1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)第第1章章 緒論緒論 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù) 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用 1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)的概念電力電子技術(shù)的概念 可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力電力領(lǐng)域的領(lǐng)域的電子電子技術(shù)。技術(shù)。 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。 電力電

2、子技術(shù)中所變換的電力電子技術(shù)中所變換的“電力電力” 有區(qū)別于有區(qū)別于“電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)”所指的所指的“電力電力” ，后者特指電力網(wǎng)，后者特指電力網(wǎng)的的“電力電力” ，前者則，前者則更一般更一般些。些。1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)具體地說，電力電子技術(shù)就是使用具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件電力電子器件 對對電能電能進行進行變換變換和和控制控制的技術(shù)。的技術(shù)。目前所用的電力電子器件均由半導(dǎo)體制成，也稱目前所用的電力電子器件均由半導(dǎo)體制成，也稱電力半電力半導(dǎo)體器件導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)所變換的電力電子技術(shù)所變換的“電力電力”，功率可以大到數(shù)百兆，功率可以大到數(shù)百兆瓦甚至吉

3、瓦，也可以小到數(shù)瓦甚至毫瓦級。瓦甚至吉瓦，也可以小到數(shù)瓦甚至毫瓦級。信息電子技術(shù)主要用于信息電子技術(shù)主要用于信息處理信息處理，而電力電子技術(shù)則主，而電力電子技術(shù)則主要用于要用于電力變換電力變換，這時二者本質(zhì)上的不同。，這時二者本質(zhì)上的不同。1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)通常所用的電力通常所用的電力交流和直流兩種。交流和直流兩種。從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流，從蓄電池和干電池從公用電網(wǎng)直接得到的電力是交流，從蓄電池和干電池得到的電力是直流。得到的電力是直流。 這些電源的電力往往不能直接滿足要求，需要進行電力這些電源的電力往往不能直接滿足要求，需要進行電力變換。（變流技術(shù)）變換。（

4、變流技術(shù)） 輸入輸入 輸出輸出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斬波直流斬波 交流交流（AC）交流電力控制交流電力控制變頻、變相變頻、變相逆變逆變 表表1-1 電力變換的種類電力變換的種類1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)通常把電力電子技術(shù)分為電力電子器件的制造技術(shù)通常把電力電子技術(shù)分為電力電子器件的制造技術(shù)和變流技術(shù)和變流技術(shù)兩個分支兩個分支。電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。其理論基礎(chǔ)是其理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理。變流技術(shù)也稱為變流技術(shù)也稱為電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)，包

5、括，包括用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對這些用電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路和對這些電路進行控制的技術(shù)，是電路進行控制的技術(shù)，是電力電子技術(shù)的核心電力電子技術(shù)的核心，其理論基礎(chǔ)是其理論基礎(chǔ)是電路理論電路理論。1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)是電力電子技術(shù)是20世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)。世紀(jì)后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術(shù)。在在21世紀(jì)電力電子技術(shù)仍將以迅猛的速度發(fā)展。以計算機為核世紀(jì)電力電子技術(shù)仍將以迅猛的速度發(fā)展。以計算機為核心的信息科學(xué)將是心的信息科學(xué)將是21世紀(jì)起主導(dǎo)作用的科學(xué)技術(shù)之一。世紀(jì)起主導(dǎo)作用的科學(xué)技術(shù)之一。電力電子技術(shù)和運動控制一起，

6、將和計算機技術(shù)共同成為未來電力電子技術(shù)和運動控制一起，將和計算機技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱?？茖W(xué)技術(shù)的兩大支柱。計算機就像人的大腦。電力電子技術(shù)就像人的消化系統(tǒng)和循環(huán)計算機就像人的大腦。電力電子技術(shù)就像人的消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)。消化系統(tǒng)對能量進行轉(zhuǎn)換（把電網(wǎng)或其他電源提供的系統(tǒng)。消化系統(tǒng)對能量進行轉(zhuǎn)換（把電網(wǎng)或其他電源提供的“粗電粗電”變成適合于使用的變成適合于使用的“精電精電”），再由以心臟為中心的），再由以心臟為中心的循環(huán)系統(tǒng)把轉(zhuǎn)換后的能量傳送到大腦和全身。電力電子技術(shù)連循環(huán)系統(tǒng)把轉(zhuǎn)換后的能量傳送到大腦和全身。電力電子技術(shù)連同運動控制一起，還可比做人的肌肉和四肢，使人能夠運動和同運動

