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1、 第二章、第二章、电力电子器件电力电子器件 v2.1、电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v2.2、电力二极管、电力二极管v2.3、晶闸管、晶闸管v2.4、可关断晶闸管、可关断晶闸管v2.5、电力晶体管电力晶体管v2.6、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管v2.7、绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管v2.8、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v2.9、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护熟悉和掌握各种电力电子器件的结构、原理、特性熟悉和掌握各种电力电子器件的结构、原理、特性主要参数和使用方法，是学好电力电子技术的前提。主要参数和使用方法，是学好电力电子技术的前
2、提。常用电力电子器件常用电力电子器件电力二极管电力二极管(PD)、晶闸管、晶闸管（SCR）及其派生器件、可关断晶闸管（）及其派生器件、可关断晶闸管（GTO）、）、功率晶体管（功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（）、功率场效应晶体管（P-MOS)、绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管）、集成门极换流晶闸管（IGCT）和功率集成电路）和功率集成电路(PIC)。晶闸管（晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（）、可关断晶闸管（GTO）、集成门极）、集成门极换流晶闸管（换流晶闸管（IGCT）是当今电力电子技术中关键的应）是当今电力电子技术中关键的应用器件。用器件。2.12
3、.1、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 电力半导体器件是电力电子技术及其应用电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。电子器件的研制与应用。定义：定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。）。广义上电力电子器件可分为电真空器件和广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导半导体器件两类，本书涉及的器件都是
4、指半导体电力电子器件。体电力电子器件。2.1.1 电力电子器件的电力电子器件的基本模型与特性基本模型与特性 l 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图成下图2.1.12.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和和B代表开关的两个主电极，代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。是控制开关通断的控制极。它只工作在它只工作在“通态通态”和和“断态断态”两种情况，在通态时其电两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。导通、截止两种瞬态。阻为零，断态时其电阻无穷大。导通、截止两种
5、瞬态。图图2.1.1 电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的理想开关模型l一、基本模型：一、基本模型：2.1.1 2.1.1 电力电子器件的电力电子器件的基本模型与特性基本模型与特性l二、基本特性：二、基本特性：（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。（2）电电力力电电子子器器件件的的开开关关状状态态由由外外电电路路（驱动电路）来控制。（驱动电路）来控制。（3）在在工工作作中中器器件件的的功功率率损损耗耗（通通态态、断断态态开开关关损损耗耗）很很大大。为为保保证证不不至至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坏，在在其其
6、工作时一般都要安装散热器。工作时一般都要安装散热器。2.1.2 电力电子器件的种类电力电子器件的种类 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：不可控器件：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。根据电路条件决定其导通、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（Power Diode）；）；半控型器件：半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。断的电力电
7、子器件称为半控型器件。如：晶闸管（如：晶闸管（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：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。的器件，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（Gate-Turn-Off Thyristor）、）、功率场效应管（功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型和绝缘栅双极型 晶体管（晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。等。二、电力电子器件按门极控制信号二、电力电子器件按门极控制信号二、
8、电力电子器件按门极控制信号二、电力电子器件按门极控制信号 的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种：电流控制型器电流控制型器件：件：此类器件采用此类器件采用电流信号来实现导电流信号来实现导通或关断控制。通或关断控制。如：晶闸管、门极如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功可关断晶闸管、功率晶体管、率晶体管、IGCT等；等；电压控制型器件：电压控制型器件：这类器件采用电压控制这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它
9、工作。信号就可驱动它工作。如：代表性器件为如：代表性器件为 P-MOSFET管和管和IGBT管。管。q附表附表2.1.1:2.1.1:主要电力半导体器件主要电力半导体器件 的特性及其应用领域的特性及其应用领域器件种类器件种类开关开关功能功能器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域电力电力二极管二极管不可不可控控5 5k kV V/3 3k kA A4 40 00 0H Hz z各种整流装置各种整流装置晶闸管晶闸管半控半控导通导通6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR炼炼钢钢厂厂、轧轧钢钢机机、直直流流输输电电、电解用整流器电解用
10、整流器可关断可关断晶闸管晶闸管自关自关断型断型（全（全控）控）6kV/6kA500Hz工工业业逆逆变变器器、电电力力机机车车用用逆逆变变器、无功补偿器器、无功补偿器P-MOSFETP-MOSFET600V/70A100kHz开开关关电电源源、小小功功率率UPSUPS、小小功功率逆变器率逆变器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各各种种整整流流/逆逆变变器器（UPSUPS、变变频频器器、家家电电）、电电力力机机车车用用逆逆变变器、中压变频器器、中压变频器第二章、第二章、电力电子器件电力电子器件v2.1、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本
