第二章电力电子器件PPT讲稿.ppt

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1、第二章电力电子器件第1页，共156页，编辑于2022年，星期二电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。的研制与应用。定义：定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（半导体电子器件称为电力电子器件（PowerElectronicDevice）。）。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，本书

2、涉及的器件都是指半导体电力电体器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。子器件。第2页，共156页，编辑于2022年，星期二电力电子器件的电力电子器件的基本模型与特性基本模型与特性 l 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图下图2.1.12.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和和B代代表开关的两个主电极，表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态通态”和和“断态断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻两种情况，

3、在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。无穷大。图图2.1.1电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的理想开关模型l一、基本模型：一、基本模型：第3页，共156页，编辑于2022年，星期二电力电子器件的电力电子器件的基本模型与特性基本模型与特性l二、基本特性：二、基本特性：l（1）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。（2）电电力力电电子子器器件件的的开开关关状状态态由由（驱驱动动电电路）外电路来控制。路）外电路来控制。（3）在在工工作作中中器器件件的的功功率率损损耗耗（通通态态、断断态态、开开关关损损耗耗）很很大大。为为保保证证不不至至因因损损耗耗散散发发的的

4、热热量量导导致致器器件件温温度度过过高高而而损损坏坏，在在其工作时一般都要安装散热器。其工作时一般都要安装散热器。第4页，共156页，编辑于2022年，星期二电力电子器件的种类电力电子器件的种类 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：不可控器件：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管（如：电力二极管（PowerDiode）；）；半控型器件：半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，

5、不能控制其关断的电力电通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。子器件称为半控型器件。如：晶闸管（如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；）及其大部分派生器件等；全控型器件：全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）、）、功率场效应管（功率场效应管（PowerMOSFET）和绝缘栅双极型）和绝缘栅双极型晶体管（晶体管（Insulated-GateBipolarTra

6、nsistor）等。）等。第5页，共156页，编辑于2022年，星期二二、电力电子器件按控制信号二、电力电子器件按控制信号二、电力电子器件按控制信号二、电力电子器件按控制信号 的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种：电流控制型器电流控制型器件：件：此类器件采用此类器件采用电流信号来实现导电流信号来实现导通或关断控制。通或关断控制。如：晶闸管、门极如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功可关断晶闸管、功率晶体管、率晶体管、IGCT等；等；电压控制半导体器件：电压控制半导体器件：这类器件采用电压控制这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、（场控原

7、理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。信号就可驱动它工作。如：代表性器件为如：代表性器件为MOSFET管和管和IGBT管。管。第6页，共156页，编辑于2022年，星期二l附表附表:主要电力半导体器件主要电力半导体器件 的特性及其应用领域的特性及其应用领域器件种类器件种类开关开关功能功能器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域电力电力二极管二极管不可不可控控5 5k kV V/3 3k kA A4 40 00 0H Hz z各种整流装置各种整流装置晶闸管晶闸管可控可控导通导通6kV/6kA6kV/6k

8、A400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR炼炼钢钢厂厂、轧轧钢钢机机、直直流流输输电电、电解用整流器电解用整流器可关断可关断晶闸管晶闸管自关自关断型断型6kV/6kA500Hz工工业业逆逆变变器器、电电力力机机车车用用逆逆变变器、无功补偿器器、无功补偿器MOSFETMOSFET600V/70A100kHz开开关关电电源源、小小功功率率UPSUPS、小小功功率逆变器率逆变器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各各种种整整流流/逆逆变变器器（UPSUPS、变变频频器器、家家电电）、电电力力机机车车用用逆逆变变器

9、、中压变频器器、中压变频器第7页，共156页，编辑于2022年，星期二v*、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 v1.2、电力二极管电力二极管 v1.3、晶闸管晶闸管v可关断晶闸管可关断晶闸管 v1.4、电力晶体管电力晶体管 v1.5、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v1.6、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 v1.7、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件第一章、第一章、电力电子器件电力电子器件第8页，共156页，编辑于2022年，星期二1.2 电力二极管电力二极管 P4l1.2.1电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l1.2.2电力二极管的特性与参数电力二极

10、管的特性与参数 第9页，共156页，编辑于2022年，星期二1.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理一、电力二极管一、电力二极管：1 1、电力二极管（、电力二极管（PowerDiode）也称为半导体）也称为半导体整流器（整流器（SemiconductorRectifier，简称，简称SR），），属不可控电力电子器件，是属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用世纪最早获得应用的电力电子器件。的电力电子器件。2 2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用合发挥着积极的作用,具有不可替代的地位。具有不可替代的地位。第1

