(1.2)--电力电子技术.pdf

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1、1第第1 1章章电力电子器件电力电子器件1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.3 1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动1.7 1.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用21 1、概念、概念主电路（主电路（Power Circuit）：在电气设备或电力系统中，：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变

2、化或控制任务的电路。直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device)：直接用于处：直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。器件。2 2、广义、广义分类分类电真空器件电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已（汞弧整流器、闸流管等，已逐步被半导体器件取代）逐步被半导体器件取代）半导体器件半导体器件（目前所指电力电子器件，采（目前所指电力电子器件，采用材料仍然是硅）用材料仍然是硅）1.1电力电子器件概述3电力电子器件是功率半导体器件。电力电子器件是功率半导体器件。1 1）电力电子器

3、件处理的电压电流较大。）电力电子器件处理的电压电流较大。2 2）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。3 3）注重器件的功率损耗和散热问题。）注重器件的功率损耗和散热问题。4 4）注重对器件的保护。）注重对器件的保护。5 5）需要驱动与隔离。）需要驱动与隔离。3 3、特征、特征4电力电子系统组成电力电子系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子电路电力电子电路由控制电路、驱由控制电路、驱动电路、电力电动电路、电力电子器件为核心的子器件为核心的主电路主电路组成组成4 4、系统组成、系统组成主电路端子（公共端）主电路端子（公共端）驱动电路和主电路，驱

4、动电路和主电路，是主电路电流流出电力电子器件的端子。是主电路电流流出电力电子器件的端子。5导通导通主电路中主电路中电力电子器件电力电子器件关断关断检测电路、驱动电路以外的电路检测电路、驱动电路以外的电路控制电路控制电路由信息电路组成由信息电路组成控制电路控制电路主电路主电路电力电子系统电力电子系统检测电路：检测电路：检测主电路或应用现场信号检测主电路或应用现场信号通过驱动电路通过驱动电路控制控制6主电路主电路驱动电路驱动电路检测电路检测电路控制信号控制信号电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离保护电路保护电路：保证电力电子器件和整个电力电子系：保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行统

5、正常可靠运行71 1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度半控型器件全控型器件通过控制信号可控制通过控制信号可控制其导通而其导通而不不能能控制其关断控制其关断晶闸管晶闸管及其派生器件及其派生器件通过控制信号即可控制通过控制信号即可控制其导通又其导通又能能控制其关断控制其关断绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管自关断器件门极可关断晶体管门极可关断晶体管处理兆瓦级处理兆瓦级大功率电能大功率电能5 5、电力电子器件分类、电力电子器件分类8不能不能用用控制信号控制控制信号控制其通断，其通断

6、，不需要不需要驱动电路驱动电路电力二极管电力二极管不控型器件只有两个端子只有两个端子2 2）按照驱动电路加在）按照驱动电路加在电力电子电力电子器件控制端和公共端器件控制端和公共端之间信号的性质之间信号的性质电流驱动型电压驱动型控控制制端端通通 断断注注入入电电流流抽抽出出电电流流电压信号电压信号公公共共端端控控制制端端93 3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况单极型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件

7、集成混合而成的器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件10电力电子器件选择、使用时选择、使用时注意的问题注意的问题工作原理工作原理基本特征基本特征主要参数主要参数电力电子器件掌握掌握基本特征基本特征型号命名法型号命名法参数参数特征曲线特征曲线6 6、学习要点、学习要点11逐步逐步取代取代结构和原理简单结构和原理简单工作可靠工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管电力二极管（半导体整流器）（半导体整流器）2020世纪世纪5050年年初获得应用初获得应用汞弧汞弧整流器整流器应用应用快恢复二极管快恢复二极管肖特基二极管肖特基二极管中、高频电流中、高频电流逆变逆变

