第二章、 电力电子器件

1. 第二章、电力电子器件 • 2.1 、 电力电子器件的基本模型 • 2.2 、电力二极管 • 2.3 、晶闸管 • 2.4 、可关断晶闸管 • 2.5 、 电力晶体管 • 2.6 、电力场效应晶体管 • 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管 • 2.8 、其它新型电力电子器件 • 2.9 、电力电子器件的驱动与保护

2. 2.1、电力电子器件的基本模型 电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。 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，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。

3. 2.1.1 电力电子器件的基本模型与特性 • 一、基本模型： • 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图2.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在“通态”和“断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。 图2.1.1 电力电子器件的理想开关模型

4. 2.1.1 电力电子器件的基本模型与特性 • 二、基本特性： • （1）电力电子器件一般都工作在开关状态。 • （2）电力电子器件的开关状态由（驱动电路）外电路来控制。 • （3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。

5. 2.1.2 电力电子器件的种类 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类： ① 不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管 ②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管及其大部分派生器件等； ③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管 功率场效应管和绝缘栅双极型 晶体管等。

6. ①电流控制型器件： 此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。 如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等； ②电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。 如：代表性器件为 MOSFET管和IGBT管。 二、电力电子器件按控制信号 的性质不同又可分为两种：

7. 器件种类 开关功能 器件特性概略 应用领域 电力 二极管 不可控 5kV/3kA—400Hz 各种整流装置 晶闸管 可控导通 6kV/6kA—400Hz 8kV/3.5kA—光控SCR 炼钢厂、轧钢机、直流输电、电解用整流器 可关断 晶闸管 自关断型 6kV/6kA—500Hz 工业逆变器、电力机车用逆变器、无功补偿器 MOSFET 开关电源、小功率UPS、小功率逆变器 IGBT 1200V/1200A—20kHz 4.5kV/1.2kA—2kHz 各种整流/逆变器（UPS、变频器、家电）、电力机车用逆变器、中压变频器 600V/70A—100kHz • 附表2.1.1:主要电力半导体器件 的特性及其应用领域

8. 第二章、电力电子器件 • 2.1 、电力电子器件的基本模型 • 2.2 、电力二极管 • 2.3 、晶闸管 • 2.4 、可关断晶闸管 • 2.5 、 电力晶体管 • 2.6 、电力场效应晶体管 • 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管 • 2.8 、其它新型电力电子器件 • 2.9 、电力电子器件的驱动与保护

9. 2.2 电力二极管 • 2.2.1 电力二极管及其工作原理 • 2.2.2 电力二极管的特性与参数

10. 2.2.1 电力二极管及其工作原理 • 一、电力二极管： 1、电力二极管也称为半导体整流器，简称SR），属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。 2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用, 具有不可替代的地位。

11. 二、PN结与电力二极管工作原理： • 基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。 • 以半导体PN结为基础。 • 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。 • 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。 图2.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）结构 b）外形 c）电气图形

12. 二、 PN结与电力二极管工作原理： • N型半导体和P型半导体结合后构成PN结: • 内电场:空间电荷建立的电场,也称自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。 • 空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。 • 空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。

13. 二、PN结与电力二极管工作原理： • PN结的正向导通状态： 电导调制效应使得PN结在正向电流较大 时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正 向偏置的PN结表现为低阻态。 • PN结的反向截止状态： PN结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于PN结的单 向导电性这一主要特征。 • PN结的反向击穿： 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，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CB和扩散电容CD 。 • 图2.2.2 电力二极管的伏安特性曲线

14. 二、 PN结与电力二极管工作原理： • 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。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。 • 扩散电容 • 仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；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，应用时应加以注意。

15. 2.2 电力二极管 • 2.2.1 电力二极管及其工作原理 • 2.2.2 电力二极管的特性与参数

16. 2.2.2 电力二极管的特性与参数 • 1、电力二极管的伏安特性 • 2、电力二极管的开关特性 • 3、电力二极管的主要参数

17. 1、电力二极管的伏安特性 • 特性曲线: 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。 当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。 • 图2.2.2 电力二极管的 • 伏安特性曲线

