电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术 第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件电力电子器件的概念及分类电力电子器件的概念及分类电力电子器件的发展历史电力电子器件的发展历史半控型电力电子器件半控型电力电子器件晶闸管晶闸管电力电子技术电力电子技术1.1 1.1 电力电子器件概念电力电子器件概念 电电力力电电子子器器件件可可直直接接用用于于处处理理电电能能的的主主电电路路中中，实实现现电电能能的的变变换换或或控控制制的的电电子子器件器件电力电子技术电力电子技术能能处处理理电电功功率率的的大大小小，即即承承受受电电压压和和电电流流的能力，是器件最重要的参数的能力，是器件最重要的参数一、电力电子器件的特征一、电力电子器件的特征电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件一般工作在开关状态电电力力电电子子器器件件常常常常需需要要信信息息电电子子电电路路来来控控制制电电力力电电子子器器件件的的功功率率损损耗耗通通常常比比信信息息电电子子电路器件的大电路器件的大电力电子技术电力电子技术二、电力电子器件的分类二、电力电子器件的分类按按照照器器件件能能够够被被控控制制电电路路信信号号所所控控制制的的程程度度，分分为三类：为三类： （1 1）半半控控型型器器件件通通过过控控制制信信号号可可以以控控制制其其导导通通而而不不能控制其关断（晶闸管）能控制其关断（晶闸管） （2 2）全全控控型型器器件件通通过过控控制制信信号号既既可可控控制制其其导导通通又又可可控制其关断，又称自关断器件（控制其关断，又称自关断器件（MOSFETMOSFET、IGBTIGBT） （3 3）不不可可控控器器件件不不能能用用控控制制信信号号来来控控制制其其通通断断，因因此也就不需要驱动电路（二极管）此也就不需要驱动电路（二极管）电力电子技术电力电子技术按按照照驱驱动动电电路路加加在在器器件件控控制制端端和和公公共共端端之之间间信信号的性质，分为两类号的性质，分为两类（1 1）电电流流驱驱动动型型通通过过从从控控制制端端注注入入或或者者抽抽出出电电流来实现导通或者关断的控制流来实现导通或者关断的控制（2 2）电电压压驱驱动动型型仅仅通通过过在在控控制制端端和和公公共共端端之之间间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断施加一定的电压信号就可实现导通或者关断按按照照器器件件内内部部电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子参参与与导导电电的情况分为三类的情况分为三类（1 1）单极型器件（）单极型器件（2 2）双极型器件（）双极型器件（3 3）复合型器件）复合型器件电力电子技术电力电子技术1.2 1.2 电力电子器件的发展历史电力电子器件的发展历史19571957年年发明晶发明晶闸管闸管 全控型全控型器件器件GTOGTOGTRGTRMOSFETMOSFET复合型复合型器件器件IGBTIGBTIGCTIGCTMCTMCT集成功集成功率电路率电路PICPICHVICHVICIPMIPM电力电子技术电力电子技术1.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件电力电子技术电力电子技术外形有螺栓型和平板型两种封装外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极引出阳极A A、阴极阴极K K和门极（控制端和门极（控制端）G G三个联接端三个联接端对对于于螺螺栓栓型型封封装装，通通常常螺螺栓栓是是其其阳阳极极，另另一一端端较较粗粗的的是阴极，细的是门极是阴极，细的是门极平平板板型型封封装装的的晶晶闸闸管管，两两个个平平面面分分别别是是阳阳极极和和阴阴极极，细长端是门极细长端是门极一、晶闸管的结构与工作原理一、晶闸管的结构与工作原理a)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气符号图电气符号图1.1.晶闸管的结构晶闸管的结构电力电子技术电力电子技术2.2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理A A、K K接正向电压，灯泡不燃亮接正向电压，灯泡不燃亮A A、K K接正向电压，接正向电压，G G、K K接负电压，灯泡不燃亮接负电压，灯泡不燃亮A A、K K接正向电压，接正向电压，G G、K K接正电压，灯泡燃亮接正电压，灯泡燃亮A A、K K接负向电压，灯泡不燃亮接负向电压，灯泡不燃亮A A、K K接负向电压，无论接负向电压，无论G G、K K接何种电压灯泡不燃亮接何种电压灯泡不燃亮灯泡燃亮后，撤除灯泡燃亮后，撤除G G、K K间间电压或电压或G G、K K间接负向电压，灯泡仍然燃亮间接负向电压，灯泡仍然燃亮灯泡燃亮后，撤除灯泡燃亮后，撤除A A、K K间电压或间电压或A A、K