11、模型v2.2、电力二极管电力二极管v2.3、晶闸管晶闸管v2.4、可关断晶闸管可关断晶闸管v2.5、电力晶体管电力晶体管v2.6、电力场效应晶体管电力场效应晶体管v2.7、绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管v2.8、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件v2.9、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护1、结构、结构2、工作原理、工作原理3、特性、特性4、参数、参数2.2 电力二极管电力二极管 l2.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数2.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理一、电力二极管一
12、、电力二极管：1 1、电力二极管（、电力二极管（Power Diode）也称为半导也称为半导体整流器（体整流器（Semiconductor Rectifier，简称简称SR），），属不可控电力电子器件，是属不可控电力电子器件，是20世纪最早世纪最早获得应用的电力电子器件。获得应用的电力电子器件。2 2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用流的场合发挥着积极的作用,具有不可替代的具有不可替代的地位。地位。二、二、PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：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
13、电子电路中的二极管一样。以半导体以半导体PNPN结结为基础。为基础。由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。图图2.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）结构结构 b）外形外形 c）电气图形电气图形二、二、PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结结:空间电荷空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区
14、的多子向另一区的区的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、，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。空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到荷量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空间电荷构成的范围，被称为稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成
15、的范围，被称为空间电荷空间电荷区区，按所强调的角度不同也被称为，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。耗尽层、阻挡层或势垒区。内电场内电场:空间电荷建立的电场空间电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动，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，即运动，即漂移运动漂移运动。二、二、PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：PN结的正向导通状态：结的正向导通状态：电导调制效应使得电导调制效应使得PN结在正向电流较大结在正向电流较大时压降仍然很低，维持
16、在时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正左右，所以正向偏置的向偏置的PN结表现为低阻态。结表现为低阻态。PN结的反向截止状态：结的反向截止状态：流过反向饱和漏电流，为高阻状态。流过反向饱和漏电流，为高阻状态。PN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PN结的单结的单向导电性这一主要特征。向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿：结的反向击穿：有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应：结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应
17、，称为结电容CJ，又称为微分电容。又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容和扩散电容CD。l图图2.2.2 电力二极管的伏安特性曲线电力二极管的伏安特性曲线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,空间电空间电荷变化引起。外加电压频率越高，势垒电容作荷变化引起。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。（反向电压及较小比，与阻挡层厚度成反比。（反向电压及较小的正向电压时电容效应明显）的正向电压时电容效应明
18、显）扩散电容扩散电容仅在正向偏置时起作用，多数载流子仅在正向偏置时起作用，多数载流子运动引起。运动引起。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。要成分。结电容结电容影响影响PN结的工作频率，特别是在高速开结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至关的状态下，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。不能工作，应用时应加以注意。二、二、PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外
19、加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。扩散电容示意图2.2 电力二极管电力二极管l2.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数2.2.2 2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管
20、的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性 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一一定定值值（门门槛槛电电压压UTO），正正向向电电流流才才开开始始明明显显增增加加，处处于于稳稳定定导导通通状状态态。与与正正向向电电流流IF对对应应的的电电力力二二极极管管两两端端的的电电压压UF即为其正向电压降。即为其正向电压降。当当电电力力二二极极管管承承受受反反向向电电压压时时，只只有有少少子子引引起起的的微微小小而而数数值值恒恒定定的的反反向向漏漏电流
21、。电流。图图2.2.2 电力二极管的电力二极管的伏安特性曲线伏安特性曲线特性曲线特性曲线:2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完成，它要经历一个短时的过渡过程；此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管有很大差异；理解开关过程对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。状态：状态：过程：过程：导通、阻断开通、关断2、电力二极管的开关特
