第2章 電力電子器件

　　* 常用電力電子器件的結(jié)構(gòu)和工作原理。

　　* 常用電力電子器件的應(yīng)用特點(diǎn)。

　　* 智能電力模塊及其應(yīng)用。

　　* 會(huì)分析常用電力電子器件的特性曲線。

　　* 掌握常用電力電子器件的測(cè)試方法。

　　* 會(huì)利用相關(guān)設(shè)備做電力電子器件的試驗(yàn)。

　　2.1 電力二極管

　　電力二極管(Power Diode，PD)是指可以承受高電壓、大電流，具有較大耗散功率的二極管，它與其他電力電子器件相配合，作為整流、續(xù)流、電壓隔離、鉗位或保護(hù)元件，在各種變流電路中發(fā)揮著重要的作用。

　　電力二極管與小功率二極管的結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性相似，但它的主要參數(shù)的規(guī)定、選擇原則等不盡相同，使用時(shí)應(yīng)當(dāng)引起注意。

　　2.1.1 結(jié)構(gòu)與伏安特性

　　1．結(jié)構(gòu)

　　電力二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)，其面積較大，最新研制出的特殊二極管(如快速恢復(fù)二極管)，在制作工藝上有新的突破，使開關(guān)時(shí)間大為減少。

　　電力二極管引出兩個(gè)極，分別稱為陽(yáng)極A和陰極K，使用的符號(hào)也與中、小功率二極管一樣，如圖2.1所示。由于電力二極管的功耗較大，它的外形有螺旋式和平板式兩種。螺旋式二極管的陽(yáng)極緊拴在散熱器上。平板式二極管又分為風(fēng)冷式和水冷式，它的陽(yáng)極和陰極分別由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊緊夾住。

　　2．伏安特性

　　電力二極管的陽(yáng)極和陰極間的電壓和流過(guò)的電流之間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖2.2所示。當(dāng)從零逐漸增大二極管的正向電壓時(shí)，一開始，陽(yáng)極電流很小，這一段特性曲線很靠近橫坐標(biāo)軸。當(dāng)正向電壓大于0.5V時(shí)，正向陽(yáng)極電流急劇上升，二極管正向?qū)�通，如果電路中不接限流元件，二極管將被燒毀。

　　(a) 外形 (c) 電氣圖形符號(hào)

　　圖2.1 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

　　圖2.2 電力二極管的伏安特性

　　當(dāng)二極管加上反向電壓時(shí)，起始段的反向電流也很小，而且隨著反向電壓的增大，反向電流只略有增加，但當(dāng)反向電壓增加到反向不重復(fù)電壓值時(shí)，如圖2.2中的URSM所示，反向漏電流開始急劇增加。同樣，如果對(duì)反向電壓不加限制的話，二極管將被擊穿而損壞。

　　2.1.2 主要參數(shù)

　　1．額定電流(正向平均電流)IF

　　在規(guī)定的環(huán)境溫度為40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件PN結(jié)的溫度穩(wěn)定且不超過(guò)140℃時(shí)，允許長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)流過(guò)50Hz正弦半波的電流平均值，取規(guī)定系列的電流等級(jí)，即為元件的額定電流。

　　2．反向重復(fù)峰值電壓URRM

　　在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM(見圖2.2)的80%，稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。將URRM值取規(guī)定的電壓等級(jí)，就是該元件的額定電壓。

　　3．正向平均電壓UF

　　在規(guī)定的環(huán)境溫度40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通過(guò)50Hz正弦半波額定正向平均值電流時(shí)，元件陽(yáng)極和陰極之間的電壓的平均值，取規(guī)定系列組別，稱為正向平均電壓UF，簡(jiǎn)稱管壓降，范圍一般為0.45~1V。

　　4．最高工作結(jié)溫TJM

　　結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJM表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM的范圍通常為125~175℃。

　　2.1.3 電力二極管的參數(shù)選擇及使用注意事項(xiàng)

　　1．參數(shù)選擇

　　(1) 額定正向平均電流IF的選擇原則。在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，額定正向平均電流IF可按式(2-1)計(jì)算后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值，即：

　　(2-1)

　　式中IDM為流經(jīng)二極管的最大電流有效值。考慮到元件的過(guò)載能力較小，因此選擇時(shí)考慮1.5~2倍的安全余量。

　　(2) 額定電壓URRM的選擇原則。選擇電力二極管的反向重復(fù)峰值電壓URRM的原則是，電力二極管所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時(shí)值電壓UDM的2~3倍，即：

　　(2-2)

　　使用時(shí)取相應(yīng)系列值。

　　2．電力二極管使用時(shí)的注意事項(xiàng)

　　(1) 必須保證規(guī)定的冷卻條件，如強(qiáng)迫風(fēng)冷。如不能滿足規(guī)定的冷卻條件，必須降低使用的容量。如規(guī)定風(fēng)冷元件使用在自冷條件時(shí)，只允許用到額定電流的1/3左右。

　　(2) 平板形元件的散熱器一般不應(yīng)自行拆裝。

　　(3) 嚴(yán)禁用兆歐表檢查元件的絕緣情況。如需檢查整機(jī)的耐壓，應(yīng)將元件短接。

　　2.2 晶 閘 管

　　晶閘管(Silicon Controlled Rectifier，SCR)是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，包括普通晶閘管、雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管和快速晶閘管等。普通晶閘管又叫可控硅，常用SCR表示，國(guó)際通用名稱為Thyristor，簡(jiǎn)寫為T。

　　2.2.1 晶閘管的外形和圖形符號(hào)

　　晶閘管的種類很多，從外形上看，主要有螺栓形和平板形兩種，如圖2.3(a)、(b)所示。3個(gè)引出端分別叫作陽(yáng)極A、陰極K和門極G，門極又叫控制極。晶閘管的圖形符號(hào)如圖2.3(c)所示。

　　圖2.3 晶閘管的外形和圖形符號(hào)

　　2.2.2 晶閘管的工作原理

　　晶閘管是四層(P1、N1、P2、N2)的三端器件，有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)，如圖2.4(a)所示。如果把中間的N1和P2分為兩部分，就構(gòu)成了一個(gè)NPN型晶體管和一個(gè)PNP型晶體管的復(fù)合管，如圖2.4(b)所示。

　　晶閘管具有單向?qū)щ娞匦院驼�向�(qū)�通的可控性。需要�?dǎo)通時(shí)，必須同時(shí)具備以下兩個(gè)條件。

　　(1) 在晶閘管的“陽(yáng)極—陰極”之間加正向電壓。

　　(2) 在晶閘管的“門極—陰極”之間加正向觸發(fā)電壓，且有足夠的門極電流。

　　晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí)，為使晶閘管從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)失去阻斷作用。

　　如圖2.4(c)所示，每個(gè)晶體管的集電極電流是另一個(gè)晶體管的基極電流。兩個(gè)晶體管相互復(fù)合，當(dāng)有足夠的門極電流Ig時(shí)，就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋，即：

　　圖2.4 晶閘管的內(nèi)部工作過(guò)程

　　這時(shí)，兩個(gè)晶體管迅速飽和導(dǎo)通，即晶閘管飽和導(dǎo)通。

　　晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，因此，門極所加的觸發(fā)電壓一般為脈沖電壓。晶閘管從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過(guò)程稱為觸發(fā)導(dǎo)通。門極觸發(fā)電流一般只有幾十毫安到幾百毫安，而晶閘管導(dǎo)通后，從陽(yáng)極到陰極可以通過(guò)幾百安、幾千安的電流。要使導(dǎo)通的晶閘管阻斷，必須將陽(yáng)極電流降低到一個(gè)稱為維持電流的臨界極限值以下。

　　2.2.3 晶閘管的陽(yáng)極伏安特性

　　晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間的電壓和電流之間的關(guān)系，稱為陽(yáng)極伏安特性。其伏安特性曲線如圖2.5所示。

