第1章 电力电子器件ppt课件

1、第1章 电力电子器件 第1章 电力电子器件 1.1 整流器件的运用整流器件的运用 1.2 晶闸管晶闸管(SCR) 1.3 电力晶体管和电力场效应晶体管电力晶体管和电力场效应晶体管 1.4 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 1.5 其他电力电子器件其他电力电子器件 习题与思索题习题与思索题 第1章 电力电子器件 1.1 整流器件的运用整流器件的运用 1.1.1 1.1.1 功率二极管的根本特性功率二极管的根本特性 功率二极管又称为电力二极管，可以接受高电压大电流且功率二极管又称为电力二极管，可以接受高电压大电流且具有较大的耗散功率，是由一个面积较大的具有较大的耗散功率，是由一个面积较大的PN

2、PN结和两端引线封结和两端引线封装组成的，引出的两个电极分别称为阳极装组成的，引出的两个电极分别称为阳极A A和阴极和阴极K K。功率二极。功率二极管与中小功率二极管的构造、任务原理和伏安特性类似。图管与中小功率二极管的构造、任务原理和伏安特性类似。图1111所示为功率二极管的构造和图形符号。当二极管处于正向电压所示为功率二极管的构造和图形符号。当二极管处于正向电压作用下，管子两端正偏压很小约为作用下，管子两端正偏压很小约为1 V1 V左右时，左右时，PNPN结导通，结导通，正向管压降正向平均电压正向管压降正向平均电压UFUF，约为，约为0.450.451 V1 V左右很小；反左右很小；反之，

3、假设二极管处于反向电压作用下应小于击穿电压，之，假设二极管处于反向电压作用下应小于击穿电压，PNPN反向，二极管处于阻断形状，仅有极小的可忽略的漏电流流过。反向，二极管处于阻断形状，仅有极小的可忽略的漏电流流过。 由于二极管的导通速度和反向恢复时间相对于电力电路的暂态由于二极管的导通速度和反向恢复时间相对于电力电路的暂态变化过程快得多，变化过程快得多， 因此，可以把二极管看成是理想开关。因此，可以把二极管看成是理想开关。 第1章 电力电子器件 图11 功率二极管的构造和图形符号 第1章 电力电子器件 功率二极管主要参数的选择原那么与普通二极管有所不同。 在规定的环境温度和规范散热条件下，元件允

4、许长时间延续流过50 Hz正弦半波的电流平均值，将此电流值取规定系列的电流等级，作为元件的额定正向平均电流IF，简称额定电流。其有效值应大于管子在任务中能够流过的最大电流有效值IDM。思索到元件的过载才干较小，因此选择时普通选择1.52倍的平安裕量，即按照 57. 1)25 . 1 (DMIIF1-1 取相应规范系列值。 第1章 电力电子器件 在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不反复峰值电压值URSM的80%称为反向反复峰值电压URRM，将URRM值取规定的电压等级作为该元件的额定电压。反向反复峰值电压URRM 的选择原那么应为管子所任务的电路中能够接遭到的最大反向瞬时值电压UDM 23倍，

5、即 DMRRMUU) 32( 1-2 取相应规范系列值。 第1章 电力电子器件 1. 整流二极管整流二极管的特点是通态正向压降很低，反向阻断电压和任务电流可以高达几千伏和几千安，但反向恢复时间较长。 整流二极管多用于开关频率不高的场所，普通开关频率在1 kHz以下运用。 2. 快速恢复二极管快速恢复二极管的特点是恢复时间短，尤其是反向恢复时间短，普通在5 s以内，多用于与可控开关配合的高频电路中。 第1章 电力电子器件 3. 肖特基二极管肖特基二极管是以金属和半导体接触构成的势垒为根底的二极管，其反向恢复时间更短，普通为几十ns。它适用于较低输出电压和要求较低正向管压降典型值为0.3 V的换流

6、电路中。 第1章 电力电子器件 1.1.2 1.1.2 二极管的根本运用二极管的根本运用1 1 续流续流如图如图1 12(a)2(a)所示，为防止在开关器件所示，为防止在开关器件S S切断电感电路时，切断电感电路时， 电感产生的反向电势与电源叠加很大而对开关器件呵斥损坏，电感产生的反向电势与电源叠加很大而对开关器件呵斥损坏， 特接入二极管，给电感电流提供一个继续流动的回路，以保特接入二极管，给电感电流提供一个继续流动的回路，以保证开关管证开关管S S在关断时其两端电压不超越电源电压在关断时其两端电压不超越电源电压USUS，从而有效，从而有效地防止因电感关断而在开关器件两端出现的高压。地防止因电

7、感关断而在开关器件两端出现的高压。 第1章 电力电子器件 2 2限幅限幅如图如图1-21-2b b所示，当输入信号所示，当输入信号USUS变化范围很大时，利用变化范围很大时，利用二极管可以使信号电压的幅值限制在某个范围之内。设二极管二极管可以使信号电压的幅值限制在某个范围之内。设二极管的阈值电压为的阈值电压为UthUth，当，当US UthUS UthUSUth时二极管导通，二极管被限制为正导游通电压。时二极管导通，二极管被限制为正导游通电压。硅管的导通电压为硅管的导通电压为0.7V0.7V，锗管的导通电压为，锗管的导通电压为0.3V0.3V。经过把几个。经过把几个二极管串联起来就可以得到不同

