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1、第第8章章 电力电子学基础电力电子学基础l掌掌握握晶晶闸闸管管和和全全控控型型开开关关器器件件的的基基本本工工作作原原理理及及特性特性，了解其驱动电路和保护措施；，了解其驱动电路和保护措施；l掌掌握握可可控控整整流流电电路路、逆逆变变电电路路、斩斩波波电电路路与与PWM控制技术的基本工作原理。控制技术的基本工作原理。2021/9/231半导体器件的发展半导体器件的发展 电力电子学的任务电力电子学的任务 利利用用电电力力半半导导体体器器件件（如如：晶晶闸闸管管）和和线线路路来来实实现现电电功功率率的变换和控制。的变换和控制。晶晶闸闸管管（Silicon Controlled Rectifier简
2、简称称SCR，1957年年）在在弱电控制弱电控制与与强电输出强电输出之间起桥梁作用。之间起桥梁作用。电力半导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电2021/9/232电力电子学的发展电力电子学的发展2021/9/233 1957年晶闸管问世、电力电子技术诞生年晶闸管问世、电力电子技术诞生 20世纪世纪80年代中期，出现了第二代电力电年代中期，出现了第二代电力电子器件子器件GTR、GTO、IGBT 20世纪世纪90年代末至今，电力电子器件进入年代末至今，电力电子器件进入第四代，主要在第四代，主要在IGBT、GTO的基础上朝的基础上朝高电压、大容量、集成模块化方向发展。高电压、大容量、集成模块化方向
3、发展。电力电子器件的发展电力电子器件的发展 20世纪世纪90年代，第三代电力电子器件成为年代，第三代电力电子器件成为制造变频器的主流产品制造变频器的主流产品2021/9/234电力电子器件的分类电力电子器件的分类根据导通与关断的可控性分为三类：根据导通与关断的可控性分为三类：（1）不可控型器件：不可控型器件：导通与关断都不能控制。导通与关断都不能控制。整流二极管整流二极管（2）半可控型器件：半可控型器件：只能控制其导通，不能控制其关断只能控制其导通，不能控制其关断的器件。的器件。普通晶闸管（普通晶闸管（SCR）及其派生器件。）及其派生器件。（3）全控型器件：全控型器件：导通与关断都可以控制的器
4、件。导通与关断都可以控制的器件。GTR（电力晶体管）、（电力晶体管）、GTO（门极可关断晶闸管）、（门极可关断晶闸管）、P-MOSFET（电力场效应晶体管）、（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅（绝缘栅双极晶体管）双极晶体管）2021/9/235全控型器件的分类全控型器件的分类按结构和工作原理分为：按结构和工作原理分为：双极型、单极型双极型、单极型和和混合型混合型。双极型：双极型：器件内部的电子和空穴同时参与导电的器件。器件内部的电子和空穴同时参与导电的器件。GTR、GTO等。等。特点：特点：容量大。但工作频率较低，且有二次击穿现象。容量大。但工作频率较低，且有二次击穿现象。单极型：单极型：
5、器件内部只有一种载流子。器件内部只有一种载流子。P-MOSFET特点：特点：工作频率高，无二次击穿现象。但容量不如双极型。工作频率高，无二次击穿现象。但容量不如双极型。混合型：混合型：双极型与单级型器件的集成混合。双极型与单级型器件的集成混合。特点：特点：兼备了二者的优点，最具发展前景。兼备了二者的优点，最具发展前景。IGBT2021/9/236电力变换电路电力变换电路由电力电子器件与相应控制电路组成的电路由电力电子器件与相应控制电路组成的电路（1）可控整流电路：）可控整流电路：把固定频率、电压的交流电变成固定的或把固定频率、电压的交流电变成固定的或可调的直流电。可调的直流电。（2）交流调压电
6、路：）交流调压电路：把固定频率、电压的交流电变成可调电压把固定频率、电压的交流电变成可调电压的交流电。的交流电。（3）逆变电路：）逆变电路：把直流电变成频率固定或可调的交流电。把直流电变成频率固定或可调的交流电。（4）变频电路：）变频电路：把固定频率的交流电变成频率可调的交流电。把固定频率的交流电变成频率可调的交流电。（5）斩波电路：）斩波电路：把固定的直流电压变成可调的直流电压。把固定的直流电压变成可调的直流电压。（6）电子开关：）电子开关：功率半导体器件工作在开关状态，可以代替接功率半导体器件工作在开关状态，可以代替接触器、继电器用于频繁开合的场合。触器、继电器用于频繁开合的场合。2021
