第二章 电力电子器件2
电力电子技术习题答案
电力电子技术习题答案第二章 电力电子器件2-1答： 电导调制效应是指PN 结处于正向导通状态下，当正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N 区的欧姆电阻，其阻值较高并且管压降随正向电流的上升而升高；当正向电流较大时，在N 区的少子孔穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，势必多子电子的浓度也大幅增加。
这导致了电阻率的下降，从而电压上升的增量不大。
二极管的正向伏安特性曲线清楚地表明了电导调制效应的作用。
2-2 答： 使晶闸管导通的条件是：晶闸管处于正向偏置电压时，给门极施加足够功率的触发电压；当晶闸管处于导通状态时只要将导通的电流减小到小于维持电流，或者直接施加反向电压就可。
2-3 答：1)A t id I dVT 5025.02002120=⨯==⎰πωπA t d I i VT 1005.020*********.020221=⨯=⨯⨯==⎰ωππ A I I VT AV T 12757.1/20057.12)(==⨯= 2) []A t S C t id I dVT 7.108)4cos 1(12000200144=+⨯=-==⎰ππωπωπππππA t d I i VT 8.13495.04.1414321414.120042)42sin(2Im 0421=⨯=+=-+⨯==⎰ππππππωπππA I I VT AV T 7.17157.1/6.26957.12)(==⨯=2-4 答：GTR 电流容量大，耐压值高。
但需要的驱动功率大，热稳定性差，易产生二次击穿，通态压降较高；MOSFETS 静态驱动功率小，工作频率比较高，热稳定性优于GTR ，通态压降低。
它还具有正的温度特性，使得MOSFET 管易于并联使用。
但缺点是电流容量较小，耐压值较低。
IGBT 结合了GTR 容量大和MOSFET 驱动功率小的优点，但工作频率要低于MOSFET 。
2-5 答：IGBT 对驱动电路的要求是驱动电压脉冲上升和下降沿要陡；有足够的驱动功率；关断时栅极可加一反向电压；某些应用场合驱动电路要和主电路隔离；带有保护功能；驱动电路到IGBT 模块的引线尽可能短。
电力电子技术第二章总结
2016电力电子技术作业：第二章总结班级：XXXXXX学号：XXXXXXX姓名：XXXXXX第二章电力电子器件总结1.概述不可控器件——电力二极管(Power Diode) GPD FRD SBD半控型器件——晶闸管(Thyristor) FST TRIAC LTT典型全控型器件GTO GTR MOSFET IGBT其他新型电力电子器件MCT SIT SITH IGCT功率集成电路与集成电力电子模块HVIC SPIC IPM1.1相关概念主电路(Main Power Circuit):在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｡电力电子器件(Power Electronic Device)是指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｡1.2特点电功率大,一般都远大于处理信息的电子器件｡一般都工作在开关状态｡由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路(主要对控制信号进行放大)｡功率损耗大,工作时一般都需要安装散热器｡通态损耗,断态损耗,开关损耗(开通损耗关断损耗) 开关频率较高时,可能成为器件功率损耗的主要因素｡电力电子器件在实际应用中的系统组成一般是由控制电路､驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统｡关键词电力电子系统电气隔离检测电路保护电路三个端子1.3电力电子器件的分类按能够被控制电路信号控制的程度不同可分为半控型器件(开通可控,关断不可控) 全控型器件(开通,关断都可控) 不可控器件(开通,关断都不可控)按照驱动信号的性质不同可分为电流驱动型电压驱动型按照驱动信号的波形(电力二极管除外)不同可分为脉冲触发型电平控制型按照载流子参与导电的情况不同可分为单极型器件(由一种载流子参与导电) 双极型器件(由电子和空穴两种载流子参与导电)复合型器件(由单极型器件和双极型器件集成混合而成,也称混合型器件) 关键词控制的程度驱动信号的性质､波形载流子参与导电的情况工作原理基本特性主要参数2不可控器件——电力二极管(Power Diode)2.1结构与工作原理电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的｡PN节(PN junction):采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结｡N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体｡P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体｡正向电流IF :当PN结外加正向电压(正向偏置)时,在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流｡反向截止状态:当PN结外加反向电压时(反向偏置)时,反向偏置的PN结表现为高阻态,几乎没有电流流过的状态｡反向击穿:PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN 结反向偏置为截止的工作状态｡雪崩击穿齐纳击穿(可以恢复) 热击穿(不可恢复)P-i-N结构电导调制效应(Conductivity Modulation):当正向电流较小时,管压降随正向电流的上升而增加;当正向电流较大时,电阻率明显下降,电导率大大增加的现象｡关键词少子扩散运动空间电荷区(耗尽层､阻挡区､势垒区)结电容C J:PN结中的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应｡(微分电容)扩散电容C D:扩散电容仅在正向偏置时起作用｡正向电压较高时,扩散电容为结电容主要成分｡势垒电容C B:势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显｡在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为主｡作用:结电容影响PN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,甚至不能工作｡2.2基本特性静态特性(伏安特性)门槛电压U TO 正向电压降U F反向漏电流是由少子引起的微小而数值定｡动态特性结电容零偏置,正向偏置,反向偏置不能立即转换状态过渡过程正向偏置时延迟时间:t d=t1-t0电流下降时间:t f = t2 - t1反向恢复时间:t rr= t d + t f恢复特性的软度:S r= t f / t d,或称恢复系数,S r越大恢复特性越软｡