第一章電力電子器件

1、第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件Power Electronics電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 定義：定義：在電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能變換的開(kāi)關(guān)電子器在電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能變換的開(kāi)關(guān)電子器件稱為電力電子器件（件稱為電力電子器件（Power Electronic Device)Power Electronic Device)。 電力電子器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是電力電子器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是電力電子裝置的心臟，它不但對(duì)電力電子裝置的體積、重量電力電子裝置的心臟，它不但對(duì)電力電子裝置的體積、重量、效率、性能以及可靠性等起到至關(guān)重要的作用，而且對(duì)裝、效率、性能

2、以及可靠性等起到至關(guān)重要的作用，而且對(duì)裝置的價(jià)格也有很大影響。一種新型器件的誕生往往使整個(gè)電置的價(jià)格也有很大影響。一種新型器件的誕生往往使整個(gè)電力電子裝置發(fā)生巨大改變，促進(jìn)電力電子技術(shù)向前發(fā)展。自力電子裝置發(fā)生巨大改變，促進(jìn)電力電子技術(shù)向前發(fā)展。自1957年第一個(gè)晶閘管問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)年第一個(gè)晶閘管問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)50多年的開(kāi)發(fā)和研究多年的開(kāi)發(fā)和研究，已有多種技術(shù)上成熟的電力電子器件推向市場(chǎng)，產(chǎn)品規(guī)格，已有多種技術(shù)上成熟的電力電子器件推向市場(chǎng)，產(chǎn)品規(guī)格琳瑯滿目。目前電力電子器件正沿著高頻化、智能化、大功琳瑯滿目。目前電力電子器件正沿著高頻化、智能化、大功率化和模塊化方向發(fā)展。率化和模塊化方向發(fā)展。

3、 第第1章、章、電力電子器件電力電子器件 第第1章、章、電力電子器件電力電子器件 v1.1 電力電子器件的基本模型電力電子器件的基本模型 v1.2 電力二極管電力二極管 v1.3 晶閘管晶閘管v1.4 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v1.5 電力晶體管電力晶體管 v1.6 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 v1.7 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v1.8 其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件v1.9 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)1.1 1.1 電力電子器件的基本模型電力電子器件的基本模型 定義：定義：電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和控電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和

4、控制的半導(dǎo)體電子器件稱為電力電子器件（制的半導(dǎo)體電子器件稱為電力電子器件（Power Electronic Device）。）。 廣義上電力電子器件可分為廣義上電力電子器件可分為電真空器件電真空器件和和半導(dǎo)半導(dǎo)體器件體器件兩類，本書涉及的器件都是指半導(dǎo)體電力兩類，本書涉及的器件都是指半導(dǎo)體電力電子器件。電子器件。1.1.1 電力電子器件的基本模型與特性電力電子器件的基本模型與特性 在對(duì)電能的變換和控制過(guò)程中，電力電子器件可以在對(duì)電能的變換和控制過(guò)程中，電力電子器件可以抽象成下圖抽象成下圖1.1.11.1.1所示的理想開(kāi)關(guān)模型，它有三個(gè)電極，所示的理想開(kāi)關(guān)模型，它有三個(gè)電極，其中其中A和和B代表

5、開(kāi)關(guān)的兩個(gè)主電極，代表開(kāi)關(guān)的兩個(gè)主電極，K是控制開(kāi)關(guān)通斷的是控制開(kāi)關(guān)通斷的控制極。它只工作在控制極。它只工作在“通態(tài)通態(tài)”和和“斷態(tài)斷態(tài)”兩種情況，兩種情況，在通態(tài)在通態(tài)時(shí)其電阻為零，斷態(tài)時(shí)其電阻無(wú)窮大。時(shí)其電阻為零，斷態(tài)時(shí)其電阻無(wú)窮大。 圖圖1.1.1 電力電子器件的理想開(kāi)關(guān)模型電力電子器件的理想開(kāi)關(guān)模型1、基本模型：、基本模型：1.1.1 電力電子器件的基本模型與特性電力電子器件的基本模型與特性2、基本特性：、基本特性：（1）電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。）電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。（2）電力電子器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由（驅(qū)動(dòng)電路）外電）電力電子器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由（驅(qū)動(dòng)電路）外電路來(lái)控制

6、。路來(lái)控制。（3）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開(kāi)關(guān)）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開(kāi)關(guān)損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，在其工作時(shí)一般都要致器件溫度過(guò)高而損壞，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。安裝散熱器。1.1.21.1.2 電力電子器件的種類電力電子器件的種類 1、按器件的開(kāi)關(guān)控制特性可以分為以下三類：、按器件的開(kāi)關(guān)控制特性可以分為以下三類： 不可控器件：不可控器件：器件本身沒(méi)有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，需要根器件本身沒(méi)有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通

