二极管与晶闸管
电力电子技术(第4版)第3讲 电力电子器件
电力电子技术
第1章：
电力电子器件
⑵ GTO的动态特性
iG
开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间 t s ，使等效晶体退出饱 和 。 下降时间 t f ，
O t
尾部时间 t —残存载流子复
t
iA IA 90%合。
10%IA 0
电力电子器件
③最大可关断阳极电流 I A T O ——GTO额定电流。 ④ 电流关断增益off ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电 流最大值IGM 之比称为电流关断增益。
o ff
I ATO I GM
off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。
1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 电力电子技术
A 强 G K O U AK 光强度 弱
a)
b)
因此目前在高压大功率 的场合。
图1-10 光控晶闸管的电气 图形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
电力电子技术
第1章：
电力电子器件
1.6
典型全控型器件
1.6.0 引言
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。
第1章：
电力电子器件
1.6.2
术语用法：
电力晶体管
电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为 巨型晶体管） 。
耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称 为Power BJT。 应用:
串联二极管式晶闸管逆变电路
串联二极管式晶闸管逆变电路晶闸管逆变电路是一种将直流电转换为交流电的电路，广泛应用于工业控制、电力变频、电动机调速等领域。
而串联二极管式晶闸管逆变电路是一种常见的晶闸管逆变电路拓扑结构，本文将对其原理和特点进行详细介绍。
一、串联二极管式晶闸管逆变电路的原理串联二极管式晶闸管逆变电路由晶闸管、二极管和负载组成。
晶闸管是一种具有控制性的电子开关器件，能够实现对电流的精确控制。
而二极管则起到了保护晶闸管的作用，防止其反向击穿。
负载则是电路的输出部分，可以是电动机、灯泡等。
在串联二极管式晶闸管逆变电路中，晶闸管和二极管以串联的方式连接，形成一个闭合的回路。
当外部施加正向电压时，晶闸管处于导通状态，电流可以通过晶闸管和负载，实现直流到交流的转换。
而当外部施加反向电压时，晶闸管会自动断开，二极管则开始导通，防止电流反向流入晶闸管，保护其不被击穿。
二、串联二极管式晶闸管逆变电路的特点1. 简单可靠：串联二极管式晶闸管逆变电路的结构简单，元件较少，故而可靠性较高。
2. 输出电压稳定：晶闸管作为开关器件，其控制性能良好，能够实现对输出电压的精确控制，保证输出电压的稳定性。
3. 适用范围广：串联二极管式晶闸管逆变电路能够适应不同功率和电压等级的负载，具有较大的适应性。
4. 转换效率高：晶闸管作为开关器件，其导通和截止状态切换速度快，转换效率高。
5. 可实现双向电流：串联二极管式晶闸管逆变电路的输出电流可以实现正反向流动，可适应不同工作条件的需求。
三、串联二极管式晶闸管逆变电路的应用串联二极管式晶闸管逆变电路广泛应用于工业控制领域。
其主要应用包括：电力变频调速系统、电动机调速系统、无级调速系统、电压调节系统等。
在这些应用中，晶闸管逆变电路能够将直流电源转换为交流电源，满足电机的不同转速要求，实现精确控制。
串联二极管式晶闸管逆变电路还可用于电力电子调光系统、电力电子补偿系统、电力电子制冷系统等领域。
在这些应用中，晶闸管逆变电路能够实现对电能的精确调节和控制，提高系统的效率和稳定性。
晶闸管二极管主要参数及其含义
晶闸管二极管主要参数及其含义IEC标准中用来表征晶闸管二极管性能特点的参数有数十项但用户经常用到的有十项左右本文就晶闸管二极管的主要参数做一简单介绍1、正向平均电流IF(AV)(整流管)通态平均电流IT(AV)(晶闸管)是指在规定的散热器温度THS 或管壳温度 TC时,允许流过器件的最大正弦半波电流平均值此时器件的结温已达到其最高允许温度Tjm仪元公司产品手册中均给出了相应通态电流对应的散热器温度THS 或管壳温度 TC值用户使用中应根据实际通态电流和散热条件来选择合适型号的器件2、正向方均根电流IFRMS(整流管)通态方均根电流ITRMS(晶闸管)是指在规定的散热器温度THS 或管壳温度 TC时,允许流过器件的最大有效电流值用户在使用中须保证在任何条件下流过器件的电流有效值不超过对应壳温下的方均根电流值3、浪涌电流IFSM (整流管)ITSM(晶闸管)表示工作在异常情况下器件能承受的瞬时最大过载电流值用10ms底宽正弦半波峰值表示仪元公司在产品手册中给出的浪涌电流值是在器件处于最高允许结温下施加80% VRRM条件下的测试值器件在寿命期内能承受浪涌电流的次数是有限的用户在使用中应尽量避免出现过载现象4、断态不重复峰值电压VDSM反向不重复峰值电压VRSM指晶闸管或整流二极管处于阻断状态时能承受的最大转折电压一般用单脉冲测试防止器件损坏用户在测试或使用中应禁止给器件施加该电压值以免损坏器件5、断态重复峰值电压VDRM反向重复峰值电压VRRM是指器件处于阻断状态时断态和反向所能承受的最大重复峰值电压一般取器件不重复电压的90%标注高压器件取不重复电压减100V标注用户在使用中须保证在任何情况下均不应让器件承受的实际电压超过其断态和反向重复峰值电压6、断态重复峰值漏电流IDRM反向重复峰值漏电流IRRM为晶闸管在阻断状态下承受断态重复峰值电压VDRM 和反向重复峰值电压VRRM时流过元件的正反向峰值漏电流该参数在器件允许工作的最高结温Tjm下测出7、通态峰值电压VTM(晶闸管)正向峰值电压VFM(整流管)指器件通过规定正向峰值电流IFM (整流管)或通态峰值电流ITM(晶闸管)时的峰值电压也称峰值压降该参数直接反映了器件的通态损耗特性影响着器件的通态电流额定能力点图进入相册点图进入相册点图进入相册点图进入相册点图进入相册。
