第1章電力電子器件第二講

第1章、電力電子器件

1.1、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

1.4、可關(guān)斷晶閘管

1.5、電力晶體管

1.6、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

1.8、其它新型電力電子器件

1.9、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)表2.2.1部分電力二極管主要性能參數(shù)

1.3、晶閘管1.3.1晶閘管及其工作原理1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

1.3.3晶閘管的派生器件

第1章1.3晶閘管

晶閘管(Thyristor)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)和光控晶閘管等。由于普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛,因此在無特別說明的情況下,本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。普通晶閘管：也稱可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),簡(jiǎn)稱SCR。

由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域,成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。第1章1.3.1晶閘管及其工作原理

（1）外形封裝形式:可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上),分別由圖1.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。（2）晶閘管有三個(gè)電極,它們是陽極A,陰極K和門極(或稱柵極)G,它的電氣符號(hào)如圖1.3.1(e)所示。圖1.3.1晶閘管的外型及符號(hào)1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：第1章1.3.1晶閘管及其工作原理第1章1、晶閘管的結(jié)構(gòu)（續(xù)）晶閘管是大功率器件,工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上,采用自然散熱冷卻方式,如圖1.3.2(a)所示。平板式晶閘管由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊夾在中間,散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷,以獲得較好的散熱效果,如圖1.3.2(b)、(c)所示。圖1.3.2晶閘管的散熱器第1章2、晶閘管的工作原理圖1.3.3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路(1)導(dǎo)通：晶閘管陽極施加正向電壓時(shí),若給門極G也加正向電壓Ug,門極電流Ig經(jīng)三極管T2放大后成為集電極電流Ic2，Ic2又是三極管T1的基極電流,放大后的集電極電流Ic1進(jìn)一步使Ig增大且又作為T2的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋過程，兩個(gè)三極管T1、T2都快速進(jìn)入飽和狀態(tài),使晶閘管陽極A與陰極K之間導(dǎo)通。此時(shí)若撤除Ug,T1、T2內(nèi)部電流仍維持原來的方向,只要滿足陽極正偏的條件,晶閘管就一直導(dǎo)通。晶閘管(單向?qū)щ娦?,導(dǎo)通條件為陽極正偏和門極加正向觸發(fā)電流。第1章2、晶閘管的工作原理第1章(2）阻斷：當(dāng)晶閘管A、K間承受正向電壓，而門極電流Ig=0時(shí),上述T1和T2之間的正反饋不能建立起來,晶閘管A、K間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻斷狀態(tài)。2、晶閘管的工作原理續(xù))圖1.3.3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路第1章1.3、晶閘管1.3.1晶閘管及其工作原理1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

1.3.3晶閘管的派生器件

第1章1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)定義：晶閘管陽極與陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。圖1.3.4晶閘管陽極伏安特性

UDRM、URRM──正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓；UDSM、URSM──正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；UBO──正向轉(zhuǎn)折電壓；URO──反向擊穿電壓。１.晶閘管的伏安特性：第1章１.晶閘管的伏安特性（續(xù)）：

晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1.3.4晶閘管陽極伏安特性（1）晶閘管的反向特性：第1章１.晶閘管的伏安特性（續(xù)）：IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。圖1.3.4晶閘管陽極伏安特性（2）晶閘管的正向特性：第1章2.晶閘管的開關(guān)特性晶閘管的開通和關(guān)斷過程電壓和電流波形。1.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第1章延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開通時(shí)間tgt：以上兩者之和，tgt=td+tr

普通晶閘管延遲時(shí)為0.5∽1.5μs，上升時(shí)間為0.5∽3μs。2.晶閘管的開關(guān)特性（續(xù)）1.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

(1)開通過程：第1章正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?。?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即

tq

=trr+tgr2.晶閘管的開關(guān)特性（續(xù)）1.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

(2)關(guān)斷過程普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間第1章（3）晶閘管的開通與關(guān)斷時(shí)間1）開通時(shí)間tgt：普通晶閘管的開通時(shí)間tgt

約為6μs。開通時(shí)間與觸發(fā)脈沖的陡度與電壓大小、結(jié)溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。2）關(guān)斷時(shí)間tq

：普通晶閘管的tq

約為幾十到幾百微秒。關(guān)斷時(shí)間與元件結(jié)溫

、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。第1章3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM:

