另抬工多出

教案

2006?2007學年第二學期

院（系、部）電子信息與電氣工程系

教研室自動化

主講教師雷慧杰

課程名稱電力電子技術

專業班級04自動化（本科）

總計：76學時

課程名稱電力電子技術

講課：64學時

實驗：12學時

課程類別專業必修課學分4.0

上機：學時

授課對象層次：本科專業年級班：04級自動化總人數：119

任課教師雷慧杰職稱助教學歷/學位本科學士

通過本課程的學習，使學生獲得電能高效率變換與控制方面的知識，培養學

生分析問題、解決問題的能力，并且具有一定的實驗能力，為后續課程的學習及

課程教以后的工作打下基礎。

學目的本課程的任務是使學生獲得利用電力電子器件對電能進行變換和控制的基本

與基本理論與概念。通過學習，要求學生熟悉和掌握可控整流、有源逆變、變頻、斬波、

要求無源逆變等電力電子電路的工作原理、特點和基本應用，正確選用元件與觸發電

路。為《運動控制技術》等后續課程打好基礎。

重點：可控整流、有源逆變、變頻、斬波、無源逆變等電力電子電路的工作

課程教原理、特點和基本應用，正確選用元件與觸發電路。

學重點難點：1、單相全控橋式整流電路和三相全控橋式整流電路的原理分析與計算、

與難點各種負載對整流電路工作情況的影響；

2、三相可控整流電路有源逆變工作狀態的分析計算；

主要教啟發式教學

學方法多媒體課件ppt輔助板書

與手段用多媒體展示電力電子技術應用的圖片，教師對照圖片進行講解；

教材：王兆安，黃俊.《電力電子技術》，北京，機械工業出版社，2006

教材和參考資料：

主要參莫正康.《半導體變流技術》，北京，機械工業出版社，2003

考資料周淵深主編.《電力電子技術與MATLAB仿真》.北京：中國電力出版社，2005

1

授課時間第」____次課，第」_周星期一第3、4節課時2

授課方式理論課V討論課口習題課口實驗課口上機課口技能課口其他口

授課題目緒論

1、了解電力電子技術的研究內容；

2、掌握電力電子器件的分類：不可控型、半控型、全控型；

目的與要

3、了解3種換流方式，熟悉電能的4種變換形式；

求

4、了解變流電路的3種控制方式；

5、了解電力電子技術的應用。

重點：電力電子器件的分類，電能的種變換形式。

重點與難4

難點：無明顯難點

點.

方法及手用多媒體展示電力電子技術應用的圖片，并對照圖片進行講解；

段

教學內容:

