电力电子技术电子教案第一章1.ppt

第一节功率二极管,半导体基础知识一半导体材料１、半导体其导电能力介于导体和绝缘体之间。２、导体具有某些特殊性质如压敏热敏及掺杂特性，导电能力改变。３、半导体材料用于制造半导体器件的材料，常用半导体材料是单晶硅和单晶锗。半导体管一般又称晶体管。４、单晶整块晶体中的原子按一定规则整齐排列的晶体。５、本征半导体非常纯净的且具有完整晶体结构的半导体。天然的硅和锗经提纯（99.999以上）即为本征半导体。,第一章功率二极管、晶闸管及单相相控整流电路,1.半导体的导电特性,可做成温度敏感元件，如热敏电阻。,掺杂性往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性当受到光照时，导电能力明显变化可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。,热敏性当环境温度升高时，导电能力显著增强,第一节功率二极管,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,共价键中的两个电子，称为价电子。,第一节功率二极管,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,本征激发价电子因热运动获得能量，争脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键上留下空位，这一现象成为本征激发。温度越高，本征激发越强，产生的自由电子和空穴越多。,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,第一节功率二极管,N型半导体和P型半导体,掺入五价元素,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,载流子的两种运动扩散运动和漂移运动扩散运动电中性的半导体中，载流子从浓度高的区域向浓度较低区域的运动。漂移运动在电场作用下，载流子有规则的定向运动。,第一节功率二极管,N型半导体和P型半导体,掺杂三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。,掺入三价元素,在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,２、两种载流子★载流子能够导电的电荷。半导体中的两种载流子自由电子，空穴★两种载流子导电的差异●自由电子在晶格中自由运动●空穴运动即价电子的填补空穴的运动，始终在原子的共价键间运动。,第一节功率二极管,扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。,空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。,交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。,,N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,第一节功率二极管,PN结的单向导电性,1.PN结加正向电压（正向偏置）,PN结变窄,P接正、N接负,,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,第一节功率二极管,PN结变宽,2.PN结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,第一节功率二极管,PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态PN结有单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应PN结的空间电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。,图2.2.2电力二极管的伏安特性曲线,第一节功率二极管,势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。,第一节功率二极管,伏安特性,,硅管0.5V,锗管0.1V。,,,反向击穿电压UBR,导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,第一节功率二极管,功率二极管自20世纪50年代初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。以半导体PN结为基础由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装图1-1功率二极管的外形、结构和电气图形符号a外形b结构c电气图形符号,,第一节功率二极管,第一章功率二极管、晶闸管及单相相控整流电路,功率二极管和信息电子电路中普通二极管的一些区别正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大,第一节功率二极管,功率二极管的基本特性1.静态特性（功率二极管伏安特性图）主要指其伏安特性功率二极管的阳极和阴极间电压与流过管子的电流之间的关系称为伏安特性。当功率二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的功率二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当功率二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4功率二极管的伏安特性,,第一节功率二极管,3、功率二极管的主要参数,额定正向平均电流在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流的峰值为Im,则,（1.2.5）,（1.2.4）,（1.2.6）,（1.2.7）,可求出正弦半波电流的波形系数,定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示,正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。额定电流有效值为,（1）额定正向平均电流IFAV,额定电流平均电流为,第1章,,3、功率二极管的主要参数,指器件中ＰＮ结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。ＴjM通常在125～175℃范围内。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略,3、电力二极管的主要参数（续）,（2）反向重复峰值电压ＵRRM,指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,（3）正向压降ＵF,指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压又称管压降。其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为1～2V。有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降,（4）反向漏电流ＩRR,指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRR受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,（5）最高工作结温ＴjM,第1章,,功率二极管的主要类型,功率二极管在电力电子电路中作为一个开关器件，在正向偏置时呈低阻状态，近似于短路；在反向偏置时，呈高阻状态，反向电流很小，近似于开路。二极管的这一特性是它作为开关器件的基础。但是，二极管从低阻转变成高阻或从高阻转变成低阻并不是瞬时完成的，这些转变都要经历一定的过程。二极管从高阻的反向阻断状态转变成低阻的正向导通称为正向恢复，从正向导通转变为反向阻断称为反向恢复。这两种恢复过程限制了二极管的工作频率。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的功率二极管,1.