三相电其中两相电压高，另一相正常是什么原因_百度知道
三相电其中两相电压高，另一相正常是什么原因
我们超市用的是三相电，这几天不知咋的其中两相电电压高，一相260-270V一相245-250V，而另外一相正常235V，把所有的的负载关掉，电压正常三相都是235V，请问这是咋回事？
这2相电的负载分支中有2个分支不能用，合上闸电压就会升高，不合电压在240以内基本可以用，但相对主进电电压还是有点高，
我有更好的答案
三相负载不平衡，电压低的一相负载太大
采纳率：62%
这说明你们超市三相负荷分配的不平衡，有的相负荷多，有的相负荷少。
开了补偿柜了吧
补偿柜是什么，可以解释一下吗
看来你们的超市没有专用的配电房，
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绪论我们要开始学习一个新的学科――电力电子技术(PowerElectronicsTechnology)。它的应用前景是十分广阔的，并且在国民经济的主战场发挥着越来越大的作用。1．电力电子技术的定义电力电子技术是一门新兴的很有前途的一门学科。它结合了电力技术、电子技术和控制技术等三个领域。Newell所提出的“倒三角”定义，已为各国所接受，即把电力电子学定义为一门交叉于电气工程三大领域：电力、电子和控制之间的边缘科学。我们可以用一个倒△来表示电力电子技术的集合。如图1所示。电力电子技术是以电力电子器件为基础。电力电子器件的功能是将以往传统的机械产业、电力与微电子技术融为一体。极大地推动了传统产业的技术革命。促进了机电一体化的发展。国际电气和电子工程师协会（IEEE）的电力电子学会将电力电子技术表述为：有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。电力电子技术中包括了电压变换、电流变换、频率变换、波形变换等。因此，早期我们也称电力电子技术为半导体变流技术。2．电力电子学的任务我们知道全国电网提供的是50HZ交流电，但好多场合需要直流电；而在航空、航天环境下为了减少应用电源的重量，需要400Hz的交流电；也有的场合需要频率可调的交流电。电力电子学的任务就是通过应用电力半导体器件的控制作用，实现对电网的供电电源加以变换或控制，从而将不同形式的电源提供给各种不同的应用场合。3．电力电子技术是在器件的基础上发展起来的以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电子技术的基础和核心。电力半导体器件的每一步新发展，都带来电力电子技术的革命、带动变换、电路技术的相应突破。1958年美国贝尔电报电话公司研制出世界上第一个晶闸管(Thyristor)，工作电流只有十几安培。但是由于它具有在电流、电压、频率三个方面的自由度的发展潜力，引起世界的重视，发展很快，为电子学进入功率系统开辟了一个新纪元。由此带来电力电子技术的革命。工作于工频（50~60HZ）的普通整流管、晶闸管，开关功率可达A。器件的发展方向是开发高速器件，尤其是自身兼有开通和关断能力的所谓全控型器件。70年代后各种高速、全控型器件的先后问世，使电力电子器件在电力电子领域应用越来越广泛。如GTO（可关断晶闸管）、GTR（大功率晶体管）、PowerFET（功率场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅功率晶体管）、MCT（MOS控制晶闸管）等等。1电力电子技术基础及其应用器件容量的扩大、结构原理的更新使器件的生产更加成熟。如电力电子器件的基本理论从电流模式发展到电荷控制模式，出现了短路阴极理论表面理论，GTO从一维关断理论发展到二维关断模式，引入了阴极短路、隐埋门极等等新结构；GTR的达林顿结构形式引伸到各式各样的复合器件，成为MOS-双极型复合器件的基本结构形式。特别是微电子技术与电力器件制造技术相结合所产生的集成功率器件，使得以往不被重视的电力半导体一跃而成为高科技发展之列。我国的整流二极管和晶闸管的生产水平可由西安电力电子技术研究所生产的KP型晶闸管作为代表。其硅片直径77mm，电流达A，电压V，1982年引进美国GE公司整流管、晶闸管制造技术，和关键工艺设备，2001年引进ABB公司Φ125mmA/V的HVDC生产技术，产品应用于三峡直流输电工程；2002年引进西门子公司Φ125mmV的光控晶闸管技术生产线，产品应用于三峡直流输电工程；其次是北京整流器厂的生产水平为A，电压V。2005年研制成功国产100mm直径高压大功率晶闸管。GTR的生产水平可用北京椿树整流器厂和上海海燕半导体厂为代表，生产水平为50~800A，V。GTO的生产水平可用北京椿树整流器厂和上海整流器厂的生产线作为代表，600~2500A，电压V。
非可控器件―整流二极管肖特基整流二极管
THFST双向晶闸管TRIAC逆导晶闸管RCTLATT可控型器件SITGTOMCTSITH----电力电子器件集合表----功率MOS场效应管国内已有2000多伏的产品。IGBT和MCT等国内起步较晚，仍旧以日本等国产品独霸市场。电力电子器件花样繁多，各国都在扬长避短，构思新的复合器件。除了IGBT、MCT外，功率集成电路PIC就是生产需要的必然产物，它体积小、成本低、可靠性高、功能强。可以具有逻辑判断、控制、自动保护、自动检测、传感、自诊断等能力。2绪论4．怎样评价电力电子器件70年代是以电力电子器件的品质因素为主要标准。即：容量P=电流×电压80年代主要目标是高频化，评价品质因素为主要标准是：功率×频率。90年代器件发展的主要目标是高性能化：大容量、高频率、易驱动、低损耗。衡量的标准有：容量、开关速度、驱动功率、通态压降、芯片利用率等。5．电力电子器件的主要缺点①②③④过电压能力低；过电流能力低；某些工作状态功率因素低；对电网有影响。这是由于器件处在开关工作状态，使交流侧电流含有高次谐波，引起电源波形畸变。从而影响电网上的其它负载。6．电力电子变流技术利用电力半导体器件把电能进行变换的技术。包括电压变换、电流变换、频率变换、波形变换、相数变换。电力电子技术是研究变流技术，其实就是利用弱电来控制强电的一门技术。它利用电力半导体器件本身具有的可控特性，把输入的电源能量经过变换，变成负载所需要的能量形式，来保证负载按照我们所期望的方式工作。从应用的角度看，也就是说，通过传感技术，把传统产业的原动机的各种控制量检测出来,利用电子技术进行各种数据处理，根据处理结果发出信号给电力电子器件，然后通过电力电子器件的电流变换来控制原动机按照控制的要求工作。从某中意义上讲，当今机电产品技术上的突破主要在于电子化。从节能角度上讲，电力电子器件工作是处在开关状态，正向压降低而反向漏电流小，从而从理论上保证了各类电力电子设备所共有的节能性能。我国严重缺电，但另一方面却用电严重浪费，每单位产值耗电量为日本的6倍；为美国的2-3倍，俄罗斯的1.7倍。电力电子技术应用正是解决这一矛盾的有力措施。国家科委早在90年代就把电力电子技术列为我国的重点发展的高技术领域之一。我国的现状大家都有所了解，传统工业大多都是50-60年代建成的，改革开放以来，引进了一些生产线，改变了一些部门的生产状况，但不可能全靠引进，也不可能走几年-几十年内把所有的机械设备全部用进口设备代替，这是人力和财力不允许的。只能走引进--改造相结合的道路，这是我国之国情所决定的。改革开放以来，我国走引进、改造、创新、发展的强国富民的发展道路，基础能源工业飞速发展起来，钢产量突飞猛进，通讯产业迅速发展，交通事业飞速发展，航空航天走在世界的前列，电力电子技术的应用，促进机电一体化的进程。将促进我国的工业来一个大的飞跃，使我国的工业化进程正在进一步加快。处在新世纪的一代年青人，面临着担负之一重任。我们肩上的担子很重，现代开始学习的电力电子技术就是为了打好这一基础。7．电力电子技术的应用随着时间的推移，人们对机器的控制精度要求越来越高，这样对加工速度的控制必然提出更高的控制要求。生产的需要必然要引起创造、革新。英国布拉什电机公司研制的牵3电力电子技术基础及其应用引电动机用来驱动英吉利海峡海底隧道中的高速列车。这种牵引用的是高频电流而不是采用直流电来驱动的，时速高达每小时300公里。我国2000年和2006年火车的六次提速，实现朝发夕至。2002年底建成上海磁悬浮列车，时速高达每小时600公里。三峡大坝发出的强大的电流以直流或交流电的方式送往华东和华南各地。这些都离不开电力电子技术的应用，各国都在研究第二代和第三代产品。电力电子技术的应用非常广泛，在国防工业、工业交通、农业商业和文体医药、以及家用电器无不渗透着电力电子技术的新成就。我们从以下几个方面来看看：（一）直流调速：改变电枢电压或激磁电压可以对直流电机进行调速。过去多采用电动机-发电电机组-直流电动机来实现。这需要多台电机，结构庞大且不经济，正在被取代。改用几组晶闸管组成的电动机调速系统，只需一台直流电动机，结构简单，动静特性好，且易于实现自身控制。国内中小容量的晶闸管传动装备在技术上是成熟的。在冶金、机械、造纸、纺织、能源、交通等多部门使用。用晶闸管作直流开关构成的斩波器对直流电压进行调节，即实现了直流电动机的直流4
绪论脉冲调速。调速、启动、制动平稳、操作灵活、维修方便。不仅调速，又能实现再生制动。比电阻调速节能30%-40%以上。广泛应用在地铁电机车、矿山机车、城市机车、蓄电池电平车上。在我国铁路上运行的内燃机车，均采用发电机-直流电动机组。内燃机带动发电机发出三相交流电，经整流成直流以驱动直流电机，电动机直接带动车轮转动，把我们载向祖国的四面八方。在我国铁路五次大提速中担当主力军的电力机车，供电是采用单相25千伏的交流电，经整流成直流以驱动列车上的直流电机运行。下坡时利用逆变技术，实现平稳运行，并把发出的直流电通过逆变回送给电网。而正在逐步向交流驱动迈进；经过五次大提速从北京到上海只须10～12个小时。大部分客运实现朝发夕至或夕发朝至，极大地方便了出行，树立了中国铁路的新形象。现在实施的第六次大提速，将进一步缩减旅途时间，提高旅行的舒适度。2008年7月份开始运行的京津高速列车，时速高达350公里，使北京到天津的时间缩短到半小时。京沪高速列车，时速高达380公里，采用了新技术，将使时间从计划的5小时缩短到4小时。在这一点上，电力电子技术功不可没。目前，电力机车多采用8G、8K、6K三种电力机车，单向50hz、25kv供电，均采用两段相控整流桥（一段全控，一段半控），采用V的晶闸管和V整流管传动时半桥工作，直流调速；再生制动时，全控桥作为再生逆变装置（此时半控桥提供激磁电流）。如法国8K电力机车，韶山6型电力机车。（二）交流调速：采用逆变或变频装置进行交流调速。我们知道，交流电机的转速,且交流电机虽有定子、转子，但不需要电刷，减少了维护时间，工作效率提高。采用逆变技术将交流电网电压变换成电压可调、频率可调的交流电，直接供给交流电动机，实现交流电机的无级调速。可用于控制风机、水泵、机床、轧机、机车牵引、电梯、传动等到场合。应用这种静止变频装置，频率连续可调，可实现交流电动机四象限运行，5电力电子技术基础及其应用
