第二章電力電子器件

1、v2.1 、 電力電子器件的基本模型電力電子器件的基本模型 v2.2 、電力二極管、電力二極管 v2.3 、晶閘管、晶閘管v2.4 、可關(guān)斷晶閘管、可關(guān)斷晶閘管 v2.5 、 電力晶體管電力晶體管 v2.6 、電力場效應(yīng)晶體管、電力場效應(yīng)晶體管 v2.7 、 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v2.8 、其它新型電力電子器件、其它新型電力電子器件v2.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù) 電力半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用電力半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)的發(fā)展取決于電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)的發(fā)展取決于電力電子器件的研制與應(yīng)用。電子器件的

2、研制與應(yīng)用。 定義：定義：電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和控電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的半導(dǎo)體電子器件稱為電力電子器件制的半導(dǎo)體電子器件稱為電力電子器件（Power Electronic Device）。）。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和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，本書涉及的器件都是指半導(dǎo)半導(dǎo)體器件兩類，本書涉及的器件都是指半導(dǎo)體電力電子器件。體電力電子器件。l 在對電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽在對電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽象成下圖象成下圖2.1.12.1.1所示的理想開關(guān)模型，它有三個電極，其中所示的理想開關(guān)模型，它有三

3、個電極，其中A和和B代表開關(guān)的兩個主電極，代表開關(guān)的兩個主電極，K是控制開關(guān)通斷的控制極。是控制開關(guān)通斷的控制極。它只工作在它只工作在“通態(tài)通態(tài)”和和“斷態(tài)斷態(tài)”兩種情況，在通態(tài)時其電兩種情況，在通態(tài)時其電阻為零，斷態(tài)時其電阻無窮大。阻為零，斷態(tài)時其電阻無窮大。 圖圖2.1.1 電力電子器件的理想開關(guān)模型電力電子器件的理想開關(guān)模型l一、基本模型：一、基本模型：l二、基本特性：二、基本特性：（1）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。（2）電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)由（驅(qū)動電）電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)由（驅(qū)動電路）外電路來控制。路）外電路來控制。（3）在工作中器件的功率

4、損耗（通態(tài)、斷）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開關(guān)損耗）很大。為保證不至因損耗態(tài)、開關(guān)損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，在散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，在其工作時一般都要安裝散熱器。其工作時一般都要安裝散熱器。一、按器件的開關(guān)控制特性可以分為以下三類：一、按器件的開關(guān)控制特性可以分為以下三類： 不可控器件：不可控器件：器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而需要器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。 如：電力二極管（如：電力二極管（Power Diode）

5、；）；半控型器件：半控型器件：通過控制信號只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)通過控制信號只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱為半控型器件。斷的電力電子器件稱為半控型器件。 如：晶閘管（如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等；）及其大部分派生器件等；全控型器件：全控型器件：通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷的器件，稱為全控型器件。的器件，稱為全控型器件。 如：門極可關(guān)斷晶閘管（如：門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、）、 功率場效應(yīng)管（功率場效應(yīng)管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型）和絕緣柵

6、雙極型 晶體管（晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。）等。 電流控制型器電流控制型器件：件： 此類器件采用此類器件采用電流信號來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電流信號來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。通或關(guān)斷控制。 如：晶閘管、門極如：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、功可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、率晶體管、IGCT等；等； 電壓控制半導(dǎo)體器件：電壓控制半導(dǎo)體器件： 這類器件采用電壓控制這類器件采用電壓控制（場控原理控制）它的通、（場控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號，用小功率過控制電流信號，用小功率信號就可驅(qū)動它工作。信號就可驅(qū)動它工作。 如：代

