电力电子技术(第一章)

1、章电力电子器件第一节 晶闸管 一、普通晶闸管的结构和工作原理 普通晶闸管是一种功率四层半导体（P1N1P2N2）器件，由三个PN结J1、J2、J3组成。普通晶闸管有三个电极，分别为阳极（A）、阴极（K）、门极（G）。 1、内部结构和图形符号如下图所示。 2、工作原理 单向导电性：与二极管一样具有单向导电性，电流只能从阳极流向阴极。 正向阻断性：在晶闸管阳极和阴极之间加上正向电压管子不能导通，必须在门极和阴极之间加上门极电压，有了足够的门极电流流入后才能使晶闸管正向导通。要使导通德晶闸管恢复为阻断状态，可降低阳极的电源电压或增加阳极回路的电阻，使流过管子的阳极电流Ia减小，当阳极电流Ia减小到一

2、定数值，阳极电流Ia会突然降为0，之后即使再调高阳极电压或减小阳极回路电阻，阳极电流Ia也不会增加，说明管子已经恢复了正向阻断。 Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 结论晶闸管导通条件为： （1）在阳极和阴极之间加上一定大小的正向电压； （2）在门极和阴极之间加上一定的正向触发电压；晶闸管关断条件为： （1）减小阳极电压 （2）增加阳极回路电阻 （3）加反向电压 二、晶闸管的阳极伏安特性和主要参数 1、阳极伏安特性：阳极和阴极之间电压与阳极电流之间的关系。IG2IG1IG （1

3、）正向特性 IG=0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，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。 （2）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，只有极小的反相漏电流流过。 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

4、剧增加，导致晶闸管发热损坏。 2、主要参数 （1）额定电压： 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。 选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压 倍。 （2）额定电流：在环境温度为40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170的电路中，当结温不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流 。（3）维持电流与掣住电流 维持电流：在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流。用 表示。 掣住电流：在晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就去除触发电压，此时能维持管子继续导通所

5、需要的最小阳极电流。用 表示。（4）国产晶闸管的型号三、双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）（一）图形符号以及伏安特性 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。 正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。 与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。 （二）触发方式与参数选择1、触发方式（1）+触发方式 第一阳极为正，第二阳极为负；门极为正，第二阳极为负；（2）-触发方式第一

6、阳极为正，第二阳极为负；门极为负，第二阳极为正；（3）+触发方式 第一阳极为负，第二阳极为正；门极为正，第二阳极为负；（4）-触发方式第一阳极为负，第二阳极为正；门极为负，第二阳极为正； 2、参数选择（1）额定电流 双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而其允许流过的最大交流有效值来表示其额定电流值。（2）额定电压 380V线路用的交流开关，一般选用1000-1200V的双向晶闸管。 3、普通晶闸管与双向晶闸管的互换 双向晶闸管可以看成是两个普通晶闸管的反向并联，所以双向晶闸管一般用在交流电路之中。 两者互换等式关系为第二节 电力晶体管（GTR） 电力晶体管也称巨型晶体管（GTR:Gia

7、ntTransistor） GTR是一种电流控制的双极大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号如图和普通的NPN晶体管一

8、样。 （1）静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。 （2）动态特性 开通过程： 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间tn。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 。 关断过程： 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，

9、或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。 GTR的二次击穿现象与安全工作区 （1）一次击穿 集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 （2）二次击穿 一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。 （3）安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。 第三节 GTO、MOSFET、IGBT 一、门极可关断晶闸管 晶闸

10、管的一种派生器件；可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断；GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 1、GTO的结构和工作原理 （1）结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。 （2）原理 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 2、主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间 延迟时间与上升

11、时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。 （2）关断时间 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。 （3）最大可关断阳极电流IATO 指GTO的额定电流 （4）电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。 off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 二、功率MOSFET1、特点用栅极电压来控制漏极电流；其驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高；热稳定性优于GTR；电流容

12、量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。2、结构和工作原理（1）种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型（2）结构（3）工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。 三、绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。1、IGB