電力電子器件56832PPT課件

1、電力電子器件的概述 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(lèi) 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) 2.1第1頁(yè)/共105頁(yè)電力電子器件的概念和特征電力電子器件u概念電力電子器件（Power Electronic Device） 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（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u廣義分類(lèi) 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料是硅)第2頁(yè)/共105頁(yè)u 特征能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)。為減少本身?yè)p

2、耗，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。需要由信息電子電路來(lái)控制以及驅(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。電力電子器件的概念和特征第3頁(yè)/共105頁(yè)主要損耗通態(tài)損耗：斷態(tài)損耗：開(kāi)關(guān)損耗：開(kāi)通損耗：在器件開(kāi)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗對(duì)某些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(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)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 電力電子器件的概念和特征導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò)第4頁(yè)/

3、共105頁(yè)應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子系統(tǒng)：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控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2圖1-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成 電氣隔離電氣隔離第5頁(yè)/共105頁(yè)控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。 有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說(shuō)電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。 主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如

4、驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，而通過(guò)其它手段如光、磁等來(lái)傳遞信號(hào)。應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成第6頁(yè)/共105頁(yè)由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。 器件一般有三個(gè)端子（或稱極或管角），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過(guò)在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來(lái)控制的，這個(gè)主電路端

5、子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成第7頁(yè)/共105頁(yè)電力電子器件的分類(lèi)按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類(lèi)：半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）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。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不控型器件電力二極管（Power Diode）只有兩

6、個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。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。第8頁(yè)/共105頁(yè) 按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類(lèi)： 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類(lèi)： 1) 電流驅(qū)動(dòng)型 1) 單極型器件電力電子器件的分類(lèi)2) 電壓驅(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 2) 雙極型器件3) 復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 第9頁(yè)/共10

7、5頁(yè)本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) 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)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。 簡(jiǎn)要講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用等問(wèn)題。 學(xué)習(xí)要點(diǎn): 最重要的是掌握其基本特性（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)） 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 由于電力電子電路的工作特點(diǎn)和具體情況的不同，可能會(huì)對(duì)與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件（如變壓器、電感、電容、電阻等）有不同于普通電路的要求第10頁(yè)/共105頁(yè)不控型器件電力二極管 PN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

8、二極管的主要類(lèi)型2.2第11頁(yè)/共105頁(yè) Power 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。 快恢復(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。不可控器件電力二極管2.2整流二極管及模塊整流二極管及模塊第12頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)N結(jié)與電力二極管的工作原理 基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)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，主要有螺栓型和平板型兩種封裝AKAKa)IKAPNJb)c)圖1-2 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

9、圖形符號(hào)第13頁(yè)/共105頁(yè)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。圖1-3 PN結(jié)的形成 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，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。 空間電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，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）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。 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)電荷稱為空間電荷。PN結(jié)與電力二

10、極管的工作原理 -。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場(chǎng)第14頁(yè)/共105頁(yè)P(yáng)N結(jié)的正向?qū)顟B(tài) 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?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 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。 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CB和擴(kuò)散電容CD 。PN結(jié)

11、與電力二極管的工作原理 第15頁(yè)/共105頁(yè)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。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。PN結(jié)與電力二極管的工作原理 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；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，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。第16頁(yè)/共105頁(yè)電力二極管和普通二極管的區(qū)別： 正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。 引線和焊接電阻的壓

12、降等都有明顯的影響。 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響。 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。PN結(jié)與電力二極管的工作原理 第17頁(yè)/共105頁(yè)電力二極管的基本特性1. 靜態(tài)特性主要指其伏安特性。 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門(mén)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)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。 當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。IOIFUTOUFU圖1-4 電力二極管的伏安特性第18頁(yè)/共105頁(yè)2. 動(dòng)態(tài)特性電力二極管的基本特性 因結(jié)電

13、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。a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02Vt0:正向正向電流降電流降為零的為零的時(shí)刻時(shí)刻t1:反向電反向電流達(dá)最大流達(dá)最大值的時(shí)刻值的時(shí)刻t2:電流變電流變化率接近化率接近于零的時(shí)于零的時(shí)刻刻第19頁(yè)/共105頁(yè)2. 動(dòng)態(tài)特性（續(xù)）電力二極管的基本特性須經(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。關(guān)斷過(guò)程（正向偏置變?yōu)榉聪蚱茫┭舆t

