电力电子器件半控型器件
电力电子器件概述
5. 反向恢复时间trr 6. 浪涌电流IFSM
1.2.4 主要类型
1. 普通二极管——又称整流二极管 1KHZ以下 数千安和数千伏以上
2. 快恢复二极管 5μs以下 3. 肖特二极管
1.3 半控型器件——晶闸管(SCR)
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
Id
1
2
3
Im
sin td
t
3
4
Im
0.24Im
I
1
2
Im
sin t
2
d
t
0.46Im
3
Kf
I Id
0.46 0.24
1.92
IT ( AV )
100 2
50
Id
1.57 50 1.92
41 A
Im
Id 0.24
41 0.24
171
A
⑵ 维持电流IH 使晶闸管维持通态所必需的最小主电流。 ⑶ 擎住电流IL ⑷ 浪涌电流ITSM
4. 光控晶闸管LTT
⑴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。
⑵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。
⑶在高压大功率的 场合占有重要地位。
1.4 典型全控型器件
门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
不可控器件：电力二极管
半控型器件：晶闸管及其派生器件 全控型器件：功率场效应管、绝缘栅双极性晶体管、
门极可关断晶闸管
⑵ 按照控制信号性质可分为： 电流控制型 电压控制型：控制功率小
电力电子技术器件的分类
1.1不可控器件电力二极管功率二极管是开通与关断均不可控的半导体开关器件，其电压、电流定额较大，也称为半导体电力二极管。
1.2功率二极管的结构和工作原理与普通二极管相比，工作原理和特性相似，具有单向导电性。
在面积较大的PN 结上加装引线以及封装形成，主要有螺栓式和平板式。
1.3功率二极管的基本特征1) 静态特性主要指其伏安特性1.门槛电压U TO，正向电流I F开始明显增加所对应的电压。
2.与I F对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降U F。
3.承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。
2) 动态特性功率二极管通态和断态之间转换过程的开关特性。
1.二极管正向偏置形成内部PN结的扩散电容。
此时突加反向电压，二极管并不能立即关断。
当结电容上的电荷复合掉以后，二极管才能恢复反向阻断能力，进入截止状态。
2.二极管处于反向偏置状态突加正向电压时，也需要一定的时间，才会有正向电流流过，称为正向恢复时间。
1.4功率二极管的主要参数1．额定正向平均电流I F（AV）——在规定的管壳温度和散热条件下，功率二极管长期运行时允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
2.反向重复峰值电压U RRM——功率二极管反向所能承受的重复施加的最高峰值电压。
3.正向管压降U F——功率二极管在规定的壳温和正向电流下工作对应的正向导通压降。
4.最高允许结温T jM——结温（T j）是管芯PN结的平均温度，最高允许结温（T jM）是PN结正常工作时所能承受的最高平均温度。
1.5功率二极管的主要类型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）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高2) 快恢复二极管（Fast Recovery Diode ——FRD ）简称快速二极管 快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial Diodes ——FRED ），其t rr 更短（可低于50ns ）， U F 也很低（0.9V 左右），但其反向耐压多在1200V 以下。
半控型电力电子器件晶闸管
晶闸管在电力系统中的应用场景
电力系统
• 发电 • 输电 • 变电 • 配电
应用场景
• 断路器：用于控制电路的通断 • 变压器：用于调节电压等级 • 电容器：用于无功补偿和平衡电网 • 电动机：用于变频调速和电气传动 • 整流器：用于交流电到直流电的转换
02
半控型晶闸管的特点及性能
半控型晶闸管的结构特点及性能优势
应用
• 半控型晶闸管作为变频器的开关元件，实现电机的变频 调速 • 通过PWM技术控制晶闸管的导通和关断，实现电机的精 确控制
半控型晶闸管在无功补偿装置中的应用
无功补偿装置
• 用于补偿电力系统的无功功率，提高功率因数 • 通过调节电容器的投切，实现无功功率的补偿
应用
• 半控型晶闸管作为无功补偿装置的开关元件，实现电容 器的投切 • 通过控制算法控制晶闸管的导通和关断，实现无功功率 的精确补偿
晶闸管驱动与控制技 术的发展趋势
• 发展趋势 • 提高驱动器的性能和可靠性，满足电力系统的需求 • 降低驱动器的成本，提高市场竞争力 • 开发新型驱动器和控制方法，拓展应用领域 • 实现驱动器和控制器的集成，提高系统性能
04
半控型晶闸管在电力电子设备中的应用
半控型晶闸管在变频器中的应用
变频器
• 用于交流电机的变频调速 • 通过改变电机的供电频率，实现电机的转速调节
发展趋势
• 提高晶闸管的容量和性能，满足电力系统的需求 • 降低晶闸管的成本，提高市场竞争力 • 开发新型晶闸管，拓展应用领域
03
半控型晶闸管的驱动与控制技术
晶闸管驱动器的分类及特点
特点
• 直接驱动：驱动器直接与晶闸管栅极连接，驱动速度快，但抗干扰能力较弱 • 间接驱动：驱动器通过隔离器件与晶闸管栅极连接，抗干扰能力强，但驱动速度较慢 • 模拟控制：驱动器采用模拟电路进行控制，控制简单，但精度较低 • 数字控制：驱动器采用数字电路进行控制，控制精度高，但成本较高
电力电子复资料
第一章 电力电子器件1、电力电子器件一般工作在( 开关状态 ) 。
2、按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： ( 半控型器件)、(全控型器件)、(不可控器件)。
3、半控型电力电子器件控制极只能控制器件的（ 导通 ），而不能控制器件的( 关断 )4、电力二极管的主要类型有( 普通二极管 )，( 快恢复二极管 )和(肖特基二极管)5、晶闸管的三极为( 阳极 )、 ( 阴极 )、( 门极 )。
6、晶闸管是硅晶体闸流管的简称，常用的外形有( 螺栓型 )与( 平板型 )。
7、晶闸管一般工作在( 开关 )状态。
晶闸管由( 四 )层半导体构成；有( 3 )个PN 结。
8、晶闸管的电气符号是A AG G K Kb)c)a)A GK K G A P 1N 1P 2N 2J 1J 2J 3 。
9、晶闸管导通的条件是在 ( 阳 )极加正向电压，在 ( 门 )极加正向触发电压。