18. 2.2.2 电力二极管的特性与参数 • 1、电力二极管的伏安特性 • 2、电力二极管的开关特性 • 3 、电力二极管的主要参数

19. 2、电力二极管的开关特性 定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。 • （1）关断特性： • 电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。 • 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 • 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形

20. （2）开通特性： 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 • 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。 • 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。 图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形

21. 2、电力二极管的开关特性：（续） • 延迟时间：td= t1- t0电流下降时间：tf= t2- t1 • 反向恢复时间：trr= td+ tf • 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用sr表示。 图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形

22. 2.2.2 电力二极管的特性与参数 电力二极管的主要类型： （1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在１KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在５us以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。 （2）快恢复二极管：反向恢复时间在５us以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电路中。 （3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200Ｖ以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。

23. 2.2.2 电力二极管的特性与参数 • 1、电力二极管的伏安特性 • 2、电力二极管的开关特性 • 3、电力二极管的主要参数

24. 3、电力二极管的主要参数 （1）额定正向平均电流IF(AV) • 额定正向平均电流——在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流(平均电流)为: （2.2.4） 额定电流有效值为: （2.2.5） 定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的 波形系数，用Kf表示： （2.2.6） 可求出正弦半波电流的波形系数: （2.2.7）

25. （1）额定正向平均电流IF(AV)（续） • 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.5~2倍的裕量。 • 当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略。 • 当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 。

26. 3、电力二极管的主要参数 （2）反向重复峰值电压ＵRRM： 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压） 此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。 • 指器件中ＰＮ结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。ＴjM通常在125～175℃范围内。 • （3） 正向压降ＵF： 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端 的正向平均电压(又称管压降)。 （4） 反向漏电流ＩRR： 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。 （5）最高工作结温ＴjM：

27. 表2.2.1部分电力二极管主要性能参数 第二章、电力电子器件 • 2.1 、 电力电子器件的基本模型 • 2.2 、 电力二极管 • 2.3 、 晶闸管 • 2.4 、 可关断晶闸管 • 2.5 、 电力晶体管 • 2.6 、 电力场效应晶体管 • 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管 • 2.8 、 其它新型电力电子器件 • 2.9 、 电力电子器件的驱动与保护

28. 2.3 、晶闸管 • 2.3.1 晶闸管及其工作原理 • 2.3.2 晶闸管的特性与主要参数 • 2.3.3 晶闸管的派生器件

29. 2.3 、晶闸管 晶闸管(Thirsted)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。 由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛, 因此在无特别说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 简称SCR。 由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。

30. 2.3.1 晶闸管及其工作原理 1、晶闸管的结构： • （1）外形封装形式:可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在200A以上), 分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。 • （2）晶闸管有三个电极, 它们是阳极A, 阴极K和门极(或称栅极)G, 它的电气符号如图2.3.1(e)所示。 • 图2.3.1 晶闸管的外型及符号

31. 1、晶闸管的结构（续） • 晶闸管是大功率器件, 工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。 • 螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上, 采用自然散热冷却方式, 如图2.3.2(a)所示。 • 平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间, 散热方式可以采用风冷或水冷, 以获得较好的散热效果,如图2.3.2 (b)、(c)所示。 图2.3.2 晶闸管的散热器

32. 2、晶闸管的工作原理 晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极正偏。 图2.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路 • 1）导通：晶闸管阳极施加正向电压时, 若给门极G也加正向电压Ug,门极电流Ig经三极管T2放大后成为集电极电流Ic2，Ic2又是三极管T1的基极电流, 放大后的集电极电流Ic1进一步使Ig增大且又作为T2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管T1、T2都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。此时若撤除Ug, T1、T2内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。

33. 2、晶闸管的工作原理 • 2）阻断：当晶闸管A 、K间承受正向电压，而门极电流Ig=0时, 上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管A 、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。 图2.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路

