1、第第1章章 绪论绪论 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介21.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术的概念电力电子技术的概念 可以认为，所谓电力电子技术就是应用于可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电电力力领域的领域的电子电子技术。技术。电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电力”有区别有区别于于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力”，后者特指电，后者特指电力网的力网的“电力电力”，前者则更一般些。，前者则更一般些。
2、电子技术包括信息电子技术和电力电子技电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。子技术都属于信息电子技术。31.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件电力电子器件 对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。础。变流技术则是电力电子技术的核心变流技术则是电力电子技术的核心。输入输入 输出输出 交流交流（AC）直流直流（DC）直
3、流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类41.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子学电力电子学 美国学者美国学者W.Newell认为电力电子学是由认为电力电子学是由电力电力学学、电子学电子学和和控制理论控制理论三个学科交叉而形成的。三个学科交叉而形成的。图图1-1 描述电力电子学的倒三角描述电力电子学的倒三角形形51.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和电子学电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子电力电子器件的制造技术和用于信息
4、变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。是一样的，其大多数工艺也是相同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。是一致的。电力电子技术和电力学电力电子技术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。子学和电力学的主要关系。61.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 各种电力电子装置广泛各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵
5、引、无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电国内国外，通常都把电力电 图图1-2 电气工程的双三角形描述电气工程的双三角形描述子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三
6、角形则描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。科内各二级学科的关系。71.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和控制理论电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。现这种接口
7、的一条强有力的纽带。另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。础元件和重要支撑技术。适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。思考：若要改变等效输出正弦波幅值，可采用什么措施？四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要。电流驱动型关断延迟时间td(off)因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。（1）当Vr大与Vc时，根据调制电路分析，器件是何工作状态？本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重斩波
8、电路。总的输出电流脉动幅值变得很小。电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。小储存的载流子，或者增大基极相电压相减得到线电压。各种工业用电源，计算机电源等81.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图图1-3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 一般认为，电力电子技术的诞生是以一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用美国通用电气公司研制出第一个电气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。91.2 电力电子技术的
9、发展史电力电子技术的发展史晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。明期。1904年出现了年出现了电子管电子管，它能在真空中对电子流进行控，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。力领域的先河。20世纪世纪30年代到年代到50年代年代，水银整流器水银整流器广泛用于电化学广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变动，甚至用
10、于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用这一时期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流。来变流。1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了引发了电子技术的一场革命。电子技术的一场革命。101.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸管晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅
11、速扩大。电力电子技术的概念和基其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于能使其关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管电。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。11
12、1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC）70年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管电力双极型晶体管（BJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的为代表的全控型器全控型器件件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其制既可使其开通开通又可使其又可使其关断关断。采用全控型器件的电路的主要控制方式为采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（脉冲宽度调
13、制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式斩波控制方式，简称，简称斩控方式斩控方式。在在80年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复合复合型器件型器件异军突起。它是异军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综合了两者的优点。的复合，综合了两者的优点。与此相对，与此相对，MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和和集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。121.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和
14、和电力电子器件电力电子器件集成在集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以技术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成混合集成技术技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的电路的工作频率工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关技软开关技术术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为
15、零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。131.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用，都是用电力电子装置进行调速的。电力电子装置进行
16、调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。141.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-4 AB变频器变频器有些并不特别要求调速的电机为有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流量整流电源
17、。电镀装置也需要整流电源。电源。电力电子技术还大量用于冶金工电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。淬火电源及直流电弧炉电源等场合。151.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用交通运输交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用，交流机车采用变频装置变频装置。直流直流斩波器斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵
18、引电机传动外，车辆力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种中的各种辅助电源辅助电源也都离不开电力电子技术。也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。161.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力系统电力
19、系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整整流阀流阀和受电端的和受电端的逆变阀逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的器件。近年发展起来的柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。也是依靠电力电子装置才
20、得以实现的。晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）、静止静止无功发生器（无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量等电力电子装置大量用于电力系统的用于电力系统的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质电能质量控制量控制，改善供电质量。，改善供电质量。在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流
21、操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。充电等都需要电力电子装置。171.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-5 中国南方电网公司安顺换流站中国南方电网公司安顺换流站图图1-6 静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）181.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型源以前用晶闸管整流电源，现
22、在已改为采用全控型器件的器件的高频开关电源高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源高频开关电源。在大型计算机等场合，常常需要在大型计算机等场合，常常需要不间断电源不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，不供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。间断电源实际就是典型的电力电子装置。191.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正
23、在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强起动和调速。
24、超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。单相-斩控式交流调压电路波形换流方式分为以下几种脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。当a 角相同时，随着阻抗角j 的增大，谐波含量有所减少直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。以用于直流电动机传动为例引起的微小而数值恒定的反向当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，txIG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+
25、UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+54晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的的反向特性。反向特性。晶闸管处于反向阻断状态晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的时，只有极小的反向漏电流反向漏电流通通过。过。当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压
26、Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+55晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。延迟时间延迟时间td(0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增的增 大而减小大而减小,上升时间除反
27、映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%56晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原的存在，原处处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反
28、向时，其阳极电流然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果内如果重重新对晶闸管施加新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%反向恢复反向恢复电流最大电流最大值值尖峰电压尖峰电压90%10
