《电力电子器件》PPT课件
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电力电子器件ppt课件
■ SIT + GTO ■又称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor——FCT） ■与GTO类似，开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件 ■驱动功率仍然很大 ■电流关断增益较小，应用范围还有待拓展
MOS控制晶闸管MCT
■ MOSFET + 晶闸管 ■ MCT（MOS Controlled Thyristor） ■结合MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速开关和晶闸管
☞ 关断过程没有没有少子存储效应 ☞ 常闭型、电压驱动型、驱动功率小
静电感应晶体管SIT
■ 结型场效应晶体管 ■ 多子导电，工作频率与MOSFET相当，功率容量比MOSFET
大，适用于高频大功率场合 ■ 不加栅极驱动时，SIT导通，加负偏压时关断，使用不方便 ■ 通态电阻大，还未得到广泛应用
集成门极换流晶闸管IGCT
■基本概念 ◆ 20世纪80年代，多个器件封装在一个模块成为趋势 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性 ◆大大减小线路电感，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、自诊断等信 息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路 （Power Integrated Circuit——PIC）
电力电子器件分类“树”
电力电子器件分类之一（载流子参与导电的情况） 单极型：电力MOSFET 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR 复合型：IGBT
电力电子器件分类之二 （驱动控制的情况） 电压驱动型：单极型器件和复合型器件 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单， 工作频率高。 电流驱动型：双极型器件 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小， 但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂
MOS控制晶闸管MCT
■ MOSFET + 晶闸管 ■ MCT（MOS Controlled Thyristor） ■结合MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速开关和晶闸管
☞ 关断过程没有没有少子存储效应 ☞ 常闭型、电压驱动型、驱动功率小
静电感应晶体管SIT
■ 结型场效应晶体管 ■ 多子导电，工作频率与MOSFET相当，功率容量比MOSFET
大，适用于高频大功率场合 ■ 不加栅极驱动时，SIT导通，加负偏压时关断，使用不方便 ■ 通态电阻大，还未得到广泛应用
集成门极换流晶闸管IGCT
■基本概念 ◆ 20世纪80年代，多个器件封装在一个模块成为趋势 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性 ◆大大减小线路电感，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、自诊断等信 息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路 （Power Integrated Circuit——PIC）
电力电子器件分类“树”
电力电子器件分类之一（载流子参与导电的情况） 单极型：电力MOSFET 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR 复合型：IGBT
电力电子器件分类之二 （驱动控制的情况） 电压驱动型：单极型器件和复合型器件 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单， 工作频率高。 电流驱动型：双极型器件 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小， 但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂
电力电子器件课件2
UBO——正向转折电压
曲线族。Ig＝0时，逐渐增大阳极电压Ua， 只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断； 随着阳极电压的增大，当达到正向转折电压 UBO时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断突
变为正向导通状态。这种在Ig＝0时，依靠增大 阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开
URO——反向击穿电压
通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的 电力电子器件称为全控型器件.常用的有门极可关断晶 闸管,大功率晶体管,功率场效应管,绝缘栅双极型晶体管, 静电感应晶体管及静电感应晶闸管等.
根据器件内部载流子参与导电的种类不同全控型器件又 分为单极型,双极型和复合型.
第3页，共43页。
1.1 普通晶闸管
第16页，共43页。
1.2 全控型电力电子器件
1.2.2 电力晶体管
⑤饱和压降UCES：GTR工 作在深饱和区时，集射 极间的电压值。
⑥共射直流电流增益β： β＝IC/IB表示GTR的电 流放大能力。
⑦动态参数如图2.2.5 开通时间 ton=td+tr 关断时间 toff=ts+tf
第17页，共43页。
第5页，共43页。
1.1 晶闸管
综述：晶闸管的导通条件是 晶闸管的内部结构和等效电路 阳极与阴极之间为正偏和 门极与阴极之间为正偏。 晶闸管导通后，即使撤除 门极驱动信号Ug，也不能使
晶闸管关断，只有设法使阳极
电流Ig减小到维持电流IH以
下，导致内部已建立的正反馈 无法维持，晶闸管才能恢复阻 断能力。门极电压只能触发晶 闸管开通，不能控制它的关断， 故称为半控型器件。
3、GTO有能承受反压和不能承受反 压两种类型，使用时应注意。
常用的GTO驱动电路。
a图中，T导通时，E经过T使GTO触发导 通，同时C被充电，极性左＋右－。当 T关断时，C经L、SCR、GTO阴极、GTO 门极放电，反向电流使GTO关断。
曲线族。Ig＝0时，逐渐增大阳极电压Ua， 只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断； 随着阳极电压的增大，当达到正向转折电压 UBO时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断突
变为正向导通状态。这种在Ig＝0时，依靠增大 阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开
URO——反向击穿电压
通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的 电力电子器件称为全控型器件.常用的有门极可关断晶 闸管,大功率晶体管,功率场效应管,绝缘栅双极型晶体管, 静电感应晶体管及静电感应晶闸管等.
