第二 電力電子器件PPT課件

1、2.12.1、電力電子器件的基本模型 電力半導體器件是電力電子技術及其應用系統(tǒng)的基礎。電力電子技術的發(fā)展取決于電力電子器件的研制與應用。 定義：電力電子電路中能實現(xiàn)電能的變換和控制的半導體電子器件稱為電力電子器件（Power Electronic Device）。 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，本書涉及的器件都是指半導體電力電子器件。第1頁/共208頁電力電子器件的基本模型與特性 在對電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽象成下圖所示的理想開關模型，它有三個電極，其中A和B代表開關的兩個主電極，K是控制開關通斷的控制極。它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況，在通態(tài)時其

2、電阻為零，斷態(tài)時其電阻無窮大。導通、截止兩種瞬態(tài)。 圖電力電子器件的理想開關模型l一、基本模型：第2頁/共208頁電力電子器件的基本模型與特性 二、基本特性： （1）電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。 （2）電力電子器件的開關狀態(tài)由外電路（驅動電路）來控制。 （3）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)開關損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，在其工作時一般都要安裝散熱器。第3頁/共208頁電力電子器件的種類 一、按器件的開關控制特性可以分為以下三類： 不可控器件：器件本身沒有導通、關斷控制功能，而需要根據電路條件決定其導通、關斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。 如：電力二極管（

3、Power Diode）；半控型器件：通過控制信號只能控制其導通，不能控制其關斷的電力電子器件稱為半控型器件。 如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等；全控型器件：通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷的器件，稱為全控型器件。 如：門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率場效應管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型 晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。 第4頁/共208頁二、電力電子器件按門極控制信號 的性質不同又可分為兩種： 電流控制型器件： 此類器件采用電流信號來實現(xiàn)導通或關斷控制。 如：

4、晶閘管、門極可關斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等； 電壓控制型器件： 這類器件采用電壓控制（場控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號，用小功率信號就可驅動它工作。 如：代表性器件為 P-MOSFET管和IGBT管。第5頁/共208頁器件種類開關功能器件特性概略應用領域電力二極管不可控5kV/3kA5kV/3kA400Hz400Hz各種整流裝置晶閘管半控導通6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光控SCRSCR煉鋼廠、軋鋼機、直流輸電、電解用整流器可關斷晶閘管自關斷型（全控）6kV/6kA500Hz工業(yè)逆變器、電力機車用逆變器、無

5、功補償器P-MOSFETP-MOSFET600V/70A100kHz開關電源、小功率UPSUPS、小功率逆變器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各種整流/ /逆變器（UPSUPS、變頻器、家電）、電力機車用逆變器、中壓變頻器第6頁/共208頁第二章、電力電子器件v 2.1 、電力電子器件的基本模型 v 2.2 、電力二極管 v 2.3 、晶閘管v 2.4 、可關斷晶閘管 v 2.5 、 電力晶體管 v 2.6 、電力場效應晶體管 v 2.7 、 絕緣柵雙極型晶體管 v 2.8 、其它新型電力電子器件v 2.9 、電力電子器件的驅動與保護第7

6、頁/共208頁1、結構2、工作原理3、特性4、參數第8頁/共208頁2.2 電力二極管 電力二極管及其工作原理電力二極管的特性與參數 第9頁/共208頁電力二極管及其工作原理 一、電力二極管： 1 1、電力二極管（Power Diode）也稱為半導體整流器（Semiconductor Rectifier，簡稱SR），屬不可控電力電子器件，是20世紀最早獲得應用的電力電子器件。 2 2、在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合發(fā)揮著積極的作用, 具有不可替代的地位。 第10頁/共208頁二、PN結與電力二極管工作原理：基本結構和工作、原理與信息電子電路中的二極管一樣。以半導體PNPN結為基礎。

7、由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。 圖電力二極管的外形、結構和電氣圖形符 a）結構 b）外形 c）電氣圖形第11頁/共208頁二、 PN結與電力二極管工作原理：N型半導體和P型半導體結合后構成PN結: 空間電荷:交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動，到對方區(qū)內成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷?？臻g電荷區(qū):擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成

8、的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。內電場:空間電荷建立的電場,也稱自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動。 -。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內電場第12頁/共208頁 二、 PN結與電力二極管工作原理：PN結的正向導通狀態(tài)： 電導調制效應使得PN結在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結的反向截止狀態(tài)： 流過反向飽和漏電流，為高阻狀態(tài)。 PN結的單向導電性： 二極管的基本