8、低压高频电流低压高频电流1.2不可控器件电力二极管1 1、电力二极管、电力二极管12以半导体以半导体PNPN结结为基础，由一个为基础，由一个面积较大的面积较大的PNPN结结和两端引线以及和两端引线以及封装组成，外形封装组成，外形上看，主要有螺上看，主要有螺栓型和平板型两栓型和平板型两种封装，基本结种封装，基本结构和工作原理与构和工作原理与信息电子电路中信息电子电路中的二极管一样。的二极管一样。AKAKa)IKAPNJb)c)电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)a)外形外形b)b)结构结构c)c)电气图形符号电气图形符号13普通二极管（螺栓式）普通二极管（

9、螺栓式）普通二极管（平板式）普通二极管（平板式）整流二极管及模块整流二极管及模块14NN型半导体和型半导体和P P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PNPN结结PN结的形成扩散运动扩散运动N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，造成各区多数载流子（多子）向另一区移动，到对方区成为少数载流子（少子）的运动。空间电荷空间电荷在界面两侧不能任意移动的正、负电荷。内电场（自建电场）内电场（自建电场）空间电荷建立的电场漂移运动漂移运动内电场一方面阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内少子向本区运动。空间电荷区空间电荷区扩散运动和漂移运动达动态平衡，正、负空间电荷量达稳定值，形成稳定的由空间电荷构成的区域空

10、间空间电荷区电荷区耗尽层耗尽层阻挡层阻挡层势垒区势垒区+P P型区型区空间电荷区空间电荷区NN型区型区内电场内电场15PN结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动少子的漂移运动少子的漂移运动扩散电流扩散电流PNPN结结外加电场外加电场PNPN结结自建电场自建电场方向相反方向相反形成自形成自P P区流区流入从入从NN区流出区流出的电流的电流内部内部外电路外电路造成空间电造成空间电荷区变窄荷区变窄正向电流正向电流I IF F+P P型区型区空间电荷区空间电荷区NN型区型区内电场内电场16外加电压升高外加电压升高PNPN结的正向导通状结的正向导通状态态扩散电流增加扩散电流增加自建电场削弱自建电场削弱PN

11、PN结流过结流过的正向电流的正向电流电阻值较高且为常数电阻值较高且为常数较小较小较大较大电阻率下降电导率增加电阻率下降电导率增加电导调电导调制效应制效应PNPN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PNPN结结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V1V左右，所以正向偏左右，所以正向偏置的置的PNPN结表现为低阻态。结表现为低阻态。17PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态PNPN结的单向结的单向导电性导电性,二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PNPN结的单向导电性结的单向导电性这个主要特征。这个主要特征。反向电流反向电

12、流I IR R少子浓度很小，在少子浓度很小，在温度一定时漂移电温度一定时漂移电流的数值趋于恒定流的数值趋于恒定PNPN结外加结外加反向电压反向电压外电路电流外电路电流NN区流入区流入P P区流入出区流入出反向饱反向饱和流和流I IS S高高电电阻阻几几乎乎没没有有电电流流流流过过PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态18PNPN结的反向击穿结的反向击穿施加施加PNPN结反结反向电压过大向电压过大反向电流反向电流急剧增大急剧增大破坏破坏PNPN结反向偏置结反向偏置为截止的工作状态为截止的工作状态雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿热击穿热击穿因热量散发不出因热量散发不出PNPN结温度上升结温度上升

13、过热烧坏过热烧坏20静态特性静态特性电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性电力二极管电力二极管静态特征静态特征伏安特征伏安特征值定一到大压电向正值定一到大压电向正正向电流开始明正向电流开始明显增加，处于稳显增加，处于稳定导通状态。定导通状态。承受反向电压时承受反向电压时只有少子引起的只有少子引起的微小而数值恒定微小而数值恒定的反向漏电流。的反向漏电流。正向电流正向电流IF对应的对应的电力二极管两端电力二极管两端的电压的电压UF为其正为其正向电压降。向电压降。2 2、电力二极管的基本特性、电力二极管的基本特性IOIFUTOUFU21零偏置零偏置正向正向偏置偏置反向反向偏置偏置过渡过程中过渡过程

