第2章 电力电子器件 电力电子技术

1、电力电子技术1第第2章章 电力电子器件电力电子器件 引言引言2.1电力电子器件概述电力电子器件概述2.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模功率集成电路与集成电力电子模块块 电力电子技术2本章学习目的与要求本章学习目的与要求v了解了解电力电子器件的电力电子器件的概念、特征、分类概念、特征、分类。v理解并掌握理解并掌握不可控器件、半控型器件、典型不可控器件、半控型器件、典型全控型器件等的全控型器件等的结构、工作原理、基本特性、结构、

2、工作原理、基本特性、主要参数及器件的选型主要参数及器件的选型。电力电子技术3本章重点与难点本章重点与难点v重点重点 半控型器件、典型全控型器件的结构、工半控型器件、典型全控型器件的结构、工作原理、基本特性、主要参数及选择原则。作原理、基本特性、主要参数及选择原则。 v难点难点 晶闸管参数的选择及器件的选型。晶闸管参数的选择及器件的选型。电力电子技术4引引 言言 电子技术的基础电子技术的基础 电子器件：晶体管和电子器件：晶体管和 集成电路集成电路 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件 本章主要内容：本章主要内容：简要概述电力电子器件的简要概述电力电子器件的概念、特点和分

3、类概念、特点和分类等问题。等问题。介绍各种常用电力电子器件的介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性，工作原理、基本特性，主要参数以及选择主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。和使用中应注意的一些问题。 电力电子技术52.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.1电力电子器件概述电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点电力电子技术6电力电子器件电力电子器件（Power Electron

4、ic Device）是指可是指可直接用于处理电能的直接用于处理电能的主电路主电路中，实现电能的变换中，实现电能的变换或控制的或控制的电子器件电子器件。主电路（主电路（Main Power Circuit）电气设备电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。务的电路。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子技术7广义上电力电子器件可分为广义上电力电子器件可分为电真空器件电真空器件和和半导体器件半导体器件两类。两类。两类中，自两类中，自20世纪世纪50年代以来，真空管仅在频率很年代以来，真空管仅在频率很高（如微波

5、）的大功率高频电源中还在使用，而电高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了力半导体器件已取代了汞弧整流器汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、）、闸流管闸流管（Thyratron）等电真空器件，）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅硅。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子技术8同处理信息的电子器件相比，电力电子同处理信息的电子器件相比，电力电

6、子器件的一般特征：器件的一般特征：（1） 处理电功率的大小，即承受电压和电处理电功率的大小，即承受电压和电流流 的能力，是最重要的参数。的能力，是最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理信息的电子器件。级，大多都远大于处理信息的电子器件。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子技术9 （2） 电力电子器件一般都工作在开关状态电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于导通时（通态）阻抗很小，接近于短路短路，管压降接近，管压降接近于零，而电流由外电路决定。于零，而电流由外电路决

7、定。阻断时（断态）阻抗很大，接近于阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路断路，电流几乎为，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。零，而管子两端电压由外电路决定。电力电子器件的电力电子器件的动态特性动态特性（也就是（也就是开关特性开关特性）和参数，）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用作电路分析时，为简单起见往往用理想开关理想开关来代替。来代替。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子技术10 （3）实用中，电力电子器件往往

8、需要由信息电子电）实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。驱动电路。（4）为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温）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，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。在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的导通时器件上有一定的通态压降通态压降，形成，形成通态损耗通态损耗 。 2

9、.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子技术11阻断时器件上有微小的阻断时器件上有微小的断态漏电流断态漏电流流过，形成流过，形成断态损耗。断态损耗。在器件开通或关断的转换过程中产生在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损开通损耗和关断损耗耗，总称，总称开关损耗开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一。件发热的原因之一。通常电力电子器件的断态通常电力电子器件的断态漏电流漏电流极小，因而极小，因而通态损耗通态损耗是是器件功率损耗的主要成因。器件功率损耗的主要成因。器件器件开关频率开

10、关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。器件功率损耗的主要因素。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子技术122.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子电路（系统）：电力电子电路（系统）：由控制电路、驱动电由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。路和以电力电子器件为核心的主电路组成。n 控制电路控制电路按系统的工作要求形成按系统的工作要求形成控制信号控制信号，通过，通过驱动电驱动电路路去控制主电路中电力电子器件的去控制主电路中电力电子器件的通或断通或断，

