電力電子技術課件(中國石油大學版本)

1、第第1章電力二極管和晶閘管章電力二極管和晶閘管 電力電子器件是電力電子電路的基礎。電力電子器件是電力電子電路的基礎。掌握掌握:特性特性和正確和正確使用方法使用方法 本章本章首先簡要概述電力電子器件的首先簡要概述電力電子器件的概念、特點概念、特點和分類和分類等問題等問題然后分別介紹幾種常用電力電子器件的然后分別介紹幾種常用電力電子器件的工工作原理、基本特性、主要參數(shù)作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和以及選擇和使用中應注意的一些問題。使用中應注意的一些問題。1.1電力電子器件概述電力電子器件概述1.1.1 電力電子器件的特征電力電子器件的特征一、概念一、概念1.主電路（主電路（main powe

2、r circuit）：）：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的強電電路。控制任務的強電電路。2.電力電子器件（電力電子器件（power electronic device）：）：可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件或控制的電子器件二、廣義上分為兩類二、廣義上分為兩類: 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導體器件半導體器件 (采用的主要材料仍然是硅采用的主要材料仍然是硅)三、與處理信息的電子器件相比，一般具有如下

3、的特征：三、與處理信息的電子器件相比，一般具有如下的特征： 1.所能處理的電壓電流較大。所能處理的電壓電流較大。主電路功率達主電路功率達MW級。級。 2.電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。處理的電功率較大，為了減小本身的損耗，提高效率。處理的電功率較大，為了減小本身的損耗，提高效率。 3.注重器件的功率損耗和注重器件的功率損耗和散熱問題散熱問題。 通常通常PE器件所能切換控制的功率很大，可達數(shù)器件所能切換控制的功率很大，可達數(shù)kW，但本身所允許，但本身所允許的功耗卻只有的功耗卻只有100W左右。通常需要安裝散熱器，風冷或水冷。左右。通常需要安裝散熱器，風冷或水

4、冷。 4.需要驅(qū)動與隔離。需要驅(qū)動與隔離。 強、弱電系統(tǒng)之間電氣隔離，不共地，消除相互影響，減小干擾，強、弱電系統(tǒng)之間電氣隔離，不共地，消除相互影響，減小干擾，提高可靠性。提高可靠性。 5.注重對器件的保護注重對器件的保護。 通常采用吸收（緩沖通常采用吸收（緩沖)）保護電路來限制器件的）保護電路來限制器件的du/dt和和di/dt，減，減小由于大電流躍變在引線（寄生）電感上形成的反電勢尖峰，以防器小由于大電流躍變在引線（寄生）電感上形成的反電勢尖峰，以防器件過壓擊穿。件過壓擊穿。通常電力電子器件的通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要

5、成因。件功率損耗的主要成因。開關過程中的電壓、電流乘積較大，開關損耗會隨之增大開關過程中的電壓、電流乘積較大，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素而可能成為器件功率損耗的主要因素 。主主要要損損耗耗通態(tài)損耗：通態(tài)損耗：斷態(tài)損耗：斷態(tài)損耗：開關損耗：開關損耗：開通損耗：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗開通損耗：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗關斷損耗：在器件關斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗關斷損耗：在器件關斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗導通時器件上有一定的通態(tài)壓降導通時器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過器件發(fā)熱的原因：損耗器件發(fā)熱的原因：

6、損耗四、電力電子系統(tǒng)組成四、電力電子系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動電路驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成通過通過控制控制電力電子電力電子器件器件導通導通關斷關斷由由信信息息電電路路組組成成電電氣氣隔隔離離保護電路保護電路控控制制端端器件通斷是通過在器件通斷是通過在其其控制端控制端和和一個一個主電路端子主電路端子之間之間加一定的信號來加一定的信號來控制的，這個主控制的，這個主電路端子是驅(qū)動電路端子是驅(qū)動電路和主電路的電路和主電路的公共端，一般是公共端，一般是主電路主電路電流電流流出流出器件的端子。器件的端子。 1.1.2 電力電子器件的分類電力電子器件的

7、分類u按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度u不可控器件不可控器件電力二極管（電力二極管（Power Diode）只有兩個端子，器件的通只有兩個端子，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，和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的，不需要驅(qū)動電路。不需要驅(qū)動電路。u半控型器件半控型器件 通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。 這類器件主要指晶閘管。這類器件主要指晶閘管。u全控型器件全控型器件 既可控其導通，又可控其關斷。又稱自關斷器件。既可控其導通，又可控其關斷。又稱自關斷器件。目前最常用的是

8、目前最常用的是GTR、IGBT、電力、電力MOSFET、 GTO。電流驅(qū)動型：電流驅(qū)動型：通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。如或者關斷的控制。如GTR。電壓驅(qū)動型：電壓驅(qū)動型：通過加在通過加在控制極與公共端之間控制極與公共端之間的電壓產(chǎn)生可的電壓產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)的，故亦控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)的，故亦稱作稱作壓控器件壓控器件或場控器件。如或場控器件。如MOSFET、IGBTu按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)信號的性質(zhì)u按照驅(qū)動電路加在

9、器件控制端和公共端之間按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的波形信號的波形脈沖觸發(fā)型：脈沖觸發(fā)型：通過從控制端施加脈沖信號來實現(xiàn)導通或者通過從控制端施加脈沖信號來實現(xiàn)導通或者關斷的控制，一旦成功則無需持續(xù)施加該信號亦可維持開關斷的控制，一旦成功則無需持續(xù)施加該信號亦可維持開通或關斷狀態(tài)。通或關斷狀態(tài)。電平控制型：電平控制型：通過在通過在控制極與公共端之間持續(xù)施加控制極與公共端之間持續(xù)施加一定電一定電平的電壓或電流才能使器件維持導通或關斷狀態(tài)。平的電壓或電流才能使器件維持導通或關斷狀態(tài)。u按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電載流子參與導電的情況分為的情況分為

10、單極型器件單極型器件:由一種載流子參與導電的器件（由一種載流子參與導電的器件（MOSFET） 雙極型器件雙極型器件:由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件（由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件（GTR、SCR、GTO、二極管）、二極管）、 復合型器件復合型器件:（IGBT）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的器件則被稱為復合型器件，也稱混合型器件。的器件則被稱為復合型器件，也稱混合型器件。1.2 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管1.2.11.2.1 PN 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1.2.21.2.2 電力二極管的

11、基本特性電力二極管的基本特性 1.2.31.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) 1.2.41.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型1.2.11.2.1 PN 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以半導體以半導體PNPN結(jié)為結(jié)為基礎基礎, ,由一個面由一個面積較大的積較大的PNPN結(jié)結(jié)和兩端引線以和兩端引線以及封裝組成。及封裝組成。外形上看，主要外形上看，主要有螺栓型和平有螺栓型和平板型兩種封裝。板型兩種封裝。 a) a) 外形外形 b) b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號AKAKa)IKAP NJb)c)NN型半導體和型半導體和P P

12、型半導體結(jié)合后構(gòu)成型半導體結(jié)合后構(gòu)成PNPN結(jié)結(jié)擴散運動擴散運動 N區(qū)和P區(qū)交界處電子和空穴的濃度差別，造成各區(qū)多數(shù)載流子（多子）向另一區(qū)移動，到對方區(qū)成為少數(shù)載流子（少子）的運動?？臻g電荷空間電荷 在界面兩側(cè)不能任意移動的正、負電荷。內(nèi)電場（自建電場）內(nèi)電場（自建電場） 空間電荷建立的電場漂移運動漂移運動內(nèi)電場一方面阻止擴散運動，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)少子向本區(qū)運動?？臻g電荷區(qū)空間電荷區(qū)擴散運動和漂移運動達動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達穩(wěn)定值，形成穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的區(qū)域空間空間電荷區(qū)電荷區(qū)耗盡層耗盡層阻擋層阻擋層勢壘區(qū)勢壘區(qū)+P P型區(qū)型區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) NN型區(qū)型區(qū)內(nèi)電內(nèi)電場場圖1