14、中电压电压电流电流特性随时间特性随时间变化变化动态特性动态特性电力二极管的动态状态电力二极管的动态状态反映通态和断态之间过程的开关特性反映通态和断态之间过程的开关特性22电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a)a)正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置电力二极管的关断电力二极管的关断经过一段短暂的时间才经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，能重新获得反向阻断，进入截止状态。进入截止状态。IRP电流过冲最大值电流过冲最大值URP电压过冲最大值电压过冲最大值td=t1-t0延迟时间延迟时间tf=t2-t1电流下降时间电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间反向恢复时间tf/t

15、d 恢复特性的软度，恢复特性的软度，用用Sr表示表示dt在关断之前有较大的在关断之前有较大的反向电流，伴随明显反向电流，伴随明显的反向电压过冲。的反向电压过冲。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt23电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形b)b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置电力二极管的开通电力二极管的开通正向恢复时间正向恢复时间tfr电力二极管的正向压降出电力二极管的正向压降出现过冲现过冲uFP，经过一段时间，经过一段时间接近稳态降压的某个值，接近稳态降压的某个值，这一动态过程时间。这一动态过程时间。电压过冲原因电压过冲原因1)1

16、)电导调制效应起作用所需电导调制效应起作用所需大量少子需要一定时间储大量少子需要一定时间储存达到稳态导通前管压降存达到稳态导通前管压降较大。较大。2)2)正向电流的上升因器件正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大降。电流上升率越大,UFP越高。越高。b)UFPuiiFuFtfrt02V24注意：电流、电压反向问题注意：电流、电压反向问题正偏压时，正向偏压降约为正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多

17、；的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（间（reverser-recovery time）以清除过剩以清除过剩载流子。载流子。25正向平均电流正向平均电流IF(AV)在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有一定的裕量。一定的裕量。当用在频率较高的的场合，其开关损耗也

18、不能忽略。当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造成的发热效应也不小成的发热效应也不小。正向压降正向压降UF电力二极管在正向电流导通时二电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。极管上的正向压降。3 3、电力二极管的主要参数、电力二极管的主要参数26浪涌电流浪涌电流IFSM电力二极管所能承受的最大的电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。连续一个或几个工频周期的过电流。最高工作结温最高工作结温TJM 在在PNPN结不受损坏的前提下，二结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平

19、均温度。一般在极管所能承受的最高平均温度。一般在125125-175175范围范围内。内。反向恢复时间反向恢复时间trr二极管由导通到截止、并恢复二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间到自然阻断状态所需的时间。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压施加的反向最高峰值电压27普通二极管普通二极管(整流二极管）整流二极管）多用于开关频率多用于开关频率不高（不高（1 1kHz以下）以下）的整流电路中的整流电路中反向恢复时间长反向恢复时间长一般在一般在5s以上以上正向电流定额和正向电流定额和反向电压定额很反向电压定额很高，分别

20、可达数高，分别可达数千安和数千伏以上千安和数千伏以上4 4、电力二极管的主要类型、电力二极管的主要类型28快恢复二极管快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5 5s s以下）以下）的二极管，简称快速二极管的二极管，简称快速二极管。工艺多采用掺金措施结构上采用结构上采用PNPN结构结构也有采用加以也有采用加以改进的改进的PiNPiN结构结构采用外延采用外延型型PiNPiN结构结构快恢复外延二极管快恢复外延二极管其反向恢复时间更短（可低于其反向恢复时间更短（可低于5050ns），正向压降也很低），正向压降也很低（0.9V左右），反向耐压多在左右），

21、反向耐压多在1200V V以下。以下。快速恢复二极管快速恢复二极管超快速恢复二极管超快速恢复二极管反向恢复时间反向恢复时间数百纳秒或更长数百纳秒或更长100ns100ns以下，以下，甚至达甚至达20203030ns快恢复二极管从性能上分为两种快恢复二极管从性能上分为两种29肖特基二极管肖特基二极管以金属和半导体接触形成的以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。导通势垒为基础的二极管。导通压降只有压降只有0.3V 0.3V（forward forward voltage dropvoltage drop），反压为），反压为5050-100V100V。反向恢复时间更短，。反向恢复时间更短，10

