课题一 电力电子及电气传动实训装置简介
主要内容：
常用电力电子器件分类；
常用电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性、主要参数和安全工作区； 常用电力电子器件的基本驱动电路、缓冲电路和保护方法； 常用电力电子器件的串并联技术。 * * *
1.1 引 言
电力电子器件是电力电子技术的基础，
新器件的诞生或器件特性的新进展，都带动了电力电子应用技术的新突破，或导致出现新的
电路拓扑。
* 电力电子应用技术的发展又对电力电子器件提出了更新、更高的要求，进一步推动了高性能、新器件的研制。 *
电力电子器件在电力电子电路中一般都工作在开关状态，在通态时应能流过很大电流而压降很低；在断态时应能承受很高电压而漏电流很小；断态与通态间的转换时间很短且功率损耗较小。 * 1.2 电力电子器件的结构、特性和主要常数 * * * *
1.2.1 功率二极管 1. 功率二极管的结构
2. 功率二极管的工作原理
P型半导体和N型半导体结合一体，其中，N型半导体区电子浓度大，P型半导体区空穴浓度大，
因此，N区电子要向P区扩散与P区空穴复合，在N区边界侧留下正离子层， P区空穴要向N区扩散与N区电子复合，在P区边界侧留下负离子层，在交界处渐渐形成空间电荷区； *
多数载流子的扩散运动和少数载流子漂移运动到动态平衡，决定空间电荷区的宽度，形成PN结；
* PN结具有单向导电性，二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。 * * * * *
*
3. 功率二极管的特性 (1) 功率二极管的伏安特性 (2) 功率二极管的开关特性 4. 功率二极管的主要参数
(1) 额定电压URR
反向不重复峰值电压URSM是指即将出现反向击穿的临界电压；
二极管的额定电压URR（反向重复峰值电压URRM）取反向不重复峰值电压URSM的80％；
* * *
URRM(或URR)小于二极管的反向击穿电压URO。 (2) 额定电流IFR
* 功率二极管的额定电流IFR被定义为在规定的环境温度为+40℃和散热条件下工作，其管芯PN结温升不超过允许值时，所允许流过的正弦半波电流平均值 。若正弦电流的最大值为Im，则额
定电流为 * * * * *
11 (1-1) ?IFR?2??0Imsin?td(?t)???Im 1.2.2 晶闸管及派生器件
晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR, 普通晶闸管是一种具
功率二极管属于功率最大半导体器件，二极管参数是正确选用二极管依据。
有开关作用的大功率半导体器件。
* * * * * * * * * *
2. 晶闸管的结构
晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。 3. 晶闸管的工作原理
IG↑→Ib2↑→IC2(Ib1)↑→IC1↑ 欲使晶闸管导通需具备两个条件：
应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。
应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。
晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。
* 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。 * * *
4. 晶闸管的特性
(1) 晶闸管的伏安特性
晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。
(2) 晶闸管的门极伏安特性
* 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,OABCO为不可靠触发区,ADEFGCBA为可靠触发区。 * (3) 晶闸管的开关特性 * * *
*
5. 晶闸管的主要参数
（1）断态重复峰值电压UDRM
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。 （2）反向重复峰值电压URRM
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。 （3）额定电压
断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定
* * *
电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安全裕量。
(4) 额定电流IT(AV) * *
在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子
全导通(导通角> 170°)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。
* 晶闸管流过正弦半波电流波形 *
(5)通态电压UTM
* 晶闸管通以规定数倍额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减少功耗和发热的观点出发，应该选择通态电压较小的晶闸管。 * * * *
(6)维持电流 IH
在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最 (7) 擎住电流 IL
晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对
小阳极电流
于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。
1
* *
*
(8) 门极触发电流IGT
在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。 (9) 门极触发电压UGT
*
* 对应于门极触发电流时的门极触发电压。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。 *
(11) 断态电压临界上升率du/ dt
* 在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。 *
(12) 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。 * * *
6.晶闸管的派生器件 (1)快速晶闸管
快速晶闸管的关断时间≤50μs，常在较高频率(400Hz)的整流、逆变和变频等电路中使用，它
的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平均电流1200A、最高断态电压1500 V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25μs～50μs。 *
(2)双向晶闸管
* 双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。 *
(3)逆导晶闸管