调速性能优异。由于具有自关断能力的GTO和GTR的发展，简化了换相电路，提高了开关速度，降低了价格，为发展交流变频调速提供了很好的条件，这一技术正在开始广泛应用在各个领域。绕线式异步电动机的串级调速中是应用晶闸管可逆整流电路，将转子电压逆变成交流电送回电网。这种方式比过去用电阻调速优越，节能、调速范围宽，特别适合于泵和风机类负载。无换相电动机是一种自控式变频调速电动机。这种电机兼有交、直流电机的优点，结构简单，具有良好的控制特性。在内燃机车中，也可以采用交--直--交的方式来实现无级调速。随着器件的不断进步，电力机车也采用交--直--交流电机来驱动。大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高动态响应和相当高的过载能力。这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断，由于直流电机存在着换向问题和换向器、电刷等部件维护工作量较大，使其在提高单机大容量、提高过载能力、降低转动惯量以及简化维护等方面受到了限制，已不能满足轧钢机向大型化、高速化方面的发展。随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的迅速发展，该技术受到国内外钢铁工业和电气传动学术界的极大关注。70年代以后，随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，世界工业发达国家都投入大量人力物力对交―交变频轧钢机主传动进行研究。到目前，在世界上已有上千台交流变频轧机主传动投入工业应用，在工业发达国家新建1000kW以上的轧机主传动，无论是初轧机，中板轧机还是热、冷连轧机，无一例外全部采用交流变频调速。在大功率轧钢机主传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势。（三）晶闸管中频电源：它将工频交流电经整流再逆变成中频交流电供给交流负载。1、400--800Hz供电源为电子仪器供电，如雷达设备等。6绪论2、1000Hz以上中频电源则用于熔炼、热处理。西安航空发动机公司机械厂制造螺丝钉的过程（内六角螺钉）。其是中频电源在不到一秒钟内加热螺钉帽，然后在冲压机压制成型。（四）不停电电源：（UPS电源）主要用于不能断电的重要设备和部门。银行通信中心、计算机房、气象站、化工厂、医院和国防重要部门。说起来很简单：平时把市电整流给蓄电池储存电能，当市电无时，把蓄电池的直流电逆变成交流电，自动投入供电。这里就用了逆变技术，产生出50Hz交流电供给负载。（五）电子开关：晶闸管本身就是一个无触点开关元件。动作快，损耗小，寿命长，已在多种场合取代有触点的接触点。（六）高压直流输电：我们平常采用的多是交流输变电，但由于引线多，架线施工复杂，有时难度很大，远距离送电损耗大，电磁污染较大。人们一直寻找替代的方法，高压直流输电是一个好方向。其实际应用是先把交流发电机发出的交流电变成高压直流电，再进行远距离传送，到应用地再应用逆变技术把直流电1989年由葛洲坝到上海南桥的±500Kv、200MW直流输电线路的第一级投入运行，标志着我国电力电子技术的先驱部分已达到国际水平。三峡水电站，采用了先进的高压直流输电技术。（七）空间技术：空间穿梭的飞机电源系统、卫星动力系统、飞机动力系统。受光时由太阳能电池提供动力，并给蓄电池充电；背光时由蓄电池供给卫星能量，保证机器的正常工作。如下图所示的两代火星车，右图是1997年准备登陆火星的机器人车－火星漫游者1997，在着陆时损坏；左图是月已经成功登上火星的第二代机器人车－火7
电力电子技术基础及其应用
星漫游者2003，已经向地球传回了质量清晰的火星表面的照片，极大地鼓舞了科学家们。日（北京时间日星期日下午1点多），‘机遇号’（OPPORTINUTY）又成功登陆火星，开始了人类探索宇宙的尝试。现在正有卫星载有探测器飞向冥王星。下图是我国自行设计研发的月面巡视探测器（简称月球车）原理机在第六届中国（珠海）国际航空航天博览会上亮相（日摄）。这些机器人上都离不开电源变换，少不了电机驱动电路，也就是说少不了电力电子技术的应用。8．怎样学习电力电子技术：兴趣是学习的动力。电力电子的学习，首先要提高自己的学习兴趣，同时还要：1）认真课前预习，上好课，课后多看书，巩固学习成果，提高学习效率。2）电力电子技术是一门实践性很强的学科，学习是为了应用，重视实践，做好安排的电力电子实验，时间和条件允许的话，自己可以制作一些实用电路，提高自己的动手能力，同时也能进一步提高自己的学习兴趣，走良性循环的道路。3）多看参考书，各种教材都有自己的特点，它们从不同的侧面来讲述同一个道理，也可能别的教材的某些章节侧重面你理解起来更容易一些，这样你就可以选择阅读它来加深你对电力电子概念的理解，又何乐而不为呢？但要学会看参考书，不是从头到尾地看参考书，教材为基础，参考是参考，主次要分明，才能收到事半功倍的效果。下面提供了一些参考书，供学习时选择。8绪论参考书：1．现代电力电子技术何希才、江云霞编2．电力半导体变流技术林木生、邵丙衡3．现代逆变技术及其应用李爱文、张承慧编4．半导体器件刘刚、余岳辉等编5．变流技术唐嘉亨编6．电力电子变流技术黄俊编7．电力半导体器件聂代祚编8．电力电子学赵惠昌编9．电力电子变流技术赵可斌、陈国雄编10．现代电力电子器件及其应用华伟周文定编11．电力电子技术应用基础王汝文、张杭12．电力电子技术丁道宏13．电力电子技术王兆安黄俊编14．电力电子学与交流传动B.K.鲍斯15．电力电子学与变频传动技术和应用B.K.博斯16．现代功率电子技术苏开才毛宗源17．新型半导体器件及其应用实例何希才毛德柱18．电力电子变换技术林忠岳主编19．电力电子技术苏玉刚陈渝光20．软开关功率变换器及其应用王聪编21．变频器应用技术及电动机调速黄立培张学22．变频器基础及应用原魁刘伟强23．《机车传动》24．数控技术与制造自动化罗科学译25．KJ电路系列资料26．《电力电子》2003.127．《实用电源技术手册》王其英主编28．《变频器世界》2003年第七期29．现代电力电子技术应用基础张立主编30．现代电力电子技术应用基础赵良炳编31．现代电力电子技术原理与应用张一工肖湘宁32．电力电子技术郑宏婕编33．机床电力拖动与控制王光铨34．国防工业出版社中国铁道出版社科学出版社电子工业出版社人民交通出版社机械工业出版社电子工业出版社兵器工业出版社机械工业出版社北方交通大学出版社西安交通大学出版社西安交通大学出版社西安交通大学出版社中国矿业大学出版社国防工业出版社电子工业出版社重庆大学出版社重庆大学出版社科学出版社人民邮电出版社冶金工业出版社西安微电子研究所北京电力电子学会高等教育出版社清华大学出版社科学出版社科学普及出版社机械工业出版社9第一章电力电子器件在绪论中我们已经了解到，电力电子技术是生产的需要发展起来的。而电力电子技术是依赖电力电子器件的发展而起发展来的。也就是说，电力电子器件既是电力电子技术的基础，也是电力电子技术发展的强大动力。可以说没有电子器件，就没有电力电子技术的今天。我们学习电力电子技术，器件是基础，变流是核心。电力电子学是以电子器件为基础，掌握器件的物理特性，工作状态，对电子器件的正确应用是非常重要的。电力电子开关器件是一切电力电子变流装置的基本元素。它可以按设计者规定的方式把输入到负载的电能周期性地接通和关断，使负载获得所需的能量形式。另外还可通过控制接通时间的长短来调节传递到负载的能量大小。下面从应用的角度出发来介绍常用的电力电子器件，同学们分析时要明白器件的导通和关断形式及其控制方法，了解电力电子器件的器件的符号、工作机理、特性、基本参数、驱动方法和保护方法。我们先来对电力电子器件做一个简单的划分。第一代器件：（20世纪40年代~70年代）不可控器件：功率二极管（包括水银整流器、硅整流块）；半可控器件：晶闸管及其派生器件；第二代器件：（20世纪80年代）全控型器件：可关断晶闸管、功率晶体管、功率场效应管；第三代器件：（20世纪90年代及以后）功率IC、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、MCT（MOSFET晶闸管）、HVIC（功率高压集成电路）、SMARTPOWERIC（功率智能集成电路）、S-IC（功率专用集成电路）
。11电力电子技术基础及应用
