01-电力电子器件 (2)共100页
合集下载
电力电子器件概述 (2)
半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控
制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——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。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
编辑ppt
8
2.1.3 电力电子器件的分类
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
A
K A
a)
K
A
K
PN
I J
b)
A
K
c)
图2-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
编辑ppt
15
半导体PN结
P型、N型半导体和PN结
编辑ppt
16
单向导电性
✓ 正向接法时内电场被削 弱，扩散运动强于漂移 运动，掺杂形成的多数 载流子导电，等效电阻 较小。
单极性 双极性 复合型
编辑ppt
10
2.1.4 本章学习内容与学习要点
本章内容:
介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以 及选择和使用中应注意的一些问题。 集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使 用这三个问题。
学习要点:
最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特 性曲线的使用方法。
编辑ppt
3
2.1.1 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）
制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——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。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
编辑ppt
8
2.1.3 电力电子器件的分类
从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。
A
K A
a)
K
A
K
PN
I J
b)
A
K
c)
图2-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
编辑ppt
15
半导体PN结
P型、N型半导体和PN结
编辑ppt
16
单向导电性
✓ 正向接法时内电场被削 弱，扩散运动强于漂移 运动，掺杂形成的多数 载流子导电，等效电阻 较小。
单极性 双极性 复合型
编辑ppt
10
2.1.4 本章学习内容与学习要点
本章内容:
介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以 及选择和使用中应注意的一些问题。 集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使 用这三个问题。
学习要点:
最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特 性曲线的使用方法。
编辑ppt
3
2.1.1 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）
01 第1章 电力电子器件
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动要求 1.7 电力电子器件的串并联技术 本章小结
IGBT 模块和水 冷式散热器
功率 MOSFET 贴片式二极管
电力电子技术 2015/10/14 26
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容。 ◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容 CD 。 ☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频 率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正 向电压较低时，势垒电容为主。 ☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时， 扩散电容为结电容主要成分。 ◆结电容影响 PN 结的工作频率，特别是在高速开关的状 态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
电力电子技术
电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置
2015/10/14 33
1.2.3 电力二极管的主要参数
11
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来 实现器件的开通或者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电 平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通 状态或者关断并维持在阻断状态。
电流 电压
阻态
电力电子技术
2015/10/14
31
1.2.2 电力二极管的基本特性
u i i UFP
F
◆动态特性 1： 由零偏置转换为正向偏置 ☞正向恢复时间tfr
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——电力二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动要求 1.7 电力电子器件的串并联技术 本章小结
IGBT 模块和水 冷式散热器
功率 MOSFET 贴片式二极管
电力电子技术 2015/10/14 26
1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容。 ◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容 CD 。 ☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频 率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正 向电压较低时，势垒电容为主。 ☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时， 扩散电容为结电容主要成分。 ◆结电容影响 PN 结的工作频率，特别是在高速开关的状 态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
电力电子技术
电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置
2015/10/14 33
1.2.3 电力二极管的主要参数
11
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆脉冲触发型 ☞通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来 实现器件的开通或者关断的控制。 ◆电平控制型 ☞必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电 平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通 状态或者关断并维持在阻断状态。
电流 电压
阻态
电力电子技术
2015/10/14
31
1.2.2 电力二极管的基本特性
u i i UFP
F
◆动态特性 1： 由零偏置转换为正向偏置 ☞正向恢复时间tfr
2015第1章 电力电子器件
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
第20页
1.3.2 晶闸管的特性
1. 静态特性
IA 正向 导通
URSM URRM -U A
IH O
IG2
IG1
IG=0
UDRM Ubo +U A U DSM
雪崩 击穿
- IA
图1.8 晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性（P17）
第21页
1.3.2 晶闸管的特性
第一章 电力电子器件
1.电力电子器件概述 2.电力二极管 3.晶闸管及其派生器件 4.典型全控型器件 5.其他新型电力电子器件 6.电力电子器件的驱动 7.电力电子器件的保护 8.电力电子器件的串联与并联运行
第1页
第一章 电力电子器件
重点
1.主电路和电力电子器件的基本概念。 2.电力电子器件的分类和电气图形符号。 3.晶闸管、电力二极管、电力晶体管、电力MOSFET 和IGBT的工作原理、开关特性、主要参数以及在 选择和使用中应注意的事项。
IT ( AV ) 1 2
0
π
2π
tt
单相工频正弦半波
0
I m sin td(t )
2
Im
1 IT 2
0
Im ( I m sin t ) d(t ) 2
第27页
额定电流的计算方法
各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效 值I与平均值Id之比，称为这个电流的波形系数， 用Kf表示。因此，正弦半波电流的波形系数为：
第6页
1.1 电力电子器件概述
其中可控器件进一步分类:
可控器件按照驱动电路信号的性质来分类。 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。 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的控制。