14、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。第20頁(yè)/共105頁(yè) 開(kāi)通過(guò)程（零偏置變?yōu)檎蚱茫?電力二極管的正向壓降先出現(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）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。 出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。 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 。2. 動(dòng)態(tài)特性（續(xù)）電力二極管的基本特性第21頁(yè)/共105頁(yè)電力二極管的主要參數(shù)1. 正

15、向平均電流IF(AV) （額定電流） 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 按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義，因此使用時(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。 當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 第22頁(yè)/共105頁(yè)2. 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)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降3. 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

16、峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定 電力二極管的主要參數(shù)第23頁(yè)/共105頁(yè)4. 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125175C范圍之內(nèi)。5. 反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間。6. 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。 電力二極管的主要參數(shù)第24頁(yè)/共105頁(yè)電力二極管的主要類(lèi)型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性

17、能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類(lèi)型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。1. 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）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5 s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。第25頁(yè)/共105頁(yè)2. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）電力二極管的主要類(lèi)型恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5 s以下）的二極管，

18、也簡(jiǎn)稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu) 采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），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），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26頁(yè)/共105頁(yè)3. 肖特基二極管以金屬和半導(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 DiodeSBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管

19、20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn) 當(dāng)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 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，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度肖特基二極管的優(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 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 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 電力二極管的主要類(lèi)型第27頁(yè)/共105頁(yè)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2.3第28頁(yè)/共

20、105頁(yè)晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管 1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 1958年商業(yè)化 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)始被性能更好的全控型器件取代 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往往專指晶閘管的一種基本類(lèi)型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件 半控器件晶閘管2.3第29頁(yè)/共105頁(yè)晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板

21、型兩種封裝引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端對(duì)于螺栓型封裝，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封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間內(nèi)部為PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3圖1-6 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)第30頁(yè)/共105頁(yè) Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2） IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4）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V

22、2的共基極漏電流。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5）RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)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)(121CBO2CBO1G2AIIII晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理第31頁(yè)/共105頁(yè)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。 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（門(mén)極觸發(fā)）：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（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，

23、實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理第32頁(yè)/共105頁(yè)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 光直接照射硅片，即光觸發(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，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（Light Trigge re d ThyristorLTT）。只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理第33頁(yè)/共105頁(yè)晶閘管的基本特性 1. 靜態(tài)特性 晶閘管正常工作時(shí)的特性如下：1)承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘

24、管都不會(huì)導(dǎo)通。2)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。3)晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。4)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 。第34頁(yè)/共105頁(yè)晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2IG1IG晶閘管的基本特性第35頁(yè)/共105頁(yè)1) 正向特性 IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，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

25、著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門(mén)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。晶閘管的伏安特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的基本特性第36頁(yè)/共105頁(yè)2) 反向特性晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(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加，導(dǎo)致晶

26、閘管發(fā)熱損壞。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性第37頁(yè)/共105頁(yè)2. 動(dòng)態(tài)特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的基本特性第38頁(yè)/共105頁(yè)1) 開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+ tr （1-6）普通晶閘管延遲時(shí)為0.51.5 s，上升時(shí)間為0.53 s。100%90%

27、10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的基本特性第39頁(yè)/共105頁(yè)2) 關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間tr r：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tg r：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間 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)ā?實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)） 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。100%90%10%uAKt

28、tO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的基本特性第40頁(yè)/共105頁(yè)1. 電壓定額晶閘管的主要參數(shù) 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。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)，額定電壓要留有一定裕量,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。 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。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。1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM3) 通態(tài)（峰值）電壓UTM第41頁(yè)/共105頁(yè)2. 電流定額

29、晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管在環(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。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。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)，通常IL約為IH的24倍。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 。 4) 浪涌電流ITSM 3) 擎住電流 IL 2) 維持電流 IH 使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍。 1) 通

30、態(tài)平均電流 IT(AV) 第42頁(yè)/共105頁(yè)3. 動(dòng)態(tài)參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 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。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，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞 。 (2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類(lèi)似門(mén)極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 (1) 斷

31、態(tài)電壓臨界上升率du/dt 除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有： 第43頁(yè)/共105頁(yè)晶閘管的派生器件1. 1. 快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，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，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管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44頁(yè)/共105頁(yè)2.2.雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或

32、Bidirectional triode thyristor）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晶閘管的派生器件可認(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T2，一個(gè)門(mén)極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。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。第45頁(yè)/共105頁(yè)3 . 逆 導(dǎo) 晶 閘 管 （ R e v e r s e C o n

33、d u c t i n g ThyristorRCT）b)a)UOIKGAIG=0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) 伏安特性晶閘管的派生器件將晶閘管反并聯(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)。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流。第46頁(yè)/共105頁(yè)4 . 光 控 晶 閘 管 （ L i g h t T r i g g e r e d ThyristorLTT）光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)AGKa)OUAKIA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) 伏安特性晶閘管的派

34、生器件又稱光觸發(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。小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子。大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。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，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。第47頁(yè)/共105頁(yè)典型全控型器件 門(mén)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2.4第48頁(yè)/共105頁(yè)門(mén)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)，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合高頻化、全控型、采用集成電路制造工

35、藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門(mén)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。典型全控型器件2.4第49頁(yè)/共105頁(yè)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 晶閘管的一種派生器件 可以通過(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)用第50頁(yè)/共105頁(yè)1. GTO1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)： 與普通晶閘管的相同點(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)：GTO是一種多元的功

36、率集成器件，內(nèi)部包含數(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(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO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)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管第51頁(yè)/共105頁(yè)工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用雙晶體管模型來(lái)分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+21時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+2

37、1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。 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和2。門(mén)極可關(guān)斷晶閘管第52頁(yè)/共105頁(yè)GTO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區(qū)別：門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 （1）設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關(guān)斷。 (2) 導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，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。 （3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流 。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b

38、)晶閘管的工作原理第53頁(yè)/共105頁(yè)由上述分析我們可以得到以下結(jié)論： 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：強(qiáng)烈正反饋門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使 IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+21時(shí)，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) 。門(mén)極可關(guān)斷晶閘管第54頁(yè)/共105頁(yè)2. GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管類(lèi)似，需經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt

39、0t1t2t3t4t5t6GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形門(mén)極可關(guān)斷晶閘管第55頁(yè)/共105頁(yè)關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同 抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小下降時(shí)間tf 。 殘存載流子復(fù)合尾部時(shí)間tt 。 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，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts越短。 門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間 。Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電

40、流波形門(mén)極可關(guān)斷晶閘管第56頁(yè)/共105頁(yè)3. 3. GTO的主要參數(shù)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 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)極電流值的增大而增大。 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。GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。2) 關(guān)斷時(shí)間toff1) 開(kāi)通時(shí)間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)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)。第57頁(yè)/共105頁(yè)3)最 大 可 關(guān) 斷 陽(yáng) 極 電 流IATO門(mén)極可關(guān)斷晶閘管4) 電流關(guān)斷增益 offGMATOoff

41、II（1-8） 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。第58頁(yè)/共105頁(yè)術(shù)語(yǔ)用法： 電力晶體管（Giant Transistor，GTR，巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor，BJT），也稱為Power BJT。 在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。 應(yīng)用 20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

42、。電力晶體管第59頁(yè)/共105頁(yè)1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15a)基極bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極b 發(fā)射極c集電極cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ibGTR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)電力晶體管與普通的雙極結(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 。+表示高表示高摻雜濃摻雜濃度，度，-表表示低摻示低摻雜濃度雜濃度 第60頁(yè)/共105頁(yè)GTR是由三層半

43、導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。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 （1-9） GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 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 （1-10）直流電流增益hFE在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為 hFE 。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電力晶體管cbceoiiI第61頁(yè)/共105頁(yè)2. GTR的基本特性 (1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典

44、型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。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)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。電力晶體管第65頁(yè)/共105頁(yè)集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中在給出PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫T