13、-3 PN結(jié)的形成多子的擴散運動多子的擴散運動少子的漂移運動少子的漂移運動擴散電流擴散電流PN結(jié)外加電場PN結(jié)自建電場方向相反形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流內(nèi)部內(nèi)部外電路外電路造成空間電荷區(qū)變窄正向電流正向電流I IF F+P P型區(qū)型區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) NN型區(qū)型區(qū)內(nèi)電內(nèi)電場場+P P型區(qū)型區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) NN型區(qū)型區(qū)內(nèi)電內(nèi)電場場PNPN結(jié)的反向截止狀態(tài)結(jié)的反向截止狀態(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@個主要特征。反向電流反向電流I IR R少子濃度很小，在溫度一定時漂移電流的數(shù)值趨于恒定PN結(jié)外加反向電壓外電路電流N區(qū)流入P區(qū)流入出反向飽反向飽和電

14、流和電流I IS S高高電電阻阻幾幾乎乎沒沒有有電電流流流流過過u電力二極管和信息電子電路中二極管區(qū)別電力二極管和信息電子電路中二極管區(qū)別 電力二極管大都是垂直導電結(jié)構(gòu)，通過電流的有效面積電力二極管大都是垂直導電結(jié)構(gòu)，通過電流的有效面積大，提供其通流能力。大，提供其通流能力。 電力二極管常采用電力二極管常采用PiN結(jié)構(gòu)，提高反向耐壓，但正向壓結(jié)構(gòu)，提高反向耐壓，但正向壓降較大。降較大。 電導調(diào)制效應電導調(diào)制效應PNPN結(jié)的正向結(jié)的正向?qū)顟B(tài)導通狀態(tài)PN結(jié)流過的正向電流電阻值較高且為常數(shù)較小較大電阻率下降電導率增加PNPN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導調(diào)制效應使得PN結(jié)在正向電流較大時

15、壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。PNPN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿施加PN結(jié)反向電壓過大反向電流急劇增大破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)雪崩擊穿雪崩擊穿齊納擊穿齊納擊穿熱擊熱擊穿穿因熱量散發(fā)不出PN結(jié)溫度上升過熱燒壞結(jié)電容結(jié)電容C C J J( (微分電容微分電容) )PN結(jié)中電荷量隨外加電壓變化，呈現(xiàn)電容效應勢壘電容勢壘電容C CB B擴散電容擴散電容CDPN結(jié)截面成正比阻擋層成反比大小正正向向電電壓壓較較高高僅在正向偏置時起作用外加電壓變化時起作用結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?。反向正向電壓較低需要

16、注意的一些因素：需要注意的一些因素： 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/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應也會有較大影響1.2.21.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1.1.靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-4 電力二極管的伏安特性電力二極管電力二極管靜態(tài)特征靜態(tài)特征伏安特征伏安特征值定一到大壓電向正正向電流開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。承受反向電壓時只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF為其正向電壓降。零偏置正向偏置反向偏置過渡過程中電壓電流特性隨時間變化2.2.動態(tài)特性動態(tài)特性電力二極管的動態(tài)狀態(tài)電力二極管

17、的動態(tài)狀態(tài)反映通態(tài)和斷態(tài)之間過程的開關特性a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURtdtdiFtF t0 dtdiRURP+P P型區(qū)型區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) NN型區(qū)型區(qū)內(nèi)電內(nèi)電場場+P P型區(qū)型區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) NN型區(qū)型區(qū)內(nèi)電內(nèi)電場場多子擴散多子擴散減弱減弱少子漂移少子漂移加強加強少子即將少子即將抽盡抽盡由于由于Ldi/dt引起明顯引起明顯的反向電壓過沖。的反向電壓過沖。由于由于Ldi/dt使得使得PN結(jié)具結(jié)具有短時正向電壓。有短時正向電壓。電力二極管的關斷：電力二極管的關斷：經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷，進入截止狀態(tài)。抽盡本證激發(fā)少子，抽盡本證激發(fā)少子，PN結(jié)變寬

18、結(jié)變寬a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURtdtdiFtF t0 dtdiRURPIRP電流過沖最大值 URP電壓過沖最大值td= t1-t0延遲時間 tf= t2-t1電流下降時間trr=td+tf反向恢復時間 tf /td 恢復特性的軟度， 用Sr表示a)IFtdtrrtft1 t2UFURtdtdiFtF t0 dtdiRIRPURP+P P型區(qū)型區(qū)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) NN型區(qū)型區(qū)內(nèi)電內(nèi)電場場圖1-5電力二極管的動態(tài)過程波形b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的開通電力二極管的開通iu,FPUFiFufrt2V0tb)正向恢復時間正向恢復時間tfr 電力二極管的正向壓降出現(xiàn)過

