第10章 电力电子技术基础

A1
等效电路 基本结构
通过控制电压的控制可实现双向导通
UA1>UA2时，控制极相对于A2 加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从A1流向A2； UA2>UA1时，控制极相对于A2 加负脉冲，晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。
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6.1.3 电力场效应晶体管
一、结构与电气符号 电力MOSFET也是多元集成的，一个器件由许多MOSFET元组成， 有横向导电型（LDMOS）和垂直导电型（VDMOS）两种结构。
3. 工作波形
u
O
ug
O

2
t t t
uO
4. 输出电压及电流的平均值
π
uT1
1 U O u d t O t πα π 1 U ο 2U sint d( t ) πα U U 1 cosα 1 cosα IO 0.9 22 0.9U Rο RL 2 2
19 速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。
二、过压保护
1. 阻容保护
利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电 场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。
C
C
C R
C
R
L
~
R
R
R
硒堆保护 (硒整流片)
晶闸管元件 的阻容保护
2.非线性元件保护
20
6.2.2 单相半控桥式整流电路
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此书仅介绍单结晶体管触发电路。
1.单结晶体管 结构
第二基极
B2
B2
B2 E + D B1 UE _
+
发射极 E P
PN结 N B1 N型硅片 第一基极 结构示意图
E
IE
RB2 + RB1 UB1 _ B1
UBB
_
符号
等效电路
24
单结晶体管的工作原理
RP R E + IE UE _ B2 B1 + 由图可求得 RB1 RB1 U B1 U BB U BB U BB R RBB B1 RB 2
3）额定正向平均电流 IF。环境温度不高于40C及标准散热条件下， 晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。
1 IF 2π
π
Im I m sintd (t ) π 0
正弦半波电 流的最大值
4）维持电流 IH。在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导 通状态所必须的最小电流。 一般IH为几十 ~ 一百多毫安。
S G
N+ P N+
沟道 N+ D
N+ P N+ N-
VDMOS场效应管元胞结构
等效电路
符号
13
二、电力场效应晶体管的导电机理
S
G
N+ P N+ N+ P N+ N-
沟道 N+ D
当漏极接电源正端，源极接负端，栅源 间电压为0，漏源间无电流流过；如果栅 源间加一正向电压UGS，并不会有栅极电 流流过，但随着UGS增加，当大于UGS(th) 时，形成反型层，漏极和源极导电。
1.可关断晶闸管（GTO--Gate Turn Off thyristor) A 可关断晶闸管的伏安特性、触发导通与普通晶闸管相同。 G K GTO符号
不同之处：普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸管可 在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。
2.双向晶闸管
A2 A1
图形符号
G
G
A2 G
（TRIAC)
晶闸管导通后，去掉 EG ， 依靠正反馈，仍 可维持导通状态。
7
K
EA > 0
2.工作原理 晶闸管导通的条件：
（1）晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压； （2） 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉 冲(正向触发电压)。
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。 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。 （2）将阳极电源断开，或在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。
注意：
由于VDMOS结构本身形成的寄生二极管的存在，使得它无反向阻断 能力，即具有逆导特性。当漏源之间加反向电压时，器件必定导通。
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三、电力场效应晶体管的特点
（1）垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分 利用，而且可获得大的电流容量； （2）设置了高电阻率的N- 区以提高电压容量； （3）短沟道(1 ～ 2μm)降低了栅极下端SiO2层的栅沟本征电容和 沟道电阻，提高了开关频率； （4）载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。 （5）驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高，且
结构
符号
等效电路
开通和关断由栅射间的电压UGE决定： 当UGE>UGE(th)时，IGBT导通； 当栅极与发射极间加反压或不加信号时，IGBT关断。
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6.1.5 MOS控制晶闸管（MCT）
一、结构与电气符号 MOS控制晶闸管是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新 型全控型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET。
6.1.1 普通晶闸管
普通晶闸管简称晶闸管，又称为可控硅，是一种大功率的可控 型半导体器件，主要用于可控整流、逆变、调压及开关等方面。 A 阳极 A 1.基本结构 P1 控制极 T N1 G
外形
2.工作原理
A A
K 符号
+ IA P1 N P2 G IG
结构
A N1
P2 N2
（门极） G
K 阴极
P1 N1 G P2 N2
控制信号：用双栅极控制， 栅极信号以阳极为基准。
关断：当栅极相对于阳极加正脉冲 电压时，OFF-FET导通，PNP晶体 管基极电流中断，破坏了使MCT导 通的正反馈过程，于是MCT被关断。
其中： （1）导通的MCT中晶闸管流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。 （2）使P-MCT触发导通的栅极相对阳极的负脉冲幅度一般为-5～-15V，使其 关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为+10V。 18
2. 工作原理 u 为正半周时： T1和D2承受正向电压。T1控 制极加触发电压，则T1和D2 导通，电流的通路为 a T1 RL D2 b a T1
io
T2 RL

