第1章電力電子器件(定稿)

1、第第1章章 電力電子器件電力電子器件1.1 電力二極管電力二極管1.2 晶閘管晶閘管1.1 電力二極管電力二極管1.1.1 功率二極管的結(jié)構和工作原理功率二極管的結(jié)構和工作原理1 1、元件結(jié)構、元件結(jié)構 圖圖1-1圖圖1-2二極管的基本原理二極管的基本原理PN結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?當當PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時， PN結(jié)表現(xiàn)為結(jié)表現(xiàn)為低低阻態(tài)阻態(tài)，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。導通時，管子壓降維持在導通時，管子壓降維持在1V左右。不隨電流而變。左右。不隨電流而變。 當當PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，

2、PN結(jié)表現(xiàn)結(jié)表現(xiàn)為為高阻態(tài)高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。反向阻斷時，有極小的漏電流，平時可忽略不計，但溫反向阻斷時，有極小的漏電流，平時可忽略不計，但溫度升高時漏電流會增大，須引起注意。度升高時漏電流會增大，須引起注意。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿反向擊穿。1.1.2 功率二極管的伏安特性功率二極管的伏安特性IOIFUTOUFU電力

3、二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性整流二極管、快速恢復二極管、肖特基二極管整流二極管、快速恢復二極管、肖特基二極管v見教材P4。1.1.3 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù)1.2 晶閘管晶閘管v晶閘管晶閘管（又稱可控硅（又稱可控硅 SCR ）是一種能夠用控制）是一種能夠用控制信號控制其導通，但不能控制其關斷的信號控制其導通，但不能控制其關斷的半控型器半控型器件件。v晶 閘 管 也 有 許 多 派 生 器 件 ， 如 快 速 晶 閘 管晶 閘 管 也 有 許 多 派 生 器 件 ， 如 快 速 晶 閘 管（FST）、雙向晶閘管（）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導晶閘管）、逆導晶閘管（R

4、CT）和光控晶閘管（）和光控晶閘管（LATT）等。）等。1.2.1 晶閘管的結(jié)構晶閘管的結(jié)構 1 1、晶閘管的結(jié)構、晶閘管的結(jié)構 圖圖1-4u 常見的外形有兩種：螺栓型和平板型。常見的外形有兩種：螺栓型和平板型。v具有四層具有四層PNPN結(jié)構、三端引出線結(jié)構、三端引出線(A、K、G)圖圖1-41.2.2 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 1 1、晶閘管的導通、關斷實驗、晶閘管的導通、關斷實驗v由電源、晶閘管的陽極和陰極、白熾燈組成晶閘管主電路；由電源、晶閘管的陽極和陰極、白熾燈組成晶閘管主電路；由電源、開關由電源、開關S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路（觸、晶閘管的門極和陰極組成控制電路（觸發(fā)

5、電路）。發(fā)電路）。 （a） (b) (c)圖圖1-5 圖圖1-5v2、實驗說明、實驗說明v3、實驗結(jié)論、實驗結(jié)論 通過上述實驗可知，晶閘管導通必須同時具備兩通過上述實驗可知，晶閘管導通必須同時具備兩個條件個條件: （1）晶閘管陽極和陰極之間加正向電壓。）晶閘管陽極和陰極之間加正向電壓。 （2）晶閘管門極和陰極之間加正向電壓。）晶閘管門極和陰極之間加正向電壓。 晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。晶閘管為半控型器件。 4、晶閘管的導通關斷原理、晶閘管的導通關斷原理 當晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時，當晶閘管陽極承受正向電壓

6、，控制極也加正向電壓時，形成了強烈的正反饋，形成了強烈的正反饋，正反饋過程如下：正反饋過程如下： IGIB2IC2(IB1)IC1IB2 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖圖1-6v 晶閘管導通之后，它的導通狀態(tài)完全依靠管子本身晶閘管導通之后，它的導通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋作用來維持。門極失去控制作用。的正反饋作用來維持。門極失去控制作用。v那怎樣才能關斷管子呢？那怎樣才能關斷管子呢？v關斷條件：必須將陽極電流減小到使之不能維持正關斷條件：必須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，也就是減小到維持電流。反饋的程度，也