7、、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。 如：電力二極管（如：電力二極管（Power Diode）；）； 半控型器件：半控型器件：通過(guò)控制信號(hào)只能控制其導(dǎo)通，不能控制其通過(guò)控制信號(hào)只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱為半控型器件。關(guān)斷的電力電子器件稱為半控型器件。 如：晶閘管（如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等；）及其大部分派生器件等； 全控型器件：全控型器件：通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷的器件，稱為全控型器件。斷的器件，稱為全控型器件。 如：門極可關(guān)斷晶閘管（如：門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyrist

8、or ）、）、 功率場(chǎng)效應(yīng)管（功率場(chǎng)效應(yīng)管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型）和絕緣柵雙極型 晶體管（晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。）等。 2 2、按控制信號(hào)的性質(zhì)不同又可分為兩種：、按控制信號(hào)的性質(zhì)不同又可分為兩種： 電流控制型器件：電流控制型器件： 采用電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。采用電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。 如：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、如：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等；等； 電壓控制半導(dǎo)體器件：電壓控制半導(dǎo)體器件： 采用電壓控制（場(chǎng)控原理控制）它的通、斷，輸入采用電壓控制（場(chǎng)控原理控制）它

9、的通、斷，輸入控制端基本上不流過(guò)控制電流信號(hào)，用小功率信號(hào)控制端基本上不流過(guò)控制電流信號(hào)，用小功率信號(hào)就可驅(qū)動(dòng)它工作。就可驅(qū)動(dòng)它工作。 如：代表性器件為如：代表性器件為MOSFET管和管和IGBT管。管。器件種類器件種類控制控制特性特性器件特性概略器件特性概略應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域電力二電力二極管（極管（PDPD）不可控不可控5 k V / 3 k A5 k V / 3 k A 幾 百幾 百 H zH z各種整流裝置各種整流裝置晶閘管（晶閘管（SCRSCR）半控型半控型6kV/6kA6kV/6kA，幾百幾百HzHz8kV/3.5kA8kV/3.5kA，光控，光控SCRSCR煉鋼廠、軋鋼機(jī)、直流輸電、

10、電解用整流器煉鋼廠、軋鋼機(jī)、直流輸電、電解用整流器可關(guān)斷可關(guān)斷晶閘管（晶閘管（GTOGTO）全控型全控型6kV/6kA，幾百幾百Hz工業(yè)逆變器、電力機(jī)車用逆變器、無(wú)功補(bǔ)償器工業(yè)逆變器、電力機(jī)車用逆變器、無(wú)功補(bǔ)償器MOSFETMOSFET600V/70A，約，約100kHz開(kāi)關(guān)電源、小功率開(kāi)關(guān)電源、小功率UPSUPS、小功率逆變器、小功率逆變器IGBTIGBT1200V1200V/400A，約，約20kHz4.5kV/1.8kA，約，約2kHz各種整流各種整流/ /逆變器（逆變器（UPSUPS、變頻器、家電）、電力機(jī)車用、變頻器、家電）、電力機(jī)車用逆變器、中壓變頻器逆變器、中壓變頻器 第第1章、

11、章、電力電子器件電力電子器件 v1.1 電力電子器件的基本模型電力電子器件的基本模型 v1.2 電力二極管電力二極管 v1.3 晶閘管晶閘管v1.4 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v1.5 電力晶體管電力晶體管 v1.6 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 v1.7 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v1.8 其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件v1.9 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)1.2 電力二極管電力二極管 電力二極管（電力二極管（Power Diode）也稱為半導(dǎo)體整流器（）也稱為半導(dǎo)體整流器（Semiconductor Rectifier，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱SR），屬），

12、屬不可控電力電子器件不可控電力電子器件，是，是20世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力電子器件。電子器件。 在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場(chǎng)合發(fā)揮著積極的作用在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場(chǎng)合發(fā)揮著積極的作用, 具有不具有不可替代的地位。可替代的地位。1.2.1 電力二極管及其工作原理電力二極管及其工作原理1、電力二極管的外形和電氣圖形符、電力二極管的外形和電氣圖形符： 由一個(gè)面積較大的由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成，結(jié)和兩端引線以及封裝組成，從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。 圖圖1.2.1電力二極管的外形和電氣

