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1、电力电子技术.-.你现在浏览的是第一页，共66页 2电力电子器件的基本模型与特征电力电子器件的基本模型与特征（1）基本模型）基本模型在在对对电电能能的的变变换换和和控控制制过过程程中中，电电力力电电子子器器件件可可以以抽抽象象成成如如下下图图所所示示的的理理想想开开关关的的模模型型，它它有有三三个个电电极极，其其中中A和和B代代表表开开关关的的两两个个主主电电极极，K是是控控制制开开关关通通、断断的的控控制制极极。它它只只工工作作在在“通通态态”和和“断断态态”两两种种情情况况下下，通通态态时时其其电电阻阻为零，断态时其电阻为无穷大。为零，断态时其电阻为无穷大。你现在浏览的是第二页，共66页（
2、2）基本特征）基本特征在通常情况下，电力电子器件具有如下特征：在通常情况下，电力电子器件具有如下特征：1）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。用理想开关模型来代替。用理想开关模型来代替。导导通通时时（通通态态）：阻阻抗抗很很小小，接接近近于于短短路路，管管压压降降接接近近于于零零，流流过过它的电流由外电路决定；它的电流由外电路决定；阻阻断断时时（断断态态）：阻阻抗抗很很大大，接接近近于于断断路路，流流过过它它的的电电流流几几乎乎为为零零，而而管子两端电压由外电路决定。管子两端电压由外电路决定。2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制电力电子器件的开关
3、状态由外电路（驱动电路）来控制。驱动电路：指用来控制电力电子器件导通和关断的电路。驱动电路：指用来控制电力电子器件导通和关断的电路。3）在实际应用中，电力电子器件与理想开关模型有较大的差别，在实际应用中，电力电子器件与理想开关模型有较大的差别，即器件在工作时会产生很大的功率损耗。即器件在工作时会产生很大的功率损耗。你现在浏览的是第三页，共66页 为为保保证证不不因因损损耗耗散散发发的的热热量量导导致致器器件件温温度度过过高高而而损损坏，在其工作时一般都要坏，在其工作时一般都要安装散热器安装散热器。电电力力电电子子器器件件在在工工作作时时产产生生的的功功率率损损耗耗主主要要有有以以下下三三类：类
4、：通通态态损损耗耗：器器件件导导通通时时，其其电电阻阻并并不不为为零零而而使使它它有有一一定定的通态压降，形成通态损耗。的通态压降，形成通态损耗。断断态态损损耗耗：阻阻断断时时，器器件件电电阻阻并并非非无无穷穷大大，而而使使它它有有微微小的断态漏电流流过，形成断态损耗。小的断态漏电流流过，形成断态损耗。开开关关损损耗耗：器器件件在在开开通通或或关关断断的的转转换换过过程程中中产产生生的的开开通通功功率率损耗和关断功率损耗。损耗和关断功率损耗。通通常常：断断态态损损耗耗很很小小，因因而而通通态态损损耗耗成成为为器器件件功功率率损损耗耗的的主主要要原原因因。但但当当器器件件开开关关频频率率较较高高
5、时时，开开关关损损耗耗随随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。你现在浏览的是第四页，共66页 3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从从宏宏观观角角度度来来说说，电电力力电电子子电电路路也也称称为为电电力力电电子子系系统统，是是由由控控制制电电路路、驱驱动动电电路路和和以以电电力力电电子子器器件件为为核核心心的的主主电电路路组组成成的的一一个个系统。如下图所示。系统。如下图所示。广义上，人们往往将主电路以外的其他电路都归为控制电路，所以，广义上，人们往往将主电路以外的其他电路都归为控制电路，所以，也可以说，也可以说，电力电子系统是由主
6、电路和控制电路组成的。电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路你现在浏览的是第五页，共66页 1）主电路）主电路：进行电能的变换和控制的电路。：进行电能的变换和控制的电路。特特点点：电路中的电流和电压一般都较大。：电路中的电流和电压一般都较大。2）控控制制电电路路：按按照照系系统统的的工工作作要要求求形形成成控控制制信信号号，通通过过驱驱动动电电路路去去控控制主电路中电力电子器件的导通或关断，来完成整个系统的功能。制主电路中电力电子器件的导通或关断，来完成整个系统的功能。特特点点：电路中的电流和电压较小。：电路中的电流和电压较小。3）检检测测电