7、表性器件為如：代表性器件為 MOSFET管和管和IGBT管。管。器件種類器件種類開關(guān)開關(guān)功能功能器件特性概略器件特性概略應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域電力電力二極管二極管不可不可控控5kV/3kA400Hz5kV/3kA400Hz各種整流裝置各種整流裝置晶閘管晶閘管可控可控導(dǎo)通導(dǎo)通6kV/6kA400Hz6kV/6kA400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR煉鋼廠、軋鋼機(jī)、直流輸電、煉鋼廠、軋鋼機(jī)、直流輸電、電解用整流器電解用整流器可關(guān)斷可關(guān)斷晶閘管晶閘管自關(guān)自關(guān)斷型斷型6kV/6kA500Hz工業(yè)逆變器、電力機(jī)車用逆變工業(yè)逆變器、電力機(jī)車用逆變器、無功補(bǔ)償器器、無功補(bǔ)償器MOSF

8、ETMOSFET600V/70A100kHz開關(guān)電源、小功率開關(guān)電源、小功率UPSUPS、小功、小功率逆變器率逆變器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各種整流各種整流/ /逆變器（逆變器（UPSUPS、變頻、變頻器、家電）、電力機(jī)車用逆變器、家電）、電力機(jī)車用逆變器、中壓變頻器器、中壓變頻器v2.1 、電力電子器件的基本模型、電力電子器件的基本模型 v2.2 、電力二極管電力二極管 v2.3 、晶閘管晶閘管v2.4 、可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v2.5 、 電力晶體管電力晶體管 v2.6 、電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 v2.7 、 絕

9、緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v2.8 、其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件v2.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)l2.2.1 電力二極管及其工作原理電力二極管及其工作原理l2.2.2 電力二極管的特性與參數(shù)電力二極管的特性與參數(shù) 一、電力二極管一、電力二極管： 1 1、電力二極管（、電力二極管（Power Diode）也稱為半導(dǎo)）也稱為半導(dǎo)體整流器（體整流器（Semiconductor Rectifier，簡稱，簡稱SR），屬不可控電力電子器件，是），屬不可控電力電子器件，是20世紀(jì)最早世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力電子器件。獲得應(yīng)用的電力電子器件。 2 2、在中

10、、高頻整流和逆變以及低壓高頻整、在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合發(fā)揮著積極的作用流的場合發(fā)揮著積極的作用, 具有不可替代的具有不可替代的地位。地位。 基本結(jié)構(gòu)和工作、原理與信息電子電路中的二極管一樣?；窘Y(jié)構(gòu)和工作、原理與信息電子電路中的二極管一樣。以半導(dǎo)體以半導(dǎo)體PNPN結(jié)結(jié)為基礎(chǔ)。為基礎(chǔ)。由一個面積較大的由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成。結(jié)和兩端引線以及封裝組成。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。 圖圖2.2.1電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符 a）結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu) b）外形）外形 c）電氣圖形）

11、電氣圖形N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)結(jié): 內(nèi)電場內(nèi)電場:空間電荷建立的電場空間電荷建立的電場,也稱也稱自建電場自建電場，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動，即向本區(qū)運(yùn)動，即漂移運(yùn)動漂移運(yùn)動?？臻g電荷空間電荷:交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任

12、意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、帶正、負(fù)電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負(fù)電荷稱為負(fù)電荷稱為空間電荷。空間電荷?？臻g電荷區(qū)空間電荷區(qū):擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷電荷量擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)勢壘區(qū)。-。

13、-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空 間 電 荷 區(qū)P 型 區(qū)N 型 區(qū)內(nèi) 電 場PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)：結(jié)的正向?qū)顟B(tài)： 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大結(jié)在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正左右，所以正向偏置的向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)：結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)： PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。結(jié)的單向?qū)щ娦浴?二極管的基本原理就在于二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單結(jié)的單 向?qū)щ娦赃@一主要特征。向?qū)щ娦赃@一主要特征。PN結(jié)的反向擊穿：結(jié)的反向擊穿： 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩

14、種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。PN結(jié)的電容效應(yīng)：結(jié)的電容效應(yīng)：l PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。，又稱為微分電容。l 結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電容CD 。l圖圖2.2.2 電力二極管的伏安特性曲線電力二極管的伏安特性曲線勢壘電容勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用。外加電壓頻率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。勢壘電容的大小與越高，勢壘電容作用越明

