电力电子基础2

10
电力二极管基本特性
F
反向恢复电流
diF dt td tF t0 t1 diR dt u i UFP IRP U a) RP iF trr tf t2 t

动态特性:


关断过程：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。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。 开通过程：正向压降先出现一个 过冲UFP，经过一段时间才趋于接 近稳态压降值。电流上升率越大， UFP越高 。
21
第二讲 电力电子器件
晶闸管的动态特性
开通过程 延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间tgt=td+ tr 关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时 间约几百微秒
iA 100% 90%
（1-5）
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
第二讲 电力电子器件
18
晶闸管的工作原理

基本工作原理分析：


在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。
阻断状态：IG=0,1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流 过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。

几种可能导通的情况：

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du/dt过高；结温较 高

光触发：光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设 备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor—LTT）。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
11
电力二极管的主要技术参数

正向平均电流IF(AV)：
额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允
许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效 值相等的原则(有效值=1.57 IF(AV))来选取电流定额，并 应留有一定的裕量。

晶闸管的静态特性
正向特性
IG=0时，器件两端施加正向电压， 只有很小的正向漏电流，为正向 阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo， 则漏电流急剧增大，器件开通。 这种开通叫“硬开通”，一般不 允许硬开通。 随着门极电流幅值的增大，正向 转折电压降低。晶闸管导通压降 很小，在1V左右。
又称整流二极管(Rectifier Diode),用于开关频率不高(1kHz以下)电路中。 其反向恢复时间较长，一般在5s以上

正向电流定额可达数千安以上，反向电压定额可达数千伏以上

快恢复二极管(Fast Recovery Diode—FRD)
反向恢复过程很短(5s以下)的二极管。快速恢复等级-反向恢复时间为数百纳秒或 更长，超快速恢复则在100ns以下，甚至达到20~30ns 快恢复外延二极管(Fast Recovery Epitaxial Diodes—FRED)，其反向恢复时间更 短(可低于50ns)，正向压降也很低(0.9V左右)，但其反向耐压多在400V以下
UF
UR
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 正向恢复时间：tfr 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。
第二讲 电力电子器件
2V 0
uF b) tfr t
电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置
静态特性-伏安特性
门 槛 电 压 UTO>0.5V, 正 向 电 流 IF 开 始 明 显 增加所对应的电压。 与 IF 对 应 的 电 力 二极 管两端的电压即为其 正向电压降UF 。 承受反向电压时，只 有微小而数值恒定的 反向漏电流。
反向漏电流
I
IF
URRM
O UTO
IRRM
UF
U
第二讲 电力电子器件


依据器件等级：如功率 大小、开关速度、耐压 高低等 依材料种类：如硅、碳 化硅等 依封装和集成方式：如 分立、模块、高压集成 电路HVIC －High Voltage IC、智能功率集 成电路SPIC －Smart Power IC、智能功率模 块IPM －Intelligent Power Module等
IA
正向 导通
UA
URSMURRM
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA UDSM
反向特性
反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的反 相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后， 可能导致晶闸管发热损坏。
雪崩 击穿
-IA
晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
第二讲 电力电子器件
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常用晶闸管结构与外观
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
第二讲 电力电子器件 17
晶闸管的工作原理
按晶体管的工作原理 ，得：
I c1 1I A I CBO1
I c 2 2 I K I CBO2
（1-1）
（1-2）
（1-3）
I K I A IG

PN结单向导电性 PN结的反向击穿 PN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CJ，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CB和扩散电 容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。
第二讲 电力电子器件 9
电力二极Βιβλιοθήκη Baidu基本特性
10% 0 td uAK
tr
t
IRM
O
t
trr
URRM t gr
晶闸管的开通和关断过程波形
第二讲 电力电子器件 22
晶闸管的主要技术参数
电压定额

断态重复峰值电压UDRM —
电力电子基础
Fundamental Power Electronics
第二讲 电力电子器件
第二讲 电力电子器件
1
本讲要点
1.
2.
3. 4. 5. 6. 7. 8.
电力电子器件概述 不可控器件——电力二极管 半控型器件——晶闸管 典型全控型器件 其他新型电力电子器件 电力电子器件的驱动 电力电子器件的保护 电力电子器件的串联和并联使用
第二讲 电力电子器件 2
1.电力电子器件概述