这些器件中，晶闸管的应用最为广泛，可以说，晶闸管是近代变流技术的核心。近年开发的主要是第二代和第三代产品，但第三代产品仍然受到功率的限制，只能应用在中小功率的场合。器件的发展正在冲破这一限制。电力电子器件具有功耗小、效率高、控制能力强等特点，随着新型器件的广泛应用，其工作频率也在不断提高，这样必然使电力电子装置的体积减小，重量变轻，应用场合进一步扩宽。本章主要介绍功率二极管、晶闸管及其派生器件、可关断器件的GTO、GTR、IGBT、SIT、SITH、MCT。而且这些器件正向着高频化、全控化、集成化、多功能化的方向发展，给我们的使用带来了极大的方便。第一节功率二极管（PowerDiode）二极管的电路符号与伏安特性与我们在晶体管电路中的阐述一样。其符号及特性见图1-1。正向偏置时，二极管导通，正向通态电压很小，约1V。反向偏置时，所加反向电压未超过反向转折电压时，只有很小的漏电流。实际应用中，反向电压不能超过反向转折电压，否则会损坏器件。与通过二极管的电流及其工作电压相比，二极管的漏电流和通态压降很小，可以忽略。可以认为二极管为理想器件。其如图1-1-1中(c)实际设计中要考虑漏电流和通态压降。1．1结构特点：功率二极管是在一个园形硅片上用扩散工艺制作一个PN接结。工作原理类似信号二极管，但它必须承受更大的电压和电流，不像信号二极管那样用点接触（高频二极管），管芯面积和厚度远大于信号二极管，且开关速度相对较低。典型的功率二极管的参数：ATr=100us开关时间1．2功率二极管的静态特性①理想特性：与普通二极管的工作电流和工作电压相比，漏电流和通态压降很小很小，可以忽略，可以认为是二极管的理想特性②实际特性：二极管的导通时间很短，可以认为是瞬时完成的。实际上二极管要导通，阳极电压必须高于门坎电压V0。一旦超过门坎电压V0，阳极电流迅速增大，其电流受12第一章电力电子器件及工作原理外部负载的限制。且有一个正向压降Vp。③向击穿特性：二极管反偏时，反向漏电流为uA级---mA级。且随反向电压增大而缓慢增加，直到转折电压时，产生雪崩击穿。若电流过大，则元件将永久损坏。1．3功率二极管的开关特性：二极管的导通时间很短，可以认为是瞬时完成的，但关断时需要反向恢复时间，如图1-1-2所示。在感性负载电路中，这反向恢复电荷可能导致电路中的过电压。但一般不影响转换器的特性。因此关断瞬间可认为二极管为理想特性。下面我们利用载流子的运动规律来说明二极管的开通和关断过程。二极管的开通和关断是伴随着内部载流子分布的改变进行的。这就必须要有一个过程，需要一定的作用时间。①开通过程（Tout-on-time）：我们从反向阻断出发，在外加反向电压下，PN结两侧建立的势垒可等效为一个充了电的电容。电压就等于外加反向电压。此时只有很小的反向漏电流。当外施电压极性改变时，在正偏电压作用下等效的势垒电容放电，随着电压的降低，正向电流逐步建立。这一过程所需的时间称为开通时间（Turn-ontime）。如果在一时段内阳极电流增长过快，器件内部的载流子沿截面不均匀扩散，将会造成局部过热而击穿，使元件永久性损坏。因此必须限制阳极电流上升率。②关断时间：正向导通状态下的二极管PN结两侧无电荷积累，等效的势垒电容可近似为一低电阻（二极管通态平均电阻）旁路。一旦从正向偏置改为反向偏置，势垒电容将要反向充电，在PN结两侧重新建立势垒电压，这一过程称为关断时间。电容从零电压开始反向充电，器件中正向电流迅速下降到零，并有较大的反向电流即反向恢复电流通过。如图1-1-2所示。随着势垒电容充电电压升高，反向恢复电流下降，直到势垒电容电压等于外施反向电压，二极管关断。1．4功率二极管的分类：1．普通二极管：对反向恢复时间和反向流通电流功率没有要求。应用场合：50HZ(60HZ)工频整流2．功率二极管：具有P-I-N结构，是通过扩散工艺制作出来的工频整流管具有慢的恢复特性。应用场合：高电压、大电流的场合V等。13电力电子技术基础及应用如电气牵引、电池充电、电镀、电源及电焊中。3．快速恢复二极管：恢复时间短应用场合：换流电路中，具有反馈及续流功能的逆变器中。开关电源感应加热炉等4．肖特基整流管(Schottky)：肖特基整流管是由金属半导体构成的多数载流子器件。具有低的导通电压和最短的开关时间特性。但其反向漏电流较大，阻断电压低。主要应用在高频仪表，开关电源中，功率二极管作为可控开关器件，其开通和关断仅取决于施加在它的阳极和阴极（A--K）间电压及极性。1．5功率二极管的参数：1．功率二极管的正向压降：器件的材料、生产工艺、容量都影响门坎电压和正向压降，一般的0.5V---1.2V。2．功率二极管的耐压值：耐压值主要讲的是反向电压的承受能力，也就是二极管的反向击穿电压值。3．恢复时间1．6功率二极管的应用场合：功率二极管一般用在简单半波、全波功率整流，全桥、半桥整流电路中，在三相半波、三相桥式整流电路中作为整流用。整流电路实质上是用功率二极管可以阻断反向电压的特性来实现器件间能量转移，从而完成把交流电变成直流电的任务。如图1-2-1中的a、b、c、d所示的都是作为整流用。功率二极管应用在续流回路中。在斩波器中作为续流用二极管，作为负载储能向电网反馈的通路。另外在逆变电路中续流用功率二极管反向并联在功率管的阳极和阴极上提供续流通路、并作为保护二极管用。第二节普通晶闸管的结构及工作原理晶闸管最早称之为晶体闸流管。象水库的闸门一样，打开闸门，电流就能通过，关上闸门，电流就不能通过。国外也称为可控硅---SCR（Silicon-controlledRectifier），即14第一章电力电子器件及工作原理
可控整流管。人们常说的晶闸管就是普通的晶闸管。我国的第一只晶闸管（5A/400V）早在1963年诞生。2．1晶闸管结构：晶闸管是一种大功率的具有PNPN四层的半导体元件。是一种由四层硅半导体材料制成的图形薄片的管心,见图1-3(a)。它有三个引出极，即阳极（A）、阴极（K）和门极（G）。符号见图1-3（b）。内部原理性结构见图1-3(c)，通常采用钼片作衬底,见图1-3（a）中斜线部分。其制作过程如下：先在N型硅片基片的两面扩散铝或硼（P型杂质），形成结构。然后在其中一面的大部分区域扩散磷或锑（N型杂质）作阴极区域引出门极。另外，铝片（P型金属片）与的，在同一面的另外型层构成欧姆接触。这样阳极和阴极之间就形成PNPN四层结构，具有三个PN结J1、J2、J3。15
电力电子技术基础及应用2．2冷却方式：晶闸管工作过程中会有损耗，这种损耗会以热的形式散发出去，所以晶闸管外部都装有散热片（或散热器），以散发热能，降低管芯温度，提高安全载流量。通常的冷却方法有如下几种：1．自然冷却方式：利用完全自然对流和热辐射原理，通过外部散热片散热，效率低。适用于小功率器件；2．风冷方式：加6M/S风速，进行降温风冷。适用于中功率；3．液态冷却方式：主要是水冷，高电阻净化水，适用于大功率；4．汽化冷却方式：加氟里昂等。5．半导体冷却方式：在晶闸管上加上一半导体散热器，通上+5伏电压，就可实现制冷。2．3状态。晶闸管的工作原理四层的再生反馈双稳态半导体器件。平时处在两个状态之一，即导通或关断2.3.1晶闸管的导通和关断条件：我们从实验来看出晶闸管导通和关断情况，下图-4给出的几种实验条件。cde图1-4晶闸管导通和关断实验1）SCR承受正向电压，无门极信号时，SCR仍处于关断状态，即正向阻断。见图1-4a2）SCR承受正向电压，门极正触发电压。SCT开通，负载流过电流灯发光见图1-4b3）SCR导通条件下，去掉门极电压。SCR仍导通，见图1-4c显然可见，门极触发导通后，就失去了控制作用。这一现象引起我们的思考：门极电压可以是短到级的脉冲电压。（触发脉冲）这是电力半导体电路运用电力半导体技术和微机控制的条件。4）SCR承受正向阳极电压，门极有负触发信号，不能使SCR开通。仍为正向阻断。5）SCR承受反向阳极电压，无论门极有无触发信号，也不管信号如何，均不能使SCR开通。即反向阻断状态，见图1-4。6）SCR在导通条件下，降低阳极电压，到接近零时，SCR关断，即电压过零关断。7）SCR在导通条件下，减小阳极电流，当阳极电流小于称之为维持电流IH时，SCR16ab
第一章电力电子器件及工作原理也就进入关断状态。从以上实验我们可以知道：晶闸管只能在一个方向上导通（单向导电性），且导通是有条件的，一般来说，只有在正向电压的作用下，有门极触发信号（正向电压）的作用，才能开通晶闸管。下面我们从两个方面分析晶闸管的导通原理。2.3.2晶闸管的导通原理分析一（载流子运动）：晶闸管是四层器件，我们可以从图1-5中的三个PN结状态来分析：区通过结流向区，阳极加正向电压时，结正偏，结反偏，结正偏。空穴由其中一部分空穴在区与电子复合。另一部分则到达结，成为结区的少数载流子。同理，通过区的电子区，其结，成为结侧的少数载流子。流向结结流到中一部分在同空穴复合，另一部分则到达承受的反向电压形成阻挡层，只有少数载流子形成漏电压压的作用下，和结使，，从。在正向电结两端聚集的少数载流子增加。处于3个PN结中间的PN结结时增加了许多。但此时，只有漏电流，晶闸管仍处于正的漏电流比没有向阻断状态。在阳极承受正压且施加给门极一个适合的正信号子和空穴。一方面，电子进入在，造成区电子累积，使后与由区注入到时，将在结区内产生大量的电区的空穴复合。由于剩余电子的存区，与由区注入17区电位下降；另一方面，空穴进入
电力电子技术基础及应用的电子复合，由于剩余空穴的存在，造成电位差减少，使结的阻挡层变窄，最终使区空穴积累，使区电位上升。因而结的结将失去阻挡层的作用，漏电流急剧增加，从而使晶闸管由阻断状态变为导通状态，不管Ig怎么变化，一直稳定保持在导通状态。导通后，结失去了阻挡层作用，去掉门极信号晶闸管仍保持导通状态。、结反向偏。此时晶闸管如同普通二极管一样处于逆阻当阳极加反向电压时，状态。2.3.3晶闸管导通原理分析二（双晶体管理论）：晶闸管的工作原理也可以用双晶体管理论分析，见图1-6。我们假设从中间斜切开这四个层三端器件，成为两个复合三极管。从图中显见一个晶闸管可以用一个PNP晶体管T1和一个NPN晶体管T2组成的复合管来等效。每个晶体管的集电极电流成为另一个晶体管的基极电流，若门极有电流注入，就会按下列规律形成强烈的正反馈：由于强烈的正反馈使PNP和NPN管组成复合管导通，即晶闸管饱和导通。从导通过程显而易见：1）．只起一个引导作用，当足以饱和导通时，则去掉，仍能导通（正反馈的过程，这就是晶闸管和晶体管的主要区别之一）。2）．的大小取决于电源和负载的大小，为了分析他们之间的数量关系，我们设和的电流放大系数为和，则有右边的方程组：18
