第二章 电力电子器件(2.3)

重庆理工大学CHONGQINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY电气与电子工程学院SchoolofElectricalandElectronicEngineering电力电子技术第2章电力电子器件电气与电子工程学院SchoolofElectricalandElectronicEngineering电力电子器件概述2.1不可控器件——电力二极管2.2半控型器件——晶闸管2.3典型全控型器件2.4其他新型电力电子器件2.5功率集成电路与集成电力电子模块2.6半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.4晶闸管的派生器件半控器件——晶闸管2.3晶闸管（Thyristor）简称晶体闸流管又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier）1956年发明，1957年成产品，1958年商业化开辟了电力电子技术的崭新时代承受的电压和电流容量最高半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构螺栓型和平板型阳极A、阴极K、门极PNPN四层半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理常见的晶闸管及模块螺栓型半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理常见的晶闸管及模块平板型半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理常见的晶闸管及模块晶闸管模块半控器件——晶闸管2.3图2-8晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理2.3.1晶闸管的结构与工作原理半控器件——晶闸管2.3图2-8晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理2.3.1晶闸管的结构与工作原理半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理111CBOAcIII222CBOKcIII（2-2）（2-1）1\2——V1和V2的共基极电流增益ICBO1\ICBO2——V1和V2共基极漏电流依据三极管的电流关系：半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理GAKIII21ccAIII（2-3）（2-4）依据电路节点电流的关系：半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理依据四个电流方程可得：)(121CBO2CBO1G2AIIII半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理依据四个电流方程可得：)(121CBO2CBO1G2AIIII◆低发射极电流下，很小；发射极电流建立后，迅速增大半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理依据四个电流方程可得：)(121CBO2CBO1G2AIIII◆低发射极电流下，很小；发射极电流建立后，迅速增大◆IG=0，1+2很小半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理依据四个电流方程可得：)(121CBO2CBO1G2AIIII◆低发射极电流下，很小；发射极电流建立后，迅速增大◆IG=0，1+2很小◆IG≠0，内部出现正反馈半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理依据四个电流方程可得：)(121CBO2CBO1G2AIIII◆低发射极电流下，很小；发射极电流建立后，迅速增大◆IG=0，1+2很小◆IG≠0，内部出现正反馈◆IA由外接电路决定半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理依据四个电流方程可得：)(121CBO2CBO1G2AIIII◆低发射极电流下，很小；发射极电流建立后，迅速增大◆IG=0，1+2很小◆IG≠0，内部出现正反馈◆IA由外接电路决定半控器件——晶闸管2.3MATLAB仿真模型半控器件——晶闸管2.3半控器件——晶闸管2.32.3.1晶闸管的结构与工作原理■其他可能导通的情况◆过高的阳极电压◆过高的阳极电压上升率du/dt◆过高的结温◆光触发◆门极触发最精确、可靠半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.4晶闸管的派生器件半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性☞在正向电压下，当门极有触发电流时开通☞一旦导通，门极就失去控制作用，始终保持导通☞若要关断，使晶闸管的电流降到足够小☞在反向电压下，晶闸管不会导通半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性基本特性静态特性正向特性反向特性动态特性开通过程关断过程半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性◆晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+图2-9晶闸管的伏安特性半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性◆晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2UboUDSMUDRMURRMURSM+图2-9晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG1UboUDSMUDRMURRMURSM+正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性◆晶闸管的伏安特性图2-9晶闸管的伏安特性IG=0正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+☞正向特性(IG=0)√正向电压下，处于阻断状态，只有很小的漏电流√超过正向转折电压Ubo，漏电流急剧增大，器件开通。UDSM断态不重复峰值电压半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性◆晶闸管的伏安特性图2-9晶闸管的伏安特性IG=0正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+☞正向特性(IG=0)√正向电压下，处于阻断状态，只有很小的漏电流√超过正向转折电压Ubo，漏电流急剧增大，器件开通。