8、的限副值。二极管串联起来就可以得到不同的限副值。 第1章 电力电子器件 3钳位如图1-2c所示，当负载RL改动时，只需二极管处于正偏导通时，那么输出电压将UO等于电源电压Us和二极管UF的压降之和，与负载RL无关。即被钳位到。当二极管反偏截止，将随RL的改动而改动，钳位电路失去作用。4稳压稳压管的正常任务区是在反向击穿区，当二极管被反向击穿后，反向端电压根本不变。如图1-2d所示，当电源电压改动时，经过稳压二极管的反向电流改动，使串联电阻R上的压降改动，而使负载电压UO根本不变。 第1章 电力电子器件 图12 二极管的续流、限幅、钳位、稳压运用(a) 续流； (b) 限幅； (c) 钳位； (

9、d) 稳压 第1章 电力电子器件 图1-3 半波整流电路 第1章 电力电子器件 图1-4 半波整流电路波形图 第1章 电力电子器件 图1-5所示为二极管所组成的桥式整流电路，通常有三种画法。在u2正半周时，VD1、VD2导通，VD3、VD4截止，而在u2负半周时，VD1、VD2截止，VD3、VD4导通，电路各处电流、电压波形如图1-6所示。由波形可知，其输出电压为，流过二极管的电流为29 . 0 UUOLLOODRURUII245. 05 . 05 . 0二极管接受的最大反向电压仍为变压器二次电压的峰值，即 22UURM第1章 电力电子器件 图15 单相桥式整流电路 第1章 电力电子器件 图1

10、6 桥式整流电路波形图 第1章 电力电子器件 6 倍压整流电路半波整流电路或桥式整流电路无法得到高压直流电源，而采用倍压整流电路那么可以获得。它是利用二极管的整流和导引作用，把较低的直流电压分别存于多个电容器上，然后把它们按照一样的极性串联起来，从而得到较高的直流电压。如图1-7所示为二倍压整流电路。当u2正半周时，VD1导通，VD2截止，u2向C1充电，充电至，极性如图中所示。当u2为负半周时，VD2导通，VD1截止，u2向C2充电，充电至，极性如图中所示。负载RL电压为C1、C2电压之和为，因输出电压可以到达电容滤波输出电压的二倍，所以该电路称为二倍压整流电路。 22U22U222U第1章

11、 电力电子器件 图17 二倍压整流电路 第1章 电力电子器件 根据同样的原理，只需把更多的电容串联起来，并且添加相应的充电二极管，那么可以组成多倍压整流电路。图18所示为六倍压整流电路。实践上由于存在电容的放电，使电容电压不能够一直坚持最大值，而且由于电容的充放电，将使电容电压产生动摇，因此存在脉动成分。负载阻抗越小，电容充放电就越快， 以电压脉动成分也就越大。所以，倍压整流电路仅适用于要求输出电压较高、 负载电流较小的场所。 第1章 电力电子器件 图1-8 多倍压整流电路 第1章 电力电子器件 1.2 晶闸管晶闸管SCR 1.2.1 1.2.1 晶闸管的根本构造与任务原理晶闸管的根本构造与任

12、务原理晶闸管的外形及符号如图晶闸管的外形及符号如图1 19 9所示。晶闸管的外形大致有所示。晶闸管的外形大致有三种：三种： 塑封形、螺栓形和平板形。额定电流塑封形、螺栓形和平板形。额定电流10 10 以下的多为以下的多为塑封形，塑封形， 在在10 10 以上至以上至200 200 以下的为螺栓形，以下的为螺栓形，200 200 以上以上的为平板形。晶闸管的外形是为便于安装散热器而设计的，这的为平板形。晶闸管的外形是为便于安装散热器而设计的，这是由于器件任务时，因损耗而产生热量，需求经过散热器来降是由于器件任务时，因损耗而产生热量，需求经过散热器来降低管芯温度。低管芯温度。 第1章 电力电子器件

13、 图19 晶闸管的外形及符号 (a) 塑封形； (b)、 (c) 螺栓形； (d) 平板形 第1章 电力电子器件 如图1.10所示为晶闸管的内部构造和等效电路。晶闸管是具有三个PN结的四层1122三端、器件，由最外的P1层和N2层引出两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间P2层引出的电极是门极G也称控制极。晶闸管内部具有三个结，即1、2、3，它的构造又可以等效为两个互补衔接的三极管，其中1和2区既是一个三极管的集电极同时又是另一个管子的基极。我们经过图1-11所示的实验线路来阐明晶闸管的导通关断条件。在该电路中，由主电源EA、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极，经过双刀开关1组成晶闸管主电路；门极电路

14、由门极电源EG、晶闸管的门极和阴极，经过双刀开关2组成，又叫控制电路，也称为触发电路。 第1章 电力电子器件 图110 晶闸管的内部构造及等效电路(a) 芯片内部构造； (b)、 (c) 互补三极管等效表示图 第1章 电力电子器件 图111 晶闸管的导通关断实验电路 第1章 电力电子器件 经过以上实验结果，可得到如下结论： 晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压， 同时在它的门极和阴极间也加适当的正向电压， 两者缺一不可。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制造用，此时可以把门极电压撤去。因此，门极电压不需坚持直流电压，常采用脉冲电压。晶闸管从阻断变为导通的过程称为触发导通，普通门极的触

15、发电流只需几十毫安到几百毫安，而晶闸管导通后， 却可以经过几百、几千安的电流。所以说，经过晶闸管实现了弱电对强电的控制。 第1章 电力电子器件 )晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。维持电流是坚持晶闸管导通的最小电流。由于门极只能控制晶闸管的导通，却无法控制其关断，所以又称晶闸管为半控型器件。晶闸管为什么有以上的导通关断特性呢？我们经过图1-12来阐明。设1和2分别是1和V2的电流放大系数。当晶闸管阳极接受正向电压，门极也加正向电压时，晶体管V2处于正向偏置，EG产生的控制极电流IG就是2的基极电流IB2，V2的集电极电流IC2 =2 IG又是晶体管1的基极电流IB1，1的集

