电力电子技术电力电子器件1.pptx

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1、1本章内容和学习要点本章内容和学习要点掌握各种器件（电力二极管、晶闸管、IGBT和POWER MOSFET）的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题；掌握电力电子器件的驱动、保护方法和了解串、并联使用；了解电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求；最重要的是掌握其基本特性。 第1页/共89页21.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 第2页/共89页31.11.1电

2、力电子器件概述电力电子器件概述 电力电子器件（power electronic device） 可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； 主电路（main power circuit）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。 广义上分为两类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管等电真空器件) 半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅) 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征第3页/共89页4电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力是最重要

3、的参数。 其处理电功率的能力小至毫瓦（mW）级，大至兆瓦（GW）级, 大多都远大于处理信息的电子器件。 第4页/共89页5电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 (2) 电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定。阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单往往用理想开关来代替。 第5页/共89页6电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 (3)

4、实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。(4)为保证不致于因损耗产生的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。 导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 。 第6页/共89页7电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗；在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗；通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而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

5、会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素； 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一。 第7页/共89页8应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成 图1-1 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 第8页/共89页9应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成控制电路：按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能；检测电路：电压传感器PT、电流传感器CT；电气隔离：通过光、磁等来传递信号；

6、保护电路：过压保护、过流保护； 第9页/共89页10电力电子装置结构图（正面内部）第10页/共89页11电力电子装置结构图（背面内部）第11页/共89页12电力电子装置结构图（控制部分）第12页/共89页13电力电子装置结构图（主回路部分）第13页/共89页14电力电子装置结构图（驱动与保护部分）第14页/共89页15电力电子装置结构图（变压器部分）第15页/共89页16开关磁阻电动机（SRM）定子、转子结构图第16页/共89页176/4极SRM剖面示意图8/6极SRM剖面示意图SRM磁场变化示意图第17页/共89页18SRM控制系统原理图SRM控制系统结构图第18页/共89页19SRM控制系

7、统主电路结构图SRM控制系统主电路通断过程图SRM运行中振动示意图第19页/共89页20SRM运行示意图第20页/共89页21电力电子器件的分类电力电子器件的分类1) 半控型器件半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3) 不可控器件不可控器件电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路

8、中承受的电压和电流决定2) 全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：第21页/共89页22 1) 电流驱动型电流驱动型 1) 单极型器件单极型器件2) 电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现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导通或者关断的控制仅通过在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 2) 双极型器件双极型器件3) 复合型器件复合型

9、器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件的器件 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类： 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：第22页/共89页231.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 电力二极电力二极管的主要参数管的主要参数 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型第23页/共8

10、9页24 Power DiodePower Diode结构和原理简单，工作可靠，结构和原理简单，工作可靠，自自2020世纪世纪5050年代初期就获得应用。年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别快恢复二极管和肖特基二极管，分别 在中、在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，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。具有不可替代的地位。不可控器件电力二极管1.2第24页/共89页25 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体以半导体PNPN结

11、为基础结为基础由一个面积较大的由一个面积较大的PNPN结和两端引线以及封装组成的结和两端引线以及封装组成的从外形上看，主要有从外形上看，主要有螺栓型和平板型螺栓型和平板型两种封装两种封装AKAKa)IKAPNJb)c)图图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号第25页/共89页26N N型半导体和型半导体和P P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PNPN结。结。图图1-3 PN1-3 PN结的形成结的形成 扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由

12、空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层耗尽层、阻挡层阻挡层或势垒区势垒区。 空间电荷建立的电场被称为内电场内电场或自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。 交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散扩散运动运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷空间电荷。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场 PNPN结与

13、电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 第26页/共89页27PNPN结的正向导通状态结的正向导通状态 电导调制效应电导调制效应使得使得PNPN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PNPN结表现为低阻态。结表现为低阻态。PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 PNPN结的单向导电性。结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PNPN结的单向导电性这一主要特征。结的单向导电性这一主要特征。PNPN结的反向击穿结的反向击穿 有有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式，可能导致热

