1、第 1 页辽宁冶金职业技术学院讲稿教学内容 备 注组 织上课 （ 2供电 变流 系统分钟）专业基础课：电路原理、电子技术、电机拖动、变流、自控原理、 PLC等专业课：电力传动控制系统、供电、 DCS、检测技术 2、电力电子技术的概念理论教学（ 43电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。 就是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。包括电压、电流、频率、波形和相数的变换。1）整流器：把交流电压变为固定的或可调的直流电压。 （AC DC ）2）逆变器： 把固定直流电压变为固定的或可调的交流电压。 （DC AC ）3）斩波器：把固定直流电压变为可调直流电压。 （DC DC ）4）交流调压器：把
2、固定交流电压变为可调的交流电压。 （AC AC ）5）变频器：把固定的交流频率变为可调的交流频率。3、电力电子技术的发展1 ）晶闸管：2）全控型器件：门极可关断晶闸管（ GTO）；电力双极型晶体管（ BJT、GTR）；电力场效应晶体管（电力 MOSFE）T 3）复合型器件： 绝缘栅极双极型晶体管 （IGBT）；MOS控制晶闸管 （MCT）；集成门极换流晶闸管（ IGCT）；4）功率集成电路（ PIC）1 ）工业应用：如调速、直流电源、中高频感应加热电源等； 2）交通运输1、电力电子器件电功率的大小是其最主要的参数一般工作在开关状态由信息电子电路来控制自身的功率损耗较大，一般要考虑器件的散热2、
3、电力电子器件的分类按照电力电子器件控制电路信号的程度分：不可控型器件：电力二极管半控型器件：晶闸管全控型器件（自关断器件） ：按照控制信号的性质分：电流驱动型： GTR、GTO电压驱动型：电力 MOSFE、T IGBT按照器件内部载流子参与导电的情况分为：单极型器件：电力 MOSFE、T静电感应晶体管（ SIT）双极型器件： 电力二极管、 晶闸管、GTO、GTR、静电感应晶闸管 （SITH）复合型（混合型）器件： IGBT、MCT第 2 页1、工作原理：与普通二极管相同复习相关知识2、基本特性：静态特性和动态特性（5 分钟）3、主要参数：正向平均电流 I F（AV）、正向压降 UF、反向重复峰
4、值电压 URRM等1、晶闸管的结构：四层三端半导体器件理论教学（ 40晶闸管是一种大功率的四层三端半导体器件。四层：由 P、N、P、N四层半导体组成，依次构成三个 PN结。三端：有三个接线端子（电极） ，即阳极 A、阴极 K、门极 G其内部结构和符号如图所示Ap1KGn2符号 K晶闸管的内部结构2、晶闸管的外形常用晶闸管的外形有螺栓式和平板式两种，其优缺点如下：螺栓式：安装、更换方便，但散热效果差。平板式：散热效果好，但安装、更换比较麻烦。3、基本特性：静态特性：晶闸管导通条件：应同时具备正向阳极电压和正向门极电压。晶闸管关断条件：阳极电流小于管子的维持电流。具体实现方法：阳极电压减小到零或加
5、反向电压。增大回路负载电阻。晶闸管导通以后门极失去作用。第 3 页课题名称 1.3 晶闸管课次 第（2）次课 课时 2教学目标 掌握晶闸管的工作特性和主要参数晶闸管的工作原理、工作特性和主要参数晶闸管的伏安特性晶闸管的主要参数额定电压 UTn 额定电流 I T（AV）教学基本内容门极触发电流 I GT和门极触发电压 UGT与教学设计通态平均电压 UT（AV）维持电流 I H与掣住电流 IL（平均值、有效值、波形系数的计算）晶闸管的型号教学手段 实物课外学习安排 作业 3 道题学习效果评测 主要内容下次课以提问方式进行复习，要求通过作业掌握第 4 页组织上课，点名（ 2 分钟）复习（ 5 分钟）
6、ia正向特性UR0RRMIHIG1 I IG2G0u理论教学（ 33OU U U UB2 B1 DRMB0反向特性图中：UB0正向转折电压UDSM正向阻断不重复峰值电压UDRM正向阻断重复峰值电压；等于 90%UDSMUR0反向击穿电压URSM反向不重复峰值电压URRM反向重复峰值电压；等于 90%URSM动态特性：开通过程关断过程 4、主要参数电压定额、电流定额、动态参数；1）晶闸管的额定电压 UTn晶闸管的额定电压 UTn 是取 UDRM和 URRM中较小的一个。选择晶闸管的额定电压时应考虑安全余量（ 23 倍），即选实际工作时最大电压的 23 倍。2）晶闸管的额定电流 I T（AV）晶闸
