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第一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。本章介绍电力电子踞件的概念、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。1.1 电力电子器件分类一、按受控方式分按照电力电子器件的受控方式，可将其分为不可控、半可控和全控器件三类，见表1.1。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。这类器件包括普通品闸管，快速、光控、逆导、双向晶闸管等。3 .全控器件通过控制信号既可控制其导通乂可控制其关断。GT0、GTR,功率MoSFET、IGBT等均属于全控型器件。表II电力电子戏F分类表器件类别器件名称普通整流硅二极管快速恢复二极管不可控器件二极管肖特基整流二极管肖克莱二极管硅对称开关普通品闸管SCR快速品网管半控型器件双向晶网管逆导晶间管光控晶司管双极型功率晶体管GTR门极可关断船闸管GIO全控器件功率场效应管PowerM0SI-E绝绿棚双极型功率晶体管1（；BT全控型器件静电感应晶体管SITYOS相控晶闸管MCT静电感应品闸管S1.TH智能功率模块IPM功率集成电路PIC二、按载流子类型分按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，可将电力电子器件化分为单极型、双极型和混合型三类。1 .单极型器件由一种我流子参与导电的器件，称为单极型相件，如功率MOSFET、静电感应晶体管Sn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、普通品闸管、电力晶体管等。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。三、按控制信号性质分根据控制信号的不同，电力电子器件可分为电压控制型和电流控制型两种。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：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，两种载流子在熨合过程中产生热量，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。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。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 .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MOSFETxIGBT等。电压控制型器件的特点是：输入阻抗高，控制功率小，控制线路简单。工作频率高。工作温度高，抗辐射能力强。1.2功率二极管功率二极管(PowerDiode)乂称电力二极管，常作为整流元件，属于不可控型器件。它不能用控制信号来控制其导通和关断，只能由加在元件上电压的极性控制其导通和关断。可用于不需要调压的整流、感性负载的续流以及用作限幅、钳位、稳压等。功率二极管还有许多派生器件，如快恢复二极管、肖特基整流二极管等。一、功率二极管的结构如图1-1所示普通功率二极管的内部是由一个面积较大的PN结和两端的电极及引线封装而成的。在PN结的P型端引出的电极称为阳极,在N端引出的电极称为阴极K。功率二极管主要有螺旋型和平板型两种外形结构。一般而言20OA以下的器件多采用螺旋型，200以上的多采用平板型。极极VD出螺栓形(b)平板形(C)结构(山电气图形符号图1-1功率：极管的外形、结构和电气图形符号二、工作原理功率二极管工作原理和普通二极管一样，是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。当受到正向电压作用时，P结导通，正向管压降很小，在电路中相当于接通电路；当二极管处于反向电压作业时，PN结截止，仅有极小的漏电流流过二极管，在电路中相当于断开电路。三、功率二极管的特性1 .功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth（又称死区电压）。当外加反向电压时，二极管的反向电流Is是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加，二极管被电击穿后将造成PN结的2 .