15、顯。勢壘電容的大小與PN結(jié)結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當(dāng)正僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴(kuò)散向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容結(jié)電容影響影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀結(jié)的工作頻率，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，?yīng)用態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時應(yīng)加以注意。時應(yīng)加以注意。l2.2.1 電力二極管及其工作原理電力二極管及其工

16、作原理l2.2.2 電力二極管的特性與參數(shù)電力二極管的特性與參數(shù) l1、電力二極管的伏安特性、電力二極管的伏安特性l2、電力二極管的開關(guān)特性、電力二極管的開關(guān)特性l3、電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) 當(dāng)電力二極管承受的當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（正向電壓大到一定值（門門檻電壓檻電壓UTO），正向電流才），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對對應(yīng)的電力二極管兩端的電應(yīng)的電力二極管兩端的電壓壓UF即為其正向電壓降。即為其正向電壓降。 當(dāng)電力二極管承受反向當(dāng)電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的電壓時，只有少子引起

17、的微小而數(shù)值恒定的反向漏微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電流。l圖圖2.2.2 電力二極管的電力二極管的l伏安特性曲線伏安特性曲線 特性曲線特性曲線:l1、電力二極管的伏安特性、電力二極管的伏安特性l2、電力二極管的開關(guān)特性、電力二極管的開關(guān)特性l3 、電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) （1 1）關(guān)斷特性）關(guān)斷特性：電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)過程。態(tài)過程。v 須經(jīng)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)铐毥?jīng)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)。態(tài)。v 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的

18、反向電壓過在關(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。沖。定義：定義：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程（反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程（關(guān)斷過程、開通過程關(guān)斷過程、開通過程）。）。圖圖2.2.3 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖U UFPFP，經(jīng)過一段時間才趨于，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間時間t tfrfr。v 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時間來儲存大量少子，達(dá)

19、到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時間來儲存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。通前管壓降較大。v 正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，率越大，U UFPFP越高越高 。（2 2）開通特性）開通特性： 電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過程。電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過程。圖圖2.2.3 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形l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- t1l反向恢復(fù)時間：反向恢復(fù)時間：trr= td+ t

20、fl恢復(fù)特性的軟度：恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值下降時間與延遲時間的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用或稱恢復(fù)系數(shù)，用sr表示。表示。圖圖2.2.3 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形（1 1）普通二極管）普通二極管：普通二極管又稱整流管（普通二極管又稱整流管（Rectifier Diode），），多用于開關(guān)頻率在多用于開關(guān)頻率在KHZ以下的整流電路中，以下的整流電路中，其反向恢復(fù)時間在其反向恢復(fù)時間在usus以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，額定以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。電壓達(dá)數(shù)千伏以上。 （2 2）快恢復(fù)二極管：）快恢復(fù)二極管：反向恢

21、復(fù)時間在反向恢復(fù)時間在usus以下的稱為快恢復(fù)以下的稱為快恢復(fù)二極管（二極管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode簡稱簡稱FDRFDR）?？旎謴?fù)二極）?？旎謴?fù)二極管從性能上可分為管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管。前者。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒以上，后者則在反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒以上，后者則在100ns100ns以下，其以下，其容量可達(dá)容量可達(dá)1200V/200A1200V/200A的水平的水平, , 多用于高頻整流和逆變電多用于高頻整流和逆變電路中路中。 （3 3）肖特基二極管：）肖特基二極管：肖特基二極管是一種金屬

22、同半導(dǎo)體相接肖特基二極管是一種金屬同半導(dǎo)體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為觸形成整流特性的單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為0.40.40.6V0.6V，而且它的反向恢復(fù)時間短，為幾十納秒。但，而且它的反向恢復(fù)時間短，為幾十納秒。但反向耐壓在反向耐壓在200200以下。以下。它常被用于高頻低壓開關(guān)電路或它常被用于高頻低壓開關(guān)電路或高頻低壓整流電路中高頻低壓整流電路中。電力二極管的主要類型：電力二極管的主要類型：l1、電力二極管的伏安特性、電力二極管的伏安特性l2、電力二極管的開關(guān)特性、電力二極管的開關(guān)特性l3、電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)額定正向平均電流額定正向平

