电力电子器件的基本特性

2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极 抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈 正反馈使器件退出饱和而关断。
26
2、GTO的开关特性
1）开通过程：
导通过程与SCR一样，只是 导通时饱和程度较浅。需经过
延迟时间td和上升时间tr。
2）关断过程：
采用很大的负门极电流迅速地 减小阳极电流，并过一段时间 后此微小（阳极）电流降为零， 这时GTO才真正关断。
现代电力电子技术 Modern Power Electronics
教案编写： 肖强晖 无限
授课教师： 晖
廖 肖强
1
第2章 电力半导体器件的基本特性
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 §2.5
电力半导体器件的种类及应用 半导体整流管 晶闸管和可关断晶闸管 功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管 电力半导体器件的功率损耗和冷却
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号
a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图
c) 电气图形符号
25
1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后，门 极信号是可以撤除的, 但在制作时采用特殊的工艺使管 子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处于深 饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状 态使其关断。
路之间的绝缘，且可避免电磁干 扰的影响，因此目前在高压大功
图2.3.8 控晶闸管的电气图 形符号和伏安特性
率的场合，如高压直流输电和高 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 压核聚变装置中，占据重要的地
位。
20
快速晶闸管(Fast Switching Thyrister—FST
➢ 可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸 管(Fast Switching Thyrister，简称FST)，开关频率在 10KHZ 以上的称为高频晶闸管。
➢ 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（GateTurn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET） 和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。
5
2.1.2 电力电子器件的种类
2
重点和难点
电力电子器件的基本模型和分类 电力电子器件指标和特性 应用电力电子器件系统的组成 电力电子器件的驱动和保护类型及原理
3
§2.1 电力半导体器件的种类及应用
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电子器件的研制与 应用。
定义：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（Power Electronic Device）。
整流二极管及模块
9
PN结的状态 10
§2.2.2 其它类型的整流管
除了PN结型的整流管外，还有肖特基整流管、快恢复二极 管和同步整流管等。 ① 肖特基整流管：导通压降的典型值为0.4～0.6V（而PN结型整 流管的通态压降典型值为1V左右），而且它的反向恢复时间为 几十纳秒。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路 中。 ② 快恢复二极管：它的容量可达1200V/200A的水平，反向恢复 时间为10纳秒数量级，常应用于三相380V高频PWM整流/逆变电 路中，作为电力半导体器件缓冲吸收回路中的快恢复二极管。 ③ 同步整流管：利用VDMOS管的栅极驱动信号与电源电压同步而 构成的具有低导通电阻、低反向恢复时间等优良特性的一种整 流器件，已经成功用于48VDC以下电压等级的开关电源的输出 整流部分，用来提高高频整流电路的效率，估计可提高效率7%。
17
2. 晶闸管的伏安特性
图2-4 晶闸管的伏安特性
晶闸管导通时的A-K间 的电压（导通压降） 是非常小的，其典型 的平均压降为1～2V， 因此，晶闸管导通后 相当于“低阻态”。
晶闸管门极特性偏差 很大，即使同一额定 值的晶闸管之间其特 性也有所不同，所以 在设计门极触发电路 时，必须考虑这种偏 差。
二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为 两种：
➢电流控制型器件： 此类器件采用电流信
号来实现导通或关断控制。
如：晶闸管、门极可关断 晶闸管、功率晶体管、IGCT 等；
➢ 电压控制半导体器件：
这类器件采用电压控 制（场控原理控制）它的 通、断，输入控制端基本 上不流过控制电流信号， 用小功率信号就可驱动它 工作。
29
§2.4.1 功率场效应管（MOSFET）
1. 功率MOSFET的基本结构
功率MOSFET的基本结构
30
2. 功率MOSFET的静态输出特性
当栅极电压UGS<阈值电 压UT时，功率MOSFET管处 于截止状态。阈值电压的 典型值为2～4V。
为保证器件导通后可靠 地进行饱和导通，UGS要足 够大（通常>10V），典型 值为＋15VDC开通，－8VDC 关断。
➢ 4)逆导晶闸管存在着晶闸管区和 整流管区之间的隔离区；
➢ 5)逆导晶闸管的额定电流分别以 晶闸管和整流管的额定电流表示；
K G
A a)
I
IG=0
O
U
b)
图2.3.7 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
23
§2.3.2 门极可关断晶闸管（GTO）
可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。
18
3. 晶闸管的开关过程
图2-5 晶闸管的开关过程波形
（a）门极电流(IG)
（b）阳极电压(UA) 和阳极电流(IA)
从图2-5中可知，晶闸管的开通时间为 ton td tr （td为延迟时间；tr为上升时
晶闸管的关断时间为 toff trr t复合
在晶闸管关断的时间内，必须严格控制重加du/dt，19避免晶闸管再次返
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体电力电子器件。
4
一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：
➢ 不可控器件：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。如： 电力二极管（Power Diode）；
➢ 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（Thyristor） 及其大部分派生器件等；
16
要使晶闸管由关断状态转变成导通状态，还有三种 情况均无须门极触发信号，属于非正常导通：
① 正向转折导通：提高UAK正向电压，阳极电流IA增加， 直至晶闸管转入通态；
② 温度导通：当温度增加时，流过PN结（J2）的反偏漏 电流随着增加，直至晶闸管转入导通；
③ du/dt导通：各PN结都存在着电容。在A-K两端加正向 变化的电压时，各PN结将流过充电电流，其作用也相当 于阳极电流IA增加，直至晶闸管导通。 阻断条件：当晶闸管A 、K间承受正向电压，而门极电流 Ig=0时, 上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管A 、 K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。
同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下 导通，在负脉冲电流触发下关断。
24
1、GTO的基本原理
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。
➢ 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通 晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般 在2000V以下。
➢ 快速晶闸管du/dt的耐量较差，使用时必须注意产品铭 牌上规定的额定开关频率下的du/dt，当开关频率升高时， du/dt 耐量会下降。
21
双向晶闸管(TRIAC)
可认为是一对反并联联接
如：MOSFET管和IGBT管。
6
附表2.1:主要电力半导体器件的特性及其应用领域
器件种类 电力
二极管
晶闸管
可关断 晶闸管 MOSFET
IGBT
开关 功能 不可
控 可控 导通
自关 断型
器件特性概略
应用领域
5kV/3kA—400Hz
各种整流装置
6kV/6kA—400Hz 8kV/3.5kA—光
控SCR
图2.3.1 晶闸管的外型及符号 14
常用大功率晶闸管实物外形
螺栓型ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构 15
晶闸管的工作原理
导通条件：
晶闸管的内部结构和等效电路
① 在A-K两端施加正向电压；
② 同时在门极和阴极之间也施加正向触发（电压）信号时，门 极有电流IG流通。
这时，即使去掉触发信号，这时晶闸管仍然能够自动维持导 通。
回导通状态，引起关断失败。
4、晶闸管的派生器件
光控晶闸管(LTT)
❖ 1)又称光触发晶闸管，是利用一 定波长的光照信号触发导通的晶 闸管。
❖ 2) 小功率光控晶闸管只有阳极和 阴极两个端子。
❖ 3）大功率光控晶闸管则还带有光 缆，光缆上装有作为触发光源的 发光二极管或半导体激光器。
❖ 4）光触发保证了主电路与控制电
由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在 无特别说明的情况下，本书所说的晶闸管都为普通晶闸 管。
普 通 晶 闸 管 ： 也 称 可 控 硅 整 流 管 (Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。
由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性 (目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、 逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率低频 (200Hz以下)装置中的主要器件。