7、就是減小到維持電流。v可采用的方法有可采用的方法有: :1.1.將陽極電源斷開；將陽極電源斷開；2.2.改變晶閘管的陽極電壓的方向，即在陽極和陰極間改變晶閘管的陽極電壓的方向，即在陽極和陰極間加反向電壓。加反向電壓。 14 1 1、晶閘管的伏安特性、晶閘管的伏安特性 晶閘管的伏安特性是晶閘晶閘管的伏安特性是晶閘管陽極與陰極間電壓管陽極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽極電流和晶閘管陽極電流IA之間之間的關系特性。的關系特性。IG =0=0圖圖1-5 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向正向?qū)▽║BO正向特性正向特性反向特性反向特性雪崩雪崩擊穿擊穿1.2.3 晶

8、閘管的特性晶閘管的特性 2、晶閘管的開關特性、晶閘管的開關特性(簡介簡介) 晶閘管的開關特性如圖所示。晶閘管的開關特性如圖所示。圖圖1-8 晶閘管開關特性的說明晶閘管開關特性的說明v通常定義器件的開通時間通常定義器件的開通時間ton為延遲時間為延遲時間td與上升與上升時間時間tr之和。即之和。即 ton=td+trv電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新施加正向電壓為止定義為器件的電路換向關斷時施加正向電壓為止定義為器件的電路換向關斷時間間toff。反向阻斷恢復時間。反向阻斷恢復時間trr與正向阻斷恢復時間與正向阻斷恢復時間tgr之和。之和。 to

9、ff=trr+tgr 1.2.4 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)(簡介簡介)v1、額定電壓、額定電壓UTn(重點重點) （1）正向重復峰值電壓）正向重復峰值電壓UDRMv在控制極斷路和正向阻斷條件下，可重復加在晶閘管兩端在控制極斷路和正向阻斷條件下，可重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。規(guī)定此電壓為正向不重復峰值電壓的正向峰值電壓。規(guī)定此電壓為正向不重復峰值電壓UDSM的的80%。 （2）反向重復峰值電壓）反向重復峰值電壓URRMv在控制極斷路時，以重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。在控制極斷路時，以重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。此電壓取反向不重復峰值電壓此電壓取反向不重復峰值電壓URSM

10、的的80%。v晶閘管的額定電壓則取晶閘管的額定電壓則取UDRM和和URRM的較小值且靠近的較小值且靠近標準電壓等級所對應的電壓值。標準電壓等級所對應的電壓值。v選擇管子的額定電壓選擇管子的額定電壓UTn應為晶閘管在電路中可能應為晶閘管在電路中可能承受的最大峰值電壓的承受的最大峰值電壓的23倍。倍。v2、額定電流、額定電流I T(AV) (重點重點)v是指：在環(huán)境溫度為是指：在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的散熱條件度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負載時的單相、工頻下，晶閘管在電阻性負載時的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導通角不小于）、正弦半波（導通角不小于170度）的度）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在

11、額定值電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125度時所允許的度時所允許的通態(tài)通態(tài)平均電流平均電流。v注意：晶閘管是以電流的平均值而非有效值作為注意：晶閘管是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額，這是因為晶閘管較多用于可控整它的電流定額，這是因為晶閘管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來計算。流電路，而整流電路往往按直流平均值來計算。v實際應用中，應根據(jù)電流有效值相同的原則進行實際應用中，應根據(jù)電流有效值相同的原則進行換算，通常選用晶閘管時，電流選擇應取換算，通常選用晶閘管時，電流選擇應取(1.52)倍的安全裕量。倍的安全裕量。 3、維持電流、維持電流IH v在室溫和門極斷路時，晶閘管已經(jīng)

12、處于通態(tài)后，在室溫和門極斷路時，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽極電流。極電流。 4、擎住電流、擎住電流IL v晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時移去觸發(fā)信號之后，晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時移去觸發(fā)信號之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽極電流。對于同要器件維持通態(tài)所需要的最小陽極電流。對于同一個晶閘管來說，通常擎住電流一個晶閘管來說，通常擎住電流IL約為維持電流約為維持電流IH的的(24)倍。倍。5、門極觸發(fā)電流、門極觸發(fā)電流IGTv在室溫且陽極電壓為在室溫且陽極電壓為6V直流電壓時，使晶閘管從直流電壓時，使晶閘管從阻斷到完全開通所

13、必需的最小門極直流電流。阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。6、門極觸發(fā)電壓、門極觸發(fā)電壓UGT v對應于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電對應于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應適當?shù)卮笥谒?guī)定的路給門極的電壓和電流應適當?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和和IGT上限，但不應超過其峰值上限，但不應超過其峰值IGFM 和和 UGFM。 7、斷態(tài)電壓臨界上升率、斷態(tài)電壓臨界上升率du/ dt v在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導致器件從斷在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過大的斷態(tài)電壓態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤

14、導通。上升率會使晶閘管誤導通。 8、通態(tài)電流臨界上升率、通態(tài)電流臨界上升率di / dt v在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導通時，在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導通時，晶閘管能夠承受而不導致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大晶閘管能夠承受而不導致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開通時，如果電流上升過快，上升率。在晶閘管開通時，如果電流上升過快，會使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使會使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。晶閘管損壞。1.2.5 晶閘管的型號、選擇原則晶閘管的型號、選擇原則1、普通晶閘管的型號、普通晶閘管的型號額定電壓以電壓等級給出，通常標準電壓等級規(guī)定額定電壓以

15、電壓等級給出，通常標準電壓等級規(guī)定為：電壓在為：電壓在1000V以下，每以下，每100V為一級；為一級；1000V到到3000V，每，每200V為一級。為一級。 組別組別ABCDE通態(tài)平均電通態(tài)平均電壓（壓（V）UT0.40.4UT0.50.5UT0.60.6UT0.70.7UT0.8組別組別FGHI通態(tài)平均電通態(tài)平均電壓（壓（V）0.8UT0.90.9UT1.01.0UT1.11.1UT1.2晶閘管通態(tài)平均電壓分組晶閘管通態(tài)平均電壓分組 2、普通晶閘管的選擇原則、普通晶閘管的選擇原則（1）選擇額定電流的原則）選擇額定電流的原則v在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額在規(guī)定的室溫和冷卻條件

16、下，只要所選管子的額定電流有效值大于等于管子在電路中實際可能通定電流有效值大于等于管子在電路中實際可能通過的最大電流有效值過的最大電流有效值 即可。考慮元件的過載能即可。考慮元件的過載能力，實際選擇時應有力，實際選擇時應有1.52倍的安全裕量。計算公倍的安全裕量。計算公式為：式為：v然后取相應標準系列值。然后取相應標準系列值。57. 1)25 . 1 (TMT(AV)IITMI1.2.6 晶閘管的其它派生元件晶閘管的其它派生元件(簡介簡介)v雙向晶閘管從結(jié)構和特性來說，都可以看成是一雙向晶閘管從結(jié)構和特性來說，都可以看成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主

17、電極的正、反兩個方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導通。個方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導通。圖圖1-12v雙向晶閘管在第雙向晶閘管在第和第和第象限有對稱的伏安特性象限有對稱的伏安特性。圖圖1-1431包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管（管和高頻晶閘管（10kHz10kHz以上）；以上）；FSTFST由于允許長期通過的電流有限，所以其不宜在低由于允許長期通過的電流有限，所以其不宜在低頻下工作。頻下工作?？焖倬чl管（Fast Switching ThyristorFST)32 逆導晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個二極逆導晶閘管是將晶閘管反

18、并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。反向電壓即開通。逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）b)a)UOIKGAIG=0圖圖1-9 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性33光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）v光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)

19、導通的晶閘管一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。圖圖1-10 1-10 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) b) 伏安特性伏安特性光強度強弱b)AGKa)OUAKIA通態(tài)損耗通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。是電力電子器件功率損耗的主要成因。當器件的開關頻率較高時，當器件的開關頻率較高時，開關損耗開關損耗會隨之增會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 控控制制電電路路檢檢 測測電電 路路保保 護護電電 路路驅(qū)驅(qū) 動動電電 路路RLV1V2主主 電電 路路電氣隔離電氣隔離

20、圖圖2-1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成1.3 門極可關斷晶閘管（門極可關斷晶閘管（GTO）1.3.1 GTO的結(jié)構和工作原理的結(jié)構和工作原理n 晶閘管的一種派生器件，但晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于全控電流使其關斷，因而屬于全控型器件。型器件。 n GTO為四層為四層PNPN結(jié)構、三端結(jié)構、三端線（線（A、K、G）的器件。和）的器件。和晶閘管不同的是：晶閘管不同的是：GTO內(nèi)部是內(nèi)部是由許多四層結(jié)構的小晶閘管并由許多四層結(jié)構的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門極聯(lián)而成，這些小晶閘管的門

