电力电子器件-电子课件
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半控型器件最具代表性的是晶闸管，全控型器 件主要包括控制极可关断晶闸管（GTO）、功率晶体 管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘门 极晶体管（IGBT）等。
晶闸管是晶体闸流管的简称，俗称可控硅。主 要包括普通晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆 导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等。
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。
功率场效应管实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
优点：开关速度快，损耗低，驱动电流小，无 二次击穿现象等。
缺点：电压不能太高，电流容量也不能太大。 适用：小功率电力电子装置。
第一章 电力电子器件
MOSFET是压控型器件，其门极控制信号是电压。 它的三个极分别是：栅极G、源极S、漏极D。有N沟 道和P沟道两种。N沟道中载流子是电子，P沟道中载 流子是空穴。
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
第一章 电力电子器件
四、绝缘门极晶体管IGBT
绝缘门极晶体管IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）也称绝缘栅双极型晶体管，是20世纪80 年代发展起来的复合型电力电子器件。
绝缘门极晶体管IGBT的实物、 IGBT有源电压控制技术应用 直流电动机调速
图形和文字符号
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
第一章 电力电子器件
§1-3 全控型电力电子器件
学习目标
1.了解GTO、GTR、MOSFET、IGBT等器件的 结构及应用场合。
2.能够根据实际需要查阅手册，进行器件 选型。
第一章 电力电子器件
一、控制极可关断晶闸管GTO
控制极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off，GTO）是晶 闸管的一种派生器件，具有普通晶闸管的全部优点，如 耐压高、电流大等；同时又是全控器件，具有门极正信 号触发导通、门极负信号触发关断的特性。
c)晶闸管的等效电路
第一章 电力电子器件
晶闸管导通的正反馈过程：
Ig Ib2
Ic2 (Ib1) Ic1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
正反馈
半控特性： 一旦导通，UGK可有可无。
第一章 电力电子器件
晶闸管工作特性小结： （1）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。 （2）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。 （3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 （4）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（IH）以下 。
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
IG=0时 U<UBO ，断态； U=UBO ---正向转折电压雪崩，击穿导通，称为硬
开通。（正常情况下不允许）
IG>0 时
较小的电压降即可导通，导通压降小（为1V左
右）；导通后IA取决于外部电路。
第一章 电力电子器件
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。
晶闸管正向通态平均电压的组别
第一章 电力电子器件
4.控制极触发电流IGT和控制极触发电压UGT
在室温下，对晶闸管施加6V正向阳极电压时，使 元件完全开通所必需的最小控制极电流，称为控制极
触发电流IGT。
对应于控制极触发电流时的控制极电压，称为控
制极触发电压UGT。
第一章 电力电子器件
晶闸管的主要参数
第一章 电力电子器件
三、晶闸管的简单测试方法
1. 小功率晶闸管管脚的判别 利用万用表的R ×10挡可以分辨 出晶闸管的三个电极。如果测得其中 两个电极间阻值较小（正向电阻）， 而反向电阻很大，那么以阻值较小的 为准，黑表笔所接的就是门极G，而红 表笔所接的就是阴极K，另外的电极便 是阳极A。
第一章 电力电子器件
A (c)
K G
V
A 图形符号
A
K
G
(d
第一章 电力电子器件
平板式晶闸管 两面分别为阳极A和阴极K，
中间引出线—门极G 。 特点：散热效果好，容量大。
第一章 电力电子器件
2.国产晶闸管的命名方法 K
数字表示，额定电压（UTn）
数字表示，额定正向平均电流(IF) 字母表示晶闸管类别， P —普通反向阻断型， K —快速型，S —双向型 字母“K”表示晶闸管
螺栓式晶闸管
晶闸管模块
平板式晶闸管外形及结构
第一章 电力电子器件
晶闸管文字符号为VT。
晶闸管有三个电极：阳极A，阴极K，门极（又
称控制极）G。
K G
VT
A
第一章 电力电子器件
螺栓式晶闸管
螺栓—阳极A， 粗引线—K A G