23、均電流在指定的管殼溫（簡稱殼溫，用在指定的管殼溫（簡稱殼溫，用TC表示）表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。設(shè)該正弦半波電流的峰值為設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im, 則額定電流則額定電流(平均電流平均電流)為為: : 0)(sin21mmAVFIttdII（2.2.52.2.5）（2.2.42.2.4）（2.2.62.2.6）（2.2.72.2.7）2)sin(2102mmFItdtII 電流平均值電流平均值電流有效值電流有效值 fK57. 12)( AVFFfIIK可求出正弦半波電流的波形系數(shù)可求出正弦半波電流的

24、波形系數(shù): : 定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的波形系數(shù)，用波形系數(shù)，用K Kf f表示：表示：額定電流有效值為額定電流有效值為: :（1）額定正向平均電流）額定正向平均電流IF(AV) 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取的，因此使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有電流定額，并應(yīng)留有1.52倍倍的的裕量裕量。 當(dāng)用在頻率較高的場合時，當(dāng)用在頻率較高的場合時，開關(guān)損耗開關(guān)損耗造成的造成的發(fā)熱往往不能忽略。發(fā)熱往往不能忽略。 當(dāng)采用反向

25、漏電流較大的電力二極管時，其當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 。l 指器件中結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的指器件中結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。最高平均溫度。jMjM通常在通常在125125175175范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 （2 2）反向重復(fù)峰值電壓）反向重復(fù)峰值電壓RRMRRM： 指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）此電壓通常為擊穿電壓此電壓通常為擊穿電壓U U的的2/32/3。l（3 3） 正向壓降正向壓降F F： 指規(guī)定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時，器件兩端指規(guī)

26、定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時，器件兩端的正向平均電壓的正向平均電壓( (又稱管壓降又稱管壓降) )。（4 4） 反向漏電流反向漏電流RRRR：指器件對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時的反向電流。指器件對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時的反向電流。 （5）最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫jM：v 2.1 、 電力電子器件的基本模型電力電子器件的基本模型 v 2.2 、 電力二極管電力二極管 v 2.3 、 晶閘管晶閘管v 2.4 、 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v 2.5 、 電力晶體管電力晶體管 v 2.6 、 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 v 2.7 、 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v 2.8 、 其它新

27、型電力電子器件其它新型電力電子器件 v 2.9 、 電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)l2.3.1 晶閘管及其工作原理晶閘管及其工作原理l2.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù)晶閘管的特性與主要參數(shù) l2.3.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 晶閘管晶閘管(Thirsted)包括：包括：普通晶閘管普通晶閘管(SCR)、快速晶、快速晶閘管閘管(FST)、雙向晶閘管、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管(RCT) 、可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。和光控晶閘管等。 由于普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛由于普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛, 因此在無特別因此

28、在無特別說明的情況下說明的情況下,本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。 普通晶閘管：普通晶閘管：也稱可控硅整流管也稱可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 簡稱簡稱SCR。 由于它電流容量大由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域, 成為特大功率成為特大功率低頻低頻(200Hz以下以下)裝置中的主要器件。裝置中的主要器件。l （1 1）外形封

29、裝形式）外形封裝形式: :可分為小電流塑封式、小電流螺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旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在額定電流在200A以以上上), 分別由圖分別由圖2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。所示。l （2 2）晶閘管有）晶閘管有三個電極三個電極, 它們是陽極它們是陽極A, 陰極陰極K和門極和門極(或稱柵極或稱柵極)G, 它的電氣符號如圖它的電氣符號如圖2.3.1(e)所示。所示。 l圖圖2.3.1 2.3.1 晶閘管的外型及符號晶閘管的外型及符號1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：晶閘管的結(jié)構(gòu)：晶閘管是大功率器件晶閘管是大功率器件, 工作時產(chǎn)生大量的