由零偏置转换为正向偏置过冲U FP: 原因:1)电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存,在达到稳态导通之前管压降较大｡2)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,UFP越高｡正向恢复时间:t fr2.3主要参数正向平均电流I F(AV) 正向压降U F反向重复峰值电压U RRM最高工作结温T JM反向恢复时间t rr浪涌电流I FSM2.4主要类型普通二极管(General Purpose Diode)快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件——晶闸管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)3.1结构和工作原理内部是PNPN四层半导体结构如图a) P1 区引出阳极A､N2 区引出阴极K､P2 区引出门极G 工作原理可以用双晶体管模型解释如右图b)｡工作过程关键词: I G V2 I c2 I c1正反馈触发门触发电路其他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过高光触发结温较高只有门极触发是最精确､迅速而可靠的控制手段｡3.2基本特性静态特性正常工作特性当晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通｡当晶闸管承受正向电压时,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,不论门极触发电流是否还存在,晶闸管都保持导通｡若要使已导通的晶闸管关断,只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下｡伏安特性如右图所示包括正向特性和反向特性正向转折电压U bo维持电流I H反向最大瞬态电压U RSM反向重复峰值电压U RRM断态重复峰值电压U DRM断态最大瞬时电压U DSM动态特性如右图所示延迟时间t d (0.5~1.5μs)上升时间t r (0.5~3μs)开通时间t gt=t d+t r反向阻断恢复时间t rr正向阻断恢复时间t gr关断时间t q=t rr+t gr3.3主要参数(包括电压定额和电流定额)电压定额断态重复峰值电压U DRM反向重复峰值电压U RRM通态(峰值)电压U T通常取晶闸管的U DRM和U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压｡选用时,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍｡电流定额通态平均电流I T(AV)维持电流I H擎住电流I L浪涌电流I TSM动态参数开通时间t gt和关断时间t q断态电压临界上升率d u/d t通态电流临界上升率d i/d t3.4晶闸管的派生器件快速晶闸管(Fast Switching Thyristor, FST)双向晶闸管(Triode AC Switch——TRIAC or Bidirectional Triode Thyristor) 逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶闸管(Light Triggered Thyristor, LTT)典型全控型器件4门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)晶闸管的一种派生器件,但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断,因而属于全控型器件｡4.1结构与工作原理其结构原理可以参考晶闸管数十个甚至数百个小GTO单元4.2基本特性静态特性和普通晶闸管类似动态特性储存时间t s下降时间t f尾部时间t t4.3主要参数最大可关断阳极电流I ATO电流关断增益 off开通时间t on关断时间t off5电力晶体管(Giant Transistor, GTR)5.1结构和工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的｡最主要的特性是耐压高､电流大､开关特性好｡达林顿接法单元结构并联三层半导体两个PN结5.2基本特性右图所示静态特性右图所示动态特性右图所示5.3主要参数电流放大倍数 直流电流增益h FE集电极与发射极间漏电流I ceo 集电极和发射极间饱和压降U ces 开通时间t on 和关断时间t off 最高工作电压BU ceo :基极开路时集电极和发射极间的击穿电压实际使用GTR 时,为了确保安全,最高工作电压要比BU ceo 低得多｡ 集电极最大允许电流I cM 集电极最大耗散功率P cM6电力场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET) 6.1结构和工作原理6.3基本特性静态特性动态特性MOSFET 的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系,可以降低栅极驱动电路的内阻R s ,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度｡6.4主要参数跨导G fs ､开启电压U T 以及开关过程中的各时间参数｡漏极电压U DS漏极直流电流I D 和漏极脉冲电流幅值I DM 栅源电压U GS极间电容 C GS ､C GD 和C DS ｡N +GS DP 沟道b)N +N -S GD P P N +N +N +沟道a)GS DN 沟道图1-19漏源间的耐压､漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区｡7绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT or IGT) 综合了GTR和MOSFET的优点场控器件7.1结构和工作原理内部结构图其开通和关断是由栅极和发射极间的电压U GE决定的｡7.2基本特性静态特性转移特性输出特性动态特性开通过程开通延迟时间t d(on)电流上升时间t r电压下降时间t fv开通时间t on= t d(on)+t r+t fvt fv分为t fv1和t fv2两段｡关断过程关断延迟时间t d(off)电压上升时间t rv电流下降时间t fi关断时间t off = t d(off) +t rv+t fit fi分为t fi1和t fi2两段7.3主要参数最大集射极间电压U CES最大集电极电流最大集电极功耗P CM8其他新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT基于宽禁带半导体材料的电力电子器件。
电力电子技术课后答案精简版
IDVT＝Id∕3＝23.4∕3＝7.8（A）
IVT＝Id∕ ＝23.4∕ ＝13.51（A）
14．单相全控桥，反电动势阻感负载，R=1Ω，L=∞，E=40V，U2=100V，LB=0.5mH，当=60时求Ud、Id与的数值，并画出整流电压ud的波形。