普通二极管（GeneralPurposeDiode）用于工频整流的功率二极管又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要正向定额电流和反向定额电压可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上,2.快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管。工艺上多采用了掺金措施,有的采用PN结型结构也有的采用改进的PiN结构，采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下,功率二极管的基本特性,2.开关特性开关特性因结电容的存在，二极管工作状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的，反映了通态和断态之间的转换过程，其特性称为开关特性，关断过程须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态，通常定义从二极管正向电流下降到零起，到反向电流下降到反向峰值电流IRM的10为止的时间间隔为二极管的反向恢复时间trr，延迟时间tdt1-t0,电流下降时间tft2-t1反向恢复时间trrtdtf,,功率二极管反向恢复过程中电流和电压波形,,恢复特性的软度下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称柔度系数，用Sr表示,图中IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，irr为反向恢复电流，通常规定irr0.1IRM。当t≤tf时，正向电流IIF。当t＞tf时，由于整流管上的正向电压突然变成反向电压，因此，正向电流迅速减小，在tt0时刻，I0。然后整流管上的反向电流IR逐渐增大；在tt1时刻达到最大反向恢复电流IRM值。此后受正向电压的作用，反向电流逐渐减小，并且在tt2时刻达到反向漏电流的规定值Irr。从t1到t2的反向恢复过程与电容器放电过程有相似之处。由t0到t2的时间间隔即为反向恢复时间trr。,电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。,电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。,第1章,开通特性,,图1-1-3快速整流二极管的正向恢复特性a）管压降随时间变化的曲线b二极管开通电流波形,由于二极管的实质是一个PN结，其空间电荷区相当于一个平板电容器，它的宽窄变化和流过二极管的电流变化效应与电容的充放电相似。在外加正向电压时所对应的电容称为扩散电容CD，在外加反向电压时所对应的电容称为势垒电容CB二极管总的结电容CjCDCB。,1.1.4功率二极管的型号和选择原则1、功率二极管的型号,2.功率二极管的选择原则（1）选择额定正向平均电流的原则,在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为,,,（2）选择额定电压的原则,选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压的23倍，即,功率二极管的主要类型,3.肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在功率电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度,功率二极管的主要类型,肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高,晶闸管的结构与工作原理,晶闸管（Thyristor）晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了功率电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件,第二节晶闸管,晶闸管Thyristor包括普通晶闸管SCR、快速晶闸管FST、双向晶闸管TRIAC、逆导晶闸管RCT、可关断晶闸管GTO和光控晶闸管等。由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛,因此在无特别说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。普通晶闸管也称可控硅整流管SiliconControlledRectifier,简称SCR。由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性目前生产水平4500A/8000V已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域,成为特大功率低频200Hz以下装置中的主要器件。,晶闸管的结构与工作原理,第二节晶闸管,晶闸管的结构与工作原理,外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a外形b结构c电气图形符号,,第二节晶闸管,1.3.1晶闸管的结构与工作原理,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,1、晶闸管的结构（续）,晶闸管是大功率器件,工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上,采用自然散热冷却方式,如图1.3.2a所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间,散热方式可以采用风冷或水冷,以获得较好的散热效果,如图1.3.2b、c所示。,图1.3.2晶闸管的散热器,第1章,,我们通过图1-5所示的电路来说明晶闸管的工作原理。在该电路中，由电源Ea、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成晶闸管主电路；由电源Eg、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路,也称触发电路。,晶闸管的工作原理,晶闸管阳极经灯泡接电源正极，阴极接电源负极。当控制极不加电压时，灯泡不亮，说明晶闸管没有导通。如果在控制极上加正电压[即图8-2（b）中合上开关S]则灯亮，说明晶闸管导通。然后将开关S断开，如图8-2（c）所示，去掉控制极上的电压，灯继续亮。若要熄灭灯，可以减小阳极电流，或阳极加负电压。通过这些试验可得出以下结论当晶闸管阳极和阴极间加反向电压时，不管控制极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。控制极加反向电压，无论晶闸管主电路加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。,TTTTSSSS,通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件（1）晶闸管主电路加正向电压。（2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。,晶闸管具有正向导通的可控性，即有正反两个方向的阻断能力，而二极管只有反向阻断能力。晶闸管之所以有这种正反向的阻断能力是与其特殊结构有关的。晶闸管具有三个PN结，所以可以把晶闸管看成由一只NPN三极管与一只PNP三极管组成，,图1-6晶闸管工作原理等效电路,为了进一步说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的，连接形式如图1-6所示。阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极，阴极K相当于NPN型晶体管V2的发射极。,晶闸管的工作原理,当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，晶体管V2处于正向偏置，EC产生的控制极电流IG就是Ｖ2的基极电流IB2，V2的集电极电流IC2β2IG。而IC2又是晶体管Ｖ1的基极电流，Ｖ1的集电极电流IC1β1IC2β1β2IG（β1和β2分别是Ｖ1和V2的电流放大系数）。电流IC1又流入V2的基极，再一次放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。