電力電子器件newPPT課件

1、1/89引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件本章主要內(nèi)容： 對(duì)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述 。 分別介紹各種常用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。 第1頁(yè)/共109頁(yè)2/892.1 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2頁(yè)/共109頁(yè)3/89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)的電子器件。

2、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。 第3頁(yè)/共109頁(yè)4/89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（功率范圍提高）。 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4頁(yè)/共109頁(yè)5/89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)

3、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)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗電力電子器件的功率損耗第5頁(yè)/共109頁(yè)6/89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)系統(tǒng)。 電氣隔離電氣隔離圖圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成第6頁(yè)/共109頁(yè)7/89電力電子器件的分類 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

4、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7頁(yè)/共109頁(yè)8/89電力電子器件的分類 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。 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

5、持在阻斷狀態(tài)。 第8頁(yè)/共109頁(yè)9/89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9頁(yè)/共109頁(yè)10/89本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容 按照不可控器件、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

6、解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。第10頁(yè)/共109頁(yè)11/892.2 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11頁(yè)/共109頁(yè)12/892.2 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。 整流二極管及模整流二極管及模塊塊第12頁(yè)/共109頁(yè)13/89AKAK

7、a)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。圖圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形外形 b) 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào)第13頁(yè)/共109頁(yè)14/89結(jié)與電力二極管的工作原理二極管的基本原理PN結(jié)的 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

8、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14頁(yè)/共109頁(yè)15/89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

9、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娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?。?5頁(yè)/共109頁(yè)16/89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(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圖圖2-5 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性第16頁(yè)/共109頁(yè)17/89電力二極

10、管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形形a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 因?yàn)橐驗(yàn)榻Y(jié)電容結(jié)電容的存在，電壓的存在，電壓-電流特性是隨電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，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)特性開(kāi)關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置由正向偏置轉(zhuǎn)換為反

11、向偏置 電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)電力二極管并不能立即關(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，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)。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。伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。 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)特性的軟度恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系，或稱恢復(fù)系 數(shù)，數(shù)，用用Sr表示。表示。t0: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

12、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17頁(yè)/共109頁(yè)18/89a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt第18頁(yè)/共109頁(yè)19/89電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個(gè)先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖過(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)時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如值（如2V）。）。 正向恢復(fù)時(shí)間正向恢復(fù)時(shí)間tfr 出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)效應(yīng)起作用所需的大量少子需要起作用所需的大量

13、少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)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)因器件自身的的上升會(huì)因器件自身的電感電感而產(chǎn)而產(chǎn)生較大壓降。生較大壓降。電流上升率電流上升率越大，越大，UFP越高。越高。 圖圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 第19頁(yè)/共109頁(yè)20/89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

14、，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)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20頁(yè)/共109頁(yè)21/89電力二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫TJM ，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21頁(yè)/共109頁(yè)22/89電力二極管的主要類型按照正向壓降、

15、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 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22頁(yè)/共109頁(yè)23/89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

16、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23頁(yè)/共109頁(yè)24/89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

17、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，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。第24頁(yè)/共109頁(yè)25/892.3 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25頁(yè)/共109頁(yè)26/892.3 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（Gen

18、eral 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。晶閘管及模塊晶閘管及模塊第26頁(yè)/共109頁(yè)27/89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(mén)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)。 圖圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形外形 b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) 第27頁(yè)/共109頁(yè)28/89三極

19、管結(jié)構(gòu)與工作原理第28頁(yè)/共109頁(yè)29/89三極管結(jié)構(gòu)與工作原理第29頁(yè)/共109頁(yè)30/89晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列按照晶體管工作原理，可列出如下方程：出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分別是晶體管分別是晶體管V1和和V2的共基極電流增益；的共基極電流增益；ICBO1和和ICBO2分別是分別是V

20、1和和V2的共基極漏的共基極漏電流。電流。第30頁(yè)/共109頁(yè)31/89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。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（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)第31頁(yè)/

21、共109頁(yè)32/89晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門(mén)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(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 第32頁(yè)/共109頁(yè)33/89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(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(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，不論門(mén)極觸發(fā)電流

22、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33頁(yè)/共109頁(yè)34/89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(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。 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。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特

23、性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第34頁(yè)/共109頁(yè)35/89晶閘管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性類似其伏安特性類似二極管二極管的的反向特性。反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的時(shí)，只有極小的反向漏電流反向漏電流通通過(guò)。過(guò)。 當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到到反向擊穿電壓反向擊穿電壓后，外電路如后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急無(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。劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)

24、熱損壞。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第35頁(yè)/共109頁(yè)36/89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(mén)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

25、上升時(shí)間都 可顯著縮短。 圖圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的開(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%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%第36頁(yè)/共109頁(yè)37/89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(mén)極電流控制而導(dǎo)通。圖

26、圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%反向恢復(fù)反向恢復(fù)電流最大電流最大值值尖峰電壓尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第37頁(yè)/共109頁(yè)38/89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(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（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(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（見(jiàn)圖2-8）。

27、 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38頁(yè)/共109頁(yè)39/89晶閘管的主要參數(shù) 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。 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

28、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39頁(yè)/共109頁(yè)40/89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40頁(yè)/共109頁(yè)41/89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

29、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)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41頁(yè)/共109頁(yè)42/89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

30、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42頁(yè)/共109頁(yè)43/89晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以認(rèn)為是一對(duì)可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)反并聯(lián)聯(lián) 接接的普的普通晶閘管的集成通晶閘管的集成。 門(mén)極使器件在主電極的正反兩方向門(mén)極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第和第III象限有象限有對(duì)對(duì)稱的伏安特性稱的伏安特性。 雙向晶閘管通常用在交

31、流電路中，雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用因此不用平均值而用有效值有效值來(lái)表示其額來(lái)表示其額定電流值。定電流值。圖圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性 第43頁(yè)/共109頁(yè)44/89晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受件，不具有承受反向電壓反向電壓的能力，的能力，一

32、旦承受反向電壓即開(kāi)通。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、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)，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可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。路中。 圖圖2-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性 第44頁(yè)/共109頁(yè)45/89晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長(zhǎng)的是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶

33、閘管。觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證了主電由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的路與控制電路之間的絕緣絕緣，而，而且可以避免電磁干擾的影響，且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在因此光控晶閘管目前在高壓大高壓大功率功率的場(chǎng)合的場(chǎng)合。圖圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性 第45頁(yè)/共109頁(yè)46/892.4 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 絕緣柵雙極晶體管第46頁(yè)/共109頁(yè)47/892.4 典型全控型器件引言門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不

34、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(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。電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊第47頁(yè)/共109頁(yè)48/89門(mén)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(mén)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)。 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(mén) 極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。 圖圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣

35、圖形符號(hào)a)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) 第48頁(yè)/共109頁(yè)49/89門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如圖仍然可以用如圖2-8所示的所示的雙晶體雙晶體管模型管模型來(lái)分析，來(lái)分析，V1、V2的共基極電流的共基極電流增益分別是增益分別是 1、 2。 1+ 2=1是器件臨是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小

36、于導(dǎo)通，小于1則則關(guān)斷。關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同與普通晶閘管的不同 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控制控制 靈靈敏，易于敏，易于GTO關(guān)斷。關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) 1+ 2更接近更接近1，導(dǎo)通時(shí)接，導(dǎo)通時(shí)接近近臨界飽和臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管導(dǎo)通時(shí)管壓降壓降增大。增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)基區(qū)橫向橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。 第49頁(yè)/共109頁(yè)50/89門(mén)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(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出

37、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50頁(yè)/共109頁(yè)51/89門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類似。 關(guān)斷過(guò)程 儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間tf 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， ts就越短。使門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間。圖圖2-15 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttfts

38、tdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間子的時(shí)間等效晶體管從飽等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間小時(shí)間 殘存殘存載流載流子復(fù)子復(fù)合所合所需時(shí)需時(shí)間間 第51頁(yè)/共109頁(yè)52/89門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO 用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流。 電流關(guān)斷增益 off 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 開(kāi)通時(shí)間ton 延遲時(shí)間與上升時(shí)間

