第1章电力电子器件1

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第1章电力电子器件1
➢IG=0时,器件两端施加正向电压,正向阻
断状态,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
➢随着门极电流幅值的增大,正向 转折电压降低导通后的晶闸管特 性和二极管的正向特性相仿
➢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
1957年 发明晶 闸管
全控型 器件
GTO GTR MOSFET
复合型 器件
IGBT IGCT MCT
集成功 率电路
PIC HVIC IPM
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1.3 半控器件—晶闸管
➢晶闸管的结构与工作原理 ➢晶闸管的基本特性 ➢晶闸管的主要参数 ➢晶闸管的派生器件
第1章电力电子器件1
一、晶闸管的结构与工作原理
1.晶闸管的结构
a)外形 b)结构 c)电气符号图
➢ 外形有螺栓型和平板型两种封装
➢ 引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个联接端
➢ 对于螺栓型封装,通常螺栓是其阳极,另一端较粗的 是阴极,细的是门极
➢ 平板型封装的晶闸管,两个平面分别是阳极和阴极,
细长端是门极
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2.晶闸管的工作原理
一、电力电子器件的特征
➢ 能处理电功率的大小,即承受电压和电流 的能力,是器件最重要的参数
➢ 电力电子器件一般工作在开关状态 ➢ 电力电子器件常常需要信息电子电路来控
制 ➢ 电力电子器件的功率损耗通常比信息电子
电路器件的大
第1章电力电子器件1
二、电力电子器件的分类
➢ 按照器件能够被控制电路信号所控制的程度,分 为三类:
(1)电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电 流来实现导通或者关断的控制
(2)电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间 施加一定的电压信号就可实现导通或者关断
➢ 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电 的情况分为三类
(1)单极型器件(2)双极型器件(3)复合型器件
第1章电力电子器件1
1.2 电力电子器件的发展历史
第1章电力电子器件1
例:通过晶闸管的实际波形如右图, 求此波形的电流平均值Id,电流有效 值Ia,波形系数Kf。当不考虑安全裕 量时,求选择晶闸管的电流定额
根据电流有效值相等的原则计算 规定波形下通过晶闸管的平均流
如果选用电流定额为100A的晶闸管,那 么实际允许的平均电流是多少?
第1章电力电子器件1
IK=IA+IG
(1-3)IA=Ic1+Ic2
(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(1-1)—(1-4)可得
(1-5)
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。
第1章电力电子器件1
第1章电力电子器件1
四、晶闸管的派生器件
1.快速晶闸管(Fast Switching Thyristor—FST)
➢包括所有专为快速应用而设计的晶闸管,有快速晶闸 管和高频晶闸管 ➢管芯结构和制造工艺进行了改进,开关时间以及
du/dt和di/dt耐量都有明显改善
➢普通晶闸管关断时间数百微秒,快速晶闸管数十微秒, 高频晶闸管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
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2.3晶闸管的工作原理
a) 双晶体管模型 b) 工作原理
晶闸管内部是PNPN四层半导体结构(P1,N1,P2, N2)。如果施加阳极正向电压,则J2处于反向偏置状态, 器件关断;如果施加阳极反向电压,J1、J3处于反向偏置状 态,器件关断。
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晶闸管的导通可以用双晶体(P1N1P2 和N1P2N2)模来解释。当门极注入电 流IG,IG流入晶体管V2的基极,那么在 V2的集电极产生电流IC2,而IC2又是晶 体管V1的基极电流,放大成集电极电流 IC1,进一步增大了V2的基极电流,形成 了强烈的正反馈,最后V1、V2进入饱 和状态,晶闸管导通。
当晶闸管导通后,撤除门极注入电流,由于晶体管内部已经 形成了强烈的正反馈。所以管子仍然导通;若要使晶闸管关断 则必须撤除阳极的正电压,或者给阳极施加反电压,或者使 流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值。
第1章电力电子器件1
晶闸管的工作方程
Ic1=1 IA + ICBO1 (1-1)Ic2=2 IK + ICBO2 (1-2)
2020/11/25
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1.电压定额
➢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。
➢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。
➢ 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。
通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器
(1)半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不 能控制其关断(晶闸管) (2)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,又称自关断器件(MOSFET、IGBT) (3)不可控器件——不能用控制信号来控制其通断,因 此也就不需要驱动电路(二极管)
第1章电力电子器件1
➢ 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信 号的性质,分为两类
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二、晶闸管的基本特性
1. 晶闸管的静特性
第I象限是正向特性,第III象限是反向性 URSM——反向不重复峰值电压
URRM ——反向重复峰值电压 UDRM ——正向重复峰值电压
UDSM ——正向不重复峰值电压 Ubo ——正向转折电压
IH ——维持电流 IG ——门极触发电流
晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
(2) 维持电流 IH ——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。
(3)擎住电流 IL—— 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对同