7、管的额定电流用一定条件下的最大通态平均电流来标定。平均值波形在一个周期内的平均值Idmsintd（t）第 5 页有效值 ，即为“方均根”1 Im（Im sin t） d（ t）2 2波形系数 ：有效值与平均值之比为波形系数。kfd1.57理论教学（ 50注意 ：I d、I dT、I T（AV）及 I 、I T、I Tn的区别I d：负载电流平均值 I ：负载电流有效值I dT：晶闸管平均电流 I T：晶闸管有效电流I T（AV）：晶闸管的额定电流 I Tn：晶闸管的额定电流有效值（举例）3）门极触发电流 I GT和门极触发电压 UGT在室温下， 晶闸管施加 6V正相阳极电压时， 使元件完全开通
8、所必须的最小门极电流，称为门极触发电流，对应于门极触发电流时的门极（触发）电压，称为门极触发电压。4）通态平均电压 UT（AV）晶闸管通以额定电流时，阳极和阴极间电压降的平均值，称为通态平均电压（管压降）。5）维持电流 I H 与掣住电流 I L维持电流 I H：使晶闸管维持通态所必须的最小阳极电流。掣住电流 I L：晶闸管从断态转入通态，并且移除触发信号后能维持通态所必须的最小电流。一般 I L=（24） I H。5、型号K 字母 数字 - 数字 字母通态平均电压组别额定电压等级（乘 100 即为额定电压）额定电流P：普通型； K：快速型； S：双向型； N：逆导型； G：可关断型表示闸流特
9、性第 6 页 1.4 全控型电力电子器件课次 第（3）次课 课时 2教学目标认识典型全控型器件，如 GTO、GTR、IGBT等，重点掌握器件的工作特性和主要参数器件的工作原理、工作特性和主要参数。一、门极可关断晶闸管（ GTO）1、结构和工作原理2、GTO的动态特性3、GTO的主要参数二、电力晶体管（ GTR）2、GTR的基本特性：教学基本内容 3、GTR的主要参数三、IGBT1、IGBT的结构和工作原理2、IGBT的基本特性：3、IGBT的主要参数4、IGBT的锁定效应课外学习安排 自学典型全控型器件的相关内容第 7 页GTO是一种具有自关断能力的闸流特性功率半导体器件。既具有普通晶闸管的耐
10、压高、电流大的优点，又具有 GTR的一些优点，如具有自关断能力、频率较高、使用方便等。主要应用在大功率直流斩波调速、变频调速、逆变电源等领域。1GTO的结构及工作原理GTO的结构与普通晶闸管相似， 也是 PNPN四层三端半导体器件， 三端 A、G和 K 分别表示 GTO的阳极、门极和阴极。与普通晶闸GTO（30 分钟）管不同的是，可以从门极抽出电流而使其关断。GTO的触发导通原理与普通晶闸管相似，当阳极加正向阳极电压、门极加触发信号后可使 GTO触发导通。因此，通过门极加正触发信号使 GTO触发导通，通过门内容主要以自学为主极加负触发信号使 GTO关断。GTO 的符号2GTO的主要特性GTO的
11、阳极伏安特性与普通晶闸管相似GTO的动态特性如图所示，由图可以看出， GTO的开通时间t 包括延迟on时间t 和上升时间 tr ，其大小取决于器件特性、门极电流上升率以及门极信号的幅值大小。 GTO的关断过程包含三个时间区间，即存储时间t 、下降时s间t 和尾部时间 tt ，其中存储时间 ts 和下降时间 tf 的和定义为关断时间 toff 。i GO ti Atd tr t s tf ttIA 90%IA10% IAt0 t1 t2 t3 t4 t5 t6GTO 开通和关断的电流波形3GTO的主要参数GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同，不同的主要参数叙述如下：（1）最大可关断阳极电流ATO