14、击穿。两种形式，可能导致热击穿。PNPN结的电容效应：结的电容效应： PNPN结的电荷量随外加电压而变化，呈现结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，称为，称为结电容结电容C CJ J，又称为又称为微分电容微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容C CB B和和扩散电容扩散电容C CD D 。 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 第27页/共89页28 势垒电容势垒电容只在外加电压变化时才起作用。只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。作用越明显。势垒电容

15、的大小与势垒电容的大小与PNPN结截面积成正比，与阻挡层厚度成结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。反比。 扩散电容扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。 结电容结电容影响影响PN结的工作频率，特别是在结的工作频率，特别是在高速开关高速开关的状态下，可能使其的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电

16、力二极管的工作原理 第28页/共89页29造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管管区别区别的一些因素：的一些因素： 正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，的注入水平较高，电导调制效应电导调制效应不能忽略。不能忽略。 引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。 承受的电流变化率承受的电流变化率d di i/d/dt t较大，因而其引线和器件自身的电感效应也较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。会有较大影响。 为了

17、提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。 PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 第29页/共89页30电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1. 静态特性 主要指其伏安特性 IOIFUTOUFU图图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到当电力二极管承受的正向电压大到一定值（一定值（门槛电压门槛电压U UTOTO），正向电流才开），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流向电流I IF F对应的电力二极管两端的电压对应的电力二极管两

18、端的电压U UF F即为其正向电压降。即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向电压时，只当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。电流。第30页/共89页312. 动态特性 关断过程关断过程 开关特性开关特性须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 反映通态和断态之间的转换过程反映通态和断态之间的转换过程 因结电容的存在，电力二极管在因

19、结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置零偏置、正向偏置和反向偏置三种状态三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变电流特性是随时间变化的。化的。电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性第31页/共89页32 开通过程开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲电力二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于接，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如近稳态压降的某个值（如 1V1V）。这一动态过程时间被称为）。这一动态过程时间被称为正向恢复正向恢复时间时间t tfr fr。 电导调制效

20、应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。前管压降较大。 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，越大，U UFPFP越高越高 。2. 动态特性（续）动态特性（续）电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性第32页/共89页33 延迟时间：延迟时间：t td d= = t t1 1- - t t0 0, , 电流下降时间：电流下降时间：t tf f= = t t2 2- - t t1 1 反向恢复时间：反向恢复时间：t trrrr= =

21、t td d+ + t tf f 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值t tf f / /t td d，或称恢复系数，用，或称恢复系数，用S Sr r表示表示b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 返回 外电压、外电感电导调制抽取N区少子外电感第33页/共89页34电力二极管的主要参数电力二极管的主要

22、参数1. 正向平均电流正向平均电流I IF(AV)F(AV) 在指定的管壳温度（简称壳温，用在指定的管壳温度（简称壳温，用T TC C表示）和散热条件下，其允许流表示）和散热条件下，其允许流过的过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。 正向平均电流正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有有效值相等的原则效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略 当采用反向漏电

23、流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小应也不小 第34页/共89页35电流平均值与有效值的计算1：电流平均值：电流有效值：21)(112)(dfIAVT21)(1212dfIT书中书中p42 T3 p42 T3 计算方法可参照以上公式计算方法可参照以上公式第35页/共89页36电流平均值与有效值的计算2： 在正弦半波情况下，根据通态平均电流 IF(AV) 的定义，当电流的最大值为Im时，而正弦半波的电流有效值为： 可见，在正弦半波情况下，电流有效值和平均值的比值为1.57倍。（注：书中p14 L17结论）mmAVFIttd

24、II)(sin210)(2)()sin(2102mmItdtII第36页/共89页372. 2. 正向压降正向压降U UF F 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降的正向压降 有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降的最大瞬时正向压降3. 3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压 通常是其雪崩击穿电压通常是其