一晶闸管来说,通常IL约为IH的2—4倍。
(4)浪涌电流ITSM ——指由于电路异常情况
逆导晶闸管的电气符号和伏安特性
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4.光控晶闸管(Light Triggered Thyristor——LTT)
➢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
➢光触发保证了主电路与控 制电路之间的绝缘,且可 避免电磁干扰的影响,因 此目前在高压大功率的场 合,如高压直流输电和高 压核聚变装置中,占据重 要的地位
2.1晶闸管的导通实验
➢A、K接正向电压,灯泡不燃亮 ➢A、K接正向电压,G、K接负电压,灯泡不燃亮 ➢A、K接正向电压,G、K接正电压,灯泡燃亮 ➢A、K接负向电压,灯泡不燃亮 ➢A、K接负向电压,无论G、K接何种电压灯泡不燃亮 ➢灯泡燃亮后,撤除G、K间电压或G、K间接负向电压,灯泡仍然燃亮 ➢灯泡燃亮后,撤除A、K间电压或A、K接负向电压,灯泡熄灭
2.4晶闸管其它导通情况
➢ 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
➢ 结温较高 ➢ 光直接照射硅片,即光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝 缘而应用于高压电力设备中之外,其它都因不易 控制而难以应用于实践,称为光控晶闸管(Light Triggered Thyristor——LTT) ➢ 只有门极触发(包括光触发)是最精确、迅速而可靠 的控制手段
第1章电力电子器件1
2.2晶闸管的通、断规律
➢当晶闸管承受阳极反向电压时,无论门极承受何种电 压,晶闸管都处于关断状态 ➢当晶闸管承受阳极正向电压时,仅在门极承受正向电 压时,晶闸管才能导通,两者缺一不可 ➢晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用 ➢要使晶闸管关断,必须去掉阳极正向电压,或者给阳 极施加反压,或者降低正向阳极电压,使通过晶闸管的 电流降低到一定数量以下 ➢当门极未加触发电压时,晶闸管具有正向阻断能力
➢由于工作频率较高,选择通态平均电流时不能忽略其 开关损耗的发热效应
第1章电力电子器件1
2.双向晶闸管(Triode AC Switch——TRIAC或 Bidirectional triode thyristor)
可认为是一对反并联联接 的普通晶闸管的集成,有 两个主电极T1和T2,一个 门极G,正反两方向均可 触发导通,所以双向晶闸 管在第I和第III象限有对 称的伏安特性。通常用在 交流电路中,因此不用平 均值而用有效值来表示其
件的额定电压。选用时,额定电压要留有一定裕量,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
第1章电力电子器件1
2.电流定额
(1)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
➢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,因此要进行相应的换算 ➢选择使应留一定的裕量,一般取换算结果的1.5—2倍
图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形
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第1章电力电子器件1
图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏 安特性
电气图形符号
伏安特性
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第1章电力电子器件1
图1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏 安特性
电气图形符号 伏安特性
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第1章电力电子器件1
3rew
演讲完毕,谢谢听讲!
再见,see you again
光控晶闸管的电气符号和伏安特性
第1章电力电子器件1
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
外形
结构
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电气图 形符号
第1章电力电子器件1
图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
双晶体管模型 返回
工作原理
第1章电力电子器件1
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG 返回
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第1章电力电子器件1
2020/11/25
第1章电力电子器件1
第1章 电力电子器件
➢电力电子器件的概念及分类 ➢电力电子器件的发展历史 ➢半控型电力电子器件——晶闸管
第1章电力电子器件1
1.1 电力电子器件概念
电力电子器件——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
第1章电力电子器件1
额定电流值。
双向晶闸管的电气符号和伏安特性
第1章电力电子器件1
3.逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor——RCT)
将晶闸管反并联一个二极管 制作在同一管芯上的功率集成 器件;
具有正向压降小、关断时间 短、高温特性好、额定结温高 等优点;
逆导晶闸管的额定电流有两 个,一个是晶闸管电流,一个 是反并联二极管的电流
1)计算实际波形的有效值 2)根据有效值相等的原则,计算出定义波形下的平均值 3)将计算值乘以1.5或2,即为所选晶闸管的电流定额
第1章电力电子器件1
根据通态平均电流IT(AV)的定义,当电流的峰值为IM时
有效值与平均值的比值称为波形系数Kf
例如,对于一只额定电流IT(AV)=100A的晶闸管,
允许通过的电流有效值为157A
IH以下,则晶闸管又回到正向阻断状 态。IH称为维持电流
➢晶闸管上施加反向电压时,伏安特性类似二极 管的反向特性
第1章电力电子器件1
2.晶闸管的动态特性
开通时间:tgt=td+tr td :0.5~1.5s, tr :0.5~3s 关断时间: tq=trr+tgr 约几百微秒
第1章电Hale Waihona Puke Baidu电子器件1
三、晶闸管的主要参数
引起的并使结温超过额定结温的不重复 性最大正向过载电流
第1章电力电子器件1
3.动态参数
除开通时间tgt和关断时间tq外,还有: (1) 断态电压临界上升率du/dt
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
(2) 通态电流临界上升率di/dt
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
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