21、極和陰極并聯(lián)在一起，成為和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元元圖圖1-15圖圖1-1539/89導通與關斷導通與關斷GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時飽飽和程度和程度較淺。較淺。晶閘管的回路增益晶閘管的回路增益1+2常為常為1.15左右，而左右，而GTO的的1+2非常接近非常接近1。因而。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。處于臨界飽和狀態(tài)。 而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流晶體管發(fā)射極電流IA和和IK的減小使的減小使 1+ 21時，器件退出時，器件退出飽飽和和而關

22、斷。而晶閘管導通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走而關斷。而晶閘管導通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法不能使其關斷。陽極電流的方法不能使其關斷。GTO的的多元集成結(jié)構多元集成結(jié)構使得其比普通晶閘管使得其比普通晶閘管開通過程開通過程更快，更快，承受承受di/dt的能力增強。的能力增強。 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應的參的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同數(shù)意義相同 電流關斷增益電流關斷增益 off 最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO與門極負脈沖與門極負脈沖電流最大值電流最大值IGM之比。之比。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，這

23、是左右，這是GTO的的一個主要缺點。一個主要缺點。 不少不少GTO都制造成都制造成逆導型逆導型，類似于逆導晶閘，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電壓時，應和管。當需要承受反向電壓時，應和電力二極電力二極管管串聯(lián)使用。串聯(lián)使用。 41/891.3.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結(jié)構和工作原理的結(jié)構和工作原理 GTR和和GTO一樣具有自關斷能力

24、，屬于電流控制型自關一樣具有自關斷能力，屬于電流控制型自關斷器件。斷器件。GTR可通過基極電流信號方便地對集電極可通過基極電流信號方便地對集電極-發(fā)射極發(fā)射極的通斷進行控制，并具有飽和壓降低、開關性能好、電流較的通斷進行控制，并具有飽和壓降低、開關性能好、電流較大、耐壓高等優(yōu)點。大、耐壓高等優(yōu)點。 GTR的開關時間在的開關時間在幾微秒幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多都短很多v共射極電路的輸出特性曲線共射極電路的輸出特性曲線 圖圖1-19 2、GTR的動態(tài)（開關）特性的動態(tài)（開關）特性 v晶體管有線性和開關兩種工作方式。當只需要導晶體管有線性和開關兩種工作方式。當只需要導通和

25、關斷作用時采用開關工作方式。通和關斷作用時采用開關工作方式。GTR主要應主要應用于開關工作方式。用于開關工作方式。v在開關工作方式下，用一定的正向基極電流在開關工作方式下，用一定的正向基極電流IB1去去驅(qū)動驅(qū)動GTR 導通，而用另一反向基極電流導通，而用另一反向基極電流IB2迫使迫使GTR關斷，由于關斷，由于GTR 不是理想開關，故在開關過不是理想開關，故在開關過程中總存在著一定的延時和存儲時間。程中總存在著一定的延時和存儲時間。u簡稱簡稱P-MOSFET（Power MOSFET）。）。v是用是用柵極柵極電壓來控制電壓來控制漏極漏極電流的電流的v開關時間在開關時間在10100ns之間，其工作

26、頻率可達之間，其工作頻率可達100kHz以上，以上，是主要電力電子器件中最高的。是主要電力電子器件中最高的。u電力電力MOSFET的種類的種類按導電溝道可分為按導電溝道可分為P溝道和溝道和N溝道。溝道。 當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型耗盡型柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為增強型增強型。在電力在電力MOSFET中，主要是中，主要是N溝道增強型溝道增強型。 1.3.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-

27、1945/89電力電力MOSFET的工作原理的工作原理截止截止 柵極柵極和和 源極源極間電壓為間電壓為零零時，無漏極電流時，無漏極電流ID，截止截止導通導通 在在柵極柵極和和源極源極之間加一之間加一正電壓正電壓UGS，當，當UGS大于某一電壓值大于某一電壓值UT開啟電開啟電壓（或閾值電壓）時壓（或閾值電壓）時，導通。，導通。UGS超過超過UT越多，導電能力越強，漏極電越多，導電能力越強，漏極電流流ID越大。越大。本身結(jié)構所致，本身結(jié)構所致，漏極漏極和和源極源極之間形成了一個之間形成了一個 與與MOSFET反向并聯(lián)的反向并聯(lián)的寄生二極管寄生二極管。 GTR和和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導調(diào)制效是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導調(diào)制效應，其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅(qū)動功率大，應，其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。驅(qū)動電路復雜。n電力電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，開關速度快，輸入是單極型電壓驅(qū)動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。n絕緣柵雙極晶