11、0页，共156页，编辑于2022年，星期二二、二、PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：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。以半导体以半导体PNPN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。结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。图图2.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符电力二极管的外形、结构和电气图形符a）结构）结构b）外形）外形c）电气图形）电气图形第11页，共156页，编辑于2022年，星期二二、二、PN

12、结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：N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结结:内电场内电场:空间电荷建立的电场空间电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另，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）向本区运动，即一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，即漂移运漂移运动动。空间电荷空间电荷: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的扩散运动扩散运动，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，到对

13、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。这些不能移动的正、负电荷称为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。空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个动和漂移运动最终达到动态平衡，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围，被称为稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也，按所强调的角度不同也被称为被称为耗尽层、阻挡

14、层或势垒区耗尽层、阻挡层或势垒区。第12页，共156页，编辑于2022年，星期二 二、二、PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：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结在正向电流较大结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正左右，所以正向偏置的向偏置的PN结表现为低阻态。结表现为低阻态。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。二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单结的单向导电性这一主要特征。向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿：结的反向击穿：有雪崩击穿和齐

15、纳击穿两种形式，可能导致热击穿。有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，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，呈现电容效应，称为结电容结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电，又称为微分电容。容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容和扩散电容CD。l图图2.2.2电力二极管的伏安特性曲线电力二极管的伏安特性曲线第13页，共156页，编辑于2022年，星期二势垒电容势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，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

16、用越明显。势垒电容的大小与势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。与阻挡层厚度成反比。扩散电容扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电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，扩散电容为结压较低时，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。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态下，可结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。二、二、P

17、N结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：第14页，共156页，编辑于2022年，星期二1.2 电力二极管电力二极管l1.2.1电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l1.2.2电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数 第15页，共156页，编辑于2022年，星期二1.2.2 1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 第16页，共156页，编辑于2022年，星期二1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性当当电电力力

18、二二极极管管承承受受的的正正向向电电压压大大到到一一定定值值（门门槛槛电电压压UTO），正正向向电电流流才才开开始始明明显显增增加加，处处于于稳稳定定导导通通状状态态。与与正正向向电电流流IF对对应应的的电电力力二二极极管管两两端端的电压的电压UF即为其正向电压降。即为其正向电压降。当当电电力力二二极极管管承承受受反反向向电电压压时时，只只有有少少子子引引起起的的微微小小而而数值恒定的反向漏电流。数值恒定的反向漏电流。l图图2.2.2电力二极管的电力二极管的l伏安特性曲线伏安特性曲线l特性曲线特性曲线:第17页，共156页，编辑于2022年，星期二1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的

19、特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 第18页，共156页，编辑于2022年，星期二2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性（1 1）关断特性）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。v 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。v 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过冲。在关断之前有较大的反向电流出现，

20、并伴随有明显的反向电压过冲。定义：定义：反映通态和断态之间的转换过程（反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程关断过程、开通过程）。）。图图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形第19页，共156页，编辑于2022年，星期二 电力二极管的正向压降先出现一个过冲电力二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于接近稳，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如态压降的某个值（如 2V 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间t tfrfr。v 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达

21、到稳态导通前管压降较大。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。v 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，大，U UFPFP越高越高 。（2 2）开通特性）开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。图图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形第20页，共156页，编辑于2022年，星期二2、电力二极管的开关特性：、电力二极管的开关特性：（续）（续）l延迟时间：延迟时间：td=t1-t0

22、电流下降时间：电流下降时间：tf=t2-t1l反向恢复时间：反向恢复时间：trr=td+tfl恢复特性的软度：恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值下降时间与延迟时间的比值tf/td，或，或称恢复系数，用称恢复系数，用sr表示。表示。图图2.2.3电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形第21页，共156页，编辑于2022年，星期二1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数（1 1）普通二极管）普通二极管：普通二极管又称整流管（普通二极管又称整流管（RectifierDiode），），多多用于开关频率在用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，以下的整流

23、电路中，其反向恢复时间在其反向恢复时间在usus以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2 2）快恢复二极管：）快恢复二极管：反向恢复时间在反向恢复时间在usus以下的称为快恢复二极管以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode简称简称FDRFDR）。快恢复二极管从性能上可分）。快恢复二极管从性能上可分为为快速恢复和超快速恢复二极管快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在以上，后者则在100ns100ns以下，其容量可达以下，其容

24、量可达1200V/200A1200V/200A的水平的水平,多用多用于高频整流和逆变电路中于高频整流和逆变电路中。（3 3）肖特基二极管：）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.40.6V0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200200以下。以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。电力二极管的主要类型：电力二极管的主