9、原理就在于PN結的單向導電性這一主要特征。PN結的反向擊穿： 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿。PN結的電容效應： PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。 結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD 。l圖電力二極管的伏安特性曲線第13頁/共208頁勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用,空間電荷變化引起。外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。（反向電壓及較小的正向電壓時電容效應明顯）擴散電容僅在正向偏置時起作用，多數載流子運動引起。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容

10、為主；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，應用時應加以注意。二、 PN結與電力二極管工作原理：第14頁/共208頁 勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖如下。第15頁/共208頁擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內緊靠PN結

11、的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。擴散電容示意圖第16頁/共208頁2.2 電力二極管電力二極管及其工作原理電力二極管的特性與參數 第17頁/共208頁電力二極管的特性與參數1、電力二極管的伏安特性2、電力二極管的開關特性3、電力二極管的主要參數 第18頁/共208頁1、電力二極管的伏安特性 當電力二極管承受的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)。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。 當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。圖電力二極管的伏安特性曲線 特性曲線:/(1)TV VSIIe第19

12、頁/共208頁電力二極管的特性與參數1、電力二極管的伏安特性2、電力二極管的開關特性3 、電力二極管的主要參數 第20頁/共208頁開關過程，由導通狀態(tài)轉為阻斷狀態(tài)并不是立即完成，它要經歷一個短時的過渡過程；此過程的長短、過渡過程的波形對不同性能的二極管有很大差異；理解開關過程對今后選用電力電子器件，理解電力電子電路的運行是很有幫助的，因此應對二極管的開關特性有較清晰的了解。狀態(tài)：狀態(tài)：過程：過程：導通、阻斷開通、關斷定義：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程（關斷過程、開通過程）。第21頁/共208頁（1 1）關斷特性：電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉換為反向偏置的斷態(tài)過程。如圖（a a）所示。電源電壓

13、從正向突然轉為反向。v 須經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)。v 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。（出現(xiàn)時間段不同，電流先出現(xiàn)電壓后出現(xiàn)）圖電力二極管開關過程中電壓、電流波形第22頁/共208頁 二極管反向恢復過程示意圖第23頁/共208頁 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖U UFPFP，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間t tfrfr。v 電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量非平衡少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大。v 正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，U

14、 UFPFP越高 。（2 2）開通特性：如圖（：如圖（b b）所示）所示 電力二極管由零偏置轉換為正向偏置的通態(tài)過程。圖電力二極管開關過程中電壓、電流波形第24頁/共208頁 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：下降時間與延遲時間的比值tf /td，或稱恢復系數，用sr表示。 Tf大， Sr越大，反向電流變化慢，反向尖峰電壓越小。圖電力二極管開關過程中電壓、電流波形第25頁/共208頁電力二極管的特性與參數（1 1）普通二極管：普通二極管又稱整流管（Rectifier Diode），多用于開關頻率在KHZ以下

15、的整流電路中，其反向恢復時間在usus以上，額定電流達數千安，額定電壓達數千伏以上。 （2 2）快恢復二極管：反向恢復時間在usus以下的稱為快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode簡稱FDRFDR）?？旎謴投O管從性能上可分為快速恢復和超快速恢復二極管。前者反向恢復時間為數百納秒以上，后者則在100ns100ns以下，其容量可達1200V/200A1200V/200A的水平, , 多用于高頻整流和逆變電路中。 （3 3）肖特基二極管：肖特基二極管是一種金屬同半導體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導通壓降的典型值為0.40.40.6V0.6V

16、，而且它的反向恢復時間短，為幾十納秒（10-40ns10-40ns） 。但反向耐壓在200200以下。它常被用于高頻低壓開關電路或高頻低壓整流電路中。電力二極管的主要類型：第26頁/共208頁電力二極管的特性與參數1、電力二極管的伏安特性2、電力二極管的開關特性3、電力二極管的主要參數第27頁/共208頁3、電力二極管的主要參數 （選擇二極管依據）額定正向平均電流在指定的管殼溫度（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。設該正弦半波電流的峰值為Im, 則額定電流(平均電流)為: : 0)(sin21mmAVFIttdII（）（）（）（）2)sin(2102

17、mmFItdtII 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: : 定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的波形系數（脈動系數），用K Kf f表示：額定電流有效值為: :（1）額定正向平均電流IF(AV)第28頁/共208頁 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此使用時應按流過二極管實際波形電流與工頻正弦半波平均電流熱效應相等（即有效值相等）的原則來選取電流定額，并應留有1.52倍的裕量。 當用在頻率較高的場合時，開關損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略。 當采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應