10、给晶闸管阳极加上一定的( 正向 )电压；在门极加上( 正向门极 )电压，并形成足够的( 门极触发 )电流，晶闸管才能导通。
11、晶闸管的非正常导通方式有 ( 硬导通 ) 和 ( 误导通 ) 两种。
12、晶闸管在触发开通过程中，当阳极电流小于( 擎住 )电流之前，如去掉( 触发 )脉冲，晶闸管又会关断。
13、要使晶闸管重新关断，必须将（ 阳极 ）电流减小到低于（ 维持 ）电流。
14、同一晶闸管，维持电流I H 与掣住电流I L 在数值大小上有I L ( 大于 )I H 。
15、晶闸管的额定电流是指（ 平均 ）值；。
16、由波形系数可知，晶闸管在额定情况下的有效值电流I T 等于（ 1.57 ）倍I T （AV ），如果I T （AV ）=100安培，则它允许的有效电流为（ 157 ）安培。
通常在选择晶闸管时还要留出 （1.5～2 ）倍的裕量。
17、型号为KP100-8的晶闸管表示其额定电压为 ( 800 ) 伏额定有效电流为( 100 ) 安。
电力电子技术
电力电子技术（区分）电力电子器件按照控制特性分类：1）不可控型器件（不具有开关性能）：功率二极管；2）半控型器（只能控制导通不能控制其关断）：晶闸管及其大部分晶闸管派生器件；3）全控型器件（既能控制导通又能控制其关断）：可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管等。
变换器按照电能变换功能分为：1）交流—直流变换器（AD-DC Converter）；2）直流—交流变换器（DC-AD Converter）；3）交流—交流变换器（AD-AD Converter）；4）直流—直流变换器（DC-DC Converter）。
晶闸管导通需要具备的条件：1）在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压（即在阳极加正向电压）；2）在晶闸管的门极与阴极之间加上正向电压和电流（即在门极加正控制信号）。
区分维持电流和擎住电流：1）维持电流I H：在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小阳极电流。
2）擎住电流I L：晶闸管从断态转换到通态时移去的触发信号之后，要保持器件维持通态所需要的最小阳极电流。
对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流为维持电流的（2~4）倍。
晶闸管的通态平均电流I T(AV)和正弦电流最大值I m之间的关系：I T(AV)= ;正弦半波电流的有效值I T：I T= 。
绝缘栅双极型晶体管IGBT兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性。
由栅极电压来控制IGBT的导通或关断。
晶闸管对驱动电路的基本要求：1）驱动信号可以是交流、直流或脉冲；2）驱动信号应有足够的功率；3）驱动信号应有足够的宽度和陡度。
晶闸管串联时必须解决其均压问题，均压包括静态均压和动态均压两种。
器件的容量从高到低的顺序：SCR、GTO、IGBT、BJT、功率MOSFET；器件的频率从高到低的顺序：功率MOSFET、IGBT、BJT、GTO、SCR。
第二章：触发角a也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受电压开始到导通之间角度。
常用电力电子器件
2.按驱动电路加在器件控制端和公共端之间信 号的性质分类
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。常见的有普通晶闸管、门极可关断 晶闸管GTO等。
2）电压驱动型 通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号
（2）关断过程包括反向阻断恢复时间和正向阻断恢复 时间。
关断时间tq是反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间 之和，即 tq=trr+tgr。普通晶闸管的关断时间约几百微秒， 快速晶闸管的关断时间为几微秒到几十微秒。
6.晶闸管的主要参数 晶闸管的主要参数包括电压定额、电流定额、动 态参数和门极参数等。 1）电压定额 电压定额包括断态重复峰值电压、反向重复峰值
电压、通态（峰值）电压、额定电压和通态平均电压 等。
（1）正向重复峰值电压。断态重复峰值电压 UDRM是指在门极断开而结温为额定值时，允许重 复加在器件上的正向峰值电压。
（2）反向重复峰值电压。反向重复峰值电压 URRM是指在门极断开而结温为额定值时，允许重 复加在器件上的反向峰值电压。
（3）通态（峰值）电压。通态（峰值）电压 UTM是指晶闸管通以π倍的或某一规定倍数的额定 通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减小器件损 耗和发热的角度应选用UTM较小的晶闸管。
其他几种可能导通的情况：
（1）阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应， 即硬开通。 （2）阳极电压上升率du/dt过高。 （3）结温较高。 （4）光直接照射晶体管硅片上，即光触发。
5.晶闸管的基本特性 晶闸管的基本特性包括静态特性和动态特性。
1）晶闸管的静态特性 （1）晶闸管的阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特 性是指晶闸管阳极电流和阳极电压之间的关系曲线，如图 2-5所示。其中，第I象限的是正向特性；第III象限的是反 向特性。
电力电子器件
晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为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，选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
2.3.4 晶闸管的派生器件
I
■双向晶闸管（Triode AC
2.3.3 晶闸管的主要参数
■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是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。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值 电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 ☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 ◆反向重复峰值电压URRM ☞是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。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压 （即反向最大瞬态电压）URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
