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第2章 电力电子器件概述 习题第1部分：填空题1. 电力电子器件是直接用于（主）电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。
2. 主电路是在电气设备或电力系统中，直接承担（电能的变换或控制任务） 的电路。
3.处理信息的电子器件一般工作于放大状态，而电力电子器件一般工作在（开关）状态。
4. 电力电子器件组成的系统，一般由（控制电路）、（驱动电路）、（保护电路）、（主电路）四部分组成。
5. 按照器件能够被控制的程度，电力电子器件可分为以下三类：（半控型）、（全控型） 和（不控型）。
6．按照驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下分为两类：（电流驱动型） 和（电压驱动型）7. 电力二极管的主要类型有（普通二极管）、（ 快恢复二极管）、（肖特基二极管）。
8. 普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高,一般为（1K ）Hz 以下的整流电路。
其反向恢复时间较长，一般在(5us)以上。
9.快恢复二极管简称快速二极管，其反向恢复时间较短，一般在(5us)以下。
10.晶闸管的基本工作特性可概括为：承受反向电压时，不论（门极是否有触发电流），晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在（门极有触发电流）情况下，晶闸管才能导通；晶闸管一旦导通，（门极）就失去控制作用。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流（降到接近于零的某一数值以下）。
11.晶闸管的派生器件有：（快速晶闸管）、（双向晶闸管）、（逆导晶闸管）、（光控晶闸管）。
12. 普通晶闸管关断时间（一般为数百微秒），快速晶闸管（一般为数十微秒），高频晶闸管（10us ）左右。
高频晶闸管的不足在于其（电压和电流定额）不易提高。
13.（双向晶闸管）可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。
14.逆导晶闸管是将（晶闸管）反并联一个（二极管）制作在同一管芯上的功率集成器件。
15. 光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用（一定波长的光照信号）触发导通的晶闸管。
光触发保证了主电路与控制电路之间的（绝缘），且可避免电磁干扰的影响。
2016电力电子技术作业：第二章总结班级：XXXXXX学号：XXXXXXX姓名：XXXXXX第二章电力电子器件总结1.概述不可控器件——电力二极管(Power Diode) GPD FRD SBD半控型器件——晶闸管(Thyristor) FST TRIAC LTT典型全控型器件GTO GTR MOSFET IGBT其他新型电力电子器件MCT SIT SITH IGCT功率集成电路与集成电力电子模块HVIC SPIC IPM1.1相关概念主电路(Main Power Circuit):在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路｡电力电子器件(Power Electronic Device)是指可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件｡1.2特点电功率大,一般都远大于处理信息的电子器件｡一般都工作在开关状态｡由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路(主要对控制信号进行放大)｡功率损耗大,工作时一般都需要安装散热器｡通态损耗,断态损耗,开关损耗(开通损耗关断损耗) 开关频率较高时,可能成为器件功率损耗的主要因素｡电力电子器件在实际应用中的系统组成一般是由控制电路､驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统｡关键词电力电子系统电气隔离检测电路保护电路三个端子1.3电力电子器件的分类按能够被控制电路信号控制的程度不同可分为半控型器件(开通可控,关断不可控) 全控型器件(开通,关断都可控) 不可控器件(开通,关断都不可控)按照驱动信号的性质不同可分为电流驱动型电压驱动型按照驱动信号的波形(电力二极管除外)不同可分为脉冲触发型电平控制型按照载流子参与导电的情况不同可分为单极型器件(由一种载流子参与导电) 双极型器件(由电子和空穴两种载流子参与导电)复合型器件(由单极型器件和双极型器件集成混合而成,也称混合型器件) 关键词控制的程度驱动信号的性质､波形载流子参与导电的情况工作原理基本特性主要参数2不可控器件——电力二极管(Power Diode)2.1结构与工作原理电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的｡