解：考虑LB时，有：
解：ud、id、iVT、iD的波形如下图：
负载电压的平均值为：
＝67.5（V）
负载电流的平均值为：
Id＝Ud∕R＝67.52∕2＝33.75（A）
流过晶闸管VT1、VT2的电流有效值为：
IVT＝ Id＝19.49（A）
流过二极管VD3、VD4的电流有效值为：
IVD＝ Id＝27.56（A）
11．三相半波可控整流电路，U2=100V，带电阻电感负载，R=5Ω，L值极大，当=60时，要求：
24．整流电路多重化的主要目的是什么？
答：整流电路多重化的目的主要包括两个方面，一是可以使装置总体的功率容量大，二是能够减少整流装置所产生的谐波和无功功率对电网的干扰。
25．12脉波、24脉波整流电路的整流输出电压和交流输入电流中各含哪些次数的谐波？
答：12脉波电路整流电路的交流输入电流中含有11次、13次、23次、25次等即12k1、（k=1，2，3···）次谐波，整流输出电压中含有12、24等即12k（k=1，2，3···）次谐波。
《电力电子技术》第五版机械工业出版社
课后习题答案
第二章电力电子器件
1.使晶闸管导通的条件是什么？
答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK>0且uGK>0。
2.维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？
电力电子技术第2章 电力电子器件的驱动与保护
(b) (a)
图2-1 光电耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型
✓磁隔离的元件通常是脉冲变压器。
(c)
R：限流电阻
电力电子技术
4
2.1 电力电子器件的驱动电路
驱动电路分类
按驱动信号性质，可分为电流驱动型和电压驱动型。 具体形式可为分立元件、集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合 集成电路。 首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。
2.1.1 晶闸管触发电路
VD11
~VD
14
220 V 36V
+15 V
R15
C7 + C6 B
VD 15
+Vc + 15 V
VD 7
TP VD8
R18
R14 R
13
VD9
脉冲信号
C5
R16
VD6
VT7
VT8
电力电子技术
21
2.1.1 晶闸管触发电路
同步信号为锯齿波的触发电路工作波形
u ST
ωt
R15
图2-3b）磁耦合隔离的晶闸管驱动电路
前进
电力电子技术
12
2.1.1 晶闸管触发电路
3. 同步信号为锯齿波的触发电路
该电路可分为：脉冲形成与放大、锯齿波形成及脉冲移相、同步信 号处理
三个基本环节，以及双脉冲形成、强触发等环节。
同步 信号 同步
信号 处理
uK
锯齿 波形
成
脉冲 移相 控制
脉冲 形成 (单稳 态）
由阻断转为导通。 ✓触发信号可以是交流形式，也可直流形式，但它们对门极-阴极来 说必须是正极性的。 ✓为了减少功率，触发信号通常采用脉冲形式。 ✓往往包括相位控制电路。
第2章2电力电子器件Diode
电 力 电 子 器 件
从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为 数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。 产品样本： DSEI 60 IXYS IR
MZK30.2.4
3. 肖特基二极管
电力二极管的主要类型
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（Schottky Barrier Diode 肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 — SBD）。
电 力 电 子 器 件
其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 产品样本：DD171N VUO36 Eupec IXYS
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电 力 电 子 技 术
2.2.4
电力二极管的主要类型
2) 快恢复二极管（Fast Recovery Diode — FRD） 简称快速二极管 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其trr更短 （可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多 在1200V以下。
Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期 就获得应用。
快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、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。
电 力 电 子 器 件
整流二极管及模块
自动化 谭健敏
电 力 电 子 技 术
2.2
不可控器件 — 电力二极管·引言
电 力 电 子 器 件
二极管及符号
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电 力 电 子 技 术
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
2.电力电子器件 (2) - 半控型器件
+
_
IG2 IG1 IG0
U DRM U BO U 正向转折电压 正向特性
IG2 >IG1 >IG0
o
反向转折电压
U
_ +
反向特性
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电力电子器件
电 力 电 子 技 术
2.3.2 晶闸管的基本特性
(Power Electronics)
晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极 流出。 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极 之间施加触发电压而产生的。
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电力电子器件
电 力 电 子 技 术
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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
(Power Electronics)
5
1、晶闸管的结构
具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。
外形有螺栓型和平板型两种封装。
有三个联接端。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧
电压或正向脉冲(正向触发电压)。EG>0 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反
馈，晶闸管仍可维持导通状态。
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(Power Electronics) 电 力 电 子 技 术
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晶闸管关断的条件：
1. 必须使可控硅阳极电流减小,直
到正反馈效应不能维持。
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2、晶闸管的其它封装形式： 还有塑封和模块式两种封装。
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电力电子技术_洪乃刚_第二章电力电子器件
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2、晶闸管的电流参数 通态平均电流和额定电流 通态平均电流IAV国际规 定是在环境温度为40°C和在规定冷却条件下，稳定结 温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大正弦半 波电流的平均值。晶闸管以通态平均电流标定为额定 电流。 当通过晶闸管的电流不是正弦半波时，选择额定 电流就需要将实际通过晶闸管电流的有效值IT折算为 正弦半波电流的平均值，其折算过程如下： 通过晶闸管正弦半波电流的平均值 ：
晶闸管开通和关断过程
晶闸管在受反向电压关断时，反向阻断恢复时间 trr，正向电压阻断能力恢复的这段时间称为正向阻断 恢复时间tgr，晶闸管的关断时间toff=trr+tgr，约为 数百微秒。 （2）dv/dt和di/dt限制 晶闸管在断态时，如果加在阳极上的正向电压上 升率dv/dt很大会使晶闸管误导通，因此，对晶闸管正 向电压的dv/dt需要作一定的限制。 晶闸管在导通过程中，如果电流上升率di/dt很 大 会引起局部结面过热使晶闸管烧坏，因此，在晶闸 管导通过程中对di/dt也要有一定的限制。
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二、电力二极管的伏安特性
当施加在二极管上的正向电压大于UTO 时， 二极管导通。当二极管受反向电压时，二极管仅 有很小的反向漏电流（也称反向饱和电流）。
二极管的伏安特性
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三、电力二极管的主要参数
A、额定电压 B、额定电流 C、结温
电力二极管实物图
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A、电力二极管的额定电压 反向重复峰值电压和额定电压： 额定电压即是能够反复施加在二极管上，二极 管不会被击穿的最高反向重复峰值电压URRM，该电压 一般是击穿电压UB的2/3。在使用中额定电压一般取 二极管在电路中可能承受的最高反向电压（在交流 电路中是交流电压峰值），并增加一定的安全裕量。
电力电子技术2.1-2.2
5）保护电路：用于保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠工作。 因为主电路中有电压和电流的冲击，而电力电子器 件一般比主电路中的普通器件昂贵，但承受过电压和过 电流的能力却要差一些，所以保护电路的存在是非常必 要的。 6）电气隔离：将主电路和控制电路等进行安全隔离，而 通过光、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 与主电路的连接处、与控制信号的连接处，主电路与检 测电路的连接处。
④PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称 为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类： A—势垒电容CB： 它只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，其作 用越明显。 它的大小与PN结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。 B—扩散电容CD： 它仅在正向偏置时起作用。 在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主 要成份，正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。 注意：结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态 下，可使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时要注意。
4 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 ①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而是需要根据 电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管。 ②半控型器件：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。 如：晶闸管及其大部分派生器件。 ③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的器 件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管GTR、功率场效应晶 体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
电力电子器件
晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。
◆高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
◆由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
2.3.4 晶闸管的派生器件
I
■双向晶闸管（Triode AC
2.3.3 晶闸管的主要参数
■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的正向峰值电压。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值 电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 ☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 ◆反向重复峰值电压URRM ☞是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器 件上的反向峰值电压。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压 （即反向最大瞬态电压）URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
