電力電子第一章

1、12電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子技術(shù)的基礎(chǔ)v 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(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：概述電力電子器件的概述電力電子器件的概念概念、特點(diǎn)特點(diǎn)和和分類分類等問(wèn)題。等問(wèn)題。介紹常用電力電子器件的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(shù)要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問(wèn)題。以及選擇和使用中應(yīng)注意問(wèn)題。第第2章章 電力電子器件電力電子器件引言引言32.12.1、電力電子器件的基本模型、電力電子器件的基本模型41）概念）概念:電力電子器件電力電子器件（Power Electronic De

2、vice） 可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)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(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。2）分類）分類: 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、電子管) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅）2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征5能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。的電子器件。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。制。電

3、力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。子器件，一般都要安裝散熱器。2.1.1 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一般特征：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：6v 在對(duì)電能的變換和控制過(guò)程中，電力電子器件在對(duì)電能的變換和控制過(guò)程中，電力電子器件可以抽象成下圖可以抽象成下圖2.1.12.1.1所示的理想開(kāi)關(guān)模型，它有所示的理想開(kāi)關(guān)模型，它有三個(gè)電極三個(gè)電極，其中，其中A和和B代表開(kāi)關(guān)的兩個(gè)主電極，代表開(kāi)關(guān)的兩個(gè)主電極，K是控制開(kāi)關(guān)通斷的控制極。它只工作在是控制開(kāi)關(guān)通斷的控制極。它只工作在

4、“通態(tài)通態(tài)”和和“斷態(tài)斷態(tài)”兩種情況，在通態(tài)時(shí)其電阻為零，斷兩種情況，在通態(tài)時(shí)其電阻為零，斷態(tài)時(shí)其電阻無(wú)窮大。態(tài)時(shí)其電阻無(wú)窮大。 圖圖2.1.1 電力電子器件的理想開(kāi)關(guān)模型電力電子器件的理想開(kāi)關(guān)模型4）基本模型：）基本模型：7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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征5）電力電子器件的損耗）電力電子器件的損耗8電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路

5、主電路組成。圖2.1.2 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)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(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行2.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路9l半控型器件（半控型器件（Thyristor）l 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) )l 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。l不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。2.1.3 電

6、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：10l電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。關(guān)斷的控制。 如：晶閘管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、如：晶閘管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等；等； l電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 如：代表性器件為如：代表性器件為MOSFET管和管和IGBT管。管。2.

7、1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：11本章內(nèi)容 介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選型和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題 講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、串并聯(lián)等問(wèn)題學(xué)習(xí)要點(diǎn) 最重要的是掌握其基本特性 掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法122.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管13Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)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(chǎng)合，具有不可替代的地位。2.2 不可控器件不可

8、控器件電力二極管電力二極管引言引言整流二極管及模塊14基本結(jié)構(gòu)和工基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息作原理與信息電子電路中的電子電路中的二極管二極管一樣。一樣。由一個(gè)面積較由一個(gè)面積較大的大的PN結(jié)和兩結(jié)和兩端引線以及封端引線以及封裝組成的。裝組成的。從外形上看，從外形上看，主要有螺栓型主要有螺栓型和平板型兩種和平板型兩種封裝。封裝。圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK152.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理N型半導(dǎo)體和型半

9、導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)結(jié): 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng):空間電荷建立的電場(chǎng)空間電荷建立的電場(chǎng),也稱也稱自建電場(chǎng)自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)?？臻g電荷空間電荷:交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不

10、能移動(dòng)的正、帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為負(fù)電荷稱為空間電荷空間電荷?？臻g電荷區(qū)空間電荷區(qū):擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷電荷量擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。勢(shì)壘區(qū)。PN+ +16 狀態(tài)參數(shù)正向

11、導(dǎo)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(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)l雪崩擊穿l齊納擊穿l均可能導(dǎo)致熱擊穿2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài)17lPN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)電容效應(yīng)，稱為結(jié)結(jié)電容電容CJ，又稱為微分電容（外加電壓變化時(shí)起作用）微分電容（外加電壓變化時(shí)起作用）。l結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散擴(kuò)散電容電容CD （僅在正向偏置時(shí)起作用） 。l正向偏置時(shí)：當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作 用，

12、當(dāng)正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用l電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的電容效應(yīng)：18主要指其伏安特性伏安特性l門(mén)檻電壓門(mén)檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。l與IF對(duì)應(yīng)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(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖2-4 電力二極管的伏安特性2.2.2 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IOIFUTOUFU192) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 二極管的電壓二極管的電壓- -電流特性隨時(shí)電流特性隨時(shí) 間變化的間變化

13、的 結(jié)電容的存在結(jié)電容的存在2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖2-5 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時(shí)間：延遲時(shí)間：td= t1- t0, 電流下降時(shí)間：電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間延遲時(shí)間 的比值的比值tf /td，或稱恢，或稱恢復(fù)系數(shù)，用復(fù)系數(shù)，用Sr表示。表示。20v正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)

14、沖正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。）。v正向恢復(fù)時(shí)間正向恢復(fù)時(shí)間tfr。v電流上升率越大，電流上升率越大，UFP越高越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖2-5(b)開(kāi)通過(guò)程2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程v須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。v關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖2-5(b)關(guān)斷過(guò)程21額定正向平均電流

15、額定正向平均電流在指定的管殼溫（簡(jiǎn)稱殼溫，用在指定的管殼溫（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值平均值。 0)(sin21mmAVFIttdII2)sin(2102mmFItdtII 電電流流平平均均值值電電流流有有效效值值 fK57. 12)( AVFFfIIK可求出正弦半波電流的波形系數(shù)可求出正弦半波電流的波形系數(shù): : 定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的波形系數(shù)，用波形系數(shù)，用K Kf f表示：表示：額定電流有效值為額定電流有效值

16、為: :2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)設(shè)該正弦半波電流的峰值為設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im, 則額定電流則額定電流(平均電流平均電流)為為:22在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3） 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 4）反向恢復(fù)時(shí)間）反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降）正向壓降UF23結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞

17、的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。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(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫）最高工作結(jié)溫TJM241) 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(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高DATASHEET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(fù)特性的不同介紹。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極

18、管的主要類型25簡(jiǎn)稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管 （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(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。DATASHEET 1 2 32) 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）26肖特基二極管的弱點(diǎn)弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)

19、點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）。正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。2.2.4 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) ) 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。272.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管282.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。

20、開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)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(chǎng)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）29圖2-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。AAGGKKb )c )a

21、 )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3302.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)31晶閘管是大功率器件晶閘管是大功率器件, 工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上, 采用自然散熱采用自然散熱冷卻方式冷卻方式, 如圖如圖2.3.2(a)所示。所示。平板式晶閘管由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊夾在中間平板式晶閘管由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊夾在中間, 散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷, 以獲得較好的散熱以獲

22、得較好的散熱效果效果,如圖如圖2.3.2 (b)、(c)所示。所示。圖圖2.3.2 2.3.2 晶閘管的散熱器晶閘管的散熱器322.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)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2-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）332.3.1

23、 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通狀態(tài)開(kāi)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的話，流過(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。342.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光觸發(fā)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(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Lig

24、ht Triggered ThyristorLTT）。只有門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。只有門(mén)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(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：352.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。DATASHEET晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：362.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性（1）正向特性I

25、G=0時(shí)，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(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖2-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG372.3.2 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(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖2-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ?/p>

26、崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性382.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間延遲時(shí)間td (0.51.5 s)上升時(shí)間上升時(shí)間tr (0.53 s)開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，以上兩者之和， tgt=td+ tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t tq以上兩者之以上兩者之和和tq=trr+tgr （1-7)普通晶閘管的關(guān)

27、斷時(shí)間普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒約幾百微秒2） 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性圖2-9 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形392.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)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(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通 常 取 晶 閘 管 的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23

28、倍。使用注意：使用注意：1）電壓定額電壓定額402.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)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(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)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(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。IT(AV)計(jì)算方法計(jì)算方法維持電流維持電流 IHIH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流ITSMITSM指由于電路異常情況引起的