,在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的方法有将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。,2、晶闸管工作原理的等效电路说明当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下IG↑→IB2↑→IC2IB1↑→IC1↑→IB2↑,2、晶闸管的工作原理,图1.3.3晶闸管的内部结构和等效电路,1导通晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极G也加正向电压Ug,门极电流Ig经三极管T2放大后成为集电极电流Ic2，Ic2又是三极管T1的基极电流,放大后的集电极电流Ic1进一步使Ig增大且又作为T2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管T1、T2都快速进入饱和状态,使晶闸管阳极A与阴极K之间导通。此时若撤除Ug,T1、T2内部电流仍维持原来的方向,只要满足阳极正偏的条件,晶闸管就一直导通。,晶闸管单向导电性,导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流。,,第1章,1.3.1晶闸管的结构与工作原理,式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得（1-5）晶体管的特性是在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。,,Ic11IAICBO1（1-1）Ic22IKICBO2（1-2）,IKIAIG（1-3）IAIc1Ic2（1-4）,1.3.1晶闸管的结构与工作原理,其他几种可能导通的情况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du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压功率设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段,2、晶闸管的工作原理续,2）阻断当晶闸管A、K间承受正向电压，而门极电流Ig0时,上述T1和T2之间的正反馈不能建立起来,晶闸管A、K间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻断状态。,图1.3.3晶闸管的内部结构和等效电路,第1章,,阻断状态IG0，12很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和开通（门极触发）注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致12趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,定义晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。,图1-8晶闸管阳极伏安特性,,UDRM、URRM──正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM──正、反向断态不重复峰值电压；UBO──正向转折电压；URO──反向击穿电压。,１.晶闸管的伏安特性,第1章,,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,当晶闸管的控制极上加上适当大小的触发电压VG（触发电流IG）时，晶闸管的正向转折电压会大大降低，如图8-5中IG1、IG2所示。触发信号电流越大，晶闸管导通的正向转折电压就降的越低。,IG0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,图1.3.4晶闸管阳极伏安特性,第1章,,（1）晶闸管的正向特性,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,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。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,图1.3.4晶闸管阳极伏安特性,第1章,,（2）晶闸管的反向特性,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,IG0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在1V左右导通期间，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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。（伏安特性图）,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,1）正向重复峰值电压UDRM门极断开Ig0,元件在额定结温时,正向阳极电压为正向阻断不重复峰值电压UDSM此电压不可连续施加的80所对应的电压此电压可重复施加,其重复频率为50HZ，每次持续时间不大于10ms。2）反向重复峰值电压URRM元件承受反向电压时,阳极电压为反向不重复峰值电压URRM的80所对应的电压。3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM与URRM中的最小值,选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2～3倍。,（1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压Ute,第1章,,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流ITAV,在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流裕量。,1）定义在环境温度为40℃和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。,第1章,,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,这说明额定电流ITAV100A的晶闸管，其额定有效值为ITKfITAV157A。,2）ITAV计算方法,根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。,额定电流有效值为,现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示,根据上式可求出正弦半波电流的波形系数,额定电流平均电流为,第1章,,正弦半波电流的峰值,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,（3）门极触发电流IGT和门极触发电压UGT,1）定义在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压UGT。2）晶闸管由于门极特性的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。3）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响很大，温度升高，UGT、IGT值会显著降低，温度降低，UGT、IGT值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT大几倍。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM和UGFM。,第1章,,3.晶闸管的主要特性参数,由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM﹑允许的瞬时最大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,0ABC0为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区,,晶闸管的门极伏安特性,（5）维持电流ＩＨ和掣住电流ＩL,1）维持电流ＩＨ在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH。维持电流与元件容量、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH的实测值。2）掣住电流ＩL给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。对同一晶闸管来说，掣住电流ＩL要比维持电流ＩH大24倍。３）浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流,第1章,,3.晶闸管的主要特性参数,1开通过程（特性图延迟时间td门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10的时间上升时间tr阳极电流从10上升到稳态值的90所需的时间开通时间tgt以上两者之和，tgttdtr（1-6）普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,图1-9晶闸管的开通和关断过程波形,2关断过程反向阻断恢复时间trr正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tgr晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作关断时间tqtrr与tgr之和，即tqtrrtgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有7、断态电压临界上升率du/dt指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通8、通态电流临界上升率di/dt在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。,（4）通态平均电压UTAV,1）定义在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通态平均电压又称管压降2）第三个□为导通时平均电压组别（小于100A不标），其数值按下表分组．共九级，用A～I字母表示0.4～1.2V。在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择ＵTAV小的晶闸管。例如KP20018F表示额定平均电流为200A、额定电压为1800V，管压降为0.9V的普通晶闸管。,表1.3.3晶闸管通态平均电压分组,第1章,,3.晶闸管的主要特性参数,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,目前国产的晶闸管的型号为KP□□□，其中K为晶闸管；P为普通型；第一个□为额定正向平均电流；第二个□为额定电压，用其百位数或百位数及千位数表示，它为VFRM和VRRM中较小的一个；第三个□为导通时平均电压组别（小于100A不标），共九级，用A～I字母表示0.4～1.2V。例如KP20018F表示额定平均电流为200A、额定电压为1800V，管压降为0.9V的普通晶闸管。,2、普通晶闸管的选择原则（1）选择额定电流的原则,在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为然后取相应标准系列值。,,（2）选择额定电压的原则,选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压的23倍，即然后取相应标准系列值。,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晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。（伏安特性图）,二、晶闸管的伏安特性与主要参数,1.3.4晶闸管的派生器件,1.快速晶闸管（FastSwitchingThyristorFST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芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt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，高频晶闸管10s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,,,■,1.3.4晶闸管的派生器件,2.双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a电气图形符号b伏安特性,,1.3.4晶闸管的派生器件,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成有两个主电极T1和T2，一个门极G正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SolidStateRelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,,,■,1.3.4晶闸管的派生器件,3.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT）将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a电气图形符号b伏安特性,,,■,,1.3.4晶闸管的派生器件,4.光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）图1-12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a电气图形符号b伏安特性,,,■,,1.3.4晶闸管的派生器件,又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位,,,■,1.4典型全控型器件,1.4典型全控型器件1.4.1门极可关断晶闸管1.4.2功率晶体管1.4.3功率场效应晶体管1.4.4绝缘栅双极晶体管,1.4典型全控型器件,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现20世纪80年代以来，信息电子技术与功率电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的功率电子器件，从而将功率电子技术又带入了一个崭新时代典型代表门极可关断晶闸管、功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管,,,■,1.4.1门极可关断晶闸管,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用,,,■,1.4.1门极可关断晶闸管,1.GTO的结构和工作原理结构与普通晶闸管的相同点PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极和普通晶闸管的不同GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起图1-13GTO的内部结构和电气图形符号a各单元的阴极、门极间隔排列的图形b并联单元结构断面示意图c电气图形符号,,,,■,1.4.1门极可关断晶闸管,工作原理与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析121是器件临界导通的条件。当121时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当12BUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多,,,■,1.4.2功率晶体管,2集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点3集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度,,,■,1.4.2功率晶体管,4.GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变,,,■,1.4.2功率晶体管,安全工作区（SafeOperatingAreaSOA）