25、雪崩击穿电压U UB B的的2/32/3 使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的的两倍两倍来选定来选定电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数第37页/共89页384. 最高工作结温最高工作结温T TJMJM 结温是指管芯结温是指管芯PNPN结的平均温度，用结的平均温度，用T TJ J表示。表示。 最高工作结温是指在最高工作结温是指在PNPN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。温度。T TJMJM通常在通常在125175125175 C C范围之内。范围之内。5. 5. 反

26、向恢复时间反向恢复时间t trrrrt trrrr= = t td d+ + t tf f ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。时间。6. 6. 浪涌电流浪涌电流I IFSMFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数第38页/共89页39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。

27、性的不同介绍。 在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。 性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。1. 1. 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode） 又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier DiodeRectifier Diode） 多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz1kHz以下以下）的整流电路中）的整流电路中 其反向恢复时间较长，一般在其反向恢复时间较长，一般在5 5 s s以上，这在开关频率不高

28、时并不重以上，这在开关频率不高时并不重要。要。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数数千安和数千伏以上千伏以上。第39页/共89页402. 2. 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 5 s s以下）的二极管，也简称快速二极管 工艺上多采用了掺金措施 有的采用PN结型结构 有的采用改进的PiN结构 采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低

29、于50ns50ns），正向压降也很低（0.9V0.9V左右），但其反向耐压多在1200V1200V以下 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns100ns以下，甚至达到2030ns2030ns。 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型第40页/共89页413. . 肖特基二极管肖特基二极管 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（极管（Schottky Barrier DiodeSBDSchottky Barrier DiodeSBD），简称为），简称为肖

30、特基二极管肖特基二极管 2020世纪世纪8080年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用用 肖特基二极管的肖特基二极管的弱点 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V200V以下以下 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度更严格地限制其工作温度 肖特基二极管的肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短反向恢复时间很短（1040ns1040ns） 正向

31、恢复过程中也不会有明显的电压过冲正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型第41页/共89页421.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第42页/共89页431.31.3半控型器件半控

32、型器件晶闸管晶闸管晶闸管（晶闸管（ThyristorThyristor）：晶体闸流管，可控硅整：晶体闸流管，可控硅整流器（流器（Silicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled RectifierSCR）19561956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell LabBell Lab）发明了晶闸管）发明了晶闸管19571957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（GEGE）开发出第一只晶）开发出第一只晶闸管产品闸管产品19581958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代泛应用的崭

33、新时代2020世纪世纪8080年代以来，开始被性能更好的全控型器件年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量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的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件派生器件 第43页/共89页44晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 外形有外形有螺栓型和螺栓型和平板型平板型两种封装两种封装引出引出阳极阳极A A、阴极、阴极K K和门极（控制端）和门

34、极（控制端）GG三个联接端三个联接端对于螺栓型封装，对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联能与散热器紧密联接且安装方便接且安装方便平板型封装的晶闸平板型封装的晶闸管可由两个散热器管可由两个散热器将其夹在中间将其夹在中间 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3图1-6 晶闸管的外形 a) 、结构 b)和电气图形符号 c) 与二极管的区别？与二极管的区别？第44页/共89页45晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶

35、体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理第45页/共89页46晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1. 1. 静态特性静态特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；闸管都不会导通；伏安特性类似二极管的反向特伏安特性类似二极管的反向特性性; ;承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通，或：晶闸管才能开通，或：（p42 T1 p42 T1 参考答案）参考答案）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；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

36、近要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。于零的某一数值以下。 00GKAKuu且第46页/共89页47晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 第第I I象限的是正向特性象限的是正向特性 第第IIIIII象限的是反向特性象限的是反向特性断态重复峰值电压断态重复峰值电压 U UDRMDRM反向重复峰值电压反向重复峰值电压 U URRMRRM正向转折电压正向转折电压 U Ubobo维持电流维持电流 I IHH断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压U UDSMDSM反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压U URSMRSM 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0U

37、boUDSMUDRMURRMURSM图图1-8 1-8 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性I IG2G2 I IG1G1 I IG GboDSMDSMDRMUUUU9 . 0第47页/共89页48晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出极流出 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的极之间施加触发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是晶闸管的门极和阴极之间是PNPN结结J J3