第2章电力电子器件2
4/89
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■电力电子器件的概念 ◆电力电子器件（Power Electronic Device）是 指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。 ☞主电路：在电气设备或电力系统中，直接 承担电能的变换或控制任务的电路。 ☞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，目前往往专指电力半导体器件。
26/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容 ◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电 容CD ☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压 频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正 向电压较低时，势垒电容为主。 ☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时， 扩散电容为结电容主要成分。 ◆结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状 态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
12/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 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。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
功率半导体器件 看作 理想开关 16/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■电力二极管是以半
导体PN结为基础的,
实际上是由一个面积 较大的PN结和两端引 线以及封装组成的。 从外形上看，可以有
A
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
■电力电子器件的概念 ◆电力电子器件（Power Electronic Device）是 指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。 ☞主电路：在电气设备或电力系统中，直接 承担电能的变换或控制任务的电路。 ☞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，目前往往专指电力半导体器件。
26/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■PN结的电容效应 ◆称为结电容CJ，又称为微分电容 ◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电 容CD ☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压 频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正 向电压较低时，势垒电容为主。 ☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时， 扩散电容为结电容主要成分。 ◆结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状 态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
12/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 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。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
功率半导体器件 看作 理想开关 16/89
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
■电力二极管是以半
导体PN结为基础的,
实际上是由一个面积 较大的PN结和两端引 线以及封装组成的。 从外形上看，可以有
A
电力电子器件ppt课件
■ SIT + GTO ■又称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor——FCT） ■与GTO类似，开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件 ■驱动功率仍然很大 ■电流关断增益较小，应用范围还有待拓展
MOS控制晶闸管MCT
■ MOSFET + 晶闸管 ■ MCT（MOS Controlled Thyristor） ■结合MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速开关和晶闸管
☞ 关断过程没有没有少子存储效应 ☞ 常闭型、电压驱动型、驱动功率小
静电感应晶体管SIT
■ 结型场效应晶体管 ■ 多子导电，工作频率与MOSFET相当，功率容量比MOSFET
大，适用于高频大功率场合 ■ 不加栅极驱动时，SIT导通，加负偏压时关断，使用不方便 ■ 通态电阻大，还未得到广泛应用
集成门极换流晶闸管IGCT
■基本概念 ◆ 20世纪80年代，多个器件封装在一个模块成为趋势 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性 ◆大大减小线路电感，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、自诊断等信 息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路 （Power Integrated Circuit——PIC）
电力电子器件分类“树”
电力电子器件分类之一（载流子参与导电的情况） 单极型：电力MOSFET 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR 复合型：IGBT
电力电子器件分类之二 （驱动控制的情况） 电压驱动型：单极型器件和复合型器件 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单， 工作频率高。 电流驱动型：双极型器件 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小， 但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂
MOS控制晶闸管MCT
■ MOSFET + 晶闸管 ■ MCT（MOS Controlled Thyristor） ■结合MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速开关和晶闸管
☞ 关断过程没有没有少子存储效应 ☞ 常闭型、电压驱动型、驱动功率小
静电感应晶体管SIT
■ 结型场效应晶体管 ■ 多子导电，工作频率与MOSFET相当，功率容量比MOSFET
大，适用于高频大功率场合 ■ 不加栅极驱动时，SIT导通，加负偏压时关断，使用不方便 ■ 通态电阻大，还未得到广泛应用
集成门极换流晶闸管IGCT
■基本概念 ◆ 20世纪80年代，多个器件封装在一个模块成为趋势 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性 ◆大大减小线路电感，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、自诊断等信 息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路 （Power Integrated Circuit——PIC）
电力电子器件分类“树”
电力电子器件分类之一（载流子参与导电的情况） 单极型：电力MOSFET 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR 复合型：IGBT
电力电子器件分类之二 （驱动控制的情况） 电压驱动型：单极型器件和复合型器件 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单， 工作频率高。 电流驱动型：双极型器件 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小， 但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂
电力电子器件课件2
UBO——正向转折电压
曲线族。Ig＝0时，逐渐增大阳极电压Ua， 只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断； 随着阳极电压的增大，当达到正向转折电压 UBO时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断突
变为正向导通状态。这种在Ig＝0时，依靠增大 阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开
URO——反向击穿电压
通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的 电力电子器件称为全控型器件.常用的有门极可关断晶 闸管,大功率晶体管,功率场效应管,绝缘栅双极型晶体管, 静电感应晶体管及静电感应晶闸管等.