功率二极管的开关特性因结电容的存在，功率二极管在通态和断态之间转换时，有一个过渡过程，这个过程中的特性为功率二极管的动态特性。功率二极管由断态转为通态时，功率二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP,然后逐渐趋于模态压降值。这一动态过程的时间，称为正向恢复时间tro当原处于正向导通的功率二极管的外加电压突然变为反向时，功率二极管不能立即关断，其电流逐渐下降到零，然后有较大的反向电流和反向过冲电压出现，经过一个反向恢复时间才能进入截止。其中，td为延迟时间，If为电流下降时间，trr为反向恢熨时间，trr=td+tf°由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间“八最大反向电流值Iry,与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流did等都有关。普通二极管的trr=210s,快速恢熨二极管的Irr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns,见图1-3。四、功率二极管的主要参数1 .额定电压GRR反向不重夏峰值电压URSM是指即将出现反向击穿的临界电压；二极管的额定电压URR（反向重复峰值电压URRM）取反向不重复峰值电压URSY的80%;URRM（或Urr）小于二极管的反向击穿电压Uro。2 .额定电流IFR功率二极管的额定电流IFR被定义为在规定的环境温度为+40C和散热条件下工作，其管芯PN结温升不超过允许值时，所允许流过的正弦半波电流平均值o若正弦电流的最大值为Im,则额定电流fr=1o/msin(Otd(Ot)='Im211113 .最大允许的全周期均方根正向电流IFrms二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFnnS=柜Sin(Ot)2J(M)=hn<1.-1.>由式(IT)和(1-2)可得hb,=-×,r=1-57,s(1-2)r0*)w4 .最大允许非重复浪涌电流I1.1SM这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。功率二极管属于功率最大半导体器件，二极管参数是正确选用二极管依据。1.3电力晶闸管品闸管(ThyriStOr)是晶体闸流管的简称，早期称作可控硅整流(Si1.iconContro1.1.edRectifierSCR),简称为可控硅。晶闸管的出现开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代，在电力电子学的发展中起到了非常重要的作用。直到目前为止，由于晶闸管能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中母高的，又因其工作可靠性高，因此在高电压、大电流的应用场合仍然是无可替代的最佳选择。从广义上讲，品闸管还包括有许多类型的派生器件，但一般情况下所说的晶闸管是指其中的一种基本类型一一普通晶闸管。本节将主要介绍普通品闸管的工作原理、基本特性和主要参数，然后对其各种派生器件也作一简要介绍。一、晶闸管基本结构图1.4所示为晶闸管的外形、结构和电气图形符号。从外形上分，品闸管主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个连接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，做成螺栓状是为了能与散热器紧密连接且安装方便。另一侧较粗的引线为阴极，细的引线为门极。功率更大的晶闸管多采用平板型封装，平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间，更利于散热，其两个平面分别是阳极和阴极，由中间金属环引出的细长端子为门极，靠门极引线金属环较近的平面是阴极。晶闸管是一种四层三端结构的大功率半导体器件。晶闸管内部的PNPN四层半导体结构，分别命名为P1.、NkP2、N2四个区(IP1.区引出阳极A,N2区引出阴极K,P2区引出门极G。四个半导体区之间形成J1、J2、J3三个PN结。见图1-4所示。螺栓形(to平板形(C)熨封形(d)集成封装形(。)模块形(f)结构(/电气图形符号图17晶间管的外形、结构和电气图形符号二、品闸管工作原理1 .