13、圖形符號(hào)電力二極管的外形和電氣圖形符號(hào)b）外形）外形 c）電氣圖形）電氣圖形2、PN結(jié)與結(jié)與電力二極管工作原理電力二極管工作原理（1 1）基本結(jié)構(gòu)和工作、原理與信息電子電路）基本結(jié)構(gòu)和工作、原理與信息電子電路中的二極管一樣，以半導(dǎo)體中的二極管一樣，以半導(dǎo)體PNPN結(jié)結(jié)為基礎(chǔ)。為基礎(chǔ)。圖圖1.2.1（a）電力二極管的結(jié)構(gòu)）電力二極管的結(jié)構(gòu)（2 2）N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)結(jié):內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng):空間電荷建立的電場(chǎng)空間電荷建立的電場(chǎng),也稱也稱自建電場(chǎng)自建電場(chǎng)，其方向是阻止，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引

14、對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)?？臻g電荷空間電荷:交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷?？臻g電荷?？臻g電荷區(qū)空間電荷區(qū):擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移

15、運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為的范圍，被稱為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。2、PN結(jié)與電力二極管工作原理結(jié)與電力二極管工作原理 2、 PN結(jié)與結(jié)與電力二極管工作原理電力二極管工作原理 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)：結(jié)的正向?qū)顟B(tài)： 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在維持在1

16、V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。 PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)：結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)： PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?主要特征主要特征 PN結(jié)的反向擊穿：結(jié)的反向擊穿： 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。 PN結(jié)的電容效應(yīng)：結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電容CD 。

17、(3) PN結(jié)的特性結(jié)的特性勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用。外加電壓頻率只在外加電壓變化時(shí)才起作用。外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容結(jié)電容影響影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀結(jié)的工作頻率，特別是在

18、高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳎瑧?yīng)用態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。時(shí)應(yīng)加以注意。2、 PN結(jié)與結(jié)與電力二極管工作原理電力二極管工作原理1、電力二極管的伏安特性、電力二極管的伏安特性 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值定值（門檻電壓（門檻電壓UTO），正向電流才開(kāi)始，正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即即為其正向電壓降。為其正向電壓降。 當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有當(dāng)電力二極管承受反向電壓

19、時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖圖1.2.2 電力二極管的電力二極管的伏安特性曲線伏安特性曲線1.2.2 1.2.2 電力二極管的特性與參數(shù)電力二極管的特性與參數(shù)2、電力二極管的開(kāi)關(guān)特性、電力二極管的開(kāi)關(guān)特性（1 1）關(guān)斷特性）關(guān)斷特性： 電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)過(guò)程。電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)過(guò)程。v須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。v在關(guān)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(guò)沖在關(guān)斷之前有較大的反

20、向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。定義：定義：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程（關(guān)斷過(guò)程、開(kāi)通過(guò)程）。反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程（關(guān)斷過(guò)程、開(kāi)通過(guò)程）。圖圖1.2.3 電力二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流波形電力二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流波形 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖U UFPFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V 2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間時(shí)間t tfrfr。v 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定

21、的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。通前管壓降較大。v 正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，率越大，U UFPFP越高越高 。（2 2）開(kāi)通特性）開(kāi)通特性： 電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過(guò)程。電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過(guò)程。圖圖1.2.3 電力二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流波形電力二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流波形n延遲時(shí)間：延遲時(shí)間：td= t1- t0 n電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間：tf= t2- t1n反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tfn恢復(fù)特性的軟度：恢復(fù)特性的軟度

22、：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，或稱恢復(fù)系數(shù)，用用sr表示。表示。圖圖1.2.3 電力二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流波形電力二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流波形（1 1）普通二極管）普通二極管： 普通二極管又稱整流管（普通二極管又稱整流管（Rectifier Diode），多用于開(kāi)），多用于開(kāi)關(guān)頻率在關(guān)頻率在KHZ以下的整流電路中，其反向恢復(fù)時(shí)間在以下的整流電路中，其反向恢復(fù)時(shí)間在usus以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。 （2 2）快恢復(fù)二極管：）快恢復(fù)二極管： 反向恢復(fù)時(shí)間在反向恢復(fù)時(shí)間在usus

23、以下的稱為快恢復(fù)二極管（以下的稱為快恢復(fù)二極管（Fast Fast Recovery DiodeRecovery Diode簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱FDRFDR）?？旎謴?fù)二極管從性能上可分為快）?？旎謴?fù)二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒以上，后者則在以上，后者則在100ns100ns以下，其容量可達(dá)以下，其容量可達(dá)1200V/200A1200V/200A的水平的水平, , 多用于高頻整流和逆變電路中。多用于高頻整流和逆變電路中。 （3 3）肖特基二極管：）肖特基二極管： 特基二極管是一種金屬同半導(dǎo)體相接觸形成整流特性的

