電力電子技術(shù)第五版(王兆安)課件

1、第第1章章 緒論緒論 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 1.4 本教材的內(nèi)容簡介本教材的內(nèi)容簡介1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念 電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力電力領(lǐng)域的領(lǐng)域的電子電子技技術(shù)。術(shù)。 電力電子技術(shù)中所變換的電力電子技術(shù)中所變換的“電力電力” 有區(qū)別有區(qū)別于于“電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)”所指的所指的“電力電力” ，后者特指電，后者特指電力網(wǎng)的力網(wǎng)的“電力電力” 。 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)(模擬

2、電子技術(shù)模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù))和電力電子技術(shù)兩大分支。和電力電子技術(shù)兩大分支。2/211.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)具體地說，電力電子技術(shù)就是使用具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件電力電子器件 對對電能電能進(jìn)行進(jìn)行變換變換和和控制控制的技術(shù)。的技術(shù)。 電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。 變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。 輸入輸入 輸出輸出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斬波直流斬波 交流交流（AC）交流電力控制交流電力控制變頻、變相變頻、變相逆變逆變 3

3、/21表表1-1 電力變換的種類電力變換的種類1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子學(xué)電力電子學(xué) 美國學(xué)者美國學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力電力學(xué)學(xué)、電子學(xué)電子學(xué)和和控制理論控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。三個學(xué)科交叉而形成的。4/21圖圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角形描述電力電子學(xué)的倒三角形1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和電子學(xué)電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)的理論和工藝與用于信電力電子器件的制造技術(shù)的理論和工藝與用于信息變換的電子器件制造技術(shù)相同。息變換的電子器件制造技術(shù)相同。電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技

4、術(shù)和電力學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電 子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。 5/211.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)與電氣工程學(xué)科的關(guān)系電力電子技術(shù)與電氣工程學(xué)科的關(guān)系 隸屬于電氣工程一級學(xué)科隸屬于電氣工程一級學(xué)科 電力電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展必須依賴其它學(xué)科電力電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展必須依賴其它學(xué)科 電力電子技術(shù)促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展電力電子技術(shù)促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展 圖圖1-2 電氣工程的雙三角形描述電氣工程的雙三角形描述6/211.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和控制理論電力電子

5、技術(shù)和控制理論 控制理論使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿控制理論使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。 電力電子技術(shù)是弱電和強(qiáng)電之間的接口而控制電力電子技術(shù)是弱電和強(qiáng)電之間的接口而控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。 控制理論是自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而電力電控制理論是自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而電力電子裝置則是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技子裝置則是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。術(shù)。 7/211.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史8/21電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖圖1-3

6、 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年年美國通用美國通用電氣公司研制出第一個電氣公司研制出第一個晶閘管晶閘管為標(biāo)志。為標(biāo)志。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。明期。 電子管電子管(1904) ，在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用，在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。先河。 水銀整流器水銀整流器(1930s-

7、1950s)，廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機(jī)的傳動，甚至用鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時期，也應(yīng)用期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組直流發(fā)電機(jī)組來變流。來變流。 1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，晶體管，引發(fā)了引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。電子技術(shù)的一場革命。 9/211.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展

8、史晶閘管時代晶閘管時代 晶閘管憑借晶閘管憑借其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，很快就取其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。 晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于關(guān)斷的器件，屬于半控型器件半控型器件。對晶閘管電路的控制方。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱式主要是相位控制

9、方式，簡稱相控方式相控方式。 晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。 這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。10/211.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史全控型器件和電力電子集成電路（全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管電力雙極型晶體管（BJT）和和電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的為代表的全控型器全控型器件件迅速發(fā)展。迅速發(fā)展。 全控型器件的特點是，通過對門極（

10、基極、柵極）的控制既可使其全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通開通又可使其又可使其關(guān)斷關(guān)斷。 采用全控型器件的電路的主要控制方式為采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式斬波控制方式，簡稱，簡稱斬控方式斬控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的為代表的復(fù)復(fù)合型器件合型器件異軍突起。它是異軍突起。它是MOSFET和和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。點。 與此相對，與此相對，M