PN节(PN junction):采用不同的掺杂工艺,通过扩散作用,将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体(通常是硅或锗)基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN结｡N型半导体(N为Negative的字头,由于电子带负电荷而得此名):即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体｡P型半导体(P为Positive的字头,由于空穴带正电而得此名):即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体｡正向电流IF :当PN结外加正向电压(正向偏置)时,在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流｡反向截止状态:当PN结外加反向电压时(反向偏置)时,反向偏置的PN结表现为高阻态,几乎没有电流流过的状态｡反向击穿:PN结具有一定的反向耐压能力,但当施加的反向电压过大,反向电流将会急剧增大,破坏PN 结反向偏置为截止的工作状态｡雪崩击穿齐纳击穿(可以恢复) 热击穿(不可恢复)P-i-N结构电导调制效应(Conductivity Modulation):当正向电流较小时,管压降随正向电流的上升而增加;当正向电流较大时,电阻率明显下降,电导率大大增加的现象｡关键词少子扩散运动空间电荷区(耗尽层､阻挡区､势垒区)结电容C J:PN结中的电荷量随外加电压而变化,呈现电容效应｡(微分电容)扩散电容C D:扩散电容仅在正向偏置时起作用｡正向电压较高时,扩散电容为结电容主要成分｡势垒电容C B:势垒电容只在外加电压变化时才起作用,外加电压频率越高,势垒电容作用越明显｡在正向偏置时,当正向电压较低时,势垒电容为主｡作用:结电容影响PN结的工作频率,特别是在高速开关的状态下,可能使其单向导电性变差,甚至不能工作｡2.2基本特性静态特性(伏安特性)门槛电压U TO 正向电压降U F反向漏电流是由少子引起的微小而数值定｡动态特性结电容零偏置,正向偏置,反向偏置不能立即转换状态过渡过程正向偏置时延迟时间:t d=t1-t0电流下降时间:t f = t2 - t1反向恢复时间:t rr= t d + t f恢复特性的软度:S r= t f / t d,或称恢复系数,S r越大恢复特性越软｡由零偏置转换为正向偏置过冲U FP: 原因:1)电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存,在达到稳态导通之前管压降较大｡2)正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降｡电流上升率越大,UFP越高｡正向恢复时间:t fr2.3主要参数正向平均电流I F(AV) 正向压降U F反向重复峰值电压U RRM最高工作结温T JM反向恢复时间t rr浪涌电流I FSM2.4主要类型普通二极管(General Purpose Diode)快恢复二极管(Fast Recovery Diode,FRD)肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)3半控型器件——晶闸管(Silicon Controlled Rectifier,SCR)3.1结构和工作原理内部是PNPN四层半导体结构如图a) P1 区引出阳极A､N2 区引出阴极K､P2 区引出门极G 工作原理可以用双晶体管模型解释如右图b)｡工作过程关键词: I G V2 I c2 I c1正反馈触发门触发电路其他几种可能导通的情况阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高光触发结温较高只有门极触发是最精确､迅速而可靠的控制手段｡3.2基本特性静态特性正常工作特性当晶闸管承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通｡当晶闸管承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通｡晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用,不论门极触发电流是否还存在,晶闸管都保持导通｡若要使已导通的晶闸管关断,只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下｡伏安特性如右图所示包括正向特性和反向特性正向转折电压U bo维持电流I H反向最大瞬态电压U RSM反向重复峰值电压U RRM断态重复峰值电压U DRM断态最大瞬时电压U DSM动态特性如右图所示延迟时间t d (0.5~1.5μs)上升时间t r (0.5~3μs)开通时间t gt=t d+t r反向阻断恢复时间t rr正向阻断恢复时间t gr关断时间t q=t rr+t gr3.3主要参数(包括电压定额和电流定额)电压定额断态重复峰值电压U DRM反向重复峰值电压U RRM通态(峰值)电压U T通常取晶闸管的U DRM和U RRM中较小的标值作为该器件的额定电压｡选用时,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍｡电流定额通态平均电流I T(AV)维持电流I H擎住电流I L浪涌电流I TSM动态参数开通时间t gt和关断时间t q断态电压临界上升率d u/d t通态电流临界上升率d i/d t3.4晶闸管的派生器件快速晶闸管(Fast Switching Thyristor, FST)双向晶闸管(Triode AC Switch——TRIAC or Bidirectional Triode Thyristor) 逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)光控晶闸管(Light Triggered Thyristor, LTT)典型全控型器件4门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor, GTO)晶闸管的一种派生器件,但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断,因而属于全控型器件｡4.1结构与工作原理其结构原理可以参考晶闸管数十个甚至数百个小GTO单元4.2基本特性静态特性和普通晶闸管类似动态特性储存时间t s下降时间t f尾部时间t t4.3主要参数最大可关断阳极电流I ATO电流关断增益 off开通时间t on关断时间t off5电力晶体管(Giant Transistor, GTR)5.1结构和工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的｡最主要的特性是耐压高､电流大､开关特性好｡达林顿接法单元结构并联三层半导体两个PN结5.2基本特性右图所示静态特性右图所示动态特性右图所示5.3主要参数电流放大倍数 直流电流增益h FE集电极与发射极间漏电流I ceo 集电极和发射极间饱和压降U ces 开通时间t on 和关断时间t off 最高工作电压BU ceo :基极开路时集电极和发射极间的击穿电压实际使用GTR 时,为了确保安全,最高工作电压要比BU ceo 低得多｡ 集电极最大允许电流I cM 集电极最大耗散功率P cM6电力场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor FET, MOSFET) 6.1结构和工作原理6.3基本特性静态特性动态特性MOSFET 的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系,可以降低栅极驱动电路的内阻R s ,从而减小栅极回路的充放电时间常数,加快开关速度｡6.4主要参数跨导G fs ､开启电压U T 以及开关过程中的各时间参数｡漏极电压U DS漏极直流电流I D 和漏极脉冲电流幅值I DM 栅源电压U GS极间电容 C GS ､C GD 和C DS ｡N +GS DP 沟道b)N +N -S GD P P N +N +N +沟道a)GS DN 沟道图1-19漏源间的耐压､漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区｡7绝缘栅双极晶体管(Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT or IGT) 综合了GTR和MOSFET的优点场控器件7.1结构和工作原理内部结构图其开通和关断是由栅极和发射极间的电压U GE决定的｡7.2基本特性静态特性转移特性输出特性动态特性开通过程开通延迟时间t d(on)电流上升时间t r电压下降时间t fv开通时间t on= t d(on)+t r+t fvt fv分为t fv1和t fv2两段｡关断过程关断延迟时间t d(off)电压上升时间t rv电流下降时间t fi关断时间t off = t d(off) +t rv+t fit fi分为t fi1和t fi2两段7.3主要参数最大集射极间电压U CES最大集电极电流最大集电极功耗P CM8其他新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT基于宽禁带半导体材料的电力电子器件。
第2章 电力电子器件2.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定? 答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阴极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。
导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压U A 决定。
2.2晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流I A 减小，I A 下降到维持电流I H 以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。
进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压U A 决定。