22、性、电力二极管的开关特性定义：定义：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（关断过程、开通过程关断过程、开通过程）。）。（1 1）关断特性）关断特性：电力二极管电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。过程。如图（如图（a a）所示。电源电压从正向突然转为反向。）所示。电源电压从正向突然转为反向。v 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。态。v 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
23、压过冲。（出现时间段不同，电流先出现电压后出现）冲。（出现时间段不同，电流先出现电压后出现）图图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形二极管反向恢复过程示意图 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经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如接近稳态压降的某个值（如 2V2V）。）。这一动态过程时间被称为正向恢复这一动态过程时间被称为正向恢复时间时间t tfrfr。v 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量非平衡少子，达到电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量非平衡少子，达到稳态导通前管
24、压降较大。稳态导通前管压降较大。v 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，率越大，U UFPFP越高越高 。（2 2）开通特性）开通特性：如图（：如图（b b）所示）所示 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。图图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形l延迟时间：延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：电流下降时间：tf=t2-t1l反向恢复时间：反向恢复时间：trr=td+tfl恢复特性的软度：恢复特性的软度：下降时间
25、与延迟时间的比值下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用或称恢复系数，用sr表示。表示。Tf大，大，Sr越大越大，反向电流变反向电流变化慢，反向尖峰电压越小。化慢，反向尖峰电压越小。图图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数（1 1）普通二极管）普通二极管：普通二极管又称整流管普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），），多用于开关频率在多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，以下的整流电路中，其反向恢复时间在其反向恢复时间在usus以上，额定电流达数千安，额定以上，额定
26、电流达数千安，额定电压达数千伏以上。电压达数千伏以上。（2 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usus以下的称为快恢复以下的称为快恢复二极管（二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode简称简称FDRFDR）。）。快恢复二极快恢复二极管从性能上可分为管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管快速恢复和超快速恢复二极管。前者。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns100ns以下，其以下，其容量可达容量可达1200V/200A1200V/200A的水平的水平,多用于高频整流和逆变电多
27、用于高频整流和逆变电路中路中。（3 3）肖特基二极管：）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.40.6V0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒（10-40ns10-40ns）。但反向耐压在。但反向耐压在200200以下。以下。它常被用于高它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中频低压开关电路或高频低压整流电路中。电力二极管的主要类型：电力二极管的主要类型：2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的
28、特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数（选择二极管依据）（选择二极管依据）额定正向平均电流额定正向平均电流在指定的管壳温度（简称壳温，用在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流的峰值为设该正弦半波电流的峰值为Im,则额定电流则额定电流(平均电流平均电流)为为:（2.2.52.2.5）（2.2.42.2.4）
29、（2.2.62.2.6）（2.2.72.2.7）可求出正弦半波电流的波形系数可求出正弦半波电流的波形系数:定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数（脉动系数），用波形系数（脉动系数），用K Kf f表示：表示：额定电流有效值为额定电流有效值为:（1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(AV)正向平均电流是按照电流的发热效应来定义正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按流过二极管实际波形电流的，因此使用时应按流过二极管实际波形电流与工频正弦半波平均电流热效应相等（即有效与工频正弦半波平均电流热效应相等（即有效
30、值相等）的原则来选取电流定额，并应留有值相等）的原则来选取电流定额，并应留有1.52倍倍的的裕量裕量。当用在频率较高的场合时，当用在频率较高的场合时，开关损耗开关损耗造成的造成的发热往往不能忽略。发热往往不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗断态损耗造成的发热效应也不小造成的发热效应也不小。选择二极管电流定额的过程：求出电路中流过二极管电流的有效值IF；求二极管电流定额IFAV，等于有效值IF 除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。IF(AV)=(1.52)IF/1.57如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许
31、通过平均值为允许通过平均值为100A的正弦半波电流；的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为允许通过任意波形的有效值为157A的电流；的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。l 指指器器件件中中结结不不至至于于损损坏坏的的前前提提下下所所能能承承受受的的最最高平均温度。高平均温度。jMjM通常在通常在125125175175范围内。范围内。3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数（2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压RRMRRM：指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定