12、即管子的铭牌电流，在实际应用中，它受如下因素的影响：门极关断负电流波形、阳极电压上升率、工作频率及电路参数的变化等。（2）电流关断增益off为最大可关断阳极电流I 与门极最大负电流 IGM 之比。 off 表示 GTO的关断能力， off 值越大，说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。第 8 页GTR是一种双极型大功率晶体管，因此也称为功率晶体管或双极型晶体管（BJT）。具有控制方便、开关时间短、通态压降低、高频特性好等优点；因此广泛应用在交直流调速、不间断电源、中频电源以及家用电器等中小容量的变流装置中。在中小功率应用方面，是取代晶闸管的GTR（30 分钟）自关断器件之一。常用的电力晶体管有
13、单管、达林顿管和达林顿晶体管模块三大系列。1）单管 GTR：结构有 PNP和 NPN两C 集电极 C种。要求有足够大的容量（大电流、高电压）、适当的增益、 较高的开关速度和基极 B B 较低的功率损耗等，因此在 GTR的制造过程中采取了特殊的措施以保证功率应E 发射极 E用的需要，如扩大结片的面积、采用特PNP NPN殊形状的管芯图形、精细结构等制造工GTR 符号示意图艺。2）达林顿结构的 GTR：解决单管 GTR的电流增益较低的问题。达林顿 GTR由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是 NPN型，其性质由驱动管决定。 与单管 GTR相比，达林顿 GTR提高了电流增益，但饱和压降增
14、加，且开关时间增加。实用达林顿电路是将达林顿结构的 GTR、稳定电阻 R1、R2、加速二极管 VD1 和续流二极管 VD2 等制作在一起。3）GTR模块：作为大功率开关应用最多的还是 GTR模块。为了改善器件的开关过程和并联使用方便，中间级晶体管的基极均有引线引出。2GTR的主要特性GTR的主要特性可分为静态特性和动态特性。静态特性中主要分析典型的双极型晶体管集电极输出特性， 即集电极伏安特性， 分为四个区域： 截 C临IB4止区、放大区、临界饱和区、 饱和区。饱和界IB3GTR作为开关使用时，交替工作在饱和区和截止区，在状态转换过程中必区放大区 IIB2B 增加 B1须快速地通过放大区和临界
15、饱和区。GTR的动态特性主要指开关特IB=0性。GTR的开通时间t 、关断时间 t off及集电极电压上升率 du /dt 是动态过程中的重要参数。 一般开通时间比关断时间短， 容量越大， 开关时间也越截止区O UGTR 共射极电路的输出特性曲线CE长，但仍比快速晶闸管短。为了抑制过高的 du /dt 对 GTR的危害，使用时可在集- 射极之间并联阻容缓冲电路。第 9 页3GTR的额定参数GTR的额定参数主要包括最高电压额定值、最大电流额定值和最大散耗功率。（1）最高电压额定值最高电压额定值即最高集电极电压额定值， 它的大小不仅与器件本身的特性有关，而且还取决于基极回路的接线方式。下图所示为
16、GTR的不同接线方式，对应的最高电压额定值用 BUCEO 、BU 、BU CER 、BU CEX 和BU CBO 表示，CES一般情况下：BUCEX BU BU BU BUCBO CES CERCEOBU BU BUCEO CESCERBU BU CBOCEXGTR 的不同接线方式在 GTR产品目录中BU 作为电压额定值给出，实际应用时必须考虑一定的裕量， GTR的电压额定应满足CEO （2 3）UM式中U 为 GTR实际承受的最高电压。（2）最大电流额定值CM最大电流额定值即允许流过集电极的最大电流值。 为了提高 GTR的输出功率，集电极输出电流应尽可能地大，但是集电极电流大，则要求基极注入
17、的电流大，这将会使 GTR的电气性能变差，甚至损坏器件。因此在实际应用电路中，为了确保使用的安全与稳定， GTR的最大电流额定值应满足CM （2 3）ICPI 为流过 GTR的电流峰值。同样，基极电 流也有最 大额定值的规定，常 用I 表示，通 常取BMI BM （1/ 2 1/ 6）I 。（3）最大散耗功率P最大散耗功率P 是指 GTR在最高允许结温时所对应的散耗功率，它受结温的限制，其大小由集电极工作电压和集电极电流的乘积决定。由于这部分能量将转化为热能并使 GTR发热，因此， GTR在使用中的散热条件是十分重要的。第 10 页IGBT是一种复合型器件。它将 MOSFE和T GTR的优点集