18、也不小 。第29頁/共208頁選擇二極管電流定額的過程：求出電路中流過二極管電流的有效值IF ；求二極管電流定額IFAV，等于有效值IF 除以1.57；將選定的定額放大1.5到2倍以保證安全。/1.57FAVFIIIF(AV)=(1.52) IF /1.57第30頁/共208頁如手冊上某電力二極管的額定電流為100A，說明：允許通過平均值為100A的正弦半波電流；允許通過正弦半波電流的幅值為314A；允許通過任意波形的有效值為157A的電流；在以上所有情況下其功耗發(fā)熱不超過允許值。ImFAVI1.57FFAVII第31頁/共208頁 指器件中結不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。jMjM

19、通常在125125175175范圍內。 （2 2）反向重復峰值電壓RRMRRM： 指器件能重復施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）此電壓通常為擊穿電壓U U的2/32/3。l（3 3） 正向壓降F F： 指規(guī)定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時，器件兩端的正向平均電壓( (又稱管壓降) )。（4 4） 反向漏電流RRRR：指器件對應于反向重復峰值電壓時的反向電流。 （5）最高工作結溫jM：第32頁/共208頁二極管的基本應用 整流續(xù)流D1D2D3D4VDCVAC（a）整流（b）續(xù)流DLiSVSRR第33頁/共208頁第二章、電力電子器件v 2.1 、 電力電子器件的基本模型 v 2.2 、 電力二極管

20、 v 2.3 、 晶閘管v 2.4 、 可關斷晶閘管 v 2.5 、 電力晶體管 v 2.6 、 電力場效應晶體管 v 2.7 、 絕緣柵雙極型晶體管 v 2.8 、 其它新型電力電子器件 v 2.9 、 電力電子器件的驅動與保護第34頁/共208頁2.3 、晶閘管晶閘管及其工作原理晶閘管的特性與主要參數 晶閘管的派生器件 第35頁/共208頁2.3 、晶閘管 晶閘管(Thirsted)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導晶閘管(RCT) 、可關斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。 由于普通晶閘管面世早，應用極為廣泛, 因此在無特別說明的情況下,本書

21、所說的晶閘管都為普通晶閘管。 普通晶閘管： 也 稱 可 控 硅 整 流 管 ( S i l i c o n Controlled Rectifier), 簡稱SCR。 由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產水平：4500A/8000V)已被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域, 成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。第36頁/共208頁晶閘管及其工作原理 （1 1）外形封裝形式: :可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上), 分別由圖、(b)、(c)、(d)所示。 （2 2）晶閘管有三個電極, 它們是陽極

22、A, 陰極K和門極(或稱柵極)G, 它的電氣符號如圖所示。 圖晶閘管的外型及符號1、晶閘管的結構：第37頁/共208頁常用晶閘管的結構螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構第38頁/共208頁晶閘管是大功率器件, 工作時產生大量的熱，因此必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上, 采用自然散熱冷卻方式, 如圖所示。平板式晶閘管由兩個彼此絕緣的散熱器緊夾在中間, 散熱方式可以采用風冷或水冷, 以獲得較好的散熱效果,如圖、(c)所示。圖晶閘管的散熱器第39頁/共208頁逆阻型晶閘管SCR兩個三極管正反饋晶閘管的結構和結構模型螺栓型第40頁/共208頁額定電壓額定電壓, ,用百位或千位數

23、表示用百位或千位數表示取取UFRM或或URRM較小者。較小者。正、反向斷態(tài)重復峰值電壓正、反向斷態(tài)重復峰值電壓額定正向平均電流額定正向平均電流( (IF)晶閘管晶閘管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示額定正向平均電流為額定正向平均電流為5A,額定電壓為額定電壓為700V。第41頁/共208頁2、晶閘管的工作原理圖晶閘管的結構模型和等效電路 1 1）導通：晶閘管陽極施加正向電壓時, , 若給門極G G也加正向電壓U Ug g, ,門極電流I Ig g經三極管T T2 2放大后成為集電極電流I Ic2c2，I Ic2c2又是三極管T T1 1的基極電流, , 放大后的集電極電流I Ic1c1

24、進一步使IgIg增大且又作為T T2 2的基極電流流入。重復上述正反饋過程，兩個三極管T T1 1、T T2 2都快速進入飽和狀態(tài), ,使晶閘管陽極A A與陰極K K之間導通。此時若撤除Ug, TUg, T1 1、T T2 2內部電流仍維持原來的方向, ,只要滿足陽極正偏的條件, ,晶閘管就一直導通。晶閘管( (單向導電性),),導通條件為陽極正偏和門極正偏。雙晶體管模型：雙晶體管模型：T T2 2的集電極與T T1 1基極連基極連T T2 2的基基極與T T1 1集電極連極連第42頁/共208頁2. 工作原理 在極短時間內使兩在極短時間內使兩個三極管均飽和導通，個三極管均飽和導通，此過程稱觸