7、电路路：对对主主电电路路或或应应用用现现场场的的信信号号进进行行检检测测，并并转转换换为为控控制制电电路所能接收的信息。路所能接收的信息。4）驱动电路）驱动电路：将控制电路传递的小功率信息（电压、电流）：将控制电路传递的小功率信息（电压、电流）转换为可以被主电路所接收的信息。转换为可以被主电路所接收的信息。你现在浏览的是第六页，共66页 5）保保护护电电路路：用用于于保保证证电电力力电电子子器器件件和和整整个个电电力力电电子子系系统统正正常可靠工作。常可靠工作。因因为为主主电电路路中中有有电电压压和和电电流流的的冲冲击击，而而电电力力电电子子器器件件一一般般比比主主电电路路中中的的普普通通器器
8、件件昂昂贵贵，但但承承受受过过电电压压和和过过电电流流的能力却要差一些，所以保护电路的存在是非常必要的。的能力却要差一些，所以保护电路的存在是非常必要的。6）电电气气隔隔离离：将将主主电电路路和和控控制制电电路路等等进进行行安安全全隔隔离离，而而通通过过光光、磁等来传递信号。磁等来传递信号。因为主电路中电流和电压较大，而控制电路中的元器件只因为主电路中电流和电压较大，而控制电路中的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上需要进行电气隔离。例如：驱动电路与主电路的连接路径上需要进行电气隔离。例如：驱动电路与主电路的连接
9、处、与控制信号的连接处，主电路与检测电路的连接处。处、与控制信号的连接处，主电路与检测电路的连接处。你现在浏览的是第七页，共66页 4电力电子器件的分类电力电子器件的分类（1）按照器件的开关控制特性分类：分为三类）按照器件的开关控制特性分类：分为三类不不可可控控器器件件：器器件件本本身身没没有有导导通通、关关断断控控制制功功能能，而而是是需需要要根根据据电电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管。如：电力二极管。半半控控型型器器件件：通通过过控控制制信信号号只只能能控控制制其其导导通通，不不能能控控制制其其关关断断的的电电
10、力力电子器件称为半控型器件。电子器件称为半控型器件。如：晶闸管及其大部分派生器件。如：晶闸管及其大部分派生器件。全全控控型型器器件件：通通过过控控制制信信号号既既可可控控制制其其导导通通又又可可控控制制其其关关断断的的器器件件，称为全控型器件。称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（如：门极可关断晶闸管（GTOGTO）、功率晶体管）、功率晶体管GTRGTR、功率场效应晶体管、功率场效应晶体管（MOSFETMOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（）、绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）等。）等。你现在浏览的是第八页，共66页（2）按载流子类型分为三类按载流子类型分为三类 单极型器件单极型器件由一种载
11、流子参与导电的器件，称为单极型器件，如功率由一种载流子参与导电的器件，称为单极型器件，如功率场效应管场效应管MOSFET、静电感应晶体管、静电感应晶体管SIT等。等。双极型器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，称为双极型由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，称为双极型器件，如器件，如PN结整流管、普通晶闸管、电力晶体管等。结整流管、普通晶闸管、电力晶体管等。混合型器件混合型器件由单极型和双极型两种器件组成的复合型器件，称为混由单极型和双极型两种器件组成的复合型器件，称为混合型器件，如合型器件，如IGBT、MCT（MOS控制晶闸管）等。控制晶闸管）等。你现在浏览的是第九页，共66页
12、（3）按控制信号的性质不同分类：分为两类）按控制信号的性质不同分类：分为两类电流控制型器件电流控制型器件：采用电流信号来实现其导通或关断控制。采用电流信号来实现其导通或关断控制。如如：晶晶闸闸管管、门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管、电电力力晶晶体体管管GTR、IGCT（集集成成门门极极换换流晶闸管）等。流晶闸管）等。电流控制型器件的特点是：电流控制型器件的特点是：a在在器器件件体体内内有有电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子导导电电，由由导导通通转转向向阻阻断断时时，两两种种载载流流子子在在复复合合过过程程中中产产生生热热量量，使使器器件件结结温温升升高高。过过高高的的结结温温限限制制了了
13、工工作作频频率率的的提提高高，因因此此，电电流流控控制制型型器器件件比比电电压压控控制制型型器器件件的的工工作作频频率率低。低。b电电流流控控制制型型器器件件具具有有电电导导调调制制效效应应，使使其其导导通通压压降降很很低低，导导通通损损耗耗较较小。小。c电电流流控控制制型型器器件件的的控控制制极极输输入入阻阻抗抗低低，控控制制电电流流和和控控制制功功率率较较大大，电电路路也也比较复杂。比较复杂。你现在浏览的是第十页，共66页 当当PN结上流过的正向电流较大时，注入并结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂积累在低掺杂N区的少子（空穴）浓度将很大，区的少子（空穴）浓度将很大，为了维持半导体