30、熱，因此必須安裝工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。散熱器。螺旋式晶閘管螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上緊栓在鋁制散熱器上, 采用自然散熱冷卻方式采用自然散熱冷卻方式, 如圖如圖2.3.2(a)所示。所示。平板式晶閘管平板式晶閘管由兩個彼此絕緣的散熱器緊夾在中間由兩個彼此絕緣的散熱器緊夾在中間, 散熱方散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷式可以采用風(fēng)冷或水冷, 以獲得較好的散熱效果以獲得較好的散熱效果,如圖如圖2.3.2 (b)、(c)所示。所示。圖圖2.3.2 2.3.2 晶閘管的散熱器晶閘管的散熱器圖圖2.3.3 2.3.3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路 1 1）導(dǎo)通：）導(dǎo)

31、通：晶閘管陽極施加正向電壓時晶閘管陽極施加正向電壓時, , 若給門極若給門極G G也也加正向電壓加正向電壓U Ug g, ,門極電流門極電流I Ig g經(jīng)三極管經(jīng)三極管T T2 2放大后成為集電極電流放大后成為集電極電流I Ic2c2，I Ic2c2又是三極管又是三極管T T1 1的基極電流的基極電流, , 放大后的集電極電流放大后的集電極電流I Ic1c1進(jìn)進(jìn)一步使一步使IgIg增大且又作為增大且又作為T T2 2的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋過程過程，兩個三極管兩個三極管T T1 1、T T2 2都快速進(jìn)入飽和狀態(tài)都快速進(jìn)入飽和狀態(tài), ,使晶閘管陽極使晶閘管陽

32、極A A與陰極與陰極K K之間導(dǎo)通。此時若撤除之間導(dǎo)通。此時若撤除Ug, TUg, T1 1、T T2 2內(nèi)部電流仍維持內(nèi)部電流仍維持原來的方向原來的方向, ,只要滿足陽極正偏的條件只要滿足陽極正偏的條件, ,晶閘管就一直晶閘管就一直導(dǎo)通導(dǎo)通。晶閘管晶閘管( (單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?,),導(dǎo)通條件為導(dǎo)通條件為陽極正偏陽極正偏和和門極正偏門極正偏。2 2）阻斷：）阻斷：當(dāng)晶閘管當(dāng)晶閘管A A 、K K間承受正向電壓，而門極間承受正向電壓，而門極電流電流I Ig g=0=0時時, , 上述上述T T1 1和和T T2 2之間的正反饋不能建立起來之間的正反饋不能建立起來, ,晶閘管晶閘管A A 、K

33、 K間只有很小的正向漏電流，它處于正向間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻阻斷斷狀態(tài)。狀態(tài)。 圖圖2.3.3 2.3.3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路l2.3.1 晶閘管及其工作原理晶閘管及其工作原理l2.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù)晶閘管的特性與主要參數(shù) l2.3.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 定義：定義：晶閘管陽極與陰極之間的電晶閘管陽極與陰極之間的電壓壓Ua與陽極電流與陽極電流Ia的關(guān)系曲線稱的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。為晶閘管的伏安特性。第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第三象、第三象限是限是反向特性反向特性。l圖圖2.3.4 晶閘管陽極伏安特

34、性晶閘管陽極伏安特性 UDRM、URRM正、反向斷正、反向斷 態(tài)重復(fù)峰值電壓；態(tài)重復(fù)峰值電壓；UDSM、URSM正、反向斷態(tài)正、反向斷態(tài) 不重復(fù)峰值電壓；不重復(fù)峰值電壓；UBO正向轉(zhuǎn)折電壓；正向轉(zhuǎn)折電壓；URO反向擊穿電壓。反向擊穿電壓。. 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 ： 晶閘管上施加反向電壓時，晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。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，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。只有極小的反相漏電流流過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無到反向擊穿電壓后，外電路如無

35、限制措施，則反向漏電流急劇增限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖圖2.3.4 晶閘管陽極伏安特性晶閘管陽極伏安特性（1 1）晶閘管的反向特性：）晶閘管的反向特性：IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正時，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流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則則漏電流漏電流急劇增大，器急劇增大，器件開通。件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向?qū)ê蟮?/p>

36、晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且導(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)。以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為稱為維持電流維持電流。圖圖2.3.4 晶閘管陽極伏安特性晶閘管陽極伏安特性（2 2）晶閘管的正向特性：）晶閘管的正向特性：晶閘管的開通和關(guān)斷過程電壓和電流波形。晶閘管的開通和關(guān)斷過程電壓和電流波形。l 2.3.5 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形延遲時間延遲時間t t

