直流斬波電路課件

1、直流斬波電路課件 1-1 第第1章章 電力電子器件電力電子器件 直流斬波電路課件 1-2 電子技術的基礎電子技術的基礎 電子器件：晶體管和集成電路電子器件：晶體管和集成電路 電力電子電路的基礎電力電子電路的基礎 電力電子器件電力電子器件 本章主要內容：本章主要內容： 概述電力電子器件的概念概念、特點特點和分類分類等問題。 介紹常用電力電子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主 要參數要參數以及選擇和使用中應注意問題。 第第1章章 電力電子器件電力電子器件引言引言 直流斬波電路課件 1-3 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 直流斬波電路課件 1-4 1 1）概念）概念: : 電力

2、電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實現電能的變換或控制的電 子器件。 主電路（主電路（Main Power Circuit） 電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控 制任務的電路。 2 2）分類）分類: : 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導體器件半導體器件 (采用的主要材料仍然是硅） 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件電力電子器件 直流斬波電路課件 1-5 能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子 器件。 電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。 電力電子器件往往需要由信息電

3、子電路來控制。 電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件， 一般都要安裝散熱器。 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 3）同處理信息的電子器件相比的特征：）同處理信息的電子器件相比的特征： 直流斬波電路課件 1-6 通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。 器件開關頻率較高時，開關損耗開關損耗可能成為器件功率損 耗的主要因素。 主要損耗 通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 開關損耗 關斷損耗 開通損耗 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗 直流斬波電路課件 1-7 電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅動電

4、路驅動電路、保護電路保護電路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。 圖1-1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成 控 制 電 路 檢測 電路 驅動 電路 RL 主電路 V 1 V 2 保護 電路 在主電路 和控制電 路中附加 一些電路， 以保證電 力電子器 件和整個 系統(tǒng)正常 可靠運行 1.1.2 應用電力電子器件系統(tǒng)組成應用電力電子器件系統(tǒng)組成 電氣隔離 控制電路 直流斬波電路課件 1-8 l半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導通而不能控制 其關斷。 l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通過控制信號既可控制其導通又可控制其關 斷，又

5、稱自關斷器件。 l不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不 需要驅動電路。 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類： 直流斬波電路課件 1-9 l 電流驅動型電流驅動型 通過從器件的控制端注入或者抽出電流來實現導 通或者 關斷的控制。 l 電壓驅動型電壓驅動型 僅通過在器件的控制端和公共端之間施加一定的 電壓信號就可實現導通或者關斷的控制。 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅動電路信號的性質，分為兩類：按照驅動電路信號的性質，分

6、為兩類： 直流斬波電路課件 1-10 本章內容本章內容: : 介紹各種器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數主要參數以 及選擇和使用中應注意的一些問題。 集中講述電力電子器件的驅動驅動、保護和串保護和串、并聯使并聯使 用用這三個問題。 學習要點學習要點: : 最重要的是掌握其基本特性基本特性。 掌握電力電子器件的型號命名法命名法，以及其參數和特參數和特 性曲線的使用方法性曲線的使用方法。 可能會對主電路的其它電路元件有特殊的要求特殊的要求。 1.1.4 本章學習內容與學習要點本章學習內容與學習要點 直流斬波電路課件 1-11 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 直流斬

7、波電路課件 1-12 Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自 20世紀50年代初期就獲得應用。 快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高 頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具 有不可替代的地位。 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引引 言言 整流二極管及模塊 直流斬波電路課件 1-13 基本結構和工作 原理與信息電子 電路中的二極管 一樣。 由一個面積較大 的PN結和兩端引 線封裝組成的。 從外形上看，主 要有螺栓型和平 板型兩種封裝。 圖1-2 電力二極管的外形、結構和電氣 圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號 1.2.1 PN結與電力二極管的工

