電力電子技術：第2章 電力電子器件

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1、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塊功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結本章小結第2章 電力電子器件1模擬和數(shù)字電子電路的基礎模擬和數(shù)字電子電路的基礎 晶體管和集成電路等電子器件晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎電力電子電路的基礎 電力電子器件電力電子器件本章主要內容：本章主要內容：對電力電子器件的對電力電子器件的概念概念、特點特點和和分類分類等問題作了簡要等問題作了

2、簡要概概 述述。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注意的一些問題。以及選擇和使用中應注意的一些問題。2引言引言 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 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成應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 本章內容和學習要點本章內容和學習要點32.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 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）是指可直

3、接用于處理電能的是指可直接用于處理電能的主電路主電路中，實現(xiàn)電中，實現(xiàn)電能的變換或控制的能的變換或控制的電子器件電子器件。主電路：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直主電路：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。接承擔電能的變換或控制任務的電路。廣義上電力電子器件可分為電真空器件廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。器件。42.1.1 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真空器件 (汞弧整流器、閘流管汞弧整流器、閘流管)半導體器件 (采用的主要材料硅）采用的主要材料硅）電力電子器件的特征

4、電力電子器件的特征 所能處理所能處理電功率電功率的大小，也就是其承受電壓的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠大于處理信息的電子器件。大于處理信息的電子器件。為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在作在開關狀態(tài)開關狀態(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動電路驅動電路。自身的自身的功率損耗功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝在其工作時一般都需要安裝散熱器散熱器。52.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念

5、和特征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6功率半導體器件（電力電子器件）的狀態(tài)功率半導體器件（電力電子器件）的狀態(tài) u導通態(tài)（導通態(tài)（on）u 關斷態(tài)（關斷態(tài)（off）u切換態(tài)（換流與換相）切換態(tài)（換流與換相）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。當器件的開關頻率較高時，當器件的開關頻率較高時，開關損耗開關損耗會隨之增會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。大而可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)損耗開關損耗開關損耗開通損耗開通損耗關斷損耗關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72

6、.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2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征8散熱器散熱器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9水冷系統(tǒng)水冷系統(tǒng)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102.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征11電力電子器件在實際應用中，一般是由電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路控制電路、驅動驅動電路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用中的系統(tǒng)組成電力電子器

7、件在實際應用中的系統(tǒng)組成122.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成應用電力電子器件的系統(tǒng)組成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 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyristor）及其大部分派生及其大部分派生器件。器件。器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。和電流決定的。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。通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。其關斷。不可控器件不可控器件 電力二極

8、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。132.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照驅動信號的性質按照驅動信號的性質 電流驅動型電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出通過從控制端注入或者抽出電流電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。制。電壓驅動型電壓驅動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓電壓信號就可實信號就可實現(xiàn)導通或者關斷的控制?，F(xiàn)導通或者關斷的控制。按照驅動信號的波形（電力二極管除外按照驅動信號的波形（電力二極管除外）脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個電壓或

9、電流的通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖脈沖信號來實現(xiàn)器件信號來實現(xiàn)器件的開通或者關斷的控制。的開通或者關斷的控制。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平的電壓在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并或電流信號來使器件開通并維持維持在導通狀態(tài)或者關斷并維持在導通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。在阻斷狀態(tài)。142.1.3 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電的情況按照載流子參與導電的情況 單極型器件單極型器件 由一種由一種載流子載流子參與導電。參與導電。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電

10、。兩種載流子參與導電。復合型器件復合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，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。也稱混合型器件。152.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類本章內容本章內容 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順序，分別介紹各種電力電子器件的它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作工作原理原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的以及選擇和使用中應注意的一些問題。一些問題。學習要點學習要點 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

11、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體物理結構半導體物理結構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。162.1.4 本章內容和學習要點本章內容和學習要點 2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結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172.2 不可控器件不可控

12、器件電力二極管電力二極管電力二極管（電力二極管（Power Diode）自自20世紀世紀50年代初期就獲年代初期就獲得應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電得應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少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，特別是開通和關斷速度很快的的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管快恢復二極管和和肖特肖特基二極管基二極管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。整流二極管及模塊整流二極管及模塊182.2 不可控器件

13、不可控器件電力二極管電力二極管引言引言電力二極管是以半電力二極管是以半導體導體PN結結為基礎的為基礎的,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結結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。AKAKa)IKAPNJb)c)AK圖圖2-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a)外形外形 b)基本結構基本結構 c)電氣圖形符號電氣圖形符號192.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力

14、二極管的工作原理20n ZP5A硅整流硅整流管管電力二極管電力二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管平板整流管平板整流管ABB7100A ZP7100A/400V2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理21ZP200A電力二電力二極管極管2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理22整流二極管整流二極管2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理23 三相整流橋模塊三相整流橋模塊二極管的基本原理二極管的基本原理PN結的結的單向導電性單向導電性 當當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自

15、形成自P區(qū)流入而從區(qū)流入而從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，這就是這就是PN結的正向導通狀態(tài)。結的正向導通狀態(tài)。當當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現(xiàn)為結表現(xiàn)為高阻態(tài)高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。止狀態(tài)。PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為結反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿反向擊穿。按照機理不

16、同有按照機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，定范圍內，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。結仍可恢復原來的狀態(tài)。否則否則PN結因過熱而燒毀，這就是結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿熱擊穿。242.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理PN結的電容效應結的電容效應 稱為稱為結電容結電容CJ，又稱為，又稱為微分電容微分電容 按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電容CB和和擴散電擴散電容容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓

17、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，當正頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。向電壓較低時，勢壘電容為主。擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。擴散電容為結電容主要成分。結電容影響結電容影響PN結的結的工作頻率工作頻率，特別是在高速開關的狀，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。252.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理靜態(tài)特性靜態(tài)

18、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），正向電流才開始明顯增向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與態(tài)。與IF對應的電力二對應的電力二極管兩端的電壓即為極管兩端的電壓即為其其正向電壓降正向電壓降UF。承受反向電壓時，只承受反向電壓時，只有有少子少子引起的微小而引起的微小而數(shù)值恒定的數(shù)值恒定的反向漏電反向漏電流流。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262.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性由半導體物理可推出：由半導體物理可推出：/(1)FTUUFsII

19、 eIs 飽和電流飽和電流;UT=kT/q 為溫度為溫度電壓當量；電壓當量；k 波爾茲曼常數(shù)；波爾茲曼常數(shù)；(T=300k;時時 UT=26mv)Isa)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a)正向偏置轉換為反向偏置正向偏置轉換為反向偏置 b)零偏置轉換為正向偏置零偏置轉換為正向偏置 動態(tài)特性動態(tài)特性 因為因為結電容結電容的存在，電壓的存在，電壓電流特性是隨電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專

20、指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性開關特性。由正向偏置轉換為反向偏置由正向偏置轉換為反向偏置 電力二極管并不能立即關斷，而是須經(jīng)電力二極管并不能立即關斷，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，進入截止狀態(tài)。進入截止狀態(tài)。在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并在關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 反向恢復時間反向恢復時間：trr=td+tf 恢復特性的軟度恢復特性的軟度：tf/

21、td，或稱恢復系，或稱恢復系 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:反向電反向電流達最大流達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272.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉換為正向偏置由零偏置轉換為正向偏置 先出現(xiàn)一個先出現(xiàn)一個過沖過沖UFP，經(jīng)，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如壓降的某個值（如2V）。）。正向恢復時間正向恢復時間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因出現(xiàn)電壓過沖的原因:電電導調制效應導調制效應起作用所需的大量起作用所需的大

22、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，在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件大；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)零偏置轉換為正向偏置零偏置轉換為正向偏置 282.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性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（簡指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流

23、過的最表示）和散熱條件下，其允許流過的最大大工頻正弦半波電流工頻正弦半波電流的平均值。的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。裕量。292.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)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 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)30最高工作結溫要求最高工作結溫要求電流有效值產(chǎn)生的結溫

