1、 电力电子技术电力电子技术 第一章第一章 电力电子器件电力电子器件1.1 1.1 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.2 1.2 晶闸管的可控单向导电性晶闸管的可控单向导电性1.3 1.3 晶闸管的工作原理与特性晶闸管的工作原理与特性1.4 1.4 晶闸管的主要特性参数晶闸管的主要特性参数1.5 1.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.6 1.6 典型全控型器件典型全控型器件1.7 1.7 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动1.8 1.8 电力电子器件的保护电力电子器件的保护1.9 1.9 电力电子器件器件的串联和并联使用电力电子器件器件的串联和并联使用 电力电子技术电力电子技术
2、 1.3.21.3.2 晶闸管伏安特性：晶闸管伏安特性：正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1.6 晶闸管伏安特性（1 1）正向特性）正向特性I IG G=0=0时，器件两端施加正向时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压正向电压超过正向转折电压U Ubobo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件开通。器件开通。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压
3、降很小，在1V1V左右。左右。1 1） 静态特性静态特性 电力电子技术电力电子技术 （2 2）反向特性）反向特性v反向特性类似二极管的反反向特性类似二极管的反向特性。向特性。v反向阻断状态时，只有极反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。v当反向电压达到反向击穿当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管电压后，可能导致晶闸管发热损坏发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1.6 晶闸管伏安特性 电力电子技术电力电子技术 (1) (1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间t td d (0.5-1.5
4、 (0.5-1.5 s)s)上升时间上升时间t tr r (0.5-3 (0.5-3 s)s)开通时间开通时间t tgtgt以上两者之以上两者之和，和，t tgtgt=t=td d+ t+ tr r 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 2) 关断过程关断过程 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间t tgrgr 关断时间关断时间t tq q以上两者之和以上两者之和 t tq q=t=trrrr+t+tgr gr 普通晶闸管的关断时间约几普通晶闸管的关断时间约几百微秒百微秒2 2） 动态特性动态特性图1.7 晶闸
5、管的开通和关断过程波形 电力电子技术电力电子技术 v断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRMv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。v反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRMv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。v通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UT Tv晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2-3倍。使用注意：使用注意：1 1）电压定额电压定额1.41.4 闸管
6、的主要特性参数闸管的主要特性参数 电力电子技术电力电子技术 通态平均电流通态平均电流 I IT(AVT(AV）v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最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。v使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流维持电流 I IH H v使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 I IL L v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，通常对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为I IH H的的2-42-4倍。倍。浪涌电
7、流浪涌电流I ITSMTSMv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 。2 2）电流定额）电流定额 电力电子技术电力电子技术 v 除开通时间t tgtgt和关断时间t tq q外，还有： 断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。v电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt tv指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。v如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损
8、坏。3 3）动态参数）动态参数 电力电子技术电力电子技术 有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管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，不能忽略其开关损耗的发热效应。1 1）快速晶闸管）快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFast Switching Thyristor FST)FST)1.5 1.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 电力电子技术电力电子技术 2 2）双向晶闸管（）双向晶闸管（Triode AC SwitchTriod
9、e AC SwitchTRIACTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor）图1-8 双向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a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。 电力电子技术电力电子技术 3)3)逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting Reverse Conducti
10、ng ThyristorThyristorRCTRCT）a)KGAb)UOIIG=0图1-9 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) 伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 电力电子技术电力电子技术 4)4)光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA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) 伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的
11、光照信号触发导通的晶闸管。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。因此目前在高压大功率的场合。 电力电子技术电力电子技术 1.6 1.6 典型全控型器件典型全控型器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。在晶闸管问世后不久出现。2020世纪世纪8080年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。 1.6.0 1.6.0 引言引言 电力电子技术电力电子技术 常用的常用的典
