第2章__电力电子器件
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第2章 电力电子器件概述 习题答案
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。
第2章 电力电子器件的基本特性
逆导晶闸管 (RCT)
I
G
K O
IG=0 U
A
a)
b)
图2.3.7 逆导晶闸管的电气 图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安 特性
§2.3.2
门极可关断晶闸管（GTO）
• 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 • 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。 同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下 导通，在负脉冲电流触发下关断。
2. 晶闸管的伏安特性
晶闸管导通时的A-K间 的电压（导通压降） 是非常小的，其典型 的平均压降为1～2V， 因此，晶闸管导通后 相当于“低阻态”。 晶闸管门极特性偏差 很大，即使同一额定 值的晶闸管之间其特 性也有所不同，所以 在设计门极触发电路 时，必须考虑这种偏 差。
图2-4 晶闸管的伏安特性
2.1.2
电力电子器件的种类
二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为 两种：
电流控制型器件： 此类器件采用电流信 号来实现导通或关断控 制。 如：晶闸管、门极可关 断晶闸管、功率晶体管、 IGCT等； 电压控制半导体器件： 这类器件采用电压控 制（场控原理控制）它 的通、断，输入控制端 基本上不流过控制电流 信号，用小功率信号就 可驱动它工作。 如：MOSFET管和IGBT管。
重点和难点
• • • •
电力电子器件的基本模型和分类 电力电子器件指标和特性 应用电力电子器件系统的组成 电力电子器件的驱动和保护类型及原理
§2.1
电力半导体器件的种类及应用
电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基 础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制 与应用。 定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的 半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。 广义上，电力电子器件可分为电真空器件和半导体 器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器 件。
电力电子技术第五版第二章答案
电力电子技术第五版课后习题答案第二章 电力电子器件2. 使晶闸管导通的条件是什么?答:使晶闸管导通的条件是:晶闸管承受正向阳极电压,并在门极施加触发电流（脉冲）。
或:u ＡK >0且ｕGK >0。
3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断? 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
要使晶闸管由导通变为关断，可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,即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
４． 图2-２７中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形,各波形的电流最大值均为I m ,试计算各波形的电流平均值Ｉd1、Ｉd2、Ｉd3与电流有效值I １、I 2、I ３。
π4π4π25π4a)b)c)图1-43图2-27 晶闸管导电波形解：a) I d1＝π21⎰ππωω4)(sin t td I m＝π2m I (122+)≈0.2717 I m I 1=⎰ππωωπ42)()sin (21t d t I m =2m I π2143+≈0.47６7 I m ｂ) I ｄ２ =π1⎰ππωω4)(sin t td I m =πm I (122+)≈0.5434 Ｉm I 2 ＝⎰ππωωπ42)()sin (1t d t I m =22m I π2143+≈0.6741I m c ） I d3＝π21⎰20)(πωt d I m=41I ｍ Ｉ3 =⎰202)(21πωπt d I m =21Ｉm5. 上题中如果不考虑安全裕量,问10０A 的晶闸管能送出的平均电流I ｄ1、I d ２、I d3各为多少?这时,相应的电流最大值Ｉｍ1、I ｍ2、I ｍ3各为多少?解：额定电流Ｉ Ｔ(ＡＶ） =100A 的晶闸管，允许的电流有效值Ｉ =15７A ，由上题计算结果知a) I m1≈4767.0I≈３29.35，ﻩﻩI d １≈０.2717 I m1≈89.48 b) I m2≈6741.0I≈232.90, I ｄ2≈0.５4３4 Ｉm2≈12６.56 c) I ｍ3=2 I ＝ 314,ﻩﻩﻩ I d3=41Ｉｍ3=78.5第三章 整流电路1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L ＝２０ｍH,U 2＝100V ，求当α＝0︒和6０︒时的负载电流I d ，并画出u ｄ与i ｄ波形。
电力电子复习资料
湖北理工学院电气学院电力电子复习课第一章绪论BY 12自动化张一鸣1、电力电子技术的概念定义:电力电子技术——应用于电力领域的电子技术,使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术.电力电子技术主要用于电力变换。
分为信息电子技术（信息处理）和电力电子技术（电力变换）。
2、电力变换通常可分为哪四大类？电力变换通常可分为四大类：交流变直流（整流）、直流变交流（逆变）、交流变交流（变频、变压）、直流变直流（斩波）。
第2章电力电子器件1、电力电子器件的概念电力电子器件：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。
2、电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分类：1.半控型器件，例如晶闸管;2.全控型器件，例如GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)，MOSFET(电力场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管);3.不可控器件，例如电力二极管;按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分类：1.电压驱动型器件，例如IGBT、MOSFET、SIT(静电感应晶闸管);2.电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO、GTR;根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分类：1.脉冲触发型，例如晶闸管、GTO;2.电子控制型，例如GTR、MOSFET、IGBT;按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参及导电的情况分类：1.单极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO、GTR;2.双极型器件，例如MOSFET、IGBT;3.复合型器件，例如MCT(MOS控制晶闸管);3、晶闸管的导通条件、关断条件、维持导通条件使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：uAK>0且uGK>0。
使导通了的晶闸管关断的条件是使流过晶闸管的电流减小至一个小的数值，即维持电流IH一下。