电子器件
2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
■基本概念 ◆ 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多
个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 ◆对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，
从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自
时间短、高温特性好、额 定结温高等优点，可用于 不需要阻断反向电压的电 路中。
K G
A
I O
IG=0 U
a)
b)
图2-12 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
2.3.4 晶闸管的派生器件
■光控晶闸管（Light
2.电力电子器件 (2) - 半控型器件解析
1 ( 1 2 )
电流。由以上式可得 ：
12
武汉科技大学信息科学与工程学院
电力电子器件
(Power Electronics) 电 力 电 子 技 术
2018/10/8
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。
求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护
简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。 晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、双 向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸 管（LCT）等。
武汉科技大学信息科学与工程学院
电力电子器件
(Power Electronics)
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2018/10/8
电 力 电 子 技 术
2.3 半控型器件——晶闸管 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（Bell Lab）发明了晶闸管 1957 年美国通用电气公司（ GE ）开发出第一只晶闸管产 品 1958 年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应 用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场 合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管
密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
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(Power Electronics)
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电 力 电 子 技 术
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开通状态：注入触发电流使晶体
管的发射极电流增大以致1+2趋 近于1的话，流过晶闸管的电流IA，
将趋近于无穷大，实现饱和导通。
IA实际由外电路决定。
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电力电子器件半控型器件
•2.3.2 晶闸管的基本特性
•晶闸管导通的条件：
• 1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电 压（EA>0）。 • 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)施加正向 电压或正向脉冲(正向触发电压)。EG>0
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电力电子器件半控型器件
•晶闸管伏安特 性
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电力电子器件半控型器件
•2.3.2 晶闸管的基本特性
晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴 极流出。
阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。
门极触发电流也往往是通过管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性 称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触 发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可 靠触发区。
四 层 半 导 体
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•
•三
•P
•个
1 •N1
PN
结
•P2
•G
•控制极(Gate)
•N2
•K 阴极(Kathode)
•结构2020/12/1
•符号
电力电子器件半控型器件
•A•
•A •双晶体管模型
•G
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•P 1 •N1
•P2 •G •N2
•P •N •N •P •P
•N
•K •K
电力电子器件-半控型器 件
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电力电子器件半控型器件
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
电力电子器件概述 不可控器件——电力二极管 半控型器件——晶闸管 典型全控型器件 其他新型电力电子器件 功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结及作业
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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。由以上式可得 ：
