高级工授课1课件

《电力电子变流技术》电子教案第一章：电力电子器件1第一章电力电子器件1.1半控型器件——晶闸管1.2典型全控型器件1.3不可控器件——电力二极管1.4其他新型电力电子器件1.5电力电子器件的驱动1.6电力电子器件的保护1.7电力电子器件的串联和并联使用小结

§1.1半控型器件——晶闸管晶闸管SCR（SiliconControlledRectifier）又称：晶体闸流管(Thyristor)，可控硅整流器。1956年美国贝尔实验室（BellLab）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。

1.1.1晶闸管的结构和外形封装

2、晶闸管的其它封装形式：还有塑封和模块式两种封装。图1-2晶闸管的其它封装形式

1.1.2晶闸管的开关特点

〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。图1-3晶闸管的工作条件的试验电路〔解释〕当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始终处于关断状态；UAK>0时，只有EGk>0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力；SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；当UAK<0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。

1.1.2晶闸管的开关特点

综上所述：SCR导通条件：UAK>0同时UGK>0由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。或者加反压关断

1.静态特性承受反向电压时，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；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

从这个角度可以看出，SCR是一种电流控制型的电力电子器件。

1.1.5晶闸管的基本特性

1.额定电压1)

断态重复峰值电压UDRM——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。2)

反向重复峰值电压URRM——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。3)

通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数（π倍)的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压（一般为2V）。

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。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。SCR一般来说：100V~1000V，每100V一个等级；1000V～3000V，每200V一个等级。

1.1.5晶闸管的主要参数

2.额定电流1)

通态平均电流IT(AV)

额定电流-----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连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。实际使用时应留一定的裕量，一般取1.5~2倍。IT(AV)=(1.5~2)ITM/1.57

1.1.5晶闸管的主要参数

1.双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性

1.1.7晶闸管的派生器件

TRIAC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；I+III-,I-III-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（SolidStateRelay——SSR）和交流电机调速等领域应用较多；通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。

1.1.7晶闸管的派生器件

着重介绍：门极可关断晶闸管GTO电力晶体管GTR电力场效应晶体管POWERMOSFET门极绝缘栅双极晶体管IGBT

§1.2典型全控型器件电力晶体管GTR（GiantTransistor，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代电流控制型，防止二次击穿现象

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

GTR的二次击穿现象(重要）与安全工作区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。二次击穿一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿，见教材P138；二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。必需避免。

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）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PSB限定图1-18GTR的安全工作区

1.2.2电力晶体管GTR(BJT)

图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)电气图形符号

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

G：栅极D：漏极S：源极

GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；

MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单；两类器件取长补短结合而成一些复合器件—Bi-MOS器件（如IGBT)。

1.2.3电力场效应管POWERMOSFET

1.2.4绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管IGBT（Insulated-gateBipolarTransistor）

IGBT为GTR和MOSFET复合，它结合二者的优点，具有比它们各好的特性；

1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,成为中小功率电力电子设备的主导器件；

目前正继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位；在价格方面期待进一步降低。§1.3电力电子器件器件的串联和并联使用

1.3.1晶闸管的串联1.3.2晶闸管的并联

目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀：静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等；承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用；反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。1.3.1晶闸管的串联均压措施选用参数和特性尽量一致的器件；采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。图1-41晶闸管的串联a)

伏安特性差异b)

串联均压措施1.3.1晶闸管的串联均流措施选用参数和特性尽量一致的器件是实现静态均流的根本措施；采用电阻均流，Rp的阻值应显著大于SCR导通时的内阻。还可以采用电感均流：当SCR由于伏安特性差别，器件电流趋于不均衡时，电