第1章 电力电子器件2017.9.1

1、1.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类 (1) 电力电子器件往往工作在开关状态; (2) 电力电子器件处理的功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压; (3) 电力电子器件的工作状态通常由信息电子电路来控制; (4) 需要缓冲和保护电路.1.1电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

2、 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件不可控器件 功率二极管（功率二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。1.1电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 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。 电压驱动型电压驱动型 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的控制。根据器件内部带电粒子参与导电

3、的种类不同根据器件内部带电粒子参与导电的种类不同 单极型单极型 器件内部只有一种带电粒子参与导电，如Power MOSFET。 双极型双极型 器件内有电子和空穴两种带电粒子参与导电，如GTR和GTO。 复合型复合型 由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件，如IGBT。 1.2晶闸管晶闸管及及派生器件派生器件1.2.1晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理图图1-5 晶闸管的外形、结构和符号晶闸管的外形、结构和符号 晶闸管就是硅晶体闸管也称为可控硅整流器。普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。1.2.1晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理-封装封装 1.3晶闸管晶闸管-

4、螺栓式螺栓式1.3晶闸管晶闸管-平板式平板式1.3晶闸管晶闸管-模块式模块式模块式模块式1.3晶闸管晶闸管-P1N1P2N2A阳极（Anode）G门极（Gate）K阴极（Cathode）结结 构构AGK电气符号电气符号1.3晶闸管晶闸管-EgSAGKEAR晶闸管导通与关断实验电路晶闸管导通与关断实验电路1.3晶闸管晶闸管-AGKEgSEAR门极加负电压门极加负电压1.3晶闸管晶闸管-门极加正电压门极加正电压AGKEgSEARIgIA1.3晶闸管晶闸管-导通后门极加负电压导通后门极加负电压AGKEgSEARIA1.3晶闸管晶闸管-导通后撤除门极电压导通后撤除门极电压SAGKEgEARIA1.3晶

5、闸管晶闸管-导通后减小阳极电流导通后减小阳极电流AGKEgSEAnRIAR1.3晶闸管晶闸管-AGKEgSR导通后减小阳极电压或去除阳极电压导通后减小阳极电压或去除阳极电压EA1.3晶闸管晶闸管-AGKEgSEAR导通后阳极加反压导通后阳极加反压1.3晶闸管晶闸管-1.3晶闸管晶闸管-导通和关断条件导通和关断条件 1、欲使晶闸管导通需具备两个条件： 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压； 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。2、晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。3、为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来

6、实现。1.3晶闸管晶闸管-工作原理工作原理图图1-6 晶闸管的双晶体管模型与工作电路图晶闸管的双晶体管模型与工作电路图b2C2C22b211C111=(=)(=)GbCbIIIIIIIIIN2N1P2AKGP1N1P21.2.2晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数-静态伏安特性静态伏安特性图图1-7 1-7 晶闸管伏安特性曲线晶闸管伏安特性曲线 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，如果在器件时，如果在器件两端施加正向电压，则晶两端施加正向电压，则晶闸管处于正向闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有很小的正向漏电流流只有很小的正向漏电流流过。过。 如果

7、正向电压超过临界如果正向电压超过临界极限即极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件则漏电流急剧增大，器件开通开通 。 随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增的增大，大，正向转折电压正向转折电压降低，降低，晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。 如果门极电流为零，并如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零且阳极电流降至接近于零的某一数值的某一数值IH以下，则晶以下，则晶闸管又回到闸管又回到正向阻断正向阻断状态，状态，IH称为称为维持电流维持电流。 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反向特性。的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状