根据器件内部载流子参与导电的种类不同全控型器件又 分为单极型,双极型和复合型.
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1.1 普通晶闸管
第16页，共43页。
1.2 全控型电力电子器件
1.2.2 电力晶体管
⑤饱和压降UCES：GTR工 作在深饱和区时，集射 极间的电压值。
⑥共射直流电流增益β： β＝IC/IB表示GTR的电 流放大能力。
⑦动态参数如图2.2.5 开通时间 ton=td+tr 关断时间 toff=ts+tf
第17页，共43页。
第5页，共43页。
1.1 晶闸管
综述：晶闸管的导通条件是 晶闸管的内部结构和等效电路 阳极与阴极之间为正偏和 门极与阴极之间为正偏。 晶闸管导通后，即使撤除 门极驱动信号Ug，也不能使
晶闸管关断，只有设法使阳极
电流Ig减小到维持电流IH以
下，导致内部已建立的正反馈 无法维持，晶闸管才能恢复阻 断能力。门极电压只能触发晶 闸管开通，不能控制它的关断， 故称为半控型器件。
3、GTO有能承受反压和不能承受反 压两种类型，使用时应注意。
常用的GTO驱动电路。
a图中，T导通时，E经过T使GTO触发导 通，同时C被充电，极性左＋右－。当 T关断时，C经L、SCR、GTO阴极、GTO 门极放电，反向电流使GTO关断。
第二章 电力电子器件PPT课件
或者关断的控制，这类电力电子器件被称为电压控制型电力电子器件或者电 压驱动型电力电子器件。
第4页/共82页
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。
不可控型、半控型和全控型器件 双极型、单极型和混合型器件 电流控制型和电压控制型器件
第1页/共82页
2.1 电力电子器件概述
1. 不可控型、半控型和全控型器件
1) 不可控型器件：电力二极管
不可控型器件是指不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。这种
器件只有两个端子，导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决
第5页/共82页
2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的现状和发展趋势 目前电力电子器件的种类和发展历史如图2.2所示。电力电子器件的主要
性能指标为电压、电流和工作频率三个参数，通过对这三项参数的比较即可 明白每种器件的应用范围。
图2.2 电力电子器件的种类和发展历史
第6页/共82页
2.1 电力电子器件概述
时在门极施加正向电压。正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。 (4) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管门极只能控制其导通，
而不能使已导通的晶闸管关断。 (5) 要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者
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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。
不可控型、半控型和全控型器件 双极型、单极型和混合型器件 电流控制型和电压控制型器件
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2.1 电力电子器件概述
1. 不可控型、半控型和全控型器件
1) 不可控型器件：电力二极管
不可控型器件是指不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。这种
器件只有两个端子，导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的现状和发展趋势 目前电力电子器件的种类和发展历史如图2.2所示。电力电子器件的主要
性能指标为电压、电流和工作频率三个参数，通过对这三项参数的比较即可 明白每种器件的应用范围。
图2.2 电力电子器件的种类和发展历史
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2.1 电力电子器件概述
时在门极施加正向电压。正向阳极电压和正向门极电压两者缺一不可。 (4) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管门极只能控制其导通，
而不能使已导通的晶闸管关断。 (5) 要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极加反压，或者
电力电子器件综合概述PPT课件( 83页)
也加正向电压。
关断条件： 阳极电流IA小于维持电流IH
实现方法：1）减小阳极电源电压或增大阳极回路电阻； 2）将阳极电源反向。
16
晶闸管的结构与工作原理
A
A
P1
N1 N1
G
P2 P2
N2
K
IA
PNP
IB1V1 NhomakorabeaG
I
G
I c1I B2
Ic2
R
V
NPN 2
S
E
I
A
E
K
G
K
IG
IB2
IC2 =IB1
IC1
模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型， 其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。
在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和 六单元结构。
39
电力晶体管（GTR）
1. GTR的结构和工作原理
模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型， 其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结
1
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子电路系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类
电主电 压电流
路
关断
反应快、可靠性高、寿命长、功率大、价格低，且具 有节能的特点。
9
电力电子器件的分类
关断条件： 阳极电流IA小于维持电流IH
实现方法：1）减小阳极电源电压或增大阳极回路电阻； 2）将阳极电源反向。
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晶闸管的结构与工作原理
A
A
P1
N1 N1
G
P2 P2
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K
IA
PNP
IB1V1 NhomakorabeaG
I
G
I c1I B2