维持晶闸管导通的条件是，晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。
《电力电子技术》第2章 电力电子器件
电力电子器件是基础 电能进行变换和控制是核心
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上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：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。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
12/89
2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆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。
13/89
2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
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上节课内容回顾
• 二、电力电子器件
1、概念：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。
2、特性：大功率、开关特性、驱动电路、损耗大，加散热
3、组成：主电路、控制电路、检测电路。。。。
4、分类：
1）控制程度：不控器件、半控器件、全控器件
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2.1.3 电力电子器件的分类
■按照载流子参与导电的情况 ◆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。
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2.1.4 本章内容和学习要点
■本章内容 ◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其 它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作 原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的 一些问题。
检测
控
电路
制
保护
电
电路
路
驱动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
电路
V1 LR
V2
主电路
电气隔离
图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
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2.1.3 电力电子器件的分类
■按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。 ◆全控型器件 ☞目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关 断。 ◆不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode） ☞不能用控制信号来控制其通断。
■学习要点 ◆最重要的是掌握其基本特性。 ◆掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性 曲线的使用方法。 ◆了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。 ◆了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。
电力电子习题答案
第2章电力电子器件与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才能使它具有耐受高电压和大电流的能力解：1. 电力二极管是垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，提高通流能力 2.电力二极管在P区和N区多了一层低掺杂区，可以承受很高的电压而不致被击穿；3.具有电导调制效应。
使晶闸管导通的条件是什么答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或者U AK >0且U GK>0维持晶闸管导通的条件是什么怎样才能使晶闸管由导通变为关断答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
图2－27中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im , 试计算各波形的电流平均值I d1,I d2,I d3与电流有效值I1，I2，I3解:a) Id1= Im I1==b) Id2== Im I2= Imc) Id3== Im I3== Im.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少这时,相应的电流最大值Im1,Im2,Im3各为多少解:额定电流I T(AV)=100A的晶闸管,允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知a) Im1=I/=, ≈≈89.48Ab) Im2=I/ = Id2= =c) Im3=2I=314 Id3= =和普通晶闸管同为PNPN结构,为什么GTO能够自关断,而普通晶闸管不能答: GTO之所以能够自行关断,而普通晶闸管不能,是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：l)GTO 在设计时2α较大,这样晶体管V2控制灵敏,易于GTO 关断;2)GTO 导通时21αα+的更接近于l,普通晶闸管5.121≥+αα,而GTO 则为05.121≈+αα，GTO 的饱和程度不深,接近于临界饱和,这样为门极控制关断提供了有利条件;3)多元集成结构使每个GTO 元阴极面积很小, 门极和阴极间的距离大为缩短,使得P2极区所谓的横向电阻很小, 从而使从门极抽出较大的电流成为可能。
2.电力电子器件 (2) - 半控型器件
+
_
IG2 IG1 IG0
U DRM U BO U 正向转折电压 正向特性
IG2 >IG1 >IG0
o
反向转折电压
U
_ +
反向特性
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武汉科技大学信息科学与工程学院
电力电子器件
电 力 电 子 技 术
2.3.2 晶闸管的基本特性
(Power Electronics)
晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极 流出。 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。 门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极 之间施加触发电压而产生的。
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电力电子器件
电 力 电 子 技 术
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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理
(Power Electronics)
5
1、晶闸管的结构
具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。
外形有螺栓型和平板型两种封装。
有三个联接端。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧
电压或正向脉冲(正向触发电压)。EG>0 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反
馈，晶闸管仍可维持导通状态。
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电力电子器件
(Power Electronics) 电 力 电 子 技 术
2014-2-28
晶闸管关断的条件：
1. 必须使可控硅阳极电流减小,直
到正反馈效应不能维持。
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电 力 电 子 技 术
2、晶闸管的其它封装形式： 还有塑封和模块式两种封装。
武汉科技大学信息科学与工程学院
电力电子技术_洪乃刚_第二章电力电子器件
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2、晶闸管的电流参数 通态平均电流和额定电流 通态平均电流IAV国际规 定是在环境温度为40°C和在规定冷却条件下，稳定结 温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大正弦半 波电流的平均值。晶闸管以通态平均电流标定为额定 电流。 当通过晶闸管的电流不是正弦半波时，选择额定 电流就需要将实际通过晶闸管电流的有效值IT折算为 正弦半波电流的平均值，其折算过程如下： 通过晶闸管正弦半波电流的平均值 ：
晶闸管开通和关断过程
晶闸管在受反向电压关断时，反向阻断恢复时间 trr，正向电压阻断能力恢复的这段时间称为正向阻断 恢复时间tgr，晶闸管的关断时间toff=trr+tgr，约为 数百微秒。 （2）dv/dt和di/dt限制 晶闸管在断态时，如果加在阳极上的正向电压上 升率dv/dt很大会使晶闸管误导通，因此，对晶闸管正 向电压的dv/dt需要作一定的限制。 晶闸管在导通过程中，如果电流上升率di/dt很 大 会引起局部结面过热使晶闸管烧坏，因此，在晶闸 管导通过程中对di/dt也要有一定的限制。
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二、电力二极管的伏安特性
当施加在二极管上的正向电压大于UTO 时， 二极管导通。当二极管受反向电压时，二极管仅 有很小的反向漏电流（也称反向饱和电流）。
二极管的伏安特性
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三、电力二极管的主要参数
A、额定电压 B、额定电流 C、结温
电力二极管实物图
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A、电力二极管的额定电压 反向重复峰值电压和额定电压： 额定电压即是能够反复施加在二极管上，二极 管不会被击穿的最高反向重复峰值电压URRM，该电压 一般是击穿电压UB的2/3。在使用中额定电压一般取 二极管在电路中可能承受的最高反向电压（在交流 电路中是交流电压峰值），并增加一定的安全裕量。
电力电子技术2.1-2.2
转换为可以被主电路所接收的信息。
5）保护电路：用于保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠工作。 因为主电路中有电压和电流的冲击，而电力电子器 件一般比主电路中的普通器件昂贵，但承受过电压和过 电流的能力却要差一些，所以保护电路的存在是非常必 要的。 6）电气隔离：将主电路和控制电路等进行安全隔离，而 通过光、磁等来传递信号。 因为主电路中电流和电压较大，而控制电路中的元 器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制 电路连接的路径上需要进行电气隔离。例如：驱动电路 与主电路的连接处、与控制信号的连接处，主电路与检 测电路的连接处。
④PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称 为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类： A—势垒电容CB： 它只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，其作 用越明显。 它的大小与PN结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。 B—扩散电容CD： 它仅在正向偏置时起作用。 在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主 要成份，正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。 注意：结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态 下，可使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时要注意。
4 电力电子器件的分类
（1）按照器件的开关控制特性分类：分为三类 ①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而是需要根据 电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管。 ②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的 电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管及其大部分派生器件。 ③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器 件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管GTR、功率场效应晶 体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
5）保护电路：用于保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠工作。 因为主电路中有电压和电流的冲击，而电力电子器 件一般比主电路中的普通器件昂贵，但承受过电压和过 电流的能力却要差一些，所以保护电路的存在是非常必 要的。 6）电气隔离：将主电路和控制电路等进行安全隔离，而 通过光、磁等来传递信号。 因为主电路中电流和电压较大，而控制电路中的元 器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制 电路连接的路径上需要进行电气隔离。例如：驱动电路 与主电路的连接处、与控制信号的连接处，主电路与检 测电路的连接处。
④PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称 为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类： A—势垒电容CB： 它只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，其作 用越明显。 它的大小与PN结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。 B—扩散电容CD： 它仅在正向偏置时起作用。 在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主 要成份，正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。 注意：结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态 下，可使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时要注意。
4 电力电子器件的分类
