第一章_电力二极管与晶闸管
电力电子技术课程教学大纲
电力电子技术课程教学大纲SANY GROUP system office room 【SANYUA16H-SANYHUASANYUA8Q8-《电力电子技术》课程教学大纲一、课程教学目标:通过教学应使学生掌握半导体器件的工作原理、特性参数、驱动电路及保护方法；特别是掌握晶闸管的特性参数；掌握晶闸管的可控整流、直流变换、逆变、交流变换等变换的原理及波形。
二、课程设置说明:电力电子技术是由电力学、电子学和控制理论三门学科交叉形成的，在电力系统、电气工程和各类电子装置中应用广泛，是一门综合性很强的课程。
本课程学习之前，应具备高等数学、电路、电子技术、电机与电力拖动等方面的相关知识。
本门课程使用了多媒体课件教学，开设有多个教学实验三、课程性质:本课程是应用电子技术专业的主干必修课之一。
电力电子技术是弱电和强电之间的接口，是弱电控制强电的技术。
课程研究电力电子技术的分析与设计的基础知识，包括可控整流技术（单、三相，半控与全控，半波与全波）、电力电子器件及参数、有源逆变技术、触发电路、交流调压、无源逆变技术等。
通过对本课程的学习，使学生了解并掌握分析电力电子装置与设备设计的基本理论与基本方法，为相关后续课程的学习打下坚实的基础。
四、教学内容、基本要求和学时分配:本课程的教学内容包括：熟悉和掌握晶闸管、电力MOSFET、IGBT等电力电子器件的结构、原理、特性和使用方法；熟悉和掌握各种基本的整流电路、直流斩波电路、交流-交流电力变换电路和逆变电路的结构、工作原理、波形分析和控制方法。
掌握PWM技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基本原理。
了解电力电子技术的应用范围和发展动向。
掌握基本电力电子装置的实验和调试方法。
第一章电力二极管与晶闸管（8学时）教学重点：电力二极管和晶闸管的工作原理、特性与参数教学内容：电力二极管、晶闸管、晶闸管的派生器件：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。
第二章全控型电力电子器件（8学时）教学重点：门极可关断晶体管和电力晶体管教学内容：门极可关断晶闸管（GTO）、（GTO）电力晶体管、电力场控晶体管、绝缘栅双极型晶体管、静电感应晶体管、静电感应晶闸管。
电力电子题库(第一章第四章)
电力电子题库（第一章第四章）《电力电子技术》机械工业出版社命题人马宏松第一章功率二极管和晶闸管知识点：功率二极管的符号，特性，参数晶闸管的符号、特性、参数、工作原理双向晶闸管的符号、特性、参数、工作原理可关断晶闸管的符号、特性、参数、工作原理一、填空题1、自从_1956____年美国研制出第一只晶闸管。
2、晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等特点。
3、晶闸管的三个极分别为阳极、阴极、门极4、晶闸管导通的条件：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的阴极和门极间也加正向电压，两者缺一不可。
5、晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。
6、晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流7、双向晶闸管的四种触发方式：I+触发方式I-触发方式Ⅲ+触发方式Ⅲ-触发方式。
8、GTO的开通时间由延迟时间和上升时间组成。
9、GTO的关断时间由存储时间、下降时间、和尾部时间10、功率二极管的导通条件：加正向电压导通，加反向电压截止。
11、对同一晶闸管，维持电流IH与擎住电流IL在数值大小上有IL___>_____IH12、晶闸管断态不重复电压UDSM与转折电压UBO数值大小上应为，UDSM__<______ubo>13、普通晶闸管内部有两个PN结,，外部有三个电极，分别是阳极A极阴极K极和门极G极。
14、晶闸管在其阳极与阴极之间加上正向电压的同时，门极上加上触发电压，晶闸管就导通。
15、、晶闸管的工作状态有正向阻断状态，正向导通状态和反向阻断状态。
16、某半导体器件的型号为KP50—7的，其中KP表示该器件的名称为普通晶闸管，50表示额定电流50A，7表示额定电压700V17、只有当阳极电流小于维持电流电流时，晶闸管才会由导通转为截止。
18、当增大晶闸管可控整流的控制角α，负载上得到的直流电压平均值会减小二、判断题1、第一只晶闸管是1960年诞生的。
（错）2、1957年至1980年称为现代电力电子技术阶段。
第1章 电力电子器件概述(第一部分)(2)
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
华东理工大学
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念:
电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
主电路（Main Power Circuit）
和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
V1 L R
V2
主电路
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
华东理工大学
1-7
注重对器件的保护：通常采用吸收（缓冲） 保护电路（ Snubber ）来限制器件的 du/dt 和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄 生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件 过压击穿。 需要驱动与隔离：强、弱电系统之间电气 隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
华东理工大学
1-6
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 在主电路