7、/9/2378.1 电力半导体器件电力半导体器件8.1.1 不可控型开关器件不可控型开关器件 大功率二极管（整流二极管）大功率二极管（整流二极管）2021/9/2388.1.2 半控型开关器件半控型开关器件1.普通（逆阻型）晶闸管普通（逆阻型）晶闸管 晶闸管晶闸管（TH）、晶体闸流管、可控硅整流器（）、晶体闸流管、可控硅整流器（SCR）、可控硅。）、可控硅。是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型大功率半导体是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型大功率半导体器件，具有三个器件，具有三个PN结和四层半导体结构。结和四层半导体结构。A：阳极：阳极(anode);K：阴极：阴极(cathode
8、);G：控制极：控制极(gate)，也称门极，也称门极符号跟二极管很像，多了一个门极符号跟二极管很像，多了一个门极2021/9/239晶闸管的外形晶闸管的外形螺栓型螺栓型平板型平板型KAG固定在固定在散热器上散热器上KAG用两个散热器将其夹住，用两个散热器将其夹住，散热效果好。散热效果好。2021/9/2310晶闸管的结构与符号晶闸管的结构与符号2021/9/2311控控制制极极接接入入Eg，当当开开关关S接接通通，控控制制极极电电压压为为ug，主主电电路路加加交交流流电电压压u2，电阻，电阻RL 上压降为上压降为ud，开开始始，S断断开开，不不论论u2为为正正还还是是为为负负，晶晶闸闸管管均
9、均不不导导通通，具具有有正正、反反向向阻阻断能力断能力；t=t1时时，开开关关S合合上上，阳阳极极、控控制制极极对对阴阴极极电电压压均为正，晶闸管导通；均为正，晶闸管导通；1）晶闸管的工作原理）晶闸管的工作原理2021/9/2312 t=t3时时，U2从从零零变变正正，阳阳极极对对阴阴极极又又开开始始承承受受正正向向电电压压，控控制制极极对对阴阴极极有有正正电电压压ug=Eg，晶晶闸闸管又导通。管又导通。t=t2时时，U2=0，晶晶闸闸管管关关断断，此此后后一一直直承承受受反反向电压，直到向电压，直到t=t3，t=t4时时，Ug=0，但但此此时时晶晶闸闸管管处处于于导导通通状状态态，维持导通。
10、维持导通。t=t5时时，U2=0，晶晶闸闸管管处于截止状态。处于截止状态。2021/9/2313 导导通通后后，控控制制极极就就失失去去控控制制作作用用，要要恢恢复复阻阻断断，必必须须把把阳阳极极正正向向电电压压降降低低到到一一定定值值(或或断断开开，或或反向反向)。为什么会出现这种特性？为什么会出现这种特性？阳阳极极和和控控制制极极同同时时加加正正向向电电压压，导导通通。即即导导通通必必须须同同时时具具备备两两个个条条件。件。晶晶体体管管的的可可控控单单向向导导电电性。性。2021/9/2314可可把把晶晶闸闸管管看看成成PNP和和NPN两两只只晶晶体体管管的的组合组合。当当阳阳极极A与与阴
11、阴极极K间间加加正正向向电电压压，则则VT1和和VT2都承受正向电压。都承受正向电压。当当在在控控制制极极G加加对对K为为正正的的电电压，则有控制电流压，则有控制电流Ig流过。流过。VT2集电极电流集电极电流Ic2=2Ig=VT1基极电流。基极电流。2021/9/2315VT1集集电电极极电电流流Ic1=1 2Ig VT2基基极极，再再次次放放大大，形形成成强强烈烈正正反反馈馈，在在几几微微秒秒，元元件件全全部部导导通通，控控制制极极即即使使去去掉掉电电压压，晶晶闸闸管管仍仍可可保持导通。保持导通。当当A和和K间间加加反反向向电电压压，VT1和和 VT2都都处处于于反反向向电电压压，没没有有放