38、 3，其伏安特，其伏安特性称为性称为门极伏安特性门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。在可靠触发区。 第48页/共89页49晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性I IGG=0=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压即正向转折电压U Ub bo o，则漏电流急剧增大，器件开通，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

39、转折电压降低随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V1V左右左右导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值近于零的某一数值I IHH以下，则晶闸管又回到正向阻断以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。状态。I IHH称为维持电流称为维持电流。 （p42 T2 p42 T2 参考答案）参考答案） 第49页/共89页50晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2. 动态特性 图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形 10

40、0%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA延迟时间延迟时间t td d、上升时间、上升时间t tr r、开通时间、开通时间t tgt gt td+ tr 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr、正向阻断恢复时间、正向阻断恢复时间t tgrgr、关、关断时间断时间t tq q（t tq q= =t trrrr+ +t tgrgr）第50页/共89页51晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1)1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间t td d：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%10%的时间上升时间上升时间t tr r：阳极电流从10%上升到稳态值的9

41、0%90%所需的时间开通时间开通时间t tgtgt以上两者之和， tgt=td+tr （1-6） 普通晶闸管延迟时间为：0.51.50.51.5 s s，上升时间为：0.530.53 s s 第51页/共89页52晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2) 2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间t tgrgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复

42、其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作 关断时间关断时间t tq q：t tr r r与t tg rg r之和，即 t tq q= =t tr rr r+ +t tg rg r （1-7)） 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 第52页/共89页53晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1. 1. 电压定额电压定额1)1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM在门极断路而结在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值正向峰值电压。电压。2)2)反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 在门极断路而结在门极断路而结温为额定值时，允

43、许重复加在器件上的反向峰值电温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。压。3)3)通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM晶闸管通以某一规晶闸管通以某一规定倍定倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器中较小的标值作为该器件的件的额定电压额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量。选用时，额定电压要留有一定裕量, ,一一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2323倍倍 第53页/共89页54晶闸管的主要参数晶

44、闸管的主要参数2. 电流定额 1) 通态平均电流 IT(AV) 额定电流- 晶闸管在环境温度为40 C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平均值。 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管 应留一定的裕量，一般取1.52倍 第54页/共89页55晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2)2) 维持电流维持电流 I IHH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流（p42 p42 T2 T2 答案）答案）一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则I IHH越小3) 3) 擎住电流擎住电流 I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，

45、能维持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说，通常I IL L约为I IH H的24倍4) 4) 浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM 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 第55页/共89页56晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3. 3. 动态参数动态参数 除开通时间t tgtgt和关断时间t tq q外，还有： (1)(1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 指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 (2) (2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt t 指在规定条件

46、下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 第56页/共89页57晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件( (自学）自学）1.1.快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)Fast Switching ThyristorFST) 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管1010 s s左右2.2.双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional

47、 triode thyristorBidirectional triode thyristor） 与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多3.3.逆导晶闸管逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorReverse Conducting ThyristorRCTRCT） 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4. 4. 光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTTLight Triggered ThyristorLT

48、T） 又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶 闸 管 , 功 率 更 大 场 合 ， 3 . 5 k A / 8 k V ， 装 置 最 高 达300MVA，容量最大 第57页/共89页581.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（自学）（自学） 电力晶体管电力晶体管（自学）（自学） 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第58页/共89页591.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而

49、将电力电子技术又带入了一个崭新时代典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管 第59页/共89页60电力场效应晶体管电力场效应晶体管1. 1. 电力电力MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 电力电力MOSFETMOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P P沟道沟道和N N沟道沟道 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道 电力MOSFET主要是N N沟道增强型沟道增强型 第60页/共89页61电力场效应晶体管电力场效应晶体管 电力MOSFET的工作原理图1-

50、19 电力MOSFET的结构和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19 绝缘栅绝缘栅反型层反型层P-NP-N漏极源极栅极第61页/共89页62电力场效应晶体管电力场效应晶体管 导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P P区中的空穴推开，而将区中的空穴推开，而将P P区中的少子区中的