根据器件内部载流子参与导电的种类不同全控型器件又 分为单极型,双极型和复合型.
第3页，共43页。
1.1 普通晶闸管
第16页，共43页。
1.2 全控型电力电子器件
1.2.2 电力晶体管
⑤饱和压降UCES：GTR工 作在深饱和区时，集射 极间的电压值。
⑥共射直流电流增益β： β＝IC/IB表示GTR的电 流放大能力。
⑦动态参数如图2.2.5 开通时间 ton=td+tr 关断时间 toff=ts+tf
第17页，共43页。
第5页，共43页。
1.1 晶闸管
综述：晶闸管的导通条件是 晶闸管的内部结构和等效电路 阳极与阴极之间为正偏和 门极与阴极之间为正偏。 晶闸管导通后，即使撤除 门极驱动信号Ug，也不能使
晶闸管关断，只有设法使阳极
电流Ig减小到维持电流IH以
下，导致内部已建立的正反馈 无法维持，晶闸管才能恢复阻 断能力。门极电压只能触发晶 闸管开通，不能控制它的关断， 故称为半控型器件。
3、GTO有能承受反压和不能承受反 压两种类型，使用时应注意。
常用的GTO驱动电路。
a图中，T导通时，E经过T使GTO触发导 通，同时C被充电，极性左＋右－。当 T关断时，C经L、SCR、GTO阴极、GTO 门极放电，反向电流使GTO关断。
曲线族。Ig＝0时，逐渐增大阳极电压Ua， 只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断； 随着阳极电压的增大，当达到正向转折电压 UBO时，漏电流突然剧增，晶闸管由正向阻断突
变为正向导通状态。这种在Ig＝0时，依靠增大 阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开
URO——反向击穿电压
通过控制信号既可以控制其导通,又可以控制其关断的 电力电子器件称为全控型器件.常用的有门极可关断晶 闸管,大功率晶体管,功率场效应管,绝缘栅双极型晶体管, 静电感应晶体管及静电感应晶闸管等.
根据器件内部载流子参与导电的种类不同全控型器件又 分为单极型,双极型和复合型.