29、%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA57晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-9）。）。国标规定断态重复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（即为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）断态最大瞬时电压）UDSM的的90%。断态不重复峰值电压应低于断态不重复峰值电压应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而
30、结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-8）。）。规定反向重复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（即反向为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）最大瞬态电压）URSM的的90%。反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压反向击穿电压。58晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 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。压。通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和
31、URRM中较小的标值作为该器件的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23倍倍。电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV）国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷冷 却状态却状态下，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。波电流的平均值。按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发热
32、效应来定义的。来定义的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则所得计算结果的原则所得计算结果的1.52倍。倍。59晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，电流，一般为几十到几百毫安。一般为几十到几百毫安。结温结温越高，则越高，则IH越小。越小。擎住电流擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的后，能维持导通所需的最小最小电流。电流。约为
33、约为IH的的24倍倍 浪涌电流浪涌电流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不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流。60晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从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断态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通管误导
34、通 。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大最大通态电流上升率通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。损坏。61晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。快速晶闸管的快速晶闸管的开关时间开关时间以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明显改善。明显改善。从从关断时间关断时间来看，普通晶闸管一般为来看
35、，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速微秒，快速晶闸管为晶闸管为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。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通态平均电流时不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。的发热效应。62晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyri
36、stor）可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联 接接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成。门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特对称的伏安特性性。双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。图图2-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性 63晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆导
37、晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）是将是将晶闸管反并联一个晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向电压反向电压的能力，一的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。图图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 a)电气图形符号电气图形符号 b
38、)伏安特性伏安特性 64晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）是利用一定波长的是利用一定波长的光光照信号照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图2-13 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a)电气图形符号电气图形符号
39、b)伏安特性伏安特性 652.4 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 电力晶体管电力晶体管 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管662.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、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。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块
40、单管及模块67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，但晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于电流使其关断，因而属于全控全控型器件型器件。GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半导体结四层半导体结 构构。是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出个器件，虽然外部同样引出个 极，但内部则包含数十个甚极，但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的至数百个共阳极的小小GTO 元元，这些，这些GTO元的元的阴极阴极和和门门 极极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。在一起
41、。图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号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并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号电气图形符号 68门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 图图2-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理及其工作原理 a)双晶体管模型双晶体管模型 b)工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如图仍然可以用如图2-8所示的所示的双晶体双晶体管模型管模型来分析，来分析，V1、V2的共基极电流的共基极电流增益分别是增益分别是 1、2。1+2=1是器件临是器件临界导通的
42、条件，大于界导通的条件，大于1导通，小于导通，小于1则则关断。关断。GTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同 设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制控制 灵灵敏，易于敏，易于GTO关断。关断。导通时导通时 1+2更接近更接近1，导通时接，导通时接近近临界饱和临界饱和，有利门极控制关断，但，有利门极控制关断，但导通时管导通时管压降压降增大。增大。多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区基区横向横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。电阻很小，能从门极抽出较大电流。69门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时只不
43、过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流出电流，当两个晶体管发射极电流IA和和IK的的减小使减小使 1+21时，器件退出时，器件退出饱和饱和而关断。而关断。GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。70门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管开通过程与普通晶闸管类似。类似。关断过程关断过程 储存时间储存时间ts 下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 通常通
44、常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长。要长。门极负脉冲电流门极负脉冲电流幅值幅值越大，越大，前沿前沿越陡，越陡，ts就越就越短。使门极负脉冲的短。使门极负脉冲的后沿后沿缓慢衰减，在缓慢衰减，在tt阶段仍能阶段仍能保持适当的保持适当的负电压负电压，则可，则可以缩短以缩短尾部时间尾部时间。图图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时抽取饱和导通时储存的大量载流储存的大量载流子的时间子的时间等效晶体管从饱等效晶体管从饱和区退至放大区，和区退至放大区，阳极电流逐
45、渐减阳极电流逐渐减小时间小时间 残存残存载流载流子复子复合所合所需时需时间间 71门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的主要参数的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 用来标称用来标称GTO额定电流额定电流。电流关断增益电流关断增益 off 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值与门极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。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。开通时间开通时间ton 延迟延迟时间与时间与
46、上升上升时间之和。时间之和。延迟时间一般约延迟时间一般约12 s，上升时间则随，上升时间则随通态阳极电流值通态阳极电流值的增大而的增大而 增大。增大。关断时间关断时间toff 一般指一般指储存储存时间和时间和下降下降时间之和，而不包括时间之和，而不包括尾部尾部时间。时间。储存时间随储存时间随阳极电流阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于的增大而增大，下降时间一般小于2 s。不少不少GTO都制造成都制造成逆导型逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和压时，应和电力二极管电力二极管串联使用。串联使用。72电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（G
47、iant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的大电流的双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。样的。最主要的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关开关特性好。特性好。73 GTR的结构的结构 采用至少由两个晶体管按采用至少由两个晶体管按达林顿接法达林顿接法组成的单元结构，并采用集组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元成电路工艺
48、将许多这种单元并联并联而成。而成。GTR是由是由三层半导体三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。结构。电力晶体管电力晶体管图图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、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内部结构断面示意图 b)电气图形符号电气图形符号 c)内部载流子的流动内部载流子的流动+表示高表示高掺杂浓掺杂浓度，度，-表表示低掺示低掺杂浓度杂浓度 74电力晶体管电力晶体管Iiiceobc空穴流电子流c)EbEcibic
49、=ibie=(1+)ib图图2-16 c)内部载流子的流动内部载流子的流动 iibc在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接一般采用共发射极接法。集电极电流法。集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的的电流放大系数电流放大系数，它反映，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，时，ic和和ib的关系为的关系为 单管单管GTR的的 值比处理信息用的小功值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为率晶体管小得多，通常为10左右，采用左右，采用达林顿接法达林顿接法
50、可以有效地增大电流增益。可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)75电力晶体管电力晶体管GTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典 型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放 大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。在电力电子电路中，在电力电子电路中，GTR工作在工作在开关状态开关状态，即工，即工 作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时，一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层将导致绝
