第2章電力電子器件目錄2.1電力電子器件概述2.2不可控器件—電力二極管2.3半控型器件—晶閘管2.4典型全控型器件學(xué)習(xí)目的：

掌握各種二極管，重點(diǎn)掌握半控型器件：SCR工作原理、特性、主要參數(shù)，重點(diǎn)掌握典型全控型器件：GTO、MOSFET、IGBT。掌握包括SCR、GTO、MOSFET、IGBT 等電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路，掌握電力電子器件的保護(hù)電路，掌握電力電子器件的串并聯(lián)技術(shù)。

電力電子器件，又稱功率半導(dǎo)體器件，是電力電子電路（變流技術(shù)）的基礎(chǔ)。

學(xué)時(shí)：22.1電力電子器件的概述電力電子器件的概念和特征1）概念:

電力電子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。

主電路（MainPowerCircuit）

——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。2）分類:

電真空器件(汞弧整流器、閘流管)

半導(dǎo)體器件

(采用的主要材料硅）3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：

電力電子器件能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。

電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。

電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。

電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。電力電子器件主要指半導(dǎo)體功率開關(guān)器件半導(dǎo)體功率開關(guān)與普通半導(dǎo)體器件有何區(qū)別?電力電子系統(tǒng)的組成

電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路電氣隔離控制電路電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行

PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。

快恢復(fù)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(chǎng)合，具有不可替代的地位。2.2不可控器件—電力二極管·引言圖2-1整流二極管及模塊

基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。

由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。

從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1電力二極管的基本特性

2.2.2電力二極管的主要參數(shù)

2.3.3電力二極管的主要類型圖2-3各種二極管的外形圖2-4PN結(jié)的形成內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)加正向電壓，多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成正向電流IF，空間電荷區(qū)變窄,導(dǎo)通狀態(tài)PN結(jié)加反向電壓，少子漂移運(yùn)動(dòng)形成反向電流IR，空間電荷區(qū)變寬窄，截止?fàn)顟B(tài)電力二極管與普通二極管的區(qū)別

電力二極管是垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；普通二極管是橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)；

電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，也稱為漂移區(qū)，這種結(jié)構(gòu)稱為P-i-N結(jié)構(gòu),使反向耐壓值更高。

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)

齊納擊穿和雪崩擊穿

結(jié)電容（勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容）2.2.1電力二極管的基本特性■靜態(tài)特性

主要是指其伏安特性

正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO

），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。

承受反向電壓時(shí)，只有少子

引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5電力二極管的伏安特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V

圖2-6電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

■動(dòng)態(tài)特性

因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。

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)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。

延遲時(shí)間：td=t1-t0

電流下降時(shí)間：tf

=t2-t1

反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf

恢復(fù)特性的軟度：

tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時(shí)刻t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻2.2.2電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值。

正向恢復(fù)時(shí)間tfr

出現(xiàn)電壓過沖的原因：1、電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；2、正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。

圖2-7電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形

b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)

正向平均電流IF(AV)

指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC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。

IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按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。

正向壓降UF

指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。

反向重復(fù)峰值電壓URRM

指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。

使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

最高工作結(jié)溫TJM

結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。

最高工作結(jié)溫是指在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)。

反向恢復(fù)時(shí)間trr

浪涌電流IFSM

指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。2.2.4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。

普通二極管（GeneralPurposeDiode）

又稱整流二極管（RectifierDiode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。

其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5

s以上。

其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。

EUPECDD89N：IF(AV)89A100°CVRRM1200~1400VVRSM1300~1700VIFSM2800AvF1,5VVISOL3,0kV◆快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）

恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5

s以下）。

快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes-FRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降很低（0.9V左右）。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20-30ns。

肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）屬于多子器件優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10～40ns），正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖；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(fù)二極管；因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。

弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(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世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大

容量的場(chǎng)合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理2.3半控型器件—晶閘管常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊圖2-8晶閘管外形及結(jié)構(gòu)平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)圖2-9晶閘管外形比較1、晶閘管的可控單向?qū)щ娦詧D2-10晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)原理圖實(shí)驗(yàn)順序?qū)嶒?yàn)前燈的情況實(shí)驗(yàn)時(shí)晶閘管情況實(shí)驗(yàn)后燈的情況陽極電壓門極電壓導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)123暗暗暗反向反向反向反向零正向暗暗暗123暗暗暗正向正向正向反向零正向暗暗亮關(guān)斷實(shí)驗(yàn)123亮亮亮正向正向正向正向零反向亮亮亮4亮正向(減小到零）(任意)暗表1.1

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1.晶閘管在反向陽極電壓作用下，不論門極為何種電壓，都處于關(guān)斷狀態(tài)。2.當(dāng)門極未加觸發(fā)電壓時(shí)，晶閘管具有正向阻斷能力。3.晶閘管同時(shí)在正向陽極電壓與正向門極電壓作用下，才能導(dǎo)通。4.已導(dǎo)通的晶閘管在正向陽極電壓作用下，門極失去控制作用。5.晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，當(dāng)Ea減小到接近零時(shí)，晶閘管關(guān)斷?？煽匦裕寒?dāng)晶閘管加上正向陽極電壓后,門極加上適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓，晶閘管才能由截止變?yōu)閷?dǎo)通。晶閘管一旦導(dǎo)通后，門極失去可控作用。單向?qū)щ娦裕簩?dǎo)通的晶閘管，不管門極有沒有電壓，陽極一旦加上反向電壓，晶閘管就由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂＝Y(jié)論一晶閘管的導(dǎo)通條件：

1、陽極與陰極之間加上正向電壓；

2、門極與陰極之間加上適當(dāng)?shù)恼螂妷骸＝Y(jié)論二

晶閘管關(guān)斷的條件：

使流過晶閘管的陽極電流小于晶閘管規(guī)定的維持電流。關(guān)斷實(shí)現(xiàn)的方式：

⒈減小陽極電壓；

⒉增大負(fù)載電阻；

⒊加反向陽極電壓。

2、晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通原理：

晶閘管的三個(gè)PN結(jié)可等效看成由兩個(gè)晶體管V1(P1-N1-P2)與V2(N1-P2-N2)組成。P1N1J1P2N2J2J3P1N1N1P2P2N2圖2-11晶閘管等效結(jié)構(gòu)圖AGKRdEaEgIaIkIgIcov1v2由圖可知，v1的集電極電流同時(shí)又是v2的基極電流，v2的集電極電流同時(shí)又是v1的基極電流，當(dāng)晶閘管陽極加正向電壓，一旦有足夠的門極電流流入時(shí)，就形成強(qiáng)烈的正反饋。圖2-12晶閘管測(cè)試電路圖式中

1和

2分別是晶體管V1和V2的電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的漏電流。由上式可得：圖2-13晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理

由晶體管的工作原理，得：（2）（1）（3）（4）（5）總結(jié)：阻斷狀態(tài)：

=0，

1+

2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致

1+

2趨近于1的話，流過晶閘管的電流將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。實(shí)際由外電路決定。陽