第2章 電力電子器件
* 常用電力電子器件的結構和工作原理。
* 常用電力電子器件的應用特點。
* 智能電力模塊及其應用。
* 會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試方法。
* 會利用相關設備做電力電子器件的試驗。
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、續流、電壓隔離、鉗位或保護元件，在各種變流電路中發揮著重要的作用。
電力二極管與小功率二極管的結構、工作原理和伏安特性相似，但它的主要參數的規定、選擇原則等不盡相同，使用時應當引起注意。
2.1.1 結構與伏安特性
1．結構
電力二極管的內部結構也是一個PN結，其面積較大，最新研制出的特殊二極管(如快速恢復二極管)，在制作工藝上有新的突破，使開關時間大為減少。
電力二極管引出兩個極，分別稱為陽極A和陰極K，使用的符號也與中、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。螺旋式二極管的陽極緊拴在散熱器上。平板式二極管又分為風冷式和水冷式，它的陽極和陰極分別由兩個彼此絕緣的散熱器緊緊夾住。
2．伏安特性
電力二極管的陽極和陰極間的電壓和流過的電流之間的關系稱為伏安特性，如圖2.2所示。當從零逐漸增大二極管的正向電壓時，一開始，陽極電流很小，這一段特性曲線很靠近橫坐標軸。當正向電壓大于0.5V時，正向陽極電流急劇上升，二極管正向導通，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
圖2.1 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號
圖2.2 電力二極管的伏安特性
當二極管加上反向電壓時，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，但當反向電壓增加到反向不重復電壓值時，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
1．額定電流(正向平均電流)IF
在規定的環境溫度為40℃和標準散熱條件下，元件PN結的溫度穩定且不超過140℃時，允許長時間連續流過50Hz正弦半波的電流平均值，取規定系列的電流等級，即為元件的額定電流。
2．反向重復峰值電壓URRM
在額定結溫條件下，取元件反向伏安特性不重復峰值電壓值URSM(見圖2.2)的80%，稱為反向重復峰值電壓URRM。將URRM值取規定的電壓等級，就是該元件的額定電壓。
3．正向平均電壓UF
在規定的環境溫度40℃和標準散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均值電流時，元件陽極和陰極之間的電壓的平均值，取規定系列組別，稱為正向平均電壓UF，簡稱管壓降，范圍一般為0.45~1V。
4．最高工作結溫TJM
結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJM表示。最高工作結溫是指在PN結不致損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 電力二極管的參數選擇及使用注意事項
1．參數選擇
(1) 額定正向平均電流IF的選擇原則。在規定的室溫和冷卻條件下，額定正向平均電流IF可按式(2-1)計算后取相應標準系列值，即：
(2-1)
式中IDM為流經二極管的最大電流有效值。考慮到元件的過載能力較小，因此選擇時考慮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值電壓UDM的2~3倍，即：
(2-2)
使用時取相應系列值。
2．電力二極管使用時的注意事項
(1) 必須保證規定的冷卻條件，如強迫風冷。如不能滿足規定的冷卻條件，必須降低使用的容量。如規定風冷元件使用在自冷條件時，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自行拆裝。
(3) 嚴禁用兆歐表檢查元件的絕緣情況。如需檢查整機的耐壓，應將元件短接。
2.2 晶 閘 管
晶閘管(Silicon Controlled Rectifier，SCR)是硅晶體閘流管的簡稱，包括普通晶閘管、雙向晶閘管、可關斷晶閘管、逆導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，國際通用名稱為Thyristor，簡寫為T。
2.2.1 晶閘管的外形和圖形符號
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個引出端分別叫作陽極A、陰極K和門極G，門極又叫控制極。晶閘管的圖形符號如圖2.3(c)所示。
圖2.3 晶閘管的外形和圖形符號
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PN結，如圖2.4(a)所示。如果把中間的N1和P2分為兩部分，就構成了一個NPN型晶體管和一個PNP型晶體管的復合管，如圖2.4(b)所示。
晶閘管具有單向導電特性和正向導通的可控性。需要導通時，必須同時具備以下兩個條件。
(1) 在晶閘管的“陽極—陰極”之間加正向電壓。
(2) 在晶閘管的“門極—陰極”之間加正向觸發電壓，且有足夠的門極電流。
晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管從關斷變為導通，必須使承受反向電壓的PN結失去阻斷作用。
如圖2.4(c)所示，每個晶體管的集電極電流是另一個晶體管的基極電流。兩個晶體管相互復合，當有足夠的門極電流Ig時，就會形成強烈的正反饋，即：
圖2.4 晶閘管的內部工作過程
這時，兩個晶體管迅速飽和導通，即晶閘管飽和導通。
晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，因此，門極所加的觸發電壓一般為脈沖電壓。晶閘管從阻斷變為導通的過程稱為觸發導通。門極觸發電流一般只有幾十毫安到幾百毫安，而晶閘管導通后，從陽極到陰極可以通過幾百安、幾千安的電流。要使導通的晶閘管阻斷，必須將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下。
2.2.3 晶閘管的陽極伏安特性
晶閘管的陽極與陰極之間的電壓和電流之間的關系，稱為陽極伏安特性。其伏安特性曲線如圖2.5所示。
圖2.5 晶閘管的陽極伏安特性曲線
