常用电力电子器件介绍

常用电力电子器件介绍一、晶闸管(Thyristor)的结构及工作原理二、门极可关断晶闸管（GTO）三、大功率晶体管（GTR）四、功率场效应晶体管（MOSFET）五、绝缘栅双极晶体管（IGBT）复习提问•1、什么是直流电机，什么是交流电机？•2、三相异步电动机转速公式表达式。导入新课•从复习可知，直流电机结构复杂但调速效果好，而交流电机结构简单但调速效果一般，随着大功率可控整流器件的出现使得交流调速进入了实际应用的阶段。晶闸管(Thyristor)的结构及工作原理•晶闸管(Thyristor)俗称硅晶体闸流管。晶闸管通常有普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。普通晶闸管也叫可控硅，用SCR表示，国际通用名称为Thyristor简称T。•晶闸管的结构晶闸管内部是一种四层（P、N、P、N）结构，对外呈三端（A、G、K）大功率半导体器件，•它有三个PN结：J1、J2、J3。其外形有平板形和螺栓形，见图2.1（a）、(b)所示。三个引出端分别叫做阳极A、阴极K和门极G，门极也叫控制级。晶闸管的图形符号见图2.1(c)所示。图2.1晶闸管的外形和图形符号(a)平板形(b)螺栓形(c)图形符号GAKGAKAKG晶闸管的工作原理•由晶闸管的结构可知，晶闸管是一种四层三端器件，有J1、J2、J3三个PN结，见图2.2(a)所示.当把中间的N1和P2分为两部分，则可构成一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管的复合管，如图2.2(b)所示。•1.晶闸管的导电特性：单向导电特性和正向导通的可控性。•2.晶闸管的导通条件：•（1）晶闸管的阳极－阴极之间加正向电压。•（2）晶闸管的门极－阴极之间有正向触发电压,且有足够的触发电流。•3.维持电流：保持晶闸管导通的最小阳极电流。•由图2.2（c）可知，每个晶体管的集电极电流是另一个晶体管的基极电流。两个晶体管相互复合,当有足够的门极电流Ig时，就会形成强烈的正反馈，即•此时两个晶体管迅速饱和导通，即晶闸管饱和导通。•若要关断晶闸管，则应设法使晶闸管的阳极电流减小到维持电流以下。图2.2晶闸管的内部工作过程(a)(b)(c)KIKIc2EaREgIgGIc1IaPNPIb1IcaIb2NPNAKKGAAGKN2P2N1NP1P2N2P2N1P1J1J2J3门极可关断晶闸管（GTO）•门极可关断晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而来。从结构上看通常它有三个极：阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。其工作原理是：通过控制门极信号进行接通和关断晶闸管，其工作特点如下：•1.导通条件•在门极和阴极之间加一正向电压，即：G（＋）、K（－），GTO导通。•2.关断条件•在门极和阴极之间加一反向电压，G（－）、K（＋），GTO关断。•电路如图2-3所示•门极可关断晶闸管通断方便，是一种大功率无触点开关，它是逆变电路中的主要开关元件，广泛用在中小容量变频器中。但由于受到反向关断及工作频率的限制，门极可关断晶闸管正被新型的大功率晶体管GTR所取代，但是在大容量变频器，GTO以其工作电流大，耐压高的特性，仍得到普遍应用。图2-4GTR模块的内部电路E1BCEB2E2E2E1C2C1B1大功率晶体管（GTR）•（一）、基本结构•是一种大功率晶体管，又叫双极型晶体管（BJT），GTR在结构上常用达林顿结构形式，是由多个晶体管复合组成的大功率晶体管，通过与反相续流二极管并联组成一个模块，如图2-4所示。•GTR也具有三个极，分别是基极（B）、发射极（E）、集电极（C）。•（二）、GTR的工作特点•GTR如同普通的晶体管一样，也有三种工作状态，即放大、饱和及截止状态，在大功率可控电路中，GTR主要工作在饱和状态和截止状态。•由于GTR工作在大功率电路中，因此管子的功耗是一个不容忽视的问题，GTR在截止和饱和状态时其功耗是很小的，但是在放大状态其功耗将增大百倍，因此，逆变电路的GTR在交替切换的过程中是不允许在放大区稍做停留的。GTR具有自关断能力及开关时间短、饱和压降低、安全工作区宽等特点，广泛用于交流调速、变频电源中。在中小容量的变频器中，曾一度占据了主导地位。图2-5IGBT的基本电路uGEGECUCICRC功率场效应晶体管（MOSFET）•率场效应晶体管与场效应晶体管一样也是有三个极，分别是源极S、漏极D和栅极G，管子的连接及工作特性也基本与场效应晶体管一样。功率场效应晶体管属于电压控制型器件，自关断能力强，驱动功率很小，使用方便，开关频率比较高，无二次击穿现象。功率场效应晶体管在存放和运输中应有防静电装置，栅极不能开路工作，对于电感性负载应有适当的保护措施。绝缘栅双极晶体管（IGBT）•绝缘栅双极晶体管简称IGBT是一种集大功率晶体管（GTR）和功率场效应晶体管（MOSFET）两者于一身的复合型器件，它有三个极分别是集电极（C），发射极（E）和栅极（G），如图2-5所示。输入阻抗很高，，它既有MOS器件的工作速度快，驱动电路简单的特点，又具备了大功率晶体管的电流大，通态电压低的优点。•因为IGBT性能优良，所以它已全面取代了功率晶体管而成为中小容量电力变流装置中的主要器件，并广泛用于交流变频调速，开关电源及其他设备中。随着IGBT单管容量的不断提高，它已开始进入中大容量的电力变流装置中。