导通/关断实验在介绍其工作原理之前，首先通过一个实验了解它的工作情况。实验电路如图14所示。实验过程见表1-2.图1-4品闸管导通和关断实验实脸过程:项目灯原状态电压极性灯新状态规律与结论tinb图灭正向正向亮导通条件：，如为正，为正时，才能仔通C图正向写壳晶闸管导通后,门极失去控制作用d图反向写灭“K为负,无论心:为正或负.品网管均处于关断状态归纳实验结论：1）欲使品闸管导通需具备两个条件:应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。2）为使总闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。3）品闸管的特点单向导电性。屈半控型半导体器件。属电流控制器件。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。而当给品闸管加反向电压（阴极电位高于阳极电位）时，JI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。可以看出，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。2）导通状态分析品闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图1-5所示。假想用一倾斜的截面将晶闸管的NIP2层切开，但同一层间仍保持电的联系，则晶闸管可以看作由PINIP2和N1P2N2构成的两个晶体管VI、V2组合而成。S闭合前，TG=O-b2=0->c2=0-/b1=0-/c1=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。图1-5晶同管的双晶体管模型及其工作原理如果门极回路的开关S闭合，则外电路向门极注入电流/G,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/1)2,即产生集电极电流c2,它又是晶体管V1.的基极电流，经V1.放大后产生集电极电流c1.,而c1.此时等于B1.B2b2,比最初的驱动电流/G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VI和V2完全进入饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流7G,晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈，会继续维持其导通状态。对晶闸管的驱动过程般称为触发，产生门极触发电流/G的电路称为门极触发电路。晶闸管一旦导通，门极就失去了控制作用。若要使晶闸管关断，必须去除阳极所加的正向电压，或设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，或者给阳极施加反压。也就是说，门极加正脉冲能够触发晶闸管导通，而加负脉冲却不能使其关断。出于此因，晶闸管才被称为半控型器件。晶闸管除了在门极电流触发卜可以导通外，在以卜几种情况卜也可能出现导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应：阳极电压上升率du/d1.过高；结温过高等。这些情况都属于不正常的导通方式，工作时应当加以避免。三、晶闸管基本特性1 .品闸管静态伏安特性图1-6示出了在静态运行情况下品闸管的伏安特性。位于第I象限的是正向特性，位于第III象限的是反向特性。图1-6晶闸管的伏安特性1）正向伏安特性由于晶闸管具有正向可控导通的特性，所以其正向伏安特性与二极管不同。品闸管在门极开路（/G=O）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。随着正向阳极电压的升高，正向漏电流随之加大。当正向阳极电压升高到器件允许的最高临界极限电压，即正向转折电压小。时，内部J2结被击穿，则电流急剧增大，特性由高阳区经负阻区到低阻区，器件进入导通状态，这是一种非正常状态。当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（一般为军安级），器件也会立即进入正向导通状态。导通状态的晶闸管的伏安特性与二极管特性类似，虽有较大的阳极电流流过,但却只有很小的正向压降，称其为通态压降，一般在IV左右。