电力电子技术基础1—器件

由一个面积较大 的PN结和两端引 线以及封装组成 的。
A K A
a)
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
K
A
K
PN
I
J
b)
A
K
c)
PN结的状态
状态 参数
正向导通
反向截止
反向击穿
电流 电压 阻态
正向大 维持1V 低阻态
几乎为零 反向大 高阻态
反向大 反向大 ——
➢二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要 特征。
承受反向电压时，只有少子引 起的微小而数值恒定的反向漏 电流Is。
反向击穿电压
I IF
O UTO UF
U
图1-3a 电力二极管的伏安特性
电力二极管的基本特性
——动态特性
主要反映电力二极管通态和断态之间转 换过程的开关特性
开关特性：PN结上存储有空间电荷和两种载流子，形成电荷 存储效应及结电容，直接影响着二极管的动态开关特性
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿
电力二极管的基本特性
——静态特性
主要指其伏安特性
门槛电压UTO，当电力二
极管承受的正向电压大到一定 值（ UTO ），正向电流IF才开 始明显增加，处于稳定导通状 态
与 IF 对 应 的 电 力 二 极 管 两 端 的 电压即为其正向电压降 UF ,0.7~1.2V。
——SCR的结构和工作原理
晶体管的触发导通正反馈原理 ：V1实际上为V2构成了正反馈电路， 在A-K间加正向电压情况下，若外电路向门极注入电流IG： IG IB2 IC2 (IB1 ) IC1
IB2
如此不断地对电流放大，形 成强烈的正反馈，很快使 V1、V2进入饱和导通状态， 即晶闸管导通，A-K间压降约1V 左右。此过程称作门极触发。
K b)
K G
A c)
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
——SCR的结构和工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
——SCR的结构和工作原理
晶闸管的四层半导体结构：P1、N1、P2、N2四个区，形成J1、 J2、J3三个结。 P1区引出阳极A， N2区引出阴极K， P2区引 出门极G。 外加正向电压（A接正，K接负）：J2反向偏置，A、K之间 处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。 外加反向电压（A接负，K接正）：J1和J3反向偏置，器件 也处于阻断状态，只能流过很小的漏电流。
电力二极管的主要参数
电力电子技术基础
电力电子技术基础
——PD的分类
➢ 1. 普通二极管（General Purpose Diode）
➢ 又称整流二极管（Rectifier Diode）
➢ 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 ➢ 其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关
频率不高时并不重要 ➢ 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分
电力电子技术基础 ——PD的分类
➢ 3. 肖特基二极管
➢ 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管 称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode— —SBD），简称为肖特基二极管
➢ 20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力 电子电路中广泛应用
➢ 肖特基二极管的弱点
➢ 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足 要求，因此多用于200V以下
电力电子技术基础
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
➢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
电力电子技术基础
——SCR的 外形和符号
➢ 外形有螺栓型和平板型、模块等封装 ➢ 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，能与散热器紧
密联接且安装方便 ➢ 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
G
KK
A A G
a)
A
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
➢ 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损 耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度
电力电子技术基础 ——PD的分类
➢ 肖特基二极管的优点
➢ 反向恢复时间很短（10~40ns） ➢其正向压降也很小，明显低于快恢复二极
管 ➢其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极
管还要小，效率高
➢ 适用频率：1MHz
1.2 普通晶闸管（SCR）
晶闸管（Thyristor）：是晶体闸流管的简称，又 称 作 可 控 硅 整 流 器 （ Silicon Controlled Rectifier——SCR），简称可控硅。
能承受的电压和电流容量是目前电力电子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的场合具有重要地 位。
原处于正向导通状态的二极管的外加电压突然从正向变为反 向时，二极管不能立即关断，而是经过短暂的时间才能重新 获得反向阻断能力，进入截止状态。
I F
U
F
t
rr
t
t
d
f
t
I RP U
RP
电力电子技术基础
——动态特性参数
I
F
U
F
t
rr
t
t
d
f
t
I RP U
RP
反向电流延迟时间：td , 反向电流下降时间：tf 反向恢复时间：trr= td+ tf
图1-5 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
此时若撤掉外加门极电流IG，由于内部已形成了正反馈，并且反馈电 流IC1>>IG，V1、V2可以相互维持导通。
——SCR的结构和工作原理
➢SCR为半控器件：通过门极只能使SCR触发导通，而不能控 制其关断。
➢如何使SCR关断：设法使阳极电流IA减小到小于维持电流IH （接近于零的某一数值），解除正反馈；A-K间施加反压。
Fundamentals of Power Electronics Technology
电力电子技术基础
第二部分 电力电子器件
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1.1 功率二极管
电力二极管的结构和工作原理
➢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
基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 一样。
别可达数千安和数千伏以上
电力电子技术基础 ——PD的分类
➢ 2. 快恢复二极管（Fast Recovery Diode—— FRD）
➢ 恢复过程很短特别是反向恢复过程很短 Nhomakorabea1s以下）的二极管，也简称快速二极管 ➢ 适用频率：20～100kHz
➢ 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在 100ns以下，甚至达到20~30ns。