控 制 控制电路 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路
额定电流 —— 在指定的管壳温度和散热条件下， 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应 按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留 有一定的裕量。 在工频正弦半波的情况下：
平均值 IF(AV) 有效值 1.57 IF(AV)
第1章--电力晶体管和晶闸管
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。
IG2 > IG1 > IG =0
UBO UA
雪崩 击穿
图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
16
IA
四、晶闸管的阳极伏安特性
正向 导通
1) 正向特性
URSM URRM -UA
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
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
J1 J2 J3
K
a)
b)
图1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
K G
A c)
11
晶闸管的管耗和散热：
管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压
管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超 过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热 和冷却。
冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风 扇）、水冷
雪崩 击穿
UDSM
电电压流超急过剧临增界大极，限器即件开正通向。转折电压Ubo，则漏
-IA
图1-5 晶闸管的伏安特性
随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降
IG2>IG1>IG
低。
导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相 仿。
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
第1章 晶闸管
有效值与平均值之比称为波形系数Kf则: Kf=I/Id或I= KfId 。 例:设晶闸管承受的电压有效值为２２０Ｖ，流过的电流平 均为１５７Ａ，波形系数为１.１１,考虑安全裕量，求晶 闸管电压、电流定额。 i 解：ＵＮ＝(2～3)1.414×220 IM =622 ～933Ｖ（取800Ｖ)
I K f Id I IT ( AV ) = (1.5 2) = (1.5 2) 1.57 1.57 1.11´ 157 0 （取 200 Ａ） = (1.5 2) = 166 222 A 图1-11 1.57
学习重点:
晶闸管的工作原理、基本特性、主要参数以 及选择和使用中应注意的一些问题。
1.1
引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。
第1章
1.1 引言
晶闸管
1.2 晶闸管的结构与工作原理 1.3 晶闸管的基本特性 1.4 晶闸管的主要参数 1.5 晶闸管的派生器件
1.6 电力二极管(整流二极管)
本章学习内容与重点
本章内容:
介绍晶闸管的工作原理、基本特性、主要参 数以及选择和使用中应注意的一些问题。 介绍电力二极管、晶闸管派生器件的基本特 性和使用中应注意的一些问题。
仿真实验
1.2 晶闸管的结构与工作原理
晶闸管的工作原理
⊕工作原理（从其内部四层结构来 A 分析） P1 ①定性分析 J1 N1 a. UG≤0，IG=0 G J2 P2 UAK＜0时，J1，J3反偏，J2正 J 3 偏，反向阻断，晶闸管不导通， N2 解释①。 K UAK＞0时，J1，J3正偏，J2反 偏，晶闸管不导通，解释⑤。图1-2 晶闸管的内部结构图
01第1章电力电子器件 基本模型 电力二极管 晶闸管
天津冶金职业技术学院教案( 首页)天津冶金职业技术学院教案( 首页)图1.3.2 晶闸管的内部结构和等效电路）导通：阳极施加正向电压时→给门极G也加正向电压T I I图1.3.6 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1.4 可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。
天津冶金职业技术学院教师授课教案沟道沟道MOSFET耗尽型：增强型:耗尽型增强型之间就存在导电沟道；才存在导电沟道1. IGBT的结构图1.7.1 IGBT的结构、简化等效电路与电气符号IGBT的结构如图1.7.1(a)所示。
它是在VDMOS管结构的基础上再增加一个P+层，形成了一个大面积的P+N结1J，和其它结2J、3J一起构成了一个相当于由VDMOS驱动的厚基区PNP型GTR;简化等效电路如图1.7.1(b)所示。
电气符号如图1.7.1（c）所示GBT有三个电极:集电极Ｃ、发射极Ｅ和栅极Ｇ。
2. IGBT的工作原理IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅电压GEU控制集电极电流的栅控自关断器件。
1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性IGBT的伏安特性和转移特性图1.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性天津冶金职业技术学院教案( 首页)构，如图1.8.4(a)。