25、發(fā)導通。此過程稱觸發(fā)導通。G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii EA+_R T1T2EG_+G21iG2iGi2Bi第43頁/共208頁EA+_R T1T2EG2BiG2iGiG21i_+G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii G第44頁/共208頁 2 2）阻斷：當晶閘管A A 、K K間承受正向電壓，而門極電流I Ig g=0=0時, , 上述T T1 1和T T2 2之間的正反饋不能建立起來, ,晶閘管A A 、K K間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻斷狀態(tài)。 2、晶閘管的工作原理圖晶閘管的內部結構和等效電路第45頁/共208頁陽極電壓

26、升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結溫較高光觸發(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用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導通的情況其他幾種可能導通的情況：第46頁/共208頁 必須使可控硅陽極電流減小，直到正反饋效應不能維持。 將陽極電源斷開或者在晶閘管的第47頁/共208頁AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效電路可控開通關斷時：強迫其電流 下降到維持電流以下0111CBA

27、CiIaI0222CBCCiIaI02121IIaIaIIICACCA)(12120aaIaIIgA通態(tài)時121aaAI()ACIIAgCIII第48頁/共208頁2.3 、晶閘管晶閘管及其工作原理晶閘管的特性與主要參數 晶閘管的派生器件 第49頁/共208頁晶閘管的特性與主要參數定義：晶閘管陽極與陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關系曲線稱為晶閘管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。 圖晶閘管陽極伏安特性 UDRM、URRM正、反向斷 態(tài)重復峰值電壓；UDSM、URSM正、反向斷態(tài) 不重復峰值電壓；UBO正向轉折電壓；URO反向擊穿電壓。. 晶閘管的伏安特性 ：第50頁/共2

28、08頁URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHOUIIG0IG1IG2正向平均電流()If U曲線第51頁/共208頁I IG G=0=0時，器件兩端施加正向電時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓超過臨界極限即正向轉折電壓U Ubobo，則，則漏電流漏電流急劇增大，器急劇增大，器件開通。件開通。隨著門極電流幅值的增大，正隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。向轉折電壓降低。導通后的晶閘管特性和二極管導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。的正向特性相仿。

29、晶閘管本身的壓降很小，在晶閘管本身的壓降很小，在1V1V左右。左右。導通期間，如果門極電流為零，導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的并且陽極電流降至接近于零的某一數值某一數值I IH H以下，則晶閘管又以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。回到正向阻斷狀態(tài)。I IH H稱為稱為維維持電流持電流在規(guī)定的環(huán)境和控在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導通制極斷路時，晶閘管維持導通狀態(tài)所必須的最小電流。狀態(tài)所必須的最小電流。圖晶閘管陽極伏安特性（1 1）晶閘管的正向特性：第52頁/共208頁 晶閘管上施加反向電壓時，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

30、向漏電流流過。 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加，導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖晶閘管陽極伏安特性（2 2）晶閘管的反向特性：第53頁/共208頁2. 2. 晶閘管的開關特性晶閘管的開通和關斷過程電壓和電流波形。l晶閘管的開通和關斷過程波形第54頁/共208頁延遲時間t td d：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%10%的時間。上升時間t tr r：陽極電流從10%10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%90%所需的時間。開通時間t tgtgt：以上兩者之和，t tgtgt=t=td d+t+tr r 普通晶閘管延遲時間為0.51.50.51.5s

31、 s，上升時間為0.530.53s s。 晶閘管的開通和關斷過程波形 l1) 1) 開通過程：第55頁/共208頁正向阻斷恢復時間t tgrgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間v在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通。v實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才可靠“關斷”。關斷時間t tq q：t trrrr與t tgrgr之和，即 t tq q =t=trrrr+t+tgrgrl晶閘管的開通和關斷過程波形 l2) 2) 關斷過程（1-7)1-7)普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。 反向阻斷恢

32、復時間t trrrr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間第56頁/共208頁 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：下降時間與延遲時間的比值tf /td，或稱恢復系數，用sr表示。 Tf大， Sr越大，反向電流變化慢，反向尖峰電壓越小。圖電力二極管開關過程中電壓、電流波形比較二極管：第57頁/共208頁（3）晶閘管的開通與關斷時間v1 1）開通時間tgt：o普通晶閘管的開通時間tgt 約為6s。o開通時間與觸發(fā)脈沖的陡度與觸發(fā)電壓（觸發(fā)電流）大小、結溫以及主回路中的電感量等有關。v2）關斷時間tq

33、 ：o普通晶閘管的tq 約為幾十到幾百微秒。o關斷時間與元件結溫 、關斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關。第58頁/共208頁3. 晶閘管的主要特性參數 1 1）正向重復峰值電壓UDRM : : 門極斷開(I(Ig g=0), =0), 元件處在額定結溫時, ,正向陽極電壓為正向阻斷不重復峰值電壓U UDSMDSM ( (此電壓不可連續(xù)施加) )的80%80%所對應的電壓( (此電壓可重復施加, ,其重復頻率為50HZ50HZ，每次持續(xù)時間不大于10ms)10ms)。2 2）反向重復峰值電壓URRM : : 元件承受反向電壓時, ,陽極電壓為反向不重復峰值電壓URRM的80%80%所對應

34、的電壓。 3 3）晶閘管銘牌標注的額定電壓通常取U UDRMDRM與U URRMRRM中的最小值, , 選用時，額定電壓要留有一定裕量, ,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2 23 3倍。（1）晶閘管的重復峰值電壓額定電壓Ute第59頁/共208頁（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流額定電流IT(AV) 在選用晶閘管額定電流時，根據實際最大的電流計算后至少還要乘以1.51.52 2的安全系數，使其有一定的電流裕量。1 1）定義：在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下, 晶閘管在電阻性負載導通角不小于170的單相工頻正弦半波電路中, 當結溫穩(wěn)定且不超過額定結溫時所允許的最大通態(tài)平均電流。第6

35、0頁/共208頁 這說明額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，其額定有效值為IT = Kf IT(AV) = 157A。2） IT(AV)計算方法： 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（）（）（）（） 根據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頻正弦波電流時的允許最大平均電流。設該正弦半波電流的峰值為Im, 則額定電流(平均電流)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電流波形的波形系數，用Kf表示：根據上式可求出正弦半波電流的波

36、形系數：第61頁/共208頁 圖中畫斜線部分為一個2周期中晶閘管的電流波形。若各波形的最大值為Im=100A，試計算各波形電流的平均值Id1、Id2、Id3和電流有效值I1、I2、I3 。 若考慮2倍的電流安全裕量，選擇額定電流為100A的晶閘管能否滿足要求？例題答：第62頁/共208頁（3）門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT 1 1）定義：在室溫下，晶閘管加6V正向陽極電壓時，使元件完全導通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對應于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。 2 2）晶閘管由于門極特性的差異，其觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓也相差很大。所以對不同系列的元件只規(guī)定了觸發(fā)電

37、流、電壓的上、下限值。 3 3）晶閘管的銘牌上都標明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫下的實測值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響很大，溫度升高，UGT 、IGT 值會顯著降低，溫度降低，UGT 、IGT 值又會增大。為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實際應用中，外加門極電壓的幅值應比UGT 大幾倍。第63頁/共208頁（4）通態(tài)平均電壓UT(AV ) 1 1）定義：在規(guī)定環(huán)境溫度、標準散熱條件下， 元件通以正弦半波額定電流時，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降) 2 2）其數值按表分組在實際使用中，從減小損耗和元件發(fā)熱來看，應選擇T(AV) 小的晶閘管。組 別ABC通態(tài)平均電壓（V）T0.4

38、0.4T0.50.5T0.6組 別DEF通態(tài)平均電壓（V）0.6T0.70.7T0.80.8T0.9組 別GHI通態(tài)平均電壓（V）0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表晶閘管通態(tài)平均電壓分組第64頁/共208頁（5）維持電流 和掣住電流L 1 1）維持電流：v在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導通的最小陽極電流為維持電流H 。（晶閘管維持導通狀態(tài)所必須的最小電流。由通態(tài)轉為斷態(tài)的臨界）v維持電流與元件容量 、結溫等因素有關，同一型號的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標明了常溫下IH 的實測值。 2 2）掣(che)(che)住電流L ：v給晶閘管門極加上觸

39、發(fā)電壓，當元件剛從阻斷狀態(tài)轉為導通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時元件維持導通所需要的最小陽極電流稱掣住電流L。（由斷態(tài)轉為通態(tài)）v對同一晶閘管來說，掣住電流L 要比維持電流H 大24倍。(易斷不易通。管子由通態(tài)轉為斷態(tài)在溫度較高情況下，易斷不易通。管子由通態(tài)轉為斷態(tài)在溫度較高情況下，故故維持電流H 較?。┹^?。?第65頁/共208頁（6）通態(tài)電流臨界上升率 di/dt 1 1、定義：晶閘管能承受而沒有受損害的最大通 態(tài) 電 流 上 升 率 稱 通 態(tài) 電 流 臨 界 上 升 率 di/dt。2 2、影響：門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區(qū)域內導通，隨著時間的推移，導通區(qū)才逐漸擴大到