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后，如果使门极电流为零，并且逐步减小阳极电流，当减小到接近于零的某一数值/H以下时,则晶闸管乂由导通状态恢复为阻断状态。/H是维持晶闸管导通所需的最小阳极电流，称为维持电流。2）反向伏安特性总闸管承受反向阳极电压时，由于J1.J3结处于反向偏置状态,品闸管流过的电流仅由各区少数我流子形成，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。一般情况下，反向偏置电压主要由J1.结承担,一旦阳极反向电压超过允许值时，J1.结将被反向击穿，反向漏电流增加较快，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，造成品闸管的永久性损坏。当阳极施加反向电压时，门极一般不起作用，其反向特性与二极管反向特性相似。但此时若在门极施加足够高的正向电压，将使J3结由反向偏置变为正向偏置，引起内部载流子浓度增加，反向电流增加,从而造成器件功耗增大，结温上升，阻断能力降低，对器件工作十分不利，必须避免。3）晶闸管的门极特性由总闸管的结构图可以看出，门极和阴极之间有一个PN结J3,其伏安特性称为门极伏安特性。其特性应与一般二极管特性类似，但为提高品闸管耐受d”dt能力，而对门极区域进行了特殊处理，所以其特性比一般P结特性稍差一些，而且分散性很大。因此，为了应用上的方便，常用一个由一条典型极限低阻门极伏安特性和一条极限高阻门极伏安特性围成的区域来表示某类型号所有器件的门极伏安特性，称作门极伏安特性区域。图1-7是某一型号晶闸管的门极伏安特性。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。不触发区是为了使品闸管具有一定的抗干扰能力，避免很小的触发电压或触发电流就能使品闸管导通，而对生产厂商所做的一种限制，即，其出厂的产品，当门极所加信号在此范围内时，不应使晶闸管触发导通。安特性不可靠触发区是规定生产厂商所出厂器件的触发电压和触发电流值应处于该区域，而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。而可靠触发区则是为了保证品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。门极电流、电压和功率极限值分别为/GV、/GFM和/*1,这是门极工作时的边界。当器件结温升高时，由于正向阻断能力降低，所需门极电压和电流也随之减小。2 .晶闸管动态特性在大多数电力电子电路中，品闸管都作为开关元件使用。在对电路分析时，一般也都将其当作理想开关处理。但在实际运行时，器件开通及关断过程并非在瞬间完成，其中内部载流子的变化，以及当器件突加电压或电流突变时的工作状态往往直接影响线路工作的稳定性、可拳性。因此，应对器件动态特性有所了解。晶闸管的开通和关断的动态过程的物理机理是很第杂的，这里只对其过程作箍单介绍。1）品闸管开通过程对于正向阻断状态下的晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能瞬间完成。从外施门极信号上升沿开始，到器件进入正向导通状态为止，由于晶闸管内部的正反馈过程，以及外电路电感的影响，电流的建立要经历一个内部晶体管正反馈最终达到饱和导通的过程，称之为品闸管开通过程。开通过程可分为延迟、上升、扩散三个阶段，如图1-8所示。第一阶段：延迟阶段。所需时间为延迟时间3。从门极电流/G阶跃时刻开始，到阳极电流也上升到稳态电流的10与所需的时间。在这一期间，晶闸管的正向压降略有减小。第二阶段：上升阶段。此阶段所需时间为上升时间阳极电流从稳态值的10%上升到90%所需的时间。在该阶段，伴随着阳极电流迅速增加，器件两端的压降温K也迅速下降。第三阶段：扩散阶段。所需时间为扩散时间，ex。它是阳极电流上升到90%之后截流子在整个芯片面积上分布的过程，最终使力上升到100%稳态值，器件压降达到稳定值。品闸管的开通时间Bn定义为延迟时间Fd与上升时间"两者之和，即Sn=2d+":普通晶闸管延迟时间Ed为0.51.5us,上升时间仃为0.53s°延迟时间Zd和上升时间门主要受以下四个因素影响：门极电流越大，前沿越陇，持续时间越长，延迟时间越短。由器件结构、工艺等决定的自身特性对上升时间有很大影响。上升时间受外电路电感大小的影响。阳极正向电压的大小宜接影响到器件内部开通正反馈过程，提高阳极电压可以增大晶体管V2的电流增益。