緒論

1.1什么是電力電子技術

電力電子技術——使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，即應用于電力

領域的電子技術。

」目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。

,電力電子技術變換的“電力，，，可大到數百MW甚至GW,也可小到數W甚至mW

級。

信息電子技術——信息處理

電力電子技術——電力變換

電子技術一般即指信息電子技術，廣義而言，也包括電力電子技術。

1.2兩大分支

電力電子器件制造技術

?電力電子技術的基礎，理論基礎是半導體物理。

變流技術（電力電子器件應用技術）

⑥用電力電子器件構成電力變換電路和對其進行控制的技術，以及構成電力電子裝置

和電力電子系統的技術。

專電力電子技術的核心，理論基礎是電路理論。

2

J電力變換四大類：交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流

1.3與相關學科的關系

?電力電子學（PowerElectronics）名稱60年代出現。

》1974年，美國的WNewell用倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受。

1與電子學（信息電子學）的關系

專都分為器件和應用兩大分支。

+器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術。

士應用的理論基礎、分析方法、分析軟件也基本相同。

?信息電子電路的器件可工作在開關狀態，也可工作在放大狀態；電力電子電路的器

件一般只工作在開關狀態。

?二者同根同源。

與電力學（電氣工程）的關系

專電力電子技術廣泛用于電氣工程中

高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳、電解、電鍍、電加熱、

高性能交直流電源。

?國內外均把電力電子技術歸為電氣工程的一個分支。

專電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。

與控制理論（自動化技術）的關系

?控制理論廣泛用于電力電子系統中。

⑥電力電子技術是弱電控制強電的技術，是弱電和強電的接口；控制理論是這種接口

的有力紐帶。

專電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術。

地位和未來

，電力電子技術和運動控制一起，和計算機技術共同成為未來科學技術的兩大支柱。

，計算機：人腦

電力電子技術：消化系統和循環系統

電力電子+運動控制：肌肉和四肢

?電力電子技術是電能變換技術，是把粗電變為精電的技術，

能源是人類社會的永恒話題，電能是最優質的能源，因此，電力電子技術將青春永

駐。

一門嶄新的技術，21世紀仍將以迅猛的速度發展。

2電力電子技術的發展史

J一般工業：交直流電機、電化學工業、冶金工業。

3

交通運輸：電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海。

?電力系統：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償。

?電子裝置電源：為信息電子裝置提供動力。

?家用電器：“節能燈”、變頻空調。

?其他：UPS、航天飛行器、新能源、發電裝置。

3電力電子技術的應用

a總之，電力電子技術的應用范圍十分廣泛，激發人們學習、研究電力電子技術并使

其飛速發展。

，電力電子裝置提供給負載的是各種不同的電源，因此可以說，電力電子技術研究的

也就是電源技術。

?電力電子技術對節省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用變頻調速，在使

用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節能技術。

4教材的內容簡介和使用說明

J每章的最后有小結，對全章的要點和重點進行總結。

」教材正文后附有“教學實驗”部分，精選了6個最基本的，有較高實用價值的實驗。

?書末附有“術語索引

-課時分配：課內教學學時為76學時（包含實驗，每個實驗2學時）。

課后小結：（在下次課開始的10分鐘內進行）

1、說明電力電子器件的分類。

2、解釋3種換流方式和電能的4種變換。

3、說明變流電路的3種控制方式。

4、強調課程學習要求和方法。

4

授課第2次課,第二_周星期三_第3、4課

2

時間節時

授課

理論課J討論課口習題課口實驗課口上機課口技能課口其他口

方式

授課1.1電力電子技術概述

題目1.2不可控器件電力二極管

掌握電力電子器件的概念和特征、熟悉應用電力電子器件的系統組成、了

目的

解電力電子器件的分類，掌握電力二極管的工作特性。

與要求

重點：器件的工作原理、基本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的

重點

一些問題。

與難點

難點：基本特性及電力電子器件的兩個基本要求。

方法1、用多媒體展示功率二極管的結構、伏安特性，進行講解分析；

及手段2、以小結的形式對功率二極管的選擇進行講解分析；

教學內容：

上次課主要內容小結；(教師講解小結，參插課堂提問(10分鐘左右))

1.1.1電力電子器件的概念和特征

A主電路(MainPowerCircuit)------電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的變換或