第3页，共43页。
1.1 普通晶闸管
第16页，共43页。
1.2 全控型电力电子器件
1.2.2 电力晶体管
⑤饱和压降UCES：GTR工 作在深饱和区时，集射 极间的电压值。
⑥共射直流电流增益β： β＝IC/IB表示GTR的电 流放大能力。
⑦动态参数如图2.2.5 开通时间 ton=td+tr 关断时间 toff=ts+tf
第17页，共43页。
第5页，共43页。
1.1 晶闸管
综述：晶闸管的导通条件是 晶闸管的内部结构和等效电路 阳极与阴极之间为正偏和 门极与阴极之间为正偏。 晶闸管导通后，即使撤除 门极驱动信号Ug，也不能使
晶闸管关断，只有设法使阳极
电流Ig减小到维持电流IH以
下，导致内部已建立的正反馈 无法维持，晶闸管才能恢复阻 断能力。门极电压只能触发晶 闸管开通，不能控制它的关断， 故称为半控型器件。
3、GTO有能承受反压和不能承受反 压两种类型，使用时应注意。
常用的GTO驱动电路。
a图中，T导通时，E经过T使GTO触发导 通，同时C被充电，极性左＋右－。当 T关断时，C经L、SCR、GTO阴极、GTO 门极放电，反向电流使GTO关断。
第1章 电力电子器件53769 PPT资料共120页
控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET)
——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。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也 就不需要驱动电路。
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
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。
通态损耗
主要损耗
断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
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。
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。
控 控制电路 制
电
检测 电路
保护 电路
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
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效
应，称为结电容CJ，又称为微分电容。
结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电
容扩散电容CD。
电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
1.2.2 电力二极管的基本特性
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串并联使用
本章小结及作业
第1章 电力电子器件·引言
电子技术的基础 ——— 电子器件：晶体管和集成电
——二极管的电压-电流特性随 UF
td
——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。 不可控器件(Power Diode)
——不能用控制信号来控制其通断, 因此也 就不需要驱动电路。
按照驱动电路信号的性质，分为两类：
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。
通态损耗
主要损耗
断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
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。
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。
控 控制电路 制
电
检测 电路
保护 电路
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
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效
应，称为结电容CJ，又称为微分电容。
结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电
容扩散电容CD。
电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
1.2.2 电力二极管的基本特性
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件——二极管 1.3 半控型器件——晶闸管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串并联使用
本章小结及作业
第1章 电力电子器件·引言
电子技术的基础 ——— 电子器件：晶体管和集成电
——二极管的电压-电流特性随 UF
td
《电力电子器件》PPT课件
流。）
h
7
晶闸管的特性总结如下：
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。
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。
结论：
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电 流降到接近于零的某一数值以下 。
SCR导通条件： UAK>0 同时 UGK>0 由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。
2IG ICBO1ICBO2
IA 1(1 2)
（1-5） 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
h
a) 双晶体管模型 b) 工作原理 9
➢ 正 向 阻 断 ： 开 关 S 断 开 ， 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。
➢ 触发导通：开关S闭合，注入触发电
流IG。管子内部形成电流正反馈，V1、 V2饱和，1+2趋近于1，流过晶闸管 的电流IA急剧增大，晶闸管导通。IA实
普通晶闸管的关断时间约几
百微秒
h
trr URRM tgr
晶闸管的开通和关断过程波形
15
（2）关断过程
反向阻断恢复时间trr：正向电流 降为零到反向恢复电流衰减至接
近于零的时间
正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要 恢复其对正向电压的阻断能力还
需要一段时间
h
16
在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正 向导通
第一章 电力电子器件
h
1
电力电子器件(2)--晶闸管
• 1. 晶闸管的结构与工作原理 • 2. 晶闸管的基本特性 • 3. 晶闸管的主要参数 • 4. 晶闸管的派生器件
h
7
晶闸管的特性总结如下：
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。
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。
结论：
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电 流降到接近于零的某一数值以下 。
SCR导通条件： UAK>0 同时 UGK>0 由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。
2IG ICBO1ICBO2
IA 1(1 2)
（1-5） 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
h
a) 双晶体管模型 b) 工作原理 9
➢ 正 向 阻 断 ： 开 关 S 断 开 ， 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。
➢ 触发导通：开关S闭合，注入触发电
流IG。管子内部形成电流正反馈，V1、 V2饱和，1+2趋近于1，流过晶闸管 的电流IA急剧增大，晶闸管导通。IA实
普通晶闸管的关断时间约几
百微秒
h
trr URRM tgr
晶闸管的开通和关断过程波形
15
（2）关断过程
反向阻断恢复时间trr：正向电流 降为零到反向恢复电流衰减至接
近于零的时间
正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要 恢复其对正向电压的阻断能力还
需要一段时间
h
16
在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正 向导通
第一章 电力电子器件
h
1
电力电子器件(2)--晶闸管
• 1. 晶闸管的结构与工作原理 • 2. 晶闸管的基本特性 • 3. 晶闸管的主要参数 • 4. 晶闸管的派生器件
《电力电子器件概述》幻灯片
控
制
控制电路
电
检测 电路
保护 电路
V1 LR
在主电路 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
驱动
路
电路
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
7
1.1.3 电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
➢ 半控型器件〔Thyristor〕
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 ：
IA2I1G(I1CBO 2I1)CBO（2 1-5）
图1-7
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
29
1.3.1 晶闸管的构造与工作原理
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。
IH O
IG2 IG1 IG=0
UDRM Ubo +UA UDSM
正向电压超过正向转折电 压Ubo，那么漏电流急 剧增大，器件开通。
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢
uF 2V
0
b) tfr
t
图1-5 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
17
1.2.2
关断过程
电力二极管的根IF 本di特F 性
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
简称快速二极管 快恢复外延二极管
〔Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED〕，其trr更短〔可低于50ns〕， UF也很低〔0.9V左右〕，但其反 向耐压多在1200V以下。
电力电子器件-电子课件
决定晶闸管的最大电流 管芯半导体结温 流过电流的有效值 （相同的电流有效值条件下，其发热情况相同，选取型号相同）
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
第一章 电力电子器件
波形系数Kf ：有效值/平均值，反应周期
交流量波形性质。
如果额定电流为100A的晶闸管 其允许通过的电流有效值为1.57×100＝157A
第一章 电力电子器件
选择晶闸管额定电流时，要依据实际波形的电流
有效值与额定电流IT（AV)有效值相等的原则（即管芯结
温一样）进行换算。即：
由于晶闸管的过载能力差，一般选用时取1.5～2倍 的安全裕量。
第一章 电力电子器件
3.通态平均电压UT(AV)
当流过正弦半波的电流为额定电流，并达到稳定 的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均 值，称为通态平均电压。
第一章 电力电子器件
电力电子器件在电力设备或电力系统中，直接 承担电能变换和控制任务的电路称为主电路。
电力电子器件就是可直接用于主电路中实现电 能的变换和控制的电子器件。
电力电子器件则是电力电子电路的基础。 目前常用的电力电子器件都是用半导体材料制 成的，主要分为半控型器件和全控型器件。
第一章 电力电子器件
门极可关断晶闸管实物、图形 和文字符号
GTO在牵引电力机车和斩波器中的应用
第一章 电力电子器件
二、功率晶体管GTR
大功率晶体管（Giant Transistor）简称GTR， 又称为电力晶体管。因为有PNP和NPN两种结构，因此 又称双极型晶体管BJT。
功率晶体管GTR实物、图形和文字符号
第一章 电力电子器件
为晶闸管的额定电压值，用电压等级来表示。
第一章 电力电子器件
2.额定电流IT（AV)
又称为额定通态平均电流。 是指在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条 件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流的平均 值。 晶闸管的额定电流参数系列：1A、5A、10A、20A、 30A、50A、100A、200A、300A。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1.3.1晶闸管的结构与工作原理
一、结构
1.外形（Appearance）
K
G
A
1.3.1晶闸管的结构与工作原理
Structure and principle of thyristor
一、结构
A
2.内部结构与符号
P1 J1
N1
J2
P2
J3
G
N2
K
Structure
Symbol
二、工作原理分析
A A
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至 接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向 阻断状态。IH称为维持电流。
2) 反向特性
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。
晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏 电流流过。
当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后， 外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加， 导致晶闸管发热损坏。
三、导通和关断的条件
注：1）只有门极触发是最精确、迅速而 可靠的控制手段；好绝缘而应用于 高压电力设备中
三、导通和关断的条件
2 关断条件（下列条件之一）：
（1）UA=0(去掉阳极电压） （2） UA<0(阳极加反压） （3）使流过晶闸管的电流小于维持电流
绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ Insulated-Gate Bipolar
通过T控ran制si信sto号r—既—可IGB控T制） 其导通又可控制其关断， 又 称电自力关场断效器应晶件体。管（电力MOSFET）
门极可关断晶闸管（GTO）
3) 不可控器件
电力二极管（Power Diode）
内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力 MOSFET取代
晶闸管的伏安特性
晶闸管的伏安特性
Ub0---转折电压 IH---维持电流
1) 正向特性 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 限通即。正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开
