2-1 电力电子器件

1、电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术 第第2 2章章 电力电子器件电力电子器件电力电子器件的概念及分类电力电子器件的概念及分类电力电子器件的发展历史电力电子器件的发展历史半控型电力电子器件半控型电力电子器件晶闸管晶闸管电力电子技术电力电子技术1.1 1.1 电力电子器件概念电力电子器件概念 电力电子器件电力电子器件可直接用可直接用于处理电能的主电路中，实于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子现电能的变换或控制的电子器件器件电力电子技术电力电子技术能处理电功率的大小，即承受电压和电能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是器件最重要的参数流的能力

2、，是器件最重要的参数一、电力电子器件的特征一、电力电子器件的特征电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件常常需要信息电子电路来电力电子器件常常需要信息电子电路来控制控制电力电子器件的功率损耗通常比信息电电力电子器件的功率损耗通常比信息电子电路器件的大子电路器件的大电力电子技术电力电子技术二、电力电子器件的分类二、电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为三类：为三类： （1 1）半控型器件）半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断（晶闸管）能控制其关断（晶闸管

3、） （2 2）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通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件（控制其关断，又称自关断器件（MOSFETMOSFET、IGBTIGBT） （3 3）不可控器件）不可控器件不能用控制信号来控制其通断，因不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路（二极管）此也就不需要驱动电路（二极管）电力电子技术电力电子技术按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类号的性质，分为两类（1 1）电流驱动型）电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制

4、流来实现导通或者关断的控制（2 2）电压驱动型）电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断施加一定的电压信号就可实现导通或者关断按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类的情况分为三类（1 1）单极型器件（）单极型器件（2 2）双极型器件（）双极型器件（3 3）复合型器件）复合型器件电力电子技术电力电子技术1.2 1.2 电力电子器件的发展历史电力电子器件的发展历史19571957年年发明晶发明晶闸管闸管 全控型全控型器件器件GTOGTOGTRGTRMOSFETMOSFET复合型复合型

5、器件器件IGBTIGBTIGCTIGCTMCTMCT集成功集成功率电路率电路PICPICHVICHVICIPMIPM电力电子技术电力电子技术1.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件电力电子技术电力电子技术外形有螺栓型和平板型两种封装外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极引出阳极A A、阴极、阴极K K和门极（控制端）和门极（控制端）G G三个联接端三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，另一端较粗对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，另一端较粗的是阴极，

6、细的是门极的是阴极，细的是门极平板型封装的晶闸管，两个平面分别是阳极和阴极，平板型封装的晶闸管，两个平面分别是阳极和阴极，细长端是门极细长端是门极一、晶闸管的结构与工作原理一、晶闸管的结构与工作原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3a)a)外形外形 b)b)结构结构 c) c)电气符号图电气符号图1.1.晶闸管的结构晶闸管的结构电力电子技术电力电子技术2.2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理A A、K K接正向电压，灯泡不燃亮接正向电压，灯泡不燃亮A A、K K接正向电压，接正向电压，G G、K K接负电压，灯泡不燃亮接负电压，灯泡不燃亮A A、K K接正向电压，

7、接正向电压，G G、K K接正电压，灯泡燃亮接正电压，灯泡燃亮A A、K K接负向电压，灯泡不燃亮接负向电压，灯泡不燃亮A A、K K接负向电压，无论接负向电压，无论G G、K K接何种电压灯泡不燃亮接何种电压灯泡不燃亮灯泡燃亮后，撤除灯泡燃亮后，撤除G G、K K间电压或间电压或G G、K K间接负向电压，灯泡仍然燃亮间接负向电压，灯泡仍然燃亮灯泡燃亮后，撤除灯泡燃亮后，撤除A A、K K间电压或间电压或A A、K K接负向电压，灯泡熄灭接负向电压，灯泡熄灭EGAKGS2S1EA2.12.1晶闸管的导通实验晶闸管的导通实验电力电子技术电力电子技术2.22.2晶闸管的通、断规律晶闸管的通、断规

8、律当晶闸管承受阳极反向电压时，无论门极承受何种电当晶闸管承受阳极反向电压时，无论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态压，晶闸管都处于关断状态当晶闸管承受阳极正向电压时，仅在门极承受正向电当晶闸管承受阳极正向电压时，仅在门极承受正向电压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极施加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的极施加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的电流降低到一定数量以下电流降低到一定数量以