晶闸管课件.
A2 ～
O
α
α
A1
＋
G
uo
－
2
t
α
可关断晶闸管及其直流调压管相同。
不同之处在于：普通晶闸管在导通后，控制极不再
起作用，只有在阳极电压为零时，晶闸管才会关断
（截止）。而可关断晶闸管
在uA＞0, uG＞0时，由截止变为导通
A
，而在uA＞0, uG＜0时，即加负脉冲
A
形成正反馈过程
T1
R
G EG
T2
EA
+ _
K EA > 0、EG > 0
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。
晶闸管导电实验
（1）晶闸管截止时，
若uA>0, uG≤0，晶闸管 仍然 截止；
（2）晶闸管截止时，
若uA>0, uG>0,晶闸管由 截止变为导通；
＋
EA
－
S
EG
－＋
（3）晶闸管导通时，若uA>0, uG≤0，晶闸管仍然 导通；
(2) 有源逆变。有源逆变是指把直流电变换成与 电网同频率的交流电，并将电能返送给交流电源。例 如, 目前采用的高压输电工程，将三相交流电先变换 成高压直流电，再进行远距离的输送，到目的地后， 再利用有源逆变技术把直流电变成与当地电网同频率 的交流电供给用户。
(3) 交流调压。 交流调压是指把不变的交流电压 变换成大小可调的交流电压。例如，用于灯光控制、 温度控制及交流电动机的调压调速。
–
D2 –
3.工作波形
t
uO为一个 2O
π+α
α
不完整的全
波脉动电压，
t
它相当于从 O
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。
电力二极管和晶闸管
——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。
2）分类: 电真空器件
(汞弧整流器、闸流管等)
半导体器件 (采用的主要材料仍然是硅）
3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：
处理电功率的能力，一般远大于处理信息的 电子器件。
其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至 兆瓦级, 多都远大于处理信息的电子器件。
驱动
路
电路
V2 主电路
电气隔离 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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：
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。
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。
一、 晶闸管的结构
外形结构： 塑封形
平板形
螺栓形
外形有塑封形、螺栓形和平板形三种封装。
塑封形 —— 额定电流10A以下。 螺栓型 —— 额定电流10～200A。 平板形 —— 额定电流200A以上。
阴极 K
门极 G
晶闸管的外形及电气图形符号
A 阳极
有三个联接端。 螺栓形封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。 平板形晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
电力二级管和晶闸管
补充内容：电力电子器件概述 1.1 电力二极管 1.2 晶闸管 1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管 本章小结
电子技术的基础 ——电子器件：晶体管和集成电路 电力电子电路的基础 ——电力电子器件
本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍电力二极管、晶闸管的工作原理、基本特性、主 要参数、选择和使用中应注意问题。
第9章--电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介
目录目录.............................................................................................................................................................................. 第9章电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介 . 09.1 电力二极管的应用简介 09.1.1 电力二极管的种类 09.1.2 各种常用的电力二极管结构、特点和用途 09.1.3 电力二极管的主要参数 09.1.4 电力二极管的选型原则 (1)9.2 电力晶体管的应用简介 (2)9.2.1 电力晶体管的主要参数 (2)9.2.2 电力晶体管的选型原则 (2)9.3 晶闸管的应用简介 (3)9.3.1 晶闸管的种类 (3)9.3.2 各种常用的晶体管结构、特点和用途 (3)9.3.3 晶闸管的主要参数 (4)9.3.4 晶闸管的选型原则 (5)9.4 总结 (6)第9章电力二极管、电力晶体管和晶闸管的应用简介9.1 电力二极管的应用简介电力二极管（Power Diode）在20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器；它的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管相同，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向截止的功能。
