第2章 電力電子器件 電力電子技術(shù)

1、電力電子技術(shù)1第第2章章 電力電子器件電力電子器件 引言引言2.1電力電子器件概述電力電子器件概述2.2不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力電子模功率集成電路與集成電力電子模塊塊 電力電子技術(shù)2本章學(xué)習(xí)目的與要求本章學(xué)習(xí)目的與要求v了解了解電力電子器件的電力電子器件的概念、特征、分類概念、特征、分類。v理解并掌握理解并掌握不可控器件、半控型器件、典型不可控器件、半控型器件、典型全控型器件等的全控型器件等的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、結(jié)構(gòu)、

2、工作原理、基本特性、主要參數(shù)及器件的選型主要參數(shù)及器件的選型。電力電子技術(shù)3本章重點(diǎn)與難點(diǎn)本章重點(diǎn)與難點(diǎn)v重點(diǎn)重點(diǎn) 半控型器件、典型全控型器件的結(jié)構(gòu)、工半控型器件、典型全控型器件的結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇原則。作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇原則。 v難點(diǎn)難點(diǎn) 晶閘管參數(shù)的選擇及器件的選型。晶閘管參數(shù)的選擇及器件的選型。電力電子技術(shù)4引引 言言 電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子技術(shù)的基礎(chǔ) 電子器件：晶體管和電子器件：晶體管和 集成電路集成電路 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：簡(jiǎn)要概述電力電子器件的簡(jiǎn)要概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分

3、類概念、特點(diǎn)和分類等問題。等問題。介紹各種常用電力電子器件的介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性，工作原理、基本特性，主要參數(shù)以及選擇主要參數(shù)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。 電力電子技術(shù)52.1 電力電子器件概述電力電子器件概述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 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)電力電子技術(shù)6電力電子器件電力電子器件（Power Electron

4、ic 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(shí)現(xiàn)電能的變換中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的或控制的電子器件電子器件。主電路（主電路（Main Power Circuit）電氣設(shè)備電氣設(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。務(wù)的電路。 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 電力電子技術(shù)7廣義上電力電子器件可分為廣義上電力電子器件可分為電真空器件電真空器件和和半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件兩類。兩類。兩類中，自兩類中，自20世紀(jì)世紀(jì)50年代以來，真空管僅在頻率很年代以來，真空管僅在頻率很高（如微波

5、）的大功率高頻電源中還在使用，而電高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、）、閘流管閘流管（Thyratron）等電真空器件，）等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件。指電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅硅。 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 電力電子技術(shù)8同處理信息的電子器件相比，電力電子同處理信息的電子器件相比，電力電

6、子器件的一般特征：器件的一般特征：（1） 處理電功率的大小，即承受電壓和電處理電功率的大小，即承受電壓和電流流 的能力，是最重要的參數(shù)。的能力，是最重要的參數(shù)。其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。級(jí)，大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 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 電力電子技術(shù)9 （2） 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)導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路短路，管壓降接近，管壓降接近于零，而電流由外電路決定。于零，而電流由外電路決

7、定。阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路斷路，電流幾乎為，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定。零，而管子兩端電壓由外電路決定。電力電子器件的電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性（也就是（也就是開關(guān)特性開關(guān)特性）和參數(shù)，）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題。上升為第一位的重要問題。作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見往往用作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見往往用理想開關(guān)理想開關(guān)來代替。來代替。 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 電力電子技術(shù)10 （3）實(shí)用中，電力電子器件往往

8、需要由信息電子電）實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路。（4）為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫）為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫 度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降通態(tài)壓降，形成，形成通態(tài)損耗通態(tài)損耗 。 2