14、的中性条件，其多子浓度也相为了维持半导体的中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是是电导率大大增加，这就是电导调制效应电导调制效应。电导调制效应电导调制效应你现在浏览的是第十一页，共66页电电压压控控制制型型器器件件：采采用用电电压压控控制制（场场控控原原理理控控制制）其其导导通通或关断。或关断。其其输输入入端端基基本本上上不不流流过过控控制制电电流流信信号号，用用小小功功率率信信号号就就可驱动其工作。可驱动其工作。如：如：MOSFET管、管、IGBT管等。管等。电压控制型器件的特点是：电压控制型器件的特点
15、是：a输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。b工作频率高。工作频率高。c工作温度高，抗辐射能力强。工作温度高，抗辐射能力强。你现在浏览的是第十二页，共66页 主要电力电子器件的特性及其具有代表性的应用领域，详见下表。器件种类器件种类开关功能开关功能器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域电力二极管电力二极管不可控不可控5KV/3KA400HZ各种整流装置各种整流装置晶闸管晶闸管可控可控导通导通6KV/6KA400HZ8KX/3.5KA光控光控SCR炼钢厂、轧钢厂机、直炼钢厂、轧钢厂机、直流输电、电解用整流器流输电、电解用整流器可关断可关断晶闸管晶闸管自自关
16、关断断型型6KV/6KA500HZ工业逆变器、电力机车工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器用逆变器、无功补偿器MOSFET600V/70A100KHZ开关电源、小功率开关电源、小功率UPS、小功率逆变器、小功率逆变器IGBT1200V/1200A20KHZ4.5KV/1.2KA2KHZ各种整流各种整流/逆变器（逆变器（UPS、变频器、家电）、电、变频器、家电）、电力机车用逆变器、中压力机车用逆变器、中压变频器变频器你现在浏览的是第十三页，共66页电力二极管电力二极管1电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理（1）电力二极管概述）电力二极管概述电电力力二二极极管管也也称称为为半半导导体体
17、整整流流器器（SR），属属不不可可控控电电力力电电子子器器件件，是是20世世纪纪最最早早（50年年代代）获获得得应应用用的的电电力力电电子子器器件件，它它在在中中、高高频频整整流流和和逆逆变变以以及及低低压压高高频频整整流流的的场场合合发发挥挥着着积积极极的的作作用用，具具有不可替代的地位。有不可替代的地位。（2）电力二极管的结构与工作原理）电力二极管的结构与工作原理结构结构基基本本结结构构和和工工作作原原理理与与信信息息电电子子电电路路中中的的二二极极管管一一样样，以以半半导导体体PN结为基础。结为基础。由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线再加以封装就构成了电力二极管。结和两端引
18、线再加以封装就构成了电力二极管。你现在浏览的是第十四页，共66页 从从外外形形上上看看，主主要要有有螺螺栓栓型型和和平平板板型型两两种种封封装装，如如下下图所示。图所示。你现在浏览的是第十五页，共66页 PN结结PN结是由结是由N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成的，如下型半导体结合后构成的，如下图所示。图所示。PN结的形成结的形成你现在浏览的是第十六页，共66页 N型型半半导导体体中中有有大大量量的的电电子子（多多子子），P型型半半导导体体中中有有大大量量的的空空穴穴（多多子子），在在两两种种半半导导体体的的交交界界处处由由于于电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度差差别别，形形成成了了各各
19、区区的的多多子子向向另另一一区区的的扩扩散散运运动动，其其结结果果是是在在N型型半半导导体体和和P型型半半导导体体的的分分界界面面两两侧侧分分别别留留下下了了带带正正、负负电电荷荷的的离离子子。这这些些不不能能移移动动的的正正、负电荷称为空间电荷，这个区域称为负电荷称为空间电荷，这个区域称为空间电荷区空间电荷区。空空间间电电荷荷建建立立的的电电场场称称为为内内电电场场，其其方方向向是是阻阻止止扩扩散散运运动动的的。另另一一方方面面，内电场又吸引对方区域中的少子向本区运动，即形成内电场又吸引对方区域中的少子向本区运动，即形成漂移运动漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态