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2020/12/1
电力电子器件半控型器件
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。
阻断状态：IG=0，1+2很小。流
过晶闸管的漏电流稍大于两个晶 体管漏电流之和。
品 1958年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应
用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场
合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管
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电力电子器件半控型器件
•2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
1、晶闸管的结构
具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。
✓外形有螺栓型和平板型两种封装。 ✓有三个联接端。 ✓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。 ✓平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
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电力电子器件半控型器件
•2.3 半控型器件—晶闸管
晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控 制其关断的半控型器件。其导通时刻可控，满足了调压 要求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维 护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。
晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、 双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶 闸管（LCT）等。
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•2.3 半控型器件——晶闸管 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（Bell Lab）发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产
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电力电子器件半控型器件
•2.3.2 晶闸管的基本特性
2. 动态特性
1) 开通过程
延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上
升到稳态值的10%的时间。
上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所
需的时间。
开通时间tgt为以上两者之和，
• 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正 反馈，晶闸管仍可维持导通状态。
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•晶闸管关断的条件：
• 1. 必须使可控硅阳极电流减小,直 到正反馈效应不能维持。 • 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管 的阳极和阴极间加反相电压。
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•晶闸管导通的工作原理:
•A
•形成正反馈过程
• T1
•R
•T2
•E•+ A •_
•E
G
•K •EA > 0、EG > 0
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• 晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导 通状态。
电力电子器件半控型器件
按晶体管的工作原理 ，得：
•（2-1） •（2-2） •（2-3） •（2-4）
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•螺 栓 型 晶 闸 管
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•平板型晶闸管外形及结构
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电力电子器件半控型器件
•2、晶闸管的其它封装形式： • 还有塑封和模块式两种封装。
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电力电子器件半控型器件
•2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
•A•阳极(Anode)
•晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合
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电力电子器件半控型器件
•晶闸管导通的工作原理:
•A
• T1
•R
•G •EG
•T2•EA••_+
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•K •EA > 0、EG > 0
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•形成正反馈过程
•在极短时间内使两个三 极管均饱和导通，此过 程称触发导通。
电力电子器件半控型器件
•2.3.2 晶闸管的基本特性
1. 静态特性
➢ 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；伏安特性类似二极管的反向特 性;
➢ 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下 晶闸管才能开通。
➢ 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；
➢ 要使晶闸管关断，只有使晶闸管承受反向电压， 或使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。