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。
④为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造 成正向压降较大。
1. 3 半控器件—晶闸管
1.3 半控器件—晶闸管 (Thyristor)
•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
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 电力电子器件的一般特征(Features) ①能处理电功率的大小，即承受电压和电流
的能力，是最重要的参数。 ②电力电子器件一般都工作在开关状态。 ③实用中，电力电子器件往往需要由信息电
子电路来控制。需要加驱动电路。
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
④散热问题：在器件封装上讲究散热设 计，在其工作时一般都要安装散器。
电力电子器件
Power Electronic Devices
学习内容
1. 电力电子器件的概念、特点和分类； 2. 各种常用电力电子器件的工作原理、基 本特性、主要参数； 3.电力电子器件驱动电路与保护。
基本要求
1. 掌握晶闸管、GTO、GTR、PMOSFET等 常用电力电子器件等电力电子器件的工作 原理、基本特性及主要参数
1.4 典型全控型器件
Typical fully- controlled devices
1.4.1 门极可关断晶闸管 1.4.2 电力晶体管 1.4.3 电力场效应晶体管 1.4.4 绝缘栅双极晶体管
1.4.1 门极可关断晶闸管
（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO）
结构： •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。
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。
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 。
1.3.3 晶闸管的主要参数
3. 动态参数 (1)开通时间tgt和关断时间tq (2) 断态电压临界上升率du/dt (3) 通态电流临界上升率di/dt
1.3.2 晶闸管的基本特性
1. 静态特性(Static characteristics)
晶闸管正常工作时的特性如下： 1) 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。 2) 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。 3) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 4) 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近 于零的某一数值以下 。
1.3.3 晶闸管的主要参数
(Specifications of thyristor)
2) 维持电流 IH （Holding current ） 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 （Latching up current ）
(2) 关断过程
trr----反向阻断恢复时间 tgr-----正向阻断恢复时间 关断时间：tq=trr+tgr
1.3.3 晶闸管的主要参数
(Specifications of thyristor)
1. 额定电压
1) 断态重复峰值电压UDRM ——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。
1.3.3 晶闸管的主要参数
(Specifications of thyristor)
2. 电流定额
1) 通态平均电流 IT(AV) （Average on-state current） 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。标称其额定电流的参数。
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 导通或者关断的控制
1.1.3 电力电子器件的分类
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
由一种载流子参与导电的器件
由电子和空穴两种载流子参 与导电的器件 由单极型器件和双极型器件 集成混合而成的器件
2. 动态特性(Switching characteristics of thyristor)
iA 100%
90%
阳极加反压
10%
0 td tr
t
u AK
IRM
O
tgt
开通时间
trr
门极加正 向电流
反向阻断 恢复时间
U RRM tgr
t
正向阻断 恢复时间
(1) 开通过程
td----延时时间 tr-----上升时间 开通时间tgt=td+tr
控
检测
电路
制
电
驱动
路
电路
V 1 LR
V 2 主电路
电气隔离
1.1.3 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
晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件
通 过器控件制的信关断号由可其以在控主制电路其中导承通受而的不电压能和控电制流其决关定 断。 2) 全控型器件
•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。
1.4.1 门极可关断晶闸管
特点：
门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器
可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断
GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管 接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较 多的应用.
2. 掌握各类电力电子器件驱动电路的特点 3. 3. 熟悉各类保护电路的作用及原理 4. 4. 了解电力电子器件的串并联及使用方
法
1.1 电力电子器件的概述
An introductory overview of power electronic devices
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 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
P1
IA
PNP
G
N1 P2
N2
N1
J1 J2
P2
J3
V1
G IG
Ic1
NPN S
EG
Ic2 V2
IK
R EA
K
K
Strua )cture
Equivalebn) t circuit
二、工作原理分析
(1)阳极加正向电压，门极不加电压（S打开） J2反偏，阻断态，只有很小的漏电流
（2）阳极加反压，门极不加电压 J1、J3均反偏，阻断态
不动电能只电路用有压。控两和个 电制端信流子决号，定来器的控件。的制通其和通断断是,由因其在此主也电就路不中需承受要的驱
1.1.3 电力电子器件的分类
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 2) 电压驱动型
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
主
通态损耗： 导通时器件上有一定的通态压降
要
断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过
损
耗
关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