K接负向电压，灯泡熄灭接负向电压，灯泡熄灭2.12.1晶闸管的导通实验晶闸管的导通实验电力电子技术电力电子技术2.22.2晶闸管的通、断规律晶闸管的通、断规律当当晶闸管承受阳极反向电压时，无论门极承受何种电晶闸管承受阳极反向电压时，无论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态压，晶闸管都处于关断状态当当晶闸管承受阳极正向电压时，仅在门极承受正向电晶闸管承受阳极正向电压时，仅在门极承受正向电压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳要使晶闸管关断，必须去掉阳极正向电压，或者给阳极施加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的极施加反压，或者降低正向阳极电压，使通过晶闸管的电流降低到一定数量以下电流降低到一定数量以下当当门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力门极未加触发电压时，晶闸管具有正向阻断能力电力电子技术电力电子技术a) 双晶体管模型 b) 工作原理 晶闸管内部是晶闸管内部是PNPNPNPN四层半导体结构（四层半导体结构（P1P1，N1N1，P2P2，N2N2）。）。如果施加阳极正向电压，则如果施加阳极正向电压，则J2J2处于反向偏置状态，器件关断；处于反向偏置状态，器件关断；如果施加阳极反向电压，如果施加阳极反向电压，J1J1、J3J3处于反向偏置状态，器件关处于反向偏置状态，器件关断。断。2.32.3晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理电力电子技术电力电子技术晶闸管的导通可以用双晶体（晶闸管的导通可以用双晶体（P1N1P2和和N1P2N2）模来解释。当门极注入电）模来解释。当门极注入电流流IG，IG流入晶体管流入晶体管V2的基极，那么在的基极，那么在V2的集电极产生电流的集电极产生电流IC2，而，而IC2又是晶又是晶体管体管V1的基极电流，放大成集电极电流的基极电流，放大成集电极电流IC1，进一步增大了，进一步增大了V2的基极电流，形成的基极电流，形成了强烈的正反馈，最后了强烈的正反馈，最后V1、V2进入饱进入饱和状态，晶闸管导通。和状态，晶闸管导通。当晶闸管导通后，撤除门极注入电流，由于晶体管内部已经当晶闸管导通后，撤除门极注入电流，由于晶体管内部已经形成了强烈的正反馈。所以管子仍然导通；若要使晶闸管关断形成了强烈的正反馈。所以管子仍然导通；若要使晶闸管关断则必须撤除阳极的正电压，或者给阳极施加反电压，或者使则必须撤除阳极的正电压，或者给阳极施加反电压，或者使流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值。流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值。电力电子技术电力电子技术 式中式中 1 1和和 2 2分别是晶体管分别是晶体管V V1 1和和V V2 2的共基极电流增益；的共基极电流增益；I ICBO1CBO1和和I ICBO2CBO2分别是分别是V V1 1和和V V2 2的共基极漏电流。由以上式的共基极漏电流。由以上式（1-11-1）（1-41-4）可得）可得 （1-51-5）晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而是很小的，而当发射极电流建立起来之后，当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。晶闸管的工作方程晶闸管的工作方程Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG（1-3）IA=Ic1+Ic2（1-4）电力电子技术电力电子技术阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率阳极电压上升率d du u/ /d dt t过高过高结温较高结温较高光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发 光光触触发发可可以以保保证证控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的良良好好绝绝缘缘而而应应用用于于高高压压电电力力设设备备中中之之外外，其其它它都都因因不不易易控控制制而而难难以以应应用用于于实实践践，称称为为光光控控晶晶闸闸管管（Light Triggered ThyristorLTTLight Triggered ThyristorLTT）只只有有门门极极触触发发（包包括括光光触触发发）是是最最精精确确、迅迅速速而而可可靠靠的控制手段的控制手段2.42.4晶闸管其它导通情况晶闸管其它导通情况电力电子技术电力电子技术二、晶闸管的基本特性二、晶闸管的基本特性1. 1. 晶闸管的静特性晶闸管的静特性 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG第第I I象限是正向特性，第象限是正向特性，第IIIIII象限是反向性象限是反向性URSM反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压URRM反向重复峰值电压反向重复峰值电压UDRM正向重复峰值电压正向重复峰值电压UDSM正向不重复峰值电压正向不重复峰值电压Ubo正向转折电压正向转折电压IH维持电流维持电流I IG G 门极触发电流门极触发电流电力电子技术电力电子技术I IG G=0=0时时，器器件件两两端端施施加加正正向向电电压压，正正向向阻阻断断状状态态，只只有有很很小小的的正正向向漏漏电电流流流流过过，正正向向电电压压超超过过临临界界极极限限即即正正向向转转折折电电压压U Ubobo，则则漏漏电电流急剧增大，器件开通流急剧增大，器件开通随随着着门门极极电电流流幅幅值值的的增增大大，正正向向转转折折电电压压降降低低导导通通后后的的晶晶闸闸管管特性和二极管的正向特性相仿特性和二极管的正向特性相仿导通期间，如果门极电流为零，并导通期间，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且阳极电流降至接近于零的某一数值I IH H以下，则晶闸管又回到正向阻断状以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。