第5章 电力电子器件
一、重点与难点
1、电力电子器件的分类
电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件，按照开关控制特性可分为不可控，半控和全控三类，了解各器件的特点是应用的前提和保证，是本章的重点，也是本章的难点。
2、晶闸管的主要参数
晶闸管的参数种类繁多，特点各异，而正确掌握各参数又是应用的前提，这部分内容是本章的重点，也是难点。
3、晶闸管的派生器件 晶闸管的派生器件中，了解各器件的特点和应用场合是重点，各器件的工作原理是难点。 4、新型电力电子器件
各新型电力电子器件特点各异，应用场合不同，正确的掌握各新型电力电子器件的特点和应用场合是本章的重点。
二、学习方法指导
1、电力电子器件的分类
能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件，电力电子器件按器件的开关控制特性可以分为不可控器件、半控型器件、全控型器件。不可控器件如电力二极管等，其导通与否只受主电路控制，半控型器件的导通除了主电路具备导通条件外，控制电路也必须加适当的触发才可以导通，全控型器件的导通和关断都可以由控制极控制。
2. 晶闸管的导通与关断
晶闸管属于典型的半控型器件，当晶闸管处于关断状态时，只有在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加适当的正向电压，晶闸管才能导通。但晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，即晶闸管维持导通的条件时正向阳极电压，晶闸管关断的条件是阳极电流小于维持电流。
3.晶闸管的参数
晶闸管的参数主要包含电压参数，电流参数和时间参数等。其中电压和电流参数又分为通态参数和阻态参数，而时间参数是限制其高频应用的主要障碍。
4.晶闸管的派生器件
GTO（门极可关断晶闸管）与普通晶闸管的主要区别就在于其不仅可以控制导通，而且可以通过在门极和阴极之间施加负的脉冲电流迫使其关断，因而属于全控型器件，需要注意的是GTO的最大极限电流和普通晶闸管也不相同，其定义为最大阳极可关断电流，当GTO
的阳极电流超过最大阳极可关断电流时，GTO就不可以通过门极控制其关断。
TRIAC（双向晶闸管）在结构上可以看做是一对普通晶闸管的反并联，其正反两个方向均可导通，因此其额定电流应该用有效值而普通晶闸管的额定电流是用平均值标定的。
RCT（逆导型晶闸管）与普通管子的区别在于，普通晶闸管表现为正向可控闸流特性，
反向高阻特性，称为逆阻型器件。而逆导型晶闸管是一个反向导通的晶闸管，相当于是将一个晶闸管与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上构成的新器件。
FST（快速晶闸管）关断时间toff≤50μs、响应速度快，可用于高频的场合。
5. 新型电力电子器件
GTR（电力晶体管）是一种耐高压、大电流的双极晶体管。自20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管的主要是GTR。
MOSFET（电力场效应晶体管）的驱动电路简单，需要的驱动功率小，输入阻抗高、开关速度快，工作频率高、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区宽；但是电流容量小，耐压低，在高频中小功率的电力电子装置中得到了广泛的应用。
IGBT（绝缘栅双极晶体管）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的输入输出特性。目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件。下表给出了各电力电子器件的特点和应用场合。 器件种类 电力二极管 晶闸管 可关断 晶闸管 MOSFET IGBT 控制特性 不可控 可控导通 极限参数 5kV/3kA—400Hz 6kV/6kA—400Hz 8kV/3.5kA—光控SCR 应用领域 各种整流装置 炼钢厂、轧钢机、直流输电、 电解用整流器 6kV/6kA—500Hz 工业逆变器、电力机车用逆变器、 无功补偿器 自关断型 600V/70A—100kHz 开关电源、小功率UPS、小功率逆变器 1200V/1200A—20kHz 各种整流/逆变器（UPS、变频器、家4.5kV/1.2kA—2kHz 电）、电力机车用逆变器、中压变频器 6.电力电子器件的保护
电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。电网电压波动太大、负载超过允许值或短路、电路中管子误导通以及管子击穿短路等都可能造成晶闸管过电流。过电流保护包括快速熔断器保护、过流继电器保护、过流截止保护等。过电压包括外因过电压和内因过电压。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。 内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。包括换相过电压、关断过电压。过压保护主要通过阻容吸收等方法进行保护。
三、习题辅导
1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?
答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。
导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压UA决定。
2型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在图题1所示电路中是否合理，为什么?(暂不考
虑电压电流裕量)
图题1
答：（a）因为IA?100V?2mA?IH，所以不合理。
50K?200V(b)当控制角为0度时，电流最大，IA??20A, KP100的电流额定值为
10?150V?150A，大于额定值，所以不合理。 1?100Ａ，裕量达５倍，太大了，浪费。
（c）IA?
3图题2中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各图的电流平均值．电流有效值和波形系数。
图题2
解：图(a)： IT(AV)=
12???0?0Imsin?td(?t)=
Im?
1IT=
2?Kf=
?(Imsin?t)2d(?t)=
Im 2ITIT(AV)=1.57
?图(b)： IT(AV)=
1??0Imsin?td(?t)=
2Im ?
IT=
1???0(Imsin?t)2d(?t)=
Im2
Kf=
ITIT(AV)=1.11
图(c)： IT(AV)=
1?1?????3?Imsin?td(?t)=
33Im 2?13??0.63Im 38?IT=
?(Imsin?t)2d(?t)= Im
Kf=
ITIT(AV)=1.26
1图(d)： IT(AV)=
2?IT=
????Imsin?td(?t)=
33Im 4?13??0.52Im 66?12?2(Isin?t)d(?t)= Im?m?3Kf=
ITIT(AV)=1.78
1图(e)： IT(AV)=
2?1IT=
2?Kf=
???40Imd(?t)=
Im 8Im22
?40Imd(?t)=
2ITIT(AV)=2.83
1图(f)： IT(AV)=
2?1IT=
2?Kf=
???20Imd(?t)=
Im 4Im 2?20Imd(?t)=
2ITIT(AV)=2
4上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?