9、下当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力电力电子技术电力电子技术RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)a) 双晶体管模型 b) 工作原理 晶闸管内部是晶闸管内部是PNPNPNPN四层半导体结构（四层半导体结构（P1P1，N1N1，P2P2，N2N2）。）。如果施加阳极正向电压，则如果施加阳极正向电压，则J2J2处于反向偏置状态，器件关断；处于反向偏置状态，器件关断；如果施加阳极反向电压，如果施加阳极反向电压，J1J1、J3J3处于反向偏置状态，器件关处于反向偏置状态，器件关断。断。2

10、.32.3晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理电力电子技术电力电子技术NPNPNPAGSKEGIGIKIc2Ic1IAV1V2晶闸管的导通可以用双晶体（晶闸管的导通可以用双晶体（P1N1P2和和N1P2N2）模来解释。当门极注入电）模来解释。当门极注入电流流IG，IG流入晶体管流入晶体管V2的基极，那么在的基极，那么在V2的集电极产生电流的集电极产生电流IC2，而，而IC2又是晶又是晶体管体管V1的基极电流，放大成集电极电流的基极电流，放大成集电极电流IC1，进一步增大了，进一步增大了V2的基极电流，形成的基极电流，形成了强烈的正反馈，最后了强烈的正反馈，最后V1、V2进入饱进入饱和状态，晶闸管导

11、通。和状态，晶闸管导通。 当晶闸管导通后，撤除门极注入电流，由于晶体管内部已经当晶闸管导通后，撤除门极注入电流，由于晶体管内部已经形成了强烈的正反馈。所以管子仍然导通；若要使晶闸管关断形成了强烈的正反馈。所以管子仍然导通；若要使晶闸管关断则必须撤除阳极的正电压，或者给阳极施加反电压，或者使则必须撤除阳极的正电压，或者给阳极施加反电压，或者使流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值。流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值。电力电子技术电力电子技术 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 ICB

12、O2CBO2分别是分别是V V1 1和和V V2 2的共基极漏电流。由以上式的共基极漏电流。由以上式（1-11-1）（1-41-4）可得）可得 （1-51-5）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，是很小的，而当发射极电流建立起来之后，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。)(121CBO2CBO1G2AIIII晶闸管的工作方程晶闸管的工作方程Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 （1-4）电力电子技术电力电子技术阳极电压升高至相当高的数值造成雪

13、崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率阳极电压上升率d du u/d/dt t过高过高结温较高结温较高光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好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之外，其它都因不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于实践，称为光控晶闸管易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可只有门极触发（包括光触发）是

14、最精确、迅速而可靠的控制手段靠的控制手段2.42.4晶闸管其它导通情况晶闸管其它导通情况电力电子技术电力电子技术二、晶闸管的基本特性二、晶闸管的基本特性1. 1. 晶闸管的静特性晶闸管的静特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG第第I I象限是正向特性，第象限是正向特性，第IIIIII象限是反向性象限是反向性URSM反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压反向重复峰值电压UDRM 正向重复峰值电压正向重复峰值电压UDSM 正向不重复峰值电压正向不重复峰值电压Ubo 正向转

15、折电压正向转折电压IH 维持电流维持电流I IG G 门极触发电流门极触发电流电力电子技术电力电子技术正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMI IG G=0=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电状态，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转折电压压超过临界极限即正向转折电压U Ubobo，则漏电，则漏电流急剧增大，器件开通流急剧增大，器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，正向转折电压降低导通后的晶闸管向转折电压降低导通后的晶闸

16、管特性和二极管的正向特性相仿特性和二极管的正向特性相仿导通期间，如果门极电流为零，并导通期间，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且阳极电流降至接近于零的某一数值I IH H以下，则晶闸管又回到正向阻断状以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。态。I IH H称为维持电流称为维持电流晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极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管的反向特性电力电子技术电力电子技术100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性开通时间：开通时间：t tgtgt= =t td d+ +t tr

17、 r t td d ：0.51.5 s， t tr r ：0.53 s关断时间：关断时间： t tq q= =t trrrr+ +t tgr gr 约几百微秒约几百微秒电力电子技术电力电子技术三、晶闸管的主要参数三、晶闸管的主要参数1.1.电压定额电压定额断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM在门极断路而结温为额定值在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM在门极断路而结温为额定值在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。时，允许重复加在器件上的反向峰值电

18、压。 通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM晶闸管通以某一规定倍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。数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器件的中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量, ,一般取一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 23 3倍倍电力电子技术电力电子技术2.2.电流定额电流定额（1 1）通态平均电流）通态平均电流 I IT(AV)T(AV) 晶闸