24、特基二極管是一種金屬同半導(dǎo)體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為0.40.40.6V0.6V，而且它的反，而且它的反向恢復(fù)時(shí)間短，為幾十納秒。但反向耐壓在向恢復(fù)時(shí)間短，為幾十納秒。但反向耐壓在200200以下。它常以下。它常被用于高頻低壓開(kāi)關(guān)電路或高頻低壓整流電路中。被用于高頻低壓開(kāi)關(guān)電路或高頻低壓整流電路中。3 3、電力二極管的主要類型、電力二極管的主要類型4、電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) 額定正向平均電流額定正向平均電流在指定的管殼溫在指定的管殼溫TC （ 簡(jiǎn)稱殼溫）和散熱條簡(jiǎn)稱殼溫）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流

25、的平均值。件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。設(shè)該正弦設(shè)該正弦半波電流的峰值為半波電流的峰值為Im, 則額定電流則額定電流(平均電流平均電流)為為: : （1.2.51.2.5）（1.2.41.2.4）（1.2.61.2.6）（1.2.71.2.7）2)sin(2102mmFItdtII可求出正弦半波電流的波形系數(shù)可求出正弦半波電流的波形系數(shù): : 定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的波形系數(shù)，用波形系數(shù)，用K Kf f表示：表示：額定電流有效值為額定電流有效值為: :（1）額定正向平均電流）額定正向平均電流IF(A

26、V)0)(sin21mmAVFIttdII電流平均值電流有效值fK57. 12)(AVFFfIIK（1）額定正向平均電流）額定正向平均電流IF(AV)（續(xù)）（續(xù)） 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有應(yīng)留有1.52倍倍的裕量。的裕量。 當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略。往不能忽略。 當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效

27、應(yīng)也不小損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 。4、電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)（2）反向重復(fù)峰值電壓）反向重復(fù)峰值電壓RRM： 指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）此電壓通常為擊穿電壓指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）此電壓通常為擊穿電壓U U的的2/32/3。 （3） 正向壓降正向壓降F： 指規(guī)定條件下，流過(guò)穩(wěn)定的額定電流時(shí)，器件兩端的正向平均電壓指規(guī)定條件下，流過(guò)穩(wěn)定的額定電流時(shí)，器件兩端的正向平均電壓(又稱管壓降又稱管壓降)。 （4） 反向漏電流反向漏電流RR： 指器件對(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時(shí)的反向電流。指器件對(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時(shí)的反向電流。 （5）最高工作結(jié)

28、溫）最高工作結(jié)溫jM： 指器件中結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。指器件中結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。jM通常在通常在125175范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 第第1章、章、電力電子器件電力電子器件 v1.1 電力電子器件的基本模型電力電子器件的基本模型 v1.2 電力二極管電力二極管 v1.3 晶閘管晶閘管v1.4 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v1.5 電力晶體管電力晶體管 v1.6 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 v1.7 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v1.8 其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件v1.9 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)1.3

29、、晶閘管晶閘管n1.3.1 晶閘管及其工作原理晶閘管及其工作原理n1.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù)晶閘管的特性與主要參數(shù) n1.3.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 1.3 、晶閘管晶閘管 晶閘管晶閘管(Thirsted)包括：普通晶閘管包括：普通晶閘管(SCR)、快速、快速晶閘管晶閘管(FST)、雙向晶閘管、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管(RCT) 、可關(guān)斷晶閘管、可關(guān)斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。和光控晶閘管等。 由于普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛由于普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛, 因此在因此在無(wú)特別說(shuō)明的情況下無(wú)特別說(shuō)明的情況下,本書所說(shuō)的晶閘管都為普通晶

30、閘本書所說(shuō)的晶閘管都為普通晶閘管。管。 普 通 晶 閘 管普 通 晶 閘 管 ： 也 稱 可 控 硅 整 流 管： 也 稱 可 控 硅 整 流 管 ( S i l i c o n Controlled Rectifier), 簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱SCR。 由于它電流容量大由于它電流容量大,電壓耐量高以及開(kāi)通的可控性電壓耐量高以及開(kāi)通的可控性(目前生產(chǎn)水平：目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域, 成為特大功率成為特大功率低頻低頻(200Hz以下以下)裝置中的主要器件。裝置中的主要器件。1.3.1 晶