12、放大作用，不能导通。大作用，不能导通。若若起起始始时时没没加加ug，则则不不产产生生Ig，即即使使阳阳极极加加正正向向电电压压，晶晶闸闸管也不能导通。管也不能导通。2021/9/2316结结 论：论：（1）开始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压）开始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，说明晶闸管具有正、还是反向电压，晶闸管均不导通，说明晶闸管具有正、反向截止能力；反向截止能力；（2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才导通，这是晶闸管导通必须具备的条件；导通，这是晶闸管导通必须具备的条件；（3）晶闸管
13、导通后，控制极就失去控制作用，欲使晶闸）晶闸管导通后，控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复截止状态，必须把阳极正向电压降低到一定值管恢复截止状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开、反向）。（或断开、反向）。2021/9/23172）晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性Ig=0，当阳极电压加大到UDSM时，晶闸管突然由阻断转为导通，该电压叫断态不重复峰值电压或正向转折电压UBO。Ig0时，正向转折电压变小反向转折(击穿)电压UBR 2021/9/2318（1）断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在在控控制制极极断断路路和和晶晶闸闸管管正正向向截截止止的的条条件件下下，可可以以重重复复加加在
14、在晶晶闸闸管管两两端端的的正正向向峰峰值值电电压压，规规定定其其值值比比正正向向转转折折电电压压小小100V。（2）反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM在在控控制制极极断断路路时时，可可以以在在晶晶闸闸管管两两端端重重复复加加上上的的反反向向峰峰值电压，规定其值比反向击穿电压小值电压，规定其值比反向击穿电压小100V。晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2021/9/2319（3）额定通态平均电流额定通态平均电流（额定正向平均电流）（额定正向平均电流）IT在在环环境境温温度度不不高高于于40和和标标准准散散热热及及全全导导通通条条件件下下，晶晶闸闸管管元元件件可可以以连连续续通通过过的的工工频
15、频正正弦弦半半波波电电流流（在在一一个个周周期期内内）的平均值，简称的平均值，简称额定电流额定电流。通常所说的多少安的晶闸管，就是指这个电流。通常所说的多少安的晶闸管，就是指这个电流。2021/9/2320正弦半波正弦半波电流的电流的平均值平均值 有效值有效值 晶闸管发热由电流有效值晶闸管发热由电流有效值Ie 决定决定2021/9/2321二者之比二者之比 式中，式中，K波形系数。波形系数。Ie 1.57IT 为确保安全，按下式选晶闸管为确保安全，按下式选晶闸管 式中，式中，实际通过晶闸管的电流有效值。实际通过晶闸管的电流有效值。2021/9/2322（4）维持电流维持电流IH 在在规规定定的
16、的环环境境温温度度和和控控制制极极断断路路时时，维维持持器器件件继继续续导导通通的的最最小小电电流流。一一般般为为几几十十mA一一百百多多mA，数数值值与与温温度度成成反反比比。当当晶晶闸闸管管的的正正向向电电流流小小于于这这个个电电流流时时，晶晶闸闸管管将自动关断。将自动关断。(5)导通时间导通时间Ton与关断时间与关断时间Toff导通时间导通时间:晶闸管从断态到通态的时间，一般为几微秒；晶闸管从断态到通态的时间，一般为几微秒；关断时间：关断时间：晶闸管从通态到断态的时间，一般为几微秒晶闸管从通态到断态的时间，一般为几微秒到几十微秒。到几十微秒。(6)断断态态电电压压临临界界上上升升率率du
17、/dt与与通通态态电电流流临临界界上上升升率率di/dt2021/9/23234）晶闸管的优点：晶闸管的优点：用用很很小小的的功功率率可可以以控控制制较较大大的的功功率率，功功率率放放大大倍倍数数可以达到几十万；可以达到几十万；损损耗耗小小、效效率率高高，晶晶闸闸管管本本身身的的压压降降仅仅1V左左右右，很很小小，总总效效率率可可达达97.5，而而一一般般机组效率仅为机组效率仅为85左右。左右。控控制制灵灵敏敏、反反应应快快，晶晶闸闸管管的的导导通通和和截截止止时时间间都都在在微微秒级；秒级；体积小、重量轻体积小、重量轻。2021/9/2324过过载载能能力力弱弱，在在过过电电流流、过过电电压