20、平衡，扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的空间电荷区空间电荷区，这就是，这就是PN结。结。你现在浏览的是第十七页，共66页 PN结的三种工作状态（即二极管的工作原理）结的三种工作状态（即二极管的工作原理）PN结的正向导通状态：结的正向导通状态：当当给给PN结结外外加加正正向向电电压压（P正正N负负）时时，外外电电场场方方向向与与内内电电场场方方向向相相反反，外外电电场场削削弱弱内内电电场场，空空间间电电荷荷区区变变窄窄，使使多多子子的的扩扩散散运运动动大大于于少少子子的的漂漂移移运运
21、动动，形形成成从从P区区流流向向N区区的的正正向向电电流流，此此时时PN结结表表现现为为低低电阻，电力二极管电压降只有电阻，电力二极管电压降只有1V左右。左右。PN结的反向截止状态：结的反向截止状态：当当PN结外加反向电压（结外加反向电压（P负负N正）时，外电场与内电场方向相同，正）时，外电场与内电场方向相同，使内电场增强，空间电荷区变宽，使得少子的漂移运动强于多子的扩使内电场增强，空间电荷区变宽，使得少子的漂移运动强于多子的扩散运动，形成从散运动，形成从N区流向区流向P区的反向电流，由于少子的浓度很小，只区的反向电流，由于少子的浓度很小，只有极小的反向漏电流流过有极小的反向漏电流流过PN结，
22、结，PN结表现为高电阻。结表现为高电阻。所以所以PN结具有结具有单向导电性单向导电性。二极管的基本原理就在于。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性。结的单向导电性。PN结结的的反反向向击击穿穿：当当反反向向电电压压增增大大到到某某一一值值（反反向向击击穿穿电电压压）时时，反向电流急剧增大，反向电流急剧增大，PN结内部产生雪崩击穿，导致二极管损坏。结内部产生雪崩击穿，导致二极管损坏。你现在浏览的是第十八页，共66页 PN结的电容效应结的电容效应PN结结的的电电荷荷量量随随外外加加电电压压的的变变化化而而变变化化，呈呈现现电电容容效效应应，称称为为结结电电容容CJ，又称为微分电容。，又称为微分
23、电容。结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类：结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类：A势垒电容势垒电容CB：它它只只在在外外加加电电压压变变化化时时才才起起作作用用，外外加加电电压压频频率率越越高高，其其作作用用越明显。越明显。它的大小与它的大小与PN结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。B扩散电容扩散电容CD：它仅在正向偏置时起作用。它仅在正向偏置时起作用。在在正正向向偏偏置置时时，当当正正向向电电压压较较低低时时，势势垒垒电电容容为为结结电电容容的的主主要要成成份，正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。份，正向电压较高时，扩散电容为
24、结电容的主要成份。注意注意：结电容影响：结电容影响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，的状态下，可使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时要注意。可使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时要注意。你现在浏览的是第十九页，共66页（3）造成电力二极管与普通二极管的区别的一些因素：）造成电力二极管与普通二极管的区别的一些因素：虽虽然然电电力力二二极极管管与与普普通通二二极极管管的的结结构构、工工作作原原理理基基本本一一样，但使用是不一样的，造成这种区别的因素是：样，但使用是不一样的，造成这种区别的因素是：正正向向导导通通时时要要流流过过很很大大的的电电流流，其
25、其电电流流密密度度较较大大，因因而而额外载流子的注入水平较高，额外载流子的注入水平较高，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不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都不能忽略。承承受受的的电电流流变变化化率率di/dt较较大大，因因而而其其引引线线和和器器件件自自身身的的电电感效应也会有较大影响。感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，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。你现在浏览的是第二十页，共66页 2电力二极管的特性电力二极管的特性主要是指其伏安特性和开关特性。主要是指其伏安特性和开关特性。（1）电力二极管的伏安特性：
