第1章電力二極管和晶閘管1電力電子器件是電力電子電路的基礎(chǔ)。掌握各種常用電力電子器件的特性和正確使用方法是我們學(xué)好電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。本章首先簡要概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題，然后分別介紹幾種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。2§1.1電力電子器件概述

1.1.1電力電子器件的特征所能處理的電壓電流較大。主電路功率達(dá)MW級。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。注重器件的功率損耗和散熱問題。

器件發(fā)熱的原因： 通態(tài)損耗：導(dǎo)通時有一定通態(tài)壓降； 斷態(tài)損耗：阻斷時有一定斷態(tài)漏電流；

開關(guān)損耗：包括開通損耗與關(guān)斷損耗。需要驅(qū)動與隔離。

注重對器件的保護(hù)。吸收（緩沖）保護(hù)電路。3主電路（mainpowercircuit）41.1.2電力電子器件的分類不可控器件電力二極管（PowerDiode）半控型器件晶閘管。全控型器件

GTR、IGBT、電力MOSFET、GTO。電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型： 電流驅(qū)動型:（如GTR）.

電壓驅(qū)動型（如MOSFET）。壓控器件或場控器件。雙極型、單極型和復(fù)合型器件： 雙極型器件：（GTR、SCR、GTO、二極管） 單極型器件：（MOSFET） 復(fù)合型器件：（IGBT）。混合型器件5電力電子器件分類樹67

Goback§1.2不可控器件——電力二極管891011電力二極管的基本特性伏安特性正向通態(tài)壓降UF，0.7~1.2V；反向漏電流IS，數(shù)十

A~數(shù)十mA；UTO：門檻電壓UBR：反向擊穿電壓Goback12開關(guān)特性

PN結(jié)上存儲有空間電荷和兩種載流子，形成電荷存儲效應(yīng)及結(jié)電容，直接影響著二極管的動態(tài)開關(guān)特性。二極管關(guān)斷特性trr：反向恢復(fù)時間td：延遲時間tf：電流下降時間13電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)：當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓，流過正向電流較大時，通過正向PN結(jié)兩側(cè)載流子存儲量或電導(dǎo)率的自動調(diào)節(jié)作用，使得壓降隨著正向電流的增大而增加很少，基本維持在1V左右.14

電力二極管的主要參數(shù)

1.正向平均電流IF(AV)（額定電流）所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。實(shí)際選管時，還是需要考慮工作電流有效值（發(fā)熱損耗）是否會超過允許的定額。選管原則：實(shí)際電流波形所造成的發(fā)熱效應(yīng)與工頻正弦半波時的有效值相等，選取電力二極管的電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。15比如，峰值為iM的正弦半波電流對應(yīng)的平均值IF(AV)=iM/

（平均面積），其對應(yīng)的有效值I=iM/2，故得

I=(/2)IF(AV)

=1.57IF(AV)

2.

正向壓降UF

1V左右。

3.反向重復(fù)峰值電壓URRM

指所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。通常是其雪崩擊穿電壓UBR的2/3。轉(zhuǎn)曲線164.最高工作結(jié)溫TJM

指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175

C范圍之內(nèi)。5.反向恢復(fù)時間trr6.浪涌電流IFSM

電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。短時沖擊電流很大。17

電力二極管的主要應(yīng)用及類型電力二極管的廣泛應(yīng)用：整流、控制電感續(xù)流、電壓隔離、箝位或保護(hù)。分類：

1.普通二極管

開關(guān)頻率在1kHz以下。反向恢復(fù)時間長，一般在5

S以上。正向電流定額和反向電壓定額高，分別可達(dá)數(shù)kA和數(shù)kV以上。182.快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時間trr很短（一般在5

S以下）。

多采用摻金工藝:PN結(jié)型結(jié)構(gòu)，改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)。快恢復(fù)外延二極管:外延型PiN結(jié)構(gòu),

反向恢復(fù)時間更短（<50nS），正向壓降低（0.9V左右），反向耐壓多在400V以下。

分為快恢復(fù)和超快恢復(fù)兩個等級:前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百nS或更長，后者則在100nS以下，甚至達(dá)到20~30nS。193.肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管。肖特基二極管的突出優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)時間trr短（10~40nS）；正向壓降小。主要缺點(diǎn)：反向耐壓低，200V以下；反向漏電流較大且對溫度敏感。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。20§1.3半控型器件——晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。能承受的電壓和電流容量是目前電力電子器件中最高的，工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合占有比較重要的地位。21晶閘管的外形小電流塑封式小電流螺旋式大電流螺旋式大電流平板式圖形符號22晶閘管的外形（螺旋式）23晶閘管的外形（平板式）