31、閘管及其工作原理晶閘管及其工作原理 （1 1）外形封裝形式）外形封裝形式: :可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在額定電流在200A以上以上), 分分別由圖別由圖2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。所示。 （2 2）晶閘管有三個(gè)電極）晶閘管有三個(gè)電極, 它們是陽(yáng)極它們是陽(yáng)極A, 陰極陰極K和門極和門極(或或稱柵極稱柵極)G, 它的電氣符號(hào)如圖它的電氣符號(hào)如圖1.3.1(e)所示。所示。 l圖圖1.3.1 1.3.1 晶閘管的外型及符號(hào)晶閘管的外型及符號(hào)1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：晶閘管的結(jié)構(gòu)：1、晶

32、閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)（續(xù)）續(xù)） 晶閘管是大功率器件晶閘管是大功率器件, 工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。裝散熱器。 螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上, 采用自然散熱冷卻方采用自然散熱冷卻方式式, 如圖如圖1.3.2(a)所示。所示。 平板式晶閘管由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊夾在中間平板式晶閘管由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊夾在中間, 散熱散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷方式可以采用風(fēng)冷或水冷, 以獲得較好的散熱效果以獲得較好的散熱效果,如圖如圖1.3.2 (b)、(c)所示。所示。圖圖1.3.2 1.3.2 晶閘管的散熱器晶閘管的散熱器2、晶

33、閘管的工作原理晶閘管的工作原理圖圖1.3.3 1.3.3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路 (1)導(dǎo)通：導(dǎo)通：晶閘管陽(yáng)極施加正向電壓時(shí)晶閘管陽(yáng)極施加正向電壓時(shí), 若給門極若給門極G也加正向電壓也加正向電壓Ua,門極電流門極電流Ig經(jīng)三極管經(jīng)三極管T2放大后成放大后成為集電極電流為集電極電流Ic2，Ic2又是三極管又是三極管T1的基極電流的基極電流, 放大后的集電極電流放大后的集電極電流Ic1進(jìn)一步使進(jìn)一步使Ig增大且又作為增大且又作為T2的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋過(guò)程的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋過(guò)程，兩個(gè)三極管兩個(gè)三極管T1、T2都快速進(jìn)入飽和狀態(tài)都快速進(jìn)入飽和狀態(tài),

34、使晶閘管陽(yáng)極使晶閘管陽(yáng)極A與陰與陰極極K之間導(dǎo)通。此時(shí)若撤除之間導(dǎo)通。此時(shí)若撤除Ug, T1、T2內(nèi)部電流仍維持原來(lái)的方向內(nèi)部電流仍維持原來(lái)的方向,只要滿足陽(yáng)極正偏的條件只要滿足陽(yáng)極正偏的條件,晶閘管就晶閘管就一直一直導(dǎo)通導(dǎo)通。晶閘管晶閘管( (單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?,),導(dǎo)通條件為導(dǎo)通條件為陽(yáng)極正偏陽(yáng)極正偏和和門極正偏門極正偏。 (2) (2)阻斷：阻斷：當(dāng)晶閘管當(dāng)晶閘管A A 、K K間承受正向電壓，而門極間承受正向電壓，而門極電流電流I Ig g=0=0時(shí)時(shí), , 上述上述T T1 1和和T T2 2之間的正反饋不能建立起來(lái)之間的正反饋不能建立起來(lái), ,晶閘管晶閘管A A 、K K間只有

35、很小的正向漏電流，它處于正向間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻阻斷斷狀態(tài)。狀態(tài)。 2、晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理圖圖1.3.3 1.3.3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路1.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù)晶閘管的特性與主要參數(shù)圖圖1.3.4 晶閘管陽(yáng)極伏安特性晶閘管陽(yáng)極伏安特性 定義：定義：晶閘管陽(yáng)極與陰極之間的電壓晶閘管陽(yáng)極與陰極之間的電壓Ua與陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。閘管的伏安特性。 第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第三象限是、第三象限是反向特性反向特性。 UDRM、URRM正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓；正、反向

36、斷態(tài)重復(fù)峰值電壓； UDSM、URSM正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓； UBO正向轉(zhuǎn)折電壓；正向轉(zhuǎn)折電壓； URO反向擊穿電壓。反向擊穿電壓。. 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 ：. 晶閘管的伏安特性（續(xù)）晶閘管的伏安特性（續(xù)） ： （1）晶閘管的反向特性）晶閘管的反向特性 晶閘管上施加反向電壓時(shí)，晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性。伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。只有極小的反相漏電流流過(guò)。 當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限到反

37、向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖圖1.3.4 晶閘管陽(yáng)極伏安特性晶閘管陽(yáng)極伏安特性. 晶閘管的伏安特性（續(xù)）晶閘管的伏安特性（續(xù)）：（2）晶閘管的正向特性）晶閘管的正向特性 IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則，則漏電流漏電流急劇增大，急劇增大，器件開(kāi)通。器件開(kāi)通。 隨著門極電流幅值的增大，正向隨著門極電流幅值的增大，

