第2章变频器电力电子器件

第二章

电力电子器件

本章要点： 常用电力电子器件的结构和工作原理。 常用电力电子器件的应用特点。 智能电力模块及其应用。 技能目标： 会分析常用电力电子器件的特性曲线。 掌握常用电力电子器件的测试方法。 会利用相关设备做电力电子器件的试验。

2.1 电力二极管电力二极管(Power Diode,PD)是指可以承受高电 压、大电流，具有较大耗散功率的二极管，它与其他电 力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位 或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要作用。 2.1.1 结构与伏安特性 1.结构 电力二极管的内部 结构也是一个PN结，其 面积较大，电力二极管 引出两个极，分别称为 阳极A和阴极K。如图 2.1所示 图2.1

2.伏安特性 电力二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电 流之间的关系称为伏安特性，如图2.2所示。当从零逐 渐增大二极管的正向电压时，开始阳极电流很小，这 一段特性曲线很靠近横 坐标轴。当正向电压大 于0.5V时，正向阳极电 流急剧上升，管子正向 导通，如果电路中不接 限流元件，二极管将被 烧毁。

图2.2

2.1.2 主要参数 1.额定电流(正向平均电流)IF 2.反向重复峰值电压URRM 3.正向平均电压UF 4.最高工作结温TJM 2.1.3 电力二极管的参数选择及使用注意事项 1.参数选择 (1) 额定正向平均电流IF的选择原则。

(2)额定电压URRM的选择原则。

2.电力二极管使用注意事项(1)必须保证规定的冷却条件，如强迫风冷。如 不能满足规定的冷却条件，必须降低使用的容量。如 规定风冷元件使用在自冷条件时，只允许用到额定电 流的1/3左右。

(2)平板形元件的散热器一般不应自行拆装。(3)严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。如需检查 整机的耐压，应将元件短接。

2.2

晶闸管

晶闸管(Sillicon Controlled ,SCR)是硅晶体管 的简称，包括普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸 管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。 2.2.1 晶闸管的图像符号 晶闸管的种类 很多，从外形上看 主要有螺栓形和平 板形，3个引出端 分别叫做阳极A、 阴极K和门极G。

图2.3 晶闸管的图形符号

2.2.2 晶闸管的工作原理 晶闸管是四层(P1、N1、P2、N2)3端器件，有J1、J2、 J3三个PN结 ，如图2.4所示。晶闸管具有单向导电特性 和正向导通的可控性。需要导通时必须同时具备以下两 个条件。

图2.4 晶闸管的内部工作过程

(1)晶闸管的阳极—阴极之间加正向电压。 (2)晶闸管的门极—阴极之间加正向触发电压，且有足 够的门极电流。 晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管从关断变 为导通，必须使承受反向电压的PN结失去阻断作用。 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 ，即两个晶体管迅速饱和导通，即晶闸管饱和导通。晶闸 管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触 发电压一般为脉冲电压。晶闸管从阻断变为导通的过程 称为触发导通。要使导通的晶闸管阻断，必须将阳极电 流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。

2.2.3晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极之间的电压和电流之间的关系 ，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图2.5所示。

图2.5 晶闸管的阳极伏安特性曲线

2.2.4 晶闸管的参数 1.额定电压UTN 选择时应注意留有充分的裕量，一般应按工作电 路中可承受到的最大瞬时值电压UTM的2~3倍来选择 晶闸管的额定电压，即：

2.额定电流IT(AV) 由于晶闸管的过载能力差，在实际应用时额定电流 一般取1.5~2倍的安全裕量，即：

式中：IT为正弦半波电流的有效值。

3.通态平均电压UT(AV) 4.其他参数 (1)维持电流IH ; (2)擎住电流IL ; (3)通态浪涌电流ITSM ; (4)断态电压临界上升 率du/dt ; (5)通态电流临界上升率du/dt。 2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数 1.门极伏安特性

图2.6 晶闸管门极伏安特性

2.门极主要参数 (1)门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD。

(2)门极触发电压UGT和门极触发电流IGT 。(3)门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电IGM 。

和门极峰值功率PGM 。

2.3

门极可关断晶闸管

门极可关断(Gate Turn-Off,GTO)晶闸管，它具 有普通晶闸管的全部优点，但它还具有自关断能力， 属于全控器件。在质量、效率及可靠性方面有着明显 的优势，成为被广泛应用的自关断器件之一。 2.3.1 GTO晶闸管的结构 门极可关断晶闸管的结构与普通晶闸管相似，也 为PNPN 4层半导体结构、三端(阳极A、阴极K、门极 G)器件。内部结构、等效电路及符号如图2.7所示。

2.3.2 GTO晶闸管的工作原理 当GTO晶闸管的阳极加有正向电压，门极加有正向 触发电流IG时，通过N1P2N2晶体管的放大作用使IC2和IK 增加，IC2又作为晶体管P1N1P2的基极电流，经晶体管 P1N1P2放大使IC1和IA增加。IC1又作为N1P2N2晶体管的基 极电流，使IC2和IK进一步增加。增强式强烈的正反馈 过程，使GTO晶闸管很快饱和导通。

图2.7 GTO晶闸管的内部结构、等效电路及符号

为了表征门极对GTO晶闸管关断的控制作用，引 入门极控制增益 ， 可表示为

式中：IG<0时的 表示关断增益。 当GTO晶闸管已处于导通状态且阳极电流为IA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N1P2N2晶体管的基极电流减少，从而使IC

2 和IK减少，IC2的减少又使IA减少，也使IC2减少，也是 一个正反馈过程，但它是衰减式的。当IA和IK的减少 使( )﹤1时，等效晶体管P1N1P2和N1P2N2退出饱和 ，GTO晶闸管不再满足维持导通的条件，阳极电路很 快下降到零而关断。

2.3.3 GTO晶闸管的特性 1.阳极伏安特性 GTO晶闸管的阳极伏安特性与普通晶闸管相似。如 图2.8所示。

图2.8 GTO晶闸管的阳极伏安特性