22、1040ns40ns，不会有明显的电，不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向压过冲。缺点是当提高反向耐压时，正向压降也会提高，耐压时，正向压降也会提高，多用于多用于200V200V以下的低压场合；以下的低压场合；反向漏电流也很大。反向漏电流也很大。30根据不同的应用对象，有各种不同的晶闸管。除了电压根据不同的应用对象，有各种不同的晶闸管。除了电压电流的额定值外，关断时间电流的额定值外，关断时间tq、正向导通压降、导通时、正向导通压降、导通时的电流上升率的电流上升率di/dt，关断时的电压上升率，关断时的电压上升率dv/dt等，都是等，都是要考虑的特性。要考虑的特性。相控晶闸管相控晶闸管Phas

23、e-control Thyrister，有时称作整流晶闸，有时称作整流晶闸管管Converter thyristor，用于主要用于整流器。器件圆，用于主要用于整流器。器件圆盘达到盘达到10cm。平均电流。平均电流4000A或更高，阻断电压或更高，阻断电压5-7kV，通态压降从通态压降从1.5V（1000V器件）到器件）到30V（对（对5-7kV晶闸晶闸管）。管）。逆导晶闸管逆导晶闸管Inverter-grade thyristor，导通压降低，导通压降低，tq(考虑了考虑了trr的可靠系数的可靠系数)小，额定值达到小，额定值达到2500V/1500A，tq一般在几个微秒到一般在几个微秒到100

24、微秒，这取决于阻断电压的而定微秒，这取决于阻断电压的而定值及导通电压降。值及导通电压降。光控晶闸管光控晶闸管Light-cutivated thyristor：级联方式用于高：级联方式用于高压系统，易于触发，压系统，易于触发，4kV/3kA。1.3半控型器件晶闸管31P1N1P2N2J1J2J3AGKA AK KG晶闸管外形、结构和电气图形符号晶闸管外形、结构和电气图形符号a)a)外形外形b)b)结构结构c)c)电气图形符号电气图形符号a)c)b)AGKGKA1 1、晶闸管的结构与工作原理、晶闸管的结构与工作原理32螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸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

25、外形及结构33晶闸管塑封模块晶闸管塑封模块34RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b工作原理)产生注入门极的触发产生注入门极的触发电流电流IG的电路的电路触发触发门极触发电路门极触发电路对晶体管的驱动对晶体管的驱动IG IB2 IC2（IB1）IC1 IB2 36晶体管的特性是：晶体管的特性是：在低发射极电流下在低发射极电流下a a是很小的，而当发射极是很小的，而当发射极电流建立起来之后，电流建立起来之后，a a迅速增大。迅速增大。阻断状态阻断状态：IG=0，a a1+a a2很小。

26、流过晶闸管的漏电流稍大于两很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致以致a a1+a a2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。实际由外电路决定。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况:阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高结温较高结温较

27、高光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。）。门极触发（包括光触发）是最精确、迅速门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段而可靠的控制手段37静态特性静态特性1)1)承受反向电压时承受反向电压时，不论门极是否有触发电不论门极是否有触发电流流，晶闸管都不会导通晶闸管都不会导通。2)2)承

28、受正向电压时承受正向电压时，仅在门极有触发电流的仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通情况下晶闸管才能开通。3)3)晶闸管一旦导通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用门极就失去控制作用。4)4)要使晶闸管关断要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下到接近于零的某一数值以下。2 2、晶闸管的基本特性、晶闸管的基本特性38晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向正向导通导通雪崩雪崩击穿击穿IH-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2UPRMURSM第第象限是象限是正正向特性向特性第第象限是象限是反反向特性向特性IG2IG1 IG IG=

29、0时，器件两端施加正向电时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器，则漏电流急剧增大，器件开通。件开通。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。管的正向特性相仿。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，如果门极电流为导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零，并且阳极电流降至接近于