11、来完成整个，来完成整个系统的功能系统的功能 。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2 电力电子技术13有的电力电子系统中，还需要有有的电力电子系统中，还需要有检测电路检测电路。广义上往往。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路主电路和控制电路组成的。组成的。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路

12、径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过电气隔离，而通过其它手段如其它手段如光、磁光、磁等来传递信号。等来传递信号。 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子技术14由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过

13、电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些加一些保护电路保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。统正常可靠运行，也往往是非常必要的。器件一般有器件一般有三个端子三个端子（或称极或管脚），其中两个联结在（或称极或管脚），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为主电路中，而第三端被称为控制端控制端（或控制极）。器件通（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱

14、动电路和主电路的公共端，来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。一般是主电路电流流出器件的端子。 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子技术152.1.3 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按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：度，分为以下三类：（1）半控型器件半控型器件通过控制信号可以控通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断制其导通而不能控制其关断。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。器件的关断由其在器件的关断由其在主

15、电路中承受的电压和电主电路中承受的电压和电流决定。流决定。 电力电子技术16（2）全控型器件全控型器件通过控制信号既可控制其导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。通又可控制其关断，又称自关断器件。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称，简称为为电力电力MOSFET）门 极 可 关 断 晶 闸 管门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - Tu r n - O f f Thyristor GTO） 2.1.3 电力电子器件的分类

16、电力电子器件的分类电力电子技术17（3） 不可控器件不可控器件不能用控制信号来控制其不能用控制信号来控制其通断，通断， 因此也就不需要驱动电路。因此也就不需要驱动电路。电力二极管电力二极管（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。路中承受的电压和电流决定的。 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类电力电子技术18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：两类：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通过从控制端

17、注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。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。的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件场控器件(Field Controlled Device)，或，或场效应器件场效应器件。 2.1.3 电

18、力电子器件的分类电力电子器件的分类电力电子技术192.1.3 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波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ）脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号脉冲信号来来实现器件的开通或者关断的控制。实现器件的开通或者关断的控制。 电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并平的电压或电流信号来使器件开通并维持维持在导通状态或在导通状态或者关断并维持在阻断状态。者关断并维持在阻断状态。 电力电子技

19、术20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：单极型器件单极型器件由一种载流子参与导电的器由一种载流子参与导电的器件。件。双极型器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。与导电的器件。复合型器件复合型器件由单极型器件和双极型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件集成混合而成的器件 。 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类电力电子技术212.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点介绍各种器件的介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参工作原理、基本特性、主要参数以及选

20、择和使用中应注意的一些问题数以及选择和使用中应注意的一些问题。最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。用电力电子器件的两个基本要求。由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求

21、。阻等，有不同于普通电路的要求。 电力电子技术222.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.2.1 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 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力电子技术23 整流二极管及模块整流二极管及模块2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力电子技术24电力二极管电力二极管（Power Diode）结构和原理简）结构和原理简单，工作可靠，自单，工作可靠，自20世纪世纪50年代初期就获得年代初期就获得应用。应用。

22、快恢复二极管和肖特基二极管快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。具有不可替代的地位。 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管电力电子技术252.2.1 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基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样 以以半导体半导体PN结结为基础。为基础。由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有从外形上看，主要有螺栓型和平板

23、型螺栓型和平板型两种封装。两种封装。 AKAKa)IKAPNJb)c) 电力电子技术26N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结。交界处电子结。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。空间电荷建立的电场被称的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散

24、运动的，另一为内电场或自建电场，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。扩散运动和漂移运动既相互联本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷系又是一对矛盾，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的范量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为围，被称为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。耗尽层、阻挡层或势垒区。 2.2.1

25、 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电力电子技术27 PN结的正向导通状态结的正向导通状态 电导调制效应使得电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在维持在1V左右，所以左右，所以正向正向偏置的偏置的PN结表现为结表现为低阻态低阻态。图2-3 PN结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场 2.2.1 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电力电子技术28 PN结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导电性结的单向导电性 二极管的基本原

26、理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特结的单向导电性这一主要特征。征。PN结的反向击穿结的反向击穿 有有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，称，称 为为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作。结电容按其产生机制和作用的差别分为用的差别分为势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。 2.2.1 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电力电子技术29势垒电容

27、势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。而而扩散电容扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。散电容为结电容主要成分。结电容结电容影响影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导

28、电性变差，甚至不能工作，应用态下，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。时应加以注意。 2.2.1 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电力电子技术30造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略；额外载流子的注入水平较高，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；引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；承受的电流变化率承受的电流变化

