电力电子技术——第二章 电力电子器件

3. 全控器件 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断。GTO、 GTR、功率MOSFET、IGBT等均属于全控型器件。
2.1.2 按载流子类型分
1. 单极型器件 由一种载流子参与导电的器件，称为单极型器件， 如功率MOSFET、静电感应晶体管SIT等。
2. 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件，称为 双极型器件，如PN结整流管、普通晶闸管、电力 晶体管等。
第2章 电力电子器件
2.1 电力电子器件分类 2.2 晶闸管原理与特性 2.3 特殊用途晶闸管 2.4 常用全控型器件
第2章 电力电子器件
电力电子器件是构成电力电子设备的基本元器件， 是电力电子技术的基础，其原理、特性和应用方 法及典型电路决定着电力电子电路及应用系统的 性能、价格和可靠性。 本章介绍电力电子器件的概念、分类、特点，以 及各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、 主要参数及其选择和使用中应注意的一些问题。 本章要求掌握电力电子器件的分类、基本电力电 子器件的结构、原理、特性，以及使用方法。
3. 混合型器件 由单极型和双极型两种器件组成的复合型器件， 称为混合型器件，如IGBT、MCT等。
2.1.3 按控制信号性质分
1. 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，代表器件如晶闸管、 电力晶体管等。 电流控制型器件的特点是：①在器件体内有电子和空穴两种载流子导 电，由导通转向阻断时，两种载流子在复合过程中产生热量，使器件 结温升高。过高的结温限制了工作频率的提高，因此，电流控制型器 件比电压控制型器件的工作频率低。②电流控制型器件具有电导调制 效应，使其导通压降很低，导通损耗较小。③电流控制型器件的控制 极输入阻抗低，控制电流和控制功率较大，电路也比较复杂。
2.2.1 晶闸管基本结构
(a)螺栓形 (b)平板形 (c) 塑封形 (d)集成封装形 (e)模块形 (f)结构 (g)电气图形符号 图2.1 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
2.2.2 晶闸管工作原理
1. 导通/关断实验
V
R
UU RRK
A
S 2
G
VU AK
正
K 反
E
G
IIAK
A
R W
反
正
E A
2) 反向伏安特性 晶闸管承受反向阳极电压时，由于J1、J3结处于反向偏置 状态，晶闸管流过的电流仅由各区少数载流子形成，只有 极小的反向漏电流通过，这就是器件的反向阻断状态。 随着反向电压的增加，穿过J2结的少数载流子稍有增加， 反向漏电流逐渐增大。
2.2.3 晶闸管基本特性
3) 晶闸管的门极特性 该门极伏安特性被划分为三个区 域，一个是不触发区，一个是不 可靠触发区，一个是可靠触发区。 不触发区是为了使晶闸管具有一 定的抗干扰能力。 不可靠触发区触发电路所提供的 触发信号值若在此范围时，该批 晶闸管不会全部都被触发导通。 可靠触发区则是为了保证晶闸管 可靠安全的触发，门极触发电路 应提供的触发电压、触发电流和 功率及应受到限制的区域。
2.2.2 晶闸管工作原理
2. 晶闸管的基本工作原理 1) 阻断状态分析
当门极开路、给晶闸管加正向阳极电压(阳极电位高于阴 极电位)时，则J1和J3结承受正向电压；而J2结承受反向 电压、处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处于阻断 状态，只能流过很小的漏电流，称为晶闸管的正向阻断状 态。 当给晶闸管加反向电压(阴极电位高于阳极电位)时，J1和 J3结反偏，虽然J2结承受正向电压，但晶闸管也不能导通， 称为反向阻断状态，也仅有极小的反向漏电流通过。 当门极G开路时，无论在A、K间加正向电压还是反向电压， 均至少有一个PN结处于反偏，故其不会导通(正、反向均 处于阻断状态)，此时晶闸管具有正向和反向阻断能力。
S1
图2.2 晶闸管导通/关断实验电路
2.2.2 晶闸管工作原理
归纳以上实验结果，可见： 1) 晶闸管导通的条件
阳极加正向电压，同时门极加合适的正向触发电压。 2) 晶闸管关断的条件
使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流或突加反向电压。 3) 晶闸管的特点
① 单向导电性； ② 属半控型半导体器件； ③ 属电流控制器件。
2. 电压控制型器件 此类器件采用场控原理对其通/断状态进行控制，代表器件如功率 MOSFET、IGBT等。 电压控制型器件的特点是：①输入阻抗高，控制功率小，控制线路简 单。②工作频率高。③工作温度高，抗辐射能力强。
2.2 晶闸管原理与特性
2.2.1 晶闸管基本结构 2.2.2 晶闸管工作原理 2.2.3 晶闸管基本特性 2.2.4 晶闸管的主要参数
2.2.2 晶闸管工作原理
2) 导通状态分析 晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解 释，如图2.3所示。
(a)双晶体管模型 (b)工作原理 图2.3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
2.2.2 晶闸管工作原理
S闭合前：IG=0→Ib2=0→Ic2=0→Ib1=0→Ic1=0 ， 三极管V1和V2均处于截止状态，晶闸管处于正向 阻断状态。 开关S闭合，则外电路向门极注入电流IG，也就 是注入驱动电流，该电流最初就是晶体管V2的基 极电流Ib2，即产生集电极电流Ic2，它又是晶体 管Vl的基极电流，经V1放大后产生集电极电流Ic1， 而Ic1此时等于β1β2Ib2，比最初的驱动电流IG大 了许多。使V2的基极电流进一步增大，如此形成 强烈的正反馈，最后V1和V2完全进入饱和状态， 即晶闸2.1.1 按受控方式分 2.1.2 按载流子类型分 2.1.3 按控制信号性质分
2.1.1 按受控方式分
1. 不可控器件 器件本身没有导通、关断控制能力，需要根据电路条件决 定其导通、关断状态。这类器件包括普通整流二极管，肖 特基(Schottky)整流二极管等。
2. 半可控器件 通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断。这类器 件包括普通晶闸管，快速、光控、逆导、双向晶闸管等。
2.2.3 晶闸管基本特性
1. 晶闸管静态伏安特性
图2.4 晶闸管的伏安特性
2.2.3 晶闸管基本特性
1) 正向伏安特性 晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳极与阴极间施加 一定的正向阳极电压，器件也仍处于正向阻断状态，只有 很小的正向漏电流流过。 外加的阳极正向电压在其转折电压以下时，只要在门极注 入适当的电流(一般为毫安级)，器件也会立即进入正向导 通状态 。