* 逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格 * * * * * * * * * *
降低和配线简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。 (4)光控晶闸管
光控晶闸管(Light Activated Thyristor)是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。光控1.2.3 可关断晶闸管GTO
可关断晶闸管GTO(Gate Turn-Off Thyristor)，门极信号不仅能控制其导通，也能控制其关1. 可关断晶闸管的结构
GTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便可关断晶闸管的结构、等效电路和符号 2. 可关断晶闸管的工作原理 (1) 开通过程
晶闸管符号和等效电路光控晶闸管的伏安特性
断。
于实现门极控制关断所采取的特殊设计。
* GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益α1+α2数值不同。晶闸管的回路增益α1+α2常为1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。 * *
(2) 关断过程
当GTO已处于通态时，对门极加负的关断脉冲，形成－IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管
N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。
2
* 当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导通条件，
阳极电流下降到零而关断。
* 由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。 * * * * * * * * * * * * *
*
(2) GTO的开通特性 开通时间ton由延迟时间td 和上升时间tr组成
(3) GTO的关断特性
关断过程有三个不同的时间： 存储时间ts 下降时间tf 尾部时间tt
4. 可关断晶闸管的主要参数
GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。 (1) 最大可关断阳极电流IATO
电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。 (2) 关断增益?off
GTO的关断增益?off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IgM之比?off通常只有5左右。 1.2.4 双极型功率晶体管 1. 双极型功率晶体管的结构
2. 双极型功率晶体管的工作原理
与三极管的工作原理相同单个BJT电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，为了提高电流
* * * *
增益，常采用达林顿结构。
* (2) BJT的开关特性: BJT主要应用于开关工作方 * *
***
①开通过程 延迟时间td 上升时间tr 开通时间ton
* * *
**
ton=td+tr
②关断过程 存储时间ts 下降时间tf 关断时间toff
toff=ts+tf
(3)双极型功率晶体管的安全工作区 ①正向偏置安全工作区
BJT的正向偏置安全工作区是由最大集电极电流ICM、集电极最大允许耗散功率PCM、二次击穿耐
* * *
量有关的PSB和集射极最大电压U(BR)CEO所组成的区域。 * ②反向偏置安全工作区 *
为了使晶体管截止而不被击穿，电压与电流的工作点必须选在反向安全工作区之内。反向偏置基极电流不同时，反向安全工作区宽窄也不同，若反向偏置基极电流增加时，反向安全工作区变窄。 *
(4) 双极型功率晶体管的二次击穿
3
* ①一次击穿
* 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， BJT一般不会损坏，工作特性也不变 *
②二次击穿
* 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 * * *
4. 双极型功率晶体管的主要参数
(1) 最高工作电压
即最高集电极电压的额定值。BJT的反向击穿电压决定管子承受外加电压的上限，也是BJT
的重要参数。UEBO是集电极开路时射基极间的反向击穿电压； UCBO是发射极开路时集基极间的反向击穿电压。UCEO 是基极开路时集电极-发射极之间的反向击穿电压，UCEO 在BJT产品目录中作为电压容量给出。
*
（2）最大电流额定值ICM
* 即集电极允许流过的最大电流值。通常规定电流放大倍数β值下降为规定值的（1/2~1/3）时的IC值为ICM。实际使用中要留有裕量，通常只用到ICM值的（1/3~1/2）。
*
（3）最大功率损耗额定值PCM
* 即最高允许工作温度下的耗散功率。产品手册中给出PCM参数时，总是同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。 * * * *
（4）BJT的电流放大倍数β值
β定义为晶体管的集电极电流变化率和基极电流变化率之比。 (5) BJT的反向电流
BJT的反向电流会消耗一部分电源能量，会影响管子的稳定性。常希望反向电流尽可能小。
有ICBO、ICEO和IEBO。
（6）最大允许结温TJM * * * *
双极型功率晶体管结温过高时将导致热击穿而烧毁。是晶体管能正常工作的最高允许结温。 1.2.5 功率场效应晶体管
根据其结构不同分为结型场效应晶体管，金属-氧化物-半导体场效应晶体管。根据导电沟道
的类型可分为N沟道和P沟道两大类；根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类；
* 电力MOSFET主要是N沟道增强型 * * *
3.功率场效应晶体管的特性
(1) 功率MOSFET的转移特性
转移特性表示功率MOSFET的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。转移特性表示功
率MOSFET的放大能力，与BJT中的电流增益相仿，由于功率MOSFET是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。
* (2) 功率MOSFET的输出特性 *
当栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS间关系曲线称为VMOSFET的输出特性。只有当栅源电压UGS达到或超过强反型条件时，使MOSFET进入导通状态。栅源电压UGS越大，漏极电流越大，可见漏极电流ID受栅源电压 UGS的控制。输出特性分为三个区域，可调电阻区、饱和区和雪崩区。 *
可调电阻区Ⅰ，器件的电阻值是变化的。当栅源电压UGS一定时，器件内的沟道已经形成，若漏源电压UDS很小时，对沟道的影响可忽略，沟道的宽度和电子的迁移率几乎不变，所以ID与UDS几乎呈线性关系。 *
饱和区Ⅱ，当UGS不变时，ID趋于不变。
4