7、控制一起，還可比做人的肌肉和四肢，使人能夠運動和從事勞動。從事勞動。電力電子技術(shù)在電力電子技術(shù)在21世紀(jì)中將會起著十分重要的作用，有著十分世紀(jì)中將會起著十分重要的作用，有著十分光明的未來。光明的未來。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖圖1-3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史 一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年年美國通用美國通用電氣公司研制出第一個電氣公司研制出第一個晶閘管晶閘管為標(biāo)志的。為標(biāo)志的。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或

8、晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明黎明期。期。 1904年出現(xiàn)了年出現(xiàn)了電子管電子管，它能在真空中對電子流進行，它能在真空中對電子流進行控制控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力電力領(lǐng)領(lǐng)域的先河。域的先河。 20世紀(jì)世紀(jì)30年代到年代到50年代年代，水銀整流器水銀整流器廣泛用于廣泛用于電化學(xué)工電化學(xué)工業(yè)業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)

9、發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這在這一時一時期，也應(yīng)用期，也應(yīng)用直流發(fā)電機組直流發(fā)電機組來變流。來變流。 1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，晶體管，引發(fā)了引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。電子技術(shù)的一場革命。 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管時代晶閘管時代 晶閘管晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之使之很很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組，快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機組，并且其并且其應(yīng)用應(yīng)用范圍也迅速擴大。電力電子技術(shù)的概念和范圍也迅速擴大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)

10、基礎(chǔ)就是由就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的確立的。 晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能不能使使其關(guān)斷的器件，屬于其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件半控型器件。對晶閘管。對晶閘管電路電路的控的控制方式主要是相位控制方式，簡稱制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式相控方式。 晶閘管晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實實現(xiàn)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史全控型器件和電力電子集成電路（

11、全控型器件和電力電子集成電路（PIC）20世紀(jì)世紀(jì)70年代后期，以年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力電力雙極型晶體管（雙極型晶體管（BJT）和和電力場效應(yīng)晶體管（電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的為代表的全控型器件全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通開通又可使其又可使其關(guān)斷關(guān)斷。采用全控型器件的電路的主要控制方式為采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為方式。相對于相位控制

12、方式，可稱之為斬波控制斬波控制方式方式，簡稱，簡稱斬控方式斬控方式。在。在20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期，以年代后期，以絕緣柵極絕緣柵極雙極型晶體管（雙極型晶體管（IGBT）為代表的為代表的復(fù)合型器件復(fù)合型器件異軍突起。它異軍突起。它是是MOSFET和和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，與此相對，MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）和和集成門極換流晶閘集成門極換流晶閘管（管（IGCT）復(fù)合了復(fù)合了MOSFET和和GTO。1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史把把驅(qū)動驅(qū)動、控制控制、保護電路保護電路和和電力電子器件電力電子器件集成在一起，集成在一起，構(gòu)成構(gòu)

13、成電力電子集成電路（電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子，這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的為代表的單片集成技術(shù)單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)混合集成技術(shù)以及以及系統(tǒng)系統(tǒng)集成技術(shù)集成技術(shù)。隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力電子電路隨著全控型電力電子器件的不斷進步，電力電子電路的的工作頻率工作頻率也不斷提高，同時電力器件的開關(guān)損耗也也不斷提高，同時電力器件的開關(guān)損耗也隨之增大。為減小開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)便應(yīng)運而生，隨之增大。為減小開關(guān)損耗，軟開關(guān)技術(shù)便應(yīng)運而生，零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)就是軟開關(guān)的基本形