38、正向轉(zhuǎn)折電壓降低。轉(zhuǎn)折電壓降低。 導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。正向特性相仿。 晶閘管本身的壓降很小，在晶閘管本身的壓降很小，在1V左左右。右。 導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。狀態(tài)。IH稱為稱為維持電流。維持電流。圖圖1.3.4 晶閘管陽(yáng)極伏安特性晶閘管陽(yáng)極伏安特性2. 2. 晶閘管的開(kāi)關(guān)特性晶閘管的開(kāi)關(guān)特性晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電壓和電流波形。晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電壓和電流波形。l 1.3.5

39、 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 (1) 開(kāi)通過(guò)程：開(kāi)通過(guò)程： 延遲時(shí)間延遲時(shí)間t td d：門極電流階門極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的升到穩(wěn)態(tài)值的10%10%的時(shí)間。的時(shí)間。 上升時(shí)間上升時(shí)間t tr r：陽(yáng)極電流從陽(yáng)極電流從10%10%上升到穩(wěn)態(tài)值的上升到穩(wěn)態(tài)值的90%90%所需所需的時(shí)間。的時(shí)間。 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間t tgtgt：以上兩者之以上兩者之和，和，t tgtgt=t=td d+t+tr r 普通晶閘管延普通晶閘管延遲時(shí)為遲時(shí)為0.51.5s0.51.5s，上升時(shí)間，上升時(shí)間為為0.53s0.53s。2. 2. 晶閘管的

40、開(kāi)關(guān)特性（續(xù)）晶閘管的開(kāi)關(guān)特性（續(xù)）n1.3.5 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間t tgrgr：晶閘管要晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)ā?huì)重新正向?qū)ā?實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。路才能可靠

41、工作。 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t tq q：t trrrr與與t tgrgr之和，即之和，即 t tq q =t=trrrr+t+tgrgr 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 2. 2. 晶閘管的開(kāi)關(guān)特性（續(xù)）晶閘管的開(kāi)關(guān)特性（續(xù)）l1.3.5 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形 (2) 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trrtrr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間（3）晶閘管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間）晶閘管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間v開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt：o普通晶閘管的開(kāi)通時(shí)間普通晶

42、閘管的開(kāi)通時(shí)間tgt 約為約為6s。o開(kāi)通時(shí)間與觸發(fā)脈沖的陡度與電壓大小、結(jié)溫以及主回路中的電開(kāi)通時(shí)間與觸發(fā)脈沖的陡度與電壓大小、結(jié)溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。感量等有關(guān)。v關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq ：o普通晶閘管的普通晶閘管的tq 約為幾十到幾百微秒。約為幾十到幾百微秒。o關(guān)斷時(shí)間與元件結(jié)溫關(guān)斷時(shí)間與元件結(jié)溫 、關(guān)斷前陽(yáng)極電流的大小以及所加反壓的、關(guān)斷前陽(yáng)極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。大小有關(guān)。3. 晶閘管的主要特性參數(shù)晶閘管的主要特性參數(shù) （1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓）晶閘管的重復(fù)峰值電壓額定電壓額定電壓Ute 正向重復(fù)峰值電壓正向重復(fù)峰值電壓UDRM : : 門極斷開(kāi)門極斷開(kāi)(I(Ig

43、 g=0), =0), 元件處在額定結(jié)溫時(shí)元件處在額定結(jié)溫時(shí), ,正向陽(yáng)極電壓為正向正向陽(yáng)極電壓為正向阻斷不重復(fù)峰值電壓阻斷不重復(fù)峰值電壓U UDSMDSM ( (此電壓不可連續(xù)施加此電壓不可連續(xù)施加) )的的80%80%所對(duì)應(yīng)的電所對(duì)應(yīng)的電壓壓( (此電壓可重復(fù)施加此電壓可重復(fù)施加, ,其重復(fù)頻率為其重復(fù)頻率為50HZ50HZ，每次持續(xù)時(shí)間不大于，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms)10ms)。 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM : : 元件承受反向電壓時(shí)元件承受反向電壓時(shí), ,陽(yáng)極電壓為反向不重復(fù)峰值電壓陽(yáng)極電壓為反向不重復(fù)峰值電壓URRM的的80%80%所對(duì)應(yīng)的電壓。所對(duì)應(yīng)的電壓。 晶閘