24、不電流有效值產(chǎn)生的結溫不能超過最高工作結溫能超過最高工作結溫相同有效值表相同有效值表示在一個周期示在一個周期內所產(chǎn)生的熱內所產(chǎn)生的熱量相同量相同額定電流定義為正向平均電流額定電流定義為正向平均電流額定電流工作狀態(tài)下不能超過最高工作結溫額定電流工作狀態(tài)下不能超過最高工作結溫實際波形電流與允許的最大正弦半波實際波形電流與允許的最大正弦半波電流造成的發(fā)熱效應相等電流造成的發(fā)熱效應相等正向平正向平均電流均電流定義與定義與平均電平均電流定義流定義的區(qū)別？的區(qū)別？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)n 正向平均電流正向平均電流IF(AV)的計算的計算31u正弦半波電流的平均值為 01sin

25、()()2mmF AVIIIt dt工頻正弦半波工頻正弦半波()sin()mi tIt設u正弦半波電流的有效值為 201sin()()22mRMSmIIItdtu正弦半波電流的有效值與平均值的關系 1.572RMSFFAVAVIII二極管額定電流：(1.5 2)(1.5 2)1.57RMSF AVII有有效效值值是是橋橋梁梁 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)321.二極管額定電流為100A，能通過多大的有效值電流？2.流過二極管的電流有效值為100A，應該選擇其額定電流為多少（不考慮裕量）？3.兩個二極管分別流過下面兩個電流波形，問這兩個二極管是否可以選擇同一型號？例題：例

26、題：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)1.解：二極管額定電流即正向平均電流，其值為100A，根據(jù)正向平均電流與有效值電流的關系可得有效值為：留1.5到2倍的裕量，可得流過最大有效值電流為：2.解：利用有效值 與額定電流關系可得：331.572RMSFFAVAVIII1.571571.5 21.5 2F AVMAXII63.691.57RMSF AVIIA2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)343.解：a)波形有效值為：b)波形有效值為：具有相同正向平均電流：下面分析是否正確?a)波形平均值為：，b)波形平均值為：所以不能選擇同一型號。221sin()()22

27、2mRMSmIIItdt2201()222 2mmRMSIIIdt1.57RMSF AVII可以選擇同一型號2mAVII4 2mAVII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)正向電流穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。時對應的正向壓降。反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。使用時，應當留有使用時，應當留有兩倍兩倍的裕量。的裕量。最高工作結溫最高工作結溫TJM 結溫是指管芯結溫是指管芯PN結的平均溫度，用結的平均溫度，用TJ表示。表示。最高

28、工作結溫是指在最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高最高平均溫度平均溫度。TJM通常在通常在125175 C范圍之內。范圍之內。反向恢復時間反向恢復時間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工頻周期的過電流電流。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)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、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。的電力二極管。普通二極管（普

29、通二極管（General Purpose Diode）又稱又稱整流二極管（整流二極管（Rectifier Diode），多，多用于開關頻率不高（用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。以下）的整流電路中。其其反向恢復時間反向恢復時間較長，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到可以達到很高。很高。362.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型快恢復二極管（快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD）恢復過程恢復過程很短，特別是很短，特別是反向恢復過程反向恢復過程很短很短（一般在（一般在5 s以下）以下）。

30、快恢復外延二極管快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），采用，采用外延型外延型P-i-N結構結構，其反向恢復時間更短（可低于，其反向恢復時間更短（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快速恢復和和超快速恢復超快速恢復兩個兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在者則在100ns以下，甚至達到以下，甚至達到2030ns。372.2.4 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

31、Barrier DiodeSBD）屬于屬于多子多子器件器件 優(yōu)點在于：優(yōu)點在于：反向恢復時間反向恢復時間很短（很短（1040ns），正向恢），正向恢復過程中也不會有明顯的復過程中也不會有明顯的電壓過沖電壓過沖；在反向耐壓較低的情；在反向耐壓較低的情況下其況下其正向壓降正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其其開關損耗開關損耗和和正向導通損耗正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率都比快速二極管還要小，效率高。高。弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其弱點在于：當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