34. 2.3 、晶闸管 • 2.3.1 晶闸管及其工作原理 • 2.3.2 晶闸管的特性与主要参数 • 2.3.3 晶闸管的派生器件

35. 定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。 第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。 图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性 2.3.2 晶闸管的特性与主要参数 １. 晶闸管的伏安特性 ： UDRM、URRM──正、反向断 态重复峰值电压； UDSM、URSM──正、反向断态 不重复峰值电压； UBO──正向转折电压； URO──反向击穿电压。

36. 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。 １. 晶闸管的伏安特性（续） ： （1）晶闸管的反向特性： 图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性

37. 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即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。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即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 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。 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。 １. 晶闸管的伏安特性（续）： （2）晶闸管的正向特性： 图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性

38. 2. 晶闸管的开关特性 晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。 • 2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形

39. 延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。 开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr普通晶闸管延迟时为0.5∽1.5微秒，上升时间为0.5∽3微秒。 2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形 2. 晶闸管的开关特性（续） • 1) 开通过程：

40. 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 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。 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq =trr+tgr 2. 晶闸管的开关特性（续） • 2) 关断过过程 • 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 • 2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形 （1-7) 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

41. （3）晶闸管的开通与关断时间 • 1）开通时间tgt： • 普通晶闸管的开通时间tgt约为6μs。 • 开通时间与触发脉冲的陡度与电压大小、结温以及主回路中的电感量等有关。 • 2）关断时间tq： • 普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒。 • 关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。

42. 3. 晶闸管的主要特性参数 （1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压Ute 1）正向重复峰值电压UDRM : 门极断开(Ig=0), 元件处在额定结温时,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM (此电压不可连续施加)的80%所对应的电压(此电压可重复施加,其重复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms)。 2）反向重复峰值电压URRM : 元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压URRM的80%所对应的电压。 3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值, 选用时，额定电压要留有一定裕量,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。

43. （2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流IT(AV)（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流IT(AV) • 在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。 • 1）定义：在环境温度为40℃和规定的冷却条件下, 晶 闸管在电阻性负载导通角不小于170°的单相工频正弦 半波电路中, 当结温稳定且不超过额定结温时所允许的 最大通态平均电流。

44. 2） IT(AV)计算方法： 根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流(平均电流)为： （2.3.3） 这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为IT = Kf IT(AV) = 157A。 额定电流有效值为： （2.3.4） 现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示： （2.3.5） 根据上式可求出正弦半波电流的波形系数： （2.3.6）

45. （3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT • 1）定义：在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。 • 2）晶闸管由于门极特性的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。 • 3）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响很大，温度升高，UGT、IGT值会显著降低，温度降低，UGT、IGT值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT大几倍。

46. 组 别 A B C 通态平均电压（V） ＵT≤0.4 0.4＜ＵT≤0.5 0.5＜ＵT≤0.6 组 别 D E F 通态平均电压（V） 0.6＜ＵT≤0.7 0.7＜ＵT≤0.8 0.8＜ＵT≤0.9 组 别 G H I 通态平均电压（V） 0.9＜ＵT≤1.0 1.0＜ＵT≤1.1 1.1＜ＵT≤1.2 （4）通态平均电压UT(AV ) • 1）定义：在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(又称管压降) • 2）其数值按表2.3.3分组．在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择ＵT(AV)小的晶闸管。 • 表2.3.3 晶闸管通态平均电压分组

47. （5）维持电流ＩＨ和掣住电流ＩL • 1）维持电流ＩＨ： • 在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH 。 • 维持电流与元件容量、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH的实测值。 • 2）掣住电流ＩL ： • 给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。 • 对同一晶闸管来说，掣住电流ＩL要比维持电流ＩH大2~4倍。

48. （6）通态电流临界上升率di/dt 1、定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率di/dt。 2、影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的ＰＮ结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。 • 晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。

49. （7）断态电压临界上升率du/dt • 1）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。 • 2）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的ＰＮ结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。

50. 2.3 、晶闸管 • 2.3.1 晶闸管及其工作原理 • 2.3.2 晶闸管的特性与主要参数 • 2.3.3 晶闸管的派生器件