37、d d：門極電流門極電流階躍時刻開始，到陽極階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%10%的時間。的時間。上升時間上升時間t tr r：陽極電流陽極電流從從10%10%上升到穩(wěn)態(tài)值的上升到穩(wěn)態(tài)值的90%90%所需的時間。所需的時間。開通時間開通時間t tgtgt：以上兩者以上兩者之和，之和，t tgtgt=t=td d+t+tr r 普通普通晶閘管延遲時為晶閘管延遲時為0.510.51.5.5s s，上升時間為上升時間為0.50.53 3s s。l2.3.5 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 l1) 1) 開通過程：開通過程：正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢

38、復(fù)時間t tgrgr：晶閘管要晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間需要一段時間v在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?。閘管會重新正向?qū)?。v實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。阻斷能力，電路才能可靠工作。關(guān)斷時間關(guān)斷時間t tq q：t trrrr與與t tgrgr之和，即之和，即 t tq q =t=trrrr+ +t t

39、grgrl2.3.5 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 l2) 2) 關(guān)斷過程關(guān)斷過程（1-7)1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。 反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間t trrrr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間接近于零的時間v1 1）開通時間）開通時間tgt：o普通晶閘管的開通時間普通晶閘管的開通時間tgt 約為約為6s。o開通時間與觸發(fā)脈沖的陡度與電壓大小、結(jié)開通時間與觸發(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)。溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。v2）關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq

40、：o普通晶閘管的普通晶閘管的tq 約為幾十到幾百微秒。約為幾十到幾百微秒。o關(guān)斷時間與元件結(jié)溫關(guān)斷時間與元件結(jié)溫 、關(guān)斷前陽極電流的大、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。小以及所加反壓的大小有關(guān)。1 1）正向重復(fù)峰值電壓）正向重復(fù)峰值電壓UDRM : : 門極斷開門極斷開(I(Ig g=0), =0), 元件處在額定結(jié)溫時元件處在額定結(jié)溫時, ,正向陽極電正向陽極電壓為正向阻斷不重復(fù)峰值電壓壓為正向阻斷不重復(fù)峰值電壓U UDSMDSM ( (此電壓不可連續(xù)施此電壓不可連續(xù)施加加) )的的80%80%所對應(yīng)的電壓所對應(yīng)的電壓( (此電壓可重復(fù)施加此電壓可重復(fù)施加, ,其重復(fù)頻其重復(fù)頻率

41、為率為50HZ50HZ，每次持續(xù)時間不大于，每次持續(xù)時間不大于10ms)10ms)。2 2）反向重復(fù)峰值電壓）反向重復(fù)峰值電壓URRM : : 元件承受反向電壓時元件承受反向電壓時, ,陽極電壓為反向不重復(fù)峰值電陽極電壓為反向不重復(fù)峰值電壓壓URRM的的80%80%所對應(yīng)的電壓。所對應(yīng)的電壓。 3 3）晶閘管銘牌標(biāo)注的晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓額定電壓通常取通常取U UDRMDRM與與U URRMRRM中的最小中的最小值值, , 選用時，額定電壓要留有一定裕量選用時，額定電壓要留有一定裕量, ,一般取額定電一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2 23

42、3倍。倍。（1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓）晶閘管的重復(fù)峰值電壓額定電壓額定電壓Ute在選用晶閘管額定電流時，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算在選用晶閘管額定電流時，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以后至少還要乘以1.51.52 2的安全系數(shù)，使其有一定的電的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。流裕量。1 1）定義：）定義：在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下和規(guī)定的冷卻條件下, 晶晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170的單相工頻正弦的單相工頻正弦半波電路中半波電路中, 當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時所允許的當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時所允許的最大通態(tài)平均電流。最大通態(tài)平均電流