18、于一身， 既具有输入阻抗高、 工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单、驱动电流小等优点，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域， IGBT已逐步取代功率 MOSFE和T GTR。1IGBT的结构及工作原理+层发射极，形成 PN结 J IGBT是在功率 MOSFE的T 基础上增加了一个 P并由此引出集电极 C，栅极 G和发射极 E。E 发射极 G 栅极CIGBT（30 分钟）J3J2+NN-体区漂移区缓冲区 U J1 +U drID - +RdrN沟道EJ1注入区P沟道 EC 集电极a） b） c）IGBT 示意图a） IGBT 结构剖面图
19、 b） N-IGBT 的等效电路 c） 图形符号IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时，MOSFE内T 形成沟道，并为 PNP晶体管提供基极电流， +区注入到 N- 区的空穴对 N- 区进行电导调制，从而使 IGBT导通。此时，从 P减小 N dr ，使高耐压的 IGBT也具有低的通态压降。- 区的电阻 R在栅极上施以负电压时， MOSFE内T 沟道消失， PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2IGBT的工作特性IGBT的工作特性包括静态特性和动态特性。1）静态特性主要有输出特性和转移特性。输出特性表达了集电极电流 I C 与集射极电压U 之间的关系，分正向阻断区、
20、饱和区、放大区（有源区） 。饱和导通时管压降一般为 25V。IGBT输出特性的特点是集电极电流I 由栅射极电压 U GE 控制， U GE 越大 I C 越大。在反向集射极电压作用下器件呈反向阻断特性。IGBT的转移特性表示了栅射极电压U 对集电极电流 I C 的控制关系。 在GE大部分范围内，I 与U GE 呈线性关系，只有当 U GE 接近开启电压 U GE（th） 时才呈非线性关系。所以最大栅射极电压应受最大集电极电流为U 15V 。I 得限制，最佳值2）IGBT的动态特性也称开关特性，包括开通和关断两个部分。IGBT 的的开通时间t 由开通延迟时间 td（on） 和电流上升时间 tr
21、两部分组成，通常开通时间为（ 0.51.2 ） s。第 11 页开通延迟时间t ：是指从驱动电压 U GE 上升到其幅值电压的 10%的时刻d（on）起，到集电极电流升到其幅值的 10%的时刻止的这段区间；上升时间集电极电流从其幅值的 10%升高到其幅值的 90%所需的时间r为。IGBT的关断过程是从正向导通状态转换到正向阻断状态的过程， 关断时t 也是由关断延迟时间 td（off） 和电流下降时间 tf 两部分组成。关断延迟时间是指从驱动电压 U GE 下降到其幅值电压的 90%的时刻d（off）起，到集电极电流降到其幅值的 90%的时刻为止的这段区间；下降时间是指集电极电流从其幅值的 90%降低到其幅值的 10%所需的时间。在下降时间t 内，集电极电流的波形分为 tfi1 和tfi2 两段， tfi1 对应于 IGBT内部 MOSFE的T 关断过程，在这段时间内集电极电流下降较快；t 对应于 IGBTfi2内 PNP晶体管的关断过程。通常关断时间为（ 0.551.5 ） s。3IGBT的主要参数（1）集射极击穿电压BU 是由器件内部的 PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的，它决定了 IGBT 的最高工作电压。（2）开启电压U 是 IGBTGE（th）U GE90% U GEU GEM导通所需的最低栅射极电压， 它随10% U GE