9、.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 電力電子技術(shù)11阻斷時(shí)器件上有微小的阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流斷態(tài)漏電流流過，形成流過，形成斷態(tài)損耗。斷態(tài)損耗。在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損開通損耗和關(guān)斷損耗耗，總稱，總稱開關(guān)損耗開關(guān)損耗。對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一。件發(fā)熱的原因之一。通常電力電子器件的斷態(tài)通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流漏電流極小，因而極小，因而通態(tài)損耗通態(tài)損耗是是器件功率損耗的主要成因。器件功率損耗的主要成因。器件器件開關(guān)頻率開

10、關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。器件功率損耗的主要因素。 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 電力電子技術(shù)122.1.2 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)組成電力電子電路（系統(tǒng)）：電力電子電路（系統(tǒng)）：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。路和以電力電子器件為核心的主電路組成。n 控制電路控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)控制信號(hào)，通過，通過驅(qū)動(dòng)電驅(qū)動(dòng)電路路去控制主電路中電力電子器件的去控制主電路中電力電子器件的通或斷通或斷，

11、來完成整個(gè)，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能系統(tǒng)的功能 ?？刂齐娐窓z測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2 電力電子技術(shù)13有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路檢測(cè)電路。廣義上往往。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路主電路和控制電路組成的。組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路

12、徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，而通過電氣隔離，而通過其它手段如其它手段如光、磁光、磁等來傳遞信號(hào)。等來傳遞信號(hào)。 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)組成電力電子技術(shù)14由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過

13、電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些加一些保護(hù)電路保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。器件一般有器件一般有三個(gè)端子三個(gè)端子（或稱極或管腳），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在（或稱極或管腳），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為主電路中，而第三端被稱為控制端控制端（或控制極）。器件通（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)斷是通過在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)

14、動(dòng)電路和主電路的公共端，來控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。一般是主電路電流流出器件的端子。 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)組成電力電子技術(shù)152.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：度，分為以下三類：（1）半控型器件半控型器件通過控制信號(hào)可以控通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。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。器件的關(guān)斷由其在器件的關(guān)斷由其在主

15、電路中承受的電壓和電主電路中承受的電壓和電流決定。流決定。 電力電子技術(shù)16（2）全控型器件全控型器件通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱為為電力電力MOSFET）門 極 可 關(guān) 斷 晶 閘 管門 極 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 （ G a t e - Tu r n - O f f Thyristor GTO） 2.1.3 電力電子器件的分類

16、電力電子器件的分類電力電子技術(shù)17（3） 不可控器件不可控器件不能用控制信號(hào)來控制其不能用控制信號(hào)來控制其通斷，通斷， 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。電力二極管電力二極管（Power Diode） 只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。路中承受的電壓和電流決定的。 2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類電力電子技術(shù)18按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：兩類：電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)通過從控制端

17、注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過在控制端和公共端之間施加一定僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過加在控制端上的電壓在器電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來改變流過器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場(chǎng)控器件場(chǎng)控器件(Field Controlled Device)，或，或場(chǎng)效應(yīng)器件場(chǎng)效應(yīng)器件。 2.1.3 電

18、力電子器件的分類電力電子器件的分類電力電子技術(shù)192.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ）脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)來來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型電平控制型 必須通過必須通過持續(xù)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來使器件開通并平的電壓或電流信號(hào)來使器件開通并維持維持在導(dǎo)通狀態(tài)或在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。 電力電子技

19、術(shù)20按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：的情況分為三類：?jiǎn)螛O型器件單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。件。雙極型器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。與導(dǎo)電的器件。復(fù)合型器件復(fù)合型器件由單極型器件和雙極型器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件集成混合而成的器件 。 2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類電力電子技術(shù)212.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)介紹各種器件的介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選

20、擇和使用中應(yīng)注意的一些問題數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法，這是在實(shí)際中正確應(yīng)和特性曲線的使用方法，這是在實(shí)際中正確應(yīng)用電力電子器件的兩個(gè)基本要求。用電力電子器件的兩個(gè)基本要求。由于電力電子電路的工作特點(diǎn)和具體情況的不由于電力電子電路的工作特點(diǎn)和具體情況的不同，可能會(huì)對(duì)與電力電子器件用于同一主電路同，可能會(huì)對(duì)與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求