16、电极电流IC1=1IC2 =12 IG又流入V2的基极，再一次放大2的基极电流IB2。这样循环下去，构成了剧烈的正反响，使两个晶体管很快到达饱和导通，这就是晶闸管的导经过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流与外加电压和负载有关。 第1章 电力电子器件 图1-12晶闸管任务原理表示图第1章 电力电子器件 1.2.2 1.2.2 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图1-131-13所示

17、。所示。图中位于第一象限的是正向特性，位于第三象限的是反向图中位于第一象限的是正向特性，位于第三象限的是反向特性，其主要特性表现如下：特性，其主要特性表现如下： 第1章 电力电子器件 图1-13 晶闸管的阳极伏安特性 第1章 电力电子器件 图中位于第一象限的是正向特性，位于第三象限的是反向特性，其主要特性表现如下： 1在正向偏置下，当G时，假设在晶闸管两端所加正向电压末增到正向转机电压O时，元件都处于正向阻断形状，只需很小的正向漏电流。当=O时，发生转机，漏电流急剧增大，器件由阻断形状进入导通形状，正向电压降低，其特性和二极管的正向伏安特性相仿。这种由电压引起的导通称为电压触发导通，是一种硬开

18、通，多次这样会呵斥晶闸管的损坏，所以通常不允许采用。 第1章 电力电子器件 2当采用门极触发导通方式时，门极触发电流G越大，正向转机电压O就越低。而当IG足够大时，管子就导通了，此时的晶闸管的正向转机电压O很小，压降也很小。晶闸管正导游通的伏安特性与二极管的正向特性类似。晶闸管一旦触发导通后，即使去掉门极信号，器件仍能维持导通形状不变。所以，晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用。3导通之后，只需逐渐减小阳极电流IA，使IA下降到小于维持电流IH，器件又可恢复到阻断形状。这种关断方式称为自然关断，除此之外，还可采用加反偏电压的方法进展强迫关断。 第1章 电力电子器件 4在反向偏置下，其伏安特性和整

19、流管的反向伏安特性类似。处于反向阻断形状时，只需很小的反向漏电流，当反向电压超越反向击穿电压O后，反向漏电流急剧增大，呵斥晶闸管反向击穿而损坏。 第1章 电力电子器件 1.2.3 1.2.3 晶闸管主要参数晶闸管主要参数1 1电压参数电压参数(1)(1)额定电压额定电压TnTn在门极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可反复加在晶闸管在门极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可反复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向反复峰值电压两端的正向峰值电压称为正向反复峰值电压UDRMUDRM。普通规定此电。普通规定此电压为正向转机电压压为正向转机电压UBOUBO的的80%80%。同理，在门极断路时，可以反复加。同理

20、，在门极断路时，可以反复加在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向反复峰值电压在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向反复峰值电压URRMURRM。此电。此电压取反向击穿电压压取反向击穿电压UROURO的的80%80%。普通把。普通把UDRMUDRM和和UDRMUDRM中较小的那个值中较小的那个值按百位取整后作为该晶闸管的额定电压值。晶闸管元件的耐压会按百位取整后作为该晶闸管的额定电压值。晶闸管元件的耐压会因散热条件恶化和结温升高而降低，因此选择元件的额定电压时因散热条件恶化和结温升高而降低，因此选择元件的额定电压时应留意留有充分的裕量，普通应按任务电路中能够接遭到的最大应留意留有充分的裕量，普通应按任务

21、电路中能够接遭到的最大瞬时值电压瞬时值电压TMTM的的2 23 3倍来选择，即倍来选择，即 TnTM (1-3) 第1章 电力电子器件 (2)通态平均电压UT(AV) 当流过正弦半波电流并到达稳定的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。额定电流大小一样的管子,通态平均电压越小,耗散功率就越小，管子质量就越好。 第1章 电力电子器件 2 2电流参数电流参数(1)(1)额定电流额定电流T(AV)T(AV)晶闸管的额定电流用通态平均电流来表示。在环境温度小晶闸管的额定电流用通态平均电流来表示。在环境温度小于于4040和规范散热及全导通的条件下，晶闸管允许经过的工频和规范散

22、热及全导通的条件下，晶闸管允许经过的工频正弦半波电流平均值称为通态平均电流正弦半波电流平均值称为通态平均电流T(AV)T(AV)或正向平均电或正向平均电流，按晶闸管规范电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流。流，按晶闸管规范电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流。通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。假设正弦半波电流通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。假设正弦半波电流的最大值为的最大值为ImIm，那么，那么 mm0)AV(T)(sin21IttdII1-4 第1章 电力电子器件 额定电流有效值为IT 2)()sin(2120mmTItdtII1-5 但是在实践运用中，对于不同的电路、不同的负载、

23、流过晶闸管的电流波形外形、波形导通角并不是一定的，各种含有直流分量的电流波形都有一个电流平均值一个周期内波形面积的平均值，也就有一个电流有效值均方根值。我们把某电流波形的有效值与平均值之比称为该电流的波形系数，用Kf表示，即 57. 12)AV(TTfIIK(1-6) 第1章 电力电子器件 这阐明额定电流IT(AV)=100 A的晶闸管，其额定电流有效值为。 在选用晶闸管的时候，首先要根据管子的额定电流求出元件允许流过的最大有效电流。不论流过晶闸管的电流波形如何，只需流过元件的实践电流最大有效值小于或等于管子的额定电流有效值，且散热冷却在规定的条件下，管芯的发热就可以限制在允许范围内。思索到晶