电子器件
2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
■基本概念 ◆ 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多
个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 ◆对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，
从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自
时间短、高温特性好、额 定结温高等优点，可用于 不需要阻断反向电压的电 路中。
K G
A
I O
IG=0 U
a)
b)
图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.3.4 晶闸管的派生器件
■光控晶闸管（Light
电力电子技术第五版答案
L d id � dt
2U 2 sin �t
考虑到初始条件�当�t�0 时 id�0 可解方程得�
id �
2U 2 (1 � cos �t ) �L
� I d � 1
2�
2� 0
2U 2 (1 � cos �t)d(�t) �L
= 2U 2 =22.51(A) �L
ud 与 id 的波形如下图�
u2
器铁心不会被直流磁化。
9�三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法�a、b 两相的自然换相点 是同一点吗�如果不是�它们在相位上差多少度�
答�三相半波整流电路的共阴极接法与共阳极接法�a、b 两相之间换相的的自 然换相点不是同一点。它们在相位上相差 180°。
10�有两组三相半波可控整流电路�一组是共阴极接法�一组是共阳极接 法�如果它们的触发角都是��那末共阴极组的触发脉冲与共阳极组的触发脉冲 对同一相来说�例如都是 a 相�在相位上差多少度� 答�相差 180°。
O
�
�t
ud
�
O
�
�t
id
O i2
�
Id �t
Id
O
�t
②输出平均电压 Ud、电流 Id�变压器二次电流有效值 I2 分别为 Ud�0.9 U2 cosα�0.9×100×cos30°�77.97�V�
Id�Ud /R�77.97/2�38.99�A� I2�Id �38.99�A�
③晶闸管承受的最大反向电压为�
2 U2�100 2 �141.4�V� 考虑安全裕量�晶闸管的额定电压为�
UN��2~3�×141.4�283~424�V� 具体数值可按晶闸管产品系列参数选取。
流过晶闸管的电流有效值为�
电力电子技术第二章
电
力
电
子
技
术
2．2 电力电子器件基础
1．PN结的形成
完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。在常温下，本征 半导体可以激发出少量的自由电子，并出现相应数量的空穴，这两种不同极 性的带电粒子统称为载流子。 用适当的方法在本征半导体内掺入微量的杂质，会使半导体的导电能力 发生显著的变化，这种半导体称为杂质半导体。因掺入杂质化合价的不同， 杂质半导体分为电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体两类。 N型半导体的杂质为五价元素，在半导体晶体中能给出一个多余的电子， 故N型半导体内自由电子数远大于空穴数，则自由电子称为多数载流子（简 称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。而P型半导体中的杂质为三 价元素，能在半导体晶体中接受电子，使晶体中产生空穴，即P型半导体中 的空穴数远大于自由电子数，则空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载 流子。
电
力
电
子
技
术
2．2．2电力电子器件的封装
图2-2是电力电子器件几种常见的封装形式
TO-220
TO-247
SOT-227
TO-64
TO-209
电
力
电
子
技
术
2．3 功率二极管
功率二极管（Power Diode） 属于不可控电力电子器件，是20世 纪最早获得应用的电力电子器件， 它在整流、逆变等领域都发挥着重 要的作用。基于导电机理和结构的 不同，二极管可分为结型二极管和 肖特基势垒二极管。 二极管的基本结构是半导体 PN结，具有单向导电性，正向偏 臵时表现为低阻态，形成正向电流， 称为正向导通；而反向偏臵时表现 为高阻态，几乎没有电流流过，称 为反向截止。
电
《电力电子技术》西安交通大学王兆安第五版第2章电力电子器件 (2)
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件 ☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。
10/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 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。
■正向压降UF ◆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。
■反向重复峰值电压URRM ◆指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。
20/89
2.2.3 电力二极管的主要参数
■最高工作结温TJM ◆结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 ◆最高工作结温是指在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。
图2-5 电力二极管的伏安特性
17/89
2.2.2 电力二极管的基本特性
IF
UF
d iF
dt
trr
td
tf
t1:反向电 流达最大 值的时刻
tF t0
t0:正向 电流降 为零的 时刻
u i U
FP
t1 t 2
UR
t
d iR
dt
IR UPRP a)
i
F
t2:电流变 化率接近 于零的时 刻
u
2V
F
0
b)
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握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。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
电力电子技术_第五版_王兆安刘进军_课后详细答案(机械工业出版社)