45、C，間接表示了最高工作溫度 。電力晶體管第66頁(yè)/共105頁(yè)4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿，即一次擊穿。 只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降，即二次擊穿。 常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。電力晶體管第67頁(yè)/共105頁(yè)安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）l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。lGTR正常工作時(shí)不能超過(guò)最高電壓UceM、集電極最

46、大電流IcM、最大耗散功率PcM和二次擊穿臨界線。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作區(qū)電力晶體管第68頁(yè)/共105頁(yè)分為結(jié)型和絕緣柵型（類(lèi)似小功率Field Effect TransistorFET）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）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）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 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

47、。 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 。第69頁(yè)/共105頁(yè)1. 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的種類(lèi) 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道 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 電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管第70頁(yè)/共105頁(yè)電力MOSFET的結(jié)構(gòu)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，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。電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。 國(guó)際整流器公司

48、（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元 西門(mén)子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元 摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)第71頁(yè)/共105頁(yè)小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有

49、垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管第72頁(yè)/共105頁(yè)電力MOSFET的工作原理 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零時(shí)。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)通：在柵源極間加正電壓UGS柵極絕緣不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝

50、道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管第73頁(yè)/共105頁(yè)1) 靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UG S的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。01020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性電力MOSFET的基本特性電

51、力場(chǎng)效應(yīng)晶體管第74頁(yè)/共105頁(yè)MOSFET的漏極伏安特性(輸出特性)： 截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)） 電力MOSFET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。 電力MOSFET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。 電力MOSFET的通態(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。01020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8V

52、ID/A 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管第75頁(yè)/共105頁(yè)2) 動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間td ( o n ) up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段。 上升時(shí)間tr uG S從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段。 iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定。 UG S P的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān) UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。 開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。a）b)圖1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOupttt

53、uGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf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)漏極電流電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管第76頁(yè)/共105頁(yè)關(guān)斷過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) up下降到零起，Cin通過(guò)Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開(kāi)始減小止的時(shí)間段。 下降時(shí)間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uG S20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： 第79頁(yè)/共105頁(yè)4) 極間電容 極間電容CGS、CGD和CD

54、S 廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss= CGS+ CGD （1-14）Crss= CGD （1-15）Coss= CDS+ CGD （1-16） 輸入電容可近似用Ciss代替。 這些電容都是非線性的。 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。 一般來(lái)說(shuō)，電力MOSFET不存在二次擊穿問(wèn)題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?。電力?chǎng)效應(yīng)晶體管第80頁(yè)/共105頁(yè)絕緣柵雙極晶體管uGTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)

55、電路復(fù)雜。uMOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，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 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorIGBT） GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。 1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)，中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。 第81頁(yè)/共105頁(yè)1. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1G

56、EC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)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)絕緣柵雙極晶體管第82頁(yè)/共105頁(yè)IGBT的結(jié)構(gòu) N溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1，使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(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GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制

57、電阻。絕緣柵雙極晶體管第83頁(yè)/共105頁(yè)IGBT的工作原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件。 通斷由柵射極電壓uGE決定。 導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使其通態(tài)壓降小。絕緣柵雙極晶體管第84頁(yè)/共105頁(yè)轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類(lèi)似。 開(kāi)啟電壓UGE(th)IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。 UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)

58、，UGE(th)的值一般為26V。輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系。 分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)。 uCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 IGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性絕緣柵雙極晶體管2. IGBT的基本特性 1) 靜態(tài)特性第85頁(yè)/共105頁(yè) 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程ttt10%9

59、0%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管第86頁(yè)/共105頁(yè) IGBT的開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10% ICM 。 電 流 上 升 時(shí) 間 tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間。 開(kāi)通時(shí)間to n開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。 uCE的下降過(guò)程分為tfv1和tf v 2兩 段 。 tf v 1 I G B T 中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò) 程 ；tf v 2

60、M O S F E T 和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管 2) IGBT的動(dòng)態(tài)特性第87頁(yè)/共105頁(yè)IGBT的關(guān)斷過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的 時(shí) 刻 起 ， 到 iC下 降 至90%ICM 。 電 流 下 降 時(shí) 間 iC從90%ICM下降至10%ICM 。 關(guān)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和。 電流下降時(shí)間又可