11、OS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）和和集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了復(fù)合了MOSFET和和GTO。11/211.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史把把驅(qū)動驅(qū)動、控制控制、保護(hù)電路保護(hù)電路和和電力電子器件電力電子器件集成在集成在一起，構(gòu)成一起，構(gòu)成電力電子集成電路（電力電子集成電路（PIC），這代表了，這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以技術(shù)包括以PIC為代表的為代表的單片集成技術(shù)單片集成技術(shù)、混合集成混合集成技術(shù)技術(shù)以及以及系統(tǒng)集成技術(shù)系統(tǒng)集成技術(shù)。隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電

12、子隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的電路的工作頻率工作頻率也不斷提高。與此同時，也不斷提高。與此同時，軟開關(guān)技軟開關(guān)技術(shù)術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度功率密度。 12/211.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍 一般工業(yè)一般工業(yè) 工業(yè)中大量應(yīng)用各種工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動機(jī)交直流電動機(jī)，都是用電力電，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對調(diào)速性能要求不高的

13、大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了風(fēng)機(jī)等近年來也采用了變頻裝置變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。，以達(dá)到節(jié)能的目的。避免調(diào)速電機(jī)起動時的電流沖擊的軟起動裝置。避免調(diào)速電機(jī)起動時的電流沖擊的軟起動裝置。 電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源 電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源淬火電源及直流電弧爐電源等場合。感應(yīng)加熱電源淬火電源及直流電弧爐電源等場合。13/211.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的

14、應(yīng)用交通運輸交通運輸 電氣化鐵道：電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用電氣化鐵道：電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置整流裝置，交流機(jī)車采用交流機(jī)車采用變頻裝置變頻裝置。直流斬波器直流斬波器也廣泛用于鐵道車也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動外，車輛中的各種鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動外，車輛中的各種輔助電源輔助電源也也都離不開電力電子技術(shù)。都離不開電力電子技術(shù)。 電動汽車：電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)電動汽車：電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動控制，其動控制，其蓄電池蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。

15、一臺高的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠級汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器變頻器和和斬波器斬波器驅(qū)動并控制。驅(qū)動并控制。 飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。14/211.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 用戶終端：用戶終端：發(fā)達(dá)國家在用戶使用的電能中，有發(fā)達(dá)國家在用戶使用的電能中，有60%以以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電：直流輸電：其送電端的其送電端的整流閥整流閥和受電端的和受電端的逆變閥逆變閥都采都采用晶閘

16、管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的的IGBT器件。近年發(fā)展起來的器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。 電能質(zhì)量提高：電能質(zhì)量提高：晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管晶閘管投切電容器（投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源有源電力濾波器（電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的的無功補(bǔ)償無功補(bǔ)償或或諧波抑制諧波抑制。 在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)

17、瞬時在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等。停電、瞬時電壓跌落、閃變等。 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。 15/211.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用16/21圖圖1-5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）晶閘管投切電容器（下）1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電子裝置用電源電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要

18、不同電壓等級的直流電源供電。各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。大。大型計算機(jī)所需的工作電源、微型計算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也型計算機(jī)所需的工作電源、微型計算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用都采用高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。 在 大 型 計 算 機(jī) 等 場 合 ， 常 常 需 要在 大 型 計 算 機(jī) 等 場 合 ， 常 常 需 要 不 間 斷 電 源不 間 斷 電 源（Uninterruptible P

19、ower Supply_ UPS）供電，不間斷電供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。源實際就是典型的電力電子裝置。17/211.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用家用電器家用電器 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計算機(jī)，空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計算機(jī)， 不少洗衣機(jī)、不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。其它其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人

20、航天器航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。 抽水儲能發(fā)電站的大型電動機(jī)需要用電力電子技術(shù)來抽水儲能發(fā)電站的大型電動機(jī)需要用電力電子技術(shù)來起動和調(diào)速。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強(qiáng)起動和調(diào)速。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。18/211.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要?？傊?，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。 19/21新能