8、晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的态时，只有极小的反向漏反向漏电流电流通过。通过。 当反向电压超过一定限当反向电压超过一定限度，到度，到反向击穿电压反向击穿电压后，后，外电路如无限制措施，则外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。致晶闸管发热损坏。 1.2.2晶闸管的工作特性及主要参数晶闸管的工作特性及主要参数-静态伏安特性静态伏安特性1.3晶闸管晶闸管-基本工作特性归纳基本工作特性归纳(1)晶闸管承受反向电压时，不论门极有否触发电流，晶闸管都不导通，反向伏安特性类似于二极管。(2)晶闸管承受正向电压时，仅门极有正向触发电流的情况下才能导通。导通后

9、的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿，压降在1V左右；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。(3)要使晶闸管关断，必须使晶闸管的电流下降到某一数值以下。(4)晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出；为保证可靠、安全地触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区，既保证有足够的触发功率，又确保不损坏门极和阴极之间的PN结。1.3晶闸管晶闸管-动态特性动态特性图图1-8 1-8 晶闸管开通和关断过程波形晶闸管开通和关断过程波形动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，

10、晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。 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的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtr

11、rtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%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，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

12、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。反向恢复反向恢复电流最大电流最大值值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1.3晶闸管晶闸管-动态特性动态特性1.3晶闸管晶闸管-电压参数电压参数(1) 断态不重复峰值电压UDSM 晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。UDSM值小于转折电压Ubo。(2) 断态重复峰值电压UDRM (UDRM =80%UDSM)(3) 反向不重复峰值电压URSM晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电压时,对应于反向伏安特性曲线急剧弯曲处的反向峰

13、值电压值。 (4) 反向重复峰值电压URRM URRM =80%URSM(5)额定电压 MIN(UDRM,URRM) 1.3晶闸管晶闸管-电压参数电压参数(6)通态平均电压UT(AV) 晶闸管阳极与阴极间电压降的平均值,管压降。 级别12345678910正反向重复峰值电 压(V) 1002003004005006007008009001000级别12141618202224262830正反向重复峰值电压(V)1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000表1-1 晶闸管正、反向重复峰值电压等级1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数(1) 通态

14、平均电流IT(Av) 在环境温度为+40和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170o的电阻性负载电路中，在额定结温时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取整数值，称为该晶闸管的通态平均电流，定义为该元件的额定电流。（2）波形系数 各种有直流分量的电流波形都有一个电流平均值(一个周期内电流波形面积的平均)，也就是直流电流表的读数值；也都有一个有效值(均方根值)。现定义电流波形的有效值与平均值之比称为该波形的波形系数，用Kf表示。如整流电路直流输出负载电流id的波形系数为fd=IKI式中，I负载电流有效值； Id负载电流平均值。1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参

15、数根据规定条件，流过晶闸管为工频正弦半波电流波形。设电流峰值为Im，则通态平均电流 该电流波形的有效值mmTavm1sin()( cos)22ooIIIItdtt2mTmm111cos2sind()()d()22222ooItIIttIt正弦半波电流波形系数Kf应有 TmfTavm/ 21.57/IIKII额定电流为100A的晶闸管，其允许通过电流有效值为1.57100=157 1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数 在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是任意的非正弦波形，如何去计算和选择晶闸管的额定电流值，应根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦半波电流的有效值IT或平均值Id折合成等效的

16、正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值，即TTavfdTavTTTavdff1.571.571.571.57IIK IIIIIIKK实际选用时，一般考虑1.52倍的安全裕量 Tavdf1.57(1.5 2)IIK1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数例例1.1： 实际流过晶闸管的电流波形i1和i2如图，其峰值分别为Im1和Im2。计算结果如下：i10 /2 2 5/2 tIm1i2Im20 2/3 2 8/3 t 若不考虑安全裕量，求KP100型晶闸管中流过i1和i2电流时所能承受的最大平均电流值。1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数（1）实际电流波形i1的平均值、有效值和波形系数i10 /2 2