控制任務的電路。

A電力電子器件(PowerElectronicDevice)------可直接用于處理電能的主電路中，實

現電能的變換或控制的電子器件。

?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類。

A兩類中，自20世紀50年代以來，真空管僅在頻率很高(如微波)的大功率高頻電源中

還在使用，而電力半導體器件已取代了汞弧整流器(MercuryArcRectifier)＞閘流管

(Thyratron)等電真空器件，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導

體器件。

＞電力半導體器件所采用的主要材料仍然是硅。

A同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：

(1)處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數。

A其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級，大多都遠大于處理信息的電子器件

(2)電力電子器件一般都工作在開關狀態

5

A導通時（通態）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定。

A阻斷時（斷態）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決

定。

A電力電子器件的動態特性（也就是開關特性）和參數，也是電力電子器件特性很重要

的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。

A作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替。

（3）實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。

A在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是

電力電子器件的驅動電路。

（4）為保證不致于因損耗散發的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講

究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。

＞導通時器件上有一定的通態壓降，形成通態損耗

＞阻斷時器件上有微小的斷態漏電流流過，形成斷態損耗。

＞在器件開通或關斷的轉換過程中產生開通損耗和關斷損耗，總稱開關損耗。

＞對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造成器件發熱的原因之一。

＞通常電力電子器件的斷態漏電流極小，因而通態損耗是器件功率損耗的主要成因。

＞器件開關頻率較高時，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因

1.1.2應用電力電子器件的系統組成

電力電子系統：由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。

A控制電路按系統的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器

件的通或斷，來完成整個系統的功能。

》有的電力電子系統中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅動電路等主電路之外的

電路都歸為控制電路，從而粗略地說電力電子系統是由主電路和控制電路組成的。

A主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電

流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅動電路與主電路的連接處，或者驅動電路

與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行電氣隔離，而通過其

它手段如光、磁等來傳遞信號。

A由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器

件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一

6

些保護電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統正常可靠運行，也往往是非常必要的。

A器件一般有三個端子(或稱極或管角)，其中兩個聯結在主電路中，而第三端被稱為

控制端(或控制極)。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控

制的，這個主電路端子是驅動電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。

1.1.3電力電子器件的分類

按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：

(1)半控型器件——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。

A晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件

A器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定

(2)全控型器件一通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。

A絕緣柵雙極晶體管(Insulaled-GateBipolarTransistor-----IGBT)

A電力場效應晶體管(PowerMOSFET,簡稱為電力MOSFET)

A門極可關斷晶閘管(Gate-Tum-OffThyristor—GTO)

(3)不可控器件——不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅動電路。

?電力二極管(PowerDiode)

＞只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質，分為兩類：

＞電流驅動型——通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制。

A電壓驅動型——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或

者關斷的控制。

按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類：

A單極型器件——由一種載流子參與導電的器件。

A雙極型器件——由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件。

A復合型器件——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。

1.1.4本章內容和學習要點

A介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題，

然后集中講述電力電子器件的驅動、保護和串、并聯使用這三個問題。

A最重要的是掌握其基本特性。

A掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數和特性曲線的使用方法，這是在實際中

正確應用電力電子器件的兩個基本要求。

A由于電力電子電路的工作特點和具體情況的不同，可能會對與電力電子器件用于同一

主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求。

1.2不可控器件一電力二極管

7

PowerDiode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用。快恢

復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不

可替代的地位。

1.2.1PN結與電力二極管的工作原理

?基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎。

A由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。

A從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。

N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區

的多子向另一區的擴散運動，到對方區內成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但

不能任意移動的雜質離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷。空間電荷建立的電場

被稱為內電場或自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區內的少子（對

本區而言則為多子）向本區運動，即漂移運動。擴散運動和漂移運動既相互聯系又是一對矛

盾，最終達到動態平衡，正、負空間電荷量達到穩定值，形成了一個穩定的由空間電荷構成

的范圍，被標為空間電荷區,按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區。

PN結的單向導電性：二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征。

造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區別的一些因素：

A正向導通時要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，

電導調制效應不能忽略；

A引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；

》承受的電流變化率di/df較大，因而其引線和器件自身的電感效應也會有較大影響；

A為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大；

1.2.2電力二極管的基本特性

8

1.靜態特性（電力二極管伏安特性圖）

A主要指其伏安特性

當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓50），正向電流才開始明顯增

加，處于穩定導通狀態。與正向電流/F對應的電力二極管兩端的電壓4即為其正向電壓降。

當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。

2.動態特性

A動態特性——因結電容的存在，三種狀態之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中

的電壓一電流特性是隨時間變化的。

開關特性——反映通態和斷態之間的轉換過程。

關斷過程：

A須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態。

＞在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。

開通過程：

電力二極管的正向壓降先出現一個過沖UFP,經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某

個值（如2V）。這一動態過程時間被稱為正向恢復時間在。

A電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩態導通前管壓降較大。

A正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。

1.2.3電力二極管的主要參數

1.正向平均電流&AV）

額定電流一在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用幾表示）和散熱條件下，其允許流

過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

A正向平均電流是按照電流的發熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來

選取電流定額，并應留有一定的裕量。

A當用在頻率較高的場合時，開關損耗造成的發熱往往不能忽略。

A當采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態損耗造成的發熱效應也不小。

2.正向壓降UF

A指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降。

A有時參數表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態正向大電流時器件的最大瞬時正向

9

壓降。

3.反向重復峰值電壓URRM

A指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。

A通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3。

A使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定.