Ic2
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NPN 2
S
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I
A
E
K
G
K
IG
IB2
IC2 =IB1
IC1
模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型， 其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。
在一个模块的内部有一单元结构、二单元结构、四单元结构和 六单元结构。
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电力晶体管（GTR）
1. GTR的结构和工作原理
模块型电力晶体管的内部结构既有单管型，也有达林顿复合型， 其容量范围从30A／450V～800A／1400V不等。
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用
本章小结
1
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子电路系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类
电主电 压电流
路
关断
反应快、可靠性高、寿命长、功率大、价格低，且具 有节能的特点。
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电力电子器件的分类
电力电子器件教学课件PPT
IG2> IG1> IG0
UBO UA
_+ 反向特性
正向转折电压
四、主要参数
UDRM: 正向重复峰值电压（晶闸管耐压值） 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。
URRM：反向重复峰值电压 控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元 件上的反向峰值电压。
IF：正向平均电流
(2) 晶闸管导通后，其阳极电流的大小（ c ）。 (a) 受控制电流控制 (b) 受控制电压控制 (c) 不受控制极控制，即控制极失去控制作用
(3) 晶闸管导通后，其正向压降约等于（ c ）。 (a) 0 (b) 0.3V (c) 1V左右
(4) 一般晶闸管导通后，要使其阻断，则必须（ b ）。 (a) 去掉控制极的正向电压 (b) 使阳极与阴极之间的正向电压降到零或加反向 电压 (c) 控制极加反向电压
+O
RL –uoUO21ππud(t)
t1
2
t
–
O
t
当u >0时:
在(0 ~ t1)，uG= 0，晶闸管不导通
uo= 0， uT= u
在t1，uG加触发脉冲，晶闸管导通
uo = u，uT≈ 0
当u < 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通
uo = 0，uT = u
(3) 工作波形 u
O
uG
t1
2
t2
G IG
+ UG
-
IB1
T1 IC2
12IG
T2 IB2
形成正反馈过程
+ UA
-
No Image
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R
No Image
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UBO UA
_+ 反向特性
正向转折电压
四、主要参数
UDRM: 正向重复峰值电压（晶闸管耐压值） 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。
URRM：反向重复峰值电压 控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元 件上的反向峰值电压。
IF：正向平均电流
(2) 晶闸管导通后，其阳极电流的大小（ c ）。 (a) 受控制电流控制 (b) 受控制电压控制 (c) 不受控制极控制，即控制极失去控制作用
(3) 晶闸管导通后，其正向压降约等于（ c ）。 (a) 0 (b) 0.3V (c) 1V左右
(4) 一般晶闸管导通后，要使其阻断，则必须（ b ）。 (a) 去掉控制极的正向电压 (b) 使阳极与阴极之间的正向电压降到零或加反向 电压 (c) 控制极加反向电压
+O
RL –uoUO21ππud(t)
t1
2
t
–
O
t
当u >0时:
在(0 ~ t1)，uG= 0，晶闸管不导通
uo= 0， uT= u
在t1，uG加触发脉冲，晶闸管导通
uo = u，uT≈ 0
当u < 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通
uo = 0，uT = u
(3) 工作波形 u
O
uG
t1
2
t2
G IG
+ UG
-
IB1
T1 IC2
12IG
T2 IB2
形成正反馈过程
+ UA
-
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R
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第2章-电力电子器件 ppt课件
也称混合型器件。
ppt课件
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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。 ■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。
ppt课件
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2.1 电力电子器件概述
2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点
ppt课件
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
一、电力电子器件的概念 ◆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。 ☞主电路：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。 ☞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，目前往往专指电力半导体器件。
ppt课件 6/89
2.1.2 电力电子器件应用系统的组成
■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、检测
电路、保护电路、和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系 统。