）三极：阳极A 、阴极、栅极G ，）原理：栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过SITH ；在栅极G 和阴极K 之间加负电压，G-K 之间PN 结反偏，在两个栅极图1.9.5 GTO 的基本驱动电路2）导通和关断过程：图1.9.5(b)导通时GTO 门极与阴极间流过负电流而被关断；由于GTO 的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；3）图1.9.5(c)中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。
4）图1.9.5(d)，对于300A 以上的GTO ，用此驱动电路可以满足要求。
电力电子技术(随堂练习)
电力电子技术随堂练习第一章电力二极管和晶闸管一、单选题1．晶闸管内部有（）PN结A．一个B．二个C．三个D．四个【答案：C】2. 晶闸管两端并联一个RC电路的作用是（C ）A．分流B．降压C．过电压保护D．过电流保护【答案：C】3. 普通晶闸管的通态电流（额定电流）是用电流的（）来表示的A．有效值 B．最大值 C．平均值 D．瞬时值【答案：C】4. 晶闸管在电路中的门极正向偏压（）愈好A．愈大 B．愈小 C．不变 D．0 【答案：B】二、判断题1．晶闸管串联使用时，必须注意均流问题。
（）【答案：×】2．给晶闸管加上正向阳极电压它就会导通。
（）【答案：×】3. 两个以上晶闸管串联使用，是为了解决自身额定电压偏低，不能胜任电路电压要求，而采取的一种解决方法，但必须采取均压措施。
（）【答案：√】4. 触发普通晶闸管的触发脉冲，也能触发可关断晶闸管。
（）【答案：×】5. 普通晶闸管外部有三个电极，分别是基极、发射极和集电极。
（）【答案：×】6. 只要让加在晶闸管两端的电压减小为零，晶闸管就会关断。
（）【答案：×】7. 只要给门极加上触发电压，晶闸管就导通。
（）【答案：×】第二章单相可控整流电路一、单选题1．单相半控桥整流电路的两只晶闸管的触发脉冲依次应相差（）度A．180° B．60° C．360° D．120°【答案：A】2. 单相半波可控整流电阻性负载电路中，控制角α的最大移相范围是( ) A．90°B．120°C．150°D．180°【答案：D】3. 晶闸管可控整流电路中的控制角α减小，则输出的电压平均值会（）。
A．不变， B．增大， C．减小。
【答案：B】4. 单相半波可控整流电路输出直流电压的最大平均值等于整流前交流电压的（）倍。
A．1， B．0.5， C．0.45， D．0.9.【答案：C 】5. 单相桥式全控整流电路输出直流电压的最大平均值等于整流前交流电压的（）倍。
电力电子技术(第4版)第4讲 电力电子器件讲解
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
⑴IGBT的结构和工作原理
①三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极
E
G
N+ P N+
N+ P N+
J3 J2
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
⑵IGBT的基本特性
①IGBT的静态特性
IC
输出特性
IC
有源区
•分 为 三 个 区 域 ： 正向阻断区、有 源区和饱和区。
饱 和 区
URM 反向阻断区
O UGE(th)
UGE
O
正向阻断区
a)
b)
转UG移E间特的性关—系—(I开C与启电
图1.24 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性
压UGE(th))
UGE增加 UGE(th) UFM UCE
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
② IGBT的动态特性
U GE 90% U GEM
U GEM
IGBT的开通过程 与MOSFET的相似
10% U GEM
0 IC 90% I CM
t d(on)
I CM tr
t d(off)
t tf
开通延迟时间td(on)
电力电子技术
第1章： 电力电子器件
③电力MOSFET的工作原理
截止：漏源极间加正电源，栅 源极间电压为零。
–P 基 区 与 N 漂 移 区 之 间 形 成
的PN结J1反偏，漏源极之间
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第一节 电力二极管
电力二极管是指可以承受高电压大电 流具有较大耗散功率的二极管，在电路 中常作为整流、续流、电压隔离、钳位 或保护元件。
《电力电子技术》
一、结构与伏安特性 1. 结构
a) b)
c)
d)
图1-1 电力二极管的结构、符号和外形
a)结构 b)符号 c) 螺旋式外形 d) 平板式外形
《电力电子技术》
《电力电子技术》
3. 电力二极管的测试及使用注意事项
由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用
表的R×100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向
电阻，可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极 管的正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻在几 千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为 零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。注意： 严禁用兆欧表测试电力二极管。
图1-7 晶闸管的伏安特性曲线
《电力电子技术》
五、晶闸管主要参数
1.额定电压UTn 当门极开路，元件处于额定结温时，根据所测定的正向转折电压UBO和反 向击穿电压URO，由制造厂家规定减去某一数值(通常为1OOV)，分别得 到正向不可重复峰值电压UDSM和反向不可重复峰值电压URSM，再各乘以 0.9，即得正向断态重复峰值电压UDRM和反向阻断重复峰值电压URRM。
第1章 电力二极管与晶闸管
学习目标