2,从而使正反馈过程加速，延迟时间和上升时间都可显著缩短。2）晶闸管关断过程品闸管的关断有三种情况：一种是晶闸管处在正向阳极电压下，设法使流过它的电流减小到零，使其关断：另一种是使晶闸管的阳极电压减小到零，迫使流过它的电流减小到零而使其关断：第三种情况是给原来处于导通状态的晶闸管两端加一强制反偏电压，使其阳极电压突然由正向变为反向，迫使电流迅速减小到零而关断。下面以第三种情况为例，说明晶闸管的关断过程。由于外电路一般都有电感存在,其阳极电流必然要经过一过渡过程逐步衰减到零。然而由于品闸管内部的JI、J3结附近积累了大量的少数载流子，这些我流子在反向电压的作用下被抽取出品闸管，形成反向恢复电流，经过最大值TRP后，再反方向快速衰减。在恢且电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在品闸管两端出现反向的尖峰电压aP。最终反向恢复电流衰减至接近于零，晶闸管恢复其对反向电压的阻断能力。品闸管强迫关断过程中的电压、电流波形如图2.6所示。由此可见，关断过程是晶闸管内积累的非平衡我流子消失的过程。这一过程需要一定的时间，称为关断时间”ff。从正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时间，就毡晶闸管的反向阻断恢复时间irr°反向恢复过程结束后，由于载流子发合过程比较慢，晶闸管要恢第其对正向电压的阻断能力还需要一段时间，这段时间称为正向阻断恢复时间（也称门极恢复时间），gr。在正向阻断能力尚未完全,恢熨期间，若重新对晶闸管施加正向电压，品闸管在无门极信号的情况下又会重新正向导通。所以实际应用中，给品闸管施加的反向电压时间应足够长，以保证品闸管充分恢复对正向电压的阻断能力，电路能正常、可竟地工作。晶闸管的关断时间Gff定义为Err与Igr之和，即toff=11'r+fgr普通晶闸管的关断时间一般约几百微秒。3）通态电流临界上升率dd£在晶闸管开通过程中，阳极电流总是从门极附近开始逐步向整个芯片扩展，这需要一定的时间。如果外电路使器件阳极电流增长过快,在未来得及犷展到较大的导电面积前已达到很大的值，就会造成在门极附近电流密度过高而发生局部过热击穿，导致晶闸管永久失效。在使用时，必须从外电路采取措施来限制器件承受的dd，例如在阳极串联电感，用小容量器件并联代替大容量器件等。影响总闸管dVd承受能力的主要因素是：门极触发方式利用强触发来加速初期载流面积扩展速度，要求门极脉冲前沿的电流大、上升速度快。但过大的门极电流又会使门极功率超过允许值。因此对大功率晶闸管，门极信号希望具有很陡的脉冲前沿（前沿上升时间1us）,并有幅值是门极电流额定值56倍的强触发部分。波形如图1-9所示。工作频率工作频率越高，开通损耗影响越大，结温越高，这就限制了器件的每次开通能量。因此不仅是阳极电流幅值减小，也降低Tdj/dr承受能力。图19理想门极电流波形开通前电压元件开通前承受的正向电压越高.，开通过程中的各种损耗相应增加。这样，为了限制晶闸管结温，df/U承受能力就必须加以限制。A图ITO位移电流产生示意图4）断态电压临界上升率du/dr在正向阻断状态下，晶闸管的J2结存在有结电容Cj2如图ITO所示，在正向电压作用卜J2、J3结处于正向偏置，全部电压加在J2结上。对结电容Cj2将有一个充电电流，称作位移电流/AK。K=Cj2dudr这个电流作为晶闸管等效电路的基极电流注入晶体管V2,其作用类似于门极电流。由晶闸管正向伏安特性可知，其正向阻断能力会随门极电流的增大而下降。因此过高的du/dh会产生对J2结过大的充电电流，可能造成晶闸管的误导通。5）晶闸管的动态损耗晶闸管在低频运行时，由于主要工作于稳定阻断或导通状态，其开、关过程时间相对较短，该阶段产生的损耗可以忽略。该阶段的损耗主要是由通态压降与阳极电流，以及阻断电压和断态漏电流产生的静态损耗。这种损耗是晶闸管低频运行时结温升高的主要因素。然而，晶闸管在高频运行时，晶闸管开关过程时间占了很大成分,开关过程中品闸管的压降和电流值都较大，产生的损耗更是不容忽略的，这部分损耗称作动态损耗。四、品闸管主要参数为了更好地使用品闸管，不仅要定性地了解品闸管的伏安特性，还要定量地掌握晶闸管的主要参数。1 .晶闸管的电压参数1）断态不重梵峰值电压）SM：晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管的正向阳极电压上升到正向伏安特性曲线急剧弯曲处所对应的电压值。