17、 5/2 tIm1平均值m1m1d122)d(sin21IttII有效值2221111111(sin)sin222242mmmItIItd( ttI2波形系数1fd12.222IKI1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数（1）若不考虑安全裕量，求KP100型晶闸管中流过i1电流时所能承受的最大平均电流值。i10 /2 2 5/2 tIm1TavTd1ff1.571.57 10070.7A2.22IIIKK考虑安全裕量Id1=70.7/(1.52)=35.3547.13A1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数（2）实际电流波形i2的平均值、有效值和波形系数320m2m2d23)d(21ItII平均值

18、有效值22m22m220112() d()22323mIIItI3波形系数2fd231.73IKI1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数TavTd2ff1.571.57 10090.7A1.73IIIKK（2）若不考虑安全裕量，求KP100型晶闸管中流过i2电流时所能承受的最大平均电流值。考虑安全裕量Id2=90.7/(1.52)=45.3560.46A1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数例例1.2： 图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量时，各应选择额定电流为多大的晶闸管？d1m1m1012sind(

19、)127.3AIIttI21m1m1011sind()141.4A2IIttI有效值f11=1.112 2K波形系数波形系数平均值1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数例例1.2： 图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量，各应选择额定电流为多大的晶闸管？f11.11KTavd1f1d1Tavf1.57127.2 1.1190A1.571.57II KIIK（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）d1127.3AId1f1Tav127.2 1.

20、11(1.52)(1.52)135180A1.571.57I KI1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数例例1.2： 图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量时，各应选择额定电流为多大的晶闸管？d2m2m2m2/313sind()0.47895.6A2IIttII22m2m2m2/3113sind()0.634126.8A38IIttII2f2d2=1.326IKI波形系数平均值有效值1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数例例1.2： 图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平

21、均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量，各应选择额定电流为多大的晶闸管？f21.326Kd2f 2Tav95.6 1.32680.76A1.571.57IKI（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）d295.6AId2f 2Tav95.6 1.326(1.52)(1.52)121.1161.5A1.571.57IKI1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数例例1.2： 图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量时，各应选择额定

22、电流为多大的晶闸管？/2m3d3m301d()50A24IIIt2/2m33m301d()100A22IIIt3f3d3=2IKI波形系数平均值有效值1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数例例1.2： 图中波形的阴影部分为晶闸管中的电流波形，其最大值为Im，计算各波形电流平均值、有效值与波形系数。若设Im均为200A，不考虑安全裕量，各应选择额定电流为多大的晶闸管？f32Kd2f 2Tav50263.7A1.571.57IKI（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）d350AId3f 3Tav502(1.52)(1.52)95.551

23、27.4A1.571.57IKI1.3晶闸管晶闸管-电流参数电流参数(2) 维持电流IH晶闸管被触发导通以后，在室温和门极开路的条件下，减小阳极电流，使晶闸管维持通态所必需的最小阳极电流。(3) 掣住电流IL晶闸管一经触发导通就去掉触发信号，能使晶闸管保持导通所需要的最小阳极电流。(4) 断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR额定结温和门极开路时，对应于断态重复峰值电压和反向重复峰值电压下的平均漏电流。(5) 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不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流。 1.3晶闸管晶闸

24、管-动态参数动态参数(1) 断态电压临界上升率du/dt在额定结温和门极开路下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率。(2) 通态电流临界上升率di/dt在规定条件下，晶闸管用门极触发信号开通时，晶闸管能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率。 (3)开通时间tON 开通时间tON由延迟时间td和上升时间tr组成。图1-9 门极控制开通时间1.3晶闸管晶闸管-动态参数动态参数(4) 关断时间方tOFF 从通态电流降至零瞬间起，到晶闸管开始能够承受规定的断态电压瞬间的时间间隔。关断时间包括反向恢复时间trr和门极恢复时间tgr两部分。从通态电流降至零瞬间起，到晶闸管开始能承受规定的断态电压

25、瞬间止的时间间隔。图1-10 晶闸管电路换向关断时间 1.3晶闸管晶闸管-动态特性动态特性图图1-8 1-8 晶闸管开通和关断过程波形晶闸管开通和关断过程波形动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。 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的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流