32、，因此多用于200V以下的低壓場以下的低壓場合；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，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗反向穩(wěn)態(tài)損耗不不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。382.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型39n 二極管特點：二極管特點：1.不可控器件2.PN結半導體結構3.單向導電4.動態(tài)特性（開通和關斷過程）5.額定電壓和電流 40思考題：1.已知U2=220V,選擇二極管的電壓。2.已知Id=10A，選擇二極管的電流。2.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本

33、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412.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 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，到）發(fā)明了晶閘管，到 1957年美國通用電氣公司（年美國通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第一）開發(fā)出了世界上

34、第一只晶閘管產(chǎn)品，并于只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。年使其商業(yè)化。由于其能承受的由于其能承受的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的，仍然是目前電力電子器件中最高的，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應用場合仍然具有比較重要的地位。的應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422.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言43n 螺栓型晶閘管外觀螺栓型晶閘管外觀2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言44平板型晶閘管外觀平板型晶閘管外觀2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言45

35、換流器中的晶閘管組件換流器中的晶閘管組件2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言46高壓直流輸電換流器高壓直流輸電換流器晶閘管的結構晶閘管的結構 從外形上來看，晶從外形上來看，晶閘管也主要有閘管也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型兩種封裝結兩種封裝結構構。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)接端。三個聯(lián)接端。內部是內部是PNPN四層四層半導體結構。半導體結構。圖圖2-7 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a)外形外形 b)結構結構 c)電氣圖形符號電氣圖形符號 472.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理圖圖

36、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。482.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理晶體管的特性是：在低發(fā)射

37、極電流下晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當是很小的，而當發(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)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)

38、器件飽和導通飽和導通。由于外電路負載的限制，由于外電路負載的限制，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)492.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況 陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應雪崩效應 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結溫結溫較高較高 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用

39、于高壓電力設備中主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。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。502.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理靜態(tài)特性靜態(tài)特性 正常工作時的特性正常工作時的特性 當晶閘管承受當晶閘管承受反向電壓反向電壓時，不論門極是否有觸時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通發(fā)電流，晶閘管都不會導通。當晶閘管承受當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)電觸發(fā)電流流的情況下晶閘管才能開通的情況下晶閘管才能開通。晶

40、閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通。若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于電流降到接近于零的某一數(shù)值以下零的某一數(shù)值以下。512.3.2 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 當當IG=0時，如果在器件兩端時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處施加正向電壓，則晶閘管處于正向于正向阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)，只有很小，只

41、有很小的正向漏電流流過。的正向漏電流流過。如果正向電壓超過臨界極如果正向電壓超過臨界極限即限即正向轉折電壓正向轉折電壓Ubo，則漏，則漏電流急劇增大，器件電流急劇增大，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，正向轉折電壓正向轉折電壓降低，晶閘管降低，晶閘管本身的壓降很小，在本身的壓降很小，在1V左右。左右。如果門極電流為零，并且如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回以下，則晶閘管又回到到正向阻斷正向阻斷狀態(tài)，狀態(tài)，IH稱為稱為維持維持電流電流。圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 I

42、G 正向轉正向轉折電壓折電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+522.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性J2被擊穿被擊穿最大轉折電壓一般為幾最大轉折電壓一般為幾百伏，設計時為了防止百伏，設計時為了防止不受控導通，要遠離正不受控導通，要遠離正向最大轉折電壓向最大轉折電壓反向特性反向特性 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漏電流通通過。過。當反向電壓超過一定限度，當反向電壓超過一定限度，到到反向擊穿電壓

43、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，導致晶閘管發(fā)熱損壞。劇增大，導致晶閘管發(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正向正向轉折轉折電壓電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+532.3.2 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 由于晶閘管內部的由于晶閘管內部的正反饋正反饋 過程過程需要時間，再加上需要時間，再加上外電路外電路 電感電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不