14、式。零電壓開關(guān)和零電流開關(guān)就是軟開關(guān)的基本形式。軟軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)開關(guān)損耗損耗降為零，也可使得開關(guān)頻率得以進一步提高，從降為零，也可使得開關(guān)頻率得以進一步提高，從而提高了電力電子裝置的而提高了電力電子裝置的功率密度功率密度。 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、工業(yè)，也廣泛用于交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等

15、空調(diào)等家用電家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。 一般工業(yè)一般工業(yè) 工業(yè)中大量應(yīng)用各種工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動機交直流電動機，都是用電力，都是用電力電子裝置進行調(diào)速的。電子裝置進行調(diào)速的。 一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機等近年來一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機等近年來也采用了也采用了變頻裝置變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。，以達(dá)到節(jié)能的目的。 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖圖1-4 AB變頻器變頻器有些并不特別要求調(diào)速的電機為有些并不特別要求調(diào)速的電機為了避免起動時的電流沖擊而采用了了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置

16、，這種軟起動裝置軟起動裝置也是也是電力電子裝置。電力電子裝置。電化學(xué)工業(yè)大量使用電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。電源。電力電子技術(shù)還大量用于冶金工電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。淬火電源及直流電弧爐電源等場合。1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用交通運輸交通運輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機車中的電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機車中的直流機車中采用直流

17、機車中采用整流裝置整流裝置，交流機車采用，交流機車采用變頻裝置變頻裝置。直流直流斬波器斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機傳動外，車輛力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機傳動外，車輛中的各種中的各種輔助電源輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。也都離不開電力電子技術(shù)。 電動汽車的電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅(qū)電動汽車的電機依靠電力電子裝置進行電力變換和驅(qū)動控制，其動控制，其蓄電池蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠級汽車中需

18、要許多控制電機，它們也要靠變頻器變頻器和和斬波器斬波器驅(qū)動并控制。驅(qū)動并控制。 飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。飛機、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 據(jù)估計，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有據(jù)估計，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥整流閥和受電端的和受電端的逆變閥逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸都采

19、用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸柔性交流輸電（電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。 晶閘管控制電抗器（晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（晶閘管投切電容器（TSC）、靜靜止無功發(fā)生器（止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（有源電力濾波器（APF）等電力電子裝等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的置大量用于電力系統(tǒng)的無功補償無功補償或或諧波抑制諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，力電

20、子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進行以進行電能質(zhì)量控制電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。，改善供電質(zhì)量。 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。池充電等都需要電力電子裝置。 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖圖1-5 中國南方電網(wǎng)公司安順換流站中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下）晶閘管投切電容器（下）1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用電子裝置用電源電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同

21、電壓等級的直流各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的器件的高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。大型計算機所需的工作電源、。大型計算機所需的工作電源、微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用微型計算機內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源高頻開關(guān)電源。 在大型計算機等場合，常常需要在大型計算機等場合，常常需要不間斷電源不間斷電源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不供電，不間斷電源實際就是典型的電

22、力電子裝置。間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用家用電器家用電器 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量大量能源能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、家用計算機，空調(diào)、電視機、音響設(shè)備、家用計算機， 不少洗衣機不少洗衣機、電冰箱電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。其它其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器航天器也也離不開各種電源，這些都必需采用

23、電力電子技術(shù)。離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。 抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術(shù)抽水儲能發(fā)電站的大型電動機需要用電力電子技術(shù)來來起動起動和調(diào)速。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要和調(diào)速。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強大強大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要?？傊?，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。 新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要

24、用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時，更時，更離不開電力電子技術(shù)。離不開電力電子技術(shù)。核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強大磁場和核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置。源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實驗或某些特殊場合，常常需科學(xué)實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。技術(shù)的用武之地。圖圖1-7 風(fēng)場風(fēng)場第第2章章 電力電子器件電力電子器件 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概

25、述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 功率集成電路域集成電力電子模塊功率集成電路域集成電力電子模塊引言引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 對電力電子器件的對電力電子器件的概念概念、特點特點和和分類分類等問題作了簡等問題作了簡要概述要概述 。 分別介紹各種常用電力電子器件的分別介紹各種常用電力電子器件

26、的工作原理工作原理、基本基本特性特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念電力電子器件的概念 電力電子器件（電力電子器件（Power Electronic Device）是指可是指可直接用于處理電能的直接用于處理電能的主電路主電路中，實現(xiàn)電能的變

27、換或控中，實現(xiàn)電能的變換或控制的制的電子器件電子器件。 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。能的變換或控制任務(wù)的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的特征電力電子器件的特征 所能處理所能處理電功率電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電

28、子器件。是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)。 由信息電子電路來控制由信息電子電路來控制 ,而且需要而且需要驅(qū)動電路驅(qū)動電路。 自身的自身的功率損耗功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝一般都需要安裝散熱器散熱器。2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征通態(tài)損耗通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。是電力電子器件功率損耗的主要成因。當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗開關(guān)損耗會隨之

29、增會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開關(guān)損耗開通損耗開通損耗關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗電力電子器件的功率損耗2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路控制電路、驅(qū)動驅(qū)動電路電路和以電力電子器件為核心的和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成一個系統(tǒng)。組成一個系統(tǒng)。 電氣隔離電氣隔離圖圖2-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器

30、件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度按照能夠被控制電路信號所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷，通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷，器器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件不可控器

31、件 電力二極管（電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷。不能用控制信號來控制其通斷。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì)按照驅(qū)動信號的性質(zhì) 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出通過從控制端注入或者抽出電流電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。或者關(guān)斷的控制。按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過在控制

32、端施加一個電壓或電流的通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。或者關(guān)斷的控制。 電平控制型電平控制型 必須通過必須通過持續(xù)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并信號來使器件開通并維持維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件單極型器件 由一種由一種載流子載流子參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電。 雙極型器件雙極型器件 由由電子電子和和空穴空穴兩

33、種載流子參與導(dǎo)電。兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。也稱混合型器件。 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點本章內(nèi)容本章內(nèi)容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作工作原理原理、基本特性基本特性以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。學(xué)習(xí)要點學(xué)習(xí)要點 最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。 掌握電力

34、電子器件的掌握電力電子器件的型號命名法型號命名法。 了解電力電子器件的了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和和基本工作原理基本工作原理。 了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言電力二極管（電力二極管（Power

35、Diode）自自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期就獲年代初期就獲得得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管和和肖特基肖特基二極管二極管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊整流二極管及模塊AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電

36、力二極管的工作原理電力二極管是以半電力二極管是以半導(dǎo)體導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的, ,實際上是由一個面積實際上是由一個面積較大的較大的PN結(jié)結(jié)和和兩端引兩端引線線以及以及封裝封裝組成的。組成的。從外形上看，可以有從外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多種封裝。種封裝。圖圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理二極管的基本原理二極管的基本原理PN結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置

37、）時，在外電路上則形成結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自自P區(qū)流入而從區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為區(qū)流出的電流，稱為正向電流正向電流IF，這就是，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結(jié)結(jié)表現(xiàn)為表現(xiàn)為高阻態(tài)高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀

38、結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫態(tài)，這就叫反向擊穿反向擊穿。 按照機理不同有按照機理不同有雪崩擊穿雪崩擊穿和和齊納擊穿齊納擊穿兩種形式兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 否則否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿熱擊穿。 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 稱為稱為結(jié)電容結(jié)電容CJ，又稱為，又稱為微分電容微分電容 按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容勢壘

39、電容CB和和擴散電擴散電容容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。向電壓較低時，勢壘電容為主。 擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結(jié)電容主要成分。擴散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響結(jié)電容影響PN結(jié)的結(jié)的工作頻率工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作。態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?/p>

40、。2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：一些因素： 正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因正向?qū)〞r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，而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略；不能忽略； 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響； 承受的電流變化率承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身較大，因而其引線和器件自身的的電感效應(yīng)電感效應(yīng)也會有較大影響；也會有較大影響； 為了提高

41、反向耐壓，其為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低摻雜濃度低也造成正向壓降較也造成正向壓降較大。大。2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向電壓大到一定值（正向電壓大到一定值（門檻門檻 電壓電壓UTO ），正向電流才開始），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的對應(yīng)的電力二極管兩端的 電壓即為其電壓即為其正向電壓降正向電壓降UF。 承受反向電壓時，只有承受反向電壓時，只有少子少子 引起的微小而數(shù)值恒定的引起的微小而數(shù)值恒定的反向反向 漏電流漏電流。IOIFUTOUF

42、U圖圖2-5 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 動態(tài)特性動態(tài)特性 因為因為結(jié)電容結(jié)電容的存在，電壓的存在，電壓電流特性是隨電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的并且往往專

43、指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性開關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止?fàn)顟B(tài)。進入截止?fàn)顟B(tài)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。伴隨有明顯的反向電壓過沖。 延遲時間延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系，或稱恢

44、復(fù)系 數(shù)，數(shù)，用用Sr表示。表示。t0:正向正向電流降電流降為零的為零的時刻時刻t1:反向電反向電流達(dá)最大流達(dá)最大值的時刻值的時刻t2:電流變電流變化率接近化率接近于零的時于零的時刻刻2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個先出現(xiàn)一個過沖過沖UFP，經(jīng)過一段，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如值（如2V）。）。 正向恢復(fù)時間正向恢復(fù)時間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)效應(yīng)起作用所需的大量少子需要起作用所需的大量少子需要一定的時

45、間來儲存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)一定的時間來儲存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的的上升會因器件自身的電感電感而產(chǎn)而產(chǎn)生較大壓降。生較大壓降。電流上升率電流上升率越大，越大，UFP越高。越高。 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。的電力二極管。 普通二極管（

46、普通二極管（General Purpose Diode） 又稱又稱整流二極管（整流二極管（Rectifier Diode），多，多用于開關(guān)頻率不高（用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。以下）的整流電路中。 其其反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間較長，一般在較長，一般在5 s以上以上 。 其其正向電流定額正向電流定額和和反向電壓定額反向電壓定額可以達(dá)到可以達(dá)到很高。很高。 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管（快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過程恢復(fù)過程很短，特別是很短，特別是反向恢復(fù)過程反向恢復(fù)過程很短（一很短（一般在般在5 s以下

47、）以下） 。 快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用，采用外延型外延型P-i-N結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ，其，其反向恢復(fù)時間更短（可低于反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns），正向壓降也很），正向壓降也很低（低（0.9V左右）。左右）。 從性能上可分為從性能上可分為快速恢復(fù)快速恢復(fù)和和超快速恢復(fù)超快速恢復(fù)兩個等兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在在100ns以下，甚至達(dá)到以下，甚至達(dá)到2030ns。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型肖特基二極管（肖特基二極管（

48、Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于屬于多子多子器件器件 優(yōu)點在于：優(yōu)點在于：反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間很短（很短（1040ns），正向恢），正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖電壓過沖；在反向耐壓較低的情；在反向耐壓較低的情況下其況下其正向壓降正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其其開關(guān)損耗開關(guān)損耗和和正向?qū)〒p耗正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率都比快速二極管還要小，效率高。高。 弱點在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其弱點在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用

49、于也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場以下的低壓場合；合；反向漏電流反向漏電流較大且對較大且對溫度溫度敏感，因此敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗反向穩(wěn)態(tài)損耗不不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2.3 2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言晶閘管（晶閘管（Thyristor）是）是晶體閘流管晶體閘流管的簡

50、稱，又稱作的簡稱，又稱作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡稱為可控硅。，以前被簡稱為可控硅。 1956年美國貝爾實驗室（年美國貝爾實驗室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（年美國通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。年使其商業(yè)化。由于其能承受的由于其能承受的電壓和電流容量電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此