它是一个不能重夏且每次持续时间不大于IomS的断态最大峰值电压。RSM值小于正向转折电压砧O,所留裕量大小由生产厂家臼行规定。2）断态重复峰值电压,DRM：晶闸管在门极开路及额定结海下，允许每秒50次,每次持续时间不大于IOnIs,重复加在品闸管上的正向峰值电压。RRM=O.9RSM°3）反向不重复峰值电压IRSM:晶闸管门极开路、品闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧弯曲处的反向峰值电压值。它是一个不能重复施加且持续时间不大于IOmS的反向最大峰值电压。反向不市熨峰值电压应低于反向击穿电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定。4）反向重复峰值电压，RRM：晶闸管门极开路及额定结温下，允许每秒50次，每次持续时间不大于IOms,重复加在晶闸管上的反向最大峰值电压。6RRM=0.94RSMo5）额定电压：将断态重第峰值电压）RV和反向市夏峰值电压/,RRM中较小的标值作为该品闸管的额定电压值。选用晶闸管时，应考虑瞬时过电压等因素的影响，额定电压要留有一定的安全裕量，一般取额定电压为正常工作时品闸管所承受峰值电压的23倍。6）通态（峰值）电压"'M：通态（峰值）电压是晶闸管通过某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。2 .晶闸管的电流参数1）额定通态平均电流“（AV）：在环境温度为40°C和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。将该电流按品闸管标准电流系列取整数值，称为该品闸管的通态平均电流，并定义为该元件的额定电流。品闸管的额定电流用通态平均电流来表示是因为整流电路输出能力常用平均电流表示。由于这个参数是按照电流在器件上产生通态损耗的发热效应来定义的，即决定品闸管允许电流大小的是管心的结温,而管心发热的大小，是由能表征热效应的电流有效值来决定的。因此在使用时无论流过晶闸管的电流波形如何，导通用有多大，只要使流过晶闸管的实际电流的有效值与所选用元件通态平均电流（即额定电流）的有效值相等，即二者所产生的发热效应相等，则所选元件的管心的发热就是允许的，可正常使用。因此，晶闸管的电流定额要按照有效值相等的原则来选取，并应留一定裕量。一般取其额定电流为按此原则计算结果的152倍。根据定义，晶闸管的通态平均电流Tr(AV)应是图1-11所示工频正弦半波电流的平均值。图IT1.晶闸管通态平均电流定义在实际电路中，流过晶闸管的波形可能是各种不同的非正弦波形,计算和选择品闸管的额定电流值时，应根据发热等效的原则，即实际电流的有效值与晶闸管允许的电流有效值相等，将实际电流的有效值/T或平均值/d折合成等效的正弦半波电流平均值去选择品闸管额定值，即4=KJd=1.57%AV)_TT<AV,1.571.57式中AT为非正弦波形的波形系数。由于晶闸管元件的热容量小，过载能力低，因此在实际选用时，应留有一定的安全裕量，一般1.52倍的安全系数，则AAV)-)弩=(1.5-2)含2)维持电流川：维持电流是指在规定室温和门极开路条件下，使品闸管维持导通所必需的最小阳极电流，一般为几十到几百宅安。IW与结温有关，结温越高，则川越小。3）擎住电流几：擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一品闸管来说，通常儿约为田的24倍。如果晶闸管从断态转换为通态，其阳极电流还未上升到擎住电流值就去掉触发脉冲，晶闸管将重新恢熨阻断状态，所以要求晶闸管的触发脉冲应有一定的宽度。4）浪涌电流/TSV：浪涌电流是指在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的不重复性最大正向过载峰值电流。3 .门极参数：1）门极触发电压IGT：在规定室温下，正向阳极电压为6V,能使晶闸管由断态转为通态所需的最小门极电压。2）门极触发电流;GT：在上述条件下，门极触发电压。GT所对应的门极电流。4 .动态参数1）断态电压临界上升率du/d1.：这是指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。使用中实际电压上升率必须低于此临界值。2）通态电流临界上升率di/di：这是指在规定条件下，晶闸管能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，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。