32、电压）指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压此电压通常为击穿电压U U的的2/32/3。l（3 3）正向压降正向压降F F：指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压的正向平均电压(又称管压降又称管压降)。（4 4）反向漏电流反向漏电流RRRR：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jM：2.1.4 二极管的基本应用 整流续流第二章、第二章、电力电子器件电力电子器件v 2.1、电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型v 2.2、
33、电力二极管电力二极管v 2.3、晶闸管晶闸管v 2.4、可关断晶闸管可关断晶闸管v 2.5、电力晶体管电力晶体管v 2.6、电力场效应晶体管电力场效应晶体管v 2.7、绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管v 2.8、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件v 2.9、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件的驱动与保护2.3、晶闸管晶闸管l2.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l2.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 l2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.3、晶闸管晶闸管 晶晶闸闸管管(Thirsted)包包括括：普普通通晶晶闸闸管管(SCR)、快快速速晶晶
34、闸闸管管(FST)、双双向向晶晶闸闸管管(TRIAC)、逆逆导导晶晶闸闸管管(RCT)、可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。和光控晶闸管等。由由于于普普通通晶晶闸闸管管面面世世早早，应应用用极极为为广广泛泛,因因此此在在无无特特别别说明的情况下说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。普普 通通 晶晶 闸闸 管管：也也 称称 可可 控控 硅硅 整整 流流 管管(Silicon Controlled Rectifier),简称简称SCR。由由于于它它电电流流容容量量大大,电电压压耐耐量量高高以以及及开开通通的的可可控控性性(目目前前生生产产水水平
35、平：4500A/8000V)已已被被广广泛泛应应用用于于相相控控整整流流、逆逆变变、交交流流调调压压、直直流流变变换换等等领领域域,成成为为特特大大功功率率低频低频(200Hz以下以下)装置中的主要器件。装置中的主要器件。2.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l （1 1）外形封装形式）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在额定电流在200A以以上上),分别由图分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。所示。l （2 2）晶闸管有）晶闸管有三个电极三个电极,它们是阳
36、极它们是阳极A,阴极阴极K和门极和门极(或称栅极或称栅极)G,它的电气符号如图它的电气符号如图2.3.1(e)所示。所示。图图2.3.1 2.3.1 晶闸管的外型晶闸管的外型及符号及符号1、晶闸管的结构：晶闸管的结构：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晶闸闸管管是是大大功功率率器器件件,工工作作时时产产生生大大量量的的热热，因因此此必必须须安安装装散热器。散热器。螺螺旋旋式式晶晶闸闸管管紧紧栓栓在在铝铝制制散散热热器器上上,采采用用自自然然散散热热冷冷却却方方式式,如图如图2.3.2(a)所示。所示。平平板板式式晶晶闸闸管管由由两两个个彼彼此此绝绝缘缘的的散散热热器
37、器紧紧夹夹在在中中间间,散散热热方方式式可可以以采采用用风风冷冷或或水水冷冷,以以获获得得较较好好的的散散热热效效果果,如如图图2.3.2(b)、(c)所所示。示。图图2.3.2 2.3.2 晶闸管的散热器晶闸管的散热器逆阻型晶闸管SCR两个三极管正反馈晶闸管的结构和结构模型螺栓型晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级共九级共九级,用字母用字母用字母用字母AIAI表示表示表示表示0.41.2V0.41.2V额定电压额定电压,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者。较小者。正、反向断态
38、重复峰值电压正、反向断态重复峰值电压额定正向平均电流额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）P-普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管S-双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A,额定电压为额定电压为700V。2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理图图2.3.3 2.3.3 晶闸管的结构模型和等效电路晶闸管的结构模型和等效电路 1 1）导通：）导通：晶闸管阳极施加正向电压时晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极若给门极G G
39、也加也加正向电压正向电压U Ug g,门极电流门极电流I Ig g经三极管经三极管T T2 2放大后成为集电极电流放大后成为集电极电流I Ic2c2，I Ic2c2又是三极管又是三极管T T1 1的基极电流的基极电流,放大后的集电极电流放大后的集电极电流I Ic1c1进一进一步使步使IgIg增大且又作为增大且又作为T T2 2的基极电流流入。重复上述正反馈过的基极电流流入。重复上述正反馈过程程，两个三极管两个三极管T T1 1、T T2 2都快速进入饱和状态都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极使晶闸管阳极A A与与阴极阴极K K之间导通。此时若撤除之间导通。此时若撤除Ug,TUg,T1 1、T T
40、2 2内部电流仍维持原来内部电流仍维持原来的方向的方向,只要满足阳极正偏的条件只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直晶闸管就一直导通导通。晶闸管晶闸管(单向导电性单向导电性),),导通条件为导通条件为阳极正偏阳极正偏和和门极正偏门极正偏。双晶体管模型：双晶体管模型：T T2 2的集电极与的集电极与T T1 1基极连基极连T T2 2的的基基极与极与T T1 1集电集电极连极连2.工作原理工作原理 在极短时间内使两在极短时间内使两个三极管均饱和导通，个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。此过程称触发导通。形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程E EA A 0 0、E EG G 0