控 制 电 路
检测 电路 保护 电路 驱动 电路
V 1 L V 2 R
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
结内漂移运动加剧
施加PN结反 向电压过大 反向电流 急剧增大 破坏PN结反向偏置 为截止的工作状态
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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。 ■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。
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2.1 电力电子器件概述
2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
一、电力电子器件的概念 ◆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。 ☞主电路：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。 ☞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，目前往往专指电力半导体器件。
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2.1.2 电力电子器件应用系统的组成
■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、检测
电路、保护电路、和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系 统。
控 制 电 路
检测 电路 保护 电路 驱动 电路
V 1 L V 2 R
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
结内漂移运动加剧
施加PN结反 向电压过大 反向电流 急剧增大 破坏PN结反向偏置 为截止的工作状态
电力电子器件-电子课件
决定晶闸管的最大电流 管芯半导体结温 流过电流的有效值 （相同的电流有效值条件下，其发热情况相同，选取型号相同）
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
第二章 电力电子器件53751 210页PPT
1、结构 2、工作原理 3、特性 4、参数
2.2 电力二极管
2.2.1 电力二极管及其工作原理 2.2.2 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
一、电力二极管：
1、电力二极管（Power Diode）也称为半导 体整流器（Semiconductor Rectifier，简称 SR），属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。
二极管反向恢复过程示意图
（2）开通特性：如图（b）所示
电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。
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非平衡少子，达到
扩散电容仅在正向偏置时起作用，多数载流子 运动引起。
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 要成分。
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，应用时应加以注意。
势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。 当外加电压使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。
2.1.1 电力电子器件的 基本模型与特性
一、基本模型：
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2.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中 A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。 它只工作在“通态”和“断态”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。
《新型电力电子器件》课件
内部结构
图形符号
❖ 三端三层器件，有两个PN结，分NPN型和PNP型。 ❖ 采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积 大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。
NPN型晶体管的结构图和图形表示符号
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 1、电力晶体管GTR（巨型晶体管）
+b
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH
3、静电感应晶闸管SITH
树脂
N+
阴极
门极
P+
P+
P+
P+ P+
N
N+
P+
N+
阳极
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 3、静电感应晶闸管SITH
A
A
A
G
G
K
K
K
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 3、静电感应晶闸管SITH
➢ 开关速度快，工作频率高 ➢ 正向压降低 ➢ di/dt耐量高 ➢ 工作结温高
总结
1、晶闸管的派生器件 快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管
2、新型电力电子器件 GTR、GTO、SIT、IGBT、MOSFET、SITH、MCT、IGCT
作业： 1-10 1-11 1-13
三、复合型器件----IGBT、MCT、IGCT 1、绝缘栅双极型晶体管IGBT
IC
IC
饱 和 区
0
UGE(th)
UGE
URM 反向阻断区 0
有源区
UGE增加
正向阻断区
UGE(th) UFM UCE
三、复合型器件----IGBT、MCT、IGCT 1、绝缘栅双极型晶体管IGBT
图形符号
❖ 三端三层器件，有两个PN结，分NPN型和PNP型。 ❖ 采用三重扩散台面型结构制成单管形式。结面积 大、电流分布均匀，易散热；但电流增益低。
NPN型晶体管的结构图和图形表示符号
