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1、1 1概念概念: :电力电子器件电力电子器件Power Electronic DevicePower Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。换或控制的电子器件。主电路主电路Main Power CircuitMain Power Circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电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。能的变换或控制任务的电路。4.1 电力电子器件的概念电力电子器件电力电子器件:3.能处理电功率的能力，一般远大于处理信息能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。的电子器
2、件。4.电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件一般都工作在开关状态。5.电力电子器件往往需要由信息电子电路来控电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。制。6.电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电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。子器件，一般都要安装散热器。4.1 电力电子器件的概念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：:通态损耗是器件功率损耗的主要成因。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。耗的主要因素。主要损耗通态
3、损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗4.1 电力电子器件的概念 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗:电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。和以电力电子器件为核心的主电路组成。电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行4.1 电力电子器件的概念电气隔离控制电路:半控型器件半控型器件Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。控制其关断。全控
4、型器件全控型器件IGBT，MOSFET，GTO，IGCT) 通过控制信号既可控制其导通又可控通过控制信号既可控制其导通又可控制其关制其关 断，又称自关断器件。断，又称自关断器件。不可控器件不可控器件(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, 因此因此也就不需要驱动电路。也就不需要驱动电路。4.1 电力电子器件的概念按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：:电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者通或者 关断的控制。关断的控制。电压驱动型电压驱动型 仅通过在
5、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信号就可实现导通或者关断的控制。电压信号就可实现导通或者关断的控制。4.1 电力电子器件的概念 按照驱动电路信号的性质，分为两按照驱动电路信号的性质，分为两类：类：:4.2 半控型器件晶闸管4.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理4.2.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性4.2.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数4.2.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件:晶晶闸闸管管ThyristorThyristor）：晶晶体体闸闸流流管管，可可控控硅硅整整流流 器器 Silicon Silicon Controlle
6、d Controlled RectifierRectifierSCRSCR）4.2.1 晶晶闸闸管的管的结结构与工作原理构与工作原理:晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理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外形及结构:晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理式中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 ： 按晶体管的工作原理 ，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）:晶闸管的结构与工作原理晶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
7、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。:4.2.2 晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：:4.2.2 晶闸管的基本特性（1正向特性IG=0时，器件两端施加正向
8、电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 静态特性静态特性图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG:4.2.2 晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2I
9、G1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2反向特性反向特性:4.2.2 晶闸管的基本特性1) 开通过程延迟时间td (0.51.5s)上升时间tr (0.53s)开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr （1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2） 动态特性动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形:4.2.3 晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在在门门极极断断路
10、路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的正正向峰值电压。向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的反反向峰值电压。向峰值电压。通态峰值电压通态峰值电压UT 晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定定倍倍数数的的额额定定通通态态平平均均电电流流时时的的瞬瞬态态峰峰值电压。值电压。通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。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23倍。使用注意：使用注意：1电压定额电压定额:4.2
11、.3 晶闸管的主要参数通态平均电流通态平均电流 IT(AV IT(AV）在环境温度为在环境温度为4040C C和规定的冷却状态下，稳定结温和规定的冷却状态下，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波电流的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。标称其额定电流的参数。平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移
12、除触发信号后， 能维持能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常ILIL约为约为IHIH的的2424倍。倍。浪涌电流浪涌电流ITSMITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流不重复性最大正向过载电流 。2 2电流定额电流定额:4. 3 晶闸管的主要参数 除开通时间除开通时间tgttgt和关断时间和关断时间tqtq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt du/dt 指指在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路的的情情况况下下，不不导导致致晶
13、晶闸管从断态到通闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。态转换的外加电压最大上升率。 电电压压上上升升率率过过大大，使使充充电电电电流流足足够够大大，就就会会使使晶晶闸闸管误导通管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt 指指在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管能能承承受受而而无无有有害害影影响响的最大通态电流上升率。的最大通态电流上升率。 如如果果电电流流上上升升太太快快，可可能能造造成成局局部部过过热热而而使使晶晶闸闸管损坏。管损坏。3 3动态参数动态参数:4.3.1 门极可关断晶闸管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。GTO的电
14、压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管Gate-Turn-Off Thyristor GTO）:4.3.1 门极可关断晶闸管构造：构造：与与普普通通晶晶闸闸管管的的相相同同点点： PNPN四四层层半半导导体体结结构构，外部引出阳极、阴极和门极。外部引出阳极、阴极和门极。和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同点点：GTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成器件。成器件。 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1GTO的结构和工作原理的结构和工作原理:4.3.1 门极可关断晶
15、闸管工作原理：工作原理： 1+1+ 2=12=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。:4.3.1 门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 :4.3.1 门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集
16、成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。 由上述分析我们可以得到以下结论：:4.3.1 门极可关断晶闸管开开通通过过程程：与与普普通通晶晶闸闸管管相同相同关关断断过过程程：与与普普通通晶晶闸闸管管有所不同有所不同储储存存时时间间ts，使使等等效效晶晶体体管退出饱和。管退出饱和。下降时间下降时间tf 尾尾部部时时间间tt 残残存存载载流流子子复合。复合。通通常常tf比比ts小小得得多多，而而tt比比ts要长。要长。门门极极负负脉脉冲冲电电流流幅幅值值越越大大，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6GTO的开
17、通和关断过程电流波形2)GTO的动态特性的动态特性:4.3.1 门极可关断晶闸管3)GTO的主要参数的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2） 关断时间关断时间toff（1开通时间开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。:4.3.1 门极可关断晶闸管（3最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4） 电流关断增益电流关断增益off off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。（1-8）:
