電力電子器件54041PPT課件

1、2.1 2.1 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 應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)容和學習要點第1頁/共88頁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，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。 第2頁/共88頁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

2、般都遠大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態(tài)。 由信息電子電路來控制 ,而且需要驅動電路。 自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。 第3頁/共88頁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。當器件的開關頻率較高時，開關損耗會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)損耗開關損耗開通損耗關斷損耗電力電子器件的功率損耗第4頁/共88頁應用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。 電氣隔離圖2-1 電力電子器件在實

3、際應用中的系統(tǒng)組成第5頁/共88頁電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度 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。 通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。 不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷。第6頁/共88頁電力電子器件的分類按照驅動信號的性質(zhì) 電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。 電壓驅動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或

4、者關斷的控制。按照驅動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關斷的控制。 電平控制型 必須通過持續(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來使器件開通并維持在導通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。 第7頁/共88頁電力電子器件的分類按照載流子參與導電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導電。 復合型器件 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/共88頁本章內(nèi)容和學習要點本章內(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

5、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注意的一些問題。學習要點 最重要的是掌握其基本特性。 掌握電力電子器件的型號命名法，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體物理結構和基本工作原理。 了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。第9頁/共88頁2.2 不可控器件電力二極管 結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/共88頁2.2 不可控器件電力二極管引言電力二極管（Power Diode）自20世紀50年代初期就獲得應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備

6、當中。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，特別是開通和關斷速度很快的快恢復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/共88頁AKAKa)IKAPNJb)c)AK結與電力二極管的工作原理電力二極管是以半導體PN結為基礎的, ,實際上是由一個面積較大的PN結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、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 基本結構 c) 電氣圖形符號第12頁/共88頁結與電力二極管的工作原理二極管的基本原理PN結的單向導電性 當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自P區(qū)流

7、入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結的正向導通狀態(tài)。 當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。 PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 按照機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，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。 否則PN結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。 第13頁/共88頁結與電力二極管的工作原理PN結的電容效應 稱為結電容CJ，又稱為微分電容 按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘

8、電容CB和擴散電容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。 擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。 結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。第14頁/共88頁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 ），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。 與IF對應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，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。IOIFUT

9、OUFU圖2-5 電力二極管的伏安特性第15頁/共88頁電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形a) 正向偏置轉換為反向偏置 b) 零偏置轉換為正向偏置 動態(tài)特性 因為結電容的存在，電壓電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性。 由正向偏置轉換為反向偏置 電力二極管并不能立即關斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。 在關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沖。

10、 延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復時間：trr=td+ tf 恢復特性的軟度： tf /td，或稱恢復系 數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時刻t1:反向電流達最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻第16頁/共88頁電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉換為正向偏置 先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。 正向恢復時間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導調(diào)制效應起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大

11、，UFP越高。 圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉換為正向偏置 第17頁/共88頁電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。反向重復峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。 使用時，應當留有兩倍的裕量。 第18頁/共88頁電力二極管的主要參數(shù)最高

12、工作結溫TJM 結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結溫是指在PN結不致?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)。反向恢復時間trr浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。第19頁/共88頁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），多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。 其反向恢復時間較長，一般在5 s以上 。 其正向電

13、流定額和反向電壓定額可以達到很高。 第20頁/共88頁電力二極管的主要類型快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在5 s以下） 。 快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N結構 ，其反向恢復時間更短（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和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。第21頁/共88頁電力二極管的主要類型肖特基二極管（Schottky Barrier

14、 DiodeSBD） 屬于多子器件 優(yōu)點在于：反向恢復時間很短（1040ns），正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。 弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。第22頁/共88頁2.3 半控型器件晶閘管 晶閘管的結構與工作原理 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/共88頁2.3 2.3 半控器件晶閘管引

15、言晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡稱為可控硅。 1956年美國貝爾實驗室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（General Electric）開發(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，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊第24頁/共88頁晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構 從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構 。

16、 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層半導體結構。 圖2-7 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號 第25頁/共88頁晶閘管的結構與工作原理圖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：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（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/共88頁晶閘管的結構與工作原

17、理晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 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，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致 1+ 2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導通。由于外電路負載的限制，IA實際上會維持有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（2-1）（2-4）可得(2-5)第27頁/共88頁晶閘管的結構與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況 陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應 陽

