第2章 电力电子器件的基本特性

一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：
不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根 据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管（Power Diode）； 半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关 断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管 （Thyristor）及其大部分派生器件等； 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 的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（GateTurn-Off Thyristor ）、 功率场效应管（Power MOSFET） 和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。
附表2.1:主要电力半导体器件的特性及其应用领域
器件种类 电力 二极管 晶闸管 可关断 晶闸管 MOSFET IGBT 自关 断型 开关 功能 不可 控
器件特性概略 5kV/3kA—400Hz 6kV/6kA—400Hz 8kV/3.5kA—光 控SCR 6kV/6kA— 500Hz
600V/70A— 100kHz
§2.2 半导体整流管
• §2.2.1 • §2.2.2 PN结型整流管 其它类型的整流管
§2.2 半导体整流管
• §2.2.1 PN结型整流管
Power Diode 结构和原理简单，工作可靠，自 20 世纪 50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流 和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的 地位。
双向晶闸管(TRIAC)
• 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。
I T1 IG=0 O G T2 U
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。
与一对反并联晶闸管相比是 经济的，且控制电路简单， 在交流调压电路、固态继电 器（SSR）和交流电机调速等 领域应用较多。
逆导晶闸管 (RCT)
I
G
K O
IG=0 U
A
a)
b)
图2.3.7 逆导晶闸管的电气 图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安 特性
§2.3.2
门极可关断晶闸管（GTO）
• 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 • 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。 同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下 导通，在负脉冲电流触发下关断。
1200V/1200A— 20kHz 4.5kV/1.2kA— 2kHz
应用领域 各种整流装置
可控 导通
炼钢厂、轧钢机、直流输电、 电解用整流器
工业逆变器、电力机车用逆变 器、无功补偿器 开关电源、小功率 UPS 、小功 率逆变器 各种整流/逆变器（UPS、变频 器、家电）、电力机车用逆变 器、中压变频器
现代电力电子技术 Modern Power Electronics
教案编写：
授课教师：
肖强晖
廖无限
肖强晖
第2章
电力半导体器件的基本特性
• • • • •
§2.1 §2.2 §2.3 §2.4 §2.5
电力半导体器件的种类及应用 半导体整流管 晶闸管和可关断晶闸管 功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管 电力半导体器件的功率损耗和冷却
2.1.2
电Fra Baidu bibliotek电子器件的种类
二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为 两种：
电流控制型器件： 此类器件采用电流信 号来实现导通或关断控 制。 如：晶闸管、门极可关 断晶闸管、功率晶体管、 IGCT等； 电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控 制（场控原理控制）它 的通、断，输入控制端 基本上不流过控制电流 信号，用小功率信号就 可驱动它工作。 如：MOSFET管和IGBT管。
§2.3
晶闸管和可关断晶闸管
• §2.3.1 • §2.3.2
晶闸管（SCR） 门极可关断晶闸管（GTO）
§2.3.1
晶闸管（SCR）
晶闸管 (Thirsted) 包括：普通晶闸管 (SCR) 、快 速 晶 闸 管 (FST) 、 双向 晶 闸 管 (TRIAC) 、 逆 导 晶 闸管 (RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在 无特别说明的情况下，本书所说的晶闸管都为普通晶 闸管。 普 通 晶 闸 管 ： 也 称 可 控 硅 整 流 管 (Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性 (目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整 流、逆变、交流调压、直流变换等领域 , 成为特大功 率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。
图2.3.8 控晶闸管的电气图 形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
快速晶闸管(Fast Switching Thyrister—FST
可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶 闸管 (Fast Switching Thyrister ，简称 FST) ，开关频 率在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普 通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低， 一般在2000V以下。 快速晶闸管du/dt的耐量较差，使用时必须注意产品铭 牌上规定的额定开关频率下的du/dt ，当开关频率升高 时，du/dt 耐量会下降。
1、晶闸管及其工作原理
（1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流 螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A 以上), 分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。 （2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A, 阴极K和 门极(或称栅极)G, 它的电气符号如图2.3.1(e)所示。
a)
b)