第一章电力电子器件及工作原理而晶闸管的阳极电流等于两晶闸管的电流（集电极电流）和结的漏电流之和：3）．对晶闸管来说，两晶体管的电流放大系数和流和的变化规律如图1-7所示：的关系是和与发射极电从图1-7和式，我们可以分析晶闸管的各种工作状态：（1）当Ig=0时，两个等效晶体管截止，和近似为0，此时阳极电流很小，=Ico(只有漏电流)，此时晶闸管处于阻挡状态。（2）当Ig&0时，（且有正阳压存在），加，当+和增加，从曲线上可见和随之增=1时，阳极电流将会很大，其数值由外部参数决定，晶体管处于饱和导通和保持一定数状态。此时，若去掉门极电流Ig，由于复合管的再生反馈作用，能使值，维持复合管继续饱和导通。这就是晶闸管和晶体管的区别之一。（3）若晶闸管导通后降低电流电压(增大电路阻抗)，使阳极电流电流时，即晶体管的发射极电流和下降到零。和随减小到小于维持和减小到近似为零,此时晶闸管恢复阻断状态。虽然仍承受正向阳极压降，但晶闸管处于阻断状态。19电力电子技术基础及应用4．引起晶闸管导通的情况分析：1）、门极电流Ig：注入门极电流Ig,组合晶体管电流增大经正反馈进入饱和状态，一旦器件导通，门极不再具有控制作用。2）、电压影响：如果正向阳极电压逐渐增大到一定值，中间结上的少数载流子(漏电流)因雪崩效应而增大，由于正反馈作用，使漏电流增大，最终导致开关动作。该电压叫正向转折电压3）、移电流。的影响：如果阳极电压以一定速度上升，中间结上耗尽层电容C将引起位，这将诱发组合晶体管的射极电流并将最终导致开关动作。4）、温度的影响：当结温度较高时，组合晶体管的漏电流增加，并最终导致开关动作。5）、光激发的作用：光直接照射在硅片上所产生的电子空穴对，在电场的作用下产生电流并激发晶闸管。四、晶闸管的特性：晶闸管的正向和反向电压―电流特性简称为伏安特性（阳极伏安特性，门极伏安特性），通常用曲线表示，所以也叫伏安特性曲线。如图1-8所示。1．阳极伏安特性（V-ACharacteristic）：1）、在第一象限内，晶闸管承受正向阳极压降，这时有两个稳定状态：一是不导通稳定状态，二是导通稳定状态。当晶闸管承受正向阳极压降，但无触发信号时，晶闸管不导通，但有正向漏电流存在，且正向漏电流随着正向电压的升高而增大。这时晶闸管处于正向阻断状态。这个临界极限值称为Ig=0时的正向转折电压。当阳极电压逐渐增大，但未超过时，晶闸管处于阻断状态。只不过是正向漏电流随阳极电压逐渐增大而增大。2）、在第一象限内，Ig=0时，当晶闸管两端电压超过临界极限值（转折电压）时，晶闸管就从断态经转折进入负微分电阻区而到达低阻通态（导通状态）。导通后的阳极20第一章电力电子器件及工作原理伏安特性与二极管的伏安特性近似。可以通过较大的阳极电流，而正向压降却很小，这正是晶闸管通态功耗小的一个主要原因。Igo=0这条曲线称为晶闸管的自然伏安特性曲线。平时正常工作的晶闸管不允许两端的电压接近或超过正向转折电压晶闸管也称为可控硅。如果Ig增大，晶闸管就提前进入导通状态，不同的对应不同的导通电压。门极电，而是靠门极触发电流控制晶闸管导通的，因而流愈大，阳极的转折电压愈低。正常工作的晶闸管正是采用加门极电流的方法来控制晶闸管导通的。3）、对导通后的晶闸管，逐步减小阳极电流，当转为阻断状态。称为维持电流。小于时，晶闸管就从导通状态4）、在第三象限内，伏安特性与整流二极管的反向特性相似，晶闸管处于反向阻断状态。且随着反向电压增大，反向漏电流增大。若反向电压增大到Ursm时，晶闸管产生雪崩击穿，造成管子永久损坏。需要说明一点，晶闸管的分散性很大，应用时要加以考虑。2.门极伏安特性晶闸管门极和阴极之间有一个PN结，它的伏安特性称为门极伏安特性。它的正向特性不像普通二极管具有正向的电阻和反向的电阻，它的正反向电阻是很接近的。（这也是我们的测量可控硅的晶闸管的门极伏安特性见图1-9。1）、可靠触发：从曲线中可见，只要不在ABCO区域，都为可靠触发区；ABCJIH为不可靠触发区（绿色区域）；HIJO为不能触发区（红色区域）；可靠触发区为ABC以上，但不到达功率极限的区域EF；在逆变中，若不能可靠触发，则会因起逆变失败。2）、触发功率：门极加上一定功率后，会引起门极附近发热。当加入功率过大时，会使晶闸管的整个结温上升，直接影响晶闸管的正常工作，甚至烧毁门极。曲线上给出其功率极限。3）、抗干扰：21
电力电子技术基础及应用应用中，为了防止干扰使晶闸管误触发，通常在门极加一个负偏压。一般说来，该负偏压不能大于5V。4）、影响晶闸管的开通时间因素：触发脉冲的幅值和前沿陡度影响晶闸管的导通时间。幅度增大，陡度提高，开通时间就短。缩短开通时间就能减小器件在电路的开通损耗。缩短开通损耗，对器件的安全工作是有益的。3.晶闸管的开关特性：前面已经讲过，晶闸管是作为开关器件应用的，器件的开通和关断时间很短。而且开通和关断受工作频率的影响。当工作在工频（50Hz）时，可以认为开通和关断是瞬时完成的，（实际上不管开通和关断如何快，但总是有时间）不需要计算动态特性和损耗。但是当工作频率较高时，其周期缩短，晶闸管的开通和关断时间就不能不考虑。动态中损耗所占的比例相对增大，并逐渐转化为晶闸管发热的主要原因。这就必须考虑其动态特性和动态损耗。图1-10是晶闸管1)开通时间：有触发脉冲开始触发到阳极电流上升到90%所对应的时间，是迟延时间和上升时间之和。实际上开施加触发电压后，晶闸管内部正反馈结果需要时间，阳极电流的建立不可能是瞬间完成的。先是迟延时间：从门极触发到阳极电流上升到稳态值的10%所对应的时间；再是上升时间：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所对应的时间。开通时间普通的SCR：Td=0.5~1.5μs，Tr=0.5~3μs，并且td随门极电流增大而减小。另外，阳极电流上升的同时，Uak也在减小。提高阳极电压，可使内部正反馈过程加速，延迟时间td和上升时间tr可显著缩短。有利于降低开通损耗。22第一章电力电子器件及工作原理2)关断时间：突然去掉阳极电压，晶闸管由开通状态进入关断状态的过程。①过渡过程：晶闸管电路负载带有电感元件，阳极电流在衰减中必然有一个过渡过程。（阳极电流趋于0的过程）。②反向恢复电流：由电路漏感决定的换向斜率di/dt在反向方向上建立的恢复电流。③尖峰电压Urrm：在恢复电流迅速衰减时，由于漏感的作用引起晶闸管的恢复电流，次恢复电流经过最大值Irmh后，在反方向衰减到零。④关断电压tq：tq=trr+tgrTrr――反向阻断恢复时间Tgr――正向阻断恢复时间（J2结从正偏到反偏的时间）由于载流子复合过程较慢，所以正向阻断恢复时间比反向阻断恢复时间长的多。加入在正向阻断恢复时间内，给晶闸管施加正向电压会引起晶闸管的误导通。⑤关断时间的量级；约几百μS，快速晶闸管约为几μS~几十μS；⑥关断时间与相关因素：关断前的正向电流：电流越大，存贮载流子越多，关断时间越长；反向电越高，反向电流越大，关断时间可缩短；再次施加正向电压及正向电压上升率越接近极限值，关断时间增长约明显；结温越高，载流子复合时间越长，关断时间越长。3)动态损耗：从图1-10中，对每一瞬间的电流与电压的乘积对应该瞬间的损耗。损耗可分为：通态损耗，断态损耗，开通损耗和关断损耗，还有扩展损耗和过渡损耗。每一种损耗都以热的形式表现出来，当损耗增大会影响晶闸管的安全运行。4．晶闸管的主要参数前面我们明白了晶闸管的导通原理，了解了晶闸管的动态特性。但是这还不够，我们的目的是使用晶闸管来设计我们所需要的电路，这样定性的了解SCR就显得太少太少，我们必须定量的掌握晶闸管的主要参数。1）SCR的电压参数：（1）断态重复峰值电压：所谓重复就是反复施加的电压，如50HZ交流电，是门极断路，且晶闸管的结温每秒反复施加的交流电压的最大值和最小值各50次。为正常结温时，允许重复加在晶闸管上的正向峰值电压。所谓断态：阻断状态（晶闸管SCR加正向电压但不导通的状态）。定断态重复峰值电压为断态不重复电压的90%）90%（规所谓通态：导通状态。重复峰值电压：晶闸管必须反复的经受一定限度的操作电压。即在SCR开通和关断时，23电力电子技术基础及应用经常会有瞬时的超正常的正向电压加到SCR上。我们称为操作过电压。应用时只能限制过电压，不可能消除过电压，因此设置重复峰值电压这一参数。人们规定，重复率为50次/s，过电压持续时间不长于10ms。不重复峰值电压：在特殊情况下，发生雷击或断路等偶然事故时，过电压可能超过操作过电压，但仍然不应达到正反转折或反向击穿，这就是不重复峰值电压。且这种情况下不允许也不至于重复发生。正向转折电压：当正向电压升高到能使SCR导通的电压。不允许加到这个电压，此时导通时不可恢复的。断态不重复电压（2）向重复峰值电压
：：正向转折电压。是在门极断路时，而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压。同样，反向重复电压是反向不重复电压的90%。：一般说，加反向电压，SCR一定是阻断的，参数省去了阻断二字。晶闸管的额定电压：通常把和中较小的值标作为该器件的额定电压。选用时，额定电压应为正常工作峰值电压的2-3倍。就是说选管时，留有裕量，允许操作过电压裕量。2）SCR的电流参数：（1）通态平均电流：简单的说就是所允许的最大平均电流。也就是说，晶闸管在环境温度为+40o时，并且在规定的冷却条件下，带电阻性负载的单向工频正弦半波电路中，管子全导通（&170o）而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。（整流部分作为平均电流）结温：既管心PN结的温度。引起结温变化的因素：发热因素，冷热条件。因此晶闸管的额定电流必须看其冷却条件，冷却条件不同允许电流是不同。发热的原因是电流流过晶闸管在晶闸管的内阻上形成的。这时电流做的是无用功，我们称之为损耗。可分为通态损耗和断态损耗，为了减少损耗，希望通态管压降Utm尽量小一些。断态损耗：希望和尽可能小些。当高频工作时，还要考虑开关损耗。还有门极损耗，不过其数值较小。上面说的通态平均电流，是在电阻性负载下，单向工频正弦半波电路中，且管子全通（即导通角&170o）的情况。由于整流电路中不可能只是电阻性负载，且具有不同的导通24
第一章电力电子器件及工作原理角。流过SCR的电流波形不一样，这样它的平均值和有效值的关系就不一样。故实际允许的平均电流与额定电流是有差别的，因此需要换算。换算时，要使实际波形的电流有效值等于额定电流当电流的峰值为时的电流有效值。即换算原则是电流有效值相等。时，通态平均电流为：而正弦半波的电流有效值为：在正弦半波下电流有效值和平均电流之比：电流有效值与平均值之比称为波形系数则电流平均值：当晶闸管的时，。不同的波形及不同的导通角θ时，波形系数下面的不同波形的波形系数计算：1）右图为半波整流α=π/2时的情况，是不一样的。，则，于是，当晶闸管的如图1-11时，时，A也就是说，当工作状况的晶闸管，其允许的电流平均值只有70.7A。2）而当波形如右图的全波整流时：25
电力电子技术基础及应用则，在此工作状况时，即对电流平均值竟可以流过电流有141.4A。3）而当波形如右图的波形时：的晶闸管，其允许的，此工作状况时即对的晶闸管，其允许的电流平均值只有90.7A。对于不同的应用波形下，同为100A的晶闸管只能分别当70A、141A、90A使用。（2）维持电流：使晶闸管维持导通所需的最小主电流。量级：几十~几百毫安关系：它与结温有关，结温越高，则IH值越小。（3）擎住电流：是SCR刚从断态转入通态并移去触发信号后，能够维持导通所需的最小主电流，其值与工作条件有关。一般说来，与的关系是：：对应于承受断态重复峰值电压：对应于承受反向重复峰值电压时的峰值电流；时的峰值电流。（4）断态重复峰值电流（5）反向重复峰值电流（6）浪涌电流：是一种由于电路异常情况引起的，并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。浪涌电流由上下限两个级。（该不重复电流定额用来设计保护电路。）26
