第1章电力电子器件第二讲

第1章、电力电子器件

1.1、电力电子器件的基本模型

1.2、电力二极管

1.3、晶闸管

1.4、可关断晶闸管

1.5、电力晶体管

1.6、电力场效应晶体管

1.7、绝缘栅双极型晶体管

1.8、其它新型电力电子器件

1.9、电力电子器件的驱动与保护表2.2.1部分电力二极管主要性能参数

1.3、晶闸管1.3.1晶闸管及其工作原理1.3.2晶闸管的特性与主要参数

1.3.3晶闸管的派生器件

第1章1.3晶闸管

晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛,因此在无特别说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。普通晶闸管：也称可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),简称SCR。

由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域,成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。第1章1.3.1晶闸管及其工作原理

（1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A以上),分别由图1.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。（2）晶闸管有三个电极,它们是阳极A,阴极K和门极(或称栅极)G,它的电气符号如图1.3.1(e)所示。图1.3.1晶闸管的外型及符号1、晶闸管的结构：第1章1.3.1晶闸管及其工作原理第1章1、晶闸管的结构（续）晶闸管是大功率器件,工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上,采用自然散热冷却方式,如图1.3.2(a)所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间,散热方式可以采用风冷或水冷,以获得较好的散热效果,如图1.3.2(b)、(c)所示。图1.3.2晶闸管的散热器第1章2、晶闸管的工作原理图1.3.3晶闸管的内部结构和等效电路(1)导通：晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极G也加正向电压Ug,门极电流Ig经三极管T2放大后成为集电极电流Ic2，Ic2又是三极管T1的基极电流,放大后的集电极电流Ic1进一步使Ig增大且又作为T2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管T1、T2都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。此时若撤除Ug,T1、T2内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流。第1章2、晶闸管的工作原理第1章(2）阻断：当晶闸管A、K间承受正向电压，而门极电流Ig=0时,上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管A、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。2、晶闸管的工作原理续)图1.3.3晶闸管的内部结构和等效电路第1章1.3、晶闸管1.3.1晶闸管及其工作原理1.3.2晶闸管的特性与主要参数

1.3.3晶闸管的派生器件

第1章1.3.2晶闸管的特性与主要参数定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。图1.3.4晶闸管阳极伏安特性

UDRM、URRM──正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM──正、反向断态不重复峰值电压；UBO──正向转折电压；URO──反向击穿电压。１.晶闸管的伏安特性：第1章１.晶闸管的伏安特性（续）：

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，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。图1.3.4晶闸管阳极伏安特性（1）晶闸管的反向特性：第1章１.晶闸管的伏安特性（续）：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。图1.3.4晶闸管阳极伏安特性（2）晶闸管的正向特性：第1章2.晶闸管的开关特性晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。1.3.5晶闸管的开通和关断过程波形第1章延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr

普通晶闸管延迟时为0.5∽1.5μs，上升时间为0.5∽3μs。2.晶闸管的开关特性（续）1.3.5晶闸管的开通和关断过程波形

(1)开通过程：第1章正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间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。关断时间tq：trr与tgr之和，即

tq

=trr+tgr2.晶闸管的开关特性（续）1.3.5晶闸管的开通和关断过程波形

(2)关断过程普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

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第1章（3）晶闸管的开通与关断时间1）开通时间tgt：普通晶闸管的开通时间tgt

约为6μs。开通时间与触发脉冲的陡度与电压大小、结温以及主回路中的电感量等有关。2）关断时间tq

：普通晶闸管的tq

约为几十到几百微秒。关断时间与元件结温

、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。第1章3.晶闸管的主要特性参数

1）正向重复峰值电压UDRM:

门极断开(Ig=0),元件处在额定结温时,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM(此电压不可连续施加)的80%所对应的电压(此电压可重复施加,其重复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms)。2）反向重复峰值电压URRM:

元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压URsM的80%所对应的电压。3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值,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2～3倍。（1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压Ute第1章（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流IT(AV)

在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。1）定义：在环境温度为40℃和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载导通角不小于170°的单相工频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。第1章3.晶闸管的主要特性参数

这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为IT=KfIT(AV)=157A。2）IT(AV)计算方法：（1.3.3）（1.3.4）（1.3.5）（1.3.6）

根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。额定电流有效值为：

现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：额定电流(平均电流)为：第1章正弦半波电流的峰值3.晶闸管的主要特性参数（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT

1）定义：在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。

2）晶闸管由于门极特性的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。

3）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响很大，温度升高，UGT

、IGT

值会显著降低，温度降低，UGT

、IGT

值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT

大几倍。第1章3.晶闸管的主要特性参数（4）通态平均电压UT(AV)1）定义：在规定环境温度、标准散热条件下，

元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降)2）其数值按表1.3.3分组．在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择ＵT(AV)

小的晶闸管。组别ABC通态平均电压（V）ＵT≤0.40.4＜ＵT≤0.50.5＜ＵT≤0.6组别DEF通态平均电压（V）0.6＜ＵT≤0.70.7＜ＵT≤0.80.8＜ＵT≤0.9组别GHI通态平均电压（V）0.9＜ＵT≤1.01.0＜ＵT≤1.11.1＜ＵT≤1.2表1.3.3晶闸管通态平均电压分组第1章3.晶闸管的主要特性参数（5）维持电流ＩＨ

和掣住电流ＩL1）维持电流ＩＨ：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为维持电流ＩH。维持电流与元件容量

、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH

的实测值。2）掣住电流ＩL：给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。对同一晶闸管来说，掣住电流ＩL

要比维持电流ＩH

大2~4倍。

第1章3.晶闸管的主要特性参数（6）通态电流临界上升率

di/dt

1、定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率

di/dt。2、影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的ＰＮ结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。第1章3.晶闸管的主要特性参数（7）断态电压临界上升率du/dt

1）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。

2）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的ＰＮ结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。

第1章3.晶闸管的主要特性参数1.3、晶闸管1.3.1晶闸管及其工作原理1.3.2晶闸管的特性与主要参数

1.3.3晶闸管的派生器件

第1章1.3.3晶闸管的派生器件

可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(FastSwitchingThyristor，简称FST)，开关频率在10KHZ

以上的称为高频晶闸管。快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。快速晶闸管du/dt的耐量较差，使用时必须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的du/dt，当开关频率升高时，du/dt

耐量会下降。1.快速晶闸管(FastSwitchingThyristor—FST第1章

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Ｉ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。通常用在交流电路