26、）电力二极管的伏安特性：其伏安特性曲线如图所示。其伏安特性曲线如图所示。IF ：正向平均电流：正向平均电流UF ：对应：对应IF时的正向压降时的正向压降UTO：门槛电压，：门槛电压，为为0.60.7V以上以上IRR ：反向漏电流：反向漏电流UB ：反向击穿电压：反向击穿电压 你现在浏览的是第二十一页，共66页 当当电电力力二二极极管管承承受受的的正正向向电电压压大大到到门门槛槛电电压压时时，就就有有正正向向电电流流通通过过，正正向向电电流流随随外外加加正正向向电电压压增增大大而而迅迅速速增增加加，二二极极管管处处于于正正向向导导通通状状态态，呈呈现现“低低阻阻态态”，此此时时管管子子两两端端的
27、的正向电压称为正向电压称为管压降管压降，仅，仅1V左右。左右。当当二二极极管管承承受受反反向向电电压压时时，只只有有很很小小的的反反向向漏漏电电流流流流过过，器器件件反反向向截截止止，呈呈现现“高高阻阻态态”。如如果果增增加加反反向向电电压压，达达到到反反向向击击穿穿电电压压时时，反反向向电电流流急急剧剧增增大大，管管子子反反向向击击穿。穿。你现在浏览的是第二十二页，共66页（2）电力二极管的开关特性：也称动态特性）电力二极管的开关特性：也称动态特性指电力二极管工作状态在通态和断态之间转换时的特性。指电力二极管工作状态在通态和断态之间转换时的特性。1）关断特性：）关断特性：关断：电力二极管由正
28、向偏置的通态转换为反向偏置的断态的过程。关断：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态的过程。关断过程中的电压、电流波形如图所示。关断过程中的电压、电流波形如图所示。你现在浏览的是第二十三页，共66页 关关断断须须经经过过一一段段短短暂暂的的时时间间才才能能重重新新获获得得反反向向阻阻断断能能力力，进进入入截截止止状状态态。在在关关断断之之前前有有较较大大的的反反向向电电流流出出现现，并并伴伴随随有有明明显显的的反反向向电电压压过过冲冲（由由于于外外电电路路电电感感存存在）。在）。当原来处于正向导通的电力二极管外加电压在当原来处于正向导通的电力二极管外加电压在tF时刻突然从正向变为反向时
29、，正向电流时刻突然从正向变为反向时，正向电流IF开始下降，开始下降，下降速率由反向电压和电路中的下降速率由反向电压和电路中的电感决定，而管压降由于电导调制效应基本电感决定，而管压降由于电导调制效应基本变化不大变化不大。到。到t0时刻正向电流降为零，此时器时刻正向电流降为零，此时器件并没有恢复反向阻断能力，件并没有恢复反向阻断能力，而是在外加反向而是在外加反向电压作用下形成较大的反向电流电压作用下形成较大的反向电流。直到。直到t1时刻时刻反向电流反向电流IRP（由（由URP产生的）达到最大值后，产生的）达到最大值后，才开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减才开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小。
30、到了小。到了t2时刻，电流变化率接近于零，管子时刻，电流变化率接近于零，管子两端的反向电压才降到外加反向电压两端的反向电压才降到外加反向电压UR，二，二极管完全恢复反向阻断能力。极管完全恢复反向阻断能力。原因：正向导通时在管子两侧储存原因：正向导通时在管子两侧储存有大量少子，它们在外加反向电压有大量少子，它们在外加反向电压作用下被抽取出管子，因而形成较作用下被抽取出管子，因而形成较大的反向电流，当它们即将被抽尽大的反向电流，当它们即将被抽尽时，管压降变为负极性。时，管压降变为负极性。URP：是外电路中电感产生的感应电动势使器件：是外电路中电感产生的感应电动势使器件承受的很高的反向电压。承受的很
31、高的反向电压。你现在浏览的是第二十四页，共66页 从图中可定义：从图中可定义：延迟时间：延迟时间：td=t1t0下降时间：下降时间：tf=t2t1反向恢复时间：反向恢复时间：trr=tdtf此此时时间间就就是是关关断断过过程程中中，电电流流降降到到零零时时起起到到恢恢复复反反向向阻断能力时止的时间。阻断能力时止的时间。恢复特性的软度：恢复特性的软度：也称恢复系也称恢复系数，是下降时间与延迟时间数，是下降时间与延迟时间的比值，的比值，Sr=tf/td。Sr越大，则恢复特性越大，则恢复特性越软，就是反向电流越软，就是反向电流下降时间相对较长，下降时间相对较长，则在同样条件下造成则在同样条件下造成的