第一章电力电子器件及工作原理3）晶闸管SCR的门极定额参数：（1）门极触发电流；在温室下，阳极电压电流6V时，时晶体管由断态转入通态所必需的最小门极电流。（2）门极触发电压：是产生门极触发电流所需的最小门极电压。由于制作原因，门极伏安特性的分散性很大，标准只规定了和的下限。选用器件时，应注意产品合格证上标准的实测数值。和触发电路产生的电压、电流要大于实测值，才能可靠触发。但不允许超过，同时，门极平均功率Pg和峰值功率Pgm也不应超过规定值。4）动态参数：除了静态参数外，还要注意动态参数：除了开通时间tqt和关断时间tq外，还有：（1）．断态电压临界上升率du/dt：是在额定结温和门极开路情况下，不会导致从断态导通态转换的最大主电压上升率。如果在晶闸管上突然加上阳极电压，则在阻断状态下相当一个电容的J2结存在一个充电电流通过结面，这个电流流经过门极与阴极间的J3结时，起了类似于触发电流的作用，当du/dt过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管导通。应用时，应采取措施，使du/dt不超过临界值。（2）．通态电流临界上升率di/dt：晶闸管能使承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通时，会有很大的电流集中在门极附近的区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。因此，应用时要采取措施限制通态电流临界上升率。（3）．额定结流Ijm：器件在正常工作时所允许的最高结温。第三节晶闸管派生器件晶闸管的广泛应用在大电流高电压的场合，给人们带来了极大的方便。为了在某些条件下方便使用，或者减少连线以降低引线电感，人们又研制出了一系列晶闸管的派生器件：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管等。本节介绍其中几种。一、快速晶闸管：快速晶闸管,突出了一个“快”字，即快速开通，快速关断。主要应用于逆变器和斩波器以及较高频率（400Hz以上）的变流电路中。27电力电子技术基础及应用
分类：常规快速晶闸管；高频快速晶闸管（10KHz以上）要求：要有良好的静特性，还要有良好的动态特性。开通、关断时间具有较高的du/dt和di/dt的耐量和具有高频定额等。比较：类型开通时间关断时间晶闸管几百μs快速晶闸管几十μs高频晶闸管十μs左右结构：快速晶闸管在其阴极结上增加了简单的门极图形，di/dt耐量高；高频晶闸管的硅片厚度设计的比较薄，以满足高频工作的要求。如图1-14所示。特点：高频晶闸管不宜工作在低频。二、双向晶闸管（双向可控硅）：单向晶闸管只能单向导电，如果把两个晶闸管反向并联就构成了双向晶闸管。1．双向晶闸管的结构实际上双向晶闸管是在一个硅片上利用扩散工艺制造成的集成化的电子器件。其结构、符号及伏安特性如图1-15所示。2．双向晶闸管的原理见图1-16，双向晶闸管可等效为晶闸管Ⅰ和晶闸管Ⅱ复合组成，其中等效晶闸管Ⅰ由P1N1P2N2组成，相当于一个普通的晶闸管（T1为阳极A，T2相当于阴极K），门极加正触发信号，可以使等效晶闸管Ⅰ导通；等效晶闸管Ⅱ相当于一个普通的NPN晶体管（G相当于集电极，P2相当于基极，N1相当于发射极）和一个晶闸管P2N1P1N4的并联组成，门极加负触发信号，可以使等效晶闸管Ⅱ导通。3．门极触发特性门极信号G使双向晶闸管器件在主电路的正反两28第一章电力电子器件及工作原理个方向上均可能触发导通。其I、Ⅲ象限特性曲线对称。这样就存在四种触发方式：I+、I-、Ⅲ+、Ⅲ-。即：在第一象限I+和I-相对的门极G+和G-；在第三象限Ⅲ+和Ⅲ-相对的门极G+和G-。⑴Ⅰ+触发原理（门极相对于T2为正）：当双向晶闸管T1极电位大于T2极电位，且门极G电位相对于T2极为正的信号使器件开通为I+触发。这时门极电压相对应的J3结为正偏，从门极注入的电流自P2区流入N2区，从T2端流出。对等效晶闸管I来说，相当于普通晶闸管常规触发，且灵敏度高。(2)I-触发原理（门极相对于T2为负）：当双向晶闸管T1极电位大于T2极电位，门极G电位小于T2电位，器件在第Ⅰ象限导通称为I-触发。如图1-16，此时T2的右边成为P1N1P2N3晶闸管，门极G电位小于T2电位，J4结正偏，T2流向G的电流是J4结的门极电流，引起P1N1P2N3晶闸管导通。根据场引入的原理，T1端的高电位引入到门极下，当门极G电位上升到T1的电位值时，使J3结正偏，使N2发射区受到一个很大的正偏压，使J3结开通，P1N1P2N2晶闸管迅速开通。需要说明的是：从P1N1P2N3小晶闸管到主晶闸管P1N1P2N2开通前，门极信号有一个转变的过程，小晶闸管P1N1P2N3开通前，门极电流从G极流向T2极，VG为负，当其开通时，T1端正电位的引入，使G极电位相对于T2极的电位由负变正，IG也由G极流向T2端。⑶Ⅲ+触发原理（门极相对于T2为正）当晶闸管T2电位大于T1电位，若门极加上一个相对于T2为正电位的信号，器件在第三象限导通，称为Ⅲ+触发。如图1-17，门极电流从G流向T2端，当一部分电流在P2区的横向压降大于J3结电位时，使N2向P2发射电子，电子到达N1区，使N1区的电位下降，从而引起门极下的P2区向N1区发射空穴，T1端的N4区向门极正下方的P1区发射电子，电子到达N1区使J2结更正偏，P2区左侧向N1区注入空穴，最终导致P2N1P1N4导通。显而易见，Ⅲ+触发的开通是经过晶体管和等效晶闸管的相互作用的结果，因而Ⅲ+方式触发电流往往较大。⑷Ⅲ-触发原理（门极相对于T2为负）当晶闸管T2电位大于T1电位，若门极加上一个相对于T2为负电位的信号，器件在第三象限导通，称为Ⅲ-触发。此时T2电位大于T1电位，门极G电位大于T2电位为正偏，这时等效晶闸管I不会29电力电子技术基础及应用导通。但等效晶闸管Ⅱ可以触发。门极电流从T2经右侧P2区流出门极G，首先使N3向P2区发射电子并达到N1区（即由于N3P2N1晶体管导通），使N1区电位下降，从而使J2结更加正偏，导致P2区向N1区注入空穴，最终使P2N1P1N4导通。虽然门极信号加正负触发脉冲均能使双向晶闸管导通，但实际应用中只采用I+、Ⅲ-和I-、Ⅲ-两种触发方式。特别是直流信号触发时，应该只用I-和Ⅲ-两种方式。用I+、Ⅲ+触发时只有第一象限导通，第三象限不能导通。双向晶闸管与双反向并联晶闸管比较是经济的。并且触发电路简单。如可以很方便的构成调光电路，如图1-19所示。图中D为双向二极管，当电容器上电压高于或低于某一电压值（如16伏）时，分别输出一个正负脉冲，作为双向晶闸管的触发脉冲。晶闸管的触发电路由以下部分组成：（1）同步电路：触发电路的电源直接取自交流电源。与加给双向晶闸管的电源为同频电源（同一电源）。（2）触发电路：触发脉冲形成电路。由R、W和C及D组成。在交流电的正半周，给电容器C充电，当电容器上电压上升到16伏时，双向二极管D输出一个正脉冲，去驱动晶闸管导通，灯泡L上获得交流电的正半周。在交流电的负半周，给电容器C先放电，再反向充电，当电容器上反向电压上升到负16伏时，双向二极管D输出一个负脉冲，去驱动晶闸管导通，灯泡L上获得交流电的负半周。调节W的大小，可以调节到达16伏的时间，也就调节了灯泡的亮度。我们说调节α角。（3）驱动输出电路：由D和R2组成。（4）保护电路：为了限制，需要并联RC保护阻容网络，R约为50-100Ω，C为0.1μf。图1-19-2给出了双向晶闸管在三相调压电路中的应用范例。4．双向晶闸管的参数：双向晶闸管在交流电路中，不用平均值而用有效值来表征它的额定电流值。普通晶闸30
第一章电力电子器件及工作原理管在正弦半波下使用，其峰值电流为平均值的π倍，而一个双向晶闸管在全波下使用时其峰值为有效值的倍，如：200A（有效值）的双向可控硅，其峰值电流为×200=283A，一个峰值为283A的晶闸管平均电流值IA=283/π=90A。也就是说一个有效值200A的双向晶闸管可以相当2个90A（平均值）的普通晶闸管。5．双向可控硅的缺点：①双向晶闸管重新施加du/dt能力差，难以用于感性负载；②门极电路灵敏度变低；③管子的关断时间Tq比较长，容差较小；④供电通常限制在工频（50Hz）小容量时，许多情况下人仍用两个普通晶闸管反向并联。三、逆导晶闸管（RCT）逆导晶闸管时将晶闸管反向并联一个二极管制作在同一芯片上的功率集成电路。其结构等效电路及其伏安特性见下图1-20。1．结构：可见左侧为一PNPN晶闸管，右侧是一个二极管，中间是PNP隔离区。实际的逆导晶闸管其阳极和阴极均分布有短路点，采用中心门极结构，二极管一般放在中心区域。逆导晶闸管的伏安特性正向与普通晶闸管正向特性相同，反向与二极管的正向特性相同。逆导晶闸管的结构上看，在一个硅片上作两个器件，隔离问题很重要。2．工作原理：逆导晶闸管是用正的门极信号使器件开通。不过逆导晶闸管在电路中，晶闸管与二极管是轮流工作的，晶闸管通过正向电流，二极管通过反向电流，隔离区用于削弱或消除两者轮流工作时带来的相互影响。3．特点：逆导晶闸管的换相能力随结温升高而下降。具有正相压降小；关断时间短；高温特性好；额定结温高。31电力电子技术基础及应用使用方便，占地小，器件数目少，配线简单，消除了整流管的配线电感。
4．应用：在各类逆变器或斩波器中，晶闸管不需要阻断反向的电压，通常是被续流二极管旁路。因此，就产生了反向电压耐量低的不对称晶闸管ASCR。这样可以使开通时间，关断时间缩短，导通压降减小。5．参数：额定电流包括晶闸管电流和二极管电流，表示为：晶闸管电流/二极管的电流。其分子为晶闸管电流；分母为二极管的电流。如300A/200A表示晶闸管电流为300A，二极管的电流为200A。四、光控晶闸管（LightTriggeredThyristor）：光控晶闸管具有PNPN四层结构，基本工作原理是利用光激发使之导通。由于是光激发，没有电器连接，隔离性能好。其结构如图1-22所示，小功率光控晶闸管只有阴极和阳极两个端子，大功率光控晶闸管则还带有光缆，且光缆上装有触发光源的发光二极管或半导体激光器。1．特点：直接用光辐射来开通器件，从而触发器和功率电路之间提供了良好的电器隔离，绝缘电压高大数千伏。一个A的光控SCR触发功率仅约100mW左右。光控晶闸管具有比普通晶闸管高的di/dt和du/dt的承受能力。di/dt和du/dt承受的典型值为250A/μs和2000V/μs。2．工作原理：图1-23为其等效电路，当光从窗口照入，产生电子空穴对，形成电流，该电流相当于32第一章