30、零的某一数值零的某一数值IH以下，则晶闸以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。管又回到正向阻断状态。IH称称为为维持维持电流。电流。正正向特性向特性反反向特性向特性晶闸管上施加反向电压晶闸管上施加反向电压时时，伏安特性类似二极伏安特性类似二极管的反向特性管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状晶闸管处于反向阻断状态时态时，只有极小的反相只有极小的反相漏电流流过漏电流流过。当反向电压超过一定限当反向电压超过一定限度度，到反向击穿电压后到反向击穿电压后，外电路如无限制措施外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏导致晶闸管发热损坏。39动态特性动态特性晶闸管的开通和关断

31、过程晶闸管的开通和关断过程开通过程开通过程延迟时间延迟时间td阳极电流从零上升到稳态值阳极电流从零上升到稳态值10%10%的的时间时间上升时间上升时间tr阳极电流从阳极电流从10%10%上到稳态值的上到稳态值的90%90%所需的时间所需的时间开通时间开通时间tgttgt=td+tr（1-6）普通晶闸管的延迟时间为普通晶闸管的延迟时间为0.5-1.5us，上升时间为上升时间为0.53us。其延迟时间。其延迟时间随门极电流的增大而减小；随门极电流的增大而减小；关断过程关断过程反反向阻断恢复时间向阻断恢复时间trr正正向电流降为零到向电流降为零到反反向恢复电流衰向恢复电流衰减至接近零的时间减至接近零

32、的时间正正向阻断恢复时间向阻断恢复时间tgr晶体管恢复载流子复合过程对正向晶体管恢复载流子复合过程对正向电压的阻断的时间电压的阻断的时间关断时间关断时间tqtq=trr+tgr（1-7）普通晶闸管的时间约为几百微秒普通晶闸管的时间约为几百微秒延迟时间延迟时间td上升时间上升时间tr开通时间开通时间tgttgt=td+tr(1-6)100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA40断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，断态重复峰值电压是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。允许重复加在器件

33、上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，反向重复峰值电压是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。允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的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。瞬态峰值电压。取晶闸管的取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器件的额中较小的标值作为该器件的额定电压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压定电压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常

34、工作时晶闸管所承受峰值电压的为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2 23 3倍。倍。电压定额3 3、晶闸管的主要参数、晶闸管的主要参数41通态平均电流通态平均电流I IT(AVT(AV)晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为4040 C C和规定的冷却状态下，稳定和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波最大工频正弦半波电流的平均值电流的平均值。维持电流维持电流I IHH晶闸管维持导通所必需的最小电流。晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流I IL L晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号

35、后，能维持能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为I IHH的的2424倍。倍。电流定额电流定额42断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dtdu/dt在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。态到通态转换的外加电压最大上升率。位移电流位移电流在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在逐段状态下相当于一个电容的在逐段状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。结流过的充电电流。通态电

36、流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。态电流上升率。动态参数动态参数43型号型号20040060080010001200140016001800凹型平凹型平板板KP（3CT）100A354048525560636870200A60657580859090100110300A808595100110120120140150500A100105120140150160160180190800A1101301501802002102102502701000A1401702002402

37、6028028032033044常规快速常规快速 晶闸管晶闸管高频高频 晶闸管晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管与普通晶闸管相比与普通晶闸管相比快速快速 晶闸管关断时间为数十微秒晶闸管关断时间为数十微秒高频高频 晶闸管关断时间为晶闸管关断时间为1010s s左右左右电压和电流定额不易做高电压和电流定额不易做高应用于应用于400Hz400Hz和和10kHz10kHz以上的斩波或逆变电路中以上的斩波或逆变电路中开关时间以及开关时间以及du/dtdu/dt、di/dtdi/dt的耐量都有了明显的改善的耐量都有了明显的改善快速晶闸管快速晶闸管4 4、晶闸管的派生器件

38、、晶闸管的派生器件45GT1T2IG=0IU0a)b)双向晶闸管的电器图形符号和伏安特性双向晶闸管的电器图形符号和伏安特性a)a)电气图形符号电气图形符号b)b)伏安特性伏安特性双向晶闸管双向晶闸管是一对反并联结是一对反并联结的普通晶闸管的集成。的普通晶闸管的集成。有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门极，一个门极G。门极使器件在主门极使器件在主电极的正反两方向均电极的正反两方向均可触发导通。可触发导通。不用平均值而用不用平均值而用有效值来表示其额定有效值来表示其额定电流值。电流值。46IU0I=0GAKG逆导晶闸管逆导晶闸管是将晶闸管反并连一个二极管制是将晶闸管反并连一个二极管制作在同