8、作原結與電力二極管的工作原 理理 A K AK a) I K A PN J b) c) AK 直流斬波電路課件 1-14 狀態(tài) 參數 正向導通反向截止反向擊穿 電流正向大幾乎為零反向大 電壓維持約1V反向大反向大 阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài) 二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一主要 特征。 PN結的反向擊穿（兩種形式) l雪崩擊穿 l齊納擊穿 l均可能導致熱擊穿 1.2.1 PN結與電力二極管的工作原結與電力二極管的工作原 理理 PN結的狀態(tài) 直流斬波電路課件 1-15 lPN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現電容效電容效 應應，稱為結電容結電容CJ，又稱為微分電容微分電容。 l結電容按其產生機制

9、和作用的差別分為勢壘電勢壘電 容容CB和擴散電容擴散電容CD。 l電容影響PN結的工作頻率，尤其是高速的開關 狀態(tài)。 1.2.1 PN結與電力二極管的工作原結與電力二極管的工作原 理理 PN結的電容效應： 直流斬波電路課件 1-16 主要指其伏安特性伏安特性 l門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流 IF開始明顯增加所對應的 電壓。 l與IF對應的電力二極管兩 端的電壓即為其正向電正向電 壓降壓降UF 。 承受反向電壓時，只有 微小而數值恒定的反向 漏電流。 圖1-4 電力二極管的伏安特性 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 I O IF U TO U F

10、U 直流斬波電路課件 1-17 2) 動態(tài)特性動態(tài)特性 電力二極管在偏值狀態(tài)發(fā)生改變時的過電力二極管在偏值狀態(tài)發(fā)生改變時的過 渡過程渡過程 二極管的電壓二極管的電壓- -電流特性隨時間變化的電流特性隨時間變化的 結電容的存在結電容的存在 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 b) U FP u i iF uF tfrt0 2V a) F U F tFt0 trr tdtf t1t2t U R U RP IRP diF dt diR dt 圖1-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉換為反向偏置 b) 零偏置轉換為正向偏置 延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：

11、tf= t2- t1 反向恢復時間：trr= td+ tf 恢復特性的軟度：下降時間與 延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復 系數，用Sr表示。 直流斬波電路課件 1-18 v正向壓降先出現一個過沖UFP，經 過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的 某個值（如 2V）。 v正向恢復時間tfr。 v電流上升率越大，UFP越高 。 UFP u i iF uF tfrt0 2V 圖1-5(b)開通過程 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開通過程開通過程： 關斷過程關斷過程 v須經過一段短暫的時間才能重新獲 得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。 v關斷之前有較大的反向電流出現， 并伴隨有明顯的

12、反向電壓過沖。 IF UF tFt0 trr tdtf t1t2t UR URP IRP diF dt diR dt 圖1-5(b)關斷過程 直流斬波電路課件 1-19 1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數 額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下， 其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應 按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有 一定的裕量。 換算關系：正弦半波電流正弦半波電流的有效值I和平均值IF(AV) 之比： 1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV) () 1.57 F AV I I 直流斬

13、波電路課件 1-20 在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對 應的正向壓降。 3） 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。 使用時，應當留有兩倍的裕量。 4）反向恢復時間）反向恢復時間trr trr= td+ tf 1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數 2）正向壓降正向壓降UF 直流斬波電路課件 1-21 結溫結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。 TJM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通常在125175C范圍之內。 6) 浪涌電流浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工

14、頻 周期的過電流。 1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數 5）最高工作結溫）最高工作結溫TJM 直流斬波電路課件 1-22 1) 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路 其反向恢復時間較長 正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高 DATASHEET 1 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能， 特別是反向恢復特性的不同介紹。 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 直流斬波電路課件 1-23 簡稱快速二極管 快恢復外延二極管快恢復外延二極管

15、 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其 trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右）， 但其反向耐壓多在1200V以下。 從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。 前者trr為數百納秒或更長，后者則在100ns以下， 甚至達到2030ns。 DATASHEET 1 2 3 2) 快恢復二極管快恢復二極管 （Fast Recovery DiodeFRD） 直流斬波電路課件 1-24 肖特基二極管的優(yōu)點優(yōu)點 反向恢復時間很短（1040ns）。 正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖。 反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復二極管。 效率高，其