平板式普通晶閘管屬于雙面散熱，適用于大功率場合；螺栓式普通晶閘管屬于單面散熱，適用于中、小功率場合。24晶閘管的散熱片自冷式風(fēng)冷式水冷式25晶閘管的散熱片水冷式風(fēng)冷式自冷式26晶閘管的表示符號KAG27G控制極K陰極陽極

AP1P2N1N2四層半導(dǎo)體晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),其原理結(jié)構(gòu)如圖。三個

PN

結(jié)J1J2J3Goback1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理28四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)：三個PN結(jié)。P1區(qū)引出陽極A，N2區(qū)引出陰極K，P2區(qū)引出門極G。外加正向電壓（A接正，K接負(fù)）：J2反向偏置，A、K之間處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流。外加反向電壓（A接負(fù)，K接正）：J1和J3反偏，器件也處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過。轉(zhuǎn)曲線29雙晶體管模型晶閘管可以看作兩個晶體管V1、V2組合而成。如果外電路向門極注入電流IG，也就是注入驅(qū)動電流，則IG流入晶體管V2的基極。Goback30SCR的觸發(fā)導(dǎo)通正反饋原理：在A-K間加正向電壓，若外電路向門極注入電流IG：

31

門極觸發(fā)：若撤掉外加門極電流IG，由于內(nèi)部正反饋?zhàn)饔茫⑶曳答侂娏鱅C1>>IG，V1、V2導(dǎo)通狀態(tài)相互依賴，相互維持。如何使SCR關(guān)斷：設(shè)法使陽極電流IA減小到接近0，解除正反饋；使SCR所在的回路斷開；A-K間所加正向電壓降到0或施加反壓。轉(zhuǎn)圖32SCR為半控器件：通過門極只能使SCR觸發(fā)導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷。33門極觸發(fā)；陽極電壓過高，造成雪崩效應(yīng)，使反偏的J2結(jié)少子漏電流流倍增；陽極電壓上升率du/dt過高，中間結(jié)電容上形成位移電流Cdu/dt，使三極管電流增大，引發(fā)正反饋；結(jié)溫較高，漏電流增大；光觸發(fā)：光直接照射硅片，載流子獲得能量。使SCR觸發(fā)導(dǎo)通的幾種情況：34

5種情況只有門極觸發(fā)和光觸發(fā)具有使用價(jià)值，其它方式均應(yīng)避免。光控晶閘管（LightTriggeredThyri

stor——LTT），專門利用光觸發(fā)，保證控制電路與主電路之間的良好絕緣（隔離），在高壓電力設(shè)備中有不少應(yīng)用。351.3.2晶閘管的基本特性1.靜態(tài)伏安特性正向特性位于第I象限。當(dāng)IG=0時，如果外加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo（breakover），則漏電流急劇增大，SCR開通（由高阻區(qū)經(jīng)虛線負(fù)阻區(qū)到低阻區(qū)）。轉(zhuǎn)曲線36AKGGoback37門極電流的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降也很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。轉(zhuǎn)曲線38反向特性位于第III象限。類似于二極管的反向特性。SCR處于反向阻斷狀態(tài)，只有通過極小的反向漏電流。當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后（雪崩擊穿），外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。轉(zhuǎn)曲線39門極伏安特性

晶閘管的門極觸發(fā)信號作用于G-K之間，觸發(fā)電流從門極流入，從陰極流出。陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端。門極觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率都應(yīng)限制在一定的適當(dāng)范圍內(nèi)。402.動態(tài)特性開通過程

SCR內(nèi)部的正反饋導(dǎo)通過程總需要一定時間（陽極電流在iG作用后經(jīng)過循環(huán)放大而建立），但開通時間tgt較短。41關(guān)斷過程

原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，陽極電流將逐步衰減到零，然后同電力二極管的關(guān)斷動態(tài)過程類似，在反方向會流過反向恢復(fù)電流，經(jīng)過最大值IRM后，再反方向衰減。Goback42反向阻斷恢復(fù)時間trr

：從正向電流降為零，到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間。到此時，SCR已具備反向電壓阻斷能力。正向阻斷恢復(fù)時間tgr:反向恢復(fù)過程結(jié)束后，由于載流子復(fù)合過程比較慢，還需要一段時間，晶閘管恢復(fù)其正向電壓阻斷能力。轉(zhuǎn)曲線43在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)ǎ斐烧`導(dǎo)通。反壓作用時間應(yīng)足夠長，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。晶閘管關(guān)斷時間tq=trr+tgr。普通晶閘管（KP）的關(guān)斷時間約幾百

S。轉(zhuǎn)曲線441.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

門極斷路而結(jié)溫額定時允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。國標(biāo)規(guī)定UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。反向重復(fù)峰值電壓URRM

在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。轉(zhuǎn)曲線45

AKGGoback46通態(tài)（峰值）電壓UTM

給晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)（比如

倍）的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的值標(biāo)作額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍。472.電流定額通態(tài)平均電流IT(AV)（額定電流）