电力二极管是不可控器件，其导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
电力二极管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。
9.1.1 电力二极管的种类电力二极管主要有普通二极管、快速恢复二极管和肖特基二极管。
9.1.2 各种常用的电力二极管结构、特点和用途名称结构特点、用途实例图片整流二极管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，其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。
二极管、三极管、晶闸管简介
5、 二极管作用： 整流：将交流电信号转换成直流电信号。 检波：用于高频信号的调解（信号转换）。 发光：用于装饰或各种信号指示。 变容：用于各种自动调谐电路。 光电：用于光的测量；当制成大面积的光电二极管，可当做一种能源，称为光电池。
整流（利用单向导电性）
把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一 正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，vo=vi；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， vo =0。其输入、输出波形见图(b)。整流电路是直流电源的一个组成部分。
vi
＋
D
＋
0
t
vi
RL
vo
vo
－
－
0
t
(a)
(b)
稳压
稳压二极管的特点就是反向通电尚未击穿前，其两端的电压基本保持不变。这样，当把稳压管接 入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压 将基本保持不变。 稳压二极管在电路中常用“ZD”加数字表示
1、正常二极管
二极管、三极管、晶闸管简介
晶体二极管(Diode)
1、二极管的构成 核心是PN结， P性材料和N性材料结合， 有2个出线 端，即二极管有正、负两个极
应用电路
整
稳
流
压
正极
positive
PN
负极
negative
限
幅
(a)
正极
负极
(b)
2、二极管的电路符号： D VD 3、 基本特性：单向导电性
4、分类： 根据材质分为：1）硅二极管（导通电压：0.5~0.7V） 2) 锗二极管(导通电压：0.2~0.3V) 根据用途分：整流二极管、检波二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管、变容二极管等
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外电场
内电场
I正
实用文档
23
PN结反向偏置
_ P
变厚
－+ －+ －+ －+
内电场被被加强 ，多子的扩散受 抑制。少子漂移 加强，但少子数
N量成有较限小，的只反能向形电+
流。
内电场 外电场
I反
实用文档
24
归纳
PN结的单向导电性
◆ 正向特性
P（+），N（-），外电场削弱内电场，结导通，I大； I的大小与外加电压有关；
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键
中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱
离共价键成为自由电子，因此本征半导体中
的自由电子很少，所以本征半导体的导电能
力很弱。
实用文档
4
3）在绝对0度和没 有外界激发时,价电子完 全被共价键束缚着，本 征半导体中没有可以运 动的带电粒子（即载流 子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。
实用文档
6
可见因热激发而出现的自由电子和空穴是
同时成对出现的，称为电子空穴对。
实用文档
7
归纳
本征半导体的导电机理
❖ 本征半导体中存在数量相等的两种载流
子，即自由电子和空穴。
❖ 本征半导体的导电能力取决于载流子的
浓度。
❖温度越高载流子的浓度越高本征半导
体的导电能力越强。
实用文档
8
2. 杂质半导体
发光二极管
实用文档
37
发光二极管常用作照明或显示器件，除单个使用外，也 可制成七段式或点阵显示器，显示数字或图形文字，甚至用 成千上万个发光二极管点阵制成超大面积的户外电视屏幕。
a）汽车尾灯 b）交通信号灯 c）点阵显示屏
LED灯应用示例
实用文档
38
4．光敏二极管
光敏二极管也称光电二极管，是一种将光信号变成电信 号的半导体器件。
当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。
往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力
明显改变。
实用文档
2
1. 本征半导体
纯净的半导体。如：硅和锗
本征半导体的导电机理 1）最外层四个价电子。
2）共价键结构
Ge
Si
+4
+4
+4
+4
+4表示除去价电子后的原实子用文档 共价键共用电子对 3
形成共价键后，每个原子的最外层电 子是八个，构成稳定结构。
2．稳压二极管
稳压二极管是利用二极管反向击穿特性工作的半导体 器件。
a） 常见外形
b）电路图形符号
稳实压用二文极档管
35
稳压二极管的正向特性与普通硅二极管相似，但它的 反向击穿特性很陡。
稳压二极管的伏安特性曲线 实用文档
最简单的串联稳压电路 36
3．发光二极管
a)内部结构图 b)普通发光二极管 c)贴片式发光二极管 d)图形符号
电称流为，反P向N饱结和呈电现流高。阻性。