16、開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還小。 肖特基二極管的弱點弱點 反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。 反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 3. 肖特基二極管肖特基二極管(DATASHEET 1) 以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖 特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。 直流斬波電路課件 1-25 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管 直流斬波電路課件 1-26 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言 1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。 1957年美國

17、通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產品。 1958年商業(yè)化。 開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代。 20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量 的場合具有重要地位。 晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled RectifierSCR） 直流斬波電路課件 1-27 圖1-6 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝。 有三個連接端。 螺栓型封裝，通常螺栓是其

18、陽極，能與散熱器緊 密聯接且安裝方便。 平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。 A A G G K K b )c )a ) A G K K G A P 1 N 1 P 2 N 2 J 1 J 2 J 3 直流斬波電路課件 1-28 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 常用晶閘管的結構 螺栓型晶閘管晶閘管模塊 平板型晶閘管外形及結構 直流斬波電路課件 1-29 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 式中1和2分別是晶體管V1和V2 的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2 分別是V1和V2的共基極漏電流。 由以上式可得 ： 圖1-7 晶閘管的雙晶體管模

19、型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 晶閘管導通的原理可用晶體管模型解釋， 由圖得： 111CBOAc III 222CBOKc III GAK III 21ccA III （1-2） （1-1） （1-3） （1-4） )(1 21 CBO2CBO1G2 A III I （1-5） 直流斬波電路課件 1-30 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍 大于兩個晶體管漏電流之和。 開通狀態(tài)開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大 以致1+2趨近于1，流過晶閘管的電流IA，將趨近于 無窮大，實現飽和

20、導通。IA實際上由于外電路負載的限 制，會維持有限值。 在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立 起來之后， 會迅速增大（形成強烈正反饋所致）。 直流斬波電路課件 1-31 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高 結溫較高 光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高 壓電力設備中，稱為光控晶閘管（LTT） 只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 其他幾種可能導通的情況其他幾種可能導通的情況： 直流斬波電路課件 1-32 1.3.2 晶

21、閘管的基本特性晶閘管的基本特性 承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘 管都不會導通。 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶 閘管才能開通。 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。 要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于 零的某一數值以下 。 DATASHEET 2 晶閘管正常工作時的特性總結如下：晶閘管正常工作時的特性總結如下： 直流斬波電路課件 1-33 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 （1）正向特性 IG=0時，器件兩端施加正 向電壓，只有很小的正向 漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。 正向電壓超過正向轉折電 壓Ubo，則漏電流急劇增大， 器件開通。 隨著門極電流幅

22、值的增大， 正向轉折電壓降低。 晶閘管本身的壓降很小， 在1V左右。 正向 導通 雪崩 擊穿 O+UA - U A -I A IA IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM 1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 圖1-8 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 直流斬波電路課件 1-34 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 反向特性類似二極管的反 向特性。 反向阻斷狀態(tài)時，只有極 小的反相漏電流流過。 當反向電壓達到反向擊穿 電壓后，可能導致晶閘管 發(fā)熱損壞。 圖1-8 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 正向 導通 雪崩 擊穿 O+UA - U A -I A I

23、A IH IG2IG1IG =0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM （2）反向特性反向特性 直流斬波電路課件 1-35 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 1) 開通過程 延遲時間延遲時間td (0.51.5 s) 上升時間上升時間tr (0.53 s) 開通時間開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6） 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 2) 關斷過程 反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr 正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr 關斷時間關斷時間t tq以上兩者之和 tq=trr+tg