（1）按照器件的开关控制特性分类：分为三类 ①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而是需要根据 电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管。 ②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的 电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管及其大部分派生器件。 ③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器 件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管GTR、功率场效应晶 体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
电力电子器件
◆从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速
晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。
◆高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
◆由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
2.3.4 晶闸管的派生器件
I
■双向晶闸管（Triode AC
2.3.3 晶闸管的主要参数
■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是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。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值 电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 ☞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 ☞是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。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压 （即反向最大瞬态电压）URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
电子器件
2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
■基本概念 ◆ 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多
个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 ◆对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，
从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自
时间短、高温特性好、额 定结温高等优点，可用于 不需要阻断反向电压的电 路中。
K G
A
I O
IG=0 U
a)
b)
图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.3.4 晶闸管的派生器件
■光控晶闸管（Light
晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。
◆高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
◆由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的 通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
2.3.4 晶闸管的派生器件
I
■双向晶闸管（Triode AC
2.3.3 晶闸管的主要参数
■电压定额 ◆断态重复峰值电压UDRM ☞是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。 ☞国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值 电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 ☞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 ☞是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。 ☞规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压 （即反向最大瞬态电压）URSM的90%。 ☞反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。
电子器件
2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
■基本概念 ◆ 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多
个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 ◆可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 ◆对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，
从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自
时间短、高温特性好、额 定结温高等优点，可用于 不需要阻断反向电压的电 路中。
K G
A
I O
IG=0 U
a)
b)
图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
2.3.4 晶闸管的派生器件
■光控晶闸管（Light
电力电子技术第二章
电
力
电
子
技
术
2．2 电力电子器件基础
1．PN结的形成
完全纯净的、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。在常温下，本征 半导体可以激发出少量的自由电子，并出现相应数量的空穴，这两种不同极 性的带电粒子统称为载流子。 用适当的方法在本征半导体内掺入微量的杂质，会使半导体的导电能力 发生显著的变化，这种半导体称为杂质半导体。因掺入杂质化合价的不同， 杂质半导体分为电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体两类。 N型半导体的杂质为五价元素，在半导体晶体中能给出一个多余的电子， 故N型半导体内自由电子数远大于空穴数，则自由电子称为多数载流子（简 称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。而P型半导体中的杂质为三 价元素，能在半导体晶体中接受电子，使晶体中产生空穴，即P型半导体中 的空穴数远大于自由电子数，则空穴称为多数载流子，自由电子称为少数载 流子。
电
力
电
子
技
术
2．2．2电力电子器件的封装
图2-2是电力电子器件几种常见的封装形式
TO-220
TO-247
SOT-227
TO-64
TO-209
电
力
电
子
技
术
2．3 功率二极管
功率二极管（Power Diode） 属于不可控电力电子器件，是20世 纪最早获得应用的电力电子器件， 它在整流、逆变等领域都发挥着重 要的作用。基于导电机理和结构的 不同，二极管可分为结型二极管和 肖特基势垒二极管。 二极管的基本结构是半导体 PN结，具有单向导电性，正向偏 臵时表现为低阻态，形成正向电流， 称为正向导通；而反向偏臵时表现 为高阻态，几乎没有电流流过，称 为反向截止。