(a)
阴极K，细引线—门极G。
K
特点： 安装方便。
G
A (b)
图10-1 G
第一章 电力电子器件
二、晶闸管的工作原理
晶闸管与二极管的异同： 相同点：单向导电性。 不同点：晶闸管具有正向阻断特性。 晶闸管可以看成是由一个PNP型和一个NPN型晶 体管连接而成。
第一章 电力电子器件
A
P1
N1
J1
G
P2 N2
J2 J3
K a)
晶闸管的等效电路 a)晶闸管内部结构示意图 b)晶闸管等效内部结构示意图
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。
模块实物
第一章 电力电子器件
优点：结合了MOSFET和GTR的优点，输入阻抗高 ，速度快，热稳定性好，驱动电路简单，输入通态电 压低，耐压高和承受大电流。
适用：电动机控制、中频和开关电源以及要求快 速、低功耗的领域。
2.晶闸管好坏的判断 如果测得阳极A与门极G，阳极A与阴极K间正 反向电阻均很大，而门极G与阴极K间正、反向电阻 有一大一小的差别，说明晶闸管质量良好；否则， 晶闸管不能使用。
G与K间的正、反向电阻（R × 10挡） A与K间的正、反向电阻 （或A与G间的正、反向电阻）
第一章 电力电子器件
§1-2 晶闸管的伏安特性和主要参数
§1-1 晶闸管的工作原理 §1-2 晶闸管的伏安特性和主要参数 §1-3 全控型电力电子器件
第一章 电力电子器件
§1-1 晶闸管的工作原理
学习目标
1.了解晶闸管的基本结构和命名。 2. 理解晶闸管的工作原理。 3. 掌握晶闸管的导通及关断条件。
第一章 电力电子器件
一、晶闸管的结构和命名
1.晶闸管的结构 按外形分类：塑封式、螺栓式和平板式。
第一章 电力电子器件
二、晶闸管的主要参数
1.额定电压UTn 正向重复峰值电压UDRM
——控制极开路且处于额定结温值时，允许重复 加在晶闸管上的最大正向电压。
反向阻断重复峰值电压URRM
——控制极开路且处于额定结温值时，允许重复 加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。
取UDRM和URRM中的小值，按百位取整后所得结果即
优点：既有晶体管的固有特性，又扩大了功率 容量。
缺点：耐冲击能力差，易受二次击穿而损坏。 适用：在10kHz以下的大功率变换电路中应用 较多。
第一章 电力电子器件
三、功率场效应晶体管MOSFET
功率场效应晶体管的全称是功率金图1- 属氧化物半导 体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），简称功率MOSFET。
学习目标
1.掌握晶闸管的伏安特性曲线。 2.掌握晶闸管的主要参数，会根据参数选 用晶闸管。
第一章 电力电子器件
一、晶闸管的伏安特性曲线
晶闸管阳极与阴极间的电压和阳极电流的关系 称为晶闸管的伏安特性。第一象限——正向伏安特 性，第三象限——反向伏安特性。
第一章 电力电子器件
正向伏安特性分为:阻断状态（断态）、导通状态 （通态）。
晶闸管是晶体闸流管的简称，俗称可控硅。主 要包括普通晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆 导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等。
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。
功率场效应管实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
优点：开关速度快，损耗低，驱动电流小，无 二次击穿现象等。
缺点：电压不能太高，电流容量也不能太大。 适用：小功率电力电子装置。
第一章 电力电子器件
MOSFET是压控型器件，其门极控制信号是电压。 它的三个极分别是：栅极G、源极S、漏极D。有N沟 道和P沟道两种。N沟道中载流子是电子，P沟道中载 流子是空穴。
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
第一章 电力电子器件
四、绝缘门极晶体管IGBT
绝缘门极晶体管IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）也称绝缘栅双极型晶体管，是20世纪80 年代发展起来的复合型电力电子器件。
绝缘门极晶体管IGBT的实物、 IGBT有源电压控制技术应用 直流电动机调速
图形和文字符号
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
第一章 电力电子器件
§1-3 全控型电力电子器件
学习目标
1.了解GTO、GTR、MOSFET、IGBT等器件的 结构及应用场合。
2.能够根据实际需要查阅手册，进行器件 选型。
第一章 电力电子器件
一、控制极可关断晶闸管GTO
控制极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off，GTO）是晶 闸管的一种派生器件，具有普通晶闸管的全部优点，如 耐压高、电流大等；同时又是全控器件，具有门极正信 号触发导通、门极负信号触发关断的特性。
c)晶闸管的等效电路
第一章 电力电子器件
晶闸管导通的正反馈过程：
Ig Ib2
Ic2 (Ib1) Ic1
ຫໍສະໝຸດ Baidu
正反馈
半控特性： 一旦导通，UGK可有可无。
第一章 电力电子器件