32、反向电压过冲较小。的反向电压过冲较小。你现在浏览的是第二十五页，共66页（2）开通特性：）开通特性：开开通通：电电力力二二极极管管由由零零偏偏置置转转换换为为正正向向偏偏置置的的通通态态的的过过程。程。开通过程中的电压、电流波形如图所示。开通过程中的电压、电流波形如图所示。二二极极管管在在开开通通过过程程中中，其其正正向向压压降降先先出出现现一一个个过过冲冲UFP（几几伏伏几几十十伏伏），经经过过一一段段时时间间才才接接近近稳稳态态值值UF（12V）。这段时间称为正向恢复时间这段时间称为正向恢复时间tfr。其其原原因因：电电导导调调制制效效应应起起作作用用需需一一定定的的时时间间来来储储存存大
33、大量量少少子子，在在达达到到稳稳态导通前管压降较大。态导通前管压降较大。正正向向电电流流的的上上升升会会因因器器件件自自身身的的电电感感而而产产生生较较大大压压降降，电电流流上上升升率率越越大大，UFP越高。越高。你现在浏览的是第二十六页，共66页 3电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数（1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF（AV）：指指器器件件长长期期运运行行在在规规定定管管壳壳温温度度和和散散热热条条件件下下允允许许流流过的最大工频正弦半波电流的平均值。过的最大工频正弦半波电流的平均值。设正弦半波电流的峰值为设正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流（平均电流），则额定电流（平均电流
34、）IF（AV）为为额定电流有效值额定电流有效值IF为（均方根）为（均方根）你现在浏览的是第二十七页，共66页 定义：定义：波形系数波形系数某电流波形的有效值与平均值之比称为这个电流的波某电流波形的有效值与平均值之比称为这个电流的波形系数。形系数。根据此定义可求出正弦半波电流的波形系数为根据此定义可求出正弦半波电流的波形系数为:这这说说明明：额额定定电电流流IF（AV）=100A的的电电力力二二极极管管，其其额额定定电电流流有有效效值为值为IF=157A。注注意意：正正向向平平均均电电流流是是按按照照电电流流的的发发热热效效应应来来定定义义的的，因因此此使使用用时时应应按按有有效效值值相相等等的
35、的原原则则来来选选取取器器件件的的额额定定电电流流，并并应应留留有有1.52倍倍的的裕裕量量。当当用用在在频频率率较较高高的的场场合合时时，开开关关损损耗耗造造成成的的发发热热往往往往不不能能忽忽略略。当当采采用用反反向向漏漏电电流流较较大大的的电电力力二二极极管管时时，其其断断态态损损耗耗造造成成的的发发热热效效应应也不能忽略。也不能忽略。你现在浏览的是第二十八页，共66页（2）正向压降）正向压降UF：指指规规定定条条件件下下，流流过过稳稳定定的的额额定定电电流流时时，器器件件两两端端的的正正向向平平均均电电压压（又称管压降）。（又称管压降）。（3）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM
36、：指器件能重复施加的反向最高峰值电压。指器件能重复施加的反向最高峰值电压。此电压通常是击穿电压此电压通常是击穿电压UB的的2/3。使使用用时时，往往往往按按照照电电力力二二极极管管可可能能承承受受的的反反向向最最高高峰峰值值电电压压的的2倍倍来选定。来选定。（4）反向漏电流）反向漏电流IRR：指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。（5）最高工作结温）最高工作结温TJM：指器件中指器件中PN结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。它通常在它通常在125175范围内。范围内。其他参数详见有关参考文献。其他
37、参数详见有关参考文献。常用电力二极管的主要性能参数详见有关手册。常用电力二极管的主要性能参数详见有关手册。你现在浏览的是第二十九页，共66页 4电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电电力力二二极极管管的的应应用用范范围围广广，种种类类也也很很多多，主主要要有有以以下下几几种类型：种类型：（1）普通二极管：又称整流二极管。）普通二极管：又称整流二极管。应用：应用：多用于开关频率在多用于开关频率在1kHZ以下的整流电路中。以下的整流电路中。主主要要特特性性：其其反反向向恢恢复复时时间间在在5s以以上上，这这在在开开关关频频率率不不高高时时不不重重要要。正正向向额额定定电电流流可可达达数数千千安