19、沖uFP，經(jīng)過一段時間 接近穩(wěn)態(tài)降壓的某個值，這一動態(tài)過程時間。電壓過沖原因電壓過沖原因1)電導調(diào)制效應起作用所需大量少子需要一定時間儲存達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大。2)正向電流的上升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。 注意：電流、電壓反向問題注意：電流、電壓反向問題 正偏壓時，正向偏壓降約為1V左右；導通時，二極管看成是理想開關元件，因為它的過渡時間與電路的瞬時過程相比要小的得多； 但在關斷時，它需要一個反向恢復的時間（reverser-recovery time）以清除過剩載流子。(1) (1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流I IF(AV)F(AV)( (額定電流額定

20、電流I IFRFR) ) 二極管的額定電流二極管的額定電流I IF(AV)F(AV)被定義為其額定發(fā)熱所允許的被定義為其額定發(fā)熱所允許的正弦半波電流平均值正弦半波電流平均值。若正弦電流的最大值為若正弦電流的最大值為Im，則額定電流為，則額定電流為其正向?qū)鬟^額定電流時的電壓降一般為其正向?qū)鬟^額定電流時的電壓降一般為12V。當二極管在規(guī)定的環(huán)境溫度為當二極管在規(guī)定的環(huán)境溫度為+40和散熱條件下工和散熱條件下工作時，通過正弦半波電流平均值作時，通過正弦半波電流平均值I IF(AV)F(AV)時，其管芯時，其管芯PN結(jié)溫結(jié)溫升不超過允許值。升不超過允許值。mIttdII1)(sin210mF(

21、AV)1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)04235Im工頻正弦半波： T=2,并且只有一半的并且只有一半的波形導通波形導通(2) 最大允許的全周期均方根正向電流IFrms 二極管流過半波正弦電流的平均值為IF(AV)時，與其發(fā)熱等效的全周期均方根正向電流IFrms為 m02mFrms21)()sin(21ItdtIIF(AV)F(AV)Frms57. 12IIImIttdII1)(sin210mF(AV)有效值 在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應定義，使用時應按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定，應留

22、有一定的裕量。 當用在頻率較高的的場合，其開關損耗也不能忽略。 當采用反向漏電流較大的電力二極管，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應也不小 。 通過對正弦半波電流的換算可知，正向平均電流通過對正弦半波電流的換算可知，正向平均電流I IF(AV)F(AV)對應的有效值為對應的有效值為1.571.57I IF(AV)F(AV)。 例如，如果手冊上給出某電力二極管的額定電流例如，如果手冊上給出某電力二極管的額定電流I IF(AV)F(AV)為為100A100A，由此得到，由此得到 允許通過正弦半波電流的幅值允許通過正弦半波電流的幅值 。 允許通過允許通過任意波形任意波形的有效值為的有效值為157A157A。

23、也就是說，額定電流為也就是說，額定電流為100A100A的二極管可以通過幅的二極管可以通過幅值為值為314A314A的半波正弦電流，可以在全周期內(nèi)通過任意的半波正弦電流，可以在全周期內(nèi)通過任意波形的有效值為波形的有效值為157A157A的電流，其功耗發(fā)熱不超過允許的電流，其功耗發(fā)熱不超過允許值。值。 ()314mF AVAII對有效值相等原則的解釋對有效值相等原則的解釋(4)(4)反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓(5)(5)最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM 在PN結(jié)不受損壞的前提下，二極管所能承受的最高平均溫度。一般在125-175范圍內(nèi)。(6

24、)(6)反向恢復時間反向恢復時間trr 二極管由導通到截止、并恢復到自然阻斷狀態(tài)所需的時間。(3)(3)正向壓降正向壓降UF 電力二極管在正向電流導通時二極管上的正向壓降。該值比二極管的額定電流要大得多。實際上它體現(xiàn)了二極管抗短路沖擊電流的能力。 電力二極管屬于功率最大的半導體器件，現(xiàn)在其最大額定電壓、電流在6kV、6kA以上。二極管的參數(shù)是正確選用二極管的依據(jù)。(7)(7)浪涌電流浪涌電流IFSM最大允許非重復浪涌電流電力二極管所能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。1.2.4 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型普通二極管普通二極管( (整流二極管）整流二極管）多用