29、率di/dt较大，因而其引线和器件自身的较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响；电感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；为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大； 2.2.1 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电力电子技术311. 静态特性静态特性-主要指其伏安特性主要指其伏安特性 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。），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压对应

30、的电力二极管两端的电压UF即为其正即为其正向电压降。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。起的微小而数值恒定的反向漏电流。2. 动态特性动态特性动态特性动态特性因结电容的存在，三种状态之间的转换因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是电流特性是随时间变化的。随时间变化的。 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力电子技术32 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.2.2 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性

31、图图2-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性 IOIFUTOUFU电力电子技术33a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd tu由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状新获得反向阻断能力，进入截止状态。态。 在关断之前有较大的反向电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流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。过冲。 延迟时间延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间电流下降时间：tf

32、 =t2- t1 反向恢复时间反向恢复时间：trr=td+ tf 恢复特性的软度恢复特性的软度： tf /td，或，或称恢复系称恢复系 数，用数，用Sr表示。表示。t0:正向正向电流降电流降为零的为零的时刻时刻t1:反向电流反向电流达最大值的达最大值的时刻时刻t2:电流变化电流变化率接近于零率接近于零的时刻的时刻 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力电子技术34UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置 先出现一个先出现一个过冲过冲UFP，经过一段时间才趋于接近经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如稳态压降的某个值（如2V）。）。 正向

33、恢复时间正向恢复时间tfr 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力电子技术352.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1. 正向平均电流正向平均电流IF(AV) 额定电流额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）表示）和散热条件下，其允许流过的最大和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平工频正弦半波电流的平均值。均值。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此

34、使用时应按用时应按有效值相等有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。一定的裕量。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。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也不小。成的发热效应也不小。 电力电子技术362. 正向压降正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。向电流时对应的正向压降。有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向

35、有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。大电流时器件的最大瞬时正向压降。3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是其雪崩击穿电压通常是其雪崩击穿电压UB的的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。最高峰值电压的两倍来选定。 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数电力电子技术374. 最高工作结温最高工作结温TJM结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结

36、的平均温度，用TJ表示。表示。最高工作结温最高工作结温TJM是指在是指在PN结不致损坏的前提下所能结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。承受的最高平均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。5. 反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到，关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻起到恢复反向阻断能力止的时间。断能力止的时间。6. 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。期的过电流。 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数电力电子技术38n按

37、照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍；能，特别是反向恢复特性的不同介绍；n在应用时，应根据不同场合的不同要求选择在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管；不同类型的电力二极管；n性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。的差别造成的。2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力电子技术391. 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称又称整流二极管整流二极管（Rectifier Diode）；）；多用于开关频率不高（多

38、用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中；以下）的整流电路中；其反向恢复时间较长，一般在其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频以上，这在开关频率不高时并不重要；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。达数千安和数千伏以上。 ZP电流电流电压电压/100 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力电子技术402. 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery Diode FRD）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 s以下）以下）的

39、二极管，也简称快速二极管，的二极管，也简称快速二极管，工艺上多采用了掺金措施，工艺上多采用了掺金措施，有的采用有的采用PN结型结构，结型结构，有的采用改进的有的采用改进的PiN结构结构 。 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力电子技术41采用外延型采用外延型PiN结构的的结构的的快恢复外延二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时），其反向恢复时间更短（可低于间更短（可低于50ns），正向压降也很低（），正向压降也很低（0.9V左右），左右），但其反向耐压多在但其反向耐压多在400V以下。以下。从性能上可分为

40、快速恢复和超快速恢复两个等级。前者从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，以下，甚至达到甚至达到2030ns。 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力电子技术423. 肖特基二极管肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管。），简称为肖特基二极管。20世纪世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子年代以来，

41、由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用。电路中广泛应用。肖特基二极管的弱点肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于因此多用于200V以下。以下。反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不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。能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力电子技术43肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（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

42、冲，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，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，效率高小，效率高 。 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力电子技术442.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件电力电子技术45晶闸管（

43、晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管，）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产）开发出第一只晶闸管产品，品，1958年商业化，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，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，20世纪世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，能承受的能承受的电压和电流容量电压和