UDRM断态重复峰值电压半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性◆晶闸管的伏安特性图2-9晶闸管的伏安特性IG0☞正向特性(IG0)√门极电流幅值增大，正向转折电压降低√导通中，阳极电流减小到IH，晶闸管回到阻断状态正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1UDRMURRMURSM+IH维持电流半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性◆晶闸管的伏安特性☞反向特性√与二极管反向特性类似√在反向阻断状态，只有极小的反向漏电正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+图2-9晶闸管的伏安特性半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性◆晶闸管的伏安特性☞反向特性√与二极管反向特性类似√在反向阻断状态，只有极小的反向漏电正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+图2-9晶闸管的伏安特性URSM反向重复峰值电压半控器件——晶闸管2.32.3.2晶闸管的基本特性基本特性静态特性正向特性反向特性动态特性开通过程关断过程半控器件——晶闸管2.3图2-10晶闸管的开通和关断过程波形uAKttO0iA半控器件——晶闸管2.3图2-10晶闸管的开通和关断过程波形100%10%uAKttO0tdiA半控器件——晶闸管2.3图2-10晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtriA半控器件——晶闸管2.3图2-10晶闸管的开通和关断过程波形100%uAKttO0trriA半控器件——晶闸管2.3图2-10晶闸管的开通和关断过程波形100%uAKttO0tgriA半控器件——晶闸管2.3图2-10晶闸管的开通和关断过程波形100%uAKttO0trrtgriA半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.4晶闸管的派生器件半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电压定额◆断态重复峰值电压UDRM☞允许重复加在器件上的正向峰值电压☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+UDSM断态重复峰值电压半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电压定额◆断态重复峰值电压UDRM☞允许重复加在器件上的正向峰值电压☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+URRM反向重复峰值电压半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电压定额◆断态重复峰值电压UDRM☞允许重复加在器件上的正向峰值电压☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo◆反向重复峰值电压URRM☞允许重复加在器件上的反向峰值电压☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电压定额◆断态重复峰值电压UDRM☞允许重复加在器件上的正向峰值电压☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo◆反向重复峰值电压URRM☞允许重复加在器件上的反向峰值电压☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。◆通态（峰值）电压UT☞通以某一通态平均电流时，管子的瞬态峰值电压。半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电压定额◆断态重复峰值电压UDRM☞允许重复加在器件上的正向峰值电压☞断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo◆反向重复峰值电压URRM☞允许重复加在器件上的反向峰值电压☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。◆通态（峰值）电压UT☞通以某一通态平均电流时，管子的瞬态峰值电压。◆额定电压为UDRM和URRM中的较小标值半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电流定额◆通态平均电流IT(AV）☞允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电流定额◆通态平均电流IT(AV）☞允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值◆维持电流IH☞晶闸管维持导通所必需的最小电流☞结温越高，则IH越小。半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电流定额◆通态平均电流IT(AV）☞允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值◆维持电流IH☞晶闸管维持导通所必需的最小电流☞结温越高，则IH越小。◆擎住电流IL☞刚从断态转入通态并移除触发信号后，维持导通所需的最小电流半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■电流定额◆通态平均电流IT(AV）☞允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值◆维持电流IH☞晶闸管维持导通所必需的最小电流☞结温越高，则IH越小。◆擎住电流IL☞刚从断态转入通态并移除触发信号后，维持导通所需的最小电流◆浪涌电流ITSM☞不重复性最大正向过载电流半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数■动态参数◆开通时间tgt和关断时间tq◆断态电压临界上升率du/dt☞不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率◆通态电流临界上升率di/dt☞晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率datasheet半控器件——晶闸管2.32.3.3晶闸管的主要参数2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.4晶闸管的派生器件半控器件——晶闸管2.32.3.4晶闸管的派生器件■快速晶闸管——改善开关和管短时间■双向晶闸管——增加开通方向■逆导晶闸管——不需要反向阻断■光控晶闸管——光触发半控器件——晶闸管2.32.3.4晶闸管的派生器件■快速晶闸管◆快速晶闸管和高频晶闸管◆开关时间、du/dt、di/dt的耐量明显改善◆关断时间，快速管为数十微秒，高频管10s左右◆不足：电压和电流定额都不高◆不能忽略其开关损耗的发热效应半控器件——