电力电子器件：实现电能变换或控制的电子器件。
电力电子电路分析基本思路：
若电路中存在非线性器件，则该电路为非线性电路。电子器件为理想器件，忽略电子器件开通关断的过程，非通即断。

晶闸管(晶体闸流管)

普通晶闸管可控制开通，不能自关断，属于半控型电力电子器件。
普通晶闸管主要有螺栓型，平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴极K和门极G(控制端)三个联接端。
$$\text{晶闸管}\{\begin{array}{l}\text{结构与工作原理}\\ \text{基本特性}\\ \text{主要参数}\\ \text{派生器件}\end{array}$$

结构与工作原理

晶闸管内部是PNPN四层半导体结构(P1,N1,P2,N2四个区),形成$J_1,J_2,J_3$ 这3个PN结。
$P_1\to 引出阳极A;N_2\to 引出阴极K;P_2\to 引出门极G$
阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端，门极和阴极之间是PN结$J_3$
$$\begin{gathered} \{\begin{array}{l}\text{施加阳极正向电压}:J2\text{处于反向偏置状态},\text{器件关断；}\\ \text{施加阳极反向电压}:J1\text{、}J3\text{处于反向偏置状态},\text{器件关断。}\end{array} \\ 关断时仅有很小的漏电流通过 \end{gathered}$$

晶闸管导通双晶体模型
$$\text{双晶体组合}\{\begin{array}{c}\text{晶体管}{V}_1:P_1{N}_1{P}_2\\ \text{晶体管}{V}_2:N_1{P}_2{N}_2\end{array}$$

• 晶闸管驱动(触发)
  
  $$\text{注入门极电流}{I}_G\stackrel{\text{晶体管}{V}_2\text{基极}}{\to }V2\text{集电极产生电流}{I}_{C2}\to V_1\text{中}{I}_{C2}\text{放大成集电极电流}{I}_{C1}$$
  $I_{C1}$增大$V_2$的基极电流，形成强烈的正反馈，最后V1、V2进入饱和状态，晶闸管导通。当晶闸管导通后，撤除门极电流，由于晶体管内部已经形成了强烈的正反馈，所以管子仍然导通。
  门极阴极电压$U_{GK}$和阳极阴极电压$U_{AK}$共同控制其通态。

晶闸管的导通条件

1. 承受正向电压；
2. 门极触发脉冲（电流）。

• 维持晶闸管导通的条件：晶闸管的电流大于维持电流。

晶闸管关断方式

去掉阳极所加的正向电压或者给阳极施加反压，又或者使流过晶闸管的电流降低到接近于零的维持电流以下，晶闸管才能关断。

晶闸管的基本特性

晶闸管静态特性

$I_H$：维持电流；
$I_G$：门极触发电流,从门极流入晶闸管，从阴极流出。
$$\{\begin{array}{l}{I}_G=0\{\begin{array}{l}\text{器件两端施加正向电压},\text{正向阻断状态},\text{只有很小的正向漏电流流过}\\ \text{正向电压超过临界极限即正向转折电压}{U}_{bo},\text{则漏电流急剧增大},\text{器件开通}\end{array}\\ I_G\ne 0:\text{门极电流增大，正向转折电压降低}.\\ \text{晶闸管上施加反向电压时},\text{伏安特性类似二极管的反向特性。}\end{array}$$

晶闸管动态特性

上图晶闸管的开通和关断过程波形

1. 开通过程：
   晶闸管内部的正反馈过程需要时间，并且外电路有电感限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的；
   延迟时间$t_d$：从门极电流阶跃时刻开始， 到阳极电流上升到稳态值的10%, 与此同时晶闸管的正向压降
   也在减小；
   上升时间$t_r$：阳极电流从10％上升到稳态值的90％所需的时间；
   开通时间$t_{gt}$：上升时间$t_r$与延迟时间$t_d$之和，即$t_{gt}=t_d+t_r$。

延迟时间为0.5-1.5µs，其延迟时间随门极电流的增大而减小。
上升时间为0.5-3µs，上升时间除反映晶闸管本身特性外， 还受到外电路电感的严重影响。延迟时间和上升时间还与阳极电压的大小有关。
提高阳极电压可以增大晶体管V2 的电流增益$\alpha 2$ ， 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. 关断过程：
   由于外电路电感， 原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正变为反向时， 其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。
   反向阻断恢复时间$t_{rr}$
   阳极电流将逐步衰减到零， 在反方向会流过反向恢复电流， 经过最大值$I_{RM}$后，再反方向衰减。同时，由于外电路电感的作用，在恢复电流快速衰减时， 会在晶闸管两端引的尖峰电压 $U_{RRM}$。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。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， 就是晶闸管的反向阻断恢复时间$t_{rr}$。
   正向阻断恢复时间$t_{gr}$
   反向恢复过程结束后， 由于载流子复合过程比较慢， 晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间，在这段时间内两端电压降为0，这叫做正向阻断恢复时间$t_{gr}$。在正向阻断恢复时间内，如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。所以实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。
   换向关断时间$t_q$
   晶闸管的电路换向关断时间$t_q$为$t_{rr}$与$t_{gr}$之和，即$t_q=t_{rr}+t_{gr}$
   普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

晶闸管主要参数

• 通态平均电流概念$I_{T(AV)}$：晶闸管在环境温度为40°和规定的冷却状态下，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。按照正向电流造成的器件发热效应进行定义，在使用时依据实际电流与晶闸管所允许的最大正弦半波电流（平均值为通态平均电流 )所造成的发热效应相等（有效值相等）的原则进行转化，进而等效为正弦半波电流，再依据该波形进行计算平均电流。
• 维持电流 $I_H$：维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流。

晶闸管串并联

• 多个晶闸管串联必须考虑均压问题。
• 晶闸管并联存在的问题：
  晶闸管并联会因其静态和动态特性参数的差异而存在电流分配不均匀的问题。均流不佳，有的器件不足，有的过载，有碍提高整个装置的输出，甚至造成器件和装置的损坏。
  解决方法：尽量挑选特性参数一致的器件；采用均流电抗器；用门极强脉冲触发也有助于动态均流。

IGBT

组合结构：由双极型晶体管（GTO）与 MOSFET结合而成的复合型器件。

试分析 IGBT，GTO,GTR 和电力 MOSFET在的优缺点。

最后

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