44、可能后，其陽極電流的增長不可能 是是瞬時瞬時的。的。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的增 大而減小大而減小,上升時間除反映晶上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還受到閘管本身特性外，還受到外電外電 路電感路電感的嚴重影響。提高的嚴重影響。提高陽極陽極 電壓電壓,延遲時間和上升時間都延遲時間和上升時間都 可顯著縮短。可顯著縮短。圖圖2-10 晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關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%uAKttO0tdtrtrr

45、tgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%542.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性關斷過程關斷過程 由于由于外電路電感外電路電感的存在，原的存在，原處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。有過渡過程的。反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr 正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr 關斷時間關斷時間tq=trr+tgr 關斷時間約幾百微秒。關斷時間約幾百微秒。在在正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間內如果內如果重新對晶閘管施加重新對晶閘管施加正

46、向電壓正向電壓，晶閘管會重新正向導通，而不晶閘管會重新正向導通，而不是受門極電流控制而導通。是受門極電流控制而導通。圖圖2-10 晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形100%反向恢復反向恢復電流最大電流最大值值尖峰電壓尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA552.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性電壓定額電壓定額 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖2-9）。）。國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓國標規(guī)定斷

47、態(tài)重復峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復峰值電壓（即為斷態(tài)不重復峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的的90%。斷態(tài)不重復峰值電壓應低于斷態(tài)不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓正向轉折電壓Ubo。反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖2-8）。）。規(guī)定反向重復峰值電壓規(guī)定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向為反向不重復峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）最大瞬態(tài)電壓）URSM的的90%。反向不重復峰值電壓應低于反向不重復峰值電壓應

48、低于反向擊穿電壓反向擊穿電壓。562.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)n 額定電壓的標準等級：1000V以下，每隔100V為一級，如：100V,200V,1000V3000V，每隔200V為一級，如：1000V,1200V,1400V,晶閘管額定電壓值57(2 3)TNmmUUU取晶閘管在電路中實際承受的最大正向峰值 電壓和最大反向峰值電壓中較小的那個。通態(tài)（峰值）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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和

49、和URRM中較小的標值作為該器件的中較小的標值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍倍。電流定額電流定額 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40 C和規(guī)定的和規(guī)定的冷冷 卻狀態(tài)卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半 波電流的平均值。波電流的平均值。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)熱效應發(fā)

50、熱效應來定義的。來定義的。一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的 原則所得計算結果的原則所得計算結果的1.52倍。倍。582.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)59n 正向平均電流正向平均電流IF(AV)的計算的計算59u正弦半波電流的平均值為 01sin()()2mmF AVIIIt dt工頻正弦半波工頻正弦半波()sin()mi tIt設u正弦半波電流的有效值為 201sin()()22mRMSmIIItdtu正弦半波電流的有效值與平均值的關系 1.572RMSFFAVA

51、VIII二極管額定電流：(1.5 2)(1.5 2)1.57RMSF AVII有有效效值值是是橋橋梁梁 維持電流維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小最小電流，電流，一般為幾十到幾百毫安。一般為幾十到幾百毫安。結溫結溫越高，則越高，則IH越小。越小。擎住電流擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的后，能維持導通所需的最小最小電流。電流。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溫超過額定結溫的指由于電路異常情況引起的

52、并使結溫超過額定結溫的不重復性不重復性最大正向過載電流最大正向過載電流。602.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 開通時間開通時間tgt和關斷時間和關斷時間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通晶閘管誤導通 。通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的在規(guī)定條件下

53、，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。閘管損壞。612.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)n 使晶閘管導通的條件：使晶閘管導通的條件：使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，使晶閘管導通的條件是：晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）；或：并在門極施加觸發(fā)電流（脈沖）；或：uAK0且且uGK0。n 維持晶閘管導通的條件：維持晶閘管導通的條件：使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導通的最小電流，使晶閘管的電流大于能保