18、压情情况况下下很很容容易易损损坏坏，控制电路中要采取保护措施；控制电路中要采取保护措施；导导致致电电网网电电压压波波形形畸畸变变，高高次次谐谐波波分分量量增增加加，干干扰扰周周围的电器设备；围的电器设备；抗抗干干扰扰能能力力差差，易易受受冲冲击击电电压压的的影影响响，当当外外界界干干扰扰较较强强时时，容易产生误动作；容易产生误动作；控控制制电电路路比比较较复复杂杂，对对维维修修人员的技术水平要求高。人员的技术水平要求高。5）晶闸管的缺点：）晶闸管的缺点：2021/9/23256）如何如何判别管子的好坏判别管子的好坏 阳阳极极A与与阴阴极极K之之间间应应为为高高阻阻值值，而而GK间间的的逆逆向向
19、电电阻阻比比顺向电阻越大顺向电阻越大，晶闸管性能越良好。，晶闸管性能越良好。2021/9/23267）晶闸管的型号及其含义晶闸管的型号及其含义3CT/N型硅材料型硅材料可控整流元件可控整流元件额定电流额定电流CT型晶闸管格式：型晶闸管格式：三个电极三个电极额定电压额定电压2021/9/2327KP型晶闸管格式：型晶闸管格式：KP-晶闸管晶闸管普通型（普通型（S：双极型，：双极型，G：可关断型，：可关断型，N：逆导型）：逆导型）额定电流额定电流额定电压的等级额定电压的等级额定电压的组别额定电压的组别2021/9/2328双双向向晶晶闸闸管管(TRIAC)：其其控控制制极极对对于于电电源源的的两两
20、个个半半周周均均有有触触发发控控制制作作用用，即即双双方方向向均均可可由由控控制制极极触触发发导导通通，相相当当于于两两只只普普通通的的晶晶闸闸管管反反并并联联。在在交交流流调调压压和和交交流流开开关关电电路路中中使使用用可可减减少元件，简化触发电路。少元件，简化触发电路。2.双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)2021/9/2329双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性2021/9/2330应应用用：主主要要用用于于家家用用电电器器控控制制，如如灯灯光光控控制制，电电扇扇、暖暖气气设备、烤箱的温度控制，及容量小的机电传动控制。设备、烤箱的温度控制，及容量小的机电传
21、动控制。2021/9/23313.逆导晶闸管（逆导晶闸管（RCT）逆导晶闸管等值电路和符号逆导晶闸管等值电路和符号2021/9/23324.光控晶闸管（光控晶闸管（LCT）光控晶闸管符号及等值电路光控晶闸管符号及等值电路2021/9/23331.门极门极可关断可关断晶闸管晶闸管(GTO)Gate-Turn-Off ThyristorGTO应用：应用：直流调压直流调压和和直流开关直流开关电路。电路。（1）在在门门极极G上上加加正正电电压压或或正正脉脉冲冲，GTO即即导导通通。其其后后，即即使使撤销控制信号，仍保持导通。撤销控制信号，仍保持导通。GTO的工作特点：的工作特点：8.1.3 全控型开关
22、器件全控型开关器件 （2）在在门门极极G上上加加反反向向电电压压或或较强的反向脉冲，可使较强的反向脉冲，可使GTO关断。关断。2021/9/23342.电力晶体管（电力晶体管（GTR）是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管。通常采用至少是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管。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。由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。大电流大电流GTR的的小，小，Ib过大过大为获得较大为获得较大，可将两晶体，可将两晶体管组成复合管。管组成复合管。J为两级之乘积，起到为两级之乘积，起到放大作用放大作用LUces会有一定程度的增会有一定程度的增加。加。电阻：提供反向漏电