4.最高工作結溫71M

A結溫是指管芯PN結的平均溫度，用力表示。

A最高工作結溫TJM是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。

?與腦通常在125~175。（2范圍之內。

5.反向恢復時間frr

>/rr=td+tf,關斷過程中，電流降到0起到恢復反向阻斷能力止的時間。

6.浪涌電流/FSM

A指電力二極管所能承受最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流。

1.2.4電力二極管的主要類型

A按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹。

A在應用時，應根據不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。

A性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的。

型號：ZP［電流］—［電壓

1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）

A又稱整流二極管（RectifierDiode）；

A多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中；

A其反向恢復時間較長，一般在5四以上，這在開關頻率不高時并不重要；

A正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數千安和數千伏以上。

2.快恢復二極管（FastRecoveryDiode—FRD）

A恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5因以下）的二極管，也簡稱快速二極管，

A工藝上多采用了摻金措施，

A有的采用PN結型結構，

A有的采用改進的PiN結構，

A采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管（FastRecoveryEpitaxial

Diodes——FRED）,其反向恢復時間更短（可低于50ns）,正向壓降也很低（0.9V左右），但

其反向耐壓多在400V以下。

A從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更

長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。

3.肖特基二極管

10

A以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管(Schottky

BarrierDiode——SBD),簡稱為肖特基二極管。

A20世紀80年代以來，由于工藝的發展得以在電力電子電路中廣泛應用。

A肖特基二極管的弱點

A當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下。

A反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制

其工作溫度。

》肖特基二極管的優點

A反向恢復時間很短(10~40ns),

A正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖，

A在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管，

A其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高o

課后小結：(在下次課開始的10分鐘內進行)

1、二極管的導通原理是什么？

2、功率二極管的額定電流如何計算？

3、功率二極管的伏安特性相比較有什么特點？

11

授課時間第—次課，第2周星期一_第1、2節課時2

授課方式理論課J討論課口習題課口實驗課口上機課口技能課口其他口

授課題目1.3半控型器件晶閘管

（1）掌握晶閘管的工作原理、參數的確定和型號的選擇，熟悉其基本特性，

目的與要

了解晶閘管的派生器件。

求

（2）熟悉可關斷晶閘管（GTO）的結構和工作原理，了解有關特性和參數。

重點：晶閘管的額定電流、額定電壓參數，晶閘管的額定電流計算。GTO

重點與難的工作原理；

占

，八、難點：晶閘管的額定電流計算和型號選擇，幾個重要參數的理解；

用多媒體展示晶閘管的結構、伏安特性，進行講解分析；結合多媒體對晶閘

方法及手

管的主要參數進行講解說明；通過電流波形對晶閘管的額定電流計算進行重點

段

講解分析；

教學內容：

上次課主要內容小結；（教師講解小結，參插課堂提問（10分鐘左右））

1.3半控型器件——晶閘管

晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier-----SCR）

A1956年美國貝爾實驗室（BellLab）發明了晶閘管，

A1957年美國通用電氣公司（GE）開發出第一只晶閘管產品，

A1958年商業化，

A開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的嶄新時代，

A20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代，

A能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。

1.3.1晶閘管的結構與工作原理

＞外形有螺栓型和平板型兩種封裝，

A引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯接端，

A對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便，

A平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。

b)

12

a)b)

工作原理：

Icl-OllIA+IcBOl(1-1)

Ic2-0l2IK+IcBO2(1-2)

IK=IA+IG(1-3)

IA=L1+IC2(1-4)

A式中必和a2分別是晶體管Vi和V2的共基極電流增益；/cBOI和/CBO2分別是V1和V2的共基

極漏電流。由以上式（1-1）~（1-4）可得［_?2/G+/CBOI+/CBO2

1-（?,+a2）（i-5）

A晶體管的特性是：在低發射極電流下a是很小的，而當發射極電流建立起來之后，a迅

速增大。

A阻斷狀態：/G=0,四+。2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和

A開通（門極觸發）：注入觸發電流使晶體管的發射極電流增大以致囚+q2趨近于1的話，

流過晶閘管的電流〃（陽極電流）將趨近于無窮大，實現飽和導通。/A實際由外電路決定。

＞其他幾種可能導通的情況：

A陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應，

A陽極電壓上升率d〃/dr過高，

A結溫較高，

A光直接照射硅片，即光觸發。光觸發可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應

用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐，稱為光控晶閘管（Light

TriggeredThyristor----LTT）

A只有門極觸發（包括光觸發）是最精確、迅速而可靠的控制手段。

晶閘管正常工作時的特性總結：

?承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通;