44、管銘牌標(biāo)注的晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓額定電壓通常取通常取U UDRMDRM與與U URRMRRM中的最小值中的最小值, , 選選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量, ,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓閘管所承受峰值電壓2 23 3倍。倍。（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流）晶閘管的額定通態(tài)平均電流額定電流額定電流IT(AV) 定義：定義：在環(huán)境溫度為在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下和規(guī)定的冷卻條件下, 晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170的單相工頻的單相工頻正弦半波電路中正弦半波電路中, 當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不

45、超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許的最大通態(tài)平均電流。 在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以1.52的安全系數(shù)，使其有一定的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。的電流裕量。 IT(AV)計(jì)算方法：計(jì)算方法： 根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電流。設(shè)該正弦半波電流的峰值為流。設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im, 則額定電流則額定電流(平均電流平均電

46、流)為：為： 這說(shuō)明額定電流這說(shuō)明額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，其額定有效值為的晶閘管，其額定有效值為IT = Kf IT(AV) = 157A。 0)(sin21mmAVTIttdII2)sin(2102mmTItdtII 電電流流平平均均值值電電流流有有效效值值 fK57. 12)( AVTTfIIK（1.3.31.3.3）（1.3.41.3.4）（1.3.51.3.5）（1.3.41.3.4） 額定電流有效值為：額定電流有效值為： 現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的波形系數(shù)，用現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的波形系數(shù)，用Kf表示：表示：根據(jù)

47、上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：（3）門極觸發(fā)電流）門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓和門極觸發(fā)電壓UGT 定義：定義：在室溫下，晶閘管加在室溫下，晶閘管加6V正向陽(yáng)極電壓時(shí)，使正向陽(yáng)極電壓時(shí)，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓。對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。 晶閘管由于晶閘管由于門極特性門極特性的差異，其觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓也的差異，其觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓也相差很大。所以對(duì)不同系列的元件只規(guī)定了觸發(fā)電流、電相差很大。所

48、以對(duì)不同系列的元件只規(guī)定了觸發(fā)電流、電壓的上、下限值。壓的上、下限值。 晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫下的實(shí)測(cè)值，但觸發(fā)電流、電壓受下的實(shí)測(cè)值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響溫度的影響很大，溫度很大，溫度升高，升高，UGT 、IGT 值會(huì)顯著降低，溫度降低，值會(huì)顯著降低，溫度降低，UGT 、IGT 值值又會(huì)增大。又會(huì)增大。為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，外加門極電壓的幅值應(yīng)比外加門極電壓的幅值應(yīng)比UGT 大幾倍。大幾倍。（4）通態(tài)平均電壓通態(tài)平均電壓UT(AV ) 定義：定義：在規(guī)定環(huán)境溫度

49、、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下， 元件通以正元件通以正弦半波額定電流時(shí)，陽(yáng)極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)弦半波額定電流時(shí)，陽(yáng)極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓平均電壓(又稱管壓降又稱管壓降)其數(shù)值按表其數(shù)值按表1.3.3分組分組在實(shí)際使用中，在實(shí)際使用中，從減小損耗和元件發(fā)熱來(lái)看，應(yīng)選擇從減小損耗和元件發(fā)熱來(lái)看，應(yīng)選擇T(AV) 小的晶閘管。小的晶閘管。 組組 別別ABC通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V）T0.40.4T0.50.5T0.6 組組 別別DEF通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V）0.6T0.70.7T0.80.8T0.9 組組 別別GHI通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均

50、電壓（V）0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表表1.3.3 1.3.3 晶閘管通態(tài)平均電壓分組晶閘管通態(tài)平均電壓分組（5）維持電流）維持電流 和掣住電流和掣住電流L 維持電流維持電流： 在室溫下門極斷開(kāi)時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至在室溫下門極斷開(kāi)時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流為維持電流剛好能保持導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流為維持電流H 。 維持電流與元件容量維持電流與元件容量 、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型號(hào)的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上號(hào)的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下標(biāo)明了常溫下IH 的實(shí)測(cè)值。的實(shí)測(cè)值。

51、掣住電流掣住電流L ： 給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極電流稱掣住電流要的最小陽(yáng)極電流稱掣住電流L。 對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，掣住電流對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，掣住電流L 要比維持電流要比維持電流H 大大24倍。倍。 （6）通態(tài)電流臨界上升率）通態(tài)電流臨界上升率 di/dt 定義：定義：晶閘管能承受而沒(méi)有損害影響的最大通態(tài)電流上晶閘管能承受而沒(méi)有損害影響的最大通態(tài)電流上升率稱通態(tài)電流臨界上升率升率稱通態(tài)電流臨界上升率 di/dt。 影響：影響：門