21、源、可再生能源發(fā)電需新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術(shù)來緩沖能要用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時，更離不時，更離不開電力電子技術(shù)。開電力電子技術(shù)。核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和注入能量時，需要大容場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實驗是電力電子裝置?？茖W(xué)實驗或某些特殊場合，常需要一或某些特殊場合，常需要一些特種電源。些特種電源。圖圖1-7 風(fēng)場風(fēng)場1.4 本教材的內(nèi)容簡介本教材的內(nèi)容簡介本教材的內(nèi)容本教材的內(nèi)容20/21參考書目趙良炳.現(xiàn)代

22、電力電子器件基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,1995.丁道宏.電力電子技術(shù).北京:航空工業(yè)出版社,1992.張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計.北京:電子工業(yè)出版社,1998.李先允,陳剛.電力電子技術(shù)習(xí)題集.北京:中國電力出版社,2008.網(wǎng)絡(luò)資源網(wǎng)絡(luò)資源 http:/ http:/ 初級目標(biāo)：掌握常用電力電子器件工作原理、基本電路及控制方法。 中級目標(biāo)：能利用上述知識進(jìn)行簡單電力電子裝置設(shè)計與開發(fā)。 高級目標(biāo)：綜合利用所學(xué)知識，設(shè)計滿足生產(chǎn)實際需要的電力電子裝置。學(xué)習(xí)方法 在掌握電力電子器件和基本電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用分段線性分析方法，熟悉電路中主要器件工作波形。 充分利用教學(xué)實驗，驗證電路

23、工作原理和相關(guān)器件工作波形。 發(fā)揮現(xiàn)代電力電子仿真軟件的作用，加強(qiáng)對本課程的感性認(rèn)識。22/21第第2章章 電力電子器件電力電子器件 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 2.6 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié)本章小結(jié) 24/89引言引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件晶體管和集成電

24、路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 概述電力電子器件的概述電力電子器件的概念概念、特點特點和和分類分類。 分別介紹各種常用電力電子器件的分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理工作原理、基本特基本特性性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。 25/892.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 2.

25、1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點26/892.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念電力電子器件的概念 電力電子器件（電力電子器件（Power Electronic Device）是指可是指可直接用于處理電能的直接用于處理電能的主電路主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制中，實現(xiàn)電能的變換或控制的的電子器件電子器件。 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。的變換或控制任務(wù)的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往

26、往專指電力半導(dǎo)體器件件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 27/892.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的特征電力電子器件的特征 處理處理電功率電功率的大?。ǔ惺茈妷汉碗娏鞯哪芰Γ┮话愣嫉拇笮。ǔ惺茈妷汉碗娏鞯哪芰Γ┮话愣歼h(yuǎn)大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)，遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)， 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)開關(guān)狀態(tài)狀態(tài)。 由信息電子電路來控制由信息電子電路來控制 ,而且需要而且需要驅(qū)動電路驅(qū)動電路。 自身的自身的功率損耗功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工通常仍遠(yuǎn)

27、大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝作時一般都需要安裝散熱器散熱器。 28/892.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 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(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗開關(guān)損耗會隨之增大而可會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開關(guān)損耗開通損耗開通損耗關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗電力電子器件的功率損耗29/892.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件實

28、際應(yīng)用：由電力電子器件實際應(yīng)用：由控制電路控制電路、驅(qū)動電路驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成一個系統(tǒng)。組成一個系統(tǒng)。 電氣隔離電氣隔離圖圖2-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成30/892.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度按照能夠被控制電路信號所控制的程度 半控型器件半控型器件 器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。全控型器件全控

29、型器件 通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通、關(guān)斷。通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通、關(guān)斷。 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 不可控器件不可控器件 電力二極管（電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷。不能用控制信號來控制其通斷。31/892.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì)按照驅(qū)動信號的性質(zhì) 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 從控制端注入或者抽出從控制端注入或者抽出電流電流來實現(xiàn)器件導(dǎo)通、關(guān)斷。來實現(xiàn)器件導(dǎo)通、關(guān)斷。 電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 在控制端和公共端之間施加一定的在控制端和公共端之間施加一定的電壓電壓信號實現(xiàn)器信號實現(xiàn)