25、要类型：第22页，共156页，编辑于2022年，星期二1.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数第23页，共156页，编辑于2022年，星期二3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 额定正向平均电流额定正向平均电流在指定的管壳温（简称壳温，用在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）和散热条表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流设该正弦半波电流的峰值为

26、的峰值为Im,则额定电流则额定电流(平均电流平均电流)为为:（2.2.52.2.5）（2.2.42.2.4）（2.2.62.2.6）（2.2.72.2.7）可求出正弦半波电流的波形系数可求出正弦半波电流的波形系数: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，用波形系数，用K Kf f表示：表示：额定电流有效值为额定电流有效值为:（1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(AV)第24页，共156页，编辑于2022年，星期二（1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(AV)（续）（续）正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，

27、正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有并应留有1.52倍倍的的裕量裕量。当用在频率较高的场合时，当用在频率较高的场合时，开关损耗开关损耗造成的发热往造成的发热往往不能忽略。往不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态断态损耗损耗造成的发热效应也不小造成的发热效应也不小。第25页，共156页，编辑于2022年，星期二l 指指器器件件中中结结不不至至于于损损坏坏的的前前提提下下所所能能承承受受的的最最高高平平均温度。均温度。jMjM通常在通常在12

28、5125175175范围内。范围内。3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数（2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压RRMRRM：指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压此电压通常为击穿电压U U的的2/32/3。l（3 3）正向压降正向压降F F：指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压的正向平均电压(又称管压降又称管压降)。（4 4）反向漏电流反向漏电流RRRR：指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。（5

29、）最高工作结温最高工作结温jM：第26页，共156页，编辑于2022年，星期二v*、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 v1.2、电力二极管电力二极管 v1.3、晶闸管晶闸管v可关断晶闸管可关断晶闸管 v1.4、电力晶体管电力晶体管 v1.5、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v1.6、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 v1.7、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件第一章、第一章、电力电子器件电力电子器件第27页，共156页，编辑于2022年，星期二1.3、晶闸管晶闸管 P8P8l1.3.1晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l1.3.2晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特

30、性与主要参数l1.3.3晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 第28页，共156页，编辑于2022年，星期二1.3、晶闸管晶闸管 晶晶闸闸管管(Thirsted)包包括括：普普通通晶晶闸闸管管(SCR)、快快速速晶晶闸闸管管(FST)、双双向向晶晶闸闸管管(TRIAC)、逆逆导导晶晶闸闸管管(RCT)、可可关关断断晶晶闸管闸管(GTO)和光控晶闸管等。和光控晶闸管等。由由于于普普通通晶晶闸闸管管面面世世早早，应应用用极极为为广广泛泛,因因此此在在无无特特别别说说明明的的情情况况下下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。普普通通晶晶闸闸管管：也也 称称 可可 控控 硅硅

31、整整 流流 管管(Silicon ControlledRectifier),简称简称SCR。由由于于它它电电流流容容量量大大,电电压压耐耐量量高高以以及及开开通通的的可可控控性性(目目前前生生产产水水平平：4500A/8000V)已已被被广广泛泛应应用用于于相相控控整整流流、逆逆变变、交交流流调调压压、直直流流变变换换等等领领域域,成成为为特特大大功功率率低低频频(200Hz以以下下)装置中的主要器件。装置中的主要器件。第29页，共156页，编辑于2022年，星期二1.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l （1 1）外形封装形式）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、可分为

32、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大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在额定电流在200A以上以上),分别由图分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。所示。l （2 2）晶闸管有）晶闸管有三个电极三个电极,它们是阳极它们是阳极A,阴极阴极K和门极和门极(或称或称栅极栅极)G,它的电气符号如图它的电气符号如图2.3.1(e)所示。所示。l图图2.3.1 2.3.1 晶闸管的外型及符号晶闸管的外型及符号1、晶闸管的结构：晶闸管的结构：第30页，共156页，编辑于2022年，星期二1、晶闸管的结构晶闸管的结构（续）续）晶晶闸闸管管是是大大功功率率器器件件,工工作作时

33、时产产生生大大量量的的热热，因因此此必必须须安安装装散散热热器。器。螺螺旋旋式式晶晶闸闸管管紧紧栓栓在在铝铝制制散散热热器器上上,采采用用自自然然散散热热冷冷却却方方式式,如如图图2.3.2(a)所示。所示。平平板板式式晶晶闸闸管管由由两两个个彼彼此此绝绝缘缘的的散散热热器器紧紧夹夹在在中中间间,散散热热方方式式可可以以采用风冷或水冷采用风冷或水冷,以获得较好的散热效果以获得较好的散热效果,如图如图2.3.2(b)、(c)所示。所示。图图2.3.2 2.3.2 晶闸管的散热器晶闸管的散热器第31页，共156页，编辑于2022年，星期二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