52、極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開(kāi)始只在靠近門極門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開(kāi)始只在靠近門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到到PN結(jié)的全部面積。如果陽(yáng)極電流上升得太快，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)的全部面積。如果陽(yáng)極電流上升得太快，則會(huì)導(dǎo)致門極附近的結(jié)因電流密度過(guò)大而燒毀，使晶閘管損壞。門極附近的結(jié)因電流密度過(guò)大而燒毀，使晶閘管損壞。 晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率。晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率。（7）斷態(tài)電壓臨界上升率）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt n1 1）定義：）定義：把在規(guī)定條件下，不導(dǎo)致晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)把在規(guī)定條件下，

53、不導(dǎo)致晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大陽(yáng)極電壓上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上換到通態(tài)的最大陽(yáng)極電壓上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率升率du/dt。 n2 2）影響：）影響：晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個(gè)電容，晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個(gè)電容，若突然加一正向陽(yáng)極電壓，便會(huì)有一個(gè)充電電流流過(guò)結(jié)若突然加一正向陽(yáng)極電壓，便會(huì)有一個(gè)充電電流流過(guò)結(jié)面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的結(jié)時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)于面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的結(jié)時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，如果這個(gè)電流過(guò)大，將會(huì)使元件觸發(fā)電流的作用，如果這個(gè)電流過(guò)大，將會(huì)使元件誤觸誤觸發(fā)導(dǎo)通發(fā)導(dǎo)通。 1.3.3 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 可允許開(kāi)關(guān)頻

54、率在可允許開(kāi)關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為以上工作的晶閘管稱為快快速晶閘管速晶閘管(Fast Switching Thyrister，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱FST)，開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率在頻率在10KHZ 以上的稱為以上的稱為高頻晶閘管高頻晶閘管。 快速晶閘管為了提高開(kāi)關(guān)速度，其硅片厚度做得比快速晶閘管為了提高開(kāi)關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在一般在2000V以下。以下。 快速晶閘管快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時(shí)必須注意產(chǎn)的耐量較差，使用時(shí)必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開(kāi)關(guān)頻率下的品銘牌上規(guī)定的額定開(kāi)

55、關(guān)頻率下的du/dt，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率升高時(shí)，升高時(shí)，du/dt 耐量會(huì)下降。耐量會(huì)下降。1. 快速晶閘管快速晶閘管(Fast Switching ThyristerFSTFST） 可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極極T T1 1和和T T2 2，一個(gè)門極，一個(gè)門極G G。 正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第所以雙向晶閘管在第和第IIIIII象象限有對(duì)稱的伏安特性。限有對(duì)稱的伏安特性。 與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)

56、單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSRSSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。 通常用在交流電路中，因此通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。額定電流值。圖圖1.3.6 1.3.6 雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路、電氣圖形符號(hào)和伏安特性雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路、電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) b) 等效電路等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) d) 伏安特性伏安特性2. 雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC)(TRIAC) 1)將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)

57、二極管制作在同一管芯上的功率集成制作在同一管芯上的功率集成器件。器件。 2)與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘管具有正壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、管具有正壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)；點(diǎn)； 3)根據(jù)逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性可根據(jù)逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；知，它的反向擊穿電壓很低；因此只能適用于反向不需承受因此只能適用于反向不需承受電壓的場(chǎng)合；電壓的場(chǎng)合； 4)逆導(dǎo)晶閘管存在著晶閘管區(qū)和逆導(dǎo)晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)；整流管區(qū)之間的隔離區(qū)； 5)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整

58、流管的額定電流表晶閘管和整流管的額定電流表示；示；圖圖1.3.7 逆導(dǎo)晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路、電氣圖形符號(hào)和伏安特逆導(dǎo)晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路、電氣圖形符號(hào)和伏安特性性a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu) b) 等效電路等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) d) 伏安特性伏安特性3. 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管 (RCT) 1) 1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。閘管。 2) 2) 小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子。陰極兩個(gè)端子。 3 3）大功率光控晶閘管則還帶有光）大功率光控晶閘管則還帶

59、有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。 4 4）光觸發(fā)保證了主電路與控制電）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功擾的影響，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。位。 圖圖1.3.8 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性4. 光控晶閘管光控晶閘管(LTT)(LTT) 第

60、第1章、章、電力電子器件電力電子器件 v1.1 電力電子器件的基本模型電力電子器件的基本模型 v1.2 電力二極管電力二極管 v1.3 晶閘管晶閘管v1.4 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 v1.5 電力晶體管電力晶體管 v1.6 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 v1.7 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管 v1.8 其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件v1.9 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)1.4 1.4 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor)(Gate-Turn-Off Thyristor)簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱GTOGT