第一章电力电子器件

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1、第一章 电力电子器件,本章重点 第一节 电力电子器件的基本模型及分类第二节电力二极管第三节晶闸管及其派生器件第四节门极可关断晶闸管第五节电力晶体管（GTR）第六节 电力场效应晶体管第七节 绝缘栅双极型晶体管第八节其他新型电力电子器件本章小结,本章重点,常用电力二极管和晶闸管及其派生器件的基本结构、工作原理、 外特性、主要参数、开关特性、安全工作区。门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管的基本结构、工作原理,第一节 电力电子器件的基本模型及分类,一、基本模型1.电力电子器件相当于开关，其理想模型就是开关。只工作于通、断两种状态。2.实际应用时电力电子器件的特性（见书第五页）

2、分3点。,第一节 电力电子器件的基本模型及分类,二、分类1.按器件的开关控制特性分：（1）不可控器件；如电力二极管（2）半控器件；如晶闸管及其派生器件等（3）全控器件；如门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应管、绝缘栅双极晶体管等,第一节 电力电子器件的基本模型及分类,二、分类2.按器件所受控制信号的特性分：（1）电流控制型器件；如晶闸管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管等。（2）电压控制型器件；如功率场效应管、绝缘栅双极晶体管、静电感应晶体管等。,第一节 电力电子器件的基本模型及分类,二、分类3.按器件内部载流子参与导电情况分：（1）双极型器件；如晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、

3、静电感应晶闸管等。（2）单极型器件；如功率场效应管、静电感应晶体管等。（3）混合型器件；如绝缘栅双极晶体管、MOS晶闸管、集成门极换流晶闸管等。,第二节电力二极管,一、功率二极管的结构和工作原理 1. 功率二极管的结构,2. 功率二极管的工作原理及作用由于PN结具有单向导电性，所以二极管是 一个正方向单向导电、反方向阻断的电力 电子器件。其作用：不可控整流电路、电感性负载续流用、中高频整流、逆变电路和低压高频电路中。,二、 功率二极管的特性和主要参数,1. 功率二极管的特性(1) 功率二极管的伏安特性 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必 须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)，当外

4、 加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅 二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth 后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极 管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压 超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿， 反向电流迅速增加。,功率二极管的伏安特性,(2) 功率二极管的开关特性由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向 电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、 导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电 路参数以及反向电流di/dt等都有关。普通二 极管的trr=210s，快速恢复二极管的trr为 几十至几百ns,超快恢复二极

5、管的trr仅几个ns。,功率二极管的开关特性,2. 功率二极管的主要参数(1) 反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80称为反 向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM小于二极管的 反向击穿电压URO。,(2) 额定电流IFR二极管的额定电流IFR被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。其正向 导通流过额定电流时的电压降UFR一般为12V。当二极管在规定的环境温度为+40和 散热条件下工作时，通过正弦半波电流平 均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。 若正弦电流的最大值为IM，则额定电流为,(3) 最大允许的全周期均方根正向电流I

6、Frms 二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时， 与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为 由式(1-1)和(1-2)可得 （1-3）,(4) 最大允许非重复浪涌电流IFSM 这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。 功率二极管属于功率最大的半导体器件， 现在其最大额定电压、电流在6kV、6kA以 上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。,3、使用电力二极管的注意事项,（1）保证规定的冷却条件（2）平板型元件的散热器不用自行拆装（3）严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况,4、主要类型,（1）普通二极管：又称整流二极管，

7、多用于1kHz以下电路中。反向恢复时间约25us。正想电流电压可达KA、KV级。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在5us以下，又称开关管。（3）肖特基二极管：不采用半导体PN结而利用金属导体和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。用于200V以下的低压场合。,第三节 晶闸管及其派生器件,晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通 晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一 种具有开关作用的大功率半导体器件。目 前，晶闸管的容量水平已达8kV6kA。,一、晶闸管的结构和工作原理,1. 晶闸管的结构晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两 种：螺栓型和

8、平板型。,晶闸管的结构和等效电路如图1-4 所示，晶 闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形 成3个PN结J1、J2和J3。,2. 晶闸管的工作原理,(1)欲使晶闸管导通需具备几个条件：应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电 压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向 电压和电流。 门极与阴极要有足够的触发功率(2) 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用， 故晶闸管为半控型器件。(3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减 小到零或反向的方法来实现。,晶闸管的非正常导通情况,1.正向转折导通：正向电压高于正向转折电压使得晶闸管导通，称硬开通。2.高温导通3.阳

9、极电压上升率导通,二、晶闸管的特性和主要参数,1. 晶闸管的特性(1) 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间 电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。,晶闸管的伏安特性,(2) 晶闸管的门极伏安特性 由于实际产品的门极伏安特性分散性很大， 常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和 一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来 代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰 值电流IFGM允许的瞬时最大功率PGM和正 向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安 特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。 其中,0ABC0为不可靠触发区,ADEFGCBA 为可靠触发区,晶闸管的门极伏安特性,(3) 晶

10、闸管的开关特性 第一段延迟时间td，阳极电流上升到10所需时 间，也对应着从(1+2) 170)，在稳定的额定结温时所允许 的最大通态平均电流。,晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示,它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：,正弦半波电流的有效值为：,式中Kf为波形系数,流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值 相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时， 电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。,(3) 维持电流IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通 态后，从较大的通态电流降至维持通态所 必须的最小阳极电流。 (4) 擎住电流IL 晶闸管从

11、断态转换到通态时移去触发信号 之后，要器件维持通态所需要的最小阳极 电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住 电流IL约为维持电流IH的(24)倍。,(5) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶 闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极 直流电流。 (6) 门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。 触发电路给门极的电压和电流应适当地大 于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰 值IGFM和 UGFM。,(7) 断态电压临界上升率du/ dt在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断 态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压 上升率会使晶闸管误导通。 (8)

12、通态电流临界上升率di / dt在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时， 晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大 上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快， 会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使 晶闸管损坏。,例1-1 两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图 所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值 IM=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值 IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值I1、I2,解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：,晶闸管派生器件,1.双向晶闸管2.快速晶闸管3.逆导晶闸管4.光控晶闸管,一、双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidi

13、rectional triode thyristor）结构与特性,图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极第一阳极T1和第二阳极T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,KS100-8-21：KS表示双向晶闸管，100表示额定电流100A，8表示断态重复峰值电压为8级800V，2表示断态电压临界上升率(du/dt)c为2级（不小于200V/us），1表示换向电流临界下降率(di/dt)c为1级（不小于1% IT（RMS） =1A/us）KS的额定

14、通态电流IT（RMS） 以最大交流有效值表示。额定电流100A的KS管相当于两个反并联45A的普通晶闸管电流容量。计算ks峰值为100的根号2倍=141A，141A/=45A。,二、双向晶闸管的触发方式1.触发导通特点：正反压都能导通、门极正负信号都能触发；2.触发方式：（1）+触发方式 阳极电压为第一阳极T1为正，T2为负；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第一象限，为正触发。（2）-触发方式 阳极电压为第一阳极T1为正，T2为负；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第一象限，为负触发。（3）+触发方式 阳极电压为第一阳极T1为负，T2为正；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第三象限，为正触发。（4） -触发方式阳极电压为第一阳极T1为负，T2为正；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第三象限，为负触发。,