21、。阻等，有不同于普通電路的要求。 電力電子技術(shù)222.2 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電力電子技術(shù)23 整流二極管及模塊整流二極管及模塊2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管電力電子技術(shù)24電力二極管電力二極管（Power Diode）結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)）結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自單，工作可靠，自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期就獲得年代初期就獲得應(yīng)用。應(yīng)用。

22、快恢復(fù)二極管和肖特基二極管快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位。具有不可替代的地位。 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管電力電子技術(shù)252.2.1 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 以以半導(dǎo)體半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)為基礎(chǔ)。為基礎(chǔ)。由一個(gè)面積較大的由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有從外形上看，主要有螺栓型和平板

23、型螺栓型和平板型兩種封裝。兩種封裝。 AKAKa)IKAPNJb)c) 電力電子技術(shù)26N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)。交界處電子結(jié)。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)的擴(kuò)散和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷?？臻g電荷建立的電場(chǎng)被稱的正、負(fù)電荷稱為空間電荷?？臻g電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散

24、運(yùn)動(dòng)的，另一為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是一對(duì)矛盾，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷系又是一對(duì)矛盾，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為圍，被稱為空間電荷區(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、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。 2.2.1

25、 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電子技術(shù)27 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)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在維持在1V左右，所以左右，所以正向正向偏置的偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)低阻態(tài)。圖2-3 PN結(jié)的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場(chǎng) 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電力電子技術(shù)28 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娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?二極管的基本原

26、理就在于二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。征。PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 有有雪崩擊穿雪崩擊穿和和齊納擊穿齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。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)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)電容效應(yīng)，稱，稱 為為結(jié)電容結(jié)電容CJ，又稱為，又稱為微分電容微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為用的差別分為勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB和和擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD。 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電力電子技術(shù)29勢(shì)壘電容

27、勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)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。而而擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。散電容為結(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)?/p>

28、電性變差，甚至不能工作，應(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(shí)應(yīng)加以注意。時(shí)應(yīng)加以注意。 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電力電子技術(shù)30造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：別的一些因素：正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略；額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略；引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；承受的電流變化率承受的電流變化

29、率di/dt較大，因而其引線和器件自身的較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響；電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響；為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大；為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大； 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電力電子技術(shù)311. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性-主要指其伏安特性主要指其伏安特性 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓對(duì)應(yīng)

30、的電力二極管兩端的電壓UF即為其正即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓電流特性是電流特性是隨時(shí)間變化的。隨時(shí)間變化的。 2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性電力電子技術(shù)32 2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性2.2.2 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性

31、圖圖2-5 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性 IOIFUTOUFU電力電子技術(shù)33a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd tu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 電力二極管并不能立即關(guān)斷，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(shí)間才能重而是須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)钚芦@得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。態(tài)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電在關(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流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。過沖。 延遲時(shí)間延遲時(shí)間：td=t1-t0 電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間：tf

32、 =t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或，或稱恢復(fù)系稱恢復(fù)系 數(shù)，用數(shù)，用Sr表示。表示。t0:正向正向電流降電流降為零的為零的時(shí)刻時(shí)刻t1:反向電流反向電流達(dá)最大值的達(dá)最大值的時(shí)刻時(shí)刻t2:電流變化電流變化率接近于零率接近于零的時(shí)刻的時(shí)刻 2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性電力電子技術(shù)34UFPuiiFuFtfrt02V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(gè)先出現(xiàn)一個(gè)過沖過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。）。 正向

33、恢復(fù)時(shí)間正向恢復(fù)時(shí)間tfr 圖圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形電力二極管的動(dòng)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 2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性電力電子技術(shù)352.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1. 正向平均電流正向平均電流IF(AV) 額定電流額定電流在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）表示）和散熱條件下，其允許流過的最大和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平工頻正弦半波電流的平均值。均值。正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此