态。I IH H称为维持电流称为维持电流晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极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管的反向特性电力电子技术电力电子技术2.2.晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性开通时间：开通时间：t tgtgt= =t td d+ +t tr r t td d ：0.51.5 s， t tr r ：0.53 s关断时间：关断时间： t tq q= =t trrrr+ +t tgr gr 约几百微秒约几百微秒电力电子技术电力电子技术三、晶闸管的主要参数三、晶闸管的主要参数1.1.电压定额电压定额断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM在门极断路而结温为额定值在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM在门极断路而结温为额定值在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM晶闸管通以某一规定倍晶闸管通以某一规定倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器件的中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量, ,一般取一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2323倍倍电力电子技术电力电子技术2.2.电流定额电流定额（1 1）通态平均电流）通态平均电流 I IT(AV)T(AV) 晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为4040 C C和规定的冷却状态下，和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值工频正弦半波电流的平均值使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，因此要进行相应的换算的原则来选取晶闸管，因此要进行相应的换算选择使应留一定的裕量，一般取换算结果的选择使应留一定的裕量，一般取换算结果的1.521.52倍倍1 1）计算实际波形的有效值）计算实际波形的有效值2 2）根据有效值相等的原则，计算出定义波形下的平均值）根据有效值相等的原则，计算出定义波形下的平均值3 3）将计算值乘以）将计算值乘以1.51.5或或2 2，即为所选晶闸管的电流定额，即为所选晶闸管的电流定额电力电子技术电力电子技术有效值与平均值的比值称为波形系数有效值与平均值的比值称为波形系数K Kf f例如，对于一只额定电流例如，对于一只额定电流I IT(AV)T(AV)=100A=100A的晶闸管，的晶闸管，允许通过的电流有效值为允许通过的电流有效值为157A157A根据通态平均电流根据通态平均电流I IT(AV)T(AV)的定义，当电流的峰值为的定义，当电流的峰值为I IM M时时电力电子技术电力电子技术根据电流有效值相等的原则计算规根据电流有效值相等的原则计算规定波形下通过晶闸管的平均流定波形下通过晶闸管的平均流如果选用电流定额为如果选用电流定额为100A100A的晶闸管，那的晶闸管，那么实际允许的平均电流是多少？么实际允许的平均电流是多少？例：通过晶闸管的实际波形如右图，例：通过晶闸管的实际波形如右图，求此波形的电流平均值求此波形的电流平均值Id,Id,电流有效电流有效值值IaIa，波形系数，波形系数KfKf。当不考虑安全裕。当不考虑安全裕量时，求选择晶闸管的电流定额量时，求选择晶闸管的电流定额电力电子技术电力电子技术(4)(4)浪浪涌涌电电流流I ITSMTSM 指指由由于于电电路路异异常常情情况况引引起起的的并并使使结结温温超超过过额额定定结结温温的的不不重重复复性最大正向过载电流性最大正向过载电流(2) (2) 维持电流维持电流 I IH H 使晶闸管维使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十持导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，到几百毫安，与结温有关，结温越高，则则I IH H越小。越小。(3)(3)擎擎住住电电流流 I IL L 晶晶闸闸管管刚刚从从断断态态转转入入通通态态并并移移除除触触发发信信号号后后， 能能维维持持导导通通所所需需的的最最小小电电流流对对同一晶闸管来说，通常同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为I IH H的的2424倍。