的U UCECE和栅极驱动电阻, ,控制 ，避免IGBTIGBT因 过高而产生擎住效应。l图的l 安全工作区 dtdUCEdtdUCE导通时间越短，导通时间越短，安全工作区越小。dtdUCE越大，安全工作区越小。 第129页/共208页擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：（：（IGBT关断失控）关断失控）NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对于对J3结施加正偏压，一旦结施加正偏压，

53、一旦J3开通，栅极就会失去对集开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。电极电流的控制作用，电流失控。GCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。第130页/共208页 (6) 输入阻抗：IGBT的输入阻抗高，可达1091011数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与VDMOS相似。 (7) 最高允许结温TjM：IGBT的最高允许结温TjM为150。VDMOS的通态压降随结温升高而显著增加，而IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。缘栅双

54、极型晶体管的特性与主要参数 3、IGBT的主要参数第131页/共208页v 2.1 、电力电子器件的基本模型 v 2.2 、电力二极管 v 2.3 、晶闸管v 2.4 、可关断晶闸管 v 2.5 、电力晶体管 v 2.6 、电力场效应晶体管 v 2.7 、绝缘栅双极型晶体管 v 2.8 、其它新型电力电子器件v 2.9 、电力电子器件的驱动与保护第二章、电力电子器件第132页/共208页2.8 、其它新型电力电子器件 静电感应晶体管 静电感应晶闸管 控制晶闸管 集成门极换流晶闸管 功率模块与功率集成电路 第133页/共208页静电感应晶体管（SIT） 它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率

55、大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；频率与MOSMOS管相当。 但通态电阻较大，损耗大，不加信号时导通，加负偏压关断，使用不太方便。 广泛用于高频大功率场合高频感应加热、雷达通信设备、超声波功率放大和脉冲功率放大等领域如高频感应加热设备( (例如200kHz200kHz、200kW200kW的高频感应加热电源) )、高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术。第134页/共208页 1 1、SITSIT的工作原理- -结型场效应管 1 1）结构：SITSIT为三层结构，其元胞结构图如图所示，其三个电极分别为栅极G G，漏极D D和源极S

56、S。其表示符号如图所示。 2 2）分类：SITSIT分N N沟道、P P沟道两种，箭头向外的为NSITNSIT，箭头向内的为PSITPSIT。 3 3）导通、关断：SITSIT为常开器件，即栅源电压为零时，两栅极之间的导电沟道使漏极D-SD-S之间的导通。则SITSIT导通；当加上负栅源电压U UGSGS时，栅源间PNPN结产生耗尽层。随着负偏压U UGSGS的增加，其耗尽层加宽，漏 源 间 导 电 沟 道 变 窄 。 当U UGSGS=U=UP P( (夹断电压) )时，导电沟道被耗尽层所夹断，SITSIT关断。静电感应晶体管（SITSIT） SIT的漏极电流的漏极电流ID不但受栅不但受栅极

57、电压极电压UGS控制，同时还受漏极控制，同时还受漏极电压电压UDS控制。控制。 l图的结构及其符号 第135页/共208页 2 2、SITSIT的特性 静态伏安特性曲线（N N沟道SITSIT）：当栅源电压U UGSGS一定时，随着漏源电压U UDSDS的增加，漏极电流I ID D也线性增加，其大小由SITSIT的通态电阻所决定 ； SITSIT采用垂直导电结构, ,其导电沟道短而宽, ,适应于高电压, ,大电流的场合； SITSIT的漏极电流具有负温度系数, ,可避免因温度升高而引起的恶性循环； 静电感应晶体管（SITSIT）图静态 伏安特性曲线第136页/共208页SITSIT的漏极电流通

58、路上不存在PNPN结, ,一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象, ,其安全工作区范围较宽； SITSIT是短沟道多子器件, ,无电荷积累效应, ,它的开关速度相当快, ,适应于高频场合； SITSIT的栅极驱动电路比较简单：关断SITSIT需加数十伏的负栅压-U-UGSGS , , 导通SIT SIT ，可以加5 56V6V的正栅偏压+U+UGSGS, ,以降低器件的通态压降；静电感应晶体管（SITSIT）l2 2、SITSIT的特性 图的 安全工作区第137页/共208页 静电感应晶体管 静电感应晶闸管 控制晶闸管 集成门极换流晶闸管 功率模块与功率集成电路 2.8 、其它新型电力电子器件第

59、138页/共208页静电感应晶闸管（SITH） 它自1972年开始研制并生产； 优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小、 及 耐量高等； 应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域； 缺点：SITH制造工艺复杂，成本高； dtdidtdu第139页/共208页 1 1、SITHSITH的工作原理 1 1）结构：在SITSIT的结构的基础上再增加一个P P+ +层即形成了SITHSITH的元胞结构，如图。 2 2）三极：阳极A A、阴极、栅极G G， 3 3）原理： 栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITHSITH； 在栅极G G和阴

60、极K K之间加负电压，G-KG-K之间PNPN结反偏，在两个栅极区之间的导电沟道中出现耗尽层，A-KA-K间电流被夹断，SITHSITH关断； 栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。 静电感应晶闸管（SITH）图元胞 结构其及符号第140页/共208页 特性曲线的正向偏置部分与SIT相似。栅极负压-UGK可控制阳极电流关断，已关断的SITH，A-K间只有很小的漏电流存在。 SITH 为场控少子器件，其动态特性比GTO优越。SITH的电导调制作用使它比SIT的通态电阻小、压降低、电流大，但因器件内有大量的存储电荷， 所以它的关断时间比SIT要长、工作频率要低。 静电感应晶闸管（SITH）