29、并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流 。2 2）電流定額電流定額41 這說(shuō)明額定電流這說(shuō)明額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，其額定有效值為的晶閘管，其額定有效值為IT = Kf IT(AV) = 157A。IT(AV)計(jì)算方法：計(jì)算方法： 0)(sin21mmAVTIttdII2)sin(2102mmTItdtII 電電流流平平均均值值電電流流有有效效值值 fK57. 12)( AVTTfIIK（2.3.32.3.3）（2.3.42.3.4）（2.3.52.3.5）（2.3.42.3.4） 根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)

30、平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電流。設(shè)該正弦半波電流的峰值為頻正弦波電流時(shí)的允許最大平均電流。設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im, 則額定電流則額定電流(平均電流平均電流)為：為：額定電流有效值為：額定電流有效值為： 現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的波現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流波形的波形系數(shù)，用形系數(shù)，用Kf表示：表示：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：42門(mén)極觸發(fā)電流門(mén)極觸發(fā)電流IGTIGT和門(mén)極觸發(fā)電壓和門(mén)極觸發(fā)電壓UGTUGT 1 1）定義：定義：在室溫下，晶閘管加在室溫下，晶閘管加6V正向

31、陽(yáng)極電壓正向陽(yáng)極電壓時(shí)，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門(mén)極電流，稱為時(shí)，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門(mén)極電流，稱為門(mén)極觸發(fā)電流門(mén)極觸發(fā)電流IGT。對(duì)應(yīng)于門(mén)極觸發(fā)電流的門(mén)極電壓。對(duì)應(yīng)于門(mén)極觸發(fā)電流的門(mén)極電壓稱為門(mén)極觸發(fā)電壓稱為門(mén)極觸發(fā)電壓UGT。 2 2）晶閘管由于）晶閘管由于門(mén)極特性門(mén)極特性的差異，其觸發(fā)電流、觸的差異，其觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓也相差很大。所以對(duì)不同系列的元件只規(guī)定發(fā)電壓也相差很大。所以對(duì)不同系列的元件只規(guī)定了觸發(fā)電流、電壓的上、下限值。了觸發(fā)電流、電壓的上、下限值。 3 3）晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在）晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫下的實(shí)測(cè)值，但觸發(fā)電流、電

32、壓受常溫下的實(shí)測(cè)值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響溫度的影響很大，溫度升高，很大，溫度升高，UGT 、IGT 值會(huì)顯著降低，溫度降值會(huì)顯著降低，溫度降低，低，UGT 、IGT 值又會(huì)增大。值又會(huì)增大。為了保證晶閘管的可靠為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，外加門(mén)極電壓的幅值應(yīng)比觸發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，外加門(mén)極電壓的幅值應(yīng)比UGT 大幾倍。大幾倍。43通態(tài)平均電壓通態(tài)平均電壓UT(AV )UT(AV ) 1 1）定義：）定義：在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下， 元件通以元件通以正弦半波額定電流時(shí)，陽(yáng)極與陰極間電壓降的平均值，稱正弦半波額定電流時(shí)，陽(yáng)極與陰極間電壓降的平

33、均值，稱通態(tài)平均電壓通態(tài)平均電壓(又稱管壓降又稱管壓降) 2 2）其數(shù)值按表）其數(shù)值按表2.3.3分組分組在實(shí)際使用中，從減小損耗和在實(shí)際使用中，從減小損耗和元件發(fā)熱來(lái)看，應(yīng)選擇元件發(fā)熱來(lái)看，應(yīng)選擇T(AV) 小的晶閘管。小的晶閘管。組組 別別ABC通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V） T0.40.4T0.50.5T0.6組組 別別DEF通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V） 0.6T0.70.7T0.80.8T0.9組組 別別GHI通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V） 0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表表2.3.3 2.3.3 晶閘管通態(tài)平均電壓分組晶閘管通態(tài)平均電壓分組442.3.3 晶閘管的

34、主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)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(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)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(wú)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(guò)熱而使晶閘管損壞。3 3）動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)452.3.4 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(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快

35、速晶閘管數(shù)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(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。DATASHEET1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)462.3.4 晶閘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2-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和

36、T2，一個(gè)門(mén)極G。在第和第III象限有對(duì)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(lái)表示其額定電流值來(lái)表示其額定電流值。DATASHEET472.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖2-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)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(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。482.3.4 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 Trig

37、gered ThyristorLTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖2-12 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)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。因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合。492.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)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(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。DATASHEET 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristo

38、r GTO）50結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖2-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理51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(lái)分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-7 晶閘

39、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(dǎo)通的條件。是器件臨界導(dǎo)通的條件。 由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1和 2 2 。522.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下如下區(qū)別區(qū)別： 設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。 導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2

40、Ic1IAV1V2b )圖2-7 晶閘管的工作原理532.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：542.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 殘存載流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短

41、。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖2-14 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性552.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大。 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff（1）開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。5

42、6（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）GMATOoffII572.5 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） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT。DATASHEET 1 2 應(yīng)用應(yīng)用2

43、0世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。 術(shù)語(yǔ)用法術(shù)語(yǔ)用法：58與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)59在應(yīng)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 GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的

44、控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo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(dá)林頓接法可有效增大電流增益。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理60 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)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(kāi)關(guān)狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖2-16 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出

45、特性2）GTR的基本特性的基本特性61開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton。關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff 。GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-17 GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形(2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性62 前已述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

46、(此外還有此外還有)： 1) 最高工作電壓最高工作電壓 GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿。集基極擊穿電壓U（BR）CBO；發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極能承受的最高電壓集射極擊穿電壓U（BR）CEO；基極開(kāi)路時(shí)，集射極能承受的最高電壓3）GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)63通常規(guī)定為下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic 。 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(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)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許電流IcM64一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(guò)限度，GTR

47、一般不會(huì)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(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-18 GTR的安全工作區(qū) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)652.6 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)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

48、Oxide Semiconductor FET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 開(kāi)關(guān)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，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 。66電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道。

49、電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型。DATASHEET1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理67電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖2-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)68小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的V V M O S F

50、 E T 和 具 有 垂 直 導(dǎo) 電 雙 擴(kuò) 散 M O S 結(jié) 構(gòu) 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。目前生產(chǎn)的VDMOS中絕大多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型，這是由于P溝道器件在相同硅片面積下，其通態(tài)電阻是N型器件的23倍。因此今后若無(wú)特別說(shuō)明，均指N溝道增強(qiáng)型器件。電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)69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(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形

51、成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖2-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力電力MOSFET的工作原理的工作原理70 (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(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8

52、VID/A圖2-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性71截止區(qū)截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。圖2-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305

53、040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A72開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖2-21 電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a) 測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up脈沖信

54、號(hào)源，Rs信號(hào)源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測(cè)漏極電流(2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性73 MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)速度74v 溝道體區(qū)表面發(fā)生強(qiáng)反型所需的最低柵極電壓稱為溝道體區(qū)表面發(fā)生強(qiáng)反型所需的最低柵極電壓稱為VDMOSVDMOS管的閾值

55、電壓。管的閾值電壓。v 一般情況下將漏極短接條件下，一般情況下將漏極短接條件下，I ID D=1mA=1mA時(shí)的柵極電壓定義時(shí)的柵極電壓定義為為U UT T。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，U UGSGS=(1.5=(1.52.5)U2.5)UT T，以利于獲得較小的，以利于獲得較小的溝道壓降。溝道壓降。v U UT T還與結(jié)溫還與結(jié)溫T Tj j有關(guān)，有關(guān)，T Tj j升高，升高，U UT T將下降將下降( (大約大約T Tj j每增加每增加4545，U UT T下降下降10%10%，其溫度系數(shù)為，其溫度系數(shù)為-6.7mV-6.7mV)。 。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性與主要參數(shù)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管的特性與

56、主要參數(shù) (1)通態(tài)電阻通態(tài)電阻Ron v 在確定的柵壓在確定的柵壓U UGSGS下，下，VDMOSVDMOS由可調(diào)電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)漏由可調(diào)電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)漏極至源極間的直流電阻稱為通態(tài)電阻極至源極間的直流電阻稱為通態(tài)電阻R Ronon。R Ronon是影響最大輸出是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。功率的重要參數(shù)。v 在相同條件下，耐壓等級(jí)越高的器件其在相同條件下，耐壓等級(jí)越高的器件其R Ronon值越大，另外值越大，另外R Ronon隨隨I ID D的增加而增加，隨的增加而增加，隨U UGSGS的升高而減小。的升高而減小。(2) (2) 閾值電壓閾值電壓U UT T75v IDM表征器件的電