此外，还有开通时间Sn和关断时间Sff等，在前面已有介绍,此处不再赘述。5 .晶闸管的型号表示国产品闸管的型号表示方法为：KP11口通态平均电压组别1.额定电压额定电流表示普通晶闸管表示闸流特性1.4特殊用途晶闸管一、快速晶闸管快速晶闸管(FaStSwitchingThyriStOr)指所有专为快速应用而设计的晶闸管，包括常规工作在400HZ左右的快速晶闸管和工作在IOkHz左右或更高频率的高频品闸管，主要应用于斩波或逆变电路中。由于快速性的要求，其管心结构和制造工艺都与普通品闸管有所不同，使得快速品闸管的开关时间以及du/d1.和d7dt的耐受能力都有了明显的提高。以关断时间为例，普通晶闸管一般为数百微秒，快速品闸管为数十微秒，而高频品闸管则为10US左右。但快速品闸管的电压和电流定额受快速性指标和制造工艺的限制，仍与普通晶闸管有很大差距。由上节对普通晶闸管的分析可知，当工作频率较高时，开关损耗是晶闸管发热的主要因素。所以，快速品闸管开关损耗的发热效应对其通态平均电流的计算有着很大的影响。二、逆导品闸管当品闸管用作逆变器或直流斩波调压器中的开关器件时，通常需要一个反并联二极管为电感负载提供续流通路来抑制过电压。为了减少晶闸管与二极管连接导线的分布电感在器件开关瞬间引起的暂态过程，导线应越短越好。因此开发出一种把晶闸管和一个反并联二极管做在同一管心上的功率集成器件，这种器件不具有反向阻断能力，一且承受反向电压即开通，称为逆导晶闸管(ReVerSeConductingThyristor,简称RCT).图卜12为其等效电路和图形符号。与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短、开关速度高、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。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管额定电流，一个是与之反并联的二极管额定电流。图1T3所示为逆导品闸管伏安特性。其正向伏安特性与普通晶闸管的正向特性相似，反向特性与二极管的反向特性相同，其静态反向压降约为12V0这类器件属于非对称品闸管。图卜12逆导晶闸管及图形符号图1T3逆导晶闸管的优安特性三、双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)是一NPNPN的五层三端(T1.、T2和G)元件,有四个PN结。可以认为是一时普通晶闸管反并联连接的集成。它有两个主电极门和T2,一个门极G。门极便器件在主电极的正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第I和第II1.象限有对称的伏安特性。此特性与普通晶闸管的正向特性相同。其电气图形符号和伏安特性如图1T4所示。（八）电气图形符号(b)伏安特性图IM双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性无论T1.与T2间的电压极性如何，给门极G和主电极T2间施加正触发电流(冗从G流入，从T2流出)或负触发电流(兀从T2流入，从G流I1.O.均能使双向晶闸管导通。根据施加于T1.和T2间的电压极性与控制门极信号极性的不同，双向晶闸管有四种工作模式(见表1-3).在不同工作模式下器件的触发灵敏度不同，其中以UI+模式的灵敏度最低。因此，实际应用中常用灵敏度较高的、III-模式或I+、III-模式。表1-3双向晶闸管的工作模式触发方式阳极电荒极性UTIn门18触发电/KUan发灵取收使用精况1+>0>0较高常用I-X)较信常用11I<0>0蚊低般不用11.柿低常用双向晶闸管多被用于交流电路中，在交流调压、调功电路，固态继电器(So1.idStateRC1.ay)和交流电动机调速等领域有广泛的应用。与使用一对普通品闸管反并联相比是经济的，而且控制电路比较简单。由于双向晶闸管通常用在交流电路中，在使用时要特别注意两个参数的意义。一是其额定电流不像普通晶闸管那样用正弦半波电流的平均值定义，而是用有效值来定义的。即100A的双向晶闸管只能通过100A的有效值电流，而额定电流为100A的普通晶闸管则可以通过157A的有效值电流。二是由于双向晶闸管工作的交流电路中大多是感性负载,其电流的变化落后于电压的变化。也就是说，当电流下降到零时电源电压早已反向，相当于给电流刚刚降为零的晶闸管两端瞬间施加一阶跃反压，因此其必须在电流为零的瞬间具有承受一定反向dr/df的能力，否则它可能在反方向触发脉冲还未到来之前就在反向电压的作用下误导通了。所以，若元件抗d"df能力不足时，应在元件T1、T2两端并联RC阻容吸收回路，以限制过大的dWdh四、光控晶闸管光控晶闸管(1.ightTriggeredThyriStor)又称光触发晶闸管,是一种利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管，其电气图形符号和伏安特性如图2.14所示。它与普通品闸管不同的是在门极区集成了一个光控二极管。当给晶闸管施加正向阳极电压时，J2结反偏，晶闸管处于阻断状态，当有光照在J2结上时，有漏电流流过J2结，经晶闸管的内部正反馈作用晶闸管很快由断态变为通态。由于采用光触发可以实现主电路与控制电路之间的绝缘和隔离，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管常被用于高压大功率电力变换和控制装置中。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子，大功率光控晶闸管带有光缆，光缆上装有产生触发信号的发光二极管或半导体激光器。采用半导体激光器和光缆来产生和传输强大的光信号，可以很好地解决信号源与主电路的绝缘和传输问题，是最好的解决方案。1.5功率晶体管GTR功率晶体管(Gian1.TranSiStor)简称GTR,也称电力晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管。它是一种电流控制型的全控开关器件。自20世纪80年代以来，它在中、小功率范围内取代了晶闸管。但是目前.,其地位已有被绝缘栅双极型功率晶体管和电力场效应晶体管取代的趋势。一、GTR的结构和基本工作原理GTR与普通的晶体三极管的结构、工作原理和工作特性很相似。它们都是两个PN结的三层三端半导体器件，也有PNP型和NPN型之分。但作为电力开关器件，GTR大多采用NPN型。图1T5为这种器件的结构、图形符号和内部载流子的运动与分配示意图。对GTR来说，它所追求的指标主要是高耐压、大电流和优良的开关特性，而不像用于信息处理的普通晶体管那样注重单管电流放大系数、线性度、频率响应以及噪声和温漂等性能参数。因此，GTR通常采用至少由两个晶体管组成的达林顿结构。目前常用的GTR器件有单管、达林顿管和模块三大系列。1)单管GTR单管GTR的结构与普通双极结型晶体管类似。其典型结构多采用NPN三重扩散台面型结构。这种结构能改善器件的二次击穿特性，易于提高耐压能力，可靠性高，并且易于耗散内部热量。在应用中，GTR多采用共发射极接法，图175(c)给出了在此接法下GTR内部主要载流子流动情况示意图。（八）内部结构断面示意图（b）图形符号（C）内部载流子的流动图1-15GTR的结构、图形符号和内部载流子的流动GTR作为电力电子器件，总是工作在开关状态，有开通、饱和导通、关断、阻断四种工作状态。当器件基极与发射极间施加正向电压时，GTR进入导通状态。这个区间发射结正偏，集电结反偏，由发射极向基区注入的电子以扩散和漂移方式穿过基区形成电流，并使集-射极电压降低。进入饱和导通状态后的GTR,集-射极电压非常低，使发射结和集电结同时处于正偏状态。此时集电极电流仅取决于外电路阻抗，不再受基极控制，这是功率晶体管与作为信号处理的小型晶体管运行时的最大差别。GTR的电流放大系数通常称为宜流电流增益FE,它是在宜流工作情况下，集电极电流与基极电流之比。一般可认为环E=B。单管GTR的值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地提高电流增益。2)达林顿GTR由于一般的单管GTR电流增益低，为提高电流增益多采用达林顿结构。达林顿结构由两个或多个晶体管熨合而成，可以是PNP型，也可以是NPN型，如图1T6所示。其性质由驱动管决定，达林顿GTR的电流增益可做到几十到几千倍。但达林顿GTR的饱和管压降6CES2=4CES1+6BE2,比单管GTR要高。而且由于开通或关断时总必在前级驱动管VI动作后才能使后级的V2动作，因而开关速度慢。图1-16达林顿结构GTR3)GTR模块为方便现场应用，尤其是作为大功率开关应用，生产厂商常根据不同用途将几个达林顿单元电路组装在一起构成GTR模块。或将上述单元电路集成制作在同一硅片上，大大提高了器件的集成度，减少了GTR之间的连线，使其体积减小、重量减轻