44、电流容量最高，工作可靠，在最高，工作可靠，在大容量大容量的的场合具有重要地位。场合具有重要地位。 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管电力电子技术46常用常用晶闸管的结构晶闸管的结构螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构电力电子技术472.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 外形有外形有螺栓型和平板型螺栓型和平板型两种封装，两种封装，引出引出阳极阳极A、阴极、阴极K和门极（控制端和门极（控制端）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，能与散热器紧密联接对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安

45、装方便，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。平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3电力电子技术48a）自冷）自冷 b）风冷）风冷 c）水冷）水冷螺栓型：散热效果差，用于螺栓型：散热效果差，用于200以下容量的元件。以下容量的元件。平板型：散热效果好，用于平板型：散热效果好，用于200以上的元件。以上的元件。电力电子技术49图图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工

46、作原理，按照晶体管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理电力电子技术50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，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断

47、状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。管漏电流之和。 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流（阳极电流）将将趋近于趋近于无穷无穷大大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由

48、以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理电力电子技术51其他几种可能导通的情况：其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应; 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高;结温结温较高较高;光直接照射硅片，即光直接照射硅片，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，其它都因不易控制而难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，称为以应用于实践，称为光控

49、晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。制手段。2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理电力电子技术522.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1. 晶闸管正常工作时的特性总结晶闸管正常工作时的特性总结：承受承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触发电流，时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；晶闸管都不会导通；承受承受正向电压正向电压时，仅在门极有触发电流的情况时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；下晶闸管才能开通；

50、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，要使晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某电流降到接近于零的某一数值以下。一数值以下。 电力电子技术53开通条件与关断条件举例开通条件与关断条件举例电力电子技术54（1）正向特性正向特性IG=0时，器件两端施加正向时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器，则漏电流急剧增大，器件开通。件

51、开通。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右。左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1） 静态特性静态特性图2-9 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性电力电子技术55反向特性类似二极管的反反向特性类似二极管的反向特性。向特性。反向阻断状态时，只有极反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。小的反向漏电流流过。当反向电压达到反向击穿当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管电压后，可

52、能导致晶闸管发热损坏。发热损坏。图2-9 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG（2）反向特性反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性电力电子技术56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正反馈过程馈过程需要时间，再加上需要时间，再加上外外电路电感电路电感的限制，晶闸管受的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增到触发后，其阳极电流的增长不可能是长不可能是瞬时瞬时的。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)

53、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的增大而减小，上升时间除反增大而减小，上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受映晶闸管本身特性外，还受到到外电路电感外电路电感的严重影响。的严重影响。提高提高阳极电压阳极电压，延迟时间和，延迟时间和上升时间都可显著缩短。上升时间都可显著缩短。 图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形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稳态值的态值的10%2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性电力电子技术57关断过程关断

54、过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，的存在，原处于导通状态的晶闸管当原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。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内如果重新对晶闸管施加果重新对晶闸管施加正向电正向电压压，晶闸管会重新正向导通，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导而不是受门极电流控制而导通。通。图

55、图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%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%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性电力电子技术58电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件加在器件上的上的正向正向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-9）。）。 国标规定断态重复峰值电压国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）压（即断态最大瞬时电压

56、）UDSM的的90%。 断态不重复峰值电压应低于断态不重复峰值电压应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件加在器件上的上的反向峰值电压反向峰值电压（见图（见图2-8）。）。 规定反向重复峰值电压规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）（即反向最大瞬态电压）URSM的的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压反向击穿电压。2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电力电子技术59 通态（峰值

57、）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电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流时的瞬态峰值电 压。压。 应用注意：应用注意：通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，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。2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电力电子技术60正反向重复峰值电压：正反向重复峰值电压：RSMRRMDSMDRMUUUU9 . 09 . 0DRMURRMU额定电压取额定电压取中较中较小小值值取整取整 100V一个等级一个等级 选用器件时额定电压选用器件时额定电压TMVTUU)32(

58、2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电力电子技术61通态平均电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度在环境温度为为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温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不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流最大工频正弦半波电流的平均值的平均值。标称其额定电流的参数。标称其额定电流的参数。使用时应按使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。来选取晶闸管。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发热效应来来定义的。定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相一般取其通态

59、平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的等）的原则所得计算结果的1.52倍。倍。 2 2）电流定额）电流定额2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电力电子技术62维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维能维持导通所需的最小电流。持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温指由于电路异常情况引起

60、的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流的不重复性最大正向过载电流 。2 2）电流定额）电流定额2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电力电子技术63 除除开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：断态电压临界上升断态电压临界上升率率du/dt 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。态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升通态电流临界上升率率d