第2章 電力電子器件1

1、1-1電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子技術(shù)的基礎(chǔ) 電子器件：晶體管和集成電路電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：概述電力電子器件的概念概念、特點特點和分類分類等問題。介紹常用電力電子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要參數(shù)要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。第第2章章 電力電子器件電力電子器件引言引言1-22.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類2.1.4 本章內(nèi)容和學習要點本章內(nèi)容和學習

2、要點2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述1-31 1）概念）概念: :電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（主電路（Main Power Circuit） 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務(wù)的電路。2 2）分類）分類: : 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅）仍然電力電子器件電力電子器件2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征1-4能處理能處理電功率電功率的能力，一般遠大于處理信的能力，一般遠大于處理信息的

3、電子器件。息的電子器件。電力電子器件一般都工作在電力電子器件一般都工作在開關(guān)開關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制控制,需要需要驅(qū)動電路驅(qū)動電路。電力電子器件自身的電力電子器件自身的功率損耗功率損耗遠大于信息遠大于信息電子器件，一般都要安裝電子器件，一般都要安裝散熱器散熱器。3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征1-5通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗

4、斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征1-6電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動電路驅(qū)動電路、保護電路保護電路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。圖2-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行2.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路1-7半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器

5、及其大部分派生器件。件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。電流決定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。關(guān)斷。 不可控器件不可控器件 電力二極管（電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷。不能用控制信號來控制其通斷。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：1-8電流驅(qū)動型電

6、流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)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(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：1-9按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個電壓或電流的通過在控制端施加一個電壓或電流的脈脈沖沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型電平控制型 必須通過必須通過持續(xù)持續(xù)在控制端和公共端之間施在控制

7、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加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并并維持維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。態(tài)。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類1-102.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件單極型器件 由一種由一種載流子載流子參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電。 雙極型器件雙極型器件 由由電子電子和和空穴空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，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。

8、也稱混合型器件。 1-11本章內(nèi)容本章內(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，介紹它們的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要參數(shù)要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。學習要點學習要點: :最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握電力電子器件的型號命名法命名法，以及其參數(shù)和特性曲參數(shù)和特性曲線的使用方法線的使用方法。了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和和基本工作原理基本工作原理。了解某些主電路對其它電路元件有特殊的要求特殊的要求。2.1.4 本章學習內(nèi)容與學習要點本章學習內(nèi)容與學習要點1-12 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二

9、極管的工作原理2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管1-13 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?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合，具有不可替代的地位。2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言整流二極管及模塊1-14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。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主

10、要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理AKAKa)IKAPNJb)c)AK1-152.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理 PN結(jié)的形成1-16 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理1-17 PN結(jié)的電容效應(yīng)2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理1-182.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當PN

11、結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，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PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。1-19 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷?/p>

12、維持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)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（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理 PN結(jié)的狀態(tài)1-20PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容結(jié)電容CJ，又稱為微分電容微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電容CB和擴散電容擴散電容CD。 勢壘電容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

13、為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳌?.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原結(jié)與電力二極管的工作原理理 PN結(jié)的電容效應(yīng)：1-21主要指其伏安特性伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電正向電壓降壓降UF 。承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU1-222.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性a)

14、IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd tu 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形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 2)動態(tài)特性動態(tài)特性 因為因為結(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間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，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(zhuǎn)換過程的并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性開關(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)過一段短暫的

15、時間才能重新獲得反向阻斷能力，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)。進入截止狀態(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沖。伴隨有明顯的反向電壓過沖。 延遲時間延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間：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刻時刻t1:反向電反向電流達最大流達最大值的時刻值的時刻t2:電流變電流變化率接近化率接近于零的時于零的時

16、刻刻1-232.2.2 電力二極管的基本特性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)一個先出現(xiàn)一個過沖過沖UFP，經(jīng)，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如態(tài)壓降的某個值（如2V）。）。 正向恢復(fù)時間正向恢復(fù)時間tfr 電流上升率電流上升率越大，越大，UFP越越高。高。 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 1-24額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，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(yīng)

17、來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)1-25電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)04235ImF(AV)01Isin0.322mmmIIdI平均值：平均值： ； 為電壓或者電流的周期函數(shù) df21)(112)(f 有效值：有效值： ；df21)(1212工頻正弦半波： T=2, 并且只有一半的波形導(dǎo)通并且只有一半的波形導(dǎo)通201(sin)0.522mTmmIIIdIF()1.57TAVII通過對正弦半波電流的換算可知，正向平均電流I IF(AV)

18、F(AV)對應(yīng)的有效值為1.57I IF(AVF(AV)。2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1-2604235Im2dF(AV)01I0.5I2mmmII dI22010.712mTmmIIIdI平均值：有效值：dd0.711.420.5TIII 可見，平均電流Id和正向平均電流IF(AV)是不一樣的。2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1-27 正向平均電流IF(AV)對應(yīng)的有效值為1.57IF(AV)。 例如，如果手冊上給出某電力二極管的額定電流IF(AV)為100A，由此得到允許通過正弦半波電流的幅值為 允許通過任意波形的有效值為 。 也就是說，額定電流

19、為100A的二極管可以通過幅值為314A的半波正弦電流，可以在全周期內(nèi)通過任意波形的有效值為157A的電流，其功耗發(fā)熱不超過允許值。 AIIAVFm314)(對有效值相等原則的解釋對有效值相等原則的解釋157A157A1-28在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。3） 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時，應(yīng)當留有兩倍的裕量。 4）反向恢復(fù)時間）反向恢復(fù)時間trr trr= td+ tf2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降正向壓降UF1-29結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM

20、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)。6) 浪涌電流浪涌電流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。 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫）最高工作結(jié)溫TJM1-301) 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高按照正向壓降、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。2.2.4 電力二極管的主要類型電

21、力二極管的主要類型1-31簡稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF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)兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。2) 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）1-32肖特基二極管的弱點弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點優(yōu)點反向恢復(fù)時

22、間很短（1040ns）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。1-33電力二極管性能比較電力二極管性能比較國產(chǎn)普通功率二極管的型號規(guī)定如下：反向恢復(fù)時間反向耐壓普通二極管5us數(shù)千伏快恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管幾百ns1200V超快速恢復(fù)二極管100ns肖特基二極管1040ns200V1-342.3

23、 半控器件半控器件晶閘管晶閘管1-352.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1-36圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶

24、閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31-372.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)1-38晶閘管的開關(guān)特點晶閘管的開關(guān)特點簡單描述簡單描述晶閘管晶閘管SCRSCR相當于一個半可控的、可相當于一個半可控的、可開不可關(guān)的單向開關(guān)開不可關(guān)的單向開關(guān)。圖圖 晶閘管的工作條件的試驗電路晶閘管的工作條件的試驗電路1-39當SCR的陽極

25