43、。 這說明額定電流這說明額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，其額定有效值為的晶閘管，其額定有效值為IT = Kf IT(AV) = 157A。 0)(sin21mmAVTIttdII2)sin(2102mmTItdtII 電電流流平平均均值值電電流流有有效效值值 fK57. 12)( AVTTfIIK（2.3.32.3.3）（2.3.42.3.4）（2.3.52.3.5）（2.3.42.3.4） 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的允許最大平均電流。設(shè)該正弦半波電流的峰值為頻正弦波電流時的允許最大平

44、均電流。設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im, 則額定電流則額定電流(平均電流平均電流)為：為：額定電流有效值為：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電流波形的波現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的波形系數(shù)，用形系數(shù)，用Kf表示：表示：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)： 1 1）定義：定義：在室溫下，晶閘管加在室溫下，晶閘管加6V正向陽極電壓正向陽極電壓時，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為時，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)電流門極觸發(fā)電流IGT。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流

45、的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。 2 2）晶閘管由于）晶閘管由于門極特性門極特性的差異，其觸發(fā)電流、觸的差異，其觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓也相差很大。所以對不同系列的元件只規(guī)定發(fā)電壓也相差很大。所以對不同系列的元件只規(guī)定了觸發(fā)電流、電壓的上、下限值。了觸發(fā)電流、電壓的上、下限值。 3 3）晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在）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)測值，但觸發(fā)電流、電壓受常溫下的實(shí)測值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響溫度的影響很大，溫度升高，很大，溫度升高，UGT 、IGT 值會顯著降低，溫度降值會顯著降低，溫度降低，低，UGT 、IGT 值又會增大。值

46、又會增大。為了保證晶閘管的可靠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。大幾倍。 1 1）定義：）定義：在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下， 元件通以元件通以正弦半波額定電流時，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱正弦半波額定電流時，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓通態(tài)平均電壓(又稱管壓降又稱管壓降) 2 2）其數(shù)值按表）其數(shù)值按表2.3.3分組分組在實(shí)際使用中，從減小損耗和在實(shí)際使用中，從減小損耗和元件發(fā)熱來看，應(yīng)選擇元件發(fā)熱來看，應(yīng)選擇T(AV) 小的晶閘管小的晶閘管。組組 別別A

47、BC通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V） T0.40.4T0.50.5T0.6組組 別別DEF通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V） 0.6T0.70.7T0.80.8T0.9組組 別別GHI通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V） 0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表表2.3.3 2.3.3 晶閘管通態(tài)平均電壓分組晶閘管通態(tài)平均電壓分組l1 1）維持電流）維持電流：v在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降至剛在室溫下門極斷開時，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好能保持導(dǎo)通的最小陽極電流為維持電流H 。v維持電流與元件容量維持電流與元件容量 、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型號的

48、、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型號的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下明了常溫下IH 的實(shí)測值。的實(shí)測值。l2 2）掣住電流）掣住電流L ：v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)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，此時元件維持導(dǎo)通所需為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱掣住電流要的最小陽極電流稱掣住電流L。v對同一晶閘管來說，掣住電流對同一晶閘管來說，掣住電流L 要比維持電流要比維持電流H 大大24倍。倍。 1 1、定義：、定義：晶閘管能承受而沒有損害影響的最大

49、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)電流臨界上升率通態(tài)電流上升率稱通態(tài)電流臨界上升率 di/dt。2 2、影響：、影響：門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開始只門極流入觸發(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，隨著時間在靠近門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到PN結(jié)的全部面結(jié)的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會導(dǎo)致門積。如果陽極電流上升得太快，則會導(dǎo)致門極附近的結(jié)因電流密度過大而燒毀，使極附近的結(jié)因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。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。晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率

50、。l1 1）定義：）定義：把在規(guī)定條件下，不導(dǎo)致晶閘管把在規(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)電壓臨界上升率升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。 l2 2）影響：）影響：晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個電容，若突然加一正向陽極電壓，于一個電容，若突然加一正向陽極電壓，便會有一個充電電流流過結(jié)面，該充電電便會有一個充電電流流過結(jié)面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的結(jié)時，產(chǎn)生相當(dāng)于流流經(jīng)靠近陰極的結(jié)時，產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，如果這個電流過大，將觸發(fā)電流的作用，如果這個電流過大，將會使元件會使元件