24、闸管的电流过载才干比普通电机、电器要小得多，因此在选用晶闸管额定电流时，要根据实践最大的电流计算后至少要乘以1.52的平安系数，即 AIKIAVTfT157)(57. 1)25 . 1 (TT(AV)II(1-7) 第1章 电力电子器件 2)维持电流H 在室温暖门极断开时，元件从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维持电流。它普通为十几毫安到几百毫安。维持电流与元件容量、结温有关，元件的额定电流愈大，维持电流也愈大。而维持电流大的晶闸管更容易关断。 3)掣住电流L 晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能使元件坚持导通所需求的最小阳极电流称为掣住电流L。L为维持电流H的2-4倍。欲使

25、晶闸管触发导通，必需使触发脉冲坚持到阳极电流上升到掣住电流以上，否那么会呵斥晶闸管重新恢复阻断形状，因此触发脉冲必需具有一定的宽度。 第1章 电力电子器件 3其他参数(1)晶闸管的开通时间ton与关断时间toff晶闸管开通时间ton是指从门极触发电压前沿的10%到元件阳极电压下降至10%所需的时间，普通晶闸管的ton约为6s。为了缩短开通时间，常采用实践触发电流比规定触发电流大35倍、前沿陡的窄脉冲来触发。假设触发脉冲不够宽，晶闸管就不能够触发导通，为保证晶闸管可靠触发，要求触发脉冲的宽度稍大于ton 。晶闸管的关断时间toff是把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断才干所需求的时间称

26、为关断时间。晶闸管的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。普通晶闸管的toff约为几十到几百微秒。 第1章 电力电子器件 (2)门极触发电流GT和门极触发电压GT在室温下，对晶闸管加上6伏正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必需的最小门极电流称为门极触发电流GT，相应的门极电压称为门极触发电压GT。假设触发电流太小，容易受干扰而引起误触发；假设触发电流太大会呵斥控制电路功率的负担，因此不同系列的晶闸管都规定了最大和最小触发电流、触发电压的范围。由于受温度影响很大，而元件铭牌上的数据是常温下所测，所以实践任务时的触发电压和触发电流应视详细情况而定。 第1章 电力电子器

27、件 (3)断态电压临界上升率和通态电流临界上升率在额定结温暖门极开路情况下，使元件从断态到通态所需的最低阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。为防止晶闸管的误导通，晶闸管运用中要求要求断态下阳极电压的上升速度要低于此值。可以经过在元件两端并接阻容电路，利用电容两端电压不能突变的性质来限制电压上升率。在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时管子可以接受而不致损坏的最大通态电流上升率称为通态电流临界上升率。为限制通态电流临界上升率，可以在阳极回路中串入小电感，来对增长过快的电流进展限制。 第1章 电力电子器件 1.2.4 1.2.4 晶闸管的型号及简单测试方法晶闸管的型号及简单测试方法1 1晶闸管的型

28、号晶闸管的型号 晶闸管通常用两种命名规范，一种为晶闸管通常用两种命名规范，一种为KPKP型，另一种为型，另一种为CTCT型。型。命名如下：命名如下：KPKP额定电流等级额定电流等级-额定电压等级额定电压等级通态平均电压组别通态平均电压组别 3CT3CT额定电流等级额定电流等级/额定电压额定电压 其中其中K K和和3CT3CT代表晶闸管，代表晶闸管，P P代表类型为普通型，可以交换为代表类型为普通型，可以交换为S S双向型，双向型，G G可关断型，可关断型，N N逆导型。额定电压值为额逆导型。额定电压值为额定电压等级乘以定电压等级乘以100100，当额定电流小于，当额定电流小于100A100A时

29、，通态平均电压组时，通态平均电压组别可以不标。别可以不标。 第1章 电力电子器件 例如：KP100-12G，表示额定电流为100A，额定电压为1200V，通态平均电压小于1V的普通型晶闸管。又如3CT50/500V，表示额定电流为50A，额定电压为500V的普通型晶闸管。 第1章 电力电子器件 例例1 1 一晶闸管接在一晶闸管接在220V220V交流回路中，经过器件的电流有效交流回路中，经过器件的电流有效值为值为5050，额定电压电流均思索，额定电压电流均思索2 2倍的余量，问应选择多大的倍的余量，问应选择多大的晶闸管？晶闸管？解：晶闸管额定电压解：晶闸管额定电压 VVUUTMTn622220

30、222按晶闸管参数系列取700V ，即7级。 晶闸管的额定电流 AAIITAVT6457. 150257. 12)(第1章 电力电子器件 按晶闸管参数系列取100，所以选取晶闸管型号为KP100-7。到目前为止，世界上普通晶闸管的最大额定电流可达4000A，最大额定电压可达7000V，导通压降在1000V额定电压时为1.5V，在5000V额定电压时仅为3V。 第1章 电力电子器件 2 2晶闸管的简单测试方法晶闸管的简单测试方法利用万用表欧姆挡测试元件的三个电极之间的阻值的方利用万用表欧姆挡测试元件的三个电极之间的阻值的方法，可初步判别管子能否完好。当用万用表法，可初步判别管子能否完好。当用万用