A承受正向電壓時，僅在門極有觸發電流的情況下晶閘管才能開通;

A晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用；

A要使晶閘管關斷,只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。

13

1.3.2晶閘管的基本特性

2

正向

導通

雪崩

擊穿

（1）正向特性

“G=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態。

A正向電壓超過正向轉折電壓Ub。，則漏電流急劇增大，器件開通。

A隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。

A晶閘管本身的壓降很小，在IV左右。

A反向特性類似二極管的反向特性。

A反向阻斷狀態時，只有極小的反向漏電流流過。

A當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發熱損壞。

1）開通過程

?延遲時間內（0.5~1.5聞

A上升時間&（0.5~3ps）

A開通時間/以上兩者之和，%t=4i+4（1-6）

1.3.3晶閘管的主要參數

，斷態重復峰值電壓UDRM

—在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。

，反向重復峰值電壓URRM

—在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。

,通態（峰值）電壓火

——晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。

通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。

選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。

取整100V一個等級

14

通態平均電流IT(AV>

在環境溫度為4(rc和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最

大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數。

使用時應按有效值相等的原則來選取晶閘管。

-維持電流IH：使晶閘管維持導通所必需的最小電流。

>擎住電流L晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，能維持導通所需的最小電

流。對同一晶閘管來說，通常II約為IH的2~4倍。

?浪涌電流ITSM：指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正

向過載電流。

通態平均電流IT(AV)

A使用時應按實際電流與通態平均電流所造成的發熱效應相等，即有效值相等的原則

來選取晶閘管。

?應留一定的裕量，一般取1.5~2倍。

例：；.

選擇器件：有效電.

波形系數(額定情況下廣也一=5=157

1T(AV)乙

例：一只額定電流為=1004的晶閘管，其額定有效酎加=K『)=1574

波形系數：某電流波形的有效值與平均值之匕的：K=L

實際電流(電流波形不一定為正弦半波)的平均電流的確定：源有效值相等的原則

I=JTd=157IT(AV)=1Th

例：通過一只晶閘管的實際電流額定有效值為157A,則額定電流？(考慮1.5~2。的安

全裕量)1157

心)=(1.5~2.0)信=(1.5~2.0后

二(150?20sA

15

晶閘管的型號

P—普通，K—快速型，S—雙向型，N—逆導型，G—可關斷型

KP[電流]—[電壓/100][]

如：KP100-12G

表示：額定電流為100A,額定電壓為1200V,管壓降(通態平均電壓)為IV的普通晶閘

管。

結論

晶閘管導通的條件：

(1)承受正向陽極電壓；

(2)門極有觸發電流；

0)

關斷條件：(1)加反向陽極電壓；

uJ

(2)使小

1.3.4晶閘管的派生器件

A有快速晶閘管和高頻晶閘管。

A開關時間以及山，/dr和d〃d;耐量都有明顯改善。

A普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，高頻晶閘管10萍左右。

A高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。

A由于工作頻率較高，不能忽略其開關損耗的發熱效應。

2)雙向晶閘管(TriodeACSwitch------TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)

a)b)

①可認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成。

i有兩個主電極T1和T2,一個門極G。

,在第I和第III象限有對稱的伏安特性。

不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。

16

3)逆導晶閘管(ReverseConductingThyristor——RCT)

