第 1 章 电力电子器件

1. 第1章 电力电子器件

2. 主要内容： • 常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外特性、主要参数、开关特性、安全工作区。 • 这些器件的驱动电路和缓冲电路。

3. 1.1 功率二极管1.1.1 功率二极管的结构和工作原理 1. 功率二极管的结构

4. 2. 功率二极管的工作原理 • 由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。

5. 1.1.2 功率二极管的特性和主要参数 1. 功率二极管的特性 (1) 功率二极管的伏安特性 • 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为0.5V，当外加电压大于Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。

6. 功率二极管的伏安特性

7. (2) 功率二极管的开关特性 • 由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。普通二极管的trr=2～10µs，快速恢复二极管的trr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。

8. 功率二极管的开关特性

9. 2. 功率二极管的主要参数 (1) 反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80％称为反向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显然，URRM小于二极管的反向击穿电压URO。

10. (2) 额定电流IFR 二极管的额定电流IFR被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为1～2V。当二极管在规定的环境温度为+40℃和散热条件下工作时，通过正弦半波电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为 (1-1)

11. (3) 最大允许的全周期均方根正向电流IFrms • 二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms为 (1-2) 由式(1-1)和(1-2)可得 (1-3)

12. (4) 最大允许非重复浪涌电流IFSM • 这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。 功率二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电流在6kV、6kA以上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。

13. 1.2 晶闸管 • 晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。目前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。

14. 1.2.1 晶闸管的结构和工作原理 1. 晶闸管的结构 • 晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两种：螺栓型和平板型。

15. 晶闸管的结构和等效电路如图1-4 所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。

16. 2. 晶闸管的工作原理 • IG↑→Ib2↑→IC2(Ib1)↑→IC1↑

17. 欲使晶闸管导通需具备两个条件： ① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。 ② 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。 (2) 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。 (3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。

18. 1.2.2 晶闸管的特性和主要参数 1. 晶闸管的特性 (1) 晶闸管的伏安特性 • 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。

19. 晶闸管的伏安特性

20. (2) 晶闸管的门极伏安特性 • 由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM﹑允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,0ABC0为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区,

21. 晶闸管的门极伏安特性

22. (3) 晶闸管的开关特性 • 第一段延迟时间td，阳极电流上升到10％所需时间，也对应着从(α1+α2)<1到等于1的过程，此时J2结仍为反偏，晶闸管的电流不大。 • 第二段上升时间tr，阳极电流由0.1上升到0.9所需时间，这时靠近门极的局部区域已经导通，相应的J2结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。 • 通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td与上升时间tr之和。即 ton=td+tr(1-4)

23. 电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和。电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和。 toff=trr+tgr

24. 晶闸管的开关特性

25. 2. 晶闸管的主要参数 (1) 额定电压 • 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安全裕量。 (2) 额定电流IT(AV) • 在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角> 170°)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。

26. 晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示

27. 它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： (1-6) 正弦半波电流的有效值为： (1-7) (1-8) 式中 Kf―为波形系数

28. 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.5～2)倍的安全裕量。流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.5～2)倍的安全裕量。

29. (3) 维持电流IH • 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须的最小阳极电流。 (4) 擎住电流IL • 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要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IL约为维持电流IH的(2～4)倍。

30. (5) 门极触发电流IGT • 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。 (6) 门极触发电压UGT • 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。

31. (7) 断态电压临界上升率du/ dt • 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。 (8) 通态电流临界上升率di / dt • 在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。

32. 〖例1-1〗 两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值I1、I2

33. 解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：

34. 1.2.3 晶闸管的门极驱动电路和缓冲电路 1. 晶闸管的门极驱动电路 (1) 晶闸管对触发电路的基本要求 • 晶闸管对触发电路的基本要求是： ① 触发信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，触发信号常采用脉冲形式。 ② 触发脉冲应有足够的功率。触发电压和触发电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。

35. ③ 触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10V/µs或800mA/µs。 ④ 触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要求。例如，三相半波整流电路，在电阻性负载时，要求移相范围为150°；而三相桥式全控整流电路，电阻负载时移相范围为120°。

36. (2) 触发电路的型式 • 触发电路可分为模拟式和数字式两种，阻容移相桥、单结晶体管触发电路、锯齿波移相电路和正弦波移相电路均属于模拟式触发电路；而用数字逻辑电路乃至于微处理器控制的移相电路则属于数字式触发电路。

37. 晶闸管的缓冲电路 常采用在晶闸管的阴阳极并联RC缓冲器，用来防止晶闸管两端过大的du/dt造成晶闸管的误触发，其中电阻R也能减小晶闸管开通时电容C的放电电流。

38. (2) 晶闸管的保护 • 晶闸管在使用时，因电路中电感的存在而导致换相过程产生Ldi/dt,又因容性的存在或设备自身运行中出现短路、过载等故障，所以其过电压、过电流保护显得尤为重要。

39. 1.2.4 晶闸管的派生器件 1. 快速晶闸管 • 快速晶闸管的关断时间≤50µs，常在较高频率(400HZ)的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平均电流1200A、最高断态电压1500 V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25µs～50µs 。

40. 2. 双向晶闸管 • 双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。

42. 双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。

43. 3. 逆导晶闸管 • 逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。

44. 由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低和配线简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低和配线简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。

45. 4. 光控晶闸管 • 光控晶闸管(Light Activated Thyristor)是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。其结构也是由P1N1P2N2四层构成。

46. 光控晶闸管的伏安特性 光控晶闸管的参数与普通晶闸管类同，只是触发参数特殊，与光功率和光谱范围有关。

47. 1.3 可关断晶闸管 • 可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，可用门极信号控制其关断。 • 目前，GTO的容量水平达6000A/6000V，频率为1kHZ。

48. 1.3.1 可关断晶闸管的结构和工作原理 1. 可关断晶闸管的结构 • GTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。

49. 可关断晶闸管的结构、等效电路和符号

50. 2. 可关断晶闸管的工作原理 (1) 开通过程 • GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益α1+α2数值不同。晶闸管的回路增益α1+α2常为1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。