30、器 件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 在控制端施加一個電壓或電流的在控制端施加一個電壓或電流的脈沖脈沖信號來實現(xiàn)器信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。件的開通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型電平控制型 通過通過持續(xù)持續(xù)在控制端施加一定電平的電壓或電流信號在控制端施加一定電平的電壓或電流信號使器件開通并使器件開通并維持維持導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持阻斷狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持阻斷狀態(tài)。 32/892.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單

31、極型器件單極型器件 由一種由一種載流子載流子參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電。 雙極型器件雙極型器件 由由電子電子和和空穴空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。合型器件。 33/892.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點本章內(nèi)容本章內(nèi)容 介紹不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其介紹不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的它新型器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。和使用中應(yīng)注意的一些問題。學(xué)

32、習(xí)要點學(xué)習(xí)要點 掌握其掌握其基本特性基本特性（重點）。（重點）。 掌握電力電子器件的掌握電力電子器件的型號命名法型號命名法，以及其，以及其參數(shù)參數(shù)和和特性特性曲線曲線的使用方法。的使用方法。 了解電力電子器件的了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和和基本工作原理基本工作原理。 了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。34/892.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要

33、參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型35/892.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言電力二極管（電力二極管（Power Diode） 自自1950s初期就獲得應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作初期就獲得應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中?？煽?，直到現(xiàn)在仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。 在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管和和肖肖特基二極管特基二極管。 整流二極管及模塊整流二極管及模

34、塊36/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管是以半電力二極管是以半導(dǎo)體導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的, ,實際上是由一個面積實際上是由一個面積較大的較大的PN結(jié)結(jié)和和兩端引兩端引線線以及以及封裝封裝組成的。組成的。從外形上看，可以有從外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多種封裝。種封裝。圖圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號37/892.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工

35、作原理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妴蜗驅(qū)щ娦孕?正向?qū)ǎ赫驅(qū)ǎ篜N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，形成結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，形成自自P區(qū)流入從區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為區(qū)流出的電流，稱為正向電流正向電流IF。 反向截止：反向截止：當(dāng)當(dāng)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，PN結(jié)表現(xiàn)為結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過。，幾乎沒有電流流過。 反向擊穿：反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反結(jié)

36、反向偏置為截止的工作狀態(tài)。向偏置為截止的工作狀態(tài)。 按照機(jī)理不同有按照機(jī)理不同有雪崩擊穿雪崩擊穿和和齊納擊穿齊納擊穿兩種形式兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 否則否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿熱擊穿。 38/892.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 稱為稱為結(jié)電容結(jié)電容CJ，又稱為，又稱為微分電容微分電容 按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電

37、容CB和和擴(kuò)散電擴(kuò)散電容容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。向電壓較低時，勢壘電容為主。 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響結(jié)電容影響PN結(jié)的結(jié)的工作頻率工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作。態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳌?/p>

38、39/892.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向電壓大到一定值（正向電壓大到一定值（門檻電壓門檻電壓UTO ），正向電流才開始明顯增加，），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其即為其正向電壓降正向電壓降UF。 承受反向電壓時，只有承受反向電壓時，只有少子少子 引起引起的微小而數(shù)值恒定的的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流反向漏電流。IOIFUTOUFU圖圖2-5 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性40/892.2.2 電力二極管的基

39、本特性電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 a) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 動態(tài)特性動態(tài)特性 因為因為結(jié)電容結(jié)電容的導(dǎo)致電壓的導(dǎo)致電壓-電流隨時間變化，電流隨時間變化，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性開關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電

40、力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。伴隨有明顯的反向電壓過沖。 延遲時間延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系，或稱恢復(fù)系 數(shù)，數(shù)，用用Sr表示。表示。t0:正向正向電流降電流降為零的為零的時刻時刻t1:反向電反向電流達(dá)

41、最大流達(dá)最大值的時刻值的時刻t2:電流變電流變化率接近化率接近于零的時于零的時刻刻41/892.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個先出現(xiàn)一個過沖過沖UFP，經(jīng)過，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如降的某個值（如2V）。）。 正向恢復(fù)時間正向恢復(fù)時間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因出現(xiàn)電壓過沖的原因:電電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，少子需要一定的時間來儲存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流

42、的上升會因器件大；正向電流的上升會因器件自身的自身的電感電感而產(chǎn)生較大壓降。而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率電流上升率越大，越大，UFP越高。越高。 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 42/892.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工工頻正弦半波電流頻正弦半波電流的平均值。的平均值。 IF(A

43、V)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有有效值相等效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正向壓降正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正穩(wěn)態(tài)正向電流向電流時對應(yīng)的正向壓降。時對應(yīng)的正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 使用時，應(yīng)當(dāng)留有使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍兩倍的裕量。的裕量。 43/892.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主

44、要參數(shù)最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用結(jié)的平均溫度，用TJ表示。表示。 最高工作結(jié)溫是指在最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的所能承受的最高平均溫度最高平均溫度。 TJM通常在通常在125175 C范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間trr浪涌電流浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流工頻周期的過電流。44/892.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等

45、性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。的電力二極管。 普通二極管（普通二極管（General Purpose Diode） 又稱又稱整流二極管（整流二極管（Rectifier Diode），多，多用于開關(guān)頻率不高（用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。以下）的整流電路中。 其其反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間較長，一般在較長，一般在5 s以上以上 。 其其正向電流定額正向電流定額和和反向電壓定額反向電壓定額可以達(dá)到可以達(dá)到很高。很高。 45/892.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管（快恢復(fù)二極管（Fast

46、 Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過程恢復(fù)過程很短，特別是很短，特別是反向恢復(fù)過程反向恢復(fù)過程很短很短（一般在（一般在5 s以下）以下） 。 快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用，采用外延型外延型P-i-N結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ，其反向恢復(fù)時間更短（可低于，其反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns），），正向壓降也很低（正向壓降也很低（0.9V左右）。左右）。 從性能上可分為從性能上可分為快速恢復(fù)快速恢復(fù)和和超快速恢復(fù)超快速恢復(fù)兩個兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在

47、者則在100ns以下，甚至達(dá)到以下，甚至達(dá)到2030ns。46/892.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型肖特基二極管（肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 優(yōu)點：優(yōu)點：反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間很短（很短（1040ns），正向恢），正向恢復(fù)過程中不會有明顯的復(fù)過程中不會有明顯的電壓過沖電壓過沖；在反向耐壓較低；在反向耐壓較低的情況下其的情況下其正向壓降正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其管；因此，其開關(guān)損耗開關(guān)損耗和和正向?qū)〒p耗正向?qū)〒p耗都比快速二都比快速二極管還要小，效率高。極管還要小，效率高。 弱點：當(dāng)所能

48、承受的反向耐壓提高時其弱點：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的以下的低壓場合；低壓場合；反向漏電流反向漏電流較大且對較大且對溫度溫度敏感，因此敏感，因此反反向穩(wěn)態(tài)損耗向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。作溫度。47/892.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件48/

49、892.3 2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言晶閘管（晶閘管（Thyristor）是）是晶體閘流管晶體閘流管的簡稱，又稱作的簡稱，又稱作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡稱為可控硅。，以前被簡稱為可控硅。 1956年美國貝爾實驗室（年美國貝爾實驗室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，）發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司（年美國通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。年使其商業(yè)化。其承受的其承受的

50、電壓和電流容量電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高，而且工仍然是目前電力電子器件中最高，而且工作可靠，因此在作可靠，因此在大容量大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊晶閘管及模塊49/892.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來看，晶閘管從外形上來看，晶閘管也主要有也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 引出引出陽極陽極A、陰極陰極K和和門極（控制端）門極（控制端）G三個聯(lián)三個聯(lián)接端。接端。 內(nèi)部是內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。體結(jié)構(gòu)。 圖圖2-7 晶閘管