31、表R R1k1k挡丈量阳挡丈量阳极极A A和阴极和阴极K K之间电阻，假设阻值在几百千欧以上，且正、反之间电阻，假设阻值在几百千欧以上，且正、反向电阻相差很小；用向电阻相差很小；用R R1010或或R R100100挡丈量门极挡丈量门极G G和阴极和阴极K K之间的之间的阻值，其正向电阻应小于或接近于反向电阻，这样的晶闸管阻值，其正向电阻应小于或接近于反向电阻，这样的晶闸管是好的，否那么晶闸管曾经损坏。是好的，否那么晶闸管曾经损坏。 第1章 电力电子器件 1.2.5 1.2.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1 1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO)门极可关断晶闸管具有普通

32、晶闸管的全部特性，如耐压高门极可关断晶闸管具有普通晶闸管的全部特性，如耐压高任务电压可高达任务电压可高达6000 V6000 V、电流大电流可达、电流大电流可达6000A6000A以及以及造价廉价等。造价廉价等。 GTOGTO广泛运用于电力机车的逆变器和大功率的直流斩波器广泛运用于电力机车的逆变器和大功率的直流斩波器中。中。GTOGTO与普通晶闸管类似，都是与普通晶闸管类似，都是PNPNPNPN四层半导体器件，有阳四层半导体器件，有阳极极A A、阴极、阴极K K和门极和门极G G三个电极，但内部包含着数百个共阳极的三个电极，但内部包含着数百个共阳极的小小GTOGTO单元。它的构造、等效电路和电

33、气符号如图单元。它的构造、等效电路和电气符号如图1 11414所示。所示。 第1章 电力电子器件 图114 门极可关断晶闸管的构造、等效电路和电气符号 第1章 电力电子器件 GTO的任务原理与普通晶闸管类似。GTO触发导通的条件是：当它的阳极与阴极之间接受正向电压，门极与阴极间加正脉冲信号可以使元件导通。 普通晶闸管导通时处于深度饱和形状，切断门极电流无法使其关断；但GTO采取了特殊工艺， 使管子导通后处于接近临界饱和形状，可用门极与阴极间加负脉冲信号破坏临界形状使其关断。因此，GTO是全控型双极型器件。GTO导通压降较大，普通为23V，门极触发电流较大，所以GTO的导通功耗与门极功耗均较普通

34、晶闸管大。 第1章 电力电子器件 GTO的主要参数有最大可关断阳极电流IATO和关断增益q。IATO也就是管子的铭牌电流。GTO的阳极电流不能过大，在运用中必需小于最大可关断阳极电流IATO，否那么破坏GTO的临界导通条件，导致门极关断失败。关断增益q为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，即是用来反映GTO关断才干的。q 普通较小，只需35，这是GTO的一个主要缺陷。由于使GTO关断的门极负电流比较大，约为阳极电流的1/5左右，所以要求触发驱动电路要采用高幅值的窄脉冲以减少关断所需的能量。图1-15是GTO的门极驱动电路，a只能用于小容量电路；b和c适用于较大容量的电路。

35、第1章 电力电子器件 图 1-15 GTO的驱动电路 第1章 电力电子器件 为减轻GTO在开关过程中的功耗，对GTO需求设置缓冲电路。缓冲电路必需能抑制GTO开通时阳极电流上升率和关断时的电压上升率。图1-16为GTO的阻容缓冲电路，a只能用于小电流电路；b与c是较大容量GTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量选用快速型、接线短的二极管， 这将使缓冲器阻容效果更显著。 第1章 电力电子器件 图 1-16 GTO阻容缓冲电路 第1章 电力电子器件 2快速晶闸管快速晶闸管(FST) 快速晶闸管通常是指那些关断时间快速晶闸管通常是指那些关断时间toff50、呼应速度、呼应速度快的晶闸管。它的根本构造、

36、伏安特性和符号与普通晶闸管快的晶闸管。它的根本构造、伏安特性和符号与普通晶闸管完全一样；它的特点是：开通速度快，关断时间短，普通开完全一样；它的特点是：开通速度快，关断时间短，普通开通时间约为通时间约为12，关断时间约为数微秒，比普通晶闸管，关断时间约为数微秒，比普通晶闸管快一个数量级。通态压降低，开关损耗小。有较高的通态电快一个数量级。通态压降低，开关损耗小。有较高的通态电流临界上升率山及断态电压临界上升率。运用频率范围广，流临界上升率山及断态电压临界上升率。运用频率范围广，几十至几千赫兹。这种快速晶闸管主要运用于直流电源供电几十至几千赫兹。这种快速晶闸管主要运用于直流电源供电的逆变器的斩波

37、器中。快速晶闸管的型号用的逆变器的斩波器中。快速晶闸管的型号用KK表示。表示。 ss第1章 电力电子器件 3逆导型晶闸管(RCT) 普通晶闸管表现为正向可控闸流特性，反向高阻特性， 称为逆阻型器件。而逆导型晶闸管是一个反导游通的晶闸管， 是将一个晶闸管与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上构成的新器件，如图117所示。逆导型晶闸管正向表现为晶闸管正向伏安特性，反向表现为二极管特性。与普通晶闸管相比，逆导型晶闸管有如下特点：正向转机电压比普通晶闸管高，电流容量大，易于提高开关速度，高温特性好(允许结温可达150以上)，减小了接线电感，减少了安装体积。逆导型晶闸管的型号用KN表示。 第1章 电力电