J將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。

J具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點。

4）光控晶閘管（LightTriggeredThyristor------LTT）

又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。光觸發保證了主電

路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場合。

作業、討論題、思考題：

作業：P42的作業與思考題3、4；

課后小結：（在下次課開始的10分鐘內進行）

1、本次課耍點內容的回顧；

2、晶閘管的額定電流如何計算？

3、晶閘管的主要參數有哪些？

4、與普通晶閘管相比較，對GTO的結構、工作原理進行比較分析。

17

授課時間第4次課,第2周星期三第3、4節課時2

授課方式理論課J討論課口習題課口實驗課口上機課口技能課口其他口

1.4典型全控型器件

授課題目

1.5其他新型電力電子器件

（1）熟悉可關斷晶閘管（GTO）的結構和工作原理，了解有關特性和參數。

目的與要（2）熟悉電力晶體管（GTR）、功率場效應晶體管（P-MOSFET）的結構

求和工作原理；

（3）了解GTR、P-MOSFET的伏安特性和主要參數；

重點：熟悉GTR、P-MOSFET的結構，在此基礎上掌握它們工作原理；絕

重點與難

緣柵雙極型晶體管（IGBT）的結構和工作原理；

點

難點：上述各種器件的導通和關斷過程分析。

手段及方用多媒體展示全控型器件的結構進行工作原理的講解分析，簡要說明介紹其

法特性和主要參數。

教學內容：

上次課主要內容小結。

1.4典型全控型器件

門極可關斷晶閘管——在晶閘管問世后不久出現。20世紀80年代以來，電力電子技術進

入了一個嶄新時代。

典型代表——門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。

1.4.1門極可關斷晶閘管

?晶閘管的一種派生器件。

?可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。

?GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率

場合仍有較多的應用。

A結構：

與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。

和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。

A工作原理：

?與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。

18

?GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區別：

?GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。

?GTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。

?多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強。

》開通過程：與普通晶閘管相同

a關斷過程：與普通晶閘管有所不同

?儲存時間3使等效晶體管退出飽和。

?下降時間tf

?尾部時間G—殘存載流子復合。

?通常tf比卜小得多，而q比ts要長。

?門極負脈沖電流幅值越大，ts越短。

1.4.2電力晶體管

?電力晶體管(GiantTransistor----GTR,直譯為巨型晶體管)。

?耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管(BipolarJunctionTransistor----BJT),英

文有時候也稱為PowerBJTo

應用：20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT

和電力MOSFET取代。

1、GTR的結構和工作原理

?在應用中，GTR一般采用共發射極接法。

(1)靜態特性

A共發射極接法時的典型輸出特性：截止區、放大區和飽和區。

A在電力電子電路中GTR工作在開關狀態。

A在開關過程中，即在截止區和飽和區之間過渡時，要經過放大區。

開通過程：延遲時間td和上升時間儲二者之和為開通時間G。

關斷過程：儲存時間ts和下降時間tf,二者之和為關斷時間。

19

?GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。

1)最高工作電壓

AGTR上電壓超過規定值時會發生擊穿。

A擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關，還與外電路接法有關。

>BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceoo

A實際使用時、最高工作電壓要比BUce。低得多。

》通常規定為hFE下降到規定值的1/2~1/3時所對應的L。

A實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。

2)集電極最大耗散功率PcM

A最高工作溫度下允許的耗散功率。

A產品說明書中給PcM時同時給出殼溫Tc，間接表示了最高工作溫度。

A一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，k迅速增大。

?只要L不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

>二次擊穿：一次擊穿發生時，1c突然急劇上升，電壓陡然下降。

?常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。

1.4.3電力場效應晶體管

A分為結型和絕緣柵型

A通常主要指絕緣柵型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET)

?簡稱電力MOSFET(PowerMOSFET)

A結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管(StaticInduction

Transistor------SIT)

A電力MOSFET的種類

?按導電溝道可分為P溝道和N溝道.

?耗盡型一當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。

?增強型——對于N(P)溝道器件，柵極電壓大于(小于)零時才存在導電溝道。

?電力MOSFET主要是N溝道增強型。

A電力MOSFET的結構

?小功率MOS管是橫向導電器件。

?電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET(VerticalMOSFET)?