倍。电力电子技术电力电子技术 (1) (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 指指在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路的的情情况况下下，不不导导致致晶晶闸闸管管从从断断态态到到通通态态转转换换的的外外加加电电压最大上升率压最大上升率3.3.动态参数动态参数除开通时间除开通时间t tgtgt和关断时间和关断时间t tq q外，还有：外，还有： (2)(2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt t 指指在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管能能承承受受而而无有害影响的最大通态电流上升率无有害影响的最大通态电流上升率电力电子技术电力电子技术四、晶闸管的派生器件四、晶闸管的派生器件1.1.快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFast Switching ThyristorFST)FST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及d du u/ /d dt t和和d di i/ /d dt t耐量都有明显改善耐量都有明显改善普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管高频晶闸管1010 s s左右左右高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应开关损耗的发热效应电力电子技术电力电子技术双向晶闸管的电气符号和伏安特性2.2.双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor）可可认认为为是是一一对对反反并并联联联联接接的的普普通通晶晶闸闸管管的的集集成成，有有两两个个主主电电极极T T1 1和和T T2 2，一一个个门门极极G G，正正反反两两方方向向均均可可触触发发导导通通，所所以以双双向向晶晶闸闸管管在在第第和和第第IIIIII象象限限有有对对称称的的伏伏安安特特性性。通通常常用用在在交交流流电电路路中中，因因此此不不用用平平均均值值而而用用有有效效值值来来表表示示其其额额定定电流值。电流值。 电力电子技术电力电子技术3.3.逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCTReverse Conducting ThyristorRCT）逆导晶闸管的电气符号和伏安特性将将晶晶闸闸管管反反并并联联一一个个二二极极管管制制作作在在同同一一管管芯芯上上的的功功率率集集成成器件；器件；具具有有正正向向压压降降小小、关关断断时时间间短短、高高温温特特性性好好、额额定定结结温温高高等优点；等优点；逆逆导导晶晶闸闸管管的的额额定定电电流流有有两两个个，一一个个是是晶晶闸闸管管电电流流，一一个个是反并联二极管的电流是反并联二极管的电流电力电子技术电力电子技术4.4.光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTTLight Triggered ThyristorLTT）光控晶闸管的电气符号和伏安特性又又称称光光触触发发晶晶闸闸管管，是是利利用用一一定定波波长长的的光光照照信信号号触发导通的晶闸管触发导通的晶闸管光光触触发发保保证证了了主主电电路路与与控控制制电电路路之之间间的的绝绝缘缘，且且可可避避免免电电磁磁干干扰扰的的影影响响，因因此此目目前前在在高高压压大大功功率率的的场场合合，如如高高压压直直流流输输电电和和高高压压核核聚聚变变装装置置中中，占占据据重要的地位重要的地位电力电子技术电力电子技术图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号外形 结构 电气图形符号 返回返回 电力电子技术电力电子技术图图1-7 1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理双晶体管模型 工作原理 返回返回 电力电子技术电力电子技术图图1-8 1-8 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG返回返回 电力电子技术电力电子技术图图1-9 1-9 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形 返回返回 电力电子技术电力电子技术图图1-10 1-10 双向晶闸管的电气图形符号和双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性伏安特性电气图形符号 伏安特性 返回返回 电力电子技术电力电子技术图图1-11 1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性伏安特性电气图形符号 伏安特性 返回返回 电力电子技术电力电子技术图图1-12 1-12 光控晶闸管的电气图形符号和光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性伏安特性 电气图形符号电气图形符号 伏安特性伏安特性 返回返回