34、使用時(shí)應(yīng)按用時(shí)應(yīng)按有效值相等有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略。能忽略。當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。 電力電子技術(shù)362. 正向壓降正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向

35、有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降。大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降。3. 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。通常是其雪崩擊穿電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的的2/3。使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。最高峰值電壓的兩倍來選定。 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)電力電子技術(shù)374. 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)

36、的平均溫度，用TJ表示。表示。最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM是指在是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。承受的最高平均溫度。TJM通常在通常在125175 C范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。5. 反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)間。斷能力止的時(shí)間。6. 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(gè)或幾個(gè)工頻周指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。期的過電流。 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)電力電子技術(shù)38n按

37、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、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹；能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹；n在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類型的電力二極管；不同類型的電力二極管；n性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。的差別造成的。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型電力電子技術(shù)391. 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）；）；多用于開關(guān)頻率不高（多

38、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；其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5 s以上，這在開關(guān)頻以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要；率不高時(shí)并不重要；正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 ZP電流電流電壓電壓/100 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型電力電子技術(shù)402. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode FRD）恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5 s以下）以下）的

39、二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管，的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管，工藝上多采用了摻金措施，工藝上多采用了摻金措施，有的采用有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，結(jié)型結(jié)構(gòu)，有的采用改進(jìn)的有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 。 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型電力電子技術(shù)41采用外延型采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時(shí)），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（），正向壓降也很低（0.9V左右），左右），但其反向耐壓多在但其反向耐壓多在400V以下。以下。從性能上可分為

40、快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，以下，甚至達(dá)到甚至達(dá)到2030ns。 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型電力電子技術(shù)423. 肖特基二極管肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管。），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管。20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子年代以來，

41、由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用。電路中廣泛應(yīng)用。肖特基二極管的弱點(diǎn)肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于因此多用于200V以下。以下。反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型電力電子技術(shù)43肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns），），正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過

42、沖，正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖，在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管，顯低于快恢復(fù)二極管，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高小，效率高 。 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型電力電子技術(shù)442.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管 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電力電子技術(shù)45晶閘管（

43、晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管，）發(fā)明了晶閘管，1957年美國(guó)通用電氣公司（年美國(guó)通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，品，1958年商業(yè)化，年商業(yè)化，開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代，開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代，20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代，年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代，能承受的能承受的電壓和電流容量電壓和

44、電流容量最高，工作可靠，在最高，工作可靠，在大容量大容量的的場(chǎng)合具有重要地位。場(chǎng)合具有重要地位。 2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管電力電子技術(shù)46常用常用晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管螺栓型晶閘管晶閘管模塊晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)電力電子技術(shù)472.3.1 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 外形有外形有螺栓型和平板型螺栓型和平板型兩種封裝，兩種封裝，引出引出陽極陽極A、陰極、陰極K和門極（控制端和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端，三個(gè)聯(lián)接端，對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安

45、裝方便，且安裝方便，平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3電力電子技術(shù)48a）自冷）自冷 b）風(fēng)冷）風(fēng)冷 c）水冷）水冷螺栓型：散熱效果差，用于螺栓型：散熱效果差，用于200以下容量的元件。以下容量的元件。平板型：散熱效果好，用于平板型：散熱效果好，用于200以上的元件。以上的元件。電力電子技術(shù)49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

46、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。2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理電力電子技術(shù)50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

47、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(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體可看出，此時(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。管漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)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無窮大大，從而實(shí)現(xiàn)器件，從而實(shí)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(shí)際上會(huì)維持實(shí)際上會(huì)維持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由

48、以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理電力電子技術(shù)51其他幾種可能導(dǎo)通的情況：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;光直接照射硅片，即光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā); 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而光觸發(fā)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)備中之外，其它都因不易控制而難應(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(shí)踐，稱為以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控

