第1章 电力电子器件(定稿)

第1章电力电子器件

1.1电力二极管1.2晶闸管1.1电力二极管1.1.1功率二极管的结构和工作原理1、元件结构

图1-1图1-2■二极管的基本原理——PN结的单向导电性◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，PN结表现为低阻态，PN结处于正向导通状态。导通时，管子压降维持在1V左右。不随电流而变。

◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。反向阻断时，有极小的漏电流，平时可忽略不计，但温度升高时漏电流会增大，须引起注意。

◆PN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PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。1.1.2功率二极管的伏安特性IOIFUTOUFU电力二极管的伏安特性整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管见教材P4。1.1.3功率二极管的主要参数1.2晶闸管晶闸管（又称可控硅[SCR]）是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LATT）等。1.2.1晶闸管的结构

1、晶闸管的结构

图1-4常见的外形有两种：螺栓型和平板型。具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)图1-41.2.2晶闸管的工作原理

1、晶闸管的导通、关断实验由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。

（a）(b)(c)图1-5

图1-52、实验说明3、实验结论通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件:

（1）晶闸管阳极和阴极之间加正向电压。（2）晶闸管门极和阴极之间加正向电压。

晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。

4、晶闸管的导通关断原理

当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

图1-6

晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持。门极失去控制作用。那怎样才能关断管子呢？关断条件：必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是减小到维持电流。可采用的方法有:将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。14

1、晶闸管的伏安特性

晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。IG

=0图1-5晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向导通>>UBO正向特性反向特性雪崩击穿1.2.3晶闸管的特性

2、晶闸管的开关特性(简介)

晶闸管的开关特性如图所示。图1-8

晶闸管开关特性的说明通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td与上升时间tr之和。即ton=td+tr电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和。toff=trr+tgr

1.2.4晶闸管的主要参数(简介)1、额定电压UTn(重点)

（1）正向重复峰值电压UDRM在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM的80%。（2）反向重复峰值电压URRM在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。晶闸管的额定电压则取UDRM和URRM的较小值且靠近标准电压等级所对应的电压值。选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的2~3倍。2、额定电流IT(AV)(重点)是指：在环境温度为+40度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.5～2)倍的安全裕量。

3、维持电流IH

在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。

4、擎住电流IL

晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。5、门极触发电流IGT在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。6、门极触发电压UGT

对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM

和UGFM。

7、断态电压临界上升率du/dt

在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。

8、通态电流临界上升率di/dt

在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。1.2.5晶闸管的型号、选择原则

1、普通晶闸管的型号额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级；1000V到3000V，每200V为一级。

组别ABCDE通态平均电压（V）UT≤0.40.4＜UT≤0.50.5＜UT≤0.60.6＜UT≤0.70.7＜UT≤0.8组别FGHI通态平均电压（V）0.8＜UT≤0.90.9＜UT≤1.01.0＜UT≤1.11.1＜UT≤1.2晶闸管通态平均电压分组

2、普通晶闸管的选择原则

（1）选择额定电流的原则在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.5~2倍的安全裕量。计算公式为：然后取相应标准系列值。1.2.6晶闸管的其它派生元件(简介)双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。图1-12双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。图1-1431包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管（10kHz以上）；FST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)32

逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）图1-9逆导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33光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。图1-10光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。☞当器件的开关频率较高时，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。电气隔离图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成1.3门极可关断晶闸管（GTO）

1.3.1GTO的结构和工作原理晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。GTO为四层PNPN结构、三端线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元图1-15图1-1539/89导通与关断☞GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。晶闸管的回路增益α1+α2常为1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。

☞而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使

1+

2<1时，器件退出饱和而关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。☞GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。

■GTO的主要参数◆GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同

◆电流关断增益

off

☞最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。

☞

off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。

■不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。

41/891.3.2电力晶体管■电力晶体管（GiantTransistor——GTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的结构和工作原理

◆GTR和GTO一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。◆GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多共射极电路的输出特性曲线

图1-19

2、GTR的动态（开关）特性

晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。GTR主要应用于开关工作方式。在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动GTR导通，而用另一反向基极电流IB2迫使GTR关断，由于GTR不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。简称P-MOSFET（PowerMOSFET）。

是用栅极电压来控制漏极电流的开关时间在10~100ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。电力MOSFET的种类☞按导电沟道可分为P沟道和N沟道。☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。

1.3.3电力场效应晶体管45/89◆电力MOSFET的工作原理☞截止

栅极和源极间电压为零时，无漏极电流ID，截止☞导通

在栅极和源极之间加一正电压UGS，当UGS大于某一电压值UT开启电压（或阈值电压）时，导通。UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。☞本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个

与MOSFET反向并联的寄生二极管。

■GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。电力MOSFET是单极型电压驱动器件，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。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具