25、于開關頻率多用于開關頻率不高（不高（1 1kHz以下）以下）的整流電路中的整流電路中 反向恢復時間長反向恢復時間長一般在一般在5s以上以上正向電流定額和正向電流定額和反向電壓定額很反向電壓定額很高，分別可達數(shù)高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上千安和數(shù)千伏以上 2.2.快恢復二極管快恢復二極管恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（ 5s以下）的二極管，簡稱快速二極管 。快速恢復二極管快速恢復二極管超快速恢復二極管超快速恢復二極管 反向恢復時間數(shù)百納秒或更長100ns以下，甚至達2030ns快恢復二極管從性能上分為兩種 3.3.肖特基二極管肖特基二極管反向恢復時間反向耐壓普通二極管5us數(shù)千伏快恢復二

26、極管快速恢復二極管幾百ns1200V超快速恢復二極管100ns肖特基二極管1040nsIG1 IG IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維維持持電流電流。正正向特性向特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ㄑ┍罁舸㊣H-IA+UAUDSMUD

27、RMIG1IG2UPRMURSM第象限是正向特性第象限是反向特性IG2IG1 IG 反反向特性向特性 晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。 當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導致晶閘管發(fā)熱損壞。2 晶閘管的門極伏安特性晶閘管的門極伏安特性由于實際產(chǎn)品的門極伏安特性分由于實際產(chǎn)品的門極伏安特性分散性很大，常以一條典型的散性很大，常以一條典型的極極限限高高阻門極伏安特性阻門極伏安特性和一條和一條極極限限低低阻門極伏安特性阻門極伏安特性之間的區(qū)之間的區(qū)域來代表所有器件的伏安特性，

28、域來代表所有器件的伏安特性，由由門極正向峰值電流門極正向峰值電流IFGM允允許的許的瞬時最大功率瞬時最大功率PGM和和正向正向峰值電壓峰值電壓UFGM劃定的區(qū)域稱為劃定的區(qū)域稱為門極伏安特性區(qū)域。門極伏安特性區(qū)域。PG為門極為門極允許的最大平均功率。其允許的最大平均功率。其中中,0ABC0為不可靠觸發(fā)為不可靠觸發(fā)區(qū)區(qū),ADEFGCBA為可靠觸發(fā)區(qū)為可靠觸發(fā)區(qū). 晶閘管的動態(tài)(開關)特性UAIG2IG1I=0G- UA0IAURSMURRMUDSMUDRMUb0雪崩擊穿正向?qū)↖ I IG2G1G晶 閘 管 的 伏 安 特 性ttURRMtr rtgr100%90%10%tdtrIRMuAK晶

29、閘 管 的 開 通 和 關 斷 過 程 波 形iA3.3.動態(tài)特性動態(tài)特性開通過程開通過程也對應著從也對應著從(1+2)I IG2G1G晶 閘 管 的 伏 安 特 性ttURRMtr rtgr100%90%10%tdtrIRMuAK晶 閘 管 的 開 通 和 關 斷 過 程 波 形iA3.3.動態(tài)特性動態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開通和關斷過程關斷過程關斷過程反反向阻斷恢復時間向阻斷恢復時間trr 正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近零的時間正正向阻斷恢復時間向阻斷恢復時間tgr晶體管恢復載流子復合過程對正向電壓的阻斷的時間關斷時間關斷時間tq tq=trr+tgr （1-7）普通晶閘管的時間約

30、為幾百微秒電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新施加正向電壓為止定義為器件的電路換向關斷時間tq1.3.31.3.3晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓U UDRMDRM 斷態(tài)重復峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓U URRMRRM 反向重復峰值電壓是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓U UTMTM 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。 斷態(tài)最大瞬時電壓UDSM的90%1 1電壓定額電壓定額晶閘管名牌標出的

31、額晶閘管名牌標出的額定電壓通常是元件實測定電壓通常是元件實測UDRM和和URRM中較小的值，中較小的值，去相應的標準電壓等級去相應的標準電壓等級額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。晶閘管元件的正反向重復峰值電壓等級級別正反向重復峰值電壓(V)級別正反向重復峰值電壓(V)級別正反向重復峰值電壓(V)123456710020030040050060070089101214161880090010001200140016001800202224262830200022002400260028003000 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流I IT(AVT(AV) )