39、之和。 延遲時(shí)間一般約12 s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而 增大。 關(guān)斷時(shí)間toff 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。 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2 s。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。 第52頁(yè)/共109頁(yè)53/89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。 第5

40、3頁(yè)/共109頁(yè)54/89 GTR的結(jié)構(gòu) 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)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。 GTR是由三層半導(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)。電力晶體管圖圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)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)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)內(nèi)部載流子的流動(dòng)+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54頁(yè)/共109頁(yè)55/89電力晶體管Iiiceobc空穴流電子流c

41、)EbEcibic=ibie=(1+ )ib圖圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)內(nèi)部載流子的流動(dòng) iibc在應(yīng)用中，在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流法。集電極電流ic與基極電流與基極電流ib之比為之比為 稱為稱為GTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，它反映，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。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)射極間的漏電流當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，時(shí)，ic和和ib的關(guān)系為的關(guān)系為 單管單管GTR的的 值比處理信息用的小功值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為率晶體管小得多，通常為10左右，采用左右，采

42、用達(dá)林頓接法達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益?？梢杂行У卦龃箅娏髟鲆?。(2-9)(2-10)第55頁(yè)/共109頁(yè)56/89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)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。 極間電容 CGS、CGD和CDS。 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)。 第70頁(yè)/共109頁(yè)71/89絕緣柵雙極晶體

43、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-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 第71頁(yè)/共109頁(yè)72/89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IGBT， 比VDMOS

44、FET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。 圖圖2-23 IGBT的結(jié)構(gòu)、的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等簡(jiǎn)化等效電路效電路 c) 電氣圖形符電氣圖形符號(hào)號(hào)RN為晶體為晶體管基區(qū)內(nèi)的管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。調(diào)制電阻。 第72頁(yè)/共109頁(yè)73/89絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理 IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件

45、。 其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。 當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。 第73頁(yè)/共109頁(yè)74/89絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 描述的是集電極電流 IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系。 開(kāi)啟電壓UGE(th)是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。 （a）圖圖2-

46、24 IGBT的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 第74頁(yè)/共109頁(yè)75/89絕緣柵雙極晶體管輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓為參考描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流變量時(shí)，集電極電流IC與集射與集射極間電壓極間電壓UCE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 分為三個(gè)區(qū)域：分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)、有源區(qū)有源區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。 當(dāng)當(dāng)UCE0時(shí)，時(shí)，IGBT為反向?yàn)榉聪蜃钄喙ぷ鳡顟B(tài)。阻斷工作狀態(tài)。 在電力電子電路中，在電力電子電路中，IGBT工作在工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在，因而是在正正向阻斷區(qū)向阻斷區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)之間

47、來(lái)回轉(zhuǎn)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。換。 (b)圖圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性移特性和輸出特性 b) 輸出特性輸出特性 第75頁(yè)/共109頁(yè)76/89絕緣柵雙極晶體管動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間tr 電壓下降時(shí)間tfv 開(kāi)通時(shí)間ton= td(on)+tr+ tfv tfv分為tfv1和tfv2兩段。 關(guān)斷過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 電壓上升時(shí)間trv 電流下降時(shí)間tfi 關(guān)斷時(shí)間toff = td(off) +trv+tfi tfi分為tfi1和tfi2兩段 引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低于電力MOSFET。 圖圖2-25 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)

48、程的開(kāi)關(guān)過(guò)程第76頁(yè)/共109頁(yè)77/89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1ms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77頁(yè)/共109頁(yè)78/89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MOS

49、FET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78頁(yè)/共109頁(yè)79/89絕緣柵雙極晶體管IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū) IGBT的擎住效應(yīng) 在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開(kāi)關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加一個(gè)正向偏壓，一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。 引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt

50、過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），或溫度升高。 動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。NoImage第79頁(yè)/共109頁(yè)80/89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 Biased 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80頁(yè)/共10

51、9頁(yè)81/892.5 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(mén)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81頁(yè)/共109頁(yè)82/89控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）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

52、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82頁(yè)/共109頁(yè)83/89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83頁(yè)/共109頁(yè)84/89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 Thyristo