40、PN結的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會導致門極附近的結因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。 晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率。第66頁/共208頁（7）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 1 1）定義：把在規(guī)定條件下，不導致晶閘管誤觸發(fā)導通( ( 直接從斷態(tài)轉換到通態(tài)) )的最大陽極電壓上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。 2 2）影響：晶閘管的結面在阻斷狀態(tài)下相當于一個電容，若突然加一正向陽極電壓，便會有一個充電電流流過結面，該充電電流流經靠近陰極的結時，產生相當于觸發(fā)電流的作用，如果這個電流過大，將會使元件誤觸發(fā)導通。 第67頁/共208頁第68頁/共208頁2.3 、晶閘管

41、晶閘管及其工作原理晶閘管的特性與主要參數 晶閘管的派生器件 第69頁/共208頁晶閘管的派生器件 可允許開關頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(Fast Switching Thyrister，簡稱FST)，開關頻率在10KHZ 以上的稱為高頻晶閘管。 快速晶閘管為了提高開關速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復峰值電壓較低，一般在2000V以下。 快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時必須注意產品銘牌上規(guī)定的額定開關頻率下的du/dt，當開關頻率升高時，du/dt 耐量會下降。1. 快速晶閘管(Fast Switching ThyristerFSTFST第70

42、頁/共208頁 可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。 有兩個主電極T1和T2，一個門極G。 正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性。 與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機調速等領域應用較多。 通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。晶閘管的派生器件 a)b)IOUIG=0GT1T2圖雙向晶閘管的電氣圖形符號和圖雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性2. 雙向晶閘管(TRIAC)(TRIAC)第71頁/共208頁晶閘管

43、的派生器件 1)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。 2)與普通晶閘管相比，逆導晶閘管具有正壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點； 3)根據逆導晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；不具有承受反向電壓的能力，一旦承受即開通。因此只能適用于不需要阻斷反向電壓的電路中；故稱為逆導型。 4)逆導晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)； 5)逆導晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示；b)a)UOIKGAIG=0圖逆導晶閘管的電氣圖形符圖逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性l3. 逆導

44、晶閘管 (RCT)第72頁/共208頁v1)1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。v2) 2) 小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。v3 3）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)光二極管或半導體激光器。v4 4）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合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據重要的地位。晶閘管的派生器件 圖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 4. 光控晶閘管(LTT)(LTT)第73頁/共208頁第二章、電力電子器件v 2. 1、電力電子器件的基

45、本模型 v 2. 2、電力二極管 v 2. 3、晶閘管v 2. 4、可關斷晶閘管 v 2. 5、電力晶體管 v 2. 6、電力場效應晶體管 v 2. 7、絕緣柵雙極型晶體管 v 2. 8、其它新型電力電子器件v 2. 9、電力電子器件的驅動與保護第74頁/共208頁2.4 2.4 可關斷晶閘管 可關斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor)(Gate-Turn-Off Thyristor)簡稱GTOGTO。 它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導通，在負脈沖電流觸發(fā)下關斷。 第75頁/共208頁2.4 2.4 可關斷晶閘

46、管 可關斷晶閘管及其工作原理可關斷晶閘管的特性與主要參數 第76頁/共208頁 可關斷晶閘管及其工作原理 與普通晶閘管的相同點： PNPNPNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點：GTOGTO是一種多元的功率集成器件，內部包含數十個甚至數百個共陽極的小GTOGTO元，這些GTOGTO元的陰極和門極則在器件內部分別并聯(lián)在一起，以便于實現(xiàn)門極控制關斷。圖圖1-13 GTO的內部結構和電氣圖形符號的內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并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號電氣圖

47、形符號1、可關斷晶閘管的結構第77頁/共208頁 2 2、可關斷晶閘管的工作原理 1 1）GTOGTO的導通機理與SCRSCR是相同的。GTOGTO一旦導通之后，門極信號是可以撤除的, , 但在制作時采用特殊的工藝使管子導通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關斷。 2 2）在關斷機理上與SCRSCR是不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流( (即抽取飽和導通時儲存的大量載流子) )，強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。 第78頁/共208頁T2的電流分配系數2較大；T1、T2飽和深度較淺。GTO （Gate Turn-Off Thyris

48、tor）為什么能靠反向觸發(fā)電流關斷？采用雙晶體管模型來分析：采用雙晶體管模型來分析： 分別具有共基電流增益分別具有共基電流增益1 1、2 2，由普通晶閘管分析可知：由普通晶閘管分析可知：1 1+ +2 2=1=1是器件導通的臨界條件。是器件導通的臨界條件。1 1+ +2 2 1 1兩個等效晶體管過飽和使器件導通。兩個等效晶體管過飽和使器件導通。1 1+2 2 UUGE(TH)GE(TH)( (開啟電壓, ,一般為3 36V) 6V) ；其輸出電流I Ic c與驅動電壓U UGEGE基本呈線性關系； 圖的伏安特 性和轉移特性緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數 1、IGBT的伏安特性和轉移特性（2

