电力电子-第2章-电力电子器件课件.ppt

1、2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结本章小结第2章 电力电子器件1模拟和数字电子电路的基础模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：对电力电子器件的对电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类等问题作了简要等问题作了

2、简要概概 述述。分别介绍各种常用电力电子器件的分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特基本特性性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。以及选择和使用中应注意的一些问题。2引言引言 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点32.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直

3、接用于处理电能的是指可直接用于处理电能的主电路主电路中，实现电中，实现电能的变换或控制的能的变换或控制的电子器件电子器件。主电路：在电气设备或电力系统中，直主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。接承担电能的变换或控制任务的电路。广义上电力电子器件可分为电真空器件广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。器件。42.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电真空器件 (汞弧整流器、闸流管汞弧整流器、闸流管)半导体器件 (采用的主要材料硅）采用的主要材料硅）电力电子器件的特征

4、电力电子器件的特征 所能处理所能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。大于处理信息的电子器件。为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在作在开关状态开关状态。由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制,而且需要而且需要驱动电路驱动电路。自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装在其工作时一般都需要安装散热器散热器。52.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念

5、和特征2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征6功率半导体器件（电力电子器件）的状态功率半导体器件（电力电子器件）的状态 u导通态（导通态（on）u 关断态（关断态（off）u切换态（换流与换相）切换态（换流与换相）通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗72

6、.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征8散热器散热器2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征9水冷系统水冷系统2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征102.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征11电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路控制电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。电气隔离电气隔离图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器

7、件在实际应用中的系统组成122.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生及其大部分派生器件。器件。器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。和电流决定的。全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。其关断。不可控器件不可控器件 电力二极

8、管（电力二极管（Power Diode）不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。132.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断的控来实现导通或者关断的控制。制。电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实信号就可实现导通或者关断的控制。现导通或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外）脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或

9、电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器件信号来实现器件的开通或者关断的控制。的开通或者关断的控制。电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并或电流信号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。在阻断状态。142.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电

10、。两种载流子参与导电。复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。也称混合型器件。152.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类本章内容本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作工作原理原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的以及选择和使用中应注意的一些问题。一些问题。学习要点学习要点 最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握电力电

11、子器件的掌握电力电子器件的型号命名法型号命名法，以及其，以及其参数参数和和特性特性曲线曲线的使用方法。的使用方法。了解电力电子器件的了解电力电子器件的半导体物理结构半导体物理结构和和基本工作原理基本工作原理。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。162.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型172.2 不可控器件不可控

12、器件电力二极管电力二极管电力二极管（电力二极管（Power Diode）自自20世纪世纪50年代初期就获年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖特肖特基二极管基二极管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。整流二极管及模块整流二极管及模块182.2 不可控器件

13、不可控器件电力二极管电力二极管引言引言电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)基本结构基本结构 c)电气图形符号电气图形符号192.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力

14、二极管的工作原理20n ZP5A硅整流硅整流管管电力二极管电力二极管稳压稳压二极管二极管平板整流管平板整流管ABB7100A ZP7100A/400V2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理21ZP200A电力二电力二极管极管2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理22整流二极管整流二极管2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理23 三相整流桥模块三相整流桥模块二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性 当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自

15、形成自P区流入而从区流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF，这就是这就是PN结的正向导通状态。结的正向导通状态。当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。止状态。PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为结反向偏置为截止的工作状态，这就叫截止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。按照机理不

16、同有按照机理不同有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式两种形式。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。242.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应结的电容效应 称为称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容 按其产生机制和作用的差别分为按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和和扩散电扩散电容容CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压

17、势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。向电压较低时，势垒电容为主。扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。扩散电容为结电容主要成分。结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在高速开关的状，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。252.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理静态特性静态

18、特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值正向电压大到一定值（门槛电压门槛电压UTO），正），正向电流才开始明显增向电流才开始明显增加，处于稳定导通状加，处于稳定导通状态。与态。与IF对应的电力二对应的电力二极管两端的电压即为极管两端的电压即为其其正向电压降正向电压降UF。承受反向电压时，只承受反向电压时，只有有少子少子引起的微小而引起的微小而数值恒定的数值恒定的反向漏电反向漏电流流。IOIFUTOUFU图图2-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性262.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性由半导体物理可推出：由半导体物理可推出：/(1)FTUUFsII

19、 eIs 饱和电流饱和电流;UT=kT/q 为温度为温度电压当量；电压当量；k 波尔兹曼常数；波尔兹曼常数；(T=300k;时时 UT=26mv)Isa)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 动态特性动态特性 因为因为结电容结电容的存在，电压的存在，电压电流特性是随电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专

20、指反映通态和断态之间转换过程的并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性开关特性。由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。伴随有明显的反向电压过冲。延迟时间延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间电流下降时间：tf=t2-t1 反向恢复时间反向恢复时间：trr=td+tf 恢复特性的软度恢复特性的软度：tf/