51、在的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。位。晶閘管及模塊晶閘管及模塊2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來看，晶閘管也從外形上來看，晶閘管也主要有主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型兩種兩種封裝結(jié)構(gòu)封裝結(jié)構(gòu) 。 引出引出陽極陽極A、陰極陰極K和和門極門極（控制端）（控制端）G三個聯(lián)接端。三個聯(lián)接端。 內(nèi)部是內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。形成三個結(jié)構(gòu)。形成三個PN結(jié)。結(jié)。 正反電壓加到晶閘管上，正反電壓加到晶閘管上，總有總有PN結(jié)處于反偏，為結(jié)處于反偏，為阻斷阻斷狀態(tài)狀態(tài)。

52、 圖圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號 2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，按照晶體管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分別是晶體管分別是晶體管V1

53、和和V2的共基極電流增益；的共基極電流增益；ICBO1和和ICBO2分別是分別是V1和和V2的的共基極漏電流共基極漏電流。2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。迅速增大。在晶體管在晶體管阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射

54、極電流增大以致如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致 1+ 2趨近于趨近于1的話，流過晶閘管的電流的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）（陽極電流）將將趨近于趨近于無窮大無窮大，從而實現(xiàn)器件，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，由于外電路負(fù)載的限制，IA實際上會維持實際上會維持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)

55、值造成雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結(jié)溫結(jié)溫較高較高 光觸發(fā)光觸發(fā)這些情況除了這些情況除了光觸發(fā)光觸發(fā)由于可以保證控制電路與由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐。只之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐。只有有門極觸發(fā)門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。是最精確、迅速而可靠的控制手段。 2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 正常工作時的特性正常工作時的特性 當(dāng)晶閘管承受當(dāng)晶閘管承受反向電壓反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，

56、時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通晶閘管都不會導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受當(dāng)晶閘管承受正向電壓正向電壓時，僅在時，僅在門極門極有有觸發(fā)電流觸發(fā)電流的情的情況下晶閘管才能開通況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值電流降到接近于零的某一數(shù)值以下以下。 2.3.2 晶閘管的基本特性晶

57、閘管的基本特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 正向特性正向特性 當(dāng)當(dāng)IG=0時，如果在器件兩端施加時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷阻斷狀態(tài)狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。，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如果正向電壓超過臨界極限即正正向轉(zhuǎn)折電壓向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增，則漏電流急劇增大，器件大，器件開通開通 。 隨隨門極電流幅值門極電流幅值的增大，的增大，正向轉(zhuǎn)正向轉(zhuǎn)折電壓折電壓降低，晶閘管本身壓降很小，降低，晶閘管本身壓降很小，在在1V左右。左右。 如果門極電流為零，且陽極電流如果門極電流為零，且陽極電流降至接近于

58、零的某一數(shù)值降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，以下，則晶閘管又回到則晶閘管又回到正向阻斷正向阻斷狀態(tài)，狀態(tài)，IH稱為稱為維持電流維持電流。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)正向轉(zhuǎn)折電壓折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性類似其伏安特性類似二極管二極管的反的反向特性。向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的只有極小的反向漏電流反向漏電流通過。通過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，當(dāng)

59、反向電壓超過一定限度，到到反向擊穿電壓反向擊穿電壓后，外電路如后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折電壓電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性動態(tài)特性動態(tài)特性 開通過程開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過正反饋過程程需要時間，再加上需要時間，再加上外電路電外電路電感感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，的限制，晶

60、閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不可能是其陽極電流的增長不可能是瞬瞬時時的。的。 延遲時間延遲時間td (0.51.5 s) 上升時間上升時間tr (0.53 s) 開通時間開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨延遲時間隨門極電流門極電流的增大的增大而減小而減小,上升時間除反映晶閘管上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受本身特性外，還受外電路電感外電路電感的嚴(yán)重影響。提高的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓陽極電壓,延延遲時間和上升時間都可顯著縮遲時間和上升時間都可顯著縮短。短。 圖圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的90%100%90%10%uA