49、2）IGBTIGBT的轉移特性曲線（如圖b b）IGBTIGBT關斷：IGBTIGBT開通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)；第125頁/共208頁 2、IGBT的開關特性 （1）IGBT的開通過程： 從正向阻斷狀態(tài)轉換到正向導通的過程。 v開通延遲時間td(on) ： IC從10%UCEM到10%ICM所需時間。v電流上升時間tr ： IC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。v開通時間ton ton ： ton = td(on) + + tr緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數 圖的開關特性 第126頁/共208頁2、IGBT的開關特性（2）IGBT的關斷過程v關斷延遲時間td(

50、off) ：從UGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到ic下降至90%ICM v電流下降時間：ic從90%ICM下降至10%ICM 。v關斷時間toff：關斷延遲時間與電流下降之和。 電流下降時間又可分為tfi1和tfi2 tfi1IGBT內部的MOSFET的關斷過程，ic下降較快； tfi2IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，ic下降較慢。緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數 圖的開關特性 第127頁/共208頁v（1 1）最大集射極間電壓U UCEMCEM： IGBTIGBT在關斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。 v（2 2）通態(tài)壓降： 是指IGBTIGBT在導通狀態(tài)時集電極和發(fā)射

51、極之間的管壓降。v（3 3）集電極電流最大值I ICMCM： IGBTIGBT的 I IC C增大，可至器件發(fā)生擎住效應，此時為防止發(fā)生擎住效應，規(guī)定的集電極電流最大值I ICMCM。 v（4 4）最大集電極功耗P PCMCM： 正常工作溫度下允許的最大功耗 。 緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數 l3、IGBT的主要參數第128頁/共208頁 3、IGBT的主要參數v(5) (5) 安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在開通時為正向偏置時的安全工作區(qū)，如圖所示。反偏安全工作區(qū)RBSOARBSOA：IGBTIGBT在關斷時為反向偏置時的安全工作區(qū)，如圖IGBTIGBT的

52、導通時間越長，發(fā)熱越嚴重，安全工作區(qū)越小。 在使用中一般通過選擇適當的U UCECE和柵極驅動電阻, ,控制 ，避免IGBTIGBT因 過高而產生擎住效應。l圖的l 安全工作區(qū) dtdUCEdtdUCE導通時間越短，導通時間越短，安全工作區(qū)越小。dtdUCE越大，安全工作區(qū)越小。 第129頁/共208頁擎住效應或自鎖效應擎住效應或自鎖效應：（：（IGBT關斷失控）關斷失控）NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，晶體管基極與發(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生壓降，相當形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對于對J3結施加正偏壓，一旦結施加正偏壓，

53、一旦J3開通，柵極就會失去對集開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。電極電流的控制作用，電流失控。GCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。第130頁/共208頁 (6) 輸入阻抗：IGBT的輸入阻抗高，可達1091011數量級，呈純電容性，驅動功率小，這些與VDMOS相似。 (7) 最高允許結溫TjM：IGBT的最高允許結溫TjM為150。VDMOS的通態(tài)壓降隨結溫升高而顯著增加，而IGBT的通態(tài)壓降在室溫和最高結溫之間變化很小，具有良好的溫度特性。緣柵雙

54、極型晶體管的特性與主要參數 3、IGBT的主要參數第131頁/共208頁v 2.1 、電力電子器件的基本模型 v 2.2 、電力二極管 v 2.3 、晶閘管v 2.4 、可關斷晶閘管 v 2.5 、電力晶體管 v 2.6 、電力場效應晶體管 v 2.7 、絕緣柵雙極型晶體管 v 2.8 、其它新型電力電子器件v 2.9 、電力電子器件的驅動與保護第二章、電力電子器件第132頁/共208頁2.8 、其它新型電力電子器件 靜電感應晶體管 靜電感應晶閘管 控制晶閘管 集成門極換流晶閘管 功率模塊與功率集成電路 第133頁/共208頁靜電感應晶體管（SIT） 它是一種多子導電的單極型器件，具有輸出功率