38、子器件 图1-17 逆导晶闸管 第1章 电力电子器件 4 4双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)双向晶闸管双向晶闸管TRIACTRIAC是一个是一个NPNPNNPNPN五层三端器件，有两个主电五层三端器件，有两个主电极极T1T1、T2T2和一个门极和一个门极G G，触发信号加在，触发信号加在T1T1极和门极极和门极G G之间，它在之间，它在正反两个方向电压下均可用同一门极控制触发导通。所以在构正反两个方向电压下均可用同一门极控制触发导通。所以在构造上可以看做是一对普通晶闸管的反并联，其符号、等效电路造上可以看做是一对普通晶闸管的反并联，其符号、等效电路和阳极伏安特性如图和阳极伏安特

39、性如图1-181-18所示。其特性反映了反并联晶闸管的所示。其特性反映了反并联晶闸管的组合效果，即在第一和第三象限具有对称的阳极伏安特性。对组合效果，即在第一和第三象限具有对称的阳极伏安特性。对双向晶闸管在门极双向晶闸管在门极G G和主电极和主电极T1T1之间送入正触发脉冲电流之间送入正触发脉冲电流(IG(IG从从G G流入，从流入，从T1T1流出流出) )或负脉冲电流或负脉冲电流(IG(IG从从T1T1流入，从流入，从G G流出流出) )均能使均能使双向晶闸管导通。根据双向晶闸管导通。根据T1T1、T2T2间电压极性的不同及门极信号极间电压极性的不同及门极信号极性的不同，双向晶闸管有性的不同

40、，双向晶闸管有4 4种触发和开通方式。双向晶闸管符号、种触发和开通方式。双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性等效电路和伏安特性 第1章 电力电子器件 (1) 主电极T1相对T2电位为正的情况下，门极G和T1之间加正触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通任务在第一象限，称为I+触发方式。(2) 主电极T1相对T2电位为正的情况下，门极G和T1之间加负触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通任务在第一象限，称为I触发方式。(3) 主电极T2相对T1电位为正的情况下，门极G和T1之间加正触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通任务在第三象限，称为+触发方式。(4) 主电极T2相对T1电位为正的情况下，门极

41、G和T1之间加负触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通也任务在第三象限，称为触发方式。 第1章 电力电子器件 I+、两种触发方式灵敏度很高，在适用中常被采用。双向晶闸管主要运用在交流调压电路中采用，正、负半波都任务；所以通态时的额定电流不像二极管和晶闸管那样按正弦半波电流平均值定义，而是用有效值来定义。由额定电流的定义可知：在交流电流中一只需效值为IT的双向晶闸管能承载全波负载电流有效值为IT，半波负载电流为IT2；假设用普通晶闸管，其额定电流应为0.45IT,。因此，电流为IT的双向晶闸管可替代两只并联的电流额定值为0.45IT的普通型晶闸管。双向晶闸管的型号用KS表示。 第1章 电力电子器

42、件 图1-18 双向晶闸管 第1章 电力电子器件 1.3 电力晶体管和电力场效应晶体管电力晶体管和电力场效应晶体管1.3.1 1.3.1 电力晶体管电力晶体管GTRGTR 1电力晶体管的构造GTR与普通晶体管有着类似的构造、任务原理和任务特性，都是三层半导体两个PN结的三端器件，也有PNP和NPN之分，但大多采用NPN型。图1-19所示是NPN型晶体管的内部构造，大多数GTR是采用三重分散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面分散P基区，接着分散掺杂N+的发射区。 第1章 电力电子器件 图1-19 GTR的内部构造第1章 电力电子器件 2GTR的主

43、要参数1最大电流额定值ICM和 IBM普通将电流放大倍数下降到额定值的1/21/3 时集电极电流IC的值定为集电极最大电流ICM，运用时绝不能让IC值到达ICM，否那么前面所说的三种物理效应会使GTR的电气性能变差，甚至于使器件损坏。基极电流的最大额定值IBM规定为内引线允许流过的最大基极电流，通常取IBM=(1/21/6) ICM。 第1章 电力电子器件 2集电极的额定电压UCEM既集电极的最高任务电压不可超越规定值，否那么会出现击穿景象，它与GTR的本身特性及外电路的接法有关。常用BUCBO、BUCEO、BUCES、BUCER和BUCEX表示。BUCBO为发射结开路时集基极的击穿电压；BU

44、CEO为发射结开路时集射极的击穿电压；BUCES为发射结短路时集射极的击穿电压；BUCER表示基射间并联电阻时的基射击穿电压，随并联电阻的减小而增大；BUCEX表示基射极施加反偏电压时的集射极击穿电压。普通情况下BUCEO BUCEXBUCESBUCERBUCEO，当GTR的最高任务电压UCEM应比最小击穿电压BUCEO低，从而保证元器件的任务平安。 第1章 电力电子器件 3饱和压降UCES单个GTR的饱和压降普通不超越11.5V，UCES随集电极电流的增大而增大。4集电极最大耗散功率PCM PCM即GTR在最高允许结温TjM时所对应的耗散功率，它等于集电极任务电压与集电极任务电流的乘积。这部

45、分能量转化为热能使GTR发热，在运用中要特别留意GTR的散热。 假设散热条件不好，器件会因温度过高而使迅速损坏。所以GTR运用时必需选配适宜的散热器。 第1章 电力电子器件 3二次击穿景象二次击穿是GTR忽然损坏的主要缘由之一，是它在运用中最大的弱点。二次击穿景象可以用图1-20来阐明。处于任务形状的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐添加到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，出现击穿景象,但此时集电结的电压根本坚持不变，这叫一次击穿。这一击穿可用外接串联电阻的方法加以控制，只需进入击穿区的时间不长，普通不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后假设继续增大偏压UCE，而外接限流