53、rFCT），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84頁(yè)/共109頁(yè)85/89集成門(mén)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)的電力MOSFET器件和其它輔助元件組成的GTO門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路采用精心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在一起。 容量與普通GTO相當(dāng)，但開(kāi)關(guān)速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡(jiǎn)化普通GTO應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過(guò)其所需的驅(qū)動(dòng)功率仍然很大。 目前正在與I

54、GBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)。第85頁(yè)/共109頁(yè)86/89基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)體材料是指禁帶寬度在3.0電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等材料?；趯捊麕О雽?dǎo)體材料（如碳化硅）的電力電子器件將具有比硅器件高得多的耐受高電壓的能力、低得多的通態(tài)電阻、更好的導(dǎo)熱性能和熱穩(wěn)定性以及更強(qiáng)的耐受高溫和射線輻射的能力，許多方面的性能都是成數(shù)量級(jí)的提高。寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展一直佑于材料的提煉和制造以及隨后的半導(dǎo)體制造工藝的困難。 第86頁(yè)/共109頁(yè)87/892.6 功率集成電路與集成電力電子

55、模塊基本概念 20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊。 可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。 對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。 將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。第87頁(yè)/共109頁(yè)88/892.6 功率集成電路與集成電力電子模塊實(shí)際應(yīng)用電路 高壓集成電路（High Voltage ICHVIC） 一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片 集成。 智能功率集成電路（Smart Power I

56、CSPIC） 一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片 集成。 智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM） 專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片 集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。 第88頁(yè)/共109頁(yè)89/892.6 功率集成電路與集成電力電子模塊發(fā)展現(xiàn)狀 功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升和散熱的處理。 以前功率集成電路的開(kāi)發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場(chǎng)合。 智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。 功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。第89頁(yè)

57、/共109頁(yè)90/89本章小結(jié)將各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等問(wèn)題作了全面的介紹。電力電子器件歸類 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 單極型：肖特基二極管、 電力MOSFET和SIT等。 雙極型：基于PN結(jié)的電 力二極管、晶閘管、GTO和 GTR等。 復(fù)合型 ：IGBT、SITH 和MCT等。 圖圖2-26 電力電子器件分類電力電子器件分類“樹(shù)樹(shù)”第90頁(yè)/共109頁(yè)91/89本章小結(jié)按驅(qū)動(dòng)類型 電壓驅(qū)動(dòng)型器件 單極型器件和復(fù)合型器件。 共同特點(diǎn)是：輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高。 電流驅(qū)動(dòng)型器件 雙極型器件。 共同特點(diǎn)是：具

58、有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路也比較復(fù)雜。 按控制信號(hào)的波形 電平控制型器件 電壓驅(qū)動(dòng)型器件和部分電流驅(qū)動(dòng)型器件（如GTR） 脈沖觸發(fā)型器件 部分電流驅(qū)動(dòng)型器件（如晶閘管和GTO） 第91頁(yè)/共109頁(yè)92/89本章小結(jié)電力電子器件的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，逐漸形成了小功率（10kW以下）場(chǎng)合以電力MOSFET為主，中、大功率場(chǎng)合以IGBT為主的壓倒性局面，在10MVA以上或者數(shù)千伏以上的應(yīng)用場(chǎng)合，如果不需要自關(guān)斷能力，那么晶閘管仍然是目前的首選器件 。 電力MOSFET和IGBT中的技術(shù)創(chuàng)新仍然在繼續(xù)，IGBT還在不斷奪

59、取傳統(tǒng)上屬于晶閘管的應(yīng)用領(lǐng)域 。 寬禁帶半導(dǎo)體材料由于其各方面性能都優(yōu)于硅材料，因而是很有前景的電力半導(dǎo)體材料 。第92頁(yè)/共109頁(yè)93/89引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件本章主要內(nèi)容： 對(duì)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述 。 分別介紹各種常用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。 第93頁(yè)/共109頁(yè)94/892.1 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94頁(yè)/共109頁(yè)95/89電力電子器件的

60、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)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。 第95頁(yè)/共109頁(yè)96/89晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列按照晶體管工作原理，可列出如下方程：出如下方程：111CBOAcIII222C