41、 0A AKKGGEA+_R T1T2EG_+EA+_R T1T2EGA A_+KK 晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去掉掉掉掉E EGG ，依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。2.工作原理工作原理E EA A 0 0、E EG G 0 0形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程G2 2）阻断：）阻断：当晶闸管当晶闸管A A、K K间承受正向电压，而门极间承受正向电压，而门极电流电流I Ig g=0=0时时,上述上述T T1 1和和T T2 2之间的正反馈不能建立起
42、来之间的正反馈不能建立起来,晶闸管晶闸管A A、K K间只有很小的正向漏电流，它处于正向间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻阻断断状态。状态。2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理图图2.3.3 2.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的内部结构和等效电路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过高过高结温较高结温较高光触发光触发光光触触发发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而而应应用用于于高高压压电电力力设设备备中中，称称为为光光控控晶晶闸闸管（管（Light Trigger
43、ed ThyristorLTT）。只只有有门门极极触触发发是是最最精精确确、迅迅速速而而可可靠靠的的控控制制手段。手段。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：(1)(1)晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间)施加正施加正施加正施加正向电压。向电压。向电压。向电压。(2)(2)晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路(控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间)加正加正加正加正向电压或正向脉冲向电压或正
44、向脉冲向电压或正向脉冲向电压或正向脉冲(正向触发电压正向触发电压正向触发电压正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正依靠正依靠正依靠正反馈，反馈，反馈，反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：(1)(1)必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效应不能维持。应不能维持。(2)(2)将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断
45、开或者在晶闸管的阳极和阴极阳极和阴极阳极和阴极阳极和阴极间加反向电压。（过零或变负）间加反向电压。（过零或变负）间加反向电压。（过零或变负）间加反向电压。（过零或变负）AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效电路可控开通关断时：强迫其电流 下降到维持电流以下通态时晶闸管的等值电路2.3、晶闸管晶闸管l2.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l2.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 l2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数定义：定义：晶闸管阳
46、极与阴极之间的电晶闸管阳极与阴极之间的电压压Ua与阳极电流与阳极电流Ia的关系曲线称的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。为晶闸管的伏安特性。第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第三象、第三象限是限是反向特性反向特性。l图图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性UDRM、URRM正、反向断正、反向断 态重复峰值电压；态重复峰值电压；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。.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性：正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性URRMUFRM
47、IG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压正向转折电压正向转折电压正向转折电压IHOUIIG0IG1IG2+_ _+_ _反向转折电压反向转折电压反向转折电压反向转折电压正向平均电流正向平均电流维持电流维持电流维持电流维持电流U U伏安特性伏安特性I IG G=0=0时，器件两端施加正向电时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压超过临界极限即正向转折电压U Ubobo，则则漏电流漏电流急剧增大，器件急剧增大，器件开通。开通。随着门极电流幅值的增大，正随着门极电流幅值的增大，
48、正向转折电压降低。向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。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，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并且阳极电流降至接近于零的某一数值某一数值I IH H以下，则晶闸管又以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。回到正向阻断状态。I IH H称为称为维维持电流持电流在规定的环境和控在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。状态所必须的最小电流。图图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏
49、安特性（1 1）晶闸管的正向特性：）晶闸管的正向特性：晶闸管上施加反向电压时，晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。伏安特性类似二极管的反向特性。晶晶闸闸管管处处于于反反向向阻阻断断状状态态时时，只有极小的反向漏电流流过。只有极小的反向漏电流流过。当当反反向向电电压压超超过过一一定定限限度度，到到反反向向击击穿穿电电压压后后，外外电电路路如如无无限限制制措措施施，则则反反向向漏漏电电流流急急剧剧增增加，导致晶闸管发热损坏。加，导致晶闸管发热损坏。图图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性（2 2）晶闸管的反向特性：）晶闸管的反向特性：2.2.晶闸管的开关特性晶闸管的开
50、关特性晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。l 2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形延迟时间延迟时间t td d：门极电流门极电流阶跃时刻开始，到阳极阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的电流上升到稳态值的10%10%的时间。的时间。上升时间上升时间t tr r：阳极电流阳极电流从从10%10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%90%所需的时间。所需的时间。开通时间开通时间t tgtgt：以上两者以上两者之和，之和，t tgtgt=t=td d+t+tr r 普通普通晶闸管延迟时间为晶闸管延迟时间为0.51.50.51.5s s