46、电阻又不变，那么当IC上升到某一数值时，UCE忽然下降，而IC继续增大负阻效应，这时进入低压大电流段，在极短的时间内，将使器件内出现明显的电流集中和过热点，导致管子被烧坏，这个景象称为二次击穿。为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中的瞬时功率不要超越集电极最大耗散功率PCM。普通说来，任务在正常开关形状的GTR是不会发生二次击穿景象的。 第1章 电力电子器件 图1-20 GTR的二次击穿 第1章 电力电子器件 4平安任务区平安任务区平安任务区平安任务区SOASafe Operation Area是指在输出特是指在输出特性曲线图上性曲线图上GTR可以平安运转的电流电压的极限范围，它遭

47、可以平安运转的电流电压的极限范围，它遭到到GTR的直流极限参数的直流极限参数ICM、PCM、电压容量、电压容量BCEO及二及二次击穿等问题的限制，并由这四条限制界限所围成，如图次击穿等问题的限制，并由这四条限制界限所围成，如图1-21所示，阴影部分即为所示，阴影部分即为SOA。 第1章 电力电子器件 图121 GTR平安任务区 第1章 电力电子器件 1.3.2 1.3.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管P-MOSFETP-MOSFET 1PMOSFET的构造与任务原理MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道； 根据栅极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和加强型， 电力场效应晶

48、体管普通为N沟道加强型。电力场效应晶体管是多元集成构造，即一个器件由多个MOSFET单元组成。MOSFET单元构造如图122所示，有三个引脚，分别为源极S、栅极G和漏极D。从构造上看，PM与小功率MOS管有比较大的差别。小功率MOS管的三电极位于芯片的同一侧，导电沟道平行于芯片外表，是横导游电器件。而PM为提高器件耐压、电流的才干， 把漏极移到芯片的另一侧外表上， 采用的是垂直导电构造，称为 VMOSFET。 第1章 电力电子器件 其中源极的金属电极将管子内的N+区和P区衔接在一同， 相当于在源极漏极间构成了一个寄生二极管。管子截止时，漏源间的反向电流就在此二极管内流动，所以电力场效应晶体管无

49、反向阻断才干。其管子符号和等效电路符号如图123a、 b所示。PM元件在变流电路中常串接一个二极管 VD1，并在它的外面并接一个快速二极管 VD2，如图123c所示，目的是防止电路中反向大电流流过元件内的寄生二极管，对元件呵斥损坏。 第1章 电力电子器件 图1-22 MOSFET单元构造 第1章 电力电子器件 图1-23 P-MOSFET的图形符号 第1章 电力电子器件 当漏极接电源正极，源极接电源负极，即UDS0，栅源之间电压UGS0，型区和N-型漂移区之间的结反向，漏源之间无电流流过。假设在栅极和源极所加正向电压UGSUTUT为开启电压，又叫阈值电压，典型值为24 V时，不会有栅流，也没有

50、漏极电流ID出现，PM处于截止形状。但栅极的正电压所构成电场的感应作用却会将其下面型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的型区外表。当UGS UT时，栅极下面型区外表的电子浓度将超越空穴浓度，使型半导体反型成型半导体，沟通了漏极和源极，构成漏极电流ID，PM处于导通形状。UGS超越UT越多，导电才干越强。漏极电流ID越大。 第1章 电力电子器件 2 PM的特性1 转移特性转移特性是指电力场效应晶体管的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系，如图124所示。当ID较大时，该特性根本为线性。曲线的斜率gm=iD/UGS称为跨导，表示PM栅源电压对漏极电流的控制才干。仅当UGSUT时，才会出现

51、导电沟道，产生栅极电流ID。转移特性反映了该器件是电压型场控器件。由于栅极的输入电阻很高，可以等效为一个电容，所以栅源电压UGS可以构成电场，但栅极电流根本为零。因此， MOSFET的驱动功率很小。 第1章 电力电子器件 图1-24 PM的转移特性 第1章 电力电子器件 2输出特性 如图1-25所示的输出特性，是以栅源电压为参变量，漏极电流与漏极电压关系之间的曲线族。输出特性曲线分为三个区域：可调电阻区，饱和区和雪崩区。在区内，漏源电阻RDS的阻值是变化的。固定栅极电压UGS，漏源电压UDS从零上升过程中，漏极电流ID首先线性增长，接近饱和区时，ID变化缓慢，到达饱和区后，以后UDS虽然增大，

52、但ID维持恒定。当MOSFET用做线性放大时，任务在饱和区。从该区域中可以看出，在同样的漏源电压下，UDS越高，漏极电流ID也就越大。但当UGS继续增大时，进入雪崩击穿区。在运用中要防止出现这种情况，否那么呵斥器件的损坏。 第1章 电力电子器件 图1-25 PM的输出特性曲线 第1章 电力电子器件 3 开关特性PM是多数载流子器件，不存在少数载流子特有的存储效应， 因此开关时间很短，典型值为20 ns。影响开关速度的主要要素是器件极间电容，开关时间与输入电容的充、放电时间常数有很大关系。 PM的开关过程如图126所示，uP为驱动电源信号。开通时间ton=td+tr，关断时间toff=ts+tf

53、。PM在静态时几乎不需求输入电流，但在开关过程中需求对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率,而且开关频率越高， 驱动损耗越大。 第1章 电力电子器件 图126 PM的开关特性 第1章 电力电子器件 3重要参数重要参数1漏极电压漏极电压UDS：就是：就是PM的额定电压，选用时应小于漏的额定电压，选用时应小于漏源击穿电压源击穿电压BUDS，必需留有较大平安余量。，必需留有较大平安余量。2漏极延续电流漏极延续电流ID：就是：就是PM允许经过的最大漏极延续电允许经过的最大漏极延续电流，其大小主要受管子的温升限制，应小于峰值电流流，其大小主要受管子的温升限制，应小于峰值电流IDM。3栅源电压栅源电压UGS

