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1、1学习情境二 电力电子器件及其驱动保护2.1 电力电子器件概述2.2 电力二极管2.3 晶闸管（SCR）2.4 门极关断晶闸管（GTO）2.5 电力晶体管（GTR）2.6 电力场效应晶体管（MOSFET）2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.8 GTO、GTR、MOSFET、IGBT驱动与保护22.1.1 概念2.1.2 同处理信息的电子器件相比一般特征2.1.3 电力电子器件的分类2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述3电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于主电路中，实现电能 的变换和控制的电子器件。主电路（Main Power Circuit）电气设备
2、或电力系统中，直接承担 电能的变换或控制任务的电路。2.1.1 2.1.1 概概 念念42.1.2 2.1.2 同处理信息的电子器件相比的一般特征同处理信息的电子器件相比的一般特征能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路（驱动电路）来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。5电力电子器件的损耗主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗 关断损耗开通损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件 功率损耗的主要因素。2.1.2 2.1.2 同处理信息的电子器件相比
3、的一般特征同处理信息的电子器件相比的一般特征62.1.32.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类半控型器件（Thyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制 其关断。如晶闸管及其大部分派生器件 全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。GTO，MOSFET，IGBT 不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。如电力二极管7按照驱动电路信号的性质，分为两类：电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电
4、流控制型电 力电子器件。如晶闸管，GTO，MCT，IGCT。电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电压驱动型电 力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或场效应 器件。如MOSFET，IGBT2.1.32.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类8按照载流子参与导电的情况，分为三类 ：单极性器件（MOSFET，SIT）有一种载流子参与导电。双极性器件（电力二极管，晶闸管，GTO，GTR， SITH）由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件（IGBT，MCT，IGCT）由单极性器件和双极性器件集成混合而成的器件2
5、.1.32.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类92.22.2 电力二极管电力二极管2.2.1 PN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2.2.3 电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型2.2.5 电力二极管命名102.2.12.2.1 PN 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 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世 纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流 和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的 地位。112.2.1 2.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二
6、极管的工作原理基本结构和工作原 理与信息电子电路 中的二极管一样。由一个面积较大的 PN结和两端引线以 及封装组成的。从外形上看，主要 有螺栓型和平板型 两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图2-1 电力二极管的外形、结构和电气图形 符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号阳极阴极122.2.12.2.1 PN 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结的状态状态 参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿（高压）齐纳击穿
7、（低压）两种击穿均可能导致热击穿132.2.12.2.1 PN 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 ： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电 容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒 电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的 开关状态。142.2.22.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。1) 静态特性图2-2 电力
8、二极管的伏安特性152.2.22.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2) 动态特性二极管的电压-电流特性随时间变化的特性 一般专指反映通态和断态之间转换过程的 开关特性。延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf正向恢复时间：tfr恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示 。图2-3 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置t0PN结PN结2.2.3 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1) 额定电流（正向平均电流）IF(
9、AV)电力二极管的正向平均电流I F(AV)是指在规定的管壳温度和散热条件下允许通过的最 大工频半波电流的平均值, 元件标称的额定电流就是这个电流。F式中的系数1.52是安全系数电流的有效值：波形系数Kf：额定额定电流电流（平均值）（平均值）为为 ：实际应用中，额定电流一般选择为 正弦半波电流的波形系数Kf：ImIF(AV)172.2.3 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向平均电压UF在指定的管壳温度和散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额 定正向平均值电流时，元件阳极和阴极之间的电压平均值， 取规定系列级别称为，简称管压降，一般在0.451V之间 3）（额定电压）反
10、向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常为击 穿电压UB的三分之二。使用时，若电力二极管所承受到的最大反向瞬时值电压UDM， 则其额定电压一般选择为 URRM=（23） UDM思考题：实际电路中反向最高峰值电压为200V，选择二极管的 URRM是多少？ 4）反向恢复时间trrtrr= td+ tf182.2.3 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6) 浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最
11、大的连续一个或几个工频 周期的过电流。 192 2.22.4 4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、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。1) 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电 路。 其反向恢复时间较长，一般为5微秒以上。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 额定电流达数千安培,额定电压达数千伏以上。202 2.22.4 4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2) 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）简称
12、快速二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V 左右），但其反向耐压多在400V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下， 甚至达到2030ns。212 2.22.4 4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3. 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖 特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD） 。肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向漏
13、电流较大且对温度敏感，故反向稳态损耗不能忽略， 且必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管（效率高 ，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。222.2.5 2.2.5 电电力二极管命名力二极管命名232.3 2.3 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）2.3.1 引言 2.3.2 晶闸管的结构与工作原理2.3.3 晶闸管的基本特性2.3.4 晶闸管的主要参数2.3.5 晶闸管的派生器件242.3.1 2.3.1 引引 言言晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整 流
14、器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。252.3.2 2.3.2 晶晶闸管的结构与工作原理闸管的结构与工作原理1)1)晶闸管的结构晶闸管的结构图2-4 晶闸管的外形a）d），电气图形符号e），结构f）外形有塑封型，螺栓型和平板型三种封装。 有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联
15、接且安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。262.3.2 2.3.2 晶晶闸管的结构与工作原理闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构272.3.2 2.3.2 晶晶闸管的结构与工作原理闸管的结构与工作原理2) 2) 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理按晶体管的工作原理 ，得 ：（2-2）（2-1）（2-3）（3-4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的 共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别 是V1和V2的共基极漏电流。由以上 式可得 ：（2-5）图2-5 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)
16、双晶体管模型 b) 工作原理282.3.2 2.3.2 晶晶闸管的结构与工作原理闸管的结构与工作原理在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。292.3.2 2.3.2 晶晶闸管的结构与工作原理闸管的结构与工作原理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雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘
