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1、22012年10月25日12.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 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 第2章 电力电子器件2一、电力电子器件的概念和特征2.1 电力电子器件概述1.概念主电路（Power Circuit）：电力电子器件（Power Electronic Device)： 直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。31）处理电功率的能力信息电子器件。2）一般工作在开关状态。3）一般由信息电子电路驱动。4）功率
2、损耗信息电子器件。电力电子器件是大功率半导体器件2.1 电力电子器件概述一、电力电子器件的概念和特征2.特征4电力电子器件理想模型有三个电极。 1和2代表开关的两个主电极，3是控制开关通断的控制极。只有两种工作状态“通态”和“断态”。 通态时其电阻为零，相当于开关闭合； 断态时其电阻无穷大，相当于开关断开。开通及关断时间为零。 2.1 电力电子器件概述一、电力电子器件的概念和特征2.特征5导通导通主电路中主电路中电力电子器件电力电子器件关断关断控制电路信息电子电路组成信息电子电路组成控制电控制电路路主电路主电路 电力电子系统电力电子系统通过驱动电路控制控制电路检测驱动RL主电路V1V2驱动电驱
3、动电路路检测保护电路检测保护电路2.1 电力电子器件概述二、应用电力电子器件的系统组成7不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路电力二极管不控型器件主电路通 断电电流流电电压压只有两个端子结构简单、工作可靠。2.1 电力电子器件概述三、电力电子器件的分类1.控制方式8半控型器件通过控制信号可控制其导通但不能控制其关断晶闸管及其派生器件关 断主主电电路路电电流流电电压压 反应快、可靠性高、寿命长、功率大、价格低，且具有节能的特点。2.1 电力电子器件概述三、电力电子器件的分类1.控制方式9全控型器件绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管电力晶体管通过控制信号既可控制其导通又能控制其关断自关断器件门极可
4、关断晶闸管驱动电路通 断电电流流电电压压具有集成化、高频化、多功能化的特点，应用很广。2.1 电力电子器件概述三、电力电子器件的分类1.控制方式10通 断电流驱动型电压驱动型控制端注注入入电电流流抽抽出出电电流流电压信号公公共共端端控控制制端端2.1 电力电子器件概述三、电力电子器件的分类2.驱动信号的性质11单极型器件只有一种载流子（多数载流子）参与导电。双极型器件电子和空穴两种载流子同时参与导电。复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成。2.1 电力电子器件概述三、电力电子器件的分类3.导电方式122.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型
5、全控型器件 2.5 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 第2章 电力电子器件132.3 半控器件晶闸管（SCR）2.3.1 晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件14晶闸管的结构与工作原理外形：螺栓型 平板型1.结构和符号AGKP1N1P2N2J1J2J3阳极阴极门极15常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管16螺栓型返回平板型常用晶闸管的结构17SL16螺栓型散热器螺栓型散热器 模块散热器模块散热器SS11型水冷散热器型水冷散热器SF11型风冷散热器型风冷散热器常用晶闸管的散热器18实
6、验电路晶闸管的结构与工作原理2.导通和关断条件AKGEAEGRAA+-19实验电路晶闸管的结构与工作原理AKGEAEGRAA+-增大电阻RA或减小电源EA2.导通和关断条件20实验电路晶闸管的结构与工作原理AKGEAEGRAA+-2.导通和关断条件21导通条件： 阳极与阴极之间加正向电压，同时门极与阴极之间也加正向电压。关断条件：阳极电流IA小于维持电流IH晶闸管的结构与工作原理实验结论实现方法：1）减小阳极电源电压或增大阳极回路电阻； 2）将阳极电源反向。2.导通和关断条件22实质正反馈过程产生注入门极的触发电流IG的电路触发门极触发电路对晶闸管的驱动晶闸管的结构与工作原理IGIB2IC2=
7、IB1IC1电流驱动型IGSEGREAIc2Ic1IKIAAGNPNPNPKV1V2IB2IB1晶闸管导通3.工作原理GKP2N1N2P1AN1P2N1P2P1AGKN1P2P2N1N2244.晶闸管的基本特点：晶闸管的结构与工作原理 1） 晶闸管具有可控的单向导电性。 与二极管比较： 相同点都具有单向导电性； 不同点晶闸管的单向导电受门极控制。 2） 晶闸管属半控型器件。 门极只能用来控制晶闸管的导通，晶闸管导通后门极就失去控制作用。 3） 晶闸管具有开关作用。 导通相当于开关闭合； 阻断相当于开关断开。25【例题】电路如图，已知u2和ug波形，试画出电阻Rd两端的电压ud波形。晶闸管的导通
8、时刻由u2和ug共同决定，关断则仅取决于u2的过零时刻23晶闸管的结构与工作原理262.3 半控器件晶闸管（SCR）2.3.1 晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件27晶闸管的基本特性1. 静态特性伏安特性：阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极之间的电压ua与阳极电流ia之间的关系。28正向导通IG0=0IHUROUBOIG1IG2IG3IG2IG1IG0IAUA01. 静态特性正向阻断硬开通正向特性正向特性反向特性反向特性反向阻断反向击穿正向阻断反向阻断正向导通正常工作区晶闸管的基本特性（不允许）IG3292. 动态特性反映
9、晶闸管在开通和关断时的动态工作过程。晶闸管的开通时间约为几微秒；晶闸管的关断时间约几百微秒。开关时间：开通时间 ton 关断时间 toff晶闸管的基本特性302.3 半控器件晶闸管（SCR）2.3.1 晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件31晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。1电压定额额定电压的选取要
10、留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。即 UTn=（23）UTM UTM 为晶闸管在实际工作中所承受的最大正反向电压3232012年10月30日34要点复习2.晶闸管的符号3.导通条件阳极与阴极之间加正向电压，同时门极与阴极之间也加正向电压。5.工作特点具有可控的单向导电性。6.门极作用只能用来控制晶闸管的导通，不能控制晶闸管的关断。7.额定电压的选取4.关断条件阳极电流IA小于维持电流IH。UTn=（23）UTM 1.电力电子器件的种类（控制方式）不控型、半控型、全控型352.3 半控器件晶闸管（SCR）2.3.1 晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基
11、本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件36 通态平均电流IT(AV) 在规定的条件下，晶闸管所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 2.电流定额维持电流 IH 维持晶闸管继续导通所必需的最小阳极电流。 擎住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小阳极电流。 对同一晶闸管，通常IL约为IH的24倍。晶闸管的主要参数37 通态平均电流IT(AV) 正弦半波电流的有效值 波形系数Kf则 正弦半波电流 或或 ITn=1.57IT(AV) 即 100A的晶闸管允许通过的电流有效值为157A 晶闸管的主要参数正弦半波电流波形 2.电流定额38注
12、意：管子的发热与有效值有关，要求实际电流有效值IT一定不能大于额定电流有效值ITn。IT ITn=1.57IT(AV) 故额定电流的选取要留有一定裕量，一般取1.52倍。即 IT(AV)=（1.52） IT(AV) 晶闸管的主要参数2.电流定额39断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。位移电流 在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在逐段状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。3.动态参数（自学）晶闸管的主要参数404.
13、晶闸管型号的命名方法：例如：KP100-12G 表示额定电流100A、额定电压1200V、管压降1v的普通型晶闸管。晶闸管的主要参数K P 表示晶闸管普通反向阻断型额定通态平均电流正反向重复峰值电压等级通态平均电压组别412.3 半控器件晶闸管（SCR）2.3.1 晶闸管的结构与工作原理2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件42晶闸管的派生器件常规快速 晶闸管高频 晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管与普通晶闸管相比快速 晶闸管关断时间为数十微秒高频 晶闸管关断时间为10s左右电压和电流定额不易做高应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电
14、路中1.快速晶闸管43IG = 0IU02.双向晶闸管 有两个主电极T1和T2，一个门极G。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。可等效为一对反并联的普通型晶闸管。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。 晶闸管的派生器件44IG = 0IU0 晶闸管的派生器件- -+I I+ +- - - -I I- -四种触发方式+ +- -+- - -触发灵敏度I+、-相对较高。实际常用I+、-两种触发方式2.双向晶闸管45IU0I =0GAKG3.逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开
15、通。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流 晶闸管的派生器件46KK-KK-快速晶闸管快速晶闸管KP-KP-普通晶闸管普通晶闸管KN-KN-逆导晶闸管逆导晶闸管晶闸管常见型号认识KS-KS-双向晶闸双向晶闸管管 晶闸管的派生器件472.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 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 第2章 电力电子器件482.4 典型全控型器件2.4.1 门极可关断晶闸管2.4.2 电力晶体管2.4.3 电力场效应晶体管2.4.4 绝缘栅双极晶体管
16、49 门极可关断晶闸管（GTO）晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。50相同点PNPN四层半导体结构外部引出阳极、阴极和门极。不同点GTO是一种多元功率集成器件。门极可关断晶闸管GTO符号1. GTO的结构和工作原理与普通晶闸管比较：51GTO导通条件与导通过程与普通晶闸管一样（饱和程度较浅）。GTO关断条件与关断过程门极加入负脉冲电流，即从门极抽出电流，在强烈正反馈作用下迅速退出饱和而关断。工作原理 门极可关断晶闸管（GTO）522. GTO的主要参数最大可关断阳极电流IATO GTO额定
17、电流电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流 最大值IGM之比。开关时间 开通时间ton和关断时间toff 开关时间几微秒到几十微秒，导通压降2-3V、比普通晶闸管稍高。 门极可关断晶闸管（GTO）off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。532.4 典型全控型器件2.4.1 门极可关断晶闸管2.4.2 电力晶体管2.4.3 电力场效应晶体管2.4.4 绝缘栅双极晶体管54 电力晶体管（GTR）1. GTR的结构和工作原理 单管GTR与普通晶体管相同。 具有耐压高、电流大、开关特性好等特点。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 1 2 采用集成电路工
18、艺将许多这种单元并联而成达林顿模块 。55 模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型，其容量范围从30A450V800A1400V不等。 在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。 电力晶体管（GTR）1. GTR的结构和工作原理56 在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和六单元结构。 电力晶体管（GTR）1. GTR的结构和工作原理 模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型，其容量范围从30A450V800A1400V不等。 572. GTR的基本特性ib2ib1ib3ib1ib2ib3截止区Ic0Uce饱和区放大区静态特征
19、 电力晶体管（GTR）三个工作区：截止区、放大区、饱和区58trtdtstontftoff90%Icsic10%IcsIb2t0t1t2t3t4t5t90%Ib110%Ib1Ib1t00ibGTR的开通和关断过程电流波形GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短。电力晶体管（GTR）2. GTR的基本特性开通时间ton =td + tr关断时间toff= ts + tf 动态特征提高工作速度方法：减小导通时的饱和深度。增大Ib2的幅值和负偏压。593. GTR的主要参数 最高工作电压 集电极最大允许电流IcM 集电极最大耗散功率PcM电力晶体管（GTR）极限参数：60一次击穿：集电极电
20、压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象。二次击穿：一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，电压突然下降的现象。4. 二次击穿现象与安全工作区二次击穿会立即导致器件的永久损坏，对GTR危害极大。电力晶体管（GTR）一次击穿二次击穿二次击穿临界线61二次击穿临界线最高工作电压集电极最大电流最大耗散功率电力晶体管（GTR）安全工作区GTRGTR工作时不能超过工作时不能超过4. 二次击穿现象与安全工作区622.4 典型全控型器件2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.2 2.4.2 电力晶体管电力晶体管2.4.3 2.4.3 电
21、力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管63电力场效应晶体管(P-MOSFET)1.结构和工作原理简称：电力MOSFET（Power MOSFET）P沟道导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型N沟道增强型耗尽型增强型耗尽型64uGS导电沟道宽度漏极电流iD 电压驱动方式 电力场效应晶体管(P-MOSFET)1.结构和工作原理栅极漏极源极简称：电力MOSFET（Power MOSFET）符号导通时只有多数载流子参与导电单极型晶体管N沟道P沟道uGSUT（开启电压）导通条件：DSGDSG绝缘栅场效应管652.基本特性和主要参数（自学） 电力场效应晶
22、体管(P-MOSFET)主要优点：开关时间短（ns级）、工作频率高（100kHz以上）、驱动功率小、驱动电路简单、热稳定性好且不存在二次击穿现象等。缺点：通流能力较差，且通态电阻值较大，通态压降较高。 6642012年11月8日67要点复习1.晶闸管额定电流的选取IT(AV)=（1.52）正弦半波电流波形系数 Kf=1.572.双向晶闸管1）可用一对反并联的普通晶闸管等效代替；2）用有效值来标定额定电流。3.全控型电力电子器件GTR由基极电流iB驱动集电极电流iC 。GTO由门极电流iG驱动阳极电流iA 。电流驱动型电力MOSFET由栅源极电压uGS驱动漏极电流iD 。电压驱动型68GTR的特
23、点双极型，电流驱动，容量较大，通流能力很强。但开关速度较低，所需驱动功率较大，驱动电路复杂。 电力MOSFET的特点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单。但通流能力较差，且通态压降较高。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT) GTR和MOSFET复合，集二者优点于一体。1986年投入市场，是目前中小功率电力电子设备的主导器件。 电力电子器件性能比较： 电力场效应晶体管(P-MOSFET)692.4 典型全控型器件2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.2 2.4
24、.2 电力晶体管电力晶体管2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管701. 结构和工作原理 绝缘栅双极晶体管（IGBT）三端器件：栅极G、集电极C、发射极EECG电气图形符号简化等效电路GERNC驱动方式：由电力MOSFET决定栅射极电压控制输出特性：由GTR决定通流能力强、通态压降低712. 基本特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE 增加分为三个区：正向阻断区、有源区和饱和区。转移特性输出特性开启电压开关时间：开通时间约为0.51.2s关断时间约为0.
25、551.5s导通条件： uGEUGE(th) （开启电压）工作特点： uGE集电极电流ic电压驱动型 绝缘栅双极晶体管（IGBT）静态特性比电力场效应管的开关时间略长。72 绝缘栅双极晶体管（IGBT） IGBT的主要优点：开关速度快，开关损耗小。 安全工作区大，耐冲能力强。通态压降低。输入阻抗高。3. 主要参数（自学）732.4 典型全控型器件2.4.1 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.4.2 2.4.2 电力晶体管电力晶体管2.4.3 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.4 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管74请问：你认识以下的电力电子器件吗？它
26、们的全称和简称各为什么？2.4 典型全控型器件ECGDSGECBKAG绝缘栅双极晶体管IGBT电力场效应晶体管 电力MOSFET门极可关断晶闸管 GTO电力晶体管 GTRGTR由基极电流iB驱动集电极电流iC 。GTO由门极电流iG驱动阳极电流iA 。IGBT由栅射极电压uGE驱动集电极电流iC 。电力MOSFET由栅源极电压uGS驱动漏极电流iD 。电流驱动型电压驱动型752.1 电力电子器件概述2.2 不可控器件电力二极管2.3 半控型器件晶闸管2.4 典型全控型器件 2.5 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 第2章 电力电子器件76 控制方式不可控型电力二极管
27、半控型晶闸管全控型GTR、GTO、MOSFET、IGBT本 章 小 结一、电力电子器件类型导电方式双极型SCR、GTR、GTO单极型电力MOSFET混合型IGBT驱动信号电流驱动SCR、GTR、GTO电压驱动MOSFET、IGBT77电力二极管：具有单向导电性晶闸管：具有可控的单向导电性全控型器件：具有自关断特性二、电力电子器件的工作特点共同特点开关作用本 章 小 结三、电力电子器件的开关条件晶闸管的导通及关断条件GTO的关断条件GTR、电力MOSFET、IGBT的导通条件。78掌握所学过的各种电力电子器件的图形符号、电极名称。掌握晶闸管的工作特点、开关条件及主要参数。熟悉全控器件的工作特点和驱动方式。重 点本 章 小 结79