32、 晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 維持電流維持電流 I IH H 晶閘管維持導通所必需的最小電流。 擎住電流擎住電流I IL L 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)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I IL L約為I IH H的24倍。2.2.電流定額電流定額 晶閘管流過正弦半波電流波形如圖所示 它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關系表示為： 正弦半波電流的有效值為： 式中 Kf為波形系數(shù)= m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02m21)()sin(21Itdt

33、II57. 1)T(AVfIIK流過晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實際應用中，應根據(jù)電流有效值相同的原則進行換算，通常選用晶閘管時，電流選擇應取(1.5-2)倍的安全裕量。平均值有效值例 兩個不同的電流波形(陰影斜線部分)如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A,試計算各波形下晶閘管的電流平均值IT(AV)1、IT(AV)2，電流有效值I1、I2 解解：如圖所示的平均值和有效值可計算如下： A2 .27272. 0)(sin21m4/md1ItdtIIA3 .3331md2IIA4 .47477. 0)()sin(21m42m1ItdtIIA7 .5531m2II如圖

34、所示電路中E=50V,R=0.5,L=0.5H，晶閘管的擎住電流為15mA，要使晶閘管導通，門極觸發(fā)電流脈沖寬度至少應為多少？)1 (/tseRUi =L/R015. 0)1 (5 . 0505 . 05 . 0te要想晶閘管維持導通狀態(tài)，必須在電流達到擎住電流以上之后，觸發(fā)電流才可以撤除st150斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dtdu/dt 在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導致晶在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。率。過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導通過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導通位移電流位

35、移電流在斷態(tài)的晶閘管兩端所施加的電壓具有正向在斷態(tài)的晶閘管兩端所施加的電壓具有正向的上升率，在的上升率，在 阻斷狀態(tài)下相當于一個電容的阻斷狀態(tài)下相當于一個電容的J2結(jié)流過的充電電流。結(jié)流過的充電電流。通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dtdi/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。的最大通態(tài)電流上升率。在晶閘管開通時，如果電流在晶閘管開通時，如果電流上升過快，會使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使晶上升過快，會使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。閘管損壞。3 3動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)門極觸發(fā)電流IGT 在室

36、溫且陽極電壓為6V直流電壓時，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。 IGT受外界溫度的影響。 溫度升高時， IGT值減小。 溫度降低時， IGT值增加。門極觸發(fā)電壓UGT 對應于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應適當?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應超過其峰值IGFM 和 UGFM。4. 門極額定晶閘管的門極驅(qū)動電路和緩沖電路1. 1. 晶閘管的門極驅(qū)動電路晶閘管的門極驅(qū)動電路(1) 晶閘管對觸發(fā)電路的基本要求 觸發(fā)信號可以是交流、直流或脈沖，為了減小門極的損耗，觸發(fā)信號常采用脈沖形式。 觸發(fā)脈沖應有足夠的功率。觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應大于晶閘管的門極觸

37、發(fā)電壓和門極觸發(fā)電流。 觸發(fā)脈沖應有足夠的寬度和陡度。觸發(fā)脈沖的寬度一般應保證晶閘管陽極電流在脈沖消失前能達到擎住電流，使晶閘管導通，這是最小的允許寬度。一般觸發(fā)脈沖前沿陡度大于10V/s或800mA/s。 觸發(fā)脈沖的移相范圍應能滿足變換器的要求。例如，三相半波整流電路，在電阻性負載時，要求移相范圍為150；而三相橋式全控整流電路，電阻負載時移相范圍為120。(2) 觸發(fā)電路的型式 觸發(fā)電路可分為模擬式和數(shù)字式兩種，阻容移相橋、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、鋸齒波移相電路和正弦波移相電路均屬于模擬式觸發(fā)電路；而用數(shù)字邏輯電路乃至于微處理器控制的移相電路則屬于數(shù)字式觸發(fā)電路。2.晶閘管的緩沖電路常采用在晶閘管的陰陽極并聯(lián)RC緩沖電路，用來防止晶閘管兩端過大的du/dt造成晶閘管的誤觸發(fā)，其中電阻R也能減小晶閘管開通時電容C的放電電流。3 晶閘管的保護 晶閘管在使用時