理想的开关
导通时，电流按箭头流动 导通零电阻，因此零损耗 瞬时开通、关断 耐压、耐流能力无限

电力电子器件：由硅为主要材料制作的电子开关， 直接用于主电路（Main Power Circuit）中，用于 实现电能的变换。因此又可称为电力电子开关器 件（Power Electronic Switching Device）
不控型：不能用控制信号来控制其通断, 不需要驱动电路，如功率二极管(Power Diode) 半控型：通过控制信号可以控制其导通 而不能控制其关断，如Thyristor（或称 SCR） IGBT 全控型：通过控制信号既可控制其导通 和关断，又称自关断器件，如GTR, POWER MOSFET, IGBT, GTO, IGCT, MCT 等 功率MOSFET 单 依驱动信号的类型将器件分类 功率SIT 极 电流型控制：GTR、SCR、GTO等 电压型驱动：MOSFET、IGBT、MCT等 肖特基势垒二极管 型 光控型驱动
（1-4） 式中1和2分别是晶体管V1和V2的 共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分 别是V1和V2的共基极漏电流。由以 上式可得 ：
I A I c1 I c 2
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
第二讲 电力电子器件 6
2.不控器件-电力二极管
PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数 电力二极管的主要类型

整流二极管及模块
第二讲 电力电子器件 7
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。
A K A I K A a) A c) P N J b) K

A P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K
G
K K
J1 J2 J3
G
外形有螺栓型和平板型两种封装。


螺栓型封装，通常螺栓是其阳极， 能与散热器紧密联接且安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其 夹在中间。
A

有三个联接端。有控制用门极。
晶闸管
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号

由一个面积较大的 PN结和 两端引 线以 及封装组成的。 从外形上看，主要有 螺栓型和平板型两种 封装。
K

电力二极管 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
第二讲 电力电子器件
8
电力二极管工作原理
状态 参数 电流 电压 阻态 正向导通 正向大 0.4～1.2V 低阻态 反向截止 几乎为零 反向大 高阻态 反向击穿 反向大 反向大 ——

混 合 型
（
MCT
双 极
SITH 晶闸管
C TO RC G LT T T

（
复 合 型
GTR
型
电力二极管
TR IA

依载流子分类

单极型(Unipolar) 双极型(Bipolar) 复合型(Complex)
电力电子器件分类树 图1-42
第二讲 电力电子器件
5
电力电子器件的分类

依器件的其他特性标准 划分
散热器
2.
电应力限制：
1. 2.
缓冲电路
3.
驱动的要求：受控器件的开通与关断需要专门的驱动电路才能实 现以满足门极驱动对电压、电流、耗能、隔离等要求

具体使用时，必须保证电力电子器件的上述工作 参数在合理的范围之内，尽可能接近理想开关
第二讲 电力电子器件 4
电力电子器件的分类

依控制特性将器件分类：
第二讲 电力电子器件
19
晶闸管的基本特性
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。 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。 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 到接近于零的某一数值以下 。

第二讲 电力电子器件 20


肖特基二极管(Schottky Barrier Diode —SBD)

反向耐压等级低，多用于200V以下，反向漏电流较大且对温度敏感 反向恢复时间很短（10~40ns），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 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
第二讲 电力电子器件
14
3.半控器件-晶闸管
晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件

第二讲 电力电子器件
15
晶闸管结构与工作原理

晶闸管(Thyristor): 又称SCR (Silicon Controlled Rectifier) 。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
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平 均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
浪涌电流IFSM：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。
第二讲 电力电子器件 13
电力二极管的主要类型

普通二极管(General Purpose Diode):
3
第二讲 电力电子器件
电力电子器件主要特征

和理想开关相比，电力电子器件的主要区别
1.
存在损耗：
1. 2. 3. 4. 5.
导通时存在导通压降von，导致通态损耗Pon 阻断时有微小的漏电流，有断态损耗Poff，通常可忽略 开通需要时间ton，且存在开通损耗 关断需要时间toff，且存在关断损耗 器件在一定温度范围内正常工作 器件只能承受一定电压和电流 器件只能承受一定的电压上升率du/dt、电流上升率di/dt
正向压降UF：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。 反向重复峰值电压URRM：对电力二极管所能重复 施加的反向最高峰值电压。使用时应当留有两倍 的裕量。
第二讲 电力电子器件 12
电力二极管的主要技术参数
反向恢复时间trr：
trr= td+ tf
最高工作结温TJM：