55、大、輸入阻抗高、開關特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等優(yōu)點；頻率與MOSMOS管相當。 但通態(tài)電阻較大，損耗大，不加信號時導通，加負偏壓關斷，使用不太方便。 廣泛用于高頻大功率場合高頻感應加熱、雷達通信設備、超聲波功率放大和脈沖功率放大等領域如高頻感應加熱設備( (例如200kHz200kHz、200kW200kW的高頻感應加熱電源) )、高音質音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機、電視發(fā)射機、差轉機微波以及空間技術。第134頁/共208頁 1 1、SITSIT的工作原理- -結型場效應管 1 1）結構：SITSIT為三層結構，其元胞結構圖如圖所示，其三個電極分別為柵極G G，漏極D D和源極S

56、S。其表示符號如圖所示。 2 2）分類：SITSIT分N N溝道、P P溝道兩種，箭頭向外的為NSITNSIT，箭頭向內的為PSITPSIT。 3 3）導通、關斷：SITSIT為常開器件，即柵源電壓為零時，兩柵極之間的導電溝道使漏極D-SD-S之間的導通。則SITSIT導通；當加上負柵源電壓U UGSGS時，柵源間PNPN結產生耗盡層。隨著負偏壓U UGSGS的增加，其耗盡層加寬，漏 源 間 導 電 溝 道 變 窄 。 當U UGSGS=U=UP P( (夾斷電壓) )時，導電溝道被耗盡層所夾斷，SITSIT關斷。靜電感應晶體管（SITSIT） SIT的漏極電流的漏極電流ID不但受柵不但受柵極

57、電壓極電壓UGS控制，同時還受漏極控制，同時還受漏極電壓電壓UDS控制。控制。 l圖的結構及其符號 第135頁/共208頁 2 2、SITSIT的特性 靜態(tài)伏安特性曲線（N N溝道SITSIT）：當柵源電壓U UGSGS一定時，隨著漏源電壓U UDSDS的增加，漏極電流I ID D也線性增加，其大小由SITSIT的通態(tài)電阻所決定 ； SITSIT采用垂直導電結構, ,其導電溝道短而寬, ,適應于高電壓, ,大電流的場合； SITSIT的漏極電流具有負溫度系數, ,可避免因溫度升高而引起的惡性循環(huán)； 靜電感應晶體管（SITSIT）圖靜態(tài) 伏安特性曲線第136頁/共208頁SITSIT的漏極電流通

58、路上不存在PNPN結, ,一般不會發(fā)生熱不穩(wěn)定性和二次擊穿現(xiàn)象, ,其安全工作區(qū)范圍較寬； SITSIT是短溝道多子器件, ,無電荷積累效應, ,它的開關速度相當快, ,適應于高頻場合； SITSIT的柵極驅動電路比較簡單：關斷SITSIT需加數十伏的負柵壓-U-UGSGS , , 導通SIT SIT ，可以加5 56V6V的正柵偏壓+U+UGSGS, ,以降低器件的通態(tài)壓降；靜電感應晶體管（SITSIT）l2 2、SITSIT的特性 圖的 安全工作區(qū)第137頁/共208頁 靜電感應晶體管 靜電感應晶閘管 控制晶閘管 集成門極換流晶閘管 功率模塊與功率集成電路 2.8 、其它新型電力電子器件第

59、138頁/共208頁靜電感應晶閘管（SITH） 它自1972年開始研制并生產； 優(yōu)點：與GTO相比，SITH的通態(tài)電阻小、通態(tài)壓降低、開關速度快、損耗小、 及 耐量高等； 應用：應用在直流調速系統(tǒng)，高頻加熱電源和開關電源等領域； 缺點：SITH制造工藝復雜，成本高； dtdidtdu第139頁/共208頁 1 1、SITHSITH的工作原理 1 1）結構：在SITSIT的結構的基礎上再增加一個P P+ +層即形成了SITHSITH的元胞結構，如圖。 2 2）三極：陽極A A、陰極、柵極G G， 3 3）原理： 柵極開路，在陽極和陰極之間加正向電壓，有電流流過SITHSITH； 在柵極G G和陰

60、極K K之間加負電壓，G-KG-K之間PNPN結反偏，在兩個柵極區(qū)之間的導電溝道中出現(xiàn)耗盡層，A-KA-K間電流被夾斷，SITHSITH關斷； 柵極所加的負偏壓越高，可關斷的陰極電流也越大。 靜電感應晶閘管（SITH）圖元胞 結構其及符號第140頁/共208頁 特性曲線的正向偏置部分與SIT相似。柵極負壓-UGK可控制陽極電流關斷，已關斷的SITH，A-K間只有很小的漏電流存在。 SITH 為場控少子器件，其動態(tài)特性比GTO優(yōu)越。SITH的電導調制作用使它比SIT的通態(tài)電阻小、壓降低、電流大，但因器件內有大量的存儲電荷， 所以它的關斷時間比SIT要長、工作頻率要低。 靜電感應晶閘管（SITH）