24、r （1-7) 普通晶閘管的關斷時間 約幾百微秒 2） 動態(tài)特性動態(tài)特性 圖1-9 晶閘管的開通和關斷過程波形 直流斬波電路課件 1-36 1.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允 許重復加在器件上的正向峰值電壓。 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允 許重復加在器件上的反向峰值電壓。 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通 態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。 通 常 取 晶 閘 管 的 UDRM和URRM中較小 的標值作為該器件 的額定電壓額定電壓。 選用

25、時，一般取額 定電壓為正常工作 時晶閘管所承受峰 值電壓23倍。 使用注意：使用注意： 1）電壓定額電壓定額 直流斬波電路課件 1-37 1.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV） ） 在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定 結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電 流的參數。 使用時應按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。 維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導通所必需的最小電流。 擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導通所需 的最小電流。

26、對同一晶閘管來說對同一晶閘管來說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。 浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性 最大正向過載電流 。 2 2）電流定額電流定額 直流斬波電路課件 1-38 1.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有： 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到 通 態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使結電容充電電流足夠大，造成晶閘管誤 導通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無

27、有害影響的最大通態(tài)電 流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。 3 3）動態(tài)參數動態(tài)參數 直流斬波電路課件 1-39 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。 普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒， 高頻晶閘管10s左右。 高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。 由于工作頻率較高，不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。 DATASHEET 1 1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST) 直流斬波電路課件 1-40 1.3.4 晶閘

28、管的派生器件晶閘管的派生器件 2 2）雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC 或或Bidirectional triode thyristor） 圖1-10 雙向晶閘管的電氣 圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 a)b) I O U IG=0 G T1 T2 可認為是一對反并聯聯 接的普通晶閘管的集成。 有兩個主電極T1和T2， 一個門極G。 在第和第III象限有對 稱的伏安特性。 不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值 來表示其額定電流值來表示其額定電流值。 DATASHEET 1 直流斬波電路課件 1-41 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管

29、的派生器件 逆導晶閘管（逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） a) K G A b) UO I IG=0 圖1-11 逆導晶閘管的電氣 圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 將晶閘管反并聯一 個二極管制作在同 一管芯上的功率集 成器件。 具有正向壓降小、 關斷時間短、高溫 特性好、額定結溫 高等優(yōu)點。 直流斬波電路課件 1-42 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered Thyristor LTT） A G K a) AK 光強度 強弱 b) OU IA 圖1-12 光控晶閘管

30、的電氣 圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 又稱光觸發(fā)晶閘管， 是利用一定波長的光 照信號觸發(fā)導通的晶 閘管。 光觸發(fā)保證了主電路 與控制電路之間的絕 緣，且可避免電磁干 擾的影響。 因此目前用在高壓大 功率的場合。 直流斬波電路課件 1-43 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 直流斬波電路課件 1-44 1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言 門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久 出現。 20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一 個嶄新時代。 典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體 管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。 直流斬波電路課件 1-45 1.4 典型全

31、控型器件典型全控型器件引言引言 常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件 電力MOSFET IGBT單管及模塊 直流斬波電路課件 1-46 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件。 可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。 GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近， 因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。 DATASHEET 1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 直流斬波電路課件 1-47 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 A G K c) 圖1-13 A GKGG K N1 P1 N2

32、N2 P2 b)a) A G K 結構： 與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結構，外部引 出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。 圖1-13 GTO的內部結構和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號 1）GTO的結構和工作原理的結構和工作原理 圖1-13 直流斬波電路課件 1-48 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 工作原理工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來 分析。 R NPN PNP A G S K EG IG EA IK Ic2 Ic1 I

33、A V 1 V 2 P1 A G K N 1 P2P2 N 1 N 2 a)b) 圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導通的條件。是器件臨界導通的條件。 由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共 基極電流增益 1 1和 2 2 。 直流斬波電路課件 1-49 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有 如下區(qū)別區(qū)別： 設計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關斷。 導通時1+2更接近1，導通 時接近臨界飽和，有利門極 控制關斷，但導通時管壓降 增大。 多元集成結構，使得