21、td，或称恢复系，或称恢复系 数，数，用用Sr表示。表示。t0:正向正向电流降电流降为零的为零的时刻时刻t1:反向电反向电流达最大流达最大值的时刻值的时刻t2:电流变电流变化率接近化率接近于零的时于零的时刻刻272.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置 先出现一个先出现一个过冲过冲UFP，经，经过一段时间才趋于接近稳态过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如压降的某个值（如2V）。）。正向恢复时间正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因出现电压过冲的原因:电电导调制效应导调制效应起作用所需的大量起作用所需的大

22、量少子需要一定的时间来储存，少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件大；正向电流的上升会因器件自身的自身的电感电感而产生较大压降。而产生较大压降。电流上升率电流上升率越大，越大，UFP越高。越高。图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 282.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性正向平均电流正向平均电流IF(AV)指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流

23、过的最表示）和散热条件下，其允许流过的最大大工频正弦半波电流工频正弦半波电流的平均值。的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。裕量。292.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数平均值：平均值：有效值：有效值：201()TIi tdtT201()TUu tdtT01()TavUu t dtT01()TavIi t dtT2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数30最高工作结温要求最高工作结温要求电流有效值产生的结温

24、不电流有效值产生的结温不能超过最高工作结温能超过最高工作结温相同有效值表相同有效值表示在一个周期示在一个周期内所产生的热内所产生的热量相同量相同额定电流定义为正向平均电流额定电流定义为正向平均电流额定电流工作状态下不能超过最高工作结温额定电流工作状态下不能超过最高工作结温实际波形电流与允许的最大正弦半波实际波形电流与允许的最大正弦半波电流造成的发热效应相等电流造成的发热效应相等正向平正向平均电流均电流定义与定义与平均电平均电流定义流定义的区别？的区别？2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数n 正向平均电流正向平均电流IF(AV)的计算的计算31u正弦半波电流的平均值为 01sin

25、()()2mmF AVIIIt dt工频正弦半波工频正弦半波()sin()mi tIt设u正弦半波电流的有效值为 201sin()()22mRMSmIIItdtu正弦半波电流的有效值与平均值的关系 1.572RMSFFAVAVIII二极管额定电流：(1.5 2)(1.5 2)1.57RMSF AVII有有效效值值是是桥桥梁梁 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数321.二极管额定电流为100A，能通过多大的有效值电流？2.流过二极管的电流有效值为100A，应该选择其额定电流为多少（不考虑裕量）？3.两个二极管分别流过下面两个电流波形，问这两个二极管是否可以选择同一型号？例题：例

26、题：2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.解：二极管额定电流即正向平均电流，其值为100A，根据正向平均电流与有效值电流的关系可得有效值为：留1.5到2倍的裕量，可得流过最大有效值电流为：2.解：利用有效值 与额定电流关系可得：331.572RMSFFAVAVIII1.571571.5 21.5 2F AVMAXII63.691.57RMSF AVIIA2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数343.解：a)波形有效值为：b)波形有效值为：具有相同正向平均电流：下面分析是否正确?a)波形平均值为：，b)波形平均值为：所以不能选择同一型号。221sin()()22

27、2mRMSmIIItdt2201()222 2mmRMSIIIdt1.57RMSF AVII可以选择同一型号2mAVII4 2mAVII正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流稳态正向电流时对应的正向压降。时对应的正向压降。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有使用时，应当留有两倍两倍的裕量。的裕量。最高工作结温最高工作结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。最高

28、工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的结不致损坏的前提下所能承受的最高最高平均温度平均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。反向恢复时间反向恢复时间trr浪涌电流浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过工频周期的过电流电流。352.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。的电力二极管。普通二极管（普

29、通二极管（General Purpose Diode）又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多，多用于开关频率不高（用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整流电路中。其其反向恢复时间反向恢复时间较长，一般在较长，一般在5 s以上以上。其其正向电流定额正向电流定额和和反向电压定额反向电压定额可以达到可以达到很高。很高。362.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型快恢复二极管（快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程恢复过程很短，特别是很短，特别是反向恢复过程反向恢复过程很短很短（一般在（一般在5 s以下）以下）。

30、快恢复外延二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），采用，采用外延型外延型P-i-N结构结构，其反向恢复时间更短（可低于，其反向恢复时间更短（可低于50ns），），正向压降也很低（正向压降也很低（0.9V左右）。左右）。从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在者则在100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030ns。372.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky

31、Barrier DiodeSBD）属于属于多子多子器件器件 优点在于：优点在于：反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（1040ns），正向恢），正向恢复过程中也不会有明显的复过程中也不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低的情；在反向耐压较低的情况下其况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其其开关损耗开关损耗和和正向导通损耗正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率都比快速二极管还要小，效率高。高。弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于也会高得不能满足要求