允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IT(AV)本來應(yīng)按照正向電流造成的發(fā)熱效應(yīng)來定義。實(shí)際選管時，需要考慮工作電流有效值（發(fā)熱損耗）是否會超過允許的定額。48應(yīng)按照實(shí)際電流波形所造成的發(fā)熱效應(yīng)與工頻正弦半波時的有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量（1.5~2倍）。比如，峰值為IM的正弦半波電流對應(yīng)的平均值IT(AV)=IM/

（平均面積）,有效值I=IM/2，故得：I=(/2)IT(AV)

=1.57IT(AV)

（波形系數(shù)kf=1.57）。49不同電流波形對應(yīng)的波形系數(shù)不同，比如全波電流波形I=1.11Id實(shí)際選管時應(yīng)按照與工頻半波時的有效值相等的原則進(jìn)行換算，即實(shí)際波形的電流有效值等于IT(AV)

對應(yīng)的半波有效值：

kf

·Id=1.57IT(AV)

實(shí)際選管的額定值一般取IT(AV)

的1.5~2倍。50維持電流IH

指在關(guān)斷SCR時維持其導(dǎo)通所必需的最小主電流，一般為幾十到幾百mA。擎住電流IL

指晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小主電流。對同一晶閘管來說，通常IL=(2~4)IH。浪涌電流ITSM

是指由于電路異常引起結(jié)溫超過額定值的不重復(fù)性最大正向過載電流。513.門極定額門極觸發(fā)電流IGT

數(shù)mA~數(shù)百mA門極觸發(fā)電壓UGT

1~5伏。4.動態(tài)參數(shù)開通時間tgt和關(guān)斷時間tq斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

uAK上升率過高，會造成SCR誤導(dǎo)通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt

如果電流上升太快，會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。521.3.4晶閘管的派生器件1.快速晶閘管(FastSwitchingThyristor—FST）專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)，有常規(guī)的快速晶閘管（KK）和高頻晶閘管（KG），可分別應(yīng)用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中。快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐量都有明顯改善。KP（普通晶閘管）關(guān)斷時間一般為數(shù)百

S，KK為數(shù)十微秒，而KG則為10

S左右。由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。53相當(dāng)于一對反并聯(lián)普通晶閘管的集成。它有兩個主電極T1和T2，一個門極G。2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor，國產(chǎn)KS）54

Goback55在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SolidStateRelay——SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。額定電流值不用平均值而用有效值來表示。因?yàn)镵S通常用在交流電路中。轉(zhuǎn)曲線56逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有反向阻斷的能力。優(yōu)點(diǎn)：正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高。額定電流有兩個：晶閘管電流，反并聯(lián)二極管電流。

3.逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor—RCT）574.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor—LTT）又稱光觸發(fā)晶閘管，利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通。采用光觸發(fā)保證主電路與控制電路之間的絕緣隔離，而且可以避免電磁干擾的影響。58

59第1章主要概念及要點(diǎn)小結(jié)

PE器件的四種損耗功率，各與何因素有關(guān)，通常在開關(guān)頻率較高和較低時各應(yīng)主要考慮哪一種。

通態(tài)損耗，斷態(tài)損耗，開通損耗，關(guān)斷損耗2.PE系統(tǒng)需要強(qiáng)弱電隔離的原因及隔離措施。

避免干擾，安全；

光隔離和磁隔離.60電力二極管：正向通態(tài)壓降的大致范圍0.7~1.2V；

主要參數(shù)：主要掌握通態(tài)平均電流IF(AV)、反向耐壓URRM（與晶閘管的主要參數(shù)對照）；

電力二極管的三種類型：普通二極管；快恢復(fù)二極管(FRD)；肖特基二極管優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)速度快，開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗小，主要缺點(diǎn)是反向耐壓較低（<200V）。

61晶閘管

1)四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，雙晶體管等效模型，正反饋導(dǎo)通原理。2)理解SCR的靜態(tài)伏安特性：

(1)

當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通；(2)

晶閘管是一種單向?qū)щ娖骷丛谡Ｓ|發(fā)導(dǎo)通時電流只能從陽極流向陰極；62

(3)晶閘管的導(dǎo)通條件：正偏電壓，同時在門極加觸發(fā)，兩個條件必須同時具備；

(4)晶閘管的關(guān)斷條件：利用外加反偏電壓或外電路作用使晶閘管的電流降到維持電流IH以下；

(5)晶閘管維持導(dǎo)通的條件：無論門極觸發(fā)信號是否還存在，只要流過晶閘管的電流不低于其維持電流IH，晶閘管就能維持導(dǎo)通；

(6)晶閘管的誤導(dǎo)通條件：陽極正偏電壓uAK過高；duAK/dt過大；結(jié)溫過高。

63

3)