电力电子器件及工作原理注入到等效晶体管T2的基极，形成基极电流，引起正反馈的积累过程，从而使晶闸管开通。3．触发方式：（1）光间接触发；（2）光直接辅助晶闸管触发；（3）光直接主晶闸管触发；4．应用场合：（1）高压电流整流，如高压电流输电（HVDC），日本佐久间频率变换所，1983年12月又成功地研制出世界上第一个高压电流输电用125KV/1800A的光控晶闸管，并正式投入商业运行，经长期考验，系统极为稳定。（2）用于电机控制；（3）电力系统的静止无功补偿及瞬时无功补偿。（4）核聚变装置、高频电源系统除此之外，还可作为继电器使用，构成光、电系统逻辑电路，用于热敏、光敏开关等。五、MOS控制的晶闸管（MCT）MOS控制的晶闸管是一种集成度远高于GTO，是以晶闸管和MOSFET为复合器件的集成单元的大功率开关器件。其结构示意图如图1-24所示。MCT(MOS-ControlledThyristor)是一种新型MOS与双极复合型器件，如图2所示。它采用集成电路工艺，在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件，通过MOS器件的通断来控制晶闸管的导通与关断。MCT既具有晶闸管良好的关断和导通特性，又具备MOS场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快的优点，克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大的不足。所以MCT被认为是很有发展前途的新型功率器件。与普通晶闸管一样，MCT是通过门极触发来开通主晶闸管的；关断时只需要对栅极施加一个与开通信号极性相反的电压脉冲信号就行。这给人们控制器件带来了极大的方便。MCT性能比较理想，其功率优于MOSFET。一般电流是MOSFET的几倍到几十倍。开关速度优于GTO，33电力电子技术基础及应用关断时间下降到原来的十分之一，对高频应用是非常有利的。MOS栅极控制晶闸管充分地利用晶闸管良好的通态特性、优良的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性、非常低的通态电压降和耐高压，成为将来在电力装置和电力系统中有发展前途的高压大功率器件。目前世界上有十几家公司在积极开展对MCT的研究。MOS栅控晶闸管主要有三种结构：MOS场控晶闸管（MCT）、基极电阻控制晶闸管(BRT)及射极开关晶闸管(EST)。MCT器件的最大可关断电流已达到300A，最高阻断电压为3KV，可关断电流密度为325A/cm2，且已试制出由12个MCT并联组成的模块。MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个元又是由一个PNPN晶闸管、一个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。MCT是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成如下：PNPN晶闸管一个（可等效为PNP和NPN晶体管各一个），控制MCT导通的MOSFET（on-FET）和控制MCT关断的MOSFET（off-FET）各一个。当给栅极加正脉冲电压时，N沟道的on-FET导通，其漏极电流即为PNP晶体管提供了基极电流使其导通，PNP晶体管的集电极电流又为NPN晶体管提供了基极电流而使其导通，而NPN晶体管的集电极电流又反过来成为PNP晶体管的基极电流，这种正反馈使α1+α2&1，MCT导通。当给栅极加负电压脉冲时，P沟道的off-FET导通，使PNP晶体管的集电极电流大部分经off-FET流向阴极而不注入NPN晶体管的基极，因此，NPN晶体管的集电极电流(即PNP晶体管的基极电流)减小，这又使得NPN晶体管的基极电流减小，这种正反馈使α1+α2&1,MCT关断。MCT阻断电压高，通态压降小，驱动功率低，开关速度快。虽然MCT目前的容量水平仅为A，其通态压降只有IGBT或GTR的1/3左右，但其硅片的单位面积连续电流密度在各种器件中是最高的。另外，MCT可承受极高的di/dt和du/dt，其值高达2000A/s和2000V/s，这使得保护电路可以简化。其工作结温亦高达150～200℃。已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也小。总之，MCT被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。第四节门极可关断晶闸管GTO普通晶闸管是一种PNPN四层半可控器件，开通后无法关断。只有在交流电路中交流电过零时关断（自然关断）、或者在当阳极电流减小到低于维持电流时晶闸管关断。能不能让晶闸管既能用电压开通，也能用电压关断，使之成为全控器件呢？34第一章
电力电子器件及工作原理
门极可关断晶闸管GTO（GateTurnOffThyristor）就是当今发展起来的新型器件。它具有一般晶闸管耐高压、电流容量大、浪涌电流承受能力大等优点。用它组成的电路有更好的控制特性。作为一种可控器件，门极电流不仅起开通可关断晶闸管GTO的作用，而且还能够控制其关断关断晶闸管GTO。电源供电的变流装置中，GTO正逐步取代晶闸管，成为大、中容量100KHz以下频率的逆变器和斩波器的主要开关器件。一、GTO的结构：门极可关断晶闸管（GateTurnOffThyristor）是一种能象普通SCR那样用门极电流的单个脉冲开通。但它又不同于普通晶闸管的是能用门极电流的负脉冲来关断的晶闸管。它的基本结构及伏安特性与普通晶闸管差不多。但在门极的结构上有如下的区别：SCR晶闸管是单个器件，GTO晶闸管是集成器件，是由许多小GTO集成在一片硅芯片上。采用台面型或平面型发射极结构，以提高门极和阴极间的反向电压耐受力见图1-31和图1-32所示；从结构上看，GTO是芯片内成百上千个小GTO来实现高耐压和大电流的。增加这些小GTO的数目就可以提高器件的容量。一般来说，4英寸直径的管芯可容纳个小GTO，为了进一步提高容量，日本人采用5英寸的硅片制作出了含个小GTO的GTO器件，其耐压可达6KV，工作电流达6KA，并投入了实际运行。35电力电子技术基础及应用利用这种大容量的GTO器件制成了两级式逆变器，装入新干线的高速电力机车上。但要注意在应用时应在GTO的门极和阴极间加适当的反向电压来保证其du/dt的耐用量。使用窄桥型发射极以使门极包围发射极的结构（以保证体电阻最小）。二、GTO的特点：①高的多的di/dt承受能力；这是由于门极的图形结构所决定的。②正向导通压降比SCR高；③关断时控制增益较低，要求门极驱动电路结构复杂且功率较大。三、GTO工作原理：GTO与普通晶闸管SCR类似，也具有PNPN四层结构。其内部电路可以等效为两个互补共基连接的晶体管。开通的原理和SCR一样，只是由于其门极的结构使di/dt的耐受能力强。开通后，两晶体管的共基极电流增益α1、α2的值使的T1、T2饱和度低于普通晶闸管，为门极施加反向电压关断提供了可能性。处于导通状态的GTO的门极加上负电压后，GTO立即从导通转为关断，一旦组件关断后，就能维持截止状态，直至下一个正信号到来又转向导通的双稳态器件。GTO晶闸管的关断原理：GTO开通后可在适当外加负信号作用下关断，图1-34给出了其关断原理等效电路图和阳极电流、电压和门极电流、关断时的功耗PA波形。当门极加上负偏压后，PNP晶体管T1的集电极电流Ic1被“拉出”，形成门极负电流Ig，致使NPN晶体管的基极电流减小，因而引起NPN晶体管T2的集电极电流减小，进而引起Ic1进一步下降。直到当Ic1全部拉出以后，GTO也就关断了。GTO晶闸管的关断的内部载流子运行过程见图1-35。当导通的GTO的门极加负偏压时，首先克服J3结上的正向压降，由于结电容的存在，这一正向压降不能马上消失，而负向压降也不能马上建立。在外加负偏压的作用下，J3结上的负电压与负电流均不断增加，N发射区的附近部分受到负偏压的影响，从N发射极停止向P基极注入过电子，破坏了临界导通状态。由于负偏压的作用，在P基区的电流中空穴电流从门极流出；同样由于负偏压的作用，阳极电流中的电子电流从阴极流36第一章电力电子器件及工作原理出，由于电子电流与阳极电流的方向正好相反，即降低了阳极电流；在空穴电流和电子电流的共同作用，J3结的逐步建立起反向压降，反向压降使GTO很快从临界区退出而进入放大区，进而由于正反馈的作用，Ic1减小，IA减小，直到GTO关断。四、可关断晶闸管对门极控制电路的要求GTO的门极控制的关键在于关断，下面我们来看门极关断控制问题。①GTO门极开通控制电流信号的波形要求是：控制脉冲的前沿要陡、幅度要高、宽度要大，脉冲的后沿要缓。这是因为脉冲前沿对结电容充电，前沿陡充电快，正向门极电流建立迅速，有利于GTO的快速导通。门极正脉冲幅度高可以实现强触发，强触发有利于缩短开通时间。减小开通损耗，降低管压降，适于低温触发并易于GTO串并联运行。触发电流脉冲的宽度用来保证阳极电流的可靠建立，后沿则应尽量缓一些，后沿过陡会产正振荡。②对关断控制电流波形的要求是：前沿较陡，宽度足够，幅度较高，后沿平缓，脉冲前沿增益降低。门极关断负电压脉冲必须具有足够的宽度，保证GTO可靠关断。关断电流脉冲的幅度由关断增益的大小确定。关断控制电压脉冲的后沿要尽量平缓一些，如果坡度太陡，由于结电容的效应，会产生一个正向门极电流，有使GTO开通的可能。五、GTO的特性及参数我们在前面讲述了门极的关断原理，要充分发挥GTO的优越性，保证它稳定可靠地工作，掌握它的基础应用技术是十分必需的。GTO的门极驱动电路和吸收电路是应用的关键之一。它们不仅直接与系统运行的可靠性有关，而且在很大程度上影响整个系统的性能。①门极特性无阳极电流时的门极特性与二极管的伏安特性相同。其中IGF为门极开通电流，VGF为门极开通电压，VGR为门极反向击穿电压。另外我们称有阳极电流时的门极特性为低频伏安特性。如图1-36所示，图中曲线①为无阳极电流时的门极特性；曲线②是阳极电流为I1时的门极关断特性。