34、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第32页，共156页，编辑于2022年，星期二2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理图图2.3.3 2.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的内部结构和等效电路l 1 1）导通：）导通：晶闸管阳极施加正向电压时晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极若给门极G G也加正向电也加正向电压压U Ug g,门极电流门极电流I Ig g经三极管经三极管T T2 2放大后成为集电极电流放大后成为集电极电流I Ic2c2，I Ic2c2又是三极又是三极管管T T1 1的基极电流的基极电流,放大后的集电极电流放大后的集电极电流I Ic1c1进一步使进一

35、步使IgIg增大且又作为增大且又作为T T2 2的基极电流流入。重复上述正反馈过程的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管两个三极管T T1 1、T T2 2都快速都快速进入饱和状态进入饱和状态,使晶闸管阳极使晶闸管阳极A A与阴极与阴极K K之间导通。此时若撤除之间导通。此时若撤除Ug,TUg,T1 1、T T2 2内部电流仍维持原来的方向内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就晶闸管就一直一直导通导通。晶闸管晶闸管(单向导电性单向导电性),),导通条件为导通条件为阳极正偏阳极正偏和和门极正偏门极正偏。第33页，共156页，编辑于2022年，星期

36、二2 2）阻断：）阻断：当晶闸管当晶闸管A A、K K间承受正向电压，而门极电流间承受正向电压，而门极电流I Ig g=0=0时时,上述上述T T1 1和和T T2 2之间的正反馈不能建立起来之间的正反馈不能建立起来,晶闸管晶闸管A A、K K间只有很小的正向漏电流，它处于正向间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断阻断状态。状态。2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理图图2.3.3 2.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的内部结构和等效电路第34页，共156页，编辑于2022年，星期二1.3、晶闸管晶闸管l1.3.1晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l1.3.2晶闸管的特性与主要参数晶闸

37、管的特性与主要参数l1.3.3晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 第35页，共156页，编辑于2022年，星期二1.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数定义：定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。的伏安特性。l第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第三象限是、第三象限是反反向特性向特性。l图图2.3.4晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性 UDRM、URRM正、反向断正、反向断 态重复峰值电压；态重复峰值电压；UDSM、URSM正、反向断态正、反向断态 不重复峰值电压；不重复峰值电

38、压；UBO正向转折电压；正向转折电压；URO反向击穿电压。反向击穿电压。.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性：第36页，共156页，编辑于2022年，星期二.晶闸管的伏安特性（续）晶闸管的伏安特性（续）：晶闸管上施加反向电压时，伏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。安特性类似二极管的反向特性。晶晶闸闸管管处处于于反反向向阻阻断断状状态态时时，只只有极小的反相漏电流流过。有极小的反相漏电流流过。当当反反向向电电压压超超过过一一定定限限度度，到到反反向向击击穿穿电电压压后后，外外电电路路如如无无限限制制措措施施，则则反反向向漏漏电电流流急急剧剧增增加加，导导致致晶晶闸闸管管发发热热

39、损坏。损坏。图图2.3.4晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性（1 1）晶闸管的反向特性：）晶闸管的反向特性：第37页，共156页，编辑于2022年，星期二.晶闸管的伏安特性（续）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过临界极限即正向转折电压Ubo，则，则漏电流漏电流急急剧增大，器件开通。剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相

40、导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。仿。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。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流导通期间，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降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。又回到正向阻断状态。IH称为称为维持电流维持电流。图图2.3.4晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性（2 2）晶闸管的正向特性：）晶闸管的正向特性：第38页，共156页，编辑于2022年，星期二2.2.晶闸管的开关特性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。晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。l2

41、.3.5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第39页，共156页，编辑于2022年，星期二延迟时间延迟时间t td d：门极电流阶门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的上升到稳态值的10%10%的时的时间。间。上升时间上升时间t tr r：阳极电流从阳极电流从10%10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%90%所所需的时间。需的时间。开通时间开通时间t tgtgt：以上两者之和，以上两者之和，t tgtgt=t=td d+t+tr r 普通晶闸管延普通晶闸管延迟时为迟时为0.51.5s0.51.5s，上升，上升时间为时间为0.53s0.53s。2.

42、2.晶闸管的开关特性（续）晶闸管的开关特性（续）l2.3.5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 l1)1)开通过程：开通过程：第40页，共156页，编辑于2022年，星期二正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间t tgrgr：晶闸管要恢复其对晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间正向电压的阻断能力还需要一段时间v在正向阻断恢复时间内如果重新对在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。新正向导通。v实际应用中，应对晶闸管施加足实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢

43、复其对正向电压的阻断能充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。力，电路才能可靠工作。关断时间关断时间t tq q：t trrrr与与t tgrgr之和，即之和，即 t tq q=t=trrrr+t+tgrgr2.2.晶闸管的开关特性（续）晶闸管的开关特性（续）l2.3.5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l2)2)关断过程关断过程（1-7)1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。l 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间接近于零的时间第41页，

44、共156页，编辑于2022年，星期二（3）晶闸管的开通与关断时间）晶闸管的开通与关断时间v1 1）开通时间）开通时间tgt：o普通晶闸管的开通时间普通晶闸管的开通时间tgt约为约为6s。o开开通通时时间间与与触触发发脉脉冲冲的的陡陡度度与与电电压压大大小小、结结温温以以及主回路中的电感量等有关。及主回路中的电感量等有关。v2）关断时间关断时间tq：o普通晶闸管的普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒。约为几十到几百微秒。o关关断断时时间间与与元元件件结结温温、关关断断前前阳阳极极电电流流的的大大小小以以及及所加反压的大小有关。所加反压的大小有关。第42页，共156页，编辑于2022年，星期二3.晶

45、闸管的主要特性参数晶闸管的主要特性参数 1 1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UDRM:门门极极断断开开(I(Ig g=0),=0),元元件件处处在在额额定定结结温温时时,正正向向阳阳极极电电压压为为正正向向阻阻断断不不重重复复峰峰值值电电压压U UDSMDSM (此此电电压压不不可可连连续续施施加加)的的80%80%所所对对应应的的电电压压(此此电电压压可可重重复复施施加加,其其重重复复频频率率为为50HZ50HZ，每每次次持持续续时时间间不不大大于于10ms)10ms)。2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM:元元件件承承受受反反向向电电压压时时,阳阳极极电电压压为为反反向

46、向不不重重复复峰峰值值电电压压URRM的的80%80%所对应的电压。所对应的电压。3 3）晶晶闸闸管管铭铭牌牌标标注注的的额额定定电电压压通通常常取取U UDRMDRM与与U URRMRRM中中的的最最小小值值,选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电电压压为为正正常常工工作作时时晶闸管所承受峰值电压晶闸管所承受峰值电压2 23 3倍。倍。（1）晶闸管的重复峰值电压）晶闸管的重复峰值电压额定电压额定电压Ute第43页，共156页，编辑于2022年，星期二（2）晶闸管的额定通态平均电流）晶闸管的额定通态平均电流额定电流额定电流IT(AV)在选用晶闸管额定

47、电流时，根据实际最大的电流计算后至少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还要乘以1.51.52 2的安全系数，使其有一定的电流裕量。的安全系数，使其有一定的电流裕量。l1 1）定义：）定义：在环境温度为在环境温度为40和规定的冷却条件下和规定的冷却条件下,晶晶闸管在电阻性负载导通角不小于闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦的单相工频正弦半波电路中半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的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。最大通态平均电流。第44页，共156页，编辑于2022年，星期二 这说明额定电流这说明额定电流IT(AV)=100

48、A的晶闸管，其额定有效值为的晶闸管，其额定有效值为IT=KfIT(AV)=157A。2 2）I IT(AV)T(AV)计算方法：计算方法：计算方法：计算方法：（2.3.32.3.3）（2.3.42.3.4）（2.3.52.3.5）（2.3.42.3.4）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。设该正弦半波电流的峰值为弦波电流时的允许最大平均电流。设该正弦半波电流的峰值为Im,则额定则额定电流电流(平均电流平均电流)为：为：额定电流有效值为：额定电流有效值为：现定义某电流波形的有效值与平

49、均值之比为这个电流波形的波形系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，用数，用Kf表示：表示：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：第45页，共156页，编辑于2022年，星期二（3）门极触发电流）门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT 1 1）定义：定义：在室温下，晶闸管加在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使正向阳极电压时，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对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发

50、电压UGT。2 2）晶闸管由于）晶闸管由于门极特性门极特性的差异，其触发电流、触发电压的差异，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。压的上、下限值。3 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）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、电压受实测值，但触发电流、电压受温度的影响温度的影响很大，温度升高，很大，温度升高，UGT、IGT值会显著降低，温度降低，值会显著降低，温度降低，UGT、IGT值又会增值又会增大。大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，