38、安，反反向向额额定定电电压可达数千伏以上。压可达数千伏以上。你现在浏览的是第三十页，共66页（2）快恢复二极管：）快恢复二极管：反向恢复时间在反向恢复时间在5S以下的称为快恢复二极管。以下的称为快恢复二极管。快速恢复二极管：快速恢复二极管：反向恢复时间为数百纳秒以上。反向恢复时间为数百纳秒以上。超超快快速速恢恢复复二二极极管管：反反向向恢恢复复时时间间在在100nS以以下下，其其容容量量可可达达1200V/200A的水平。的水平。应用：应用：多用于高频整流和逆变电路中。多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：）肖特基二极管：是一种金属同半导体相接触形成整流是一种金属同半导体相接触形成整
39、流特性的单极型器件。特性的单极型器件。主要特性：主要特性：导通压降为导通压降为0.40.6V反向恢复时间短，为几十纳秒反向恢复时间短，为几十纳秒反向耐压在反向耐压在200V以下以下反向漏电流较大，对温度敏感，反向稳态损耗不能忽略。反向漏电流较大，对温度敏感，反向稳态损耗不能忽略。应用：应用：常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。它分为它分为你现在浏览的是第三十一页，共66页 2.2 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管SCR1晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理（1）晶闸管概述）晶闸管概述晶晶闸闸管管包包括括：普普通通晶晶闸闸管管、
40、快快速速晶晶闸闸管管、双双向向晶晶闸闸管管、逆逆导导晶闸管、可关断晶闸管和光控晶闸管等。晶闸管、可关断晶闸管和光控晶闸管等。但但因因为为普普通通晶晶闸闸管管问问世世早早，应应用用极极为为广广泛泛，所所以以在在无无特殊说明的情况下，本课程所说的晶闸管都为普通晶闸管。特殊说明的情况下，本课程所说的晶闸管都为普通晶闸管。普通晶闸管普通晶闸管，也称可控硅整流管、晶体闸流管，也称可控硅整流管、晶体闸流管，1957年问世，之后开始研制生产。由于它电流容量大（年问世，之后开始研制生产。由于它电流容量大（4500A），），电压耐量高（电压耐量高（8000V）以及开通的可控性，已被广泛应用）以及开通的可控性，已
41、被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为特于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为特大功率低频（大功率低频（200HZ以下）装置中的主要器件。以下）装置中的主要器件。你现在浏览的是第三十二页，共66页（2）晶闸管的结构）晶闸管的结构晶闸管的外形与封装形式：晶闸管的外形与封装形式：如图所示，如图所示，其封装形式分为：其封装形式分为：小电流塑封式（小电流塑封式（a a）图）图小电流螺旋式（小电流螺旋式（b b）图）图大电流螺旋式（大电流螺旋式（c c）图）图大电流平板式（大电流平板式（d d）图）图所谓大电流，指额定电流在所谓大电流，指额定电流在200A200A以上的。以
42、上的。晶闸管有三个电极：晶闸管有三个电极：A A 阳极；阳极；K K 阴极阴极 G G 门极或称栅极门极或称栅极 你现在浏览的是第三十三页，共66页 你现在浏览的是第三十四页，共66页 晶闸管的晶闸管的电气图形符号电气图形符号：如图所示。：如图所示。晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此晶闸管是大功率器件，工作时产生大量的热，因此必须必须安装散热器安装散热器。你现在浏览的是第三十五页，共66页 晶闸管的内部结构：晶闸管的内部结构：普普通通晶晶闸闸管管由由四四层层半半导导体体（P1、N1、P2、N2）组组成成，形形成成三三个个PN结，并分别从结，并分别从P1、P2、N2引出引出A、G、K三
43、个电极，如图所示。三个电极，如图所示。如果正向电压（如果正向电压（A正正K负）加到器负）加到器件上，则件上，则J1、J3正偏，正偏，J2反偏，则反偏，则A、K之间处于阻断状态，只能流之间处于阻断状态，只能流过很小的漏电流，称为过很小的漏电流，称为正向阻断状态正向阻断状态。如果反向电压加到器件上，则如果反向电压加到器件上，则J1、J3反偏，也阻断，仅有很小的漏电流通反偏，也阻断，仅有很小的漏电流通过，称为过，称为反向阻断状态反向阻断状态。你现在浏览的是第三十六页，共66页（3）晶闸管的工作原理）晶闸管的工作原理 从晶闸管的结构可知，普通晶闸管可以等效成由两个晶体管从晶闸管的结构可知，普通晶闸管可
44、以等效成由两个晶体管T1（P1N1P2）和）和T2（N1P2N2）组成的等效电路。如图所示。）组成的等效电路。如图所示。你现在浏览的是第三十七页，共66页 导导通通：当当器器件件阳阳极极和和阴阴极极间间加加正正向向电电压压时时，若若无无门门极极电电流流，晶晶闸闸管管将将处处于于关关断断状状态态。若若给给门门极极G也也加加正正向向电电压压Ug，即即向向门门极极注注入入电电流流Ig（称称为为驱驱动动电电流流），Ig进进入入T2的的基基极极，经经放放大大后后成成为为集集电电极极电电流流IC2，IC2又又是是T1的的基基极极电电流流，而而放放大大后后的的集集电电极极电电流流IC1进进一一步步使使Ig增