电
第二章全控型电力电子器件
3.特点
高频，容量大 反向耐压低（必须反接二极管） 模块化 驱动和保护有专用芯片
其他电力电子器件
MCT——MOS控制晶闸管 SIT——静电感应晶体管 SITH——静电感应晶闸管
1.单管GTR
单管GTR的基本工作原理与晶体管相同 作为大功率开关管应用时，GTR工作在截止和导
通两种状态。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好
2．达林顿GTR
单管 GTR的电流增益低，将给基极驱动电 路造成负担。达林顿结构是提高电流增益 一种有效方式。
达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成， 可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由 驱动管来决定
安全工作区
防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑 器件的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作 区。
4.特点
全控型，电流控制型 二次击穿（工作时要防止） 中大容量，开关频率较低
第三节 功率场效应晶体管（MOSFET）
S G
N+ P N+
N+ P N+
沟道
N-
N+
D
D
D
G： 栅极
D： 漏极
G
G
第二节 GTR——电力晶体管
➢ 电力晶体管GTR （Giant Transistor，巨型晶体管） ➢ 耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 （ Bipolar
Junction Transistor——BJT）， 英 文 有 时 候 也 称 为 Power BJT ➢ 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用 ➢ 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管， 但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代
电力电子技术2 全控型电力电子器件
当 多子栅的源堆电积压状UGS态<0，时不，可由能于出表现面反电型场层效，应无，导栅电极沟下道面形的成P型。体区表面呈 当 而形0<成UGS沟<U道T时。，栅极下面的P型体区表面呈耗尽状态，不会出现反型层 当 漏源UGS电>U压T时大，于栅0，极则下会面产的生P型漏体极区电发流生，反VD型MO而S形处成于导导通电状沟态道。。若此时 综述：VDMOS的漏极电流受控于栅源电压和漏源电压。
2．1 门极可关断晶闸管（GTO）
一、GTO的工作原理 GTO的内部结构与普通晶闸管相
同，是PNPN四层三端结构，但在 制作时采用特殊工艺使管子导通 后处于临界饱和，这样可以用门 极负脉冲电流破坏临界饱和使其 关断。 GTO主要用于直流变换和逆变等 需要元件强迫关断的地方。其开 关时间在几µs-25µs之间，工作 电压高达6000V，电流大6000A， 适用于开关频率为数百Hz至 10kHz的大功率场合。
2、VDMOS的主要参数
（区进1）入通饱态和电区阻时R漏on：极在至确源定极的间栅的源直电流压电U阻GS下称，为V通DM态OS电由阻可。调电阻
（压称2）为阈阈值值电电压压U。T：沟道体区表面发生强反型所需的最低栅源电
（3）跨导gm：gm=ΔID/ΔUGS，它表示UGS对ID的控制能力的大小。
有 一外般接不电会阻引限起制GT电R的流特IC性的变增坏大。，
如 大 时 （负继， ，阻续U当CE效增I突C上应大然升）U下C到E，降，A这，又点个而不（现限I临C象继制界称续I值C为的增）二大增
次击穿。
2．2 电力晶体管
（2）安全工作区(SOA)：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。
C图中，导通与关断用两个独立 电源，开关元件少，电路简单。
2．1 门极可关断晶闸管（GTO）
一、GTO的工作原理 GTO的内部结构与普通晶闸管相
同，是PNPN四层三端结构，但在 制作时采用特殊工艺使管子导通 后处于临界饱和，这样可以用门 极负脉冲电流破坏临界饱和使其 关断。 GTO主要用于直流变换和逆变等 需要元件强迫关断的地方。其开 关时间在几µs-25µs之间，工作 电压高达6000V，电流大6000A， 适用于开关频率为数百Hz至 10kHz的大功率场合。
2、VDMOS的主要参数
（区进1）入通饱态和电区阻时R漏on：极在至确源定极的间栅的源直电流压电U阻GS下称，为V通DM态OS电由阻可。调电阻
（压称2）为阈阈值值电电压压U。T：沟道体区表面发生强反型所需的最低栅源电
（3）跨导gm：gm=ΔID/ΔUGS，它表示UGS对ID的控制能力的大小。
有 一外般接不电会阻引限起制GT电R的流特IC性的变增坏大。，
如 大 时 （负继， ，阻续U当CE效增I突C上应大然升）U下C到E，降，A这，又点个而不（现限I临C象继制界称续I值C为的增）二大增
次击穿。
2．2 电力晶体管
（2）安全工作区(SOA)：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。
C图中，导通与关断用两个独立 电源，开关元件少，电路简单。
电力电子技术第2至第8章作业答案
第2至第8章作业第2章电力电子器件1. 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或：U AK >0且U GK >0。
2. 维持晶闸管导通的条件是什么？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
3. 怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：要使晶闸管由导通变为关断，可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，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。
4. 图1中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 1、I 2、I 3。
0022244254a)b)c)图1-430图1 晶闸管导电波形7. 晶闸管的触发脉冲需要满足哪些条件？答：（1）触发信号应有足够的功率。
（2）触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。
第3章整流电路1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L＝20mH，U2＝100V，求当α＝0°和60°时的负载电流I d，并画出u d与i d波形。
2．单相桥式全控整流电路，U2＝100V，负载中R＝2Ω，L值极大，当α＝30°时，要求：①作出u d、i d、和i2的波形；②求整流输出平均电压U d、电流I d，变压器二次电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
3．单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当a=30°时，要求：①作出u d、i d和i2的波形；②求整流输出平均电压U d、电流I d，变压器二次侧电流有效值I2；③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。
4．单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二极管在一周内承受的电压波形。
第二章电力电子器件
或者关断的控制，这类电力电子器件被称为电压控制型电力电子器件或者电 压驱动型电力电子器件。
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的使用特点 从使用角度出发，主要可从以下五个方面考察电力电子器件的性能特点。 (1)导通压降。电力电子器件工作在饱和导通状态时仍产生一定的管耗，管耗 与器件导通压降成正比。 (2)运行频率。受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开关时间越短， 器件可运行的频率越高。 (3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。 (4)耐冲击能力。这主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半控型器件的 耐冲击能力远高于全控型器件。 (5)可靠性。这主要是指器件防止误导通的能力。
普通二极管(Conventional Diode)又称整流二极管(Rectifier Diode)， 多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中 2. 快速恢复二极管
恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短(一般在5ms以下)的二极管被称 为快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)，简称快速二极管。 3. 肖特基势垒二极管
2.3 半控型器件—晶闸管及其派生器件
2. 晶闸管的工作原理 按图2.12所示电路 (1) 当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处
于关断状态。 (2) 当晶闸管承受正向阳极电压时，若门极不施加电压，晶闸管也处于关
断状态。即晶闸管具有正向阻断能力。 (3) 要使晶闸管由阻断变为导通，必须在晶闸管承受正向阳极电压时，同
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2.2 电力二极管
电力二极管的工作原理和基本特性
电力二极管的基本结构都是以半导体PN结为基础。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。图2.7所示为电力二极 管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺栓型和 平板型两种封装。
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2.1 电力电子器件概述
电力电子器件的使用特点 从使用角度出发，主要可从以下五个方面考察电力电子器件的性能特点。 (1)导通压降。电力电子器件工作在饱和导通状态时仍产生一定的管耗，管耗 与器件导通压降成正比。 (2)运行频率。受到开关损耗和系统控制分辨率的限制，器件的开关时间越短， 器件可运行的频率越高。 (3)器件容量。器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数。 (4)耐冲击能力。这主要是指器件短时间内承受过电流的能力。半控型器件的 耐冲击能力远高于全控型器件。 (5)可靠性。这主要是指器件防止误导通的能力。
普通二极管(Conventional Diode)又称整流二极管(Rectifier Diode)， 多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中 2. 快速恢复二极管
恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短(一般在5ms以下)的二极管被称 为快速恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)，简称快速二极管。 3. 肖特基势垒二极管
2.3 半控型器件—晶闸管及其派生器件
2. 晶闸管的工作原理 按图2.12所示电路 (1) 当晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，晶闸管都处
于关断状态。 (2) 当晶闸管承受正向阳极电压时，若门极不施加电压，晶闸管也处于关
断状态。即晶闸管具有正向阻断能力。 (3) 要使晶闸管由阻断变为导通，必须在晶闸管承受正向阳极电压时，同
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2.2 电力二极管
电力二极管的工作原理和基本特性
电力二极管的基本结构都是以半导体PN结为基础。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。图2.7所示为电力二极 管的外形、结构和电气图形符号。从外形上看，电力二极管主要有螺栓型和 平板型两种封装。
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混 合 IGBT 型
（
MCT
双 极
SITH
功率MOSFET 单 功率SIT 极 肖特基势垒二极管 型
电力电子器件分类树
图1-42
（
复 合 型
GTR
T TO RC G 型 晶闸管 TR LT IA T 电力二极管 C
2.2 不可控器件—电力二极管
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数
在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对 应的正向压降。
3） 反向重复峰值电压URRM
对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。
4）反向恢复时间trr
trr= td+ tf
5）最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。
TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。
之后， 迅速增大。
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
（2.4）
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来
1.阻断状态：IG=0， 1+2 很小。流过晶闸管的漏电流稍 大于两个晶体管漏电流之和。 2.开通状态：加正向阳极电压，且注入触发电流使晶体管
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
2.2.3 电力二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流——在指定的管壳温度和散热 条件下，其允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。
若流过二极管的电流 不是正弦半波，如 何选取二极管？
IF(AV) 是按照电流的发热效应来定义的，
UA IA 正向 导通
URSMURRM
IH O
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
随着门极电流幅值的增大， 正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小， 在1V左右。
2. 动态特性——因结电容的存在，正向、反向、零偏置
三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中 的电压—电流特性是随时间变化的。动态特性主要指开 关特性，开关特性反映通态和断态之间的转换过程 • 关断过程：
在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向 电压过冲 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入 截止状态
6) 浪涌电流IFSM
指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频 周期的过电流。