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 1、电力晶体管GTR（巨型晶体管）
+b
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH
3、静电感应晶闸管SITH
树脂
N+
阴极
门极
P+
P+
P+
P+ P+
N
N+
P+
N+
阳极
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 3、静电感应晶闸管SITH
A
A
A
G
G
K
K
K
一、双极型器件----GTO、GTR、SITH 3、静电感应晶闸管SITH
➢ 开关速度快，工作频率高 ➢ 正向压降低 ➢ di/dt耐量高 ➢ 工作结温高
总结
1、晶闸管的派生器件 快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管
2、新型电力电子器件 GTR、GTO、SIT、IGBT、MOSFET、SITH、MCT、IGCT
作业： 1-10 1-11 1-13
三、复合型器件----IGBT、MCT、IGCT 1、绝缘栅双极型晶体管IGBT
IC
IC
饱 和 区
0
UGE(th)
UGE
URM 反向阻断区 0
有源区
UGE增加
正向阻断区
UGE(th) UFM UCE
三、复合型器件----IGBT、MCT、IGCT 1、绝缘栅双极型晶体管IGBT
电力电子器件PowerPoint演示文稿
SCR的关断：
减少IA或增大R，使IA <IH 才能使SCR自然关断。通常是施加一定时间 的反压。
❖ 结论
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 。
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图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原 理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
电力电子器件PowerPoint演示文稿
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
根据晶体管的工作原理，得：
•（1-1） •（1-2） •（1-3） •（1-4）
从而，
•（1-5）
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。
正 则向 漏电电压流超急过剧正增向大转，折 器电 件压 开通Ub。o，
随着门极电流幅值的增大，正向 转折电压降低。
晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。
•雪崩 •击穿
••-•IA
•图1-8 晶闸管的伏安特性
•IG2>IG1>IG
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电力电子器件PowerPoint演示文稿
1.3.2 晶闸管的基本特性
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。
•A
•K •A
•a)
•K
•A
•K
•P •N
•I
•J
•b)
•A
•K
•c)
•图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号
• a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
电力电子器件培训PPT(共 43张)
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1、不是井里没有水，而是你挖的不够深。不是成功来得慢，而是你努力的不够多。
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2、孤单一人的时间使自己变得优秀，给来的人一个惊喜，也给自己一个好的交代。
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3、命运给你一个比别人低的起点是想告诉你，让你用你的一生去奋斗出一个绝地反击的故事，所以有什么理由不努力!
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4、心中没有过分的贪求，自然苦就少。口里不说多余的话，自然祸就少。腹内的食物能减少，自然病就少。思绪中没有过分欲，自然忧就少。大悲是无泪的，同样大悟无言。缘来尽量要惜，缘尽就放。人生本来就空，对人家笑笑，对自己笑笑，笑着看天下，看日出日落，花谢花开，岂不自在，哪里来的尘埃!
二、三极管
半导体三极管
1、共发射极电路
有电压电流放大作用，输入电阻适中， 输出电阻适中，输出电压与输入电压相 位相反。高频性能差，适用于低频、和 多级放大电路的中间级。
二、三极管
半导体三极管
2、共集电极电路
有电流放大作用，电压跟随作用，输 入电阻很大，输出电阻很小，输出电压 与输入电压同相位。常用于多级放大电 路的输入级、输出级或缓冲级。
二、三极管
半导体三极管
电子在基区中的扩散与复合
由发射区来的电子注入基区后， 就在基区靠近发射结的边界积累起来， 右基 了一定的浓度梯度，靠近发射结附近浓度最高，离发射结越远浓度越小。因此， 向集电结的方向扩散，在扩散过程中又会与基区中的空穴复合，同时接在基区的 正端则不断从基区拉走电子， 好像不断供给基区空穴。电子复合的数目与电源从 的电子数目相等， 使基区的空穴浓度基本维持不变。这样就形成了基极电流IB， 电流就是电子在基区与空穴复合的电流。也就是说， 注人基区的电子有一部分未 结， 如复合越多， 则到达集电结的电子越少， 对放大是不利的。 所以为了减小 把基区做得很薄 (几微米)，并使基区掺入杂质的浓度很低，因而电子在扩散过程 与空穴复合的数量很少， 大部分都能到达集电结。
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流。）
h
7
晶闸管的特性总结如下：
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。
结论：
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 。
SCR导通条件： UAK>0 同时 UGK>0 由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。
2IG ICBO1ICBO2
IA 1(1 2)
（1-5） 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
h
a) 双晶体管模型 b) 工作原理 9
➢ 正 向 阻 断 ： 开 关 S 断 开 ， 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。