45、增大大且且又又作作为为T2的的基基极极电电流流流流入入T2，如如此此形形成成强强烈烈的的正正反反馈馈，T1和和T2都都快快速速进进入入饱饱和和状状态态，使晶闸管阳极和阴极之间导通。使晶闸管阳极和阴极之间导通。此时若撤除门极电流此时若撤除门极电流Ig（Ug），），由于由于T1、T2已形成了强烈的正反馈，使已形成了强烈的正反馈，使电流维持原来的方向，只要满足阳极正电流维持原来的方向，只要满足阳极正偏的条件，晶闸管就一直导通。偏的条件，晶闸管就一直导通。你现在浏览的是第三十八页，共66页 关关断断：晶晶闸闸管管导导通通后后，即即使使撤撤除除门门极极电电流流，也也不不能能使使其其关关断断。若若要要关关
46、断断晶晶闸闸管管，必必须须去去掉掉阳阳极极电电压压，或或者者给给阳阳极极施施加加反反压压，或或者者设设法法使使阳阳极极电电流流减减小小到到维维持持电电流流以以下下，导导致致正正反反馈馈无无法法维维持持，晶晶闸闸管才能关断。管才能关断。若给器件加反向电压，无论有无门极电流，都不能使其导通若给器件加反向电压，无论有无门极电流，都不能使其导通。结论：结论：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：正向阳极电压和正向阳极电压和正向门极电压同时存在。正向门极电压同时存在。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：阳极加反向电压阳极加反向电压 或为或为0，或阳极电流小于维持电流。，或阳极电流小于维持电流。你现在浏览的
47、是第三十九页，共66页 由由上上可可知知，晶晶闸闸管管也也有有单单向向导导电电性性，但但与与二二极极管管的的单单向向导电性不同。导电性不同。当当门门极极无无正正向向电电压压时时，尽尽管管阳阳极极已已加加上上正正向向电电压压，晶晶闸闸管管仍仍处处于于关关断断状状态态，在在门门极极电电压压的的控控制制（触触发发）下下，晶晶闸闸管立即导通。管立即导通。门门极极的的这这种种控控制制作作用用称称为为闸闸流流特特性性，也也称称为为晶晶闸闸管管的的可可控单向导电性控单向导电性。门门极极电电压压只只能能触触发发晶晶闸闸管管导导通通，不不能能控控制制其其关关断断，所所以以它是半控型电力电子器件。它是半控型电力电
48、子器件。总结以上得出晶闸管的特点总结以上得出晶闸管的特点具有单向导电性；具有单向导电性；属半控型半导体电力电子器件；属半控型半导体电力电子器件；属电流控制器件。属电流控制器件。你现在浏览的是第四十页，共66页 注意：注意：晶闸管在下列情况下也可能被触发导通：晶闸管在下列情况下也可能被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高。过高。结温过高。结温过高。上述三种触发方式不易控制而难于应用于实践。上述三种触发方式不易控制而难于应用于实践。光光直直接接照照射射硅硅片片，即即光光触触发发。光光触触发发的的晶晶闸闸
49、管管称称为为光光控控晶晶闸闸管管。它它可可以以保保证证控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的良良好好绝绝缘缘，所以主要用于高压电力设备中。所以主要用于高压电力设备中。所以，只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。所以，只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。你现在浏览的是第四十一页，共66页 2 2 晶闸管的特性晶闸管的特性（1）静态特性）静态特性SCR承受反压时，无论有无门极电流，都不会导通。承受反压时，无论有无门极电流，都不会导通。承承受受正正向向电电压压时时，仅仅在在门门极极有有触触发发电电流流的的情情况况下下才才能能导导通通。但但导导通通后后门门极极就就失失去去控控制制作
50、作用用。要要使使其其关关断断，只只能能使使晶晶闸闸管管的的电电流流降降到到维维持持电电流流以以下。下。（2）晶闸管的伏安特性）晶闸管的伏安特性 定定义义：晶晶闸闸管管阳阳极极与与阴阴极极之之间间的的电电压压Ua与与阳阳极极电电流流Ia的的关关系系曲曲线线称为晶闸管的伏安特性。如图所示。称为晶闸管的伏安特性。如图所示。你现在浏览的是第四十二页，共66页 UDRM、URRM正、反向断态正、反向断态重复峰值电压重复峰值电压UDSM、URSM正、反向断态正、反向断态不重复峰值电压不重复峰值电压UBO正向转折电压正向转折电压URO反向击穿电压反向击穿电压IH维持电流维持电流晶闸管伏安特性晶闸管伏安特性你