19、管在环境温度为晶闸管在环境温度为4040 C C和规定的冷却状态下，和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值工频正弦半波电流的平均值使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，因此要进行相应的换算的原则来选取晶闸管，因此要进行相应的换算选择使应留一定的裕量，一般取换算结果的选择使应留一定的裕量，一般取换算结果的1.51.52 2倍倍1 1）计算实际波形的有效值）计算实际波形的有效值2 2）根据有效值相等的原则，计算出定义波形下的平均值）根据有效值相等的

20、原则，计算出定义波形下的平均值3 3）将计算值乘以）将计算值乘以1.51.5或或2 2，即为所选晶闸管的电流定额，即为所选晶闸管的电流定额电力电子技术电力电子技术有效值与平均值的比值称为波形系数有效值与平均值的比值称为波形系数K Kf f57. 12)(AVTfIIK例如，对于一只额定电流例如，对于一只额定电流I IT(AV)T(AV)=100A=100A的晶闸管，的晶闸管，允许通过的电流有效值为允许通过的电流有效值为157A157A0)()(sin21MMAVTIttdII2)()sin(2102MMItdtII根据通态平均电流根据通态平均电流I IT(AV)T(AV)的定义，当电流的峰值为

21、的定义，当电流的峰值为I IM M时时20IMIT(AV)t电力电子技术电力电子技术2/2)(sin21MMdIttdII22)()sin(212/2MMaItdtII22. 22dafIIK根据电流有效值相等的原则计算根据电流有效值相等的原则计算规定波形下通过晶闸管的平均流规定波形下通过晶闸管的平均流faAVTKII)(58. 357. 122MMII如果选用电流定额为如果选用电流定额为100A100A的晶闸管，那的晶闸管，那么实际允许的平均电流是多少？么实际允许的平均电流是多少？例：通过晶闸管的实际波形如右图，例：通过晶闸管的实际波形如右图，求此波形的电流平均值求此波形的电流平均值Id,I

22、d,电流有效电流有效值值IaIa，波形系数，波形系数KfKf。当不考虑安全裕。当不考虑安全裕量时，求选择晶闸管的电流定额量时，求选择晶闸管的电流定额20IMIT(AV)2/t电力电子技术电力电子技术(4)(4)浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM 指由于电路异常情况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引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流性最大正向过载电流(2)(2) 维持电流维持电流 I IH H 使晶闸管维持使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十到导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，几百毫安，与结温有关，结温越高，则则I IH H

23、越小。越小。(3)(3)擎住电流擎住电流 I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流对能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为I IH H的的2 24 4倍。倍。电力电子技术电力电子技术 (1) (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 指在额定结温和门极开路的情况下，指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外加电不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率压最大上升率3.3.动态参数动态参数除开通时间除开通时间t

24、tgtgt和关断时间和关断时间t tq q外，还有：外，还有： (2)(2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt t 指在规定条件下，晶闸管能承受而指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率无有害影响的最大通态电流上升率电力电子技术电力电子技术四、晶闸管的派生器件四、晶闸管的派生器件1.1.快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFast Switching ThyristorFST)FST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管管和高频晶闸管管芯结构和

25、制造工艺进行了改进，开关时间以及管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及d du u/d/dt t和和d di i/d/dt t耐量都有明显改善耐量都有明显改善普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管高频晶闸管1010 s s左右左右高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应开关损耗的发热效应电力电子技术电力电子技术a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管的电气符号和

26、伏安特性2.2.双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTriode AC SwitchTRIACTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor）可认为是一对反并联联接可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，有的普通晶闸管的集成，有两个主电极两个主电极T T1 1和和T T2 2，一个，一个门极门极G G，正反两方向均可触，正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管发导通，所以双向晶闸管在第和第在第和第IIIIII象限有对称象限有对称的伏安特性。通常用在交的伏安特性。通常用在交流电路中，因此不

27、用平均流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额值而用有效值来表示其额定电流值。定电流值。 电力电子技术电力电子技术3.3.逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorReverse Conducting ThyristorRCTRCT）b)a)UOIKGAIG=0逆导晶闸管的电气符号和伏安特性 将晶闸管反并联一个二极将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集管制作在同一管芯上的功率集成器件；成器件； 具有正向压降小、关断时具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温间短、高温特性好、额定结温高等优点；高等优点； 逆导晶闸管的额定电流有逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流个是反并联二极管的电流电力电子技术电力电子技术4.4.光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTL