第二章 电力电子器件.ppt

1、第二章、电力电子器件,2.1 、 电力电子器件的基本模型 2.2 、电力二极管 2.3 、晶闸管 2.4 、可关断晶闸管 2.5 、 电力晶体管 2.6 、电力场效应晶体管 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管 2.8 、其它新型电力电子器件 2.9 、电力电子器件的驱动与保护,熟悉和掌握各种电力电子器件的结构、原理、特性 主要参数和使用方法，是学好电力电子技术的前提。 常用电力电子器件电力二极管(PD)、晶闸管 （SCR）及其派生器件、可关断晶闸管（GTO）、 功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（P-MOS)、 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管 （IGCT）和功率集成电路(P

2、IC)。 晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（GTO）、集成门极 换流晶闸管（IGCT）是当今电力电子技术中关键的应 用器件。,2.1、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。定义：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（Power Electronic Device）。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，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。,2.1.1 电力电子器件的 基本模型与特性,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2.1.1所示的理想开关模型

3、，它有三个电极，其中A和B代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“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。导通、截止两种瞬态。,图2.1.1 电力电子器件的理想开关模型,一、基本模型：,2.1.1 电力电子器件的 基本模型与特性,二、基本特性： （1）电力电子器件一般都工作在开关状态。 （2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。 （3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。,2.1.2 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

4、类： 不可控器件：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。如：电力二极管（Power Diode）； 半控型器件：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。如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等； 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器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。,二、电力电子器件按门

5、极控制信号 的性质不同又可分为两种：, 电流控制型器件： 此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；, 电压控制型器件：这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。如：代表性器件为P-MOSFET管和IGBT管。,附表2.1.1:主要电力半导体器件的特性及其应用领域,第二章、电力电子器件,2.1 、电力电子器件的基本模型 2.2 、电力二极管 2.3 、晶闸管 2.4 、可关断晶闸管 2.5 、 电力晶体管 2.6 、电力场效应晶体管 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管 2.8

6、 、其它新型电力电子器件 2.9 、电力电子器件的驱动与保护,1、结构 2、工作原理 3、特性 4、参数,2.2 电力二极管,2.2.1 电力二极管及其工作原理2.2.2 电力二极管的特性与参数,2.2.1 电力二极管及其工作原理,一、电力二极管：1、电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器（Semiconductor Rectifier，简称SR），属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。2、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, 具有不可替代的地位。,二、PN结与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。

7、 以半导体PN结为基础。 由一个面积较大的PN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。,图2.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符a）结构 b）外形 c）电气图形,二、 PN结与电力二极管工作原理：,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结: 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的扩散运动，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

8、个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。 内电场:空间电荷建立的电场,也称自建电场，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，即漂移运动。,二、 PN结与电力二极管工作原理：,PN结的正向导通状态：电导调制效应使得PN结在正向电流较大 时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正 向偏置的PN结表现为低阻态。 PN结的反向截止状态：流过反向饱和漏电流，为高阻状态。PN结的单向导电性：二极管的基本原理就在于PN结的单 向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿：有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击

9、穿。 PN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 。,图2.2.2 电力二极管的伏安特性曲线,势垒电容只在外加电压变化时才起作用,空间电荷变化引起。外加电压频率越高，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，与阻挡层厚度成反比。（反向电压及较小的正向电压时电容效应明显） 扩散电容仅在正向偏置时起作用，多数载流子运动引起。 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，扩散电容为结电容主要成分。 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能

10、使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。,二、 PN结与电力二极管工作原理：,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子 薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结 中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。 势垒电容的示意图如下。,扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累 而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子， 与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散 过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成 一定的多子浓度梯度分布曲线。,扩散电容示意图,2.2 电力二极管,2.2.1 电力二极管及其工作原理2.2.2 电

11、力二极管的特性与参数,2.2.2 电力二极管的特性与参数,1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数,1、电力二极管的伏安特性,当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,图2.2.2 电力二极管的 伏安特性曲线,特性曲线:,2.2.2 电力二极管的特性与参数,1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3 、电力二极管的主要参数,开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完

12、成，它要经历一个短时的过渡过程；此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管有很大差异；理解开关过程对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。,状态：,过程：,导通、阻断,开通、关断,2、电力二极管的开关特性,定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。,（1）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。如图（a）所示。电源电压从正向突然转为反向。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。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。（出现时间段不同，电流先出现电压后出现

13、）,图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形,二极管反向恢复过程示意图,电力二极管的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）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量非平衡少子，达到稳态导通前管压降较大。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，UFP越高 。,（2）开通特性：如图（b）所示电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。,图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形,延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+

14、tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用sr表示。 Tf大， Sr越大，反向电流变化慢，反向尖峰电压越小。,图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形,2.2.2 电力二极管的特性与参数,（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在us以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。 （2）快恢复二极管：反向恢复时间在us以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数

15、百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电路中。 （3）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成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒（10-40ns） 。但反向耐压在200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。,电力二极管的主要类型：,2.2.2 电力二极管的特性与参数,1、电力二极管的伏安特性2、电力二极管的开关特性3、电力二极管的主要参数,3、电力二极管的主要参数 （选择二极管依据）,额定正向平均电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件

16、下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流(平均电流)为:,（2.2.5）,（2.2.4）,（2.2.6）,（2.2.7）,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 波形系数（脉动系数），用Kf表示：,额定电流有效值为:,（1）额定正向平均电流IF(AV),正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按流过二极管实际波形电流与工频正弦半波平均电流热效应相等（即有效值相等）的原则来选取电流定额，并应留有1.52倍的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。当采用反向漏电流较大的电

17、力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 。,选择二极管电流定额的过程：,求出电路中流过二极管电流的有效值IF ； 求二极管电流定额IFAV，等于有效值IF 除以1.57； 将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。,IF(AV)=(1.52) IF /1.57,如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。,指器件中结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。jM通常在125175范围内。,3、电力二极管的主要参数,（2）反向重复峰

18、值电压RRM：,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U的2/3。,（3） 正向压降F：,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(又称管压降)。,（4） 反向漏电流RR：,指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。,（5）最高工作结温jM：,2.1.4 二极管的基本应用,整流 续流,第二章、电力电子器件,2.1 、 电力电子器件的基本模型 2.2 、 电力二极管 2.3 、 晶闸管2.4 、 可关断晶闸管 2.5 、 电力晶体管 2.6 、 电力场效应晶体管 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管 2.8 、 其它新型电力电子器件 2.9 、 电力电

19、子器件的驱动与保护,2.3 、晶闸管,2.3.1 晶闸管及其工作原理 2.3.2 晶闸管的特性与主要参数 2.3.3 晶闸管的派生器件,2.3 、晶闸管,晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000

20、V)已被广泛应用于相控整流、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。,2.3.1 晶闸管及其工作原理,（1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A以上), 分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。（2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A, 阴极K和门极(或称栅极)G, 它的电气符号如图2.3.1(e)所示。,图2.3.1 晶闸管的外型 及符号,1、晶闸管的结构：,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,晶闸管是大功率器件, 工作时产生大量的热，因此必须安

21、装散热器。 螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上, 采用自然散热冷却方式, 如图2.3.2(a)所示。 平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间, 散热方式可以采用风冷或水冷, 以获得较好的散热效果,如图2.3.2 (b)、(c)所示。,图2.3.2 晶闸管的散热器,逆阻型晶闸管SCR两个三极管正反馈,晶闸管的结构和结构模型,螺栓型,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别 共九级, 用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者。正、反向断态重复峰值电压,额定正向平均电流(IF),如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。,2、晶闸管的工作

22、原理,图2.3.3 晶闸管的结构模型和等效电路,1）导通：晶闸管阳极施加正向电压时, 若给门极G也加正向电压Ug,门极电流Ig经三极管T2放大后成为集电极电流Ic2，Ic2又是三极管T1的基极电流, 放大后的集电极电流Ic1进一步使Ig增大且又作为T2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管T1、T2都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。此时若撤除Ug, T1、T2内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。,晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极正偏。,双晶体管模型： T2的集电极与T1基极连 T2的基极与T1集电极连,2. 工作原理,在极

23、短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,EA 0、EG 0,A,K,G,晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导通状态。,2. 工作原理,EA 0、EG 0,G,2）阻断：当晶闸管A 、K间承受正向电压，而门极电流Ig=0时, 上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管A 、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。,2、晶闸管的工作原理,图2.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路,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du/dt过高 结温较高 光触发 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，称为光控晶闸管

24、（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,其他几种可能导通的情况：,晶闸管导通的条件：,(1)晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。(2)晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,(1)必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效应不能维持。(2)将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。（过零或变负）,可控开通,关断时：,强迫其电流 下降到维持电流以下,通态时,晶闸管的等值电路,2.3 、晶

25、闸管,2.3.1 晶闸管及其工作原理 2.3.2 晶闸管的特性与主要参数 2.3.3 晶闸管的派生器件,2.3.2 晶闸管的特性与主要参数,定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。 第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。,图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性,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； URO反向击穿电压。,. 晶闸管的伏安特性 ：,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,伏安特性,IG=0时，器件两端施加正向电

26、压，正向阻断状态，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Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。,图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性,（1）晶闸管的正向特性：,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。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。当反向电压超

27、过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性,（2）晶闸管的反向特性：,2. 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。,2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形,延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的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：以上两者之和，tgt=td+tr 普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s。,2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形,1) 开通过程：,正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢

28、复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才可靠“关断”。 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq =trr+tgr,2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形,2) 关断过程,（1-7),普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,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,延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟

29、时间的比值tf /td，或称恢复系数，用sr表示。 Tf大， Sr越大，反向电流变化慢，反向尖峰电压越小。,图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形,比较二极管：,（3）晶闸管的开通与关断时间,1）开通时间tgt： 普通晶闸管的开通时间tgt 约为6s。 开通时间与触发脉冲的陡度与触发电压（触发电流）大小、结温以及主回路中的电感量等有关。 2）关断时间tq ： 普通晶闸管的tq 约为几十到几百微秒。 关断时间与元件结温 、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。,3. 晶闸管的主要特性参数,1）正向重复峰值电压UDRM :门极断开(Ig=0), 元件处在额定结温时,正向阳极电压为正

30、向阻断不重复峰值电压UDSM (此电压不可连续施加)的80%所对应的电压(此电压可重复施加,其重复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms)。 2）反向重复峰值电压URRM :元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压URRM的80%所对应的电压。 3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值, 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23倍。,（1）晶闸管的重复峰值电压额定电压Ute,（2）晶闸管的额定通态平均电流 额定电流IT(AV),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，使其有一定的

31、电流裕量。,1）定义：在环境温度为40和规定的冷却条件下, 晶 闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦 半波电路中, 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。,这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为IT = Kf IT(AV) = 157A。,2） IT(AV)计算方法：,（2.3.3）,（2.3.4）,（2.3.5）,（2.3.4）,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, 则额定电流(平均电流)为：,额定电流有效值为：,现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电

32、流波形的波形系数，用Kf表示：,根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：,图中画斜线部分为一个2周期中晶闸管的电流波形。若各波形的最大值为Im=100A，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3 。若考虑2倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求？,例题,答：,（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT,1）定义：在室温下，晶闸管加6V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IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。2）晶闸管由于门极特性的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元

33、件只规定了触发电流、电压的上、下限值。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实测值，但触发电流、电压受温度的影响很大，温度升高，UGT 、IGT 值会显著降低，温度降低，UGT 、IGT 值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT 大几倍。,（4）通态平均电压UT(AV ),1）定义：在规定环境温度、标准散热条件下， 元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降)2）其数值按表2.3.3分组在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择T(AV) 小的晶闸管。,表2.3.3 晶闸管通态平均电压分组,（5）

34、维持电流 和掣住电流L,1）维持电流： 在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流H 。（晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。由通态转为断态的临界） 维持电流与元件容量 、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH 的实测值。 2）掣(che)住电流L ： 给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流L。（由断态转为通态） 对同一晶闸管来说，掣住电流L 要比维持电流H 大24倍。 (易断不易通。管子由通态转为断态在温度较高情况下，故 维持

35、电流H 较小）,（6）通态电流临界上升率 di/dt,1、定义：晶闸管能承受而没有受损害的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率 di/dt。 2、影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。,（7）断态电压临界上升率du/dt,1）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管误触发导通( 直接从断态转换到通态)的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。 2）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一

36、个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。,2.3 、晶闸管,2.3.1 晶闸管及其工作原理 2.3.2 晶闸管的特性与主要参数 2.3.3 晶闸管的派生器件,2.3.3 晶闸管的派生器件,可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(Fast Switching Thyrister，简称FST)，开关频率在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。快速晶闸管du

37、/dt的耐量较差，使用时必须注意产品铭牌上规定的额定开关频率下的du/dt，当开关频率升高时，du/dt 耐量会下降。,1. 快速晶闸管(Fast Switching ThyristerFST,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和第III象限有对称的伏安特性。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（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。,2.3.3 晶闸管的派生器件,图2.3.6 双向晶闸管的电气图形符号和伏安

38、特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,2. 双向晶闸管(TRIAC),2.3.3 晶闸管的派生器件,1)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。2)与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点；3)根据逆导晶闸管的伏安特性可知，它的反向击穿电压很低；不具有承受反向电压的能力，一旦承受即开通。因此只能适用于不需要阻断反向电压的电路中；故称为逆导型。4)逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流管区之间的隔离区； 5)逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管和整流管的额定电流表示；,图2.3.7 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

39、安特性,3. 逆导晶闸管 (RCT),1)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。 2) 小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。 3）大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。 4）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。,2.3.3 晶闸管的派生器件,图2.3.8 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,4. 光控晶闸管(LTT),第二章、电力电子器件,2. 1、电力电子器件的基本模型 2. 2、电力二极

40、管 2. 3、晶闸管2. 4、可关断晶闸管 2. 5、电力晶体管 2. 6、电力场效应晶体管 2. 7、绝缘栅双极型晶体管 2. 8、其它新型电力电子器件2. 9、电力电子器件的驱动与保护,2.4 可关断晶闸管,可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。,2.4 可关断晶闸管,2.4.1 可关断晶闸管及其工作原理 2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数,2.4.1 可关断晶闸管及其工作原理,与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构

41、，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部分别并联在一起，以便于实现门极控制关断。,图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图c) 电气图形符号,1、可关断晶闸管的结构,2、可关断晶闸管的工作原理1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的, 但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断

42、。2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。,T2的电流分配系数2较大；T1、T2饱和深度较浅。,GTO （Gate Turn-Off Thyristor） 为什么能靠反向触发电流关断？,采用双晶体管模型来分析：分别具有共基电流增益1、2， 由普通晶闸管分析可知： 1+2=1是器件导通的临界条件。 1+21两个等效晶体管过饱和使器件导通。 1+21不能维持器件饱和导通而关断。 与普通晶闸管不同的是：2较大，T2管易于控制；1+21更接近1，约为1.05，(而普通晶闸管1.15).饱和程度不深，接近临界饱和

43、，为门极控制关断提供有利条件。,可控开通,关断时：,强迫其电流 下降到维持电流以下,通态时,晶闸管的等值电路,GTO与普通晶闸管不同的是： 1.设计器件时使得2较大，晶体管T2控制灵敏。GTO易于关断。 2.导通时1+2接近1，接近临界饱和，为门极控制关断提供有利条件，但导通时管压降增大。 3.多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极与阴极间距离大大缩短，使得P2基区横向电阻很小，从而使门极抽出较大的电流。 4.GTO多元集成结构对关断有利，更易于关断；也比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。,2.4 可关断晶闸管,2.4.1 可关断晶闸管及其工作原理 2.4.2 可关断晶闸

44、管的特性与主要参数,2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数,导通过程与SCR一样，只是导通时饱和程度较浅。需经过延迟时间td和上升时间tr。1-2S。,图2.4.2 可关断晶闸管的开关特性,1）开通过程：,1、可关断晶闸管的特性,2）关断过程：与普通晶闸管不同 储存时间ts ：抽取饱和导通时储存的大量载流子，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf ：等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小。 尾部时间tt ：残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短。 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压

45、，则可缩短尾部时间。,图2.4.2 可关断晶闸管的开关特性,2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数,1、可关断晶闸管的特性,2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数,（1）开通时间ton:延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大； （2）关断时间toff:一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s； （3）最大可关断阳极电流IATO:它是GTO的额定电流；,2、可关断晶闸管的主要参数,2.4.2 可关断晶闸管的 特性与主要参数,GTO的门极可关断能力可用电流关断增益off来表征，最大可

46、关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益；通常大容量GTO的关断增益很小，不超过35。这正是GTO的缺点。一个1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。,（2.4.3）,（4）电流关断增益off ：,2.4.2 可关断晶闸管的 特性与主要参数,2）使用时必须注意 ：,3、可关断晶闸管的应用,1）GTO主要用于直流变换和逆变等需要元件强迫关断的地方，电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，达到兆瓦级的数量级。,不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时应和电力二极管串联 。,用门极正脉冲可使GTO开通， 用门极负脉冲可以使其关断， 这是GTO

47、最大的优点。 但要使GTO关断的门极反向电流比较大， 约为阳极电流的/左右。 GTO的通态管压降比较大， 一般为23V。（临界饱和状态）GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型， 在使用时要特别注意。,2.1 、电力电子器件的基本模型 2.2 、电力二极管 2.3 、晶闸管2.4 、可关断晶闸管 2.5 、 电力晶体管 2.6 、电力场效应晶体管 2.7 、绝缘栅双极型晶体管 2.8 、其它新型电力电子器件2.9 、电力电子器件的驱动与保护,第二章、电力电子器件,2.5、 电力晶体管,1) 术语用法： 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双

48、极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效 2）应用： 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。,2.5.1 电力晶体管及其工作原理2.5.2 电力晶体管的特性与主要参数,2.5、 电力晶体管,2.5.1 电力晶体管及其工作原理,与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。电流为12倍。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。

49、,图2.5.2 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动,产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。 单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。,2.5.1 电力晶体管及其工作原理,（2.5.1）,IC=IB +ICEO,在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流Ic与基极电流Ib之比为,GTR的电流放大系数， 反映了基极电流对集电极电流的控制能力,当考虑到集电极和发射极间的漏电流ICEO时， IC和IB的关系为,（2.5.2）,2.5、 电力晶体管,2.5.1 电力晶体管及其工作原理2.5.2 电力晶体管的特性与主要参数,2.5.2 电力晶体管的特性与主要参数,深饱和区：UBE0, UBC0，IB变化时IC不再改变，管压降UCES很小，类似于开关的通态。,