54、：栅极和源极之间的绝缘层很薄，接受：栅极和源极之间的绝缘层很薄，接受电压很低，普通不能超越电压很低，普通不能超越20V，否那么绝缘层能够被击穿而损，否那么绝缘层能够被击穿而损坏。坏。4通态电阻通态电阻Ron：在确定的：在确定的UGS下，下，PM由可调电阻区由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通态电阻。输出功率的大小与该参进入饱和区时的直流电阻为通态电阻。输出功率的大小与该参数直接相关。数直接相关。 第1章 电力电子器件 4平安任务区平安任务区PM是多数载流子任务的器件，元件的通态电阻具有正的是多数载流子任务的器件，元件的通态电阻具有正的温度系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升温度

55、系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因此不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的高而下降，因此不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的平安任务区。平安任务区。PM的正向偏置平安任务区是由四条边境包围而的正向偏置平安任务区是由四条边境包围而成，如图成，如图1-27所示。其中所示。其中为漏源通态电阻限制线，为漏源通态电阻限制线，为最大为最大漏极电流限制线，漏极电流限制线，为最大功耗限制线，为最大功耗限制线，为最大漏源电压限为最大漏源电压限制线。制线。 第1章 电力电子器件 图1-27 PM的正向偏置平安任务区 第1章 电力电子器件 5 5PMPM的栅极驱动电路的栅极驱动电路

56、对栅极驱动电路的要求：对栅极驱动电路的要求： (1)(1)可向栅极提供所需求的栅压，以保证可向栅极提供所需求的栅压，以保证PMPM的可靠导通和关的可靠导通和关断。断。 (2)(2)为提高器件的开关速度，应减小驱动电路的输入电阻以为提高器件的开关速度，应减小驱动电路的输入电阻以提高栅极充放电速度。提高栅极充放电速度。 (3)(3)主电路与控制电路间要实现电的隔离。主电路与控制电路间要实现电的隔离。 (4)(4)应具有较强的抗干扰才干，这是由于应具有较强的抗干扰才干，这是由于PMPM的任务频率和输的任务频率和输入阻抗都较高，易被干扰的缘故。入阻抗都较高，易被干扰的缘故。 第1章 电力电子器件 图1

57、-28 理想的栅极控制电压波形第1章 电力电子器件 图1-29是一种数控逆变器，两个PM的栅极驱动电路是由两个与非门与RC组成的振荡电路，电路起振时，在PM1、PM2的栅极分别产生高、低电平，使它们轮番导通，将直流电压变为交流电压，实现逆变。 第1章 电力电子器件 图129 PM数控逆变器 第1章 电力电子器件 图1-30所示为直流斩波的驱动电路。UD为斩波电源，当输入电压Ui0时，PM1、PM3截止，电容C1沿V2和CI3P-MOSFET栅极输入电容放电， 驱动PM2导通，负载得电，输出电流Io0。；当Ui 0时， PM1导通，电容CI3上的电荷沿VD2、PM1放电，VD2的导通保证了PM2

58、关断，负载电流经过VD4续流，直到Io=0，VD4断开，接着受正向电压而导通。 第1章 电力电子器件 图130 PM直流斩波器驱动电路 第1章 电力电子器件 6 PM的维护PM的缺陷是栅极绝缘氧化层很薄，在静电较强的场所很易引起静电击穿，呵斥栅源短路或开路。因此，在运用时必需采取静电维护措施。器件应存放在抗静电包装袋、金属容器或导电资料包装袋中。任务人员取用器件时，必需运用腕带，坚持良好接地， 且应拿器件管壳，不要接触引线；安装时，任务台和电烙铁应良好接地；测试时，丈量仪器和任务台要良好接地，器件的三个电极必需都接入测试仪器或电路，才干施加电压。 改换测试时，电压和电流要先恢复到零。此外，还需

59、留意进展栅源、 漏源过电压维护和过电流维护。 第1章 电力电子器件 7PM的运用(1)作为高频开关稳压调压电源，可使开关电源的体积减小，分量减轻，本钱降低，效率提高。 (2)作为功率变换器件，广泛运用在计算机接口电路中。PM器件可直接用集成电路的逻辑信号驱动，开关速度快，任务频率高，大大改善了变换器的功能。(3)作为高频的主功率振荡、放大器件，在高频加热、超声波等设备中运用，具有高效、高频、简单可靠等优点。 第1章 电力电子器件 1.4 1.4 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT 1.4.1 IGBT1.4.1 IGBT的构造和任务原理的构造和任务原理 IGBTIGBT的根本

60、构造如图的根本构造如图1 13131所示。所示。IGBTIGBT比电力比电力MOSFETMOSFET多了多了一层一层P+P+注入区，因此构成了一个大面积的注入区，因此构成了一个大面积的P+N+P+N+结结J1J1，使得，使得IGBTIGBT导通时可由导通时可由P+P+注入区向基区发射载流子注入区向基区发射载流子( (空穴空穴) )，对漂移区电，对漂移区电导率进展调制，导率进展调制， 因此因此IGBTIGBT具有很强的电流控制才干。仔细察具有很强的电流控制才干。仔细察看发现看发现,IGBT,IGBT是在是在P PMOSFETMOSFET构造的根底上作了相应的改善，相构造的根底上作了相应的改善，相