32、，因此多用于200V以下的低压场以下的低压场合；合；反向漏电流反向漏电流较大且对较大且对温度温度敏感，因此敏感，因此反向稳态损耗反向稳态损耗不不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。382.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型39n 二极管特点：二极管特点：1.不可控器件2.PN结半导体结构3.单向导电4.动态特性（开通和关断过程）5.额定电压和电流 40思考题：1.已知U2=220V,选择二极管的电压。2.已知Id=10A，选择二极管的电流。2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本

33、特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件412.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 晶闸管（晶闸管（Thyristor）是）是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。，以前被简称为可控硅。1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到）发明了晶闸管，到 1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一）开发出了世界上

34、第一只晶闸管产品，并于只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能承受的由于其能承受的电压和电流容量电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在而且工作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块晶闸管及模块422.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言43n 螺栓型晶闸管外观螺栓型晶闸管外观2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言44平板型晶闸管外观平板型晶闸管外观2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言45

35、换流器中的晶闸管组件换流器中的晶闸管组件2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言46高压直流输电换流器高压直流输电换流器晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶从外形上来看，晶闸管也主要有闸管也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结两种封装结构构。引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制端）门极（控制端）G三个联接端。三个联接端。内部是内部是PNPN四层四层半导体结构。半导体结构。图图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号 472.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图图

36、2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a)双晶体管模型双晶体管模型 b)工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，按照晶体管工作原理，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分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。482.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶体管的特性是：在低发射

37、极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后，迅速增大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将将趋近于趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现

38、器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)492.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发这些情况除了这些情况除了光触发光触发由于可以保证控制电路与由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用

39、于高压电力设备中主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有有门极触发门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。是最精确、迅速而可靠的控制手段。502.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通发电流，晶闸管都不会导通。当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电触发电流流的情况下晶闸管才能开通的情况下晶闸管才能开通。晶

40、闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于电流降到接近于零的某一数值以下零的某一数值以下。512.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，如果在器件两端时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处施加正向电压，则晶闸管处于正向于正向阻断状态阻断状态，只有很小，只

41、有很小的正向漏电流流过。的正向漏电流流过。如果正向电压超过临界极如果正向电压超过临界极限即限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏，则漏电流急剧增大，器件电流急剧增大，器件开通开通。随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增大，的增大，正向转折电压正向转折电压降低，晶闸管降低，晶闸管本身的压降很小，在本身的压降很小，在1V左右。左右。如果门极电流为零，并且如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某阳极电流降至接近于零的某一数值一数值IH以下，则晶闸管又回以下，则晶闸管又回到到正向阻断正向阻断状态，状态，IH称为称为维持维持电流电流。图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 I

42、G 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+522.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性J2被击穿被击穿最大转折电压一般为几最大转折电压一般为几百伏，设计时为了防止百伏，设计时为了防止不受控导通，要远离正不受控导通，要远离正向最大转折电压向最大转折电压反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的的反向特性。反向特性。晶闸管处于反向阻断状态晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的时，只有极小的反向漏电流反向漏电流通通过。过。当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压

43、反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+532.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不

44、可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。延迟时间延迟时间td(0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrr

45、tgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%542.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。有过渡过程的。反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果内如果重新对晶闸管施加重新对晶闸管施加正

46、向电压正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。是受门极电流控制而导通。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%反向恢复反向恢复电流最大电流最大值值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA552.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-9）。）。国标规定断态重复峰值电压国标规定断

47、态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）断态最大瞬时电压）UDSM的的90%。断态不重复峰值电压应低于断态不重复峰值电压应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-8）。）。规定反向重复峰值电压规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）最大瞬态电压）URSM的的90%。反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应

48、低于反向击穿电压反向击穿电压。562.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数n 额定电压的标准等级：1000V以下，每隔100V为一级，如：100V,200V,1000V3000V，每隔200V为一级，如：1000V,1200V,1400V,晶闸管额定电压值57(2 3)TNmmUUU取晶闸管在电路中实际承受的最大正向峰值 电压和最大反向峰值电压中较小的那个。通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和

49、和URRM中较小的标值作为该器件的中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV）国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷冷 却状态却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。波电流的平均值。按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发

50、热效应来定义的。来定义的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则所得计算结果的原则所得计算结果的1.52倍。倍。582.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数59n 正向平均电流正向平均电流IF(AV)的计算的计算59u正弦半波电流的平均值为 01sin()()2mmF AVIIIt dt工频正弦半波工频正弦半波()sin()mi tIt设u正弦半波电流的有效值为 201sin()()22mRMSmIIItdtu正弦半波电流的有效值与平均值的关系 1.572RMSFFAVA