39、一管芯上的功率集成器件。作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比与普通晶闸管相比正向压降小正向压降小关断时间短关断时间短高温特性好高温特性好额定电流额定电流晶闸管电流晶闸管电流反并联的二极管的反并联的二极管的电流电流双向晶闸管双向晶闸管a)a)电气图形符号电气图形符号b)b)伏安特性伏安特性a)b)47IAUAK0AKG光照强度弱强光控晶闸管光控晶闸管a)a)电气图形符号电气图形符号b)b)伏安特性伏安特性光控晶闸管光控晶闸管（光触发晶闸管）（光触发晶闸管）是利用一定波长的光是利用一定波长

40、的光照信号触发导通的晶照信号触发导通的晶闸管。闸管。小功率光控晶闸管只小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端有阳极和阴极两个端子。子。大功率光控晶闸管带大功率光控晶闸管带有作为触发光源的发有作为触发光源的发光二极管或半导体激光二极管或半导体激光器的光缆。光器的光缆。光触发保证主电路与光触发保证主电路与控制电路之间的绝缘，控制电路之间的绝缘，避免电磁干扰的影响。避免电磁干扰的影响。a)b)481.4.1 1.4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件1.4.2 1.4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.3 1.4.3 电力晶体管电力晶体管1.4.4 1.4.4 电力场效应晶体管电力场效

41、应晶体管1.4.5 1.4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4典型全控型器件49关断时的关断时的漏电流较小漏电流较小，导通时，导通时V Vonon小小。很高的很高的正反向阻断电压正反向阻断电压的能力，这可减少元件的的能力，这可减少元件的串联，并因此而减少相应保护电路的功率损耗。串联，并因此而减少相应保护电路的功率损耗。很大的很大的电流导通能力电流导通能力。这可减少元件并联。这可减少元件并联。较短的导通和关断时间，这可较短的导通和关断时间，这可提高开关频率提高开关频率。导通电阻具有导通电阻具有正的温度特性正的温度特性，这可保证并联的元，这可保证并联的元件能共同分担总电流。件能共同分担总电

42、流。较小的较小的控制功率控制功率。具有阻止具有阻止电压和电流上升率电压和电流上升率的能力，这样就可以的能力，这样就可以不使用外部不使用外部SnubberSnubber电路保护。电路保护。具有较高的具有较高的dv/dtdv/dt，di/dtdi/dt额定值。额定值。1 1、理想的可控开关元件理想的可控开关元件50I0Vd+-idealis+-VTI0Vdtd(on)tritc(on)tfvVontd(off)trvtfitc(off)Wc(on)=1/2VdI0tc(on)tononofftoffTs=1/fsWc(off)=1/2VdI0tc(off)tc(on)=tri+trvtc(off)

43、=trv+tfi功率元件的开关损耗功率元件的开关损耗51常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块52GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构结构GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)GTOGTO内部结构和电气图形符号内部结构和电气图形符号a)a)各单元的阴极、门极间排列的图形各单元的阴极、门极间排列的图形b)b)并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图c)c)电气图形符号电气图形符号2 2、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor）53与普通晶闸管的相同点与普通晶闸管的相同点PNPNP

44、NPN四层半导体结构四层半导体结构外部引出阳极、阴极和门极外部引出阳极、阴极和门极与普通晶闸管的不同点与普通晶闸管的不同点内部包含数十个甚至数百个共阳极的内部包含数十个甚至数百个共阳极的小小GTOGTO元的多元功率集成器件元的多元功率集成器件GTOGTO元的阴极和门极在器件内部并元的阴极和门极在器件内部并联在一起联在一起工作原理工作原理与普通晶闸管一样可以用双晶体管模型来分析与普通晶闸管一样可以用双晶体管模型来分析54RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)a)双晶体