0 π 4
π a)
2π 0 π 4
π 5π 4 b)
2π 0
π 2 c)
2π
图 1-43 晶闸管导电波形 解 a) Id1= I1= b)
Im 1 π ( 2 + 1 ) ≈ 0.2717 Im π I m sin ωtd (ωt ) = ∫ 2 π 4 2 π 2
1 2π
∫π ( I
4
π
m
sin ωt ) 2 d (ωt )
=
π
2Im 2
Id3= I3 =
1 2π
1 2 1 I m d (ωt ) = ∫ 0 2 π 4
Im
∫
π
2 0
I m d (ωt )
2
= 1 Im
2
4. 题中如果 考虑安全裕量, 100A 的晶闸管能 的 均电流 Id1 Id2 Id3 各 多少 时 相应的电流最大值 Im1 Im2 Im3 各 多少? 解 额定电流 I T(AV) =100A 的晶闸管 允许的电流 效值 I =157A 由 题计算 结果知 a) Im1 ≈ I ≈ 329.35 Id1 ≈ 0.2717 Im1 ≈ 89.48 b) c)
图
π 2π
ωt
π
2π
ωt
0
π
2π
ωt
当α 60°时 在 u2 半周期 60° ~180° 期间晶闸管导通使电感 L 储能 电 感 L 储藏的能量在 u2 负半周期 180° ~300° 期间释放 因 在 u2 一个周期中 60° ~300° 期间 微 方程成立
L d id = 2U 2 sin ωt dt
2
7. IGBT GTR GTO 和电力 MOSFET 的驱 电路各 什 特点 答 IGBT 驱 电路的特点是 驱 电路 较小的输 电阻 IGBT 是电压驱 型器件 IGBT 的驱 多采用 用的混合集成驱 器 GTR 驱 电路的特点是 驱 电路提供的驱 电流 足够陡的前沿 并 一 定的过 样 开通过程 减小开通损耗 关断时 驱 电路能提供幅值 足够大的 向基极驱 电流 并 偏截 电压 关断 度 GTO 驱 电路的特点是 GTO 要求 驱 电路提供的驱 电流的前沿应 足够的幅值和陡度 一般需要在整个导通期间施 门极电流 关断需施 负 门极电流 幅值和陡度要求更高 驱 电路通常包括开通驱 电路 关断驱 电路和门极 偏电路 部 电力 MOSFET 驱 电路的特点 要求驱 电路 较小的输入电阻 驱 率小 电路简单 8. 全 型器件的缓 电路的 要作用是什 试 析 RCD 缓 电路中各元 件的作用 答 全 型器件缓 电路的 要作用是抑制器件的内因过电压 du/dt 或过电流 和 di/dt 减小器件的开关损耗 RCD 缓 电路中 各元件的作用是 开通时 Cs 经 Rs 放电 Rs 起到限制放 电电流的作用 关断时 负载电流经 VDs Cs 流 使 du/dt 减小 抑制过电压 9. 试说明 IGBT GTR GTO 和电力 MOSFET 各自的优缺点 解 对 IGBT GTR GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如 表 器 件 优 点 缺 点 开关 度高 开关损耗 小 耐脉 电流 开关 度 于电力 IGBT 的能力 通态压降较 MOSFET,电压 电流 输入阻 高 电 容量 及 GTO 压驱 驱 率小 开关 度 电流 耐压高 电流大 开关 驱 所需驱 率 GTR 特性好 通流能力强 大 驱 电路复杂 饱和压降 存在二次 穿 题 电压 电流容量大 电流关断增益很小 GTO 用于大 率场合 关断时门极负脉 电导调制效应 通流 电 流 大 开 关 度
第二章电力电子器件
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的使用特点 从使用角度出发，主要可从以下五个方面考察电力电子器件的性能特点。 (1)导通压降。电力电子器件工作在饱和导通状态时仍产生一定的管耗，管耗 与器件导通压降成正比。 (2)运行频率。受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开关时间越短， 器件可运行的频率越高。 (3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。 (4)耐冲击能力。这主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半控型器件的 耐冲击能力远高于全控型器件。 (5)可靠性。这主要是指器件防止误导通的能力。
普通二极管(Conventional Diode)又称整流二极管(Rectifier Diode)， 多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中 2. 快速恢复二极管
恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短(一般在5ms以下)的二极管被称 为快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)，简称快速二极管。 3. 肖特基势垒二极管
2.3 半控型器件—晶闸管及其派生器件
2. 晶闸管的工作原理 按图2.12所示电路 (1) 当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处
于关断状态。 (2) 当晶闸管承受正向阳极电压时，若门极不施加电压，晶闸管也处于关
断状态。即晶闸管具有正向阻断能力。 (3) 要使晶闸管由阻断变为导通，必须在晶闸管承受正向阳极电压时，同
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2.2 电力二极管
电力二极管的工作原理和基本特性
电力二极管的基本结构都是以半导体PN结为基础。电力二极管实际上是 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。图2.7所示为电力二极 管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺栓型和 平板型两种封装。
第2章全控型电力电子器件-PPT精品文档
——极间电容CGS、CGD和CDS
2.特点
控制级输入阻抗大 驱动电流小 防止静电感应击穿 中小容量，开关频率高 导通压降大（不足）
第四节 绝缘栅双极晶体管IGBT）
绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT（Insulated Gate Biopolar Transistor）,是80年代中期 发展起来的一种新型复合器件。
1. 结构
与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体 结构，外部引出阳极、阴极和门极； 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的 功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共 阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极 则在器件内部并联在一起。
2. 导通关断条件