18、極電壓上升率du/dt過高 結溫較高 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用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 第28頁/共88頁晶閘管的基本特性靜態(tài)特性 正常工作時的特性 當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通 。 當晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通 。 若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下

19、。 第29頁/共88頁晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性 正向特性 當IG=0時，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。 如果正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通 。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 如果門極電流為零，并且陽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 正向轉折電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+

20、第30頁/共88頁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，只有極小的反向漏電流通過。 當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向轉折電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第31頁/共88頁晶閘管的基本特性動態(tài)特性 開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的正反饋 過程需要時間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不可能 是瞬時的。 延遲時間td (0.5

21、1.5 s) 上升時間tr (0.53 s) 開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨門極電流的增 大而減小,上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還受到外電 路電感的嚴重影響。提高陽極 電壓,延遲時間和上升時間都 可顯著縮短。 圖2-10 晶閘管的開通和關斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10%第32頁/共88頁晶閘管的基本特性關斷過程 由于外電路電感的存在，原處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復時間trr 正向阻斷恢復時間tgr 關斷時間tq

22、=trr+tgr 關斷時間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通，而不是受門極電流控制而導通。圖2-10 晶閘管的開通和關斷過程波形100%反向恢復電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第33頁/共88頁晶閘管的主要參數(shù)電壓定額 斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向 峰值電壓（見圖2-9）。 國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。 斷態(tài)不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓Ubo。 反向重復峰值電壓URRM 是在

23、門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向 峰值電壓（見圖2-8）。 規(guī)定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓。第34頁/共88頁晶閘管的主要參數(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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電 壓。 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。 選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。電流定額 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國標規(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)定結溫不超過額定結溫時所允許流過

24、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)熱效應來定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的 原則所得計算結果的1.52倍。 第35頁/共88頁晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 結溫越高，則IH越小。 擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。 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溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。第36頁/共88頁晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù) 開通時間tgt和關斷時間tq

25、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。第37頁/共88頁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。 快速晶閘管的開關時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。 從關斷時間來看，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

26、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)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。 第38頁/共88頁晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以認為是一對反并聯(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)導通，在第和第III象限有對稱的伏安特性。 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表示其額定電流值。圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖

27、形符號 b) 伏安特性 第39頁/共88頁晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。 具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。 圖2-12 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 第40頁/共88頁晶閘管的派生器件AGKa)AK光強度強弱b)OUIA光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用

28、一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。 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合。圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 第41頁/共88頁2.4 典型全控型器件 門極可關斷晶閘管 電力晶體管 電力場效應晶體管 絕緣柵雙極晶體管第42頁/共88頁2.4 典型全控型器件引言門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊第43頁/

29、共88頁門極可關斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于全控型器件。 GTO的結構和工作原理 GTO的結構 是PNPN四層半導體結 構。 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚 至數(shù)百個共陽極的小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)部結構和電氣圖形符號a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號 第44頁/共88頁門極可關斷晶閘管 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GTO的工作原理 仍

30、然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導通的條件，大于1導通，小于1則關斷。 GTO與普通晶閘管的不同 設計2較大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關斷。 導通時1+2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。 多元集成結構，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 第45頁/共88頁門極可關斷晶閘管GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時飽和程度較淺。 而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使 1+ 21時，器件退出飽和而關斷。 GTO的

31、多元集成結構使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。 第46頁/共88頁門極可關斷晶閘管GTO的動態(tài)特性 開通過程與普通晶閘管類似。 關斷過程 儲存時間ts 下降時間tf 尾部時間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡， ts就越短。使門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當?shù)呢撾妷海瑒t可以縮短尾部時間。圖2-15 GTO的開通和關斷過程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間 殘存載

32、流子復合所需時間 第47頁/共88頁門極可關斷晶閘管GTO的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同。 最大可關斷陽極電流IATO 用來標稱GTO額定電流。 電流關斷增益 off 最大可關斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。 開通時間ton 延遲時間與上升時間之和。 延遲時間一般約12 s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而 增大。 關斷時間toff 一般指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。 儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2 s。不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管。當需要