34、P2基區(qū) 橫向電阻很小，能從門極抽 出較大電流。 R N PN PN P A G S K E G IG E A IK Ic2 Ic1 IA V 1 V 2 b) 圖1-7 晶閘管的工作原理 直流斬波電路課件 1-50 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和 程度較淺。 GTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關 斷。 多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快， 承受di/dt能力強 。 由上述分析我們可以得到以下結論結論： 直流斬波電路課件 1-51 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 開通過程開通過程：與普通晶閘管 相同

35、 關斷過程關斷過程：與普通晶閘管 有所不同 儲存時間儲存時間ts，使等效晶 體管退出飽和。 下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 殘存載流 子復合。 通常tf比ts小得多，而tt 比ts要長。 門極負脈沖電流幅值越 大，ts越短。 O t 0 t iG iA IA 90%IA 10%IA tttftstdtr t0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關斷過程電流波形 GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性 直流斬波電路課件 1-52 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 GTO的主要參數的主要參數 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約 12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大

36、而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括 尾部時間。下降時間一般小于2s。 （2） 關斷時間關斷時間toff （1）開通時間開通時間ton 不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需 承受反壓時，應和電力二極管串聯 。 許多參數和普通晶閘管相應的參數意義相同， 以下只介紹意義不同的參數。 直流斬波電路課件 1-53 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 （3）最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO （4） 電流關斷增益電流關斷增益 off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。 1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。

37、最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最 大值IGM之比稱為電流關斷增益。 （1-8） GM ATO off I I 直流斬波電路課件 1-54 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨 型晶體管） 。 是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管 （Bipolar Junction TransistorBJT），英文有 時候也稱為Power BJT，與GTR名稱等效。 DATASHEET 1 2 應用應用 20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘 管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。 術語用法術語用法： 直流斬波電路課件 1-

38、55 與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。 主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。 通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成 。 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 1）GTR的結構和工作原理的結構和工作原理 圖1-15 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動 直流斬波電路課件 1-56 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 在應用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。 集電極電流ic與基極電流ib之比為 （1-9） GTR的電流放大系數電流放大系數，反映了基極電流對集電極電

39、流的 控制能力 。 當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關 系為 ic= ib +Iceo （1-10） 單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10 左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。 b c i i 空穴流 電 子 流 c) Eb Ec ib ic=ib ie=(1+ )ib 1）GTR的結構和工作原理的結構和工作原理 直流斬波電路課件 1-57 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時的典型輸 出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū) 和飽和區(qū)飽和區(qū)。 在電力電子電路中GTR工 作在開關狀態(tài)。 在開關過程中，即在截止 區(qū)和飽和區(qū)

40、之間過渡時， 要經過放大區(qū)。 截止區(qū) 放大區(qū) 飽和區(qū) O Ic ib3 ib2 ib1 ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。 實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。 3）GTR的主要參數的主要參數 直流斬波電路課件 1-60 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應的Ic 。 實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM 最高工作溫度下允許的耗散功率。 產品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高 工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允

41、許電流IcM 直流斬波電路課件 1-61 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。 只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，如不能有效的限制電流，Ic突然急 劇上升，電壓陡然下降。 常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。 安 全 工 作 區(qū) （安 全 工 作 區(qū) （ S a f e Operating AreaSOA） 最高電壓UceM、集電極最大 電流IcM、最大耗散功率PcM、 二次擊穿臨界線限定。 SOA O Ic IcM PSB PcM UceU ceM 圖1-18

42、GTR的安全工作區(qū) GTR的二次擊穿現象與安全工作區(qū)的二次擊穿現象與安全工作區(qū) 直流斬波電路課件 1-62 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 分為結型結型和絕緣柵型絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET （Power MOSFET） 結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管 （Static Induction TransistorSIT） 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅動電路簡單，需要的驅動功率小。 開關速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，一般只

43、適用于功率不超過10kW 的電力電子裝置 。 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 直流斬波電路課件 1-63 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 電力電力MOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導 電溝道。 增強型增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于 （小于）零時才存在導電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強型溝道增強型。 DATASHEET 1）電力）電力MOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理 直流斬波電路課件 1-64 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 電力電力MOSFET的結構的結構

44、 是單極型晶體管。 導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別。 采用多元集成結構，不同的生產廠家采用了不同設計。 N+ G S D P溝道 b) N+ N- S G D PP N+N+ N+ 溝道 a) G S D N溝道 圖1-19 圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號 直流斬波電路課件 1-65 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 小功率MOS管是橫向導電器件。 電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為 VMOSFET（Vertical MOSFET）。 按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電 的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的

45、VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 這里主要以VDMOS器件為例進行討論。 電力電力MOSFET的結構的結構 直流斬波電路課件 1-66 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 截止截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流 流過。 導電導電：在柵源極間加正電壓UGS 當UGS大于UT時，P型半導體反型成N型而成為反型層反型層，該反 型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電 。 N+ G S D P溝道 b) N+ N- S G D PP N+N+ N+ 溝道 a) G

46、S D N溝道 圖1-19 圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號 電力電力MOSFET的工作原理（的工作原理（N溝道增強型溝道增強型VDMOS） 直流斬波電路課件 1-67 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 漏極電流ID和柵源間電壓 UGS的關系稱為MOSFET 的轉移特性轉移特性。 ID較大時，ID與與UGS的關系 近似線性，曲線的斜率定 義為跨導跨導Gfs。 0 10 20 30 50 40 2468 a) 10 20 30 50 40 0 b) 1020 305040 飽和區(qū) 非 飽 和 區(qū) 截止區(qū) ID/A UT UGS/V UDS/V

47、 UGS=UT=3V UGS=4V UGS=5V UGS=6V UGS=7V UGS=8V ID/A 圖1-20 電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性 2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性 直流斬波電路課件 1-68 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 截止區(qū)截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對應GTR的飽和區(qū)） 工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和 非飽和區(qū)之間來回轉換。 漏源極之間有寄生二極管，漏源 極間加反向電壓時導通。 通態(tài)電阻具有正溫度系數，對器 件并聯時的均流有利。 圖1-20電力MO

48、SFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性 MOSFET的漏極伏安特性（即輸出特性）的漏極伏安特性（即輸出特性）： 0 10 20 30 50 40 2468 a) 10 20 30 50 40 0 b) 10 20 305040 飽和區(qū) 非 飽 和 區(qū) 截止區(qū) ID/A UT UGS/V UDS/V UGS=UT=3V UGS=4V UGS=5V UGS=6V UGS=7V UGS=8V ID/A 直流斬波電路課件 1-69 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 開通過程開通過程 開通延遲時間開通延遲時間td(on) 上升時間上升時間tr 開通時間開通時間ton開通

49、延遲 時間與上升時間之和 關斷過程關斷過程 關斷延遲時間關斷延遲時間td(off) 下降時間下降時間tf 關斷時間關斷時間toff關斷延遲 時間和下降時間之和 a） b) Rs RG RF RL iD uGS up iD信號 +UE iD O O O up t t t uGS uGSP uT td(on)tr td(off)tf 圖1-21 電力MOSFET的開關過程 a) 測試電路 b) 開關過程波形 up脈沖信號源，Rs信號源內阻， RG柵極電阻， RL負載電阻，RF檢測漏極電流 (2) 動態(tài)特性動態(tài)特性 直流斬波電路課件 1-70 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 MOSFE

50、T的開關速度和Cin充放電有很大關系。 可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，加快開關速度。 不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。 開關時間在10100ns之間，工作頻率可達100kHz以上， 是主要電力電子器件中最高的。 場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中 需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。 開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。 MOSFET的開關速度的開關速度 直流斬波電路課件 1-71 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 3) 電力電力MOSFET的主要參數的主要參數 電力MOSFET電壓定額 (1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流