晶闸管工作特性小结： （1）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。 （2）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。 （3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 （4）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（IH）以下 。
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
IG=0时 U<UBO ，断态； U=UBO ---正向转折电压雪崩，击穿导通，称为硬
开通。（正常情况下不允许）
IG>0 时
较小的电压降即可导通，导通压降小（为1V左
右）；导通后IA取决于外部电路。
第一章 电力电子器件
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。
晶闸管正向通态平均电压的组别
第一章 电力电子器件
4.控制极触发电流IGT和控制极触发电压UGT
在室温下，对晶闸管施加6V正向阳极电压时，使 元件完全开通所必需的最小控制极电流，称为控制极
触发电流IGT。
对应于控制极触发电流时的控制极电压，称为控
制极触发电压UGT。
第一章 电力电子器件
晶闸管的主要参数
第一章 电力电子器件
三、晶闸管的简单测试方法
1. 小功率晶闸管管脚的判别 利用万用表的R ×10挡可以分辨 出晶闸管的三个电极。如果测得其中 两个电极间阻值较小（正向电阻）， 而反向电阻很大，那么以阻值较小的 为准，黑表笔所接的就是门极G，而红 表笔所接的就是阴极K，另外的电极便 是阳极A。
第一章 电力电子器件
A (c)
K G
V
A 图形符号
A
K
G
(d
第一章 电力电子器件
平板式晶闸管 两面分别为阳极A和阴极K，
中间引出线—门极G 。 特点：散热效果好，容量大。
第一章 电力电子器件
2.国产晶闸管的命名方法 K
数字表示，额定电压（UTn）
数字表示，额定正向平均电流(IF) 字母表示晶闸管类别， P —普通反向阻断型， K —快速型，S —双向型 字母“K”表示晶闸管
螺栓式晶闸管
晶闸管模块
平板式晶闸管外形及结构
第一章 电力电子器件
晶闸管文字符号为VT。
晶闸管有三个电极：阳极A，阴极K，门极（又
称控制极）G。
K G
VT
A
第一章 电力电子器件
螺栓式晶闸管
螺栓—阳极A， 粗引线—K A G
(a)
阴极K，细引线—门极G。
K
特点： 安装方便。
G
A (b)
图10-1 G
第一章 电力电子器件
二、晶闸管的工作原理
晶闸管与二极管的异同： 相同点：单向导电性。 不同点：晶闸管具有正向阻断特性。 晶闸管可以看成是由一个PNP型和一个NPN型晶 体管连接而成。
第一章 电力电子器件
A
P1
N1
J1
G
P2 N2
J2 J3
K a)
晶闸管的等效电路 a)晶闸管内部结构示意图 b)晶闸管等效内部结构示意图
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。
模块实物
第一章 电力电子器件
优点：结合了MOSFET和GTR的优点，输入阻抗高 ，速度快，热稳定性好，驱动电路简单，输入通态电 压低，耐压高和承受大电流。
适用：电动机控制、中频和开关电源以及要求快 速、低功耗的领域。
2.晶闸管好坏的判断 如果测得阳极A与门极G，阳极A与阴极K间正 反向电阻均很大，而门极G与阴极K间正、反向电阻 有一大一小的差别，说明晶闸管质量良好；否则， 晶闸管不能使用。
G与K间的正、反向电阻（R × 10挡） A与K间的正、反向电阻 （或A与G间的正、反向电阻）
第一章 电力电子器件
§1-2 晶闸管的伏安特性和主要参数
§1-1 晶闸管的工作原理 §1-2 晶闸管的伏安特性和主要参数 §1-3 全控型电力电子器件
第一章 电力电子器件
§1-1 晶闸管的工作原理
学习目标
1.了解晶闸管的基本结构和命名。 2. 理解晶闸管的工作原理。 3. 掌握晶闸管的导通及关断条件。
第一章 电力电子器件
一、晶闸管的结构和命名
1.晶闸管的结构 按外形分类：塑封式、螺栓式和平板式。
第一章 电力电子器件
二、晶闸管的主要参数
1.额定电压UTn 正向重复峰值电压UDRM
——控制极开路且处于额定结温值时，允许重复 加在晶闸管上的最大正向电压。
反向阻断重复峰值电压URRM
——控制极开路且处于额定结温值时，允许重复 加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。
取UDRM和URRM中的小值，按百位取整后所得结果即
优点：既有晶体管的固有特性，又扩大了功率 容量。
缺点：耐冲击能力差，易受二次击穿而损坏。 适用：在10kHz以下的大功率变换电路中应用 较多。
第一章 电力电子器件
三、功率场效应晶体管MOSFET
功率场效应晶体管的全称是功率金图1- 属氧化物半导 体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），简称功率MOSFET。
学习目标
1.掌握晶闸管的伏安特性曲线。 2.掌握晶闸管的主要参数，会根据参数选 用晶闸管。
第一章 电力电子器件
一、晶闸管的伏安特性曲线
晶闸管阳极与阴极间的电压和阳极电流的关系 称为晶闸管的伏安特性。第一象限——正向伏安特 性，第三象限——反向伏安特性。
第一章 电力电子器件
正向伏安特性分为:阻断状态（断态）、导通状态 （通态）。