　　圖2.5 晶閘管的陽(yáng)極伏安特性曲線

　　在圖2.5中，第Ⅰ象限為正向特性，當(dāng)ia=0時(shí)，如果在晶閘管兩端所加的正向電壓ua未增加到正向轉(zhuǎn)折電壓UB0時(shí)，器件處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流。當(dāng)ua增加到UB0時(shí)，則漏電流急劇增大，器件導(dǎo)通，正向電壓降低，其特性與二極管的正向伏安特性相仿。通常不允許采用這種方法使晶閘管導(dǎo)通，因?yàn)檫@樣重復(fù)多次會(huì)造成晶閘管損壞。一般采用對(duì)晶閘管門極加足夠大的觸發(fā)電流使其導(dǎo)通，門極觸發(fā)電流越大，正向轉(zhuǎn)折電壓就越低。晶閘管的反向伏安特性如圖2.5中第Ⅲ象限所示，處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有很小的反向漏電流，當(dāng)反向電壓超過(guò)反向擊穿電壓UR0后，反向漏電流急劇增大，造成晶閘管反向擊穿而損壞。

　　2.2.4 晶閘管的參數(shù)

　　為了正確選擇和使用晶閘管，需要理解和掌握晶閘管的主要參數(shù)。

　　1．額定電壓UTM

　　由圖2.5所示晶閘管的陽(yáng)極伏安特性曲線可見，當(dāng)門極開路，器件處于額定結(jié)溫時(shí)，根據(jù)所測(cè)定的正向轉(zhuǎn)折電壓UB0和反向擊穿電壓UR0，由制造廠家規(guī)定減去某一數(shù)值(通常為100V)，分別得到正向不可重復(fù)峰值電壓UDSM和反向不可重復(fù)峰值電壓URSM，再各乘以0.9，即得到正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向阻斷重復(fù)峰值電壓URRM。將UDRM和URRM中較小的那個(gè)值取整后，作為該晶閘管的額定電壓值。

　　晶閘管使用時(shí)，若外加電壓超過(guò)反向擊穿電壓，會(huì)造成器件永久性損壞。若超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓，器件就會(huì)誤導(dǎo)通，經(jīng)數(shù)次這種導(dǎo)通后，也會(huì)造成器件損壞。此外，器件的耐壓還會(huì)因散熱條件惡化和結(jié)溫升高而降低。

　　因此，選擇時(shí)，應(yīng)注意留有充分的裕量，一般應(yīng)按工作電路中可承受到的最大瞬時(shí)值電壓UTM的2~3倍來(lái)選擇晶閘管的額定電壓，即：

　　=(2~3) (2-3)

　　2．額定電流IT(AV)

　　晶閘管的額定電流也稱為額定通態(tài)平均電流，即在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管在導(dǎo)通角不小于170°的電阻性負(fù)載電路中，當(dāng)不超過(guò)額定結(jié)溫且穩(wěn)定時(shí)，所允許通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取值，稱為該晶閘管的額定電流。

　　由于晶閘管的過(guò)載能力差，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，額定電流一般取1.5~2倍的安全裕量，即：

　　=(1.5~2)IT/1.57 (2-4)

　　式中IT為正弦半波電流的有效值。

　　3．通態(tài)平均電壓UT(AV)

　　當(dāng)晶閘管中流過(guò)額定電流并達(dá)到穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間電壓的平均值，稱為通態(tài)平均電壓。當(dāng)額定電流大小相同，而通態(tài)平均電壓較小時(shí)，晶閘管的耗散功率也較小，該管子的質(zhì)量較好。

　　4．其他參數(shù)

　　(1) 維持電流IH。在室溫下，當(dāng)門極斷開時(shí)，器件從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必需的最小電流稱為維持電流。它一般為幾毫安到幾百毫安。

　　維持電流與器件的容量、結(jié)溫有關(guān)，器件的額定電流越大，維持電流也越大。結(jié)溫低時(shí)維持電流大。

　　(2) 擎住電流IL。晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)就去掉觸發(fā)信號(hào)，能使器件保持導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極電流稱為擎住電流。一般擎住電流IL為維持電流IH的幾倍。

　　(3) 通態(tài)浪涌電流ITSM。由電路異常情況引起的，并使晶閘管結(jié)溫超過(guò)額定值的不重復(fù)性最大正向通態(tài)過(guò)載電流稱為通態(tài)浪涌電流，用峰值表示。

　　(4) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。在額定結(jié)溫和門極開路情況下，不使器件從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的陽(yáng)極電壓最大上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率。

　　(5) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt。在規(guī)定條件下，晶閘管在門極觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)所能承受的不導(dǎo)致?lián)p壞的最大通態(tài)電流上升率，稱為通態(tài)電流臨界上升率。

