1、电 力 电 子 技 术,Power Electronics,第2章 电力电子器件及应用,1,2,3,4,5,晶闸管,可关断晶闸管（GTO）,电力晶体管,6,电力电子器件基础,电力电子器件的特点与分类,功率二极管,功率场效应晶体管,7,绝缘栅双极型晶体管,8,9,10,其它新型电力电子器件,电力电子器件的发展趋势,电力电子器件应用共性问题,11,总结,12,第2章 电力电子器件及应用,1电力电子器件的特点电力电子器件（Power Electronic Device）是指能实现电能的变换或控制的电子器件。和信息系统中的电子器件相比，具有以下特点： 1）具有较大的耗散功率与信息系统中的电子器件主要承
2、担信号传输任务不同，电力电子器件处理的功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压。由于自身的导通电阻和阻断时的漏电流，电力电子器件要产生较大的耗散功率，往往是电路中主要的发热源。为便于散热，电力电子器件往往具有较大的体积，在使用时一般都要安装散热器，以限制因损耗造成的温升。 2）工作在开关状态为了降低工作损耗，电力电子器件往往工作在开关状态。关断时承受一定的电压，但基本无电流流过；导通时流过一定的电流，但器件只有很小的导通压降。,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体
3、管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2.1 电力电子器件的特点和分类,3）需要专门的驱动电路来控制电力电子器件的工作状态通常由信息电子电路来控制，由于电力电子器件处理的电功率较大，信息电子电路不能直接控制，需要中间电路将控制信号放大，该放大电路就是电力电子器件的驱动电路。 4）需要缓冲和保护电路电力电子器件的主要用途是高速开关，与普通电气开关、熔断器和接触器等电气元件相比，其过载能力不强，电力电子器件导通时的电流要严格控制在一定范围内。过电流不仅会使器件特性恶化，还会破坏器件结构，导致器件永
4、久失效。与过电流相比，电力电子器件的过电压能力更弱，为降低器件导通压降，器件的芯片总是做得尽可能薄，仅有少量的裕量，即使是微秒级的过电压脉冲都可能造成器件永久性的损坏。在电力电子器件开关过程中，电压和电流会发生急剧变化，为了增强器件工作的可靠性，通常要采用缓冲电路来抑制电压和电流的变化率，降低器件的电应力；采用保护电路来防止电压和电流超过器件的极限值。,2.1 电力电子器件的特点和分类,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9
5、 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2.电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可对电力电子器件进行如下分类： 1）不可控器件，它不能用控制信号控制其通断，器件的导通与截止完全由自身在电路中承受的电压和电流来决定。这类器件主要指功率二极管。 2）半控型器件，指通过控制信号能控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。这类器件主要是指晶闸管，它由普通晶闸管及其派生器件组成。 3）全控型器件，指通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。这类器件的品种很多，目前常用的有门极可关断晶闸管（GTO
6、）、电力晶体管（GTR）、功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。,2.1 电力电子器件的特点和分类,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2.电力电子器件的分类按照驱动信号的不同，又可将可控器件分为电流驱动型和电压驱动型。 电流驱动型器件通过从控制极注入和抽出电流来实现器件的通断，其典型代
7、表是GTR。 电压驱动型器件通过在控制极上施加正向控制电压实现器件导通，通过撤除控制电压或施加反向控制电压使器件关断；由于电压驱动型器件是通过控制极电压在主电极间建立电场来控制器件导通，故也称场控或场效应器件，其典型代表是Power MOSFET和IGBT。,2.1 电力电子器件的特点和分类,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小
8、结,2.电力电子器件的分类根据器件内部带电粒子参与导电的种类不同，电力电子器件又可分为单极型、双极型和复合型三类。 器件内部只有一种带电粒子参与导电的称为单极型器件，如Power MOSFET； 器件内有电子和空穴两种带电粒子参于导电的称为双极型器件，如GTR和GTO； 由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件称为复合型器件，如IGBT等。,2.1 电力电子器件的特点和分类,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电
9、力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,1PN结的形成完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。在常温下，本征半导体可以激发出少量的自由电子，并出现相应数量的空穴，这两种不同极性的带电粒子统称为载流子。,在本征半导体内掺入微量的杂质，会使半导体的导电能力发生显著的变化，这种半导体称为杂质半导体。因掺入杂质化合价的不同，杂质半导体分为电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体两类。N型半导体的杂质为五价元素，在半导体晶体中能给出一个多余的电子，故N型半导体内自由电子数远大于空穴数，则自由电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称
10、少子）。而P型半导体中的杂质为三价元素，能在半导体晶体中接受电子，使晶体中产生空穴，即P型半导体中的空穴数远大于自由电子数，则空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载流子。,2.2 电力电子器件基础,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,将N型半导体和P型半导体结合，由于P型半导体内空穴浓度高、电子密度小，而N型半导体空穴浓度低
11、、电子密度高，则空穴必然要从高浓度的P区流向低浓度的N区，同样电子要从N区流向P区，这种载流子从高浓度区向低浓度区的运动称为扩散运动。扩散首先在界面两侧附近进行，当电子离开N区后，留下了不能移动的带正电荷的杂质离子，形成一层带正电荷的区域；同理，空穴离开P区后，留下不能移动的带负电荷的杂质离子，形成一层带负电荷的区域。因此P区和N区交界面附近形成空间电荷区，即PN结。由于正负电荷的相互作用，在空间电荷区形成从带正电的N区指向带负电的P区的内电场。内电场对多数载流子的扩散运动有阻挡作用，同时也会吸引对方区内的少数载流子向本区运动，形成漂移运动。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，正、负空间电荷量
12、就达到稳定值。,2.2.1 PN结原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础2.2.1 PN结原理2.2.2 电力电子器件的封装 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2偏置下的PN结当PN结正向偏置时，外加电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，载流子的漂移运动受到抑制，而扩散运动增强，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流。当PN结反向
13、偏置时，外加电场与PN结内电场方向相同，使得载流子的漂移运动大于扩散运动，形成反向电流，但由于受少数载流子浓度低的限制，反向电流一般很小。,2.2.1 PN结原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础2.2.1 PN结原理2.2.2 电力电子器件的封装 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,3PN结的反向击穿PN结具有一定的反向耐压能力，但如果反向电压过大，达到反
14、向击穿电压时，反向电流会急剧增加，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这种状态称为反向击穿，反向击穿有可能造成PN结损坏。PN结反向击穿有三种形式：雪崩击穿、齐纳击穿和热击穿。1）雪崩击穿当反向电压增大到某一数值后，载流子增加得快而多，使反向电流急剧增大，这种情况称为雪崩击穿。2）齐纳击穿齐纳击穿也称隧道击穿，它是在较低的反向电压下发生的击穿。在高掺杂浓度的PN结中，P区与N区之间的间距较窄，再加上反偏电压使电场强度增加，进一步减少了该间距，则P区中的某些电子通过空间电荷区进入N区，反向电流急剧增加，该现象称为齐纳击穿。,2.2.1 PN结原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力
15、电子器件基础2.2.1 PN结原理2.2.2 电力电子器件的封装 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,3）热击穿上述两种型式的击穿过程都是可逆的，若此时外电路能采取措施限制反向电流，当反向电压降低后PN结仍可恢复原来状态。否则反向电压和反向电流乘积过大，会超过PN结容许的耗散功率，导致热量无法散发，PN结温度上升直至过热而烧毁。这种现象称为热击穿，必须尽可能避免热击穿。,2.2.1 P
16、N结原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础2.2.1 PN结原理2.2.2 电力电子器件的封装 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,4PN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CJ，又称为微分电容。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CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。,2.2.1 PN结原
17、理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础2.2.1 PN结原理2.2.2 电力电子器件的封装 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,图2-2是电力电子器件几种常见的封装形式,2.2.2 电力电子器件的封装,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础2.2.1 PN结原理2.2.2 电力电子器件的封装 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关
18、断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,功率二极管（Power Diode）属于不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件，它在整流、逆变等领域都发挥着重要的作用。基于导电机理和结构的不同，二极管可分为结型二极管和肖特基势垒二极管。二极管的基本结构是半导体PN结，具有单向导电性，正向偏置时表现为低阻态，形成正向电流，称为正向导通；而反向偏置时表现为高阻态，几乎没有电流流过，称为反向截止。,2.3 功率二极管,目录 2.1
19、电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础2.2.1 PN结原理2.2.2 电力电子器件的封装 2.3功率二极管 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2.3.1 结型功率二极管基本结构 和工作原理,PIN结构为了提高PN结二极管承受反向电压的阻断能力，结型功率二极管多采用PIN结构。PIN功率二极管在P型半导体和N型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗N-区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导
20、体，即本征半导体。低掺杂N-区域越厚，功率二极管能够承受的反向电压就越高。 电导调制效应：若流过二极管的电流较小，二极管的电阻主要是低掺杂N-区的欧姆电阻，阻值较高且为常数，因而其管压降随正向电流的上升而增加；当流过二极管的电流较大时，注入并积累在低掺杂N-区的少子空穴浓度将增大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，导致其电阻率明显下降，即电导率大大增加，使二极管的管压降基本不变。,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势
21、垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,图2-4 结型功率二极管的伏安特性,1稳态特性,2.3.2 结型功率二极管的基本特性,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势垒二极管2.3.5
22、功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,电导调制效应使得PN结在正向电流较大时导通压降仍然很低，且不随电流的大小而变化。,2动态特性 结型功率二极管属于多数载流子和少数载流子均参与导电的双极型器
23、件，并具有载流子存储效应和电导调制效应，这些特性对其开关过程会产生影响。,图2-5 结型功率二极管的开关过程,2.3.2 结型功率二极管的基本特性,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势
24、 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2动态特性,图2-5 结型功率二极管的开关过程,2.3.2 结型功率二极管的基本特性,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电
25、子器件应用共性问题 小结,正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。 正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP越高 。,开通过程：,2动态特性,图2-5 结型功率二极管的开关过程,2.3.2 结型功率二极管的基本特性,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.