2.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流I H 会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。
2.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？答：非正常导通方式有：(1) I g =0，阳极电压升高至相当高的数值；(2) 阳极电压上升率du/dt 过高；(3) 结温过高。
2.5请简述晶闸管的关断时间定义。
答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。
即gr rr q t t t +=。
2.6试说明晶闸管有哪些派生器件？答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。
2.7请简述光控晶闸管的有关特征。
答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。
主要用于高压大功率场合。
2.8型号为KP100-3，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用在图题2.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)图题2.8答：（a ）因为H A I mA K VI <=Ω=250100，所以不合理。
(b)A VI A 2010200=Ω=, KP100的电流额定值为100Ａ，裕量达５倍，太大了。
（c ）A VI A 1501150=Ω=，大于额定值，所以不合理。
2.9 图题2.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为I m ，试计算各图的电流平均值．电流有效值和波形系数。
图题2．9解：图(a)： I T(A V )=π21⎰πωω0)(sin t td I m =πmII T =⎰πωωπ2)()sin (21t d t I m =2mI K f =)(AV T T I I =1.57图(b)： I T(A V )=π1⎰πωω0)(sin t td I m =π2I mI T =⎰πωωπ2)()sin (1t d t I m =2m IK f =)(AV T T I I =1.11图(c)： I T(A V )=π1⎰ππωω3)(sin t td I m =π23I m I T =⎰ππωωπ32)()sin (1t d t I m = I mm I 63.08331≈+πK f =)(AV T T I I =1.26图(d)： I T(A V )=π21⎰ππωω3)(sin t td I m =π43I m I T =⎰ππωωπ32)()sin (21t d t I m = I m m I 52.06361≈+πK f =)(AV T T I I =1.78图(e)： I T(A V )=π21⎰40)(πωt d I m =8mI I T =⎰402)(21πωπt d I m =22m IK f =)(AV T T I I =2.83图(f)： I T(A V )=π21⎰20)(πωt d I m =4mI I T =⎰202)(21πωπt d I m =2mI K f =)(AV T T I I =22.10上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A 的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?解：(a)图波形系数为1.57，则有： 1.57)(AV T I ⨯=1.57⨯100A , I T(A V) = 100 A(b)图波形系数为1.11，则有： 1.11)(AV T I ⨯=1.57⨯100A , I T(A V)=141.4A (c)图波形系数为1.26，则有： 1.26)(AV T I ⨯=1.57⨯100A , I T(A V)=124.6A (d)图波形系数为1.78，则有： 1.78)(AV T I ⨯=1.57⨯100A , I T(A V)=88.2A (e)图波形系数为2.83，则有： 2.83)(AV T I ⨯=1.57⨯100A, I T(A V)=55.5A (f)图波形系数为2，则有： 2)(AV T I ⨯=1.57⨯100A , I T(A V)=78.5A 2.11某晶闸管型号规格为KP200-8D ，试问型号规格代表什么意义?解：KP 代表普通型晶闸管，200代表其晶闸管的额定电流为200A ，8代表晶闸管的正反向峰值电压为800V ，D 代表通态平均压降为V U V T 7.06.0<<。
2.12 如图题2.12所示，试画出负载R d 上的电压波形(不考虑管子的导通压降)。
图题2.12 解：其波形如下图所示：2.13在图题2.13中，若要使用单次脉冲触发晶闸管T 导通，门极触发信号（触发电压为脉冲）的宽度最小应为多少微秒（设晶闸管的擎住电流I L =15mA ）？图题2.13解：由题意可得晶闸管导通时的回路方程：E Ri dtdi LA A=+ 可解得 )1(τtA e R Ei --=， τ =RL =1要维维持持晶闸管导通，)(t i A 必须在擎住电流I L 以上，即31015)1(5.050--⨯≥-t e s t μ150101506=⨯≥-， 所以脉冲宽度必须大于150µs。