　　2.2.5 晶閘管的門極伏安特性及主要參數(shù)

　　1．門極伏安特性

　　門極伏安特性是指門極電壓與電流的關(guān)系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個(gè)PN結(jié)，所以電壓與電流的關(guān)系與普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特性曲線如圖2.6所示。

　　圖2.6 晶閘管的門極伏安特性

　　同一型號(hào)的晶閘管，門極伏安特性曲線呈現(xiàn)較大的離散性，通常以高阻和低阻兩條特性曲線為邊界，劃定一個(gè)區(qū)域，其他的門極伏安特性曲線都處于這個(gè)區(qū)域內(nèi)。該區(qū)域又分為不觸發(fā)區(qū)、不可靠觸發(fā)區(qū)及可靠觸發(fā)區(qū)。

　　2．門極的主要參數(shù)

　　(1) 門極不觸發(fā)電壓UGD和門極不觸發(fā)電流IGD。不能使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大門極電壓，稱為門極不觸發(fā)電壓UGD，相應(yīng)的最大門極電流稱為門極不觸發(fā)電流IGD。顯然，小于該數(shù)值時(shí)，處于斷態(tài)的晶閘管不可能被觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)然，干擾信號(hào)應(yīng)限制在該數(shù)值以下。

　　(2) 門極觸發(fā)電壓UGT和門極觸發(fā)電流IGT。在室溫下，對(duì)晶閘管加上一定的正向陽(yáng)極電壓時(shí)，使器件由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT，相應(yīng)的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。

　　需要說(shuō)明的是，為了保證晶閘管觸發(fā)的靈敏度，各生產(chǎn)廠家的UGT和IGT的值不得超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值，但對(duì)用戶而言，設(shè)計(jì)的實(shí)用觸發(fā)電路提供給門極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)大于標(biāo)準(zhǔn)值，才能使晶閘管可靠地觸發(fā)導(dǎo)通。

　　(3) 門極正向峰值電壓UGM、門極正向峰值電流IGM和門極峰值功率PGM。在晶閘管觸發(fā)過(guò)程中，不會(huì)造成門極損壞的最大門極電壓、最大門極電流和最大瞬時(shí)功率，分別稱為門極正向峰值電壓UGM、門極正向峰值電流IGM和門極峰值功率PGM。

　　2.3 門極可關(guān)斷晶閘管

　　門極可關(guān)斷(Gate Turn-Off，GTO)晶閘管，具有普通晶閘管的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，如耐壓高、電流大、控制功率小、使用方便和價(jià)格低等；但它具有自關(guān)斷能力，屬于全控器件。在質(zhì)量、效率及可靠性方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，成為被廣泛應(yīng)用的自關(guān)斷器件之一。

　　2.3.1 GTO晶閘管的結(jié)構(gòu)

　　門極可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)與普通晶閘管相似，也為PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、三端(陽(yáng)極A、陰極K、門極G)器件。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及符號(hào)如圖2.7所示。

　　圖2.7 GTO晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及符號(hào)

　　2.3.2 GTO晶閘管的工作原理

　　為了分析GTO晶閘管的工作原理，也可將其等效為兩個(gè)三極管P1N1P2與N1P2N2互補(bǔ)連接，設(shè)互1和和2分別為晶體管P1N1P2和晶體管N1P2N2的共基極放大系數(shù)，的1比比2小，但都是隨著發(fā)射極電流Ie的增加而增加的。

　　當(dāng)GTO晶閘管的陽(yáng)極加有正向電壓，門極加有正向觸發(fā)電流IG時(shí)，通過(guò)N1P2N2晶體管的放大作用，使IC2和IK增加，IC2又作為晶體管P1N1P2的基極電流，經(jīng)晶體管P1N1P2放大，使IC1和IA增加。IC1又作為晶體管N1P2N2的基極電流，使IC2和IK進(jìn)一步增加。增強(qiáng)式強(qiáng)烈的正反饋過(guò)程，使GTO晶閘管很快飽和導(dǎo)通，這一過(guò)程與普通晶閘管的導(dǎo)通過(guò)程是一樣的。

　　為了表征門極對(duì)GTO晶閘管關(guān)斷的控制作用，引入門極控制增益晶，， 可表示為：

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