➢ 触发导通：开关S闭合，注入触发电
流IG。管子内部形成电流正反馈，V1、 V2饱和，1+2趋近于1，流过晶闸管 的电流IA急剧增大，晶闸管导通。IA实
普通晶闸管的关断时间约几
百微秒
h
trr URRM tgr
晶闸管的开通和关断过程波形
15
（2）关断过程
反向阻断恢复时间trr：正向电流 降为零到反向恢复电流衰减至接
近于零的时间
正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要 恢复其对正向电压的阻断能力还
需要一段时间
h
16
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
第一章 电力电子器件
h
1
电力电子器件(2)--晶闸管
• 1. 晶闸管的结构与工作原理 • 2. 晶闸管的基本特性 • 3. 晶闸管的主要参数 • 4. 晶闸管的派生器件
h
2
1 晶闸管的结构与工作原理
晶闸管（Thyristor）——硅晶体闸流管的简称 又称：可控硅整流器SCR，简称可控硅。
晶闸管派生器件：快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸 管、光控晶闸管等。
到稳态值的10%的时间
影响因素：
阳极电压大小、 门极电流大小、 主回路电感大小 等
上10%升上时升间到tr：稳阳态极值电的流90从%所 需的时间
开通时间ton以上两者之和，
ton=td+ tr 普通晶闸管延迟时间为 0.5~1.5s，上升时间为
0.5~3s
h
14
2.2 晶闸管的动态特性
（1）开通过程
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 能承受大电压和电流，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。
h
3
1.1 晶闸管的结构
G
KK
A A G
a)
A
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K b)
K G
A c)
外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个电极：A、K 、G 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。
h
11
2 晶闸管的特性
2.1 静态特性
阳极伏安特性 （1）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。
URSMURRM -
正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏 UA
电流急剧增大，器件开通。
随着门极电流幅值的增大，正向转折
雪崩 击穿
电压降低。
IA
正向 导通
IH
IG2 IG1 IG=0
h
4
（a）
（b）
晶闸管等效电路
h
5
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h 外形及结构
6
1.2 晶闸管的单向可控导电性
〔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；
➢ UAK>0时，只有EGk>0，SCR才能导通（灯亮）。说明SCR具有单向可控 导电性；
如去掉阳h 极电压UAK、加反向电压。8
1.3 晶闸管的工作原理
Ic1 1IAICB1O （1-1）
Ic2 2IKICB2O （1-2）
IK IAIG
（1-3）
IAIc1Ic2
（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 ：
当反向电压达到反向击穿电压
URSMURRM UA
后，可能导致晶闸管发热损坏。 雪崩
击穿
IA 正向 导通
IH
IG2 IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性
h
IG2>IG1>IG
13
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2 晶闸管的动态特性
（1） 开通过程 高时工必作须频考率虑低动时态，特不性需。要考延时虑迟刻动时开态间始特t，性d：到；门工阳极作极频电电率流流阶上跃升
➢ SCR导通后，去掉EGK,SCR仍然导通。说明SCR一旦导通，门极G将失去 控制作用。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和EA的 大小决定；
➢ SCR导通后，若UAK≤0，SCR关断。（若使R增大或EA降低，导致I逐渐 降低至某一个小数值时，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电
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
延迟时间td (0.5~1.5s)
iA 100%
上升时间tr (0.5~3s)
90%
开通时间ton以上两者之和， 10%
ton=td+ tr
0 td tr uAK
t
（2）关断过程
IRM
反向阻断恢复时间trr
O
t
正向阻断恢复时间tgr
关 断 时 间 toff 以 上 两 者 之 和 toff=trr+tgr
际由外电路决定。
IA
2IG ICBO1ICBO2 1(1 2)
IG Ib2 Ic2(=β2Ib2) Ib1
h
Ic1(=β1Ib1)
10
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（硬开通）
阳极电压上升率du/dt过高
结温较高 光触发
光触发原理制成光控晶闸管，可以应用于高压电力 设备中，保证控制电路与主电路之间的良好绝缘。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
-IA
导通期间，若门极电流为零，且阳极电 流降至某一数值IH以下，则晶闸管又回到 正向阻断状态。IH称为维持电流 h
。
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
12
（2）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 反向漏电流流过。
h
7
晶闸管的特性总结如下：
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。
结论：
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 。
SCR导通条件： UAK>0 同时 UGK>0 由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。
2IG ICBO1ICBO2
IA 1(1 2)