54、持晶閘管導通的最小電流，即維持電流。即維持電流。n 晶閘管關斷的條件：晶閘管關斷的條件：要使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷，可利用外加電壓和外要使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷，可利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下，即降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關值以下，即降到維持電流以下，便可使導通的晶閘管關斷。斷。方式：施加反壓；或增大回路電阻使電流為零。方式：施加反壓；或增大回路電阻使電流為零。62快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST）有有快速晶閘管快速晶閘管和和高頻晶閘管高頻晶閘管?？焖倬?/p>

55、閘管的快速晶閘管的開關時間開關時間以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有的耐量都有了明顯改善。了明顯改善。從從關斷時間關斷時間來看，普通晶閘管一般為來看，普通晶閘管一般為數(shù)百數(shù)百微秒，快微秒，快速晶閘管為速晶閘管為數(shù)十數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為微秒，而高頻晶閘管則為10 s左右。左右。高頻晶閘管的不足在于其高頻晶閘管的不足在于其電壓電壓和和電流電流定額都不易做定額都不易做高。高。由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽略其的通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗開關損耗的發(fā)熱效應。的發(fā)熱效應。632.3.4 晶閘管的派生器件晶

56、閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）可以認為是一對可以認為是一對反并聯(lián)聯(lián)反并聯(lián)聯(lián) 接接的普通晶閘管的集成的普通晶閘管的集成。門極使器件在主電極的正門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，在第反兩方向均可觸發(fā)導通，在第和第和第III象限有象限有對稱的伏安特對稱的伏安特性性。雙向晶閘管通常用在交流雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用電路中，因此不用平均值而用有效值有效值來表示其額定電流值。來表示其額定電流值。圖圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形

57、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)伏安特性伏安特性 642.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導晶閘管（逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）是將是將晶閘管反并聯(lián)一個晶閘管反并聯(lián)一個二極管二極管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向電壓反向電壓的能力，一的能力，一旦承受反向電壓即開通。旦承受反向電壓即開通。具有正向壓降小、關斷具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點，可用于定結溫高等優(yōu)點

58、，可用于不需要阻斷反向電壓的電不需要阻斷反向電壓的電路中。路中。圖圖2-12 逆導晶閘管的電氣圖形符號逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性 a)電氣圖形符號電氣圖形符號 b)伏安特性伏安特性 652.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件AGKa)AK光強度強弱b)OUIA光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）是利用一定波長的是利用一定波長的光光照信號照信號觸發(fā)導通的晶閘管。觸發(fā)導通的晶閘管。由于采用光觸發(fā)保證由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間了主電路與控制電路之間的的絕緣絕緣，而且可以避免電，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控磁干

59、擾的影響，因此光控晶閘管目前在晶閘管目前在高壓大功率高壓大功率的場合的場合。圖圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符光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 662.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件67n 晶閘管特點晶閘管特點1.半可控器件2.PNPN四層半導體結構，三端四層3.單向導電4.導通和關斷條件5.動態(tài)特性（開通和關斷過程）6.額定電壓和電流 習題習題1.電力電子器件的損耗包括：電力電子器件的損耗包括：_。（A）通態(tài)損耗）通態(tài)損耗 （B）斷態(tài)損耗）斷態(tài)損耗 （C）開關損耗）開關損耗 （D）三者都是）三者都是2.按照輸入輸

60、出電能的形式劃分，電力電子變換電路可分為：按照輸入輸出電能的形式劃分，電力電子變換電路可分為：；。3.在電力電子主電路和控制電路間進行電氣隔離的方法有在電力電子主電路和控制電路間進行電氣隔離的方法有 ，。4.對于同一只晶閘管，維持電流對于同一只晶閘管，維持電流IH與擎住電流與擎住電流IL在數(shù)值上存在在數(shù)值上存在IL=_IH的關系。的關系。5.額定電壓額定電壓1000V，額定電流，額定電流100A的晶閘管做開關使用，與交流電源和阻感的晶閘管做開關使用，與交流電源和阻感負載串聯(lián)組成單相交流調壓電路。當電壓裕量取負載串聯(lián)組成單相交流調壓電路。當電壓裕量取3倍，電流裕量取倍，電流裕量取2倍時，倍時，下