实用文档
20
❖空间电荷区中没有载流子。
❖空间电荷区中内电场阻碍多子（ P中的 空穴、N中的电子） 的扩散运动。
❖空间电荷区中内电场推动少子（ P中的 电子、N中的空穴） 的漂移运动。
❖ P中的电子和N中的空穴（都是少子）， 数量有限，因此由它们形成的漂移电流 很小。
外加的反向电压有一部分
降落在PN结区，方向与
PN结内电场方向相同，加
强了内在电一场定。的内温电度场条对件多
子下扩，散由运本动征的激阻发碍决增定强的，少
扩子散浓电度流是大一大定减的小，。故此少时子
P形N成结的区漂的移少电子流在是内恒电定场的的
作，用基下本形上成与的所漂加移反电向流电大压
于的扩大散小电无流关，，可这忽个略电扩流散也
a）外形
b）内部结构 光实敏用二文极档管
c）图形符号
39
5．开关二极管
开关二极管一般用于接通或切断电路，它是利用PN结 的正向偏置导电、反向偏置截止的特性完成工作的。
开关二实极用文管档
40
6．变容二极管
变容二极管是利用PN结电容效应的一种特殊二极管。
a) 外形
b)图形符号
c) C-u关系曲线
变容二极管
内电场E
N型半导 体
+ +++++ 内电场越强，就使漂
+ + + 移+ 运+动越+ 强，而漂移
+ + + 使+ 空+间电+ 荷区变薄。
+ +++++
扩散的结果是使空间电
荷区逐渐加宽。
扩实用散文运档 动
16
PN结处载流子的运动
漂移运动
P型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
N型半导体
实用文档
13
5.1.2 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和 N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面 处就形成了PN结。
因浓度差
多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散
实用文档
14
PN结处载流子的运动
漂移运动
P型半导 体
－－－－ － － －－－－ － －
－－－－ － －
－－－－ － －
内电场E N型半导体 + +++++ + +++++ + +++++ + +++++
空间电荷区
扩实散用文运档 动
15
PN结处载流子的运动
漂移运动
P型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
4）在热或光激发 下，使一些价电子获 得足够的能量而脱离 共价键的束缚，成为 自由电子，同时共价 键上留下一个空位， 称为空穴。
+4
+4
空
穴
+4
+4
自由 电子
+4
+4
+4
+4
束缚 电子
实用文档
5
5）自由电子和空穴的运动形成电流
+4 +4 +4 +4
在其它力的作用下，空 穴吸引临近的电子来填 补，这样的结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可以认为空穴 是载流子。
◆ 3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。
◆ 4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；
P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
实用文档
12
杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P型半导体
在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼， 使空穴浓度大大增加。
多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度； 少数载流子（少子）：电子。取决于温度。
+4
+4
空穴
+3
+4
硼原子
实用文档
11
归纳
◆
1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多 数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。
◆
2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂 浓度，少数载流子的数量取决于温度。
P型区
空间
N型区
电荷
区
实用文档
18
1） PN结加正向电压时的导电情况
外加的正向电压有一 部分降落在PN结区 ，方向与PN结内电 场方向相反，削弱了 内电场。于是,内电场 对多子扩散运动的阻 碍减弱，扩散电流加 大。扩散电流远大于 漂移电流，可忽略漂 移电流的影响，PN 结呈现低阻性。
实用文档
19
2. PN结加反向电压时的导电情况
在本征半导体中掺入某些微量杂质。
杂质半导体使某种载流子浓度大大增加。
1）N型半导体
在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷， 使自由电子浓度大大增加。
实用文档
9
N型半导体
磷原子
+4
+4
多余电子
+5
+4
多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度； 少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。
实用文档
10
2）P型半导体
U >0，VD导通；UD=0 E ，I取决于外电路；相当于
UD
I VD
一个闭合的开关
E
I
U
U 0，VD截止；I=0， E
UD（负值）取决于外电路
UD VD
；相当于一个断开的开关
I反
E U
I反
实用文档
32
二极管的简易判别
实用文档
33
常用二极管类型
1．整流二极管
整流二极管实物图
实用文档
34
整流电路波形图
◆ 反向特性