图2.3.6 双向晶闸管的电气图 形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 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 示其额定电流值。




1)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。 2)与普通晶闸管相比，逆导晶 闸管具有正压降小、关断时间短、 高温特性好、额定结温高等优点； 3)根据逆导晶闸管的伏安特性 可知，它的反向击穿电压很低；因 此只能适用于反向不需承受电压的 场合； 4)逆导晶闸管存在着晶闸管区 和整流管区之间的隔离区； 5)逆导晶闸管的额定电流分别 以晶闸管和整流管的额定电流表示；
图2.3.1
晶闸管的外型及符号
• 常用大功率晶闸管实物外形
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
晶闸管的工作原理
晶闸管的内部结构和等效电路 导通条件： ① 在A-K两端施加正向电压； ② 同时在门极和阴极之间也施加正向触发（电压）信号时，门 极有电流IG流通。 这时，即使去掉触发信号，这时晶闸管仍然能够自动维持导 通。
• 1）GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后， 门极信号是可以撤除的, 但在制作时采用特殊的工艺 使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样 处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临 界饱和状态使其关断。 • 2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从 门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)， 强烈正反馈使器件退出饱和而关断。
•① •② •③ •④ 明确门极开通和关断波形； 驱动电路的电源选择； 缓冲吸收回路的合理设计； 阳极电路限流电抗器的合理设计。
§2.4 功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管
§2.4.1
功率场效应管（MOSFET）
§2.4.2
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
§2.4.1
重点和难点
• • • •
电力电子器件的基本模型和分类 电力电子器件指标和特性 应用电力电子器件系统的组成 电力电子器件的驱动和保护类型及原理
§2.1
电力半导体器件的种类及应用
电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基 础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制 与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的 半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。 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，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器 件。
整流二极管及模块
PN结的状态
§2.2.2
其它类型的整流管
除了PN结型的整流管外，还有肖特基整流管、快恢复二 极管和同步整流管等。 • ① 肖特基整流管：导通压降的典型值为0.4～0.6V（而PN结 型整流管的通态压降典型值为1V左右），而且它的反向恢复 时间为几十纳秒。它常被用于高频低压开关电路或高频低压 整流电路中。 • ② 快恢复二极管：它的容量可达1200V/200A的水平，反向 恢复时间为10纳秒数量级，常应用于三相380V高频PWM整流/ 逆变电路中，作为电力半导体器件缓冲吸收回路中的快恢复 二极管。 • ③ 同步整流管：利用VDMOS管的栅极驱动信号与电源电压同 步而构成的具有低导通电阻、低反向恢复时间等优良特性的 一种整流器件，已经成功用于48VDC以下电压等级的开关电 源的输出整流部分，用来提高高频整流电路的效率，估计可 提高效率7%。
4、晶闸管的派生器件 光控晶闸管(LTT)
1)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。 2) 小功率光控晶闸管只有阳极和 阴极两个端子。 3）大功率光控晶闸管则还带有光 缆，光缆上装有作为触发光源的 发光二极管或半导体激光器。 4）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、GTO的开关特性
1）开通过程：
导通过程与SCR一样，只是 导通时饱和程度较浅。需 经过延迟时间td和上升时间 tr。
2）关断过程：
采用很大的负门极电流迅速地 减小阳极电流，并过一段时间 后此微小（阳极）电流降为零， 这时GTO才真正关断。
GTO的关断特性
GTO在应用中要注意以下方面的问题：
2. 晶闸管的伏安特性
晶闸管导通时的A-K间 的电压（导通压降） 是非常小的，其典型 的平均压降为1～2V， 因此，晶闸管导通后 相当于“低阻态”。 晶闸管门极特性偏差 很大，即使同一额定 值的晶闸管之间其特 性也有所不同，所以 在设计门极触发电路 时，必须考虑这种偏 差。
图2-4 晶闸管的伏安特性
要使晶闸管由关断状态转变成导通状态，还有三种 情况均无须门极触发信号，属于非正常导通：
• ① 正向转折导通：提高UAK正向电压，阳极电流IA增 加，直至晶闸管转入通态； • ② 温度导通：当温度增加时，流过PN结（J2）的反偏 漏电流随着增加，直至晶闸管转入导通； • ③ du/dt导通：各PN结都存在着电容。在A-K两端加正 向变化的电压时，各PN结将流过充电电流，其作用也 相当于阳极电流IA增加，直至晶闸管导通。 阻断条件：当晶闸管A 、K间承受正向电压，而门极电流 Ig=0时, 上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管 A 、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。
1、GTO的基本原理
与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部 引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点： GTO 是一种多元的功率集成器 件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小 GTO 元，这些 GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。
图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
3. 晶闸管的开关过程
图2-5 晶闸管的开关过程波形 （a）门极电流(IG) （b）阳极电压(UA) 和阳极电流(IA)
从图2-5中可知，晶闸管的开通时间为 晶闸管的关断时间为
t on t d t r （t 为延迟时间；t 为上升时间 d r
t off t rr t 复合
在晶闸管关断的时间内，必须严格控制重加du/dt，避免晶闸管再次返 回导通状态，引起关断失败。