61、列哪種情況下晶閘管選擇正確（以下數(shù)值均為有效值）。下列哪種情況下晶閘管選擇正確（以下數(shù)值均為有效值）。(A)電源電源200V，負載電流，負載電流60A (B)電源電源200V，負載電流，負載電流30A (C)電源電源250V，負載電流，負載電流60A (D)電源電源250V，負載電流，負載電流30A 6.晶閘管的內部結構具有晶閘管的內部結構具有 個個PN結，其導通原理可用結，其導通原理可用 晶體管模型晶體管模型描述。描述。68習題習題7.圖中陰影部分為一個周期內的負載電流波形，圖中陰影部分為一個周期內的負載電流波形，波形為矩形波，幅值為波形為矩形波，幅值為100A，則其電流平均值，則其電流平均

62、值Id=（）A，電流有效值，電流有效值I=（）A。（A）25 （B）50 （C）75 （D）1008.使晶閘管導通的條件是什么，維持晶閘管導通的條件是什么，怎樣使晶閘管導通的條件是什么，維持晶閘管導通的條件是什么，怎樣才能使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷？才能使晶閘管由導通變?yōu)殛P斷？9.型號型號kp 100-3（IF(AV)=100A，UTN=3100V）的晶）的晶閘管用在下面閘管用在下面電路中是否合適（晶閘管電路中是否合適（晶閘管IH=4mA）？）？69解：是否滿足下面條件解：是否滿足下面條件 imaxIH ImaxIRMS UmaxUTN=(23 3)UTmax imax=E/R=2mA;Imax=

63、2mA1.57IF(AV)/(1.52)Umax=100VUTN不適合不適合 2.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管電力晶體管 2.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管702.4 典型全控型器件典型全控型器件門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。嶄新時代。典型代表典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管、門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力場效應晶體管、絕

64、緣柵雙極晶體管。電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊712.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言晶閘管的一種派生器件，但晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于電流使其關斷，因而屬于全控全控型器件型器件。GTO的結構和工作原理的結構和工作原理 GTO的結構的結構 是是PNPN四層半導體結四層半導體結 構構。是一種多元的功率集成是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個器件，雖然外部同樣引出個 極，但內部則包含數(shù)十個甚極，但內部則包含數(shù)十個甚 至數(shù)百個共陽極的至數(shù)百個共陽極的小小GTO 元元，這些，這些GTO元的元的陰

65、極陰極和和門門 極極則在器件內部則在器件內部并聯(lián)并聯(lián)在一起。在一起。圖圖2-14 GTO的內部結構和電氣圖形符號的內部結構和電氣圖形符號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)單元結構斷面示意圖并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c)電氣圖形符號電氣圖形符號 722.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管2.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管73 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理及其工作原理 a)雙晶體管模型雙晶體管模型 b)工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如圖仍然可以用如圖2-8所示的所示的雙晶體雙晶體

66、管模型管模型來分析，來分析，V1、V2的共基極電流的共基極電流增益分別是增益分別是 1、2。1+2=1是器件臨是器件臨界導通的條件，大于界導通的條件，大于1導通，小于導通，小于1則則關斷。關斷。GTO與普通晶閘管的不同與普通晶閘管的不同 設計設計 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控制控制 靈靈敏，易于敏，易于GTO關斷。關斷。導通時導通時 1+2更接近更接近1，導通時接，導通時接近近臨界飽和臨界飽和，有利門極控制關斷，但，有利門極控制關斷，但導通時管導通時管壓降壓降增大。增大。多元集成結構，使得多元集成結構，使得P2基區(qū)基區(qū)橫向橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。電阻很小，能從門極抽出較大電流。742.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時只不過導通時飽和程度飽和程度較淺。較淺。而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和和IK的的減小使減小使 1+21時，器件退出時，器件退出飽和飽和而關斷。而關斷。GTO的