当导通的GTO的门极加负偏压时，首先克服J3结上的正向压降，然后负电压与负电流均不断增加，伏安特性自第一象限依次转入第四象限，再进入第三象限，到达转折点A1处时，正反馈作用停止，GTO开始关断，随着负电压的继续增加，门极负电流逐步减小，到达C1点后与曲线①重合，此时GTO才彻底关断，C1称为最后关断点。C1点所对应的门极电压为门极关断电压VG1。从伏安特性曲线看出，要关断的阳极电流I1，门极所加的负电压必须小于VGR，如果门极所加电压大于VGR，GTO关断后，门极仍然处于雪崩击穿区，这会增加门极功耗。②关断特性37电力电子技术基础及应用在这里叙述GTO的关断特性，GTO的关断需从两个方面来说明。一是表达关断过程中的门极电流，电压与阳极电流的关系，二是表达关断过程中阳极电流与电压随时间变化的关系。从门极伏安特性曲线上，我们不能对照看出阳极电流的变化情况，下面图1-37给出了GTO关断特性，可以看到关断过程中的各参数的变化规律，当门极电路外加信号变负后，J3结电压有一个转换过程，其波形如图中所示。这是由于结电容的存在，门极的电压建立需要有一个过程，同理门极的反偏建立起也要有一个过程。在延迟时间td内，门极反偏电压增长较慢，经过下降时间tf后，门极反偏电在门极负电压的作用下，门极注入负电流（抽出电流），图中给出了门极负电流波形。GTO的阳极电流随着门极抽出电流的增大而减小，在下降时间tf期阳极电流下降是很剧烈的，且tf&1us。显而易见，关断过程是很短的。而阳极电压是逐步升高的。TRc为尾部时间，对应的阳极电流为尾部电流。在下降时间，阳极电压开始建立，但由于漏感的存在，要产生如图所示的尖峰，较大的尖峰电压是十分有害的，它会造成局部电流密集而造成局部过热而导致二次击穿。在尖峰过后，阳极电压在稳定到正常电压之前，由于缓冲谐振电压而过冲。在过冲期间，阳极电路呈现一个位移电流，称为尾电流。实际应用中可以通过缓冲器电容来减小过冲电压及尾电流，但应兼顾缓冲器损耗。GTO缓冲器电容的大小通常要比普通晶闸管高几倍。人们通常采用提高门极负电流的上升率来增大可关断电流，并缩短关断时间。从量级来说，整个关断过程约几个微秒。③电流关断增益GoffGTO是用门极的负信号去关断阳极电流的。最理想的效果是用较小的门极负电流去关断较大的阳极电流。被关断较大的阳极电流IA与门极负电流的幅值I的比值称为电流关断增益Goff。Goff=IA（max）/Ig（max）其值由P2区的少数载流子扩散长度和P2区的宽度决定。工业上常用Goff=5来设计电路。④最大可关断阳极电流由于P2区横向效应的影响，GTO的最大可关断阳极电流受到限制，如图1-38所示，当-Ig/2流经P2区，将产生一个横向压降（Ig/2）（Rb/2）=IgRb/4。当此压降超过门极-阴极间的雪崩击穿电压VGR时，一部分J3结在关断瞬间工作在雪崩击穿条件下，这是不允许的。从这一条件出发，必须使横向压降小于J3结的雪崩击穿电压，即IgRb/4≤VGR而此时抽出的最大负电流为IG（max）≤4VGR/Rb根据电流关断增益Goff的定义，存在一38第一章电力电子器件及工作原理个最大可关断阳极电流
IA（max），它受到了限制，可以表示为：IA（max）≤4GoffVGR/Rb我们知道，为了获得高的阳极可关断电流，基区横向电阻Rb要小。因此P基区的掺杂浓度比普通晶闸管中的要高。改变门极的图形也是一个好方法，利用双叉指图形，可使最大可关断阳极电流改善20%,且有很高的dv/dt耐量。六、GTO的门极关断电路门极关断特性受到门极供电方式与电路参数的影响较大。在此我们来看门极信号是如何给GTO供给门极电压呢？图1-39给出了门极控制电路的框图，它由门极开通电路、门极关断电路和门极反偏电路组成。GTO的性能在很大程度上受门极驱动电路设计的影响，下面给出了一个典型的门极驱动电路，见图1-40。通常门极上最好加一个负偏压，以防止dv/dt引起的误触发。图中的门极开通和偏置电压两部分都是通过二极管整流的高频电源来供电的。开通信号经光隔离使T1管导通，而引发T3管导通，正脉冲加到GTO的门极上。门极关断脉冲是通过T2来激发的。在T2导通前电容器C从电源Vd谐振充电至2Vd，当T2开通时，电容器上电压有一个负的突跳，因而在变压器输出一个负的关断脉冲。串联的二极管及T3晶体管是为了防止门极开通和关断电路之间的相互影响。下面再给出图1-41所示的门极供电电路形式，分为单电源方式、双电源驱动方式、脉冲变压器耦合方式。后三种方式用于300A以下GTO的控制，脉冲变压器耦合方式适用于300A以上GTO的控制。供电方式不同，GTO的可关断阳极电流和工作频率也不同。双电源方式比单电源方式可关断阳极电流要大；门极负电源电压增加，可关断阳极电流也增加。七、GTO与SCR的区别重要的区别是数值不同（量变引起质变）。SCR的值较大，一般为1.5，导通时饱合深度较深，难以用门极的负信号关断。39电力电子技术基础及应用GTO的较小，一般刚刚接近1。因而处在临界状态，这就为GTO器件用门极负信号来关断提供了决定条件。思考及练习题1．简述晶闸管的导通原理。2．简述GTO的关断原理，其开通功率和关断功率的大小。3．GTO的驱动电路包含哪几个部分。40第一章电力电子器件及工作原理第五节大功率晶体管GTR晶体管对大家来说并不陌生，在模拟电路中都学习了晶体管。知道晶体管有三个区域：截止区、放大区、饱合区。当时主要讲晶体管的放大原理，要求实现信号的不失真放大。而现在讲电力电子学，功率晶体管主要工作在开关状态。其主要应用在截止区和饱合区。工作在高电压和大电流的条件下的晶体管常称之为巨型晶体管，其英文为GiantTransistor,缩写为GTR。GTR是耐高压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor__BJT）.一、功率晶体管的分类及结构：功率晶体管GTR按导电类型可分为：NPN和PNP两大类。一般是由三层半导体形成两个PN结，以NPN晶体管为主。按封装形式可分为平板型、螺栓型、塑封管；按制造工艺可分为一重扩散、双失重扩散和三重扩散（晶体管的集电区、基区和发射区皆由扩散方法形成）；按其组合可分为单管、复合管（达林顿晶体管）和模块；如图1-43所示的结构为单管型，其中半导体类型字母的右上角标‘+’表示高掺杂浓度；右上角标‘-’表示低掺杂浓度。其通断时间短，饱和压降低，但电流放大倍数小，仅为10～30倍左右。目前最常用的是达林顿模块，如图1－44所示，它是分离基区的达林顿结构的GTR，V1和V2管的基区是互相独立的，续流用二极管V3集成在同一硅片上，这种结构做成的晶体管电流增益高，其电流放大倍数可达100-1000倍，基极驱动电流非常小，但饱和压降大，通断时间长。高压大电流GTR模块是将GTR管芯按一定的电路形式封入塑料模壳中，并将各电极和散热底板引出壳体而成。塑料模壳的壳体是由箱盖和箱体组成。箱体和散热铜底座用胶粘合；散热铜底座上粘有氧化陶瓷片，陶瓷片上有金属41
电力电子技术基础及应用化电路，管芯和各电极将焊于金属化电路的出线端。模块封装进行到最后阶段时，要将高温绝缘胶灌入模壳中，使模壳体内的引线和电极保持良好的绝缘，最后封上箱盖而成。实际应用中也常将单个或多个达林顿结构GTR及其辅助电路器件如续流二极管、稳定电阻、加速二极管等制作在一起，采用环氧树脂密封而成，结构紧凑，功能强，体积小。模块和组件与分立式GTR器件相比较是体积大大减小，重量大大减轻；电路结构紧凑，引线电感小，寄生效应小，电路和装置运行更加可靠。图1-45是三菱公司的50A模块的内部电路图。二、功率晶体管的特性：1、功率晶体管的共发射极伏安特性见图1-46，其工作状态可分为截止、饱和与放大三个区域。功率晶体管主要作为功率控制用的开关元件，因此主要工作在截止区、饱和区，开关要么导通，要么截止，只能在这两种状态之一。从截止区到饱和区，或从饱和区到截止区的时间要尽可能短，以保证开通损耗和关断损耗较小。2、功率晶体管的输入输出特性如图1-47所示，用基极电流来驱动功率晶体管，但是当基极电流注入后，功率晶体管并不能马上开通，要经过延迟时间时间和上升后才认为是导通了。开通时间延迟时间是由发射结势垒电容和集电结的势垒电容充电产生的。增大基极驱动电流可以缩短延迟时间；关断时要经过储存时间才能关断，关断时间和下降时间，其中储存时间是把饱和时存储在基区的载流子抽出所用的时间，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度可以减少存储在基区的载流子，可以减小储存时间；或增大基极抽取负电流的幅值和负偏压，也可以减小储存时间。功率晶体管导通时，42越低，元件的功耗越小，元件品质越优良。第一章电力电子器件及工作原理一般来说，电感性负载时电流上升时间与下降时间比阻性负载短。三、功率晶体管的参数：对于实际电路设计要研究电源电压的变动、过负载能力、环境温度等因素，按最坏条件选用功率晶体管，既要有较高的效率，又要保证高可靠性，最重要的一点就是工作瞬间时不要超过功率晶体管的最大额定值，如果超过最大额定值就会损坏晶体管。１、电流放大系数：GTR通常连接成共发射极，其集电极电流和基极电流之比称为GTR的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力，其值为：；当我们考虑集电极和发射极间的漏电流时，其集电极电流；显而易见采用达林顿对于两级达林顿晶体管，其电流放大系数接法可以有效地提高电流增益。器件手手册中通常给出直流电流增益，一般在应用中可认为来计算。2、额定电压：不使功率晶体管击穿的最大电压称为额定电压。额定电压是加在晶体管的集电极、发射极、与基极间最大电压表示，有发射极开路时集电极与基极间的反向击穿电压、基极开路时和发射极间的击穿电压击穿电压等，一般关系为：、发射结反向偏值时集电极和发射极间的反向。应用时要降额使用，按照电源电压选取晶体管，通常电源电压与功率晶体管最大可能使用的电压之间的关系是：电源电压（交流）100～110Ｖ时，选用额定电压约为300Ｖ晶体管；留有一定的富余量才能保证GTR正常工作。２、额定电流：，为了保一般额定电流没有特别规定，一般有功率晶体管内部导线允许电流最大值是证功率晶体管的工作正常，避免造成管子电性能变差乃至使管子破坏，额定电流取到管子的最大允许电流的一半；当管子以脉冲电流工作时，可以允许的电流为功率晶体管额定电流的２～３倍。43电力电子技术基础及应用３、安全工作区安全工作区（SOA）表示晶体管安全工作运行的电压、电流的范围，分为正向偏置安全工作区、反向偏置安全工作区和短路安全工作区。正向偏置安全工作区是指基极正向偏置时晶体管的与二次击穿触发功率所限制的范围内，所谓二次击穿是指功率晶体管发生一次击穿（雪崩击穿）后电流不断增加，在某一点产生向低阻区高速移动的现象，在功率晶体管内部出现电流集中与过热点，造成晶体管永久性损坏。但一次击穿后，不一定损坏晶体管，只要不超过最大允许耗散功率的限度。反向偏置安全工作区是指功率晶体管在反偏下关断的瞬态过程。基极关断反向电流越大安全工作区越窄。为在这范围内保证晶体管正常工作运行，最有效办法是用吸收电路抑制由于管子关断时产生的较高浪涌电压。短路安全工作区的短路承受能力是表示在功率控制电路中发生短路时，靠断开基极电流的方法来达到保护晶体管。短路时，流经晶体管的集电极电流的大小由电流放大倍数、基极电流以及电源电压确定，对于达林顿晶体管集电极电流通常为额定电流的３～４倍。四、功率晶体管的驱动电路：设计功率晶体管的基极电路根据功率晶体管的驱动电流的大小设计出具有符合驱动功率要求的驱动电路。图1-48给出了理想的驱动电路的一种形式，供应用时参考。实际电路在后面章节中叙述。控制信号由直接加到T1和T2管的基极，高电平时T1导通，低电平时T2导通；T1导通时，有电流注入给GTR，由于有电容器C的充放电作用，GTR导通时有过激励，电容器起到了加速GTR导通的作用。二极管D3起到了箝位作用，使GTR不会工作在过饱和状态。当输入为负电平使T2导通，GTR的基极电流经电源E2、GTR发射极、GTR基极、二极管D2、RC电路、T2管回到E2的负极。使发射结处于反向偏值状态，从而快速地关断GTR。功率GTR需要较大的注入电流才能使GTR进入导通状态，实际的驱动电路要求能提供较大的驱动电流。因此，GTR通常工作在中功率的负载的场合。44第一章电力电子器件及工作原理第六节电力场效应晶体管（MOSFET）上节我们讲述了电力晶体管，它是电流型器件，需要较大的驱动电流。电力场效应晶体管则是电压型器件，无载流子注入，是用栅极电压来控制漏极电流的，因而工作速度高。一、电力场效应晶体管的分类、结构及特点：电力场效应晶体管MOSFET按导电沟道可分为N沟道和P沟道两大类。当栅极电压为零时漏源之间存在导电的沟道的称为耗尽型；而当栅极电压大于或小于零时存在导电沟道的称为增强型。在电力场效应晶体管中，主要是N沟道增强型。栅极的结构主要有铝栅（见图1-49b）、硅栅（见图1-50）两种。1975年美国Siliconx公司成功地将V型槽腐蚀技术移植到MOSFET上，制造出电力VVMOS器件，从而开创性地将MOSFET推向强电领域。如图1-49a所示。这种结构改变了传统MOSFET中电流的流动方向，载流子不再沿表面水平流动，而是垂直流向漏极。但这种结构的耐压和电流处理能力难以提高，已经被VDMOS结构取代。所谓VDMOS结构就是垂直导电的双扩散结构。它不是利用V形槽形成导电沟道，而是利用两次扩散形成型区和型区，在硅片表面处的结深之差形成沟道，然后垂直地被漏极收集。如图1-49b所示是一个单元。1978年美国IR公司首推VDMOS结构，将器件的耐压、导通电阻和电流处理能力提高到一个新的水平。现在多采用多晶硅栅双层布线、分立的小单元结构，分格结构不仅提高了单位面积的源周长（沟道宽度），而且改变了芯片的电流分布，降低了导通电阻。为了进一步降低导通电阻，已发展了垂直沟道结构。世界上许多功率器件公司先后进入MOS功率领域，推出了自己的产品。基本单元（源的形状）多样化，出现了三角形、正六边形、正方形等多种设计，如国际整流器公司采用六边形单元、西门子公司采用正方形单元、摩托罗拉公司采用矩形单元的‘品’字形排列。电力MOSFET的特点是：1）它是电压型器件，输入阻抗高，要求输入驱动电流小，驱动电路简单。小功率的TTL电平就可以驱动；2）它是多子器件，无少子存贮效应，开关速度高，工作频率高；45电力电子技术基础及应用3）具有负电流温度系数，热稳定性好；4）电流通道上无PN结，不会出现二次击穿，安全工作区大。二、工作原理及特性：1、工作原理：我们来看图1-50的结构，当电力场效应晶体管的漏极接电源正端，源极接电源负端，栅极和源极之间的电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结且反偏，源极和漏极之间无电流流过。如果在栅极和源极之间加上一个正电压，这一正电压会将其下的P区中的空穴推开，同时将P区中的电子吸引到栅极下面的P区表面。当电压大于阈值时，栅极下面的P区表面的电子浓度将大大超过空穴浓度，从而使P型半导体呈N型半导体的性质，形成N沟道而使PN结消失，漏极、源极间形成导电状态。我们把导电的反型层称作沟道（图中两个红色区域）。VDMOS的沟道很短，有效漏电压超过数伏时，沟道中的电场可达伏/CM的数量级。源极S是载流子（电子）发生源，而漏极意味着取出电子。栅极和源极之间电压超过阈值电压越多，导电能力越强，漏极电流越大。2、电力场效应晶体管的输出特性：电力场效应晶体管主要工作在开关状态。其主要应用在截止区和非饱合区。电力场效应晶体管漏极伏安特性如图1-51所示，伏安特性分为三个区：截止区、线性区、饱和区。1）截止区：栅压不足以在半导体表面形成任何沟道。，故称为截止区；2）线性区（非饱和区）：当小时，与很成线性关系，故称为线性区；3）饱和区：这里的饱和与晶体管中的饱和不同。饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加。非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应地增加。它反映了反型层沟道是46
第一章电力电子器件及工作原理均匀展开的。电力场效应晶体管工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。3、电力场效应晶体管的开关特性：作为电力开关的MOSFET，在开通和关断之间高速转换。在栅极上加入矩形脉冲信号由于栅极存在输入电容，所以这时并未能产生漏电流时，出现漏电流。之后随的增加而增加，从开启电压上的这段时间称为上升时间，这时相当于。当，如图1-52，的呈指数规律上升，上升到开启电压。这段时间称为开通延迟时间升到电力MOSFET进入非饱和区的栅极电压晶体管的临界饱和状态，漏极电流负载电阻共同决定；因而电力MOSFET的开通时间为：当开关脉冲信号+。达到稳态值。其数量的大小由漏极电源电压E和漏极下降到零时，由于栅极存在输入电容，所以时，漏极电流的呈指数规律下降才开始下降，这段时（电容器放电），当下降到非饱和区的栅极电压间称为关断延迟时间。之后随着电容器放电极电流继续下降，迅速下降。当下降到开启电压时，漏。下降到零。这段时间称为下降时间；电力MOSFET的关断时间为：由于电力MOSFET是靠多子导电，不存在少子储存效应，关断过程非常迅速，10-100ns。一般的说，电力场效应晶体管是场控器件，几乎不需要输入电流，但由于输入电容的存在，电容器的充放电仍需要一定的驱动电流，且工作频率越高，需要的驱动电流越大。三、电力场效应晶体管的参数：1．开启电压：电压称为开启电压（阈值电压）。其电压的大小与耗尽区内单47电力电子技术基础及应用位面积的空间电荷数量有关。2．跨导：漏极电流和栅源间电压关系曲线的斜率定义为MOSFET的跨导。其关系式为：。它表示了MOSFET的增益特性（即反映了输入电压和输出电流的关系），称为MOSFET的转移特性。见图1-53。3．漏极电压定额的。4．漏极电流和漏极脉冲电流：标：这是标称管子的电压定MOSFET的电流定额参数，是应用时选管的依据。5．极间电容源极输出电容、和：手册上给出的输入电容；反向转移电容。；共6．安全工作区：一般说来，漏源间的耐压、漏极最大允许电流和管子的最大耗散功率决定了管子的安全工作区。电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是MOSFET的优点。实际使用中还是要留适当的余量。三、电力场效应晶体管的驱动电路：MOSFET管的驱动电路可以采用OC开路的TTL电路直接驱动,如图1-54a所示。另用15V电源作为上拉电源，可以确保足够的栅极电压，而且关断速度高，但降低了开通速度。图1-54b给出了采用光电耦合的MOSFET驱动电路。另外还有混合集成电路驱动电路、高速驱动电路等。48
第一章电力电子器件及工作原理第七节绝缘栅双极晶体管（IGBT）绝缘栅双极晶体管简称IGBT（Insulated-GateBipolarTransistor）,这种器件是由VDMOSFET派生出来的，它集MOSFET与GTR的优点于一身，既具有输入阻抗高，速度快，热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有通态电压低，耐压高和承受电流大等优点。一、绝缘栅双极晶体管的分类、结构及特点：IGBT的结构剖面图如图1-55中，IGBT是在功率MOSFET的基础上增加了一个层衬底（注入区），形成PN结J1，并由此引出集电极。栅极与源极则完全与MOSFET类似。表面的接触电极通常接负或零电平，为器件的阴极E，也是等效PNP管的发射极，并通过栅介质引出电极为IGBT的栅极。从图中可以看出，IGBT实际上是MOSFET与双极晶体管GTR结合的产物。即N沟道的IGBT的等效电路相当于把N沟道的MOSFET作为输入端，把NPN管作为输出端的MOS型输入、反向达林顿晶体管。有缓冲区的IGBT称为非对称IGBT，其反相阻断能力弱，但正向压降低，关断时间短，关断时尾部电流小。这有利于应用在较高频率的工作状态。无N+缓冲区的IGBT称为对称IGBT，他具有的正向阻断能力不及非对称IGBT。从结构上可以看出，IGBT相当于由MOSFET驱动的厚基区GTR，其简化等效电路如图1-55所示。图中电阻R是厚基区GTR基区内的扩展电阻，IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件。图示器件为Ｎ沟道IGBT，MOSFET为Ｎ沟道型，GTR为PNP型。图中给出了IGBT的符号。对于Ｐ沟道。图形符号中的箭头方向恰好相反。为了提高IGBT的性能，采用了许多技术，如短路发射极技术、P阱区两步扩散技术、控制N-区少子寿命、加缓冲层、选择合理的元胞结构等来抗击擎住效应。IGBT的特点：（1）开关速度高，开关损耗小；49
电力电子技术基础及应用（2）（3）（4）（5）安全工作区大；通态压降低；输入阻抗高；高的耐压和高的通流能力。二、工作原理及特性：1、工作原理：IGBT的开