电力电子器件1.1-1.2

1、57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI电力电子器件电力电子器件1.1 不可控器件电力二极管1.2 半控型器件晶闸管1.3 典型全控型器件 1.4 其他电力电子器件 小结 第1章57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI 电子技术的基础电子技术的基础电力电子器件电力电子器件 电力电子电路的基础电力电子电路的基础电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电

2、路 引言引言电力电子器件电力电子器件第1章57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI1. 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征一般特征： 能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。处理电功率的能力一般远大于用于信息处理的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 电力电子器件的特征

3、电力电子器件的特征57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI2. 同机械开关相比,电力电子器件的一般特征： 静止,无噪音,使用寿命长。 单向导电。 承受过电压和过电流弱。 电力电子器件的特征电力电子器件的特征57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI电力电子器件的分类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，按照器件能够被控制电路信号所控制的程度

4、，分为以下分为以下三类三类：半控型器件半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）不可控器件不可控器件电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。57.

5、 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI本章内容与学习要求 本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 学习要点 最重要的是掌握其基本特性。 掌握参数和特性曲线的使用方法。 了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIR

6、TIRtittdI 电力二极管Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.1ZP20-500ANoImage00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04010203040506070809010000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04010203040506070809010057. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdt

7、iTIRTIRtittdIPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 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PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装 对于螺栓型封装，能与散热器紧密联接且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间IOIFUTOUFU图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1.1.157. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRt

8、ittdI二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性正向导通状态正向导通状态: 当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自在外电路上则形成自P区流入而从区流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF， 这就是这就是PN结的正向导通状态。结的正向导通状态。电导调制效电导调制效应应使得使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PN结表现为结表现为低阻态低阻态。反向截止状态反向截止状态: 当当PN结外加反向电压时（反向偏置）结外

9、加反向电压时（反向偏置）时，时，PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，被称为反，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。向截止状态。反向击穿反向击穿: PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反结反向偏置为截止的工作状态，这就叫向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。有。有雪崩击雪崩击穿穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式，反向击穿发生时，采取了措施两种形式，反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的

10、状结仍可恢复原来的状态。否则态。否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1.1.157. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI电力二极管和信息电子电路中的普通二极管电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区区别别的一些因素：的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，电导调制效应不能忽略。 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。 承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感

11、效应也会有较大影响。 为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1.1.157. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性（伏安特性）静态特性（伏安特性） 图1-4 电力二极管的伏安特性1.1.2当承受的正向电压大到一定值（门槛电压门槛电压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对应的两端的电压UF即为其正向电压降。当承受反向电压时，只有少子引起的微

12、小而数值恒定的反向漏电流。57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2. 2. 动态特性动态特性1.2.2因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性。 图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置trr 反向恢复时间57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIR

13、tittdI电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性（trr）的不同介绍。1. 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中，又称整流二极管（Rectifier Diode）其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。1.1.357. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtit

14、tdI2. 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.1.3恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 5 s s以以下）的二极管，也简称快速二极管。下）的二极管，也简称快速二极管。从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在者则在100ns100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030ns2030ns。快恢复外延二极管快恢复外延二极管，其反向恢复时间更短（可，其反向恢

15、复时间更短（可低于低于50ns50ns），正向压降也很低（），正向压降也很低（0.9V0.9V左右），左右），但其反向耐压多在但其反向耐压多在1200V1200V以下。以下。57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI3. 肖特基二极管肖特基二极管优点 反向恢复时间很短（1040ns） 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 弱点 当反向耐压提高时其正向压降也会高

16、得不能满足要求，因此多用于200V以下 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.1.357. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI半控器件半控器件晶闸管晶闸管 1.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 1.2.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1.2.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.2.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.257. 122Im)sin(Im2

17、1124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管

18、，广义上讲，还包括其许多类型的派生器件。 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.257. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI半控器件半控器件晶闸管晶闸管晶闸管及模块57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极G （控制端）三个联接端图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符

19、号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1.2.157. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2） IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040102030405060708090100晶闸

20、管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理正向导通雪崩击穿O+ UA- UA- IAIAIHIG2IG1IG= 0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.2.1)( 121CBO2CBO1G2AII II57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 晶体管的特性是：晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态阻断状态：IG

21、=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1.2.157. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 其他几种可能导通的情况其他几种可能导通

22、的情况： 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du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发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，称为光控光控晶闸管晶闸管。 只有只有门极触发（包括光触发）门极触发（包括光触发）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。1.2.1) ( 121CBO2CBO1G2AI I II57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1. 静态特性静

23、态特性 总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下： 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通(开通条件)。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用(脉冲触发型)。1) 要使晶闸管关断，只能利用外加反向电压和外电路的作用使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 (关断条件)。1.2.257. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特

24、性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.2.257. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI1) 正向特性正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电时，器件两端施加正向电压，压，正向阻断正向阻断状态，只有很小状态，只有很小的正向漏电流流过。的正向漏电流流过。 正向电压超过临界极限即正向电压超过临界极限即正向正向转折电压转折电压Ubo，则漏电流急剧增，则漏电流急剧增大，器件大

25、，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，正正向转折电压向转折电压降低。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。晶闸管本身的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在的压降很小，在1V左右。左右。 导通期间，如果阳极电流降至导通期间，如果阳极电流降至IH以下，则晶闸管又回到以下，则晶闸管又回到正向正向阻断状态阻断状态。IH称为称为维持电流维持电流。晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.2.257. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdti

26、TIRTIRtittdI2) 反向特性 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。晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.2.257. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2. 动态特性动态特性a)b)IOUIG=0GT1T2图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形1.2

27、.257. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI1) 开通过程开通过程由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。 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+ trRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.2.2阳极电流稳态值的10%阳极电流稳态值的

28、90%57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr：要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间关断时间关断时间tq：tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040102030405060708090100晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.2.2尖峰电压反向恢复最

29、大电流 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。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，电路才能可靠工作。57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1. 电压定额电压定额 1.2.3 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。 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。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

30、。从减小损耗和发热情况出发，M越小越好，一般在1.5v以下1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM3) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1. 电压定额电压定额00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040102030405060708090100 1.2.3 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的值作为额定电压由于晶

31、闸管承受瞬间过电压能力较差，选管时应留一定的安全裕量裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。例：单相半波整流电路，电源电压有效值为220V，选择晶闸管的额定电压。4) 额定电压额定电压UT00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040102030405060708090100所以取7001000V的管子均可。相反过程也应会计算。57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2. 电流定额电流定额 1.

32、2.3 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正最大工频正弦半波电流的平均值弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) 57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdIAKAKa)IKAPNJb)c)00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04010203040506070809010000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04

33、0102030405060708090100IT(AV)晶闸管电流晶闸管电流平均值平均值发热量发热量有效值有效值57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2. 电流定额电流定额 1.2.3 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正最大工频正弦半波电流的平均值弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) Tm(23)UUIT实际电路中晶闸管电流有效值57.

34、 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI2. 电流定额电流定额晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.2.3 使晶闸管维持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，则IH越小。晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。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最大正向过载电流 。 4) 浪涌电流浪涌电流ITSM 3) 擎住电流擎住电流 IL 2) 维持电流维持电流 IH 57.

35、122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTTAVTIItdtdtiTIRTIRtittdI3. 动态参数动态参数晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.2.3 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压最大上升率。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。 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 。 (2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电位移电流流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： 57. 122Im)sin(Im21124. 024. 0ImsinIm21)(02020220)(AVTTTTT