1.掌握电力二极管的结构、伏安特性、主要参数、测 试方法和选用方法。
2.了解晶闸管的结构、工作原理及伏安特性 3.掌握晶闸管的导通条件和关断条件。 4.熟练掌握晶闸管的主要参数、测试方法和选用方法。 5.掌握双向晶闸管的结构、主要参数及选用测试方法。
《电力电子技术》
《电力电子技术》
三、晶闸管的工作原理
晶闸管等效为两个互补连接的三极管工作分析 IG→IB2↑→IC2（IB1) ↑ →IB2↑ ↑＿＿＿＿＿＿＿＿↓
图1-6 晶闸管的工作原理示意图
《电力电子技术》
四、晶闸管的阳极伏安特性
伏晶安闸特管性的。阳其极伏与安阴特极性间曲的线电如压图ua1和-7阳所极示电。流ia之间的关系，称为阳极
加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加正向 电压，两者缺一不可。 2)晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极 所加的触发电压一般为脉冲电压。晶闸管从阻断变 为导通的过程称为触发导通。门极触发电流一般只 有几十毫安到几百毫安，而晶闸管导通后，可以通 过几百、几千安的电流。 3)晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于 维持电流IH。
2.额定电流IT(AV) 晶闸管的额定电流也称为额定通态平均电流，即在环境温度为40℃和规定 的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°的电阻性负载电路中，当不 超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。
3.通态平均电压UT(AV) 当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压 降的平均值， 称为通态平均电压。
2. 伏安特性
电力二极管的阳极和阴极间的电压UAK和流过管子的电流 IA之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图1-2所示。
图1-2 电力二极管的伏安特性
《电力电子技术》
二、主要参数
1. 额定正向平均电流IF
在规定的环境温度为40℃和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过 140℃时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。将此电 流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。
电力二极管使用时必须保证规定的冷却条件，如 不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如 规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流 的1/3左右。
《电力电子技术》
四、电力二极管的主要类型
1.整流二极管 整流二极管多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中。 但其正向电流定额和反向电压定额却很高。 2.快恢复二极管 恢复过程很短 (一般在5μs以内)的二极管被称为快恢复二极 管。可用于要求很小恢复时间的电路中。 3.肖特基二极管 肖特基二极管反向恢复时间很短(10～40ns)，正向恢复过程 中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正 向压降也很小，明显低于快恢复二极管。多用于200V以下的 低压场合；肖特基二极管适用于较低输出电压和要求较低正 向管压降的换流器电路中。
《电力电子技术》
选用晶闸管的原则
1.按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压UTM的2～3倍来 选择晶闸管的额定电压，即
UTn =(2～3) UTM
(1-3)
2.按电流有效值相等的原则进行换算，选择晶闸管的额定电流
即
IT =1.57 I T(AV) I T(AV)= IT /1.57 由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取(1.5～2)的安全 裕量，即
a)
b)
c)
图1-4 晶闸管的符号及外形
a) 晶闸管的符号 b）螺栓形晶闸管的外形 c）带有散热器平板式晶闸管的外形
《电力电子技术》
二、晶闸管的导通与关断条件
导通和关断条件可通过图1-5所示的实验
图1-5 晶闸管的导通与关断实验电路
《电力电子技术》
二、晶闸管的导通与关断条件
实验结论： 1）晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴极两端
2. 反向重复峰值电压URRM 在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为
反向重复峰值电压URRM。将URRM值取规定的电压等级就是该元件的额定电
压。
3. 正向平均电压UF
在规定环境温度+40℃和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正 向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别
称为正向平均电压UF ，简称管压降，一般在0.45～1V范围内。
《电力电子技术》
三、电力二极管的选用
1.选择额定正向平均电流IF 的原则
IF
(1取相应标准系列值即可。
2.选择额定电压URRM 的原则
URRM =（2～3）UDM
选用时取相应标准系列值。
（1-2）
《电力电子技术》
第二节 晶闸管
一、晶闸管的结构 晶和闸等管效是电四路层如(图PlN1-lP32所N示2)三。端(阳极A、阴极K、门极G)器件，其内部结构
a)
b)
图1-3 晶闸管的内部结构和等效电路
a) 内部结构 b)以互补三极管等效
《电力电子技术》
晶闸管的符号及外形
晶闸管的符号及外形如图1-4所示，