?按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導

電雙擴散MOS結構的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET

?這里主要以VDMOS器件為例進行討論。

20

s

ss

N溝道P溝道

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。b）

-P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。

導電：在柵源極間加正電壓UGS

-當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道

而使PN結J|消失，漏極和源極導電。

（1）靜態特性

>漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。

ND較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導GG。

?截止區（對應于GTR的截止區）

?飽和區（對應于GTR的放大區）

?非飽和區（對應GTR的飽和區）

?工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。

?漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。

?通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。

1.4.4絕緣柵雙極晶體管

1IGBT的結構和工作原理

A三端器件：柵極G、集電極C和發射極E

A—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。

>IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，具有很強的通流能力。

A簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動

的厚基區PNP晶體管。

21

ARN為晶體管基區內的調制電阻。

驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件通斷由柵射極電壓UGE決定。

?導通：UGE大于開啟電壓UGE?h)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流,

IGBT導通。

?通態壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降減小。

?關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基

極電流被切斷，IGBT關斷。

2IGBT的基本特性

(1)IGBT的靜態特性

片,Mr有源區

1)r削反向阻斷區以施反夠力

°%取畫＞1°^rM%

1.5其他新型電力電子器件

1.5.1MOS控制晶閘管MCT

?MCT結合了二者的優點：

(1)承受極高di/dt和du/dt,快速的開關過程，開關損耗小。

(2)高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。

(3)一個MCT器件由數以萬計的MCT元組成。

(4)每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET,和一個控

制該晶閘管關斷的MOSFET。

(5)其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數值，未能投入

實際應用。

1.5.2靜電感應晶體管SIT

?多子導電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，

因而適用于高頻大功率場合。

22

?在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得

應用。

A缺點：

?柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通型器件，使用不太方便。

?通態電阻較大，通態損耗也大，因而還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應

用。

1.5.3靜電感應晶閘管SITH

(1)SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態壓降低、通流能

力強。

(2)其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多,是大容量的快速器件。

(3)SITH一般也是正常導通型，但也有正常關斷型。此外，電流關斷增益較

小，因而其應用范圍還有待拓展。

1.5.4集成門極換流晶閘管IGCT

(1)20世紀90年代后期出現，結合了IGBT與GTO的優點，容量與GTO相當，開關速度

快10倍。

(2)可省去GTO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。

(3)目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合

的位置。

1.5.5功率模塊與功率集成電路

(1)20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率

模塊。

(2)可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。

(3)對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路

的要求。

(4)將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在

同一芯片上，稱為功率集成電路(PowerIntegratedCircuit------PIC)。

1.5.5功率模塊與功率集成電路

(1)高壓集成電路(HighVoltageIC——HVIC)一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制

電路的單片集成。

(2)智能功率集成電路(SmartPowerIC——SPIC)一般指縱向功率器件與邏

輯或模擬控制電路的單片集成。

(3)智能功率模塊(IntelligentPowerModule——IPM)則專指IGBT及其輔助

器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT(IntelligentIGBT)?

1.5.5功率模塊與功率集成電路

23

(1)功率集成電路的主要技術難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處

理。

(2)以前功率集成電路的開發和研究主要在中小功率應用場合。

(3)智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點，最近幾年獲得了迅速發

展。

課后小結：(在下次課開始的10分鐘內進行)

1、本次課要點內容的回顧；

2、GTR的導通和關斷過程分析，強調與小功率晶體管的比較。

3、P-MOSFET的導通和關斷過程分析，強調與小功率MOS管的比較。IGBT的結構和工

作。

4、原理分析，強調它是GTR和P-MOSFET的復合，注意與GTR和P-MOSFET的比較分

析。

24

授課時間第5次課,第二_周星期二_第1、2節課時2

授課方式理論課J討論課口習題課口實驗課口上機課口技能課口其他口

授課題目1.6電力電子器件的驅動

了解全控型器件、、、的門極驅動電路。

目的與GTOGTRP-MOSFETIGBT

要求

方法及用多媒體展示驅動電路圖，進行講解分析。

手段

重點與重點：全控型器件GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT的門極驅動電路。

難點

教學內容：

上次課主要內容小結。

1.6電力電子器件器件的驅動

?使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗。

?對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。

?一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。

1.6.1驅動電路的基本任務：

?按控制目標的要求施加開通或關斷的信號。

?對半控型器件只需提供開通控制信號。

?對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。

A驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環節，一般采用光隔離或磁隔

離。

?光隔離一般采用光耦合器。

?磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。

?按照驅動信號的性質分，可分為電流驅動型和電壓驅動型。

?:?驅動電路具體形式可為分立元件的，