49、晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段。制手段。2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理電力電子技術(shù)522.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1. 晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)：承受承受反向電壓反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；承受承受正向電壓正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通；下晶閘管才能開通；

50、晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關(guān)斷，要使晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。一數(shù)值以下。 電力電子技術(shù)53開通條件與關(guān)斷條件舉例開通條件與關(guān)斷條件舉例電力電子技術(shù)54（1）正向特性正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器，則漏電流急劇增大，器件開通。件

51、開通。隨著門極電流幅值的增大，隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。正向轉(zhuǎn)折電壓降低。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。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖2-9 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性電力電子技術(shù)55反向特性類似二極管的反反向特性類似二極管的反向特性。向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流流過。小的反向漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管電壓后，可

52、能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。發(fā)熱損壞。圖2-9 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG（2）反向特性反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性電力電子技術(shù)56動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 開通過程開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的由于晶閘管內(nèi)部的正反正反饋過程饋過程需要時(shí)間，再加上需要時(shí)間，再加上外外電路電感電路電感的限制，晶閘管受的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增到觸發(fā)后，其陽極電流的增長(zhǎng)不可能是長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)瞬時(shí)的。的。 延遲時(shí)間延遲時(shí)間td (0.51.5 s) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr (0.53 s)

53、開通時(shí)間開通時(shí)間tgt=td+tr 延遲時(shí)間隨延遲時(shí)間隨門極電流門極電流的的增大而減小，上升時(shí)間除反增大而減小，上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受映晶閘管本身特性外，還受到到外電路電感外電路電感的嚴(yán)重影響。的嚴(yán)重影響。提高提高陽極電壓陽極電壓，延遲時(shí)間和，延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。上升時(shí)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%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性電力電子技術(shù)57關(guān)斷過程關(guān)斷

54、過程 由于由于外電路電感外電路電感的存在，的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉赐饧与妷和蝗挥烧蜃優(yōu)榉聪驎r(shí)，其陽極電流在衰減時(shí)向時(shí)，其陽極電流在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 在在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加果重新對(duì)晶閘管施加正向電正向電壓壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，晶閘管會(huì)重新正向?qū)ǎ皇鞘荛T極電流控制而導(dǎo)而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。通。圖

55、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100%反向恢復(fù)反向恢復(fù)電流最大電流最大值值尖峰電壓尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性電力電子技術(shù)58電壓定額電壓定額 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)重復(fù)加在器件加在器件上的上的正向正向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖2-9）。）。 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓

56、）UDSM的的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)重復(fù)加在器件加在器件上的上的反向峰值電壓反向峰值電壓（見圖（見圖2-8）。）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓反向擊穿電壓。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電力電子技術(shù)59 通態(tài)（峰值

57、）電壓通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電 壓。壓。 應(yīng)用注意：應(yīng)用注意：通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電力電子技術(shù)60正反向重復(fù)峰值電壓：正反向重復(fù)峰值電壓：RSMRRMDSMDRMUUUU9 . 09 . 0DRMURRMU額定電壓取額定電壓取中較中較小小值值取整取整 100V一個(gè)等級(jí)一個(gè)等級(jí) 選用器件時(shí)額定電壓選用器件時(shí)額定電壓TMVTUU)32(

58、2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電力電子技術(shù)61通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度在環(huán)境溫度為為40 C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流最大工頻正弦半波電流的平均值的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時(shí)應(yīng)按使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。來選取晶閘管。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)發(fā)熱效應(yīng)來來定義的。定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相一般取其通態(tài)

59、平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。倍。 2 2）電流定額）電流定額2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電力電子技術(shù)62維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維能維持導(dǎo)通所需的最小電流。持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來說對(duì)同一晶閘管來說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫指由于電路異常情況引起

60、的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流的不重復(fù)性最大正向過載電流 。2 2）電流定額）電流定額2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電力電子技術(shù)63 除除開通時(shí)間開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升斷態(tài)電壓臨界上升率率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升通態(tài)電流臨界上升率率d