51、誤觸發(fā)導(dǎo)通誤觸發(fā)導(dǎo)通。 l2.3.1 晶閘管及其工作原理晶閘管及其工作原理l2.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù)晶閘管的特性與主要參數(shù) l2.3.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 可允許開關(guān)頻率在可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱以上工作的晶閘管稱為為快速晶閘管快速晶閘管(Fast Switching Thyrister，簡稱，簡稱FST)，開關(guān)頻率在，開關(guān)頻率在10KHZ 以上的稱為以上的稱為高頻晶閘高頻晶閘管管。 快速晶閘管為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做快速晶閘管為了提高開關(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)得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電

52、壓較低，一般在峰值電壓較低，一般在2000V以下。以下。 快速晶閘管快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時必須注的耐量較差，使用時必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開關(guān)頻率下的意產(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，當(dāng)開關(guān)頻率升高時，du/dt 耐量會下降。耐量會下降。1. 快速晶閘管快速晶閘管(Fast Switching ThyristerFSTFSTl 可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。通晶閘管的集成。 有兩個主電極有兩個主電極T1和和T2，一個門，一個門極極G。 正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第

53、以雙向晶閘管在第和第III象象限有對稱的伏安特性。限有對稱的伏安特性。 與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡單，在交流濟(jì)的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（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。和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。 通常用在交流電路中，因此不通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額用平均值而用有效值來表示其額定電流值。定電流值。a)b)IOUIG=0GT1T2圖圖2.3.6 2.3.6 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安

54、特性2. 雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC)(TRIAC) 1)將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。作在同一管芯上的功率集成器件。 2)與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘管具有正壓降小、關(guān)斷時間短、管具有正壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)；高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)； 3)根據(jù)逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性可根據(jù)逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；因知，它的反向擊穿電壓很低；因此只能適用于反向不需承受電壓此只能適用于反向不需承受電壓的場合；的場合； 4)逆導(dǎo)晶閘管存在著晶閘管區(qū)和逆導(dǎo)晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管

55、區(qū)之間的隔離區(qū)；整流管區(qū)之間的隔離區(qū)； 5)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示；晶閘管和整流管的額定電流表示；b)a)UOIKGAIG=0圖圖2.3.7 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性l3. 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管 (RCT)v1)1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。閘管。v2) 2) 小功率光控晶閘管只有陽極和小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。陰極兩個端子。v3 3）大功

56、率光控晶閘管則還帶有光）大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。v4 4）光觸發(fā)保證了主電路與控制電）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。位。 圖圖2.3.8 控晶閘管的電氣圖形符控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性號和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 4.

57、光控晶閘管光控晶閘管(LTT)(LTT)v 2. 1、電力電子器件的基本模型、電力電子器件的基本模型 v 2. 2、電力二極管電力二極管 v 2. 3、晶閘管晶閘管v 2. 4、可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v 2. 5、電力晶體管電力晶體管 v 2. 6、電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 v 2. 7、絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v 2. 8、其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件v 2. 9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù)可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off (Gate-Turn-Off Thyristor)Thyristor)簡稱簡稱GTOGT

58、O。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。 l2.4.12.4.1 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理可關(guān)斷晶閘管及其工作原理l2.4.2 2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù) 與普通晶閘管的與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPNPNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：G

59、TOGTO是一種多元的功率集成器是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTOGTO元，這些元，這些GTOGTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。圖圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號1、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)l2 2、可關(guān)斷晶閘管的工作原理、可關(guān)斷晶閘管的工作原理l 1 1）GTOGTO的的導(dǎo)通

60、機(jī)理導(dǎo)通機(jī)理與與SCRSCR是是相同的相同的。GTOGTO一一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的, , 但在制但在制作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。使其關(guān)斷。l 2 2）在）在關(guān)斷機(jī)理關(guān)斷機(jī)理上與上與SCRSCR是是不同的不同的。門極加。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流負(fù)脈沖即從門極抽出電流( (即抽取飽和導(dǎo)通時即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子儲存的大量