門極斷開(Ig=0),元件處在額定結(jié)溫時(shí),正向陽極電壓為正向阻斷不重復(fù)峰值電壓UDSM(此電壓不可連續(xù)施加)的80%所對(duì)應(yīng)的電壓(此電壓可重復(fù)施加,其重復(fù)頻率為50HZ，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms)。2）反向重復(fù)峰值電壓URRM:

元件承受反向電壓時(shí),陽極電壓為反向不重復(fù)峰值電壓URsM的80%所對(duì)應(yīng)的電壓。3）晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓通常取UDRM與URRM中的最小值,選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2～3倍。（1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓─額定電壓Ute第1章（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流─額定電流IT(AV)

在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以1.5～2的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。1）定義：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻條件下,晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170°的單相工頻正弦半波電路中,當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。第1章3.晶閘管的主要特性參數(shù)

這說明額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，其額定有效值為IT=KfIT(AV)=157A。2）IT(AV)計(jì)算方法：（1.3.3）（1.3.4）（1.3.5）（1.3.6）

根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電流。額定電流有效值為：

現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的波形系數(shù)，用Kf表示：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：額定電流(平均電流)為：第1章正弦半波電流的峰值3.晶閘管的主要特性參數(shù)（3）門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT

1）定義：在室溫下，晶閘管加6V正向陽極電壓時(shí)，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。

2）晶閘管由于門極特性的差異，其觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓也相差很大。所以對(duì)不同系列的元件只規(guī)定了觸發(fā)電流、電壓的上、下限值。

3）晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫下的實(shí)測(cè)值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響很大，溫度升高，UGT

、IGT

值會(huì)顯著降低，溫度降低，UGT

、IGT

值又會(huì)增大。為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，外加門極電壓的幅值應(yīng)比UGT

大幾倍。第1章3.晶閘管的主要特性參數(shù)（4）通態(tài)平均電壓UT(AV)1）定義：在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，

元件通以正弦半波額定電流時(shí)，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降)2）其數(shù)值按表1.3.3分組．在實(shí)際使用中，從減小損耗和元件發(fā)熱來看，應(yīng)選擇ＵT(AV)

小的晶閘管。組別ABC通態(tài)平均電壓（V）ＵT≤0.40.4＜ＵT≤0.50.5＜ＵT≤0.6組別DEF通態(tài)平均電壓（V）0.6＜ＵT≤0.70.7＜ＵT≤0.80.8＜ＵT≤0.9組別GHI通態(tài)平均電壓（V）0.9＜ＵT≤1.01.0＜ＵT≤1.11.1＜ＵT≤1.2表1.3.3晶閘管通態(tài)平均電壓分組第1章3.晶閘管的主要特性參數(shù)（5）維持電流ＩＨ

和掣住電流ＩL1）維持電流ＩＨ：在室溫下門極斷開時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽極電流為維持電流ＩH。維持電流與元件容量

、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型號(hào)的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下IH

的實(shí)測(cè)值。2）掣住電流ＩL：給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱掣住電流ＩL。對(duì)同一晶閘管來說，掣住電流ＩL

要比維持電流ＩH

大2~4倍。

第1章3.晶閘管的主要特性參數(shù)（6）通態(tài)電流臨界上升率

di/dt

1、定義：晶閘管能承受而沒有損害影響的最大通態(tài)電流上升率稱通態(tài)電流臨界上升率

di/dt。2、影響：門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到PN結(jié)的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會(huì)導(dǎo)致門極附近的ＰＮ結(jié)因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率。第1章3.晶閘管的主要特性參數(shù)（7）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

1）定義：把在規(guī)定條件下，不導(dǎo)致晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大陽極電壓上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。

2）影響：晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個(gè)電容，若突然加一正向陽極電壓，便會(huì)有一個(gè)充電電流流過結(jié)面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的ＰＮ結(jié)時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，如果這個(gè)電流過大，將會(huì)使元件誤觸發(fā)導(dǎo)通。

第1章3.晶閘管的主要特性參數(shù)1.3、晶閘管1.3.1晶閘管及其工作原理1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

1.3.3晶閘管的派生器件

第1章1.3.3晶閘管的派生器件

可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(FastSwitchingThyristor，簡(jiǎn)稱FST)，開關(guān)頻率在10KHZ

以上的稱為高頻晶閘管?？焖倬чl管為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在2000V以下?？焖倬чl管du/dt的耐量較差，使用時(shí)必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開關(guān)頻率下的du/dt，當(dāng)開關(guān)頻率升高時(shí)，du/dt

耐量會(huì)下降。1.快速晶閘管(FastSwitchingThyristor—FST第1章

可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。

正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。通常用在交流電路