导通：同晶闸管，AK正偏，GK正偏 关断：门极加负脉冲电流
3.特点
全控型 容量大 off≈5 电流控制型
电流关断增益off ： 最大可关断 阳极电流与门极负脉冲电流最大 值IGM之比称为电流关断增益
off
I ATO I GM
1000A的GTO关断时门极负脉
冲电流峰值要200A 。
第二节 GTR——电力晶体管
电力晶体管GTR （Giant Transistor，巨型晶体管） 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar
达林顿GTR的开关速度慢，损耗大
3．GTR 模块
将 GTR管芯、稳定电阻、加速二极管、 续流二极管等组装成一个单元，然后根 据不同用途将几个单元电路组装在一个 外壳之内构成GTR模块。
目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝 缘的单元电路做在同一模块内，可很方 便地组成三相桥式电路。
3. GTR的二次击穿现象
电力电子器件52871
图2-2功率二极管的动态过程波形 a）开通过程波形 b）关断过程波形
• 图• 2图-22a-)2给b给出出了了电电力力二二极极管管由由零正偏向置偏转置为转正为向反偏向置偏时置 动态时过动程态的过波程形的。波可形以。看当出原，处在于这正一向动导态通过的程电中力，二极 电力管二的极外管加的电正压向突压然降从会正出向现变一为个反电向压时过，冲该U电F力P，二经极 过一管段不t能FR立时即间关才断出，现而趋是于需接经近过稳一态段压短降暂值的。时间才能 进入截止状态。
••比典较型其的工正作时向的导电通压和压电降流是的变1.0化V，。我该们压可降以会得引到起它导的通理损耗 , 因此必须用想适伏当安的特散热性片，对如器图件2进-1c行)所冷示却。以限制结温。
•来•由说如这毁于要果时坏功快反反率,这得向向二个多电电极阙，压流管值因超变的称此过大导为，一通,二击可个速极把穿阀度管功值相电由率对,于器压二电结件极。力内就管电的会看路大发成的量生理暂功雪想态率崩变开损式化耗的关过而击。程过穿热,
➢ 开关特性 • 反映通态和断态之间的转换过程
✓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。
✓ 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。
2020年6月17日 第10页
➢ 开通过程： ✓电力二极管的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的某个值（如 2V）。这一动 态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 ✓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。 ✓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，UFP越高 。
〔解释〕
➢ 当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始 终处于关断状态；
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晶闸管阳极伏安特性IG2>IG1>IG
2.4.2
Ø 晶闸管阳极伏安特性
晶闸管的基本特性
Ø IG=0时，器件两端施加正向电压
，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。
晶闸管阳极伏安特性IG2>IG1>IG
Ø 其他几种可能导通的情况（非门极出 发机构）：
正向转折导通：在IG=0时，提高阳极-阴极 之间的正向电压VAK，使反向偏置的J2结发 生雪崩倍增效应，电流IA迅速上升， 1+2≈1，IA增加到EA/R。
热触发：当温度增加，反向 饱和电流随之增加，IA、IK 增大，直到1+2≈1，晶闸 管导通。
2.4.1 晶闸管的结构与工作原理
Ø 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管。广义 上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
Ø 引出阳极(Anode)A、阴极 (Kathode)K和门极(Gate)（ 控制端）G三个联接端
2.4.1 晶闸管的结构与工作原理
• 如前所述，晶闸管是 PNPN四层半导体结构。 • 四个区分别命名为P1、N1 、P2、N2。 • P1 区引出A极，N2 区引 出K极，P2区引出G极。 • 四个区形成三个PN结：J1 、J2、J3
电力电子技术
Power Electronic Technology
合肥工业大学电气与自动化工程学院
2.4 半控型器件—晶闸管
Ø 晶闸管概述 Ø 晶闸管的结构与工作原理 Ø 晶闸管的基本特性 Ø 晶闸管的主要参数 Ø 晶闸管的派生器件 Ø 晶闸管的触发
2.4 半控性器件——晶闸管
Ø 晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管的简称，又称作可控硅 整流器（Silicon Controlled Rectifier-SCR） Ø 按照IEC（国际电工委员会）的定义，晶闸管是指那些具有 3个以上的PN结，主电压—电流特性至少在一个象限内具有 导通、阻断两个稳定状态，且可在这两个稳定状态之间进 行转换的半导体器件。 Ø 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管 • 1957年美国通用电气（GE）公司开发出第一只晶闸管产品 • 1958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 • 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代 • 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
2.4.2
•
Ø
性 第I象限是正向特性；第III象限是反向特性
反向阻断 正向特性
反向击穿
正向阻断
晶闸管阳极伏安特性IG2>IG1>IG
2.4.2
Ø 晶闸管阳极伏安特性
晶闸管的基本特性
Ø 当AK两端施加反压时， 即使有门极信号也不可 能在晶闸管内部产生电 流正反馈。 Ø 当反向电压过大而达到 反向折转电压，则反向 漏电流迅速上升。类似 二极管。
2）关断过程
⑨影响关断时间的因素：从应用电路 设计看，有结温，反向恢复电流下降 率，反向电压及再加的du/dt等。以结 温和反向电压对关断时间影响最大， 结温越高，关断时间越长，反向电压 增高，关断时间缩短。
2.4.3
•
• • • • Ø
晶闸管的主要参数
电压定额