23、流通路，提高复电阻：提供反向漏电流通路，提高复 合管的温度稳定性。合管的温度稳定性。二极管：加速二极管：加速Q1的关断。的关断。2021/9/2335GTRGTR的主要性能参数：的主要性能参数：（1）开路关断电压）开路关断电压指基极（或发射极）开路时，另外两个极间能承受的最高电指基极（或发射极）开路时，另外两个极间能承受的最高电压。压。（2）集电极最大持续电流）集电极最大持续电流Icm指基极正向偏置时，集电极能流过的最大电流。指基极正向偏置时，集电极能流过的最大电流。2021/9/2336是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关
24、断；通和关断；开关速度较快；开关速度较快；饱和压降较低；饱和压降较低；有二次击穿现象；有二次击穿现象；能控制较大的电流和较高的电压；能控制较大的电流和较高的电压；电力三极管由于结构所限其耐压难于超过电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A。应用：应用：工作频率较高、中小容量的电力电子变换装置工作频率较高、中小容量的电力电子变换装置2021/9/23373.电力场效应晶体管分类：分类：节型、绝缘栅型节型、绝缘栅型通常指绝缘栅型中的通常指绝缘栅型中的MOS型。（型。（P-M
25、OSFET）N沟道结构沟道结构由于栅极由于栅极G与其余两个电极之间是绝与其余两个电极之间是绝缘的，外加栅、源级之间的电场控制缘的，外加栅、源级之间的电场控制半导体中半导体中感应电荷量的变化感应电荷量的变化控制沟道控制沟道电导，因此称之为绝缘栅型。电导，因此称之为绝缘栅型。P沟道符号沟道符号N沟道符号沟道符号2021/9/2338反型层反型层耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，称之为在导电沟道，称之为耗尽型耗尽型。栅极电压大于零时才存在导电沟栅极电压大于零时才存在导电沟道，称之为道，称之为增强型增强型。按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道和沟道和
26、N沟道沟道功率功率MOSFET主要是主要是增强型绝缘栅增强型绝缘栅 N沟道场效沟道场效应晶体管应晶体管2021/9/2339P-MOSFET的主要参数的主要参数（1）开启电压）开启电压UT。当栅极电压。当栅极电压UGS上升到开启电压上升到开启电压UT时，时，开始出现漏极电流开始出现漏极电流id。（2）漏极电压）漏极电压Uds。（3）漏极直流电流）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM。（4）栅源电压）栅源电压UGS。（5）极间电容。）极间电容。2021/9/2340是是P-MOSFET和和GTR结合起来的新一代半导体电力开关器件。结合起来的新一代半导体电力开关器件。4.绝缘
27、栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT比比MOSFET多一层多一层P+注注入区，形成了一个大面积的入区，形成了一个大面积的P+N结，因此通流能力很强。结，因此通流能力很强。等效电路等效电路符号符号是是GTR与与MOSFET组成的达林顿结组成的达林顿结构，一个由构，一个由MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶体管。晶体管。2021/9/2341IGBT的主要参数的主要参数（1）额定集电极）额定集电极-发射极电压（发射极电压（UCES）。指栅极）。指栅极-发射极发射极短路时，集电极与发射极间能承受的最大电压。短路时，集电极与发射极间能承受的最大电压。（2）额定集电极电流）额定集电极电流IC。导通时能流过集电极的最大持。导通时能流过集电极的最大持续电流。续电流。（3）集电极）集电极-发射极饱和电压发射极饱和电压UCE（sat）。（4）开关频率。）开关频率。（5）极间电容。）极间电容。2021/9/2342IGBT的优点：的优点：（1）驱动功率小；）驱动功率小；（2）开关速度快；）开关速度快；（3）导通压降低；）导通压降低；（4）关断电压高；）关断电压高；（5）承受电流大。）承受电流大。2021/9/2343作业：作业：8.1、8.3、8.4、8.5、8.62021/9/2344