2.14单相正弦交流电源，晶闸管和负载电阻串联如图题2.14所示，交流电源电压有效值为220V 。
(1)考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压？(2)若当电流的波形系数为K f =2.22时，通过晶闸管的有效电流为100A ，考虑晶闸管的安全余量，应如何选择晶闸管的额定电流？图题2.14解：（1）考虑安全余量, 取实际工作电压的2倍U T =2×U Tm =2⨯220≈2622V, 取600V （2）因为K f =2.22, 取两倍的裕量，则：~220V2I T(A V)A 10022.2⨯≥得： I T(A V)=111(A) 取100A 。
2.15 什么叫GTR 的一次击穿?什么叫GTR 的二次击穿?答：处于工作状态的GTR ，当其集电极反偏电压U CE 渐增大电压定额BU CEO 时，集电极电流I C 急剧增大（雪崩击穿），但此时集电极的电压基本保持不变，这叫一次击穿。
发生一次击穿时，如果继续增大U CE ，又不限制I C ，I C 上升到临界值时，U CE 突然下降，而I C 继续增大（负载效应），这个现象称为二次击穿。
2.16怎样确定GTR 的安全工作区SOA?答：安全工作区是指在输出特性曲线图上GTR 能够安全运行的电流、电压的极限范围。
按基极偏量分类可分为：正偏安全工作区FBSOA 和反偏安全工作区RBSOA 。
正偏工作区又叫开通工作区，它是基极正向偏量条件下由GTR 的最大允许集电极功耗P CM 以及二次击穿功率P SB ，I CM ，BU CEO 四条限制线所围成的区域。
反偏安全工作区又称为GTR 的关断安全工作区，它表示在反向偏置状态下GTR 关断过程中电压U CE ，电流I C 限制界线所围成的区域。
2.17 GTR 对基极驱动电路的要求是什么？ 答：要求如下：（1）提供合适的正反向基流以保证GTR 可靠导通与关断， （2）实现主电路与控制电路隔离，（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏GTR 。
（4）电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。
2.18在大功率GTR 组成的开关电路中为什么要加缓冲电路?答：缓冲电路可以使GTR 在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了GTR 同时承受高电压、大电流。
另一方面，缓冲电路也可以使GTR 的集电极电压变化率dtdu和集电极电流变化率dtdi得到有效值抑制，减小开关损耗和防止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR 。
2.19与GTR 相比功率MOS 管有何优缺点?答：GTR 是电流型器件，功率MOS 是电压型器件，与GTR 相比，功率MOS 管的工作速度快，开关频率高，驱动功率小且驱动电路简单，无二次击穿问题，安全工作区宽，并且输入阻抗可达几十兆欧。
但功率MOS 的缺点有：电流容量低，承受反向电压小。
2.20从结构上讲，功率MOS 管与VDMOS 管有何区别?答：功率MOS 采用水平结构，器件的源极S ，栅极G 和漏极D 均被置于硅片的一侧，通态电阻大，性能差，硅片利用率低。
VDMOS 采用二次扩散形式的P 形区的N +型区在硅片表面的结深之差来形成极短的、可精确控制的沟道长度（1~3m ）、制成垂直导电结构可以直接装漏极、电流容量大、集成度高。
2.21试说明VDMOS 的安全工作区。
答：VDMOS 的安全工作区分为：（1）正向偏置安全工作区，由漏电源通态电阻限制线，最大漏极电流限制线，最大功耗限制线，最大漏源电压限制线构成。
（2）开关安全工作区：由最大峰值漏极电流I CM ，最大漏源击穿电压BU DS 最高结温I JM 所决定。
（3）换向安全工作区：换向速度dtdi一定时，由漏极正向电压U DS 和二极管的正向电流的安全运行极限值I FM 决定。
2.22试简述功率场效应管在应用中的注意事项。
答：（1）过电流保护，（2）过电压保护，（3）过热保护，（4）防静电。
2.23与GTR 、VDMOS 相比，IGBT 管有何特点?答：IGBT 的开关速度快，其开关时间是同容量GTR 的1/10，IGBT 电流容量大，是同容量MOS 的10倍；与VDMOS 、GTR 相比，IGBT 的耐压可以做得很高，最大允许电压U CEM 可达4500V ，IGBT 的最高允许结温T JM 为150℃，而且IGBT 的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性；通态压降是同一耐压规格VDMOS 的1/10，输入阻抗与MOS 同。
2.24下表给出了1200V 和不同等级电流容量IGBT 管的栅极电阻推荐值。
试说明为什么随着电流容量的增大，栅极电阻值相应减小？答：对一定值的集电极电流，栅极电阻增大栅极电路的时间常数相应增大，关断时栅压下降到关断门限电压的时间变长，于是IGBT 的关断损耗增大。