12、型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块 图1.13 常用的典型全控型器件门极可关断晶闸管 电力电子技术电力电子技术 1.6.1 1.6.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，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。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 电力电子
13、技术电力电子技术 结构结构：与普通晶闸管的相同点：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。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内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起元的阴极和门极在器件内部并联在一起图1.14 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号 GTO的结构和工作原理的结构和工作
14、原理 电力电子技术电力电子技术 工作原理：工作原理：与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型来分析。来分析。 图1.15 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分别具分别具有共基极电流增益有共基极电流增益 1 1和和 2 2 。 电力电子技术电力电子技术 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：如下区别：设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2
15、控控 制灵敏，易于制灵敏，易于GTO关断。关断。导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通，导通时接近临界饱和，有利门极时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降控制关断，但导通时管压降增大。增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区基区横向电阻很小，能从门极抽横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。出较大电流。 图1.16 晶闸管的工作原理 电力电子技术电力电子技术 导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅饱和程度较浅 关断过程：强烈正反馈关断过程：强烈正反馈门极加负脉门极加负脉冲即从门极抽出电流，则冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使
16、减小，使IK和和Ic2减小，减小，Ic2的减小又使的减小又使IA和和Ic1减小，减小，又进一步减小又进一步减小V2的基极电流。的基极电流。 当当IA和和IK的减小使的减小使 1+ 21时，器件退出时，器件退出饱和而关断饱和而关断图1.17 关断过程等效电路 电力电子技术电力电子技术 由上述分析我们可以得到以下结论：由上述分析我们可以得到以下结论： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。导通时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。出饱和而关断。多元集成结构还使多元集成结构还使GTO比普通晶闸
17、管开通比普通晶闸管开通过程快，承受过程快，承受di/dt能力强能力强 。 电力电子技术电力电子技术 通常通常 比比 小得多，而小得多，而 比比 要长。门极负脉冲电流幅值要长。门极负脉冲电流幅值越大，越大， 越短。越短。开通过程：与普通晶闸管相同开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间储存时间 ，使等效晶体退出饱，使等效晶体退出饱和和 。下降时间下降时间 ，尾部时间尾部时间 残存载流子复残存载流子复合。合。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1.14 GTO的开通和关断过程电流波形 GT
18、O的动态特性的动态特性ststftftttstttst 电力电子技术电力电子技术 GTO的主要参数的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约约12s s，上升时间则随通态阳极电流的增大，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。而增大。 一般指储存时间和下降时间之和，不包一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于括尾部时间。下降时间一般小于2s s。 关断时间关断时间toff开通时间开通时间ton 不少不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联受反压时，应和电力二
19、极管串联 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。以下只介绍意义不同的参数。 电力电子技术电力电子技术 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流 电流关断增益电流关断增益off off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO额定电流。额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值流最大值I IGM GM 之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。ATO
20、offG MIIATOI 电力电子技术电力电子技术 1.6.21.6.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为，直译为巨型晶体管）巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称），英文有时候也称为为Power BJT。 应用应用:20世纪世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被管，但目前又大多被IGBT和电力和电力MOSFET取代。取代。术语用法：术语用法： 电力电子技
21、术电力电子技术 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。图1.15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动 电力电子技术电力电子技术 在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接法。一般采用共发射极接法。集电极电流与基极电流
22、之比为集电极电流与基极电流之比为 GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力极电流的控制能力 。当考虑到集电极和发射极间的漏电流时，当考虑到集电极和发射极间的漏电流时，单管单管GTR的的 值比小功率的晶体管小得多，通常为值比小功率的晶体管小得多，通常为10左左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。cbiiGTR的结构和工作原理的结构和工作原理cbceoiii 电力电子技术电力电子技术 静态特性静态特性 共发射极接法时的典型输出共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和特性：截止区、放大区和饱和区。区。 在电力电子电路中在电力电子电路中GTR工作工作在开关状态。在开关状态。 在开关过程中，即在截止区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过和饱和区之间过渡时，要经过放大区。放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿除跨导除跨导G Gfsfs、开启电压、开启电压U UT T以及以及t td(on)d(on)、t tr r、t td(off)d(off)和和t tf f之外还有：之外还有： 极间电容极间电容极间电容极间电容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS
