電力電子器件52387PPT課件

1、1/892.1 2.1 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)第1頁(yè)/共70頁(yè)2/89電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念 電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路：在電氣設(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。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 第2頁(yè)/共70頁(yè)3/89電力電子器件的概念和特征電力電子器件的特征 所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能

2、力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 由信息電子電路來(lái)控制 ,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。 自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。 第3頁(yè)/共70頁(yè)4/89電力電子器件的概念和特征通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗第4頁(yè)/共70頁(yè)5/89應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系

3、統(tǒng)。 電氣隔離圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成第5頁(yè)/共70頁(yè)6/89電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 半控型器件 主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。第6頁(yè)/共70頁(yè)7/89電力電子器件的分類按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 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)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型 僅

4、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。按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型 必須通過(guò)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。 第7頁(yè)/共70頁(yè)8/89電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。 第8頁(yè)/共70頁(yè)9/89本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容 按照

5、不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(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。 了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。 了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。第9頁(yè)/共70頁(yè)10/892.2 不可控器件電力二極管 結(jié)與電力二極管的工作原理 電力二極管的基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型第10頁(yè)/共70頁(yè)11/892.2 不可控器件電力二極管引言電力二極管（Power Diode）自20世紀(jì)50年

6、代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊第11頁(yè)/共70頁(yè)12/89AKAKa)IKAPNJb)c)AK結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的, ,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。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) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)第12頁(yè)/共70頁(yè)13/89結(jié)與電力

7、二極管的工作原理二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。 第13頁(yè)/共

8、70頁(yè)14/89結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容 按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD 勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作。?4頁(yè)/共70頁(yè)15/89電力二極管的基本特性靜態(tài)特性 主要是指其伏安特性 正向電壓大到一定值（門檻 電壓UTO ），正向電流才開(kāi)始 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。

9、與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降UF。 承受反向電壓時(shí)，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5 電力二極管的伏安特性第15頁(yè)/共70頁(yè)16/89電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖2-6 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 動(dòng)態(tài)特性 因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管

10、并不能立即關(guān)斷，而是須經(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)。 在關(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。 延遲時(shí)間：td=t1-t0 電流下降時(shí)間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時(shí)刻t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻第16頁(yè)/共70頁(yè)17/89電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，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2V）。 正向恢復(fù)時(shí)間tfr 出現(xiàn)電壓過(guò)沖的

11、原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。 圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 第17頁(yè)/共70頁(yè)18/89電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC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平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)

12、對(duì)應(yīng)的正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(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。 第18頁(yè)/共70頁(yè)19/89電力二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 TJM通常在125175 C范圍之內(nèi)。反向恢復(fù)時(shí)間trr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。第19頁(yè)/共70頁(yè)20/89電力二極管的主要類型按照正向壓降、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，介紹幾種常用的電力二極管。 普通二極管（General

13、 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）的整流電路中。 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5 s以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。 第20頁(yè)/共70頁(yè)21/89電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（一般在5 s以下） 。 快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu) ，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。 從性能上可分為快

14、速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。第21頁(yè)/共70頁(yè)22/89電力二極管的主要類型肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于多子器件 優(yōu)點(diǎn)在于：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；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。 弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，

15、而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。第22頁(yè)/共70頁(yè)23/892.3 半控型器件晶閘管 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 晶閘管的基本特性 晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管的派生器件第23頁(yè)/共70頁(yè)24/892.3 2.3 半控器件晶閘管引言晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。由于其能承受的電壓和電

16、流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊第24頁(yè)/共70頁(yè)25/89晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 圖2-7 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) 第25頁(yè)/共70頁(yè)26/89晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8 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 晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列出如下方程：111CBO

17、AcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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。第26頁(yè)/共70頁(yè)27/89晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的特性是：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。在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而 1+ 2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)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（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通

18、。由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（2-1）（2-4）可得(2-5)第27頁(yè)/共70頁(yè)28/89晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況 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)這些情況除了光觸發(fā)由于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)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 第28頁(yè)/共70頁(yè)29/89晶閘管的基本特性靜態(tài)特性 正常工作時(shí)的特性 當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管

19、都不會(huì)導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 第29頁(yè)/共70頁(yè)30/89晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性 正向特性 當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)。 如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通 。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

20、如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第30頁(yè)/共70頁(yè)31/89晶閘管的基本特性反向特性 其伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。 當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)?/p>

21、雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第31頁(yè)/共70頁(yè)32/89晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程 由于晶閘管內(nèi)部的正反饋 過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能 是瞬時(shí)的。 延遲時(shí)間td (0.51.5 s) 上升時(shí)間tr (0.53 s) 開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr 延遲時(shí)間隨門極電流的增 大而減小,上升時(shí)間除反映晶 閘管本身特性外，還受到外電 路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極 電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都 可顯著縮短。 圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%

22、10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%第32頁(yè)/共70頁(yè)33/89晶閘管的基本特性關(guān)斷過(guò)程 由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第33頁(yè)/共

23、70頁(yè)34/89晶閘管的主要參數(shù)電壓定額 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(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（見(jiàn)圖2-9）。 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(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（見(jiàn)圖2-8）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。第34頁(yè)/共70頁(yè)35/89晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)（峰值）電壓UT 晶

24、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。 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倍。電流定額 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40 C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。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。 第35頁(yè)/共70頁(yè)36/89晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通

25、所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫越高，則IH越小。 擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(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。 約為IH的24倍 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(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。第36頁(yè)/共70頁(yè)37/89晶閘管的主要參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù) 開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門極開(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di/dt 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)

26、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。第37頁(yè)/共70頁(yè)38/89晶閘管的派生器件快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 快速晶閘管的開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。 從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10 s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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 第38頁(yè)/共70頁(yè)39/89晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管

27、（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。圖2-11 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 第39頁(yè)/共70頁(yè)40/89晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器

28、件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。 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)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。 圖2-12 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 第40頁(yè)/共70頁(yè)41/89晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性 a)

29、電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 第41頁(yè)/共70頁(yè)42/892.4 典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極晶體管第42頁(yè)/共70頁(yè)43/892.4 典型全控型器件引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊第43頁(yè)/共70頁(yè)44/89門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的結(jié)構(gòu) 是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)。

30、是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個(gè) 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO 元，這些GTO元的陰極和門 極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。 圖2-14 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) 第44頁(yè)/共70頁(yè)45/89門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。 而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使 1+ 21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。 GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。 第

31、45頁(yè)/共70頁(yè)46/89電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。 第46頁(yè)/共70頁(yè)47/89電力晶體管GTR的基本特性 靜態(tài)特性 在共發(fā)射極接法時(shí)的典 型輸出特性分為截止區(qū)、放 大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。 在電力電子電路中， GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工 作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 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)， 一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。

32、截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖2-17 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性第47頁(yè)/共70頁(yè)48/89電力晶體管動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程 需要經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí) 間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。 增大基極驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并 增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間， 同時(shí)也可以縮短上升時(shí)間，從而 加快開(kāi)通過(guò)程。 關(guān)斷過(guò)程 需要經(jīng)過(guò)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toff。 減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減 小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極 抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓， 可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān) 斷速度。 GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO

33、都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18 GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。 是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。 第48頁(yè)/共70頁(yè)49/89電力晶體管集電極最大允許電流IcM 規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。 實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。集電極最大耗散功率PcM 指在最高工作溫度下允許的耗散功率。 產(chǎn)品說(shuō)明書中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫

34、TC，間接表示了最高工作溫度。 第49頁(yè)/共70頁(yè)50/89電力晶體管GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。 發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。 出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。 SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19 GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率 安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）

35、 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn) 連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓 UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超過(guò)二次擊穿臨界線。第50頁(yè)/共70頁(yè)51/89電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）。電力MOSFET是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，它的特點(diǎn)有： 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，多用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。

36、第51頁(yè)/共70頁(yè)52/89電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。 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)電溝道的稱為增強(qiáng)型。 在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。 第52頁(yè)/共70頁(yè)53/89電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過(guò)程是非常迅速的。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一定的驅(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。 第53頁(yè)/共

37、70頁(yè)54/89絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 第54頁(yè)/共70頁(yè)55/89絕緣柵雙極晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的結(jié)構(gòu) 是三端器件，具有柵極G、 集電極C和發(fā)射極E。 由N溝道VDMOSFET與雙 極型晶體管組合而成的

38、IGBT， 比VDMOSFET多一層P+注入 區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào) 制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流 能力。 簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT 是用GTR與MOSFET組成的達(dá) 林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由 MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶 體管。 圖2-23 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 第55頁(yè)/共70頁(yè)56/89絕緣柵雙極晶體管IGBT的主要參數(shù) 前面提到的各參數(shù)。 最大集射極間電壓UCES 由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。 最大集電極電流 包括額定直流電流IC和1m

39、s脈寬最大電流ICP。 最大集電極功耗PCM 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 第56頁(yè)/共70頁(yè)57/89絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下： 開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。 在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。 輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。 第57頁(yè)/共70頁(yè)58/89絕緣柵雙極晶體管 IGBT的安全工作區(qū) 正向偏置安全工作區(qū)（Forward B

40、iased Safe Operating AreaFBSOA） 根據(jù)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。 反向偏置安全工作區(qū)（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA） 根據(jù)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。 NoImage第58頁(yè)/共70頁(yè)59/892.5 其他新型電力電子器件 控制晶閘管MCT 靜電感應(yīng)晶體管SIT 靜電感應(yīng)晶閘管SITH 集成門極換流晶閘管IGCT 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力 電子器件第59頁(yè)/共70頁(yè)60/89控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor

41、）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。 結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)。由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。 第60頁(yè)/共70頁(yè)61/89靜電感應(yīng)晶體管SIT是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過(guò)電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。柵極不加任何信

42、號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。 第61頁(yè)/共70頁(yè)62/89靜電感應(yīng)晶閘管SITH可以看作是SIT與GTO復(fù)合而成。 又被稱為場(chǎng)控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT），本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。 其很多特性與GTO類似，但開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型 ，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。 第62頁(yè)/共70頁(yè)63/89集成門極換流晶閘管IGCT是將一個(gè)平板型的GTO與由很多個(gè)并聯(lián)的電