45、管模型双晶体管模型b b工作原理工作原理)GTO导通过程与普导通过程与普通晶闸管一样，只是通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。导通时饱和程度较浅。GTO关断过程：强关断过程：强烈正反馈烈正反馈门极加门极加负脉冲即从门极抽出负脉冲即从门极抽出电流，则电流，则Ib2减小，减小，使使IK和和Ic2减小，减小，Ic2的的减小又使减小又使IA和和Ic1减减小，又进一步减小小，又进一步减小V2的基极电流。当的基极电流。当IA和和IK的减小使的减小使a a1+a a21时，器件退时，器件退出饱和而关断。出饱和而关断。多多元集成结构还使元集成结构还使GTO比普通晶闸管比普通晶闸管开通过程快，承受开通过程快，

46、承受di/dt能力强能力强。55GTOGTO的动态特性的动态特性SnubberSnubberA Ak kG G触发关断脉冲不用触发关断脉冲不用保持，关断时间几保持，关断时间几个微秒，但是需要个微秒，但是需要很大的门电流很大的门电流（1/31/3阳极电流），阳极电流），关断时，为了限制关断时，为了限制dv/dtdv/dt，要用，要用SnubberSnubber电路（切断电路（切断感性负载）。感性负载）。开关时间几个微秒开关时间几个微秒到到2525微秒，导通压微秒，导通压降降2 2-3V3V、比晶闸管、比晶闸管稍微高一点。稍微高一点。最大优点是能处理最大优点是能处理高电压和大电流，高电压和大电流，

47、现在最大容量现在最大容量6KV/4KA6KV/4KA，开关频率，开关频率几百几百HZHZ10KHZ10KHZ。GTOGTO的开关和关断过程电流波形的开关和关断过程电流波形Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t656关断时间关断时间t toffoff储存时间和下降时间之和储存时间和下降时间之和GTOGTO的主要参数的主要参数最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流I IATOATOGTOGTO额定电流额定电流电流关断增益电流关断增益b boff最大可关断阳极电流与门最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。boff=A

48、TOIGM_I开通时间开通时间ton延迟时间与上升时间之和延迟时间与上升时间之和57电力晶体管电力晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管GRTGRT的结构和工作原理的结构和工作原理+P+P+NP 基区基区N 漂移区漂移区+N衬底衬底集电极集电极c基极基极b发射极发射极e基极基极bcbeGTRGTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)a)内部结构断面图内部结构断面图b)b)电气图形符号电气图形符号a)b)与普通的双极结型晶体管与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电主要特性是耐压高、

49、电流大、开关特性好。流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的体管按达林顿接法组成的单元结构。单元结构。采用集成电路工艺将许采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成多这种单元并联而成。3 3、电力晶体管、电力晶体管（Giant Transisitor）58电子流空穴流EcEbic=ibibie=(1+)ibc)GTRGTR的内部载流子的流动的内部载流子的流动c)c)内部载流子的流动内部载流子的流动GTRGTR共发射极接法时内部主要载流共发射极接法时内部主要载流子的流动，集电极电流子的流动，集电极电流ic与基电流与基电流ib之比为之比为bcii=为为GTRGT

50、R的电流放大系数，当考虑的电流放大系数，当考虑到集电极和发射极间的电流到集电极和发射极间的电流Iceo（穿透电流）时，（穿透电流）时，ic与与ib关系为关系为ic=ib+Iceo单单管管GTRGTR的的值比处理信息用的值比处理信息用的小功率的晶体管小，小功率的晶体管小，采用达林顿采用达林顿接法可以有效增大电流增益接法可以有效增大电流增益icboicNieNieP59GRTGRT的基本特性的基本特性共发射极接法时共发射极接法时GTRGTR的输出特性的输出特性开关开关状态状态工作在截止工作在截止区或饱和区区或饱和区开关过程开关过程在截止区或饱和区过在截止区或饱和区过渡时，要经过放大区渡时，要经过放