2.2.4
电力二极管的主要类型
按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能， 特别是反向恢复特性的不同介绍。
1) 普通二极管（General Purpose Diode）
又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高
2.1.2 按驱动信号类型分类
2.1.3 按器件内部载流子参与导电情况 分类分类
2.1.1
按可控性分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
不可控器件(Power Diode) ——不能用控制信号来控制其通断, 因此也 就不需要驱动电路。 半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控 制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET) ——通过控制信号既可控制其导通又可控制 其关 断，又称自关断器件。
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf
恢复特性的软度：下降时间
与延迟时间的比值tf /td，或称 恢复系数，用Sr表示
• 开通过程：
电力二极管的正向压降先出现一 个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近 稳态压降的某个值（如 2V）。这一 动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时 间来储存大量少子，达到稳态导 通前管压降较大
2.2.4 电力二极管的主要类型
2.2 不可控器件—电力二极管
Power Diode结构和原理简单，工作可靠， 自20世纪50年代初期就获得应用。
快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高 频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具 有不可替代的地位。
整流二极管及模块
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理
使用时应按有效值相等的原则来选取电 流定额，并应留有一定的裕量。
思考题
• 额定电流为100A的二极管， 1）允许通过幅值为多少的正弦半波电流？ 2）允许通过多大的任意波形的电流（不是 正弦半波）？
• 通过的电流不是工频，而是高频时，允许 通过的电流减小（为什么），因而要考虑 较大的裕量。
2）正向压降UF
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要 特征。
PN结的反向击穿（两种形式)
雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿
PN结的电容效应：
PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效 应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电 容CB和扩散电容CD。
电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关 状态。
式中1和2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2 分别是V1和V2的共基极漏电流。 由以上式可得 ：
IA
2 I G I CBO1 I CBO2
1 ( 1 2 )
图2-5 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
是随发射极电流变化的：
2.3
半控器件—晶闸管
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 2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件
2.3
半控器件—晶闸管
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。
IG2
IG1 IG=0
DRM bo A
• 正向阳极电压uAK在一定范围之内时，漏电+U U U O U U 流很小，1+2≈0 ，晶闸管处于正向阻断 雪崩 状态。 击穿 • 若增大uAK，漏电流增大，导致1和2增大， -I 当1+2≈1时，晶闸管转为正向导通状态， 称为正向转折。这时晶闸管属于失控现象， 使用时应当避免发生。
第2章 电力电子器件
2.1 电力电子器件的分类 2.2 不可控器件——二极管
2.3 半控型器件——晶闸管
2.4 典型全控型器件
2.5 其他新型电力电子器件
本章小结
教学要求
1.掌握各种电力电子器件的工作原理。 2.学会选择晶闸管的额定电压和额定 电流。
2.1
电力电子器件的分类
2.1.1 按可控性分类
3. 肖特基二极管
以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖 特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode ——SBD）。 肖特基二极管的弱点
反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。
肖特基二极管的优点
反向恢复时间很短（10~40ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。
工作原理
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
2.3.1
晶闸管的结构与工作原理
按晶体管的工作原理 ，得：
阳极总电流：IA = IC1 + IC2 Ic1 = a1IA + ICBO1 Ic2 = a2IK + ICBO2 I K = IA + I G
的发射极电流增大以致 1+2 趋近于1的话，流过晶闸管
的电流IA将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电 路决定。 3.恢复阻断状态：如果IA 减小，则 1+2 随之减小，当 IA<IH（维持电流）时， 1+2≈0，晶闸管恢复阻断状态。
IA
正向转折现象
URSMURRM IH
A
正向 导通
2) 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）
简称快速二极管 快恢复外延二极管
（Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED）， 其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左 右），但其反向耐压多在1200V以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。 前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下， 甚至达到20~30ns。
2.1.3 按器件内部载流子参与导电情 况分类
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导 电的情况分为三类： 1) 单极型器件(Unipolar Device)——由一种 载流子参与导电的器件
2) 双极型器件(Bipolar Device)——由电子和 空穴两种载流子参与导电的器件
3) 复合型器件(Complex Device)——由单极 型器件和双极型器件集成混合而成的器件
2.3.1
晶闸管的结构与工作原理
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且 安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。