57、流容量。當(dāng)表征器件的電流容量。當(dāng)UGS=10V，UDS為某一數(shù)為某一數(shù)值時(shí)，漏源間允許通過(guò)的最大電流稱為最大漏極電流。值時(shí)，漏源間允許通過(guò)的最大電流稱為最大漏極電流。GSDmUIg l(3) 跨導(dǎo)跨導(dǎo)gml跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm定義定義 表示表示UGS對(duì)對(duì)ID的控制能力的大小。實(shí)際中高跨導(dǎo)的管子具有更好的的控制能力的大小。實(shí)際中高跨導(dǎo)的管子具有更好的頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)。l(4) 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓BUDS BUDS決定了決定了VDMOS的最高工作電壓，它是為了避免器件進(jìn)的最高工作電壓，它是為了避免器件進(jìn)入雪崩區(qū)而設(shè)立的極限參數(shù)。入雪崩區(qū)而設(shè)立的極限參數(shù)。(5) 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓BUGS B

58、UGS是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過(guò)高而發(fā)生介是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過(guò)高而發(fā)生介電擊穿而設(shè)立的參數(shù)。一般電擊穿而設(shè)立的參數(shù)。一般BUGS=20V。(6) 最大漏極電流最大漏極電流IDM76圖圖2.6.3 VDMOS極間極間 電容等效電路電容等效電路 INmmCgf 2 GDGSINCCC GDDSOCCC GDRCC l(7) 最高工作頻率最高工作頻率fml定義；定義；式中式中CIN為器件的輸入電容為器件的輸入電容, 一般一般說(shuō)來(lái)，器件的極間電容如圖說(shuō)來(lái)，器件的極間電容如圖2.6.3所示。圖中所示。圖中輸入電容：輸入電容：輸出電容：輸出電容：反饋電容：反饋電容：77圖圖2.6.4 V

59、DMOS開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān) 過(guò)程電壓波形圖過(guò)程電壓波形圖 rdonttt fsoffttt l(8)(8)開(kāi)關(guān)時(shí)間開(kāi)關(guān)時(shí)間t tonon與與t toffoff開(kāi)通時(shí)間：開(kāi)通時(shí)間： 延遲時(shí)間延遲時(shí)間t td d：對(duì)應(yīng)輸入電壓信號(hào)上升對(duì)應(yīng)輸入電壓信號(hào)上升沿幅度為沿幅度為10%Uim 10%Uim 到輸出電壓信號(hào)下降沿到輸出電壓信號(hào)下降沿幅度為幅度為10%Uom 10%Uom 的時(shí)間間隔。的時(shí)間間隔。 上升上升t tr r時(shí)間：時(shí)間：對(duì)應(yīng)輸出電壓幅度由對(duì)應(yīng)輸出電壓幅度由10%U10%Uo o變化到變化到90%U90%Uomom的時(shí)間，這段時(shí)間對(duì)應(yīng)的時(shí)間，這段時(shí)間對(duì)應(yīng)于于U Ui i向器件輸入電容充電的過(guò)程。向

60、器件輸入電容充電的過(guò)程。關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間: :l 存儲(chǔ)存儲(chǔ)t ts s時(shí)間：時(shí)間：對(duì)應(yīng)柵極電容存儲(chǔ)電荷的對(duì)應(yīng)柵極電容存儲(chǔ)電荷的消失過(guò)程。消失過(guò)程。 下降時(shí)間下降時(shí)間t tf f在在VDMOSVDMOS管中，管中，t tonon和和t toffoff都都可以控制得比較小，因此器件的開(kāi)關(guān)速度可以控制得比較小，因此器件的開(kāi)關(guān)速度相當(dāng)高。相當(dāng)高。78 1 1）漏源通態(tài)電阻限制線）漏源通態(tài)電阻限制線I(I(由由于通態(tài)電阻于通態(tài)電阻R Ronon大，因此器件在低大，因此器件在低壓段工作時(shí)要受自身功耗的限制壓段工作時(shí)要受自身功耗的限制) )； 2 2）最大漏極電流限制線）最大漏極電流限制線； 3 3）最大功