第1章 电力电子器件1(湖南大学电气院)

A
G K
IA
光强度
强
弱
O
UAK
a)
b)
光控晶闸管的电气符号和伏安特性
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图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
G KK
A A G 外形a)
A
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K G
A
K 结构b)
电气图c)
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➢ 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
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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）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）
➢ 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
2.1晶闸管的导通实验 A
G K
EA S1
EG S2
➢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
量时，求选择晶闸管的电流定额
IT(AV)
I d
1
2
/2
IM
sin td (t)
IM
2
0
/2
2 t
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
Ia
1
2
/2
(IM
sin t)2
d (t)
IM 22
Kf
Ia Id
2
2.22
IM
IT ( AV )
Ia Kf
2 2 1.57
IM 3.58
I
可认为是一对反并联联接
的普通晶闸管的集成，有
T1
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
IG=0
O
U
管在第Ｉ和第III象限有对 G T2
称的伏安特性。通常用在
ห้องสมุดไป่ตู้
交流电路中，因此不用平
均值而用有效值来表示其
a)
b)
额定电流值。
双向晶闸管的电气符号和伏安特性
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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
IA
2 I G I CBO1 I CBO2 1 ( 1 2 )
（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。
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？
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(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。
U
a)
b)
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
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一、晶闸管的结构与工作原理
1.晶闸管的结构
A
G
KK
A A G
a)
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K b)
K G
A c)
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
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2.3晶闸管的工作原理
A
P1
N1
N1
G
P2
P2
N2
K
A
IA
PNP
V1
G IG
Ic1
Ic2
R
NPN V2
S EG
IK
EA
K
a)
b)
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。
➢导通期间，如果门极电流为零，并 雪崩 且阳极电流降至接近于零的某一数值 击穿
IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状 态。IH称为维持电流
IA 正向 导通
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
-IA
➢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
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2.晶闸管的动态特性
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A
IA
PNP
V1 G IG Ic1
NPN S EG
Ic2 V2
IK
K
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。
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
I
K G
A
IG=0
O
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。
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晶闸管的工作方程
Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）
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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
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1.2 电力电子器件的发展历史
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
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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
iA 100%
90%
10%
0 td tr
t
uAK
IRM
O
t
trr
URRM tgr
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
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三、晶闸管的主要参数
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
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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
(4)浪涌电流ITSM ——指由于电路异常情况
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
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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
➢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
➢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
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2.双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC或 Bidirectional triode thyristor）
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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
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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
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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
IM 2
0
2 t
有效值与平均值的比值称为波形系数Kf
I
K f IT ( AV ) 2 1.57
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
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例：通过晶闸管的实际波形如右图， IM
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
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➢ 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
（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
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
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根据通态平均电流IT(AV)的定义，当电流的峰值为IM时
IM
IT ( AV )
1
2
0
IM
sin td (t)
IM
IT(AV)
I
1
2
0
(IM
sin t)2 d (t)
雪崩 击穿
-IA
晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
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➢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
URSM URRM -UA
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
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
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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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
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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
IA 正向 导通
URRM ——反向重复峰值电压 UDRM ——正向重复峰值电压
URSM URRM -UA
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
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