33、承受反向電壓時，應和電力二極管串聯(lián)使用。 第48頁/共88頁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、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的結構和工作原理 與普通的雙極結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、開關特性好。 第49頁/共88頁 GTR的結構 采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。 GTR是由三層半導體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結（集電結和發(fā)射結）構成，多采用NPN結構。電力

34、晶體管圖2-16 GTR的結構、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a) 內(nèi)部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度 第50頁/共88頁電力晶體管Iiiceobc空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動 iibc在應用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為 稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為 單管GTR的 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可以

35、有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)第51頁/共88頁電力晶體管GTR的基本特性 靜態(tài)特性 在共發(fā)射極接法時的典 型輸出特性分為截止區(qū)、放 大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。 在電力電子電路中， GTR工作在開關狀態(tài)，即工 作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 在開關過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時， 一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導致絕緣層擊穿。 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65頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅動器件，由于具有電導調(diào)制效應，其通

36、流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。 第66頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管IGBT的結構和工作原理 IGBT的結構 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VDMOSFET多一層P+注入 區(qū)，實現(xiàn)對漂移區(qū)電導率進行調(diào) 制，使得IGBT具有很強的通

37、流 能力。 簡化等效電路表明，IGBT 是用GTR與MOSFET組成的達 林頓結構，相當于一個由 MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶 體管。 圖2-23 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 第67頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理 IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。 其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 當UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。 當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓

38、或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。 電導調(diào)制效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。 第68頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性 靜態(tài)特性 轉移特性 描述的是集電極電流 IC與柵射電壓UGE之間的 關系。 開啟電壓UGE(th)是 IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而 導通的最低柵射電壓，隨 溫度升高而略有下降。 （a）圖2-24 IGBT的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 第69頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關系。 分為三個區(qū)域：

39、正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。 當UCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。 在電力電子電路中，IGBT工作在開關狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉換。 (b)圖2-24 IGBT的轉移特性和輸出特性 b) 輸出特性 第70頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管動態(tài)特性 開通過程 開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 電壓下降時間tfv 開通時間ton= td(on)+tr+ tfv tfv分為tfv1和tfv2兩段。 關斷過程 關斷延遲時間td(off) 電壓上升時間trv 電流下降時間tfi 關斷時間toff = td(off) +trv+tfi tfi分為tfi1和tfi2兩段 引入了少

40、子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關速度要低于電力MOSFET。 圖2-25 IGBT的開關過程第71頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管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72頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下： 開關速度高，開關損耗小。 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

41、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一步提高，同時保持開關頻率高的特點。 第73頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管IGBT的擎住效應和安全工作區(qū) IGBT的擎住效應 在IGBT內(nèi)部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的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)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對J3結施加一個正向偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應或自鎖效應。 引發(fā)擎住效應的原因，可能是集電

42、極電流過大（靜態(tài)擎住效應），dUCE/dt過大（動態(tài)擎住效應），或溫度升高。 動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應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際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應而確定的。NoImage第74頁/共88頁絕緣柵雙極晶體管 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。

43、NoImage第75頁/共88頁2.5 其他新型電力電子器件 控制晶閘管MCT 靜電感應晶體管SIT 靜電感應晶閘管SITH 集成門極換流晶閘管IGCT 基于寬禁帶半導體材料的電力 電子器件第76頁/共88頁控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。 結合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程和晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降的特點。由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。 其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓

44、和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用。 第77頁/共88頁靜電感應晶體管SIT是一種結型場效應晶體管。是一種多子導電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合。柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關斷，這被稱為正常導通型器件，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)電力電子設備中得到廣泛應用。 第78頁/共88頁靜電感應晶閘管SITH可以看作是SIT與GTO復合而成。 又被稱為場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT），本質(zhì)上

45、是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調(diào)制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。 其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 一般也是正常導通型，但也有正常關斷型 ，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。 第79頁/共88頁集成門極換流晶閘管IGCT是將一個平板型的GTO與由很多個并聯(lián)的電力MOSFET器件和其它輔助元件組成的GTO門極驅動電路采用精心設計的互聯(lián)結構和封裝工藝集成在一起。 容量與普通GTO相當，但開關速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡化普通GTO應用時龐大而復雜的緩沖電路，只不過其所需的驅動功率仍然很大。 目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭。第80頁/共88頁基于寬禁帶半導體材料的電