26、7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,关断过程 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。 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。,反向恢复时间：trr= td+ tf,普通结型功率二极管又称整流管（Rectifier Diode），反向恢复时间在5s以上，多用于开关频率在1kHz以下的整流电路中。若是高频电路，应采用快速功率二极管。,2.3.3 快速功率二极管,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极
27、管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,快速型和超快速型快速二极管分为快恢复（FRED）和超快恢复（Hiper FRED，Hiper Fast soft Recovery Epitaxial Diode）两类。前者应用于
28、开关频率为2050kHz的场合；后者用于开关频率在50kHz以上的场合。,图2-6 肖特基二极管内部结构图,肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管（SBD，Schottky Barrier Diode），以金属与半导体接触形成的势垒为基础的二极管。,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应
29、晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2.3.4 肖特基势垒二极管,特点：1、反向恢复时间很短，仅为1040ns。2、肖特基二极管导通压降（一般为0.41V）比普通二极管和快恢复二极管低，这有助于降低二极管的导通损耗。但其反向耐压在200V以下，因此适用于低电压输出的场合。,除了反向恢复时间trr和正向导通压降UF，选用功率二极管时，还应考虑以下几个参数：1额定正向平均电流IT (AV)功率二极管长期运行在规定管壳温度和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值定义为额定正向平均电
30、流。使用时应按照流过二极管实际波形电流与工频正弦半波平均电流的热效应相等（即有效值相等）的原则，来选取功率二极管的额定电流，并应留有一定的裕量。,2.3.5 功率二极管的主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件
31、2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,如图2-7所示，设该正弦半波电流的峰值为Im，则额定平均电流IT(AV)为（2-1）额定电流有效值IT为（2-2）定义电流的波形系数Kf=IT/ IT(AV)；则正弦半波电流的波形系数：（2-3）实际使用时，对二极管额定平均电流IT(AV)选择应至少留1倍以上的裕量。,图2-7 二极管的通态平均电流,2.3.5 功率二极管的主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4
32、肖特基势垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2额定反向电压URPM指二极管能承受的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的2/3。为避免发生击穿，在实际应用中应计算功率二极管有可能承受的反向最高电压，并在选型时留有23倍的裕量。3最高工作结温TJM指器件中PN结在不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通
33、常在125175范围内。,2.3.5 功率二极管的主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管2.3.1结型功率二极管基本结构和工作原理2.3.2结型功率二极管的基本特性2.3.3快速功率二极管2.3.4肖特基势垒二极管2.3.5功率二极管的主要参数2.3.6功率二极管的应用特点 2.4 晶闸管 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,晶闸管（Thyristor）是能承受高电压、
34、大电流的半控型电力电子器件，也称可控硅整流管（SCR，Silicon Controlled Rectifier）。由于它电流容量大、电压耐量高以及开通的可控性，已被广泛应用于可控整流和逆变、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。,2.4 晶闸管,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2
35、.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,图2-9 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 封装 b) 结构 c) 电气图形符号,晶闸管有三个电极，分别是阳极A、阴极K和门极（或称栅极）G。晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，四个区形成J1、J2、J3三个PN结。若不施加控制信号，将正向电压（阳极电位高于阴极电位）加到晶闸管两端，J2处于反向偏置状态，A、K之间处于阻断状态；若反向电压加到晶闸管两端，则J1、J3反偏，该晶闸管也处于阻断状态。,2.4.1 基本结构和工作原理,目录 2.1电力电子器件的特
36、点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,将晶闸管等效为一个PNP晶体管V1和一个NPN晶体管V2的复合双晶体管模型。如果在V2基极注入IG（门极电流），则由V2的放大作用，产生Ic2（2IG）。由于Ic2为V1提供了基极电
37、流，因此再由V1的放大作用使Ic1=1Ic2，这时V2的基极电流由IG和Ic1共同提供，从而使V2的基极电流增加，并通过晶体管的放大作用形成强烈的正反馈，使V1和V2很快进入饱和导通。此时即使将IG调整为0也不能解除正反馈，晶闸管会继续导通，即G极失去控制作用。,图2-10 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,2.4.1 基本结构和工作原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GT
38、O） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,图2-10 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,按照晶体管工作原理，忽略两个晶体管的共基极漏电流，可列出如下方程：IK=IA+IG （2-4）IA=Ic1+Ic2=1IA+2IK （2-5）其中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益。则可推导出（2-6）,2.4.1 基本结构和工作原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原
39、理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,图2-10 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,根据晶体管的特性，在低发射极电流下其共基极电流增益很小，而当发射极电流建立起来后，迅速增大。 1、在晶体管阻断状态下，1+2很小。 2、若IG使两个发射极电流增大以致1+2大于1（通常晶闸管的1+21.15），流过晶闸管的电流I
40、A将迅速增大，从而使晶闸管饱和导通，实际通过晶闸管的电流由R确定为EA/R。 当1+21时，晶闸管的正反馈才可能形成，其中1+2=1是临界导通条件，1+21为饱和导通条件，1+21则器件退出饱和而关断。,2.4.1 基本结构和工作原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子
41、器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,2.4.1 基本结构和工作原理,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,晶闸管正常工作时的特性总结如下： 承受反
42、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。即uAK0且uGK0。 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维持电流IH（约十几mA）以下 。,图2-11 晶闸管的伏安特性,1、IG=0时，逐渐增大阳极电压UA，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断； 2、当达到正向转折电压Ubo时，漏电流剧增，晶闸管由正向阻断突变为正向导通状态。 3、随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 4、晶闸管本身的压降很小，在1V左右。,2.4.2 晶闸管特性及主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类
43、2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,IG2IG1IG,1稳态伏安特性,1晶闸管的稳态伏安特性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；IH维持电流。,图2-11
44、 晶闸管的伏安特性,2.4.2 晶闸管特性及主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,IG2IG1IG,图2-12 晶闸管的开通和关断过程波形,2晶闸管的动态特性 1）开通过程延迟时间t
45、d：阳极电流上升到稳态值IA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=td+tr。,2.4.2 晶闸管特性及主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应
46、用共性问题 小结,图2-12 晶闸管的开通和关断过程波形,2）关断过程反向阻断恢复时间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。正向阻断恢复时间tgr:反向恢复过程结束后，晶闸管恢复对反向电压的阻断能力，但要恢复对正向电压的阻断能力还需要一段时间。关断时间tq=trr+tgr，约为几百s，这是设计反向电压时间的依据。,2.4.2 晶闸管特性及主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点
47、 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,3晶闸管的主要特性参数1）晶闸管的重复峰值电压额定电压UT选用元件的额定电压值应比实际正常工作时的最大电压的23倍。2）晶闸管的额定通态平均电流额定电流IT(AV)在环境温度为40和规定的冷却条件下，当结温稳定且不超过额定结温时，晶闸管所允许的最大工频正弦半波电流的平均值，称为额定电流。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1.52的安全系数，使其具有一定的电
48、流裕量。,2.4.2 晶闸管特性及主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,3）通态平均电压UT(AV)在规定的环境温度、标准散热条件下，晶闸管通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降
49、的平均值，被称为通态平均电压（也称管压降）。 4）维持电流IH和掣住电流IL在常温下且门极断开时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流被称为维持电流IH。给晶闸管门极加上触发电流，当晶闸管刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时晶闸管维持导通所需要的最小阳极电流，被称为擎住电流IL。对同一晶闸管来说，擎住电流IL是维持电流IH 24倍。,2.4.2 晶闸管特性及主要参数,目录 2.1电力电子器件的特点与分类 2.2电力电子器件基础 2.3功率二极管 2.4 晶闸管2.4.1基本结构和工作原理2.4.2晶闸管特性及主要参数2.4.3晶闸管派生器件及应用2.4.4晶闸管的触发2.4.5晶闸管的应用特点 2.5 可关断晶闸管（GTO） 2.6 电力晶体管 2.7 功率场效应晶体管 2.8 绝缘栅双极型晶体管 *2.9 其它新型电力电子器件 2.10 电力电子器件的发展趋势 2.11 电力电子器件应用共性问题 小结,