+ u –
b
+ uo –
T2和D1均承受反向电压而截止。
D1
D2
u 为负半周时： T1、T2 晶闸管 T2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压， D1、D2晶体管 则T2和D1导通，电流的通路为 b T2 RL D1 a 21 此时，T1和D2均承受反向电压而截止。
开通而不能控制其关断。普通晶闸管及其派生器件属于这一类。
又能控制其关断，也称之为自关断器件。 根据控制信号的形式，分为两类： （1）电流控制型 有普通晶闸管（SCR）、电力晶体管（GTR）、 可关断晶闸管（GTO）等。 （2）电压控制型 有电力场效应晶体管（VDMOS）、绝缘栅双极 4 晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）等。
电子技术
第10章 电力电子技术基础
1
第6章 电力电子技术基础
6.1 电力电子器件 6.3 交流调压器与直流斩波器 6.5 变频与逆变电路 6.2 可控整流电路 6.4 直流电动机PMW调速系统 6.6 异步电动机的变频调速
概述
电子技术包括两大分支： 信息电子技术 电力电子技术 电力有直流和交流两种，电力变换可分为四大类：
UEE
+ _
UBB _
– 分压比(0.5~ 0.9)
当UE < UBB+UD = UP 时 PN结反偏，IE很小，单结晶 体管可视为断开的开关；
等效电路
B2
UEE
+ _
RP
R E + IE UE _
8
3.伏安特性
正向平均电流 维持电流
I
IF + _
IG2 > IG1 > IG0 IG2 IG1 IG0
U
UBR URRM
反向转折电压
IH o
UFRM UBO U
正向转折电压
_ +
反向特性
I = f（U）曲线
正向特性
9
4.主要参数 1）正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）UFRM。晶闸管控制极开路 且正向阻断情况下，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。 一般取UFRM = 80% UBO ，普通晶闸管 UFRM 为100V — 3000V。 2）反向重复峰值电压URRM。控制极开路时，允许重复作用在晶 闸管两端的反向峰值电压。一般取 URRM = 80% UBR，普通晶闸 管 URRM为100V—3000V。
P
N
晶闸管相当于 PNP和NPN型两个 晶体管的组合
N1
T1
P2 T2
G
P
P
N K
N2
IK _K
5
K
2.工作原理
A
β1 β2 I G
形成正反馈过程
IB2 IG
R
β2 I G
T1
I C 2 2 I G I B1
+ EA _
IG
G
I B2
+ _ EG
T2
I C 1 β1 I C 2 1 2 I G I B 2
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阳极 栅极
阴极 P-MOS控制晶闸管的元胞结构
等效电路
17 符号
二、P-MCT的工作原理
导通：当栅极相对于阳极施加负 脉冲电压时，ON-FET导通，其漏 极电流使NPN晶体管导通，同时 使PNP晶体管导通且形成正反馈 触发过程，最后导致MCT导通；
使MCT关断 的MOSFET
使MCT导通 的MOSFET P-MOS等效电路
10
5. 型号命名 K P 导通时平均电压组别
额定电压（用百位或千位数表示， 取UFRM或URRM较小者）
额定正向平均电流(IF) 普通型 （晶闸管类型） P--普通晶闸管 K--快速晶闸管 S --双向晶闸管
晶闸管
11 例：KP5-7表示额定正向平均电流为5A，额定电压为700V。
6.1.2 两种特殊晶闸管
在极短时间内使两个 三极管均饱和导通，此 过程称触发导通。
6
K EA > 0、EG > 0
2.工作原理
A
β1 β2 I G
形成正反馈过程
IB2 IG
R
β2 I G
T1
I C 2 2 I G I B1
+ EA _
IG
G
I B2
T2
I C 1 β1 I C 2 1 2 I G I B 2
热稳定性优于GTR，但是电力MOSFET电流容量小、耐压低，一
般用于功率10KW以下的装置。
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6.1.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
绝缘栅双极型晶体管是由双极型电力晶体管和绝缘栅MOSFET构 成的新型复合器件。
发射极 栅极 G E
N+ P N+ N+ P N+ J3 J2 NN+ J1 P+ C 集电极 漂移区 缓冲区 注入区 G G E E C + I D RN V J1 + + I DRon C IC
交流变直流—整流AC→DC（可控、不可控）
直流变交流—逆变DC→AC（V或/和F可变） 直流变直流—将一种电压（或电流）的直流，变为另一种电压 （或电流）的直流。
交流变交流—可以是电压或电力的变换，称为交流电力控制，也
可以是频率或相数的变换。
2
电力电子技术概述
电力电子技术分为： 电力电子器件制造技术
6.2.3 单结晶体管和触发电路
向晶闸管提供触发脉冲的电路称为触发电路。触发信号应满足以下 要求：
（1）有足够的功率，一般要求触发电压在4～10V以内，触发电流为数十至数 百毫安；
（2）应有一定的宽度，以保证晶闸管能可靠触发。脉冲前沿尽可能的陡，使 元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通； （3）必须与晶闸管的阳极电压同步； （4）相位可移动，移相范围必须满足电路要求。 此外，还要求触发电路工作可靠、体积小、重量轻等。 触发电路的种类很多：有分立元件构成的（如单结晶体管触发电路）、专用集 成触发电路、也可用数字电路、单片机或用软件产生触发脉冲再配以适当硬件 功率放大电路。 不同容量的晶闸管元件，选用的触发电路也不同。
6.1.6电力电子器件的保护
一、过流保护
1. 快速熔断器保护 快速熔断器接入方式有三种。
接在 输出端
接在 输入端
~
与器件 串联
2. 过流继电器保护：在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过
电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，自动切断电路。
3. 过流截止保护：在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号 控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅
变流技术
变流技术——电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器 件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及 由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。
3
6.1 电力电子器件
电力电子器件具有弱电控制强电输出的特点。
依据其弱电对强电通断的控制能力，可分为： （1）不可控器件 （2）半控型器件 （3）全控型器件 通常是二端器件，通过控制器件两端间的电 通常为三端器件，通过控制信号只能控制其 为三端器件，通过控制信号既可控制其开通 压极性控制其开通和关断，如整流二极管等。