注意：晶闸管正向既可处于阻断状态又可处于导通状态。 断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时 ，允许重复加在器件上的 正向峰值电压（国标规定重复频 率50Hz，持续时间不超过10ms,UDRM=90%UDSM<Ubo ) 。 反向重复峰值电压URRM—— 在门极断路而结温为额定值 时，允许重复加在器件上的反向峰值电压(国标中有类似规 定）。 通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数的额 定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 额定电压UN＝Min（UDRM，URRM），选用时，要留有一定 安全裕量，一般取UN＝（2～3）晶闸管所承受峰值电压
正反馈过程 IG IB2 IC2
IB1
IC1
2.4.1 晶闸管的结构与工作原理
假设1=Ic1/Ie1、 2=Ic2/Ie2-分别为V1、V2的共 基极电流增益
2.4.1 晶闸管的结构与工作原理
Ø 晶体管的特性是：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。 Ø 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 Ø 开通（门极触发）：
2.4.1 晶闸管的结构与工作原理
Ø 其他几种可能导通的情况：
du/dt导通：各PN结都存在结电容，当 外加正向电压VAK的du/dt很高时，各PN 结将流过很大的充电电流：i=C·du/dt。 P1N1之间充电电流→ IA、IK增大 P2N2之间充电电流→ IB2增大→ IA、IK增 大→ 1+2≈1 以上导通都不加门极信号→非正常导通 ，这是必须防止和避免的。 要提高器件本身du/dt 耐量，减小漏电 流，提高耐压，特别是提高高结温下的 耐压等。同时在电路中采取保护措施， 降低电路上的干扰信号的影响。以防止 晶闸管误动作。
2.4.1 晶闸管的结构与工作原理
开通的物理过程 1）外加正向电压下J1、J3正偏J2反偏； 2）在GK间正向电压作用下，N2区有电子注入到P2 区； 3）注入到P2区的电子除了形成门极电流外，将被J2空 间场捕获，扫向N1区； 4）N1区电子的增加，将进一步增加J1结的正偏电压 ，进而增加了P1区向N1区的空穴注入，并由J2电场将 其扫向P2区，进而形成了再生反馈效应；
3） 擎住电流 IL
4） 浪涌电流ITSM
2.4.3
•
1) • 2) •
晶闸管的主要参数
动态参数
除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： 断态电压临界上升率du/dt（防止位移电流致使其导通） 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 通态电流临界上升率di/dt（考虑导通时的扩展时间） 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态 电流上升率
2.4.2
晶闸管的基本特性
平均功率损耗曲线
Ø 门极伏安特性
门极极低阻抗曲线
不可靠触发 区 不触发区
可靠触发区
门极极高阻抗曲线
2.4.2
•
•
晶闸管的基本特性
动态特性
反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性
1）开通过程
① 延迟时间td： 1+2向1逼近的过程 ，晶闸管电流不大，主要电子、 空穴向J2移动的渡越时间；
动态特性
反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性
2）关断过程
⑦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; ⑧ 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 复其对正向电压的阻断能力，电路才 能可靠工作
2.4.2
•
•
晶闸管的基本特性
动态特性
反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性
晶闸管阳极伏安特性IG2>IG1>IG
2.4.2
擎住电流
晶闸管的基本特性
转变区（亚稳态 ）
维持电流
2.4.2 Ø门极伏安特性
• • • •
晶闸管的基本特性
晶闸管门极伏安特性指门极电压和门 极电流之间的关系，呈现二极管的伏 安特性。 与二极管特性有所不同，正向电压中P2 横向电阻压降占的比重较大，且不同 器件电阻差异较大； 门极电压可从几伏到几十伏，门极电 流可从几毫安到几百毫安； 通常以一条典型的极限高阻抗门极伏 安曲线和一条极限低阻抗门极伏安曲 线表示门极特性
2.4.2
•
•
晶闸管的基本特性
动态特性
反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性
1）开通过程
⑥扩展时间ts： J2导通区由门极横向扩展
2.4.2
•
•
晶闸管的基本特性
动态特性
反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性
2）关断过程
① 强迫关断： 阳极阴极间施加反压完 成关断； ②在反向电压和电路电感的作用下电 流衰减 ③与二极管类似，电流过零后体内大 量的非平衡载流子需靠反向电流 抽取；
②影响延迟时间的因素： 触发脉冲的 前沿陡度和幅值；
2.4.2
•
•
晶闸管的基本特性
动态特性
反映晶闸管在开通与关断过程中表现出来的特性
1）开通过程
③上升时间tr： J2靠近门极的区域开始 导通 ④影响上升时间的因素： 回路阻抗 ⑤开通时间：tgt=td+tr ⑥扩展时间ts： J2导通区由门极横向扩 展
Ø 随着IG幅值的增大，正向转折电 压降低 Ø 当IG增加到超过某一临界值以后 ，正向阻断区几乎消失，类似于 二极管的正向伏安特性。
2.4.2
Ø 晶闸管阳极伏安特性
晶闸管的基本特性
Ø 所以有外加正向电压，只要加至 晶闸管上IG超过某一临界值，晶 闸管会立即导通，等效于一个正 向导电二极管。
Ø 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IH以下，则晶闸管又回到 正向阻断状态。IH称为维持电流 。
2.4.3
• 1) 电流定额
晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV)：晶闸管在环境温度为40C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→额定电流 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1.5～2倍
Ø Ø
2.4.3
• Ø Ø Ø Ø Ø 维持电流 IH
晶闸管的主要参数
晶闸管触发导通以后，在室温和门极开路条件下，使晶闸管维持导通所 必需的最小电流 一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电 流 同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍 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最大正向过 载电流