在圖2.5中，第Ⅰ象限為正向特性，當ia=0時，如果在晶閘管兩端所加的正向電壓ua未增加到正向轉折電壓UB0時，器件處于正向阻斷狀態，只有很小的正向漏電流。當ua增加到UB0時，則漏電流急劇增大，器件導通，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通，因為這樣重復多次會造成晶閘管損壞。一般采用對晶閘管門極加足夠大的觸發電流使其導通，門極觸發電流越大，正向轉折電壓就越低。晶閘管的反向伏安特性如圖2.5中第Ⅲ象限所示，處于反向阻斷狀態時，只有很小的反向漏電流，當反向電壓超過反向擊穿電壓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
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。
1．額定電壓UTM
由圖2.5所示晶閘管的陽極伏安特性曲線可見，當門極開路，器件處于額定結溫時，根據所測定的正向轉折電壓UB0和反向擊穿電壓UR0，由制造廠家規定減去某一數值(通常為100V)，分別得到正向不可重復峰值電壓UDSM和反向不可重復峰值電壓URSM，再各乘以0.9，即得到正向斷態重復峰值電壓UDRM和反向阻斷重復峰值電壓URRM。將UDRM和URRM中較小的那個值取整后，作為該晶閘管的額定電壓值。
晶閘管使用時，若外加電壓超過反向擊穿電壓，會造成器件永久性損壞。若超過正向轉折電壓，器件就會誤導通，經數次這種導通后，也會造成器件損壞。此外，器件的耐壓還會因散熱條件惡化和結溫升高而降低。
因此，選擇時，應注意留有充分的裕量，一般應按工作電路中可承受到的最大瞬時值電壓UTM的2~3倍來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平均電流，即在環境溫度為40℃和規定的冷卻條件下，晶閘管在導通角不小于170°的電阻性負載電路中，當不超過額定結溫且穩定時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標準電流系列取值，稱為該晶閘管的額定電流。
由于晶閘管的過載能力差，實際應用時，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．通態平均電壓UT(AV)
當晶閘管中流過額定電流并達到穩定的額定結溫時，陽極與陰極之間電壓的平均值，稱為通態平均電壓。當額定電流大小相同，而通態平均電壓較小時，晶閘管的耗散功率也較小，該管子的質量較好。
4．其他參數
(1) 維持電流IH。在室溫下，當門極斷開時，器件從較大的通態電流降至維持通態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、結溫有關，器件的額定電流越大，維持電流也越大。結溫低時維持電流大。
(2) 擎住電流IL。晶閘管剛從斷態轉入通態就去掉觸發信號，能使器件保持導通所需要的最小陽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) 通態浪涌電流ITSM。由電路異常情況引起的，并使晶閘管結溫超過額定值的不重復性最大正向通態過載電流稱為通態浪涌電流，用峰值表示。
(4) 斷態電壓臨界上升率du/dt。在額定結溫和門極開路情況下，不使器件從斷態到通態轉換的陽極電壓最大上升率，稱為斷態電壓臨界上升率。
(5) 通態電流臨界上升率di/dt。在規定條件下，晶閘管在門極觸發導通時所能承受的不導致損壞的最大通態電流上升率，稱為通態電流臨界上升率。
2.2.5 晶閘管的門極伏安特性及主要參數
1．門極伏安特性
門極伏安特性是指門極電壓與電流的關系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個PN結，所以電壓與電流的關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
同一型號的晶閘管，門極伏安特性曲線呈現較大的離散性，通常以高阻和低阻兩條特性曲線為邊界，劃定一個區域，其他的門極伏安特性曲線都處于這個區域內。該區域又分為不觸發區、不可靠觸發區及可靠觸發區。
2．門極的主要參數
(1) 門極不觸發電壓UGD和門極不觸發電流IGD。不能使晶閘管從斷態轉入通態的最大門極電壓，稱為門極不觸發電壓UGD，相應的最大門極電流稱為門極不觸發電流IGD。顯然，小于該數值時，處于斷態的晶閘管不可能被觸發導通，當然，干擾信號應限制在該數值以下。
(2) 門極觸發電壓UGT和門極觸發電流IGT。在室溫下，對晶閘管加上一定的正向陽極電壓時，使器件由斷態轉入通態所必需的最小門極電流，稱為門極觸發電流IGT，相應的門極電壓稱為門極觸發電壓UGT。
需要說明的是，為了保證晶閘管觸發的靈敏度，各生產廠家的UGT和IGT的值不得超過標準規定的數值，但對用戶而言，設計的實用觸發電路提供給門極的電壓和電流應適當大于標準值，才能使晶閘管可靠地觸發導通。
(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。在晶閘管觸發過程中，不會造成門極損壞的最大門極電壓、最大門極電流和最大瞬時功率，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 門極可關斷晶閘管
門極可關斷(Gate Turn-Off，GTO)晶閘管，具有普通晶閘管的全部優點，如耐壓高、電流大、控制功率小、使用方便和價格低等；但它具有自關斷能力，屬于全控器件。在質量、效率及可靠性方面有著明顯的優勢，成為被廣泛應用的自關斷器件之一。
2.3.1 GTO晶閘管的結構
門極可關斷晶閘管的結構與普通晶閘管相似，也為PNPN四層半導體結構、三端(陽極A、陰極K、門極G)器件。它的內部結構、等效電路及符號如圖2.7所示。
圖2.7 GTO晶閘管的內部結構、等效電路及符號
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三極管P1N1P2與N1P2N2互補連接，設互1和和2分別為晶體管P1N1P2和晶體管N1P2N2的共基極放大系數，的1比比2小，但都是隨著發射極電流Ie的增加而增加的。
當GTO晶閘管的陽極加有正向電壓，門極加有正向觸發電流IG時，通過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進一步增加。增強式強烈的正反饋過程，使GTO晶閘管很快飽和導通，這一過程與普通晶閘管的導通過程是一樣的。
為了表征門極對GTO晶閘管關斷的控制作用，引入門極控制增益晶，， 可表示為：
……
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