51、的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號 50/892.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，按照晶體管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分別是晶體管分別是晶體管V1和和V2的

52、共基極電流增益；的共基極電流增益；ICBO1和和ICBO2分別是分別是V1和和V2的共基極漏電流。的共基極漏電流。51/892.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。迅速增大。在晶體管在晶體管阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)

53、射極電流增大以致如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致 1+ 2趨近于趨近于1的話，流過晶閘管的電流的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）（陽極電流）將將趨近于趨近于無窮大無窮大，從而實現(xiàn)器件，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，由于外電路負(fù)載的限制，IA實際上會維持實際上會維持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)52/892.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成陽極電壓升高

54、至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結(jié)溫結(jié)溫較高較高 光觸發(fā)光觸發(fā)這些情況除了這些情況除了光觸發(fā)光觸發(fā)由于可以保證控制電路與由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐。只之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐。只有有門極觸發(fā)門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。是最精確、迅速而可靠的控制手段。 53/892.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 正常工作時的特性正常工作時的特性 當(dāng)晶閘管承受當(dāng)晶閘管承受反向電壓反向電壓時，不

55、論門極是否有觸發(fā)電時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通流，晶閘管都不會導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受當(dāng)晶閘管承受正向電壓正向電壓時，僅在時，僅在門極門極有有觸發(fā)電流觸發(fā)電流的的情況下晶閘管才能開通情況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一電流降到接近于零的某一數(shù)值以下數(shù)值以下。 54/8

56、92.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 正向特性正向特性 當(dāng)當(dāng)IG=0時，在器件兩端施加正時，在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)，只有很小的正向，只有很小的正向漏電流流過。漏電流流過。 如果正向電壓超過臨界極限即如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流，則漏電流急劇增大，器件急劇增大，器件開通開通 。 隨著隨著門極電流幅值門極電流幅值的增大，的增大，正正向轉(zhuǎn)折電壓向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本降低，晶閘管本身的壓降很小，在身的壓降很小，在1V左右。左右。 如果門極電流為零，并且陽極如果門極

57、電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)電流降至接近于零的某一數(shù)值值IH以下，則晶閘管又回到以下，則晶閘管又回到正正向阻斷向阻斷狀態(tài)，狀態(tài)，IH稱為稱為維持電流維持電流。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)正向轉(zhuǎn)折電壓折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+55/892.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性類似其伏安特性類似二極管二極管的的反向特性。反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的時，只有極小的反向漏電流反向

58、漏電流通通過。過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，當(dāng)反向電壓超過一定限度，到到反向擊穿電壓反向擊穿電壓后，外電路如后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折電壓電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+56/892.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性動態(tài)特性動態(tài)特性 開通過程開通過程 陽極電流的增長不可能是陽極電流的增長不可能是瞬瞬時：時：晶閘管內(nèi)部的晶閘管內(nèi)部的正反

59、饋過程正反饋過程需需要時間；要時間；外電路電感外電路電感的限制的限制 延遲時間延遲時間td (0.51.5 s) 上升時間上升時間tr (0.53 s) 開通時間開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨延遲時間隨門極電流門極電流的增大的增大而減小而減小,上升時間除反映晶閘管上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到本身特性外，還受到外電路電感外電路電感的嚴(yán)重影響。提高的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓陽極電壓,延延遲時間和上升時間都可顯著縮短。遲時間和上升時間都可顯著縮短。 圖圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO

60、0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%57/892.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性關(guān)斷過程關(guān)斷過程 由于由于外電路電感外電路電感的存在，原的存在，原處處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。在衰減時必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間trr 正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間tgr 關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq=trr+tgr 關(guān)斷時間約幾百微秒。關(guān)斷時間約幾百微秒。 在在正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果內(nèi)如果重重新對