51、ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM 電力MOSFET電流定額 (3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導致絕緣層擊穿 。 除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS 直流斬波電路課件 1-72 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 ) GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點。 1986年投

52、入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。 繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅動，有電導調制效應， 通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻 抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。 直流斬波電路課件 1-73 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 1) IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理 三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E EG C N+ N- a) P N+N+ P N+N+ P+ 發(fā)射極 柵極 集電極 注入區(qū) 緩沖區(qū) 漂移區(qū) J3 J2 J

53、1 G E C + - +- + - IDRN IC VJ1 IDRon b) G C c) 圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 直流斬波電路課件 1-74 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區(qū)，具有很強的通流能力。 簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結 構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。 EG C N + N - a) P

54、 N + N + P N + N + P+ 發(fā) 射 極 柵 極 集 電 極 注 入 區(qū) 緩 沖 區(qū) 漂 移 區(qū) J3 J2 J1 G E C + - +- + - IDRN IC V J1 IDRon b) G C c) 圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT的結構的結構 直流斬波電路課件 1-75 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵 射極電壓uGE決定。 導通導通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道， 為

55、晶體管提供基極電流，IGBT導通。 通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。 關斷關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道 消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。 IGBT的原理的原理 直流斬波電路課件 1-76 a) b) O 有源區(qū) 正向阻斷區(qū) 飽 和 區(qū) 反向阻斷區(qū) IC UGE(th)UGE O IC URM U FM UCE UGE(th) UGE增加 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性 圖1-23 IGBT的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特

56、性 轉移特性轉移特性IC與 UGE間的關系(開啟電開啟電 壓壓UGE(th) 輸出特性輸出特性 分為三個區(qū)域： 正向阻斷區(qū)、有 源區(qū)和飽和區(qū)。 直流斬波電路課件 1-77 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 t t t 10% 90% 10% 90% U CE IC 0 O 0 U GE U GEM I CM U CEM t fv1 t fv2 toffton tfi1tfi2 t d(off) t f t d(on) tr U CE(on) U GEM U GEM I CM I CM 圖1-24 IGBT的開關過程 IGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似 v 開通延遲時

57、間開通延遲時間td(on) v 電流上升時間電流上升時間tr v 開通時間開通時間ton v uCE的下降過程分為tfv1和 tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單 獨工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶 體管同時工作的電壓下降 過程。 (2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性 直流斬波電路課件 1-78 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 圖1-24 IGBT的開關過程 v關斷延遲時間關斷延遲時間td(off） ） v電流下降時間電流下降時間 v 關斷時間關斷時間toff v電流下降時間又可分為 tfi1和tfi2兩段。 vtfi1IGBT器件內部的 MOSF

58、ET的關斷過程， iC下降較快。 vtfi2IGBT內部的PNP 晶體管的關斷過程，iC下 降較慢。 IGBT的關斷過程的關斷過程 t t t 10% 90% 10% 90% U CE IC 0 O 0 U GE U GEM I CM U CEM t fv1 t fv2 toffton tfi1tfi2 t d(off) t f t d(on) tr U CE(on) U GEM U GEM I CM I CM 直流斬波電路課件 1-79 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 3) IGBT的主要參數的主要參數 正常工作溫度下允許的最大功耗 。 (3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PC

59、M 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流 由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。 (1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES 直流斬波電路課件 1-80 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的特性和參數特點可以總結如下的特性和參數特點可以總結如下： v 開關速度高，開關損耗小。 v 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。 v 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。 v 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。 v 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進 一步提高，同時保持開關頻率高的特

60、點 。 直流斬波電路課件 1-81 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 擎住效應或自鎖效應擎住效應或自鎖效應： IGBT往往與反并聯的快速二極管封裝在一起，制成模 塊，成為逆導器件 。 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率 duCE/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA） 最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA） 擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開 始逐漸解決。 回顧圖122，可發(fā)現IGBT內部存在一個寄生的NPN管； NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電