（1-5） 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
h
a) 双晶体管模型 b) 工作原理 9
➢ 正 向 阻 断 ： 开 关 S 断 开 ， 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。
➢ 触发导通：开关S闭合，注入触发电
流IG。管子内部形成电流正反馈，V1、 V2饱和，1+2趋近于1，流过晶闸管 的电流IA急剧增大，晶闸管导通。IA实
普通晶闸管的关断时间约几
百微秒
h
trr URRM tgr
晶闸管的开通和关断过程波形
15
（2）关断过程
反向阻断恢复时间trr：正向电流 降为零到反向恢复电流衰减至接
近于零的时间
正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要 恢复其对正向电压的阻断能力还
需要一段时间
h
16
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
第一章 电力电子器件
h
1
电力电子器件(2)--晶闸管
• 1. 晶闸管的结构与工作原理 • 2. 晶闸管的基本特性 • 3. 晶闸管的主要参数 • 4. 晶闸管的派生器件
h
2
1 晶闸管的结构与工作原理
晶闸管（Thyristor）——硅晶体闸流管的简称 又称：可控硅整流器SCR，简称可控硅。
晶闸管派生器件：快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸 管、光控晶闸管等。
到稳态值的10%的时间
影响因素：
阳极电压大小、 门极电流大小、 主回路电感大小 等
上10%升上时升间到tr：稳阳态极值电的流90从%所 需的时间
开通时间ton以上两者之和，
ton=td+ tr 普通晶闸管延迟时间为 0.5~1.5s，上升时间为
0.5~3s
h
14
2.2 晶闸管的动态特性
（1）开通过程
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 能承受大电压和电流，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。
h
3
1.1 晶闸管的结构
G
KK
A A G
a)
A
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K b)
K G
A c)
外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个电极：A、K 、G 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。
h
11
2 晶闸管的特性
2.1 静态特性
阳极伏安特性 （1）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。
URSMURRM -
正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏 UA
电流急剧增大，器件开通。
随着门极电流幅值的增大，正向转折
雪崩 击穿
电压降低。
IA
正向 导通
IH
IG2 IG1 IG=0
h
4
（a）
（b）
晶闸管等效电路
h
5
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h 外形及结构
6
1.2 晶闸管的单向可控导电性
〔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；
➢ UAK>0时，只有EGk>0，SCR才能导通（灯亮）。说明SCR具有单向可控 导电性；
如去掉阳h 极电压UAK、加反向电压。8
1.3 晶闸管的工作原理
Ic1 1IAICB1O （1-1）
Ic2 2IKICB2O （1-2）
IK IAIG
（1-3）
IAIc1Ic2
（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 ：
当反向电压达到反向击穿电压
URSMURRM UA
后，可能导致晶闸管发热损坏。 雪崩
击穿
IA 正向 导通
IH
IG2 IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性
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IG2>IG1>IG
13
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2.2 晶闸管的动态特性
（1） 开通过程 高时工必作须频考率虑低动时态，特不性需。要考延时虑迟刻动时开态间始特t，性d：到；门工阳极作极频电电率流流阶上跃升
➢ SCR导通后，去掉EGK,SCR仍然导通。说明SCR一旦导通，门极G将失去 控制作用。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和EA的 大小决定；
➢ SCR导通后，若UAK≤0，SCR关断。（若使R增大或EA降低，导致I逐渐 降低至某一个小数值时，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电
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
延迟时间td (0.5~1.5s)
iA 100%
上升时间tr (0.5~3s)
90%
开通时间ton以上两者之和， 10%
ton=td+ tr
0 td tr uAK
t
（2）关断过程
IRM
反向阻断恢复时间trr
O
t
正向阻断恢复时间tgr
关 断 时 间 toff 以 上 两 者 之 和 toff=trr+tgr
际由外电路决定。
IA
2IG ICBO1ICBO2 1(1 2)
IG Ib2 Ic2(=β2Ib2) Ib1
h
Ic1(=β1Ib1)
10
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（硬开通）
阳极电压上升率du/dt过高
结温较高 光触发
光触发原理制成光控晶闸管，可以应用于高压电力 设备中，保证控制电路与主电路之间的良好绝缘。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
-IA
导通期间，若门极电流为零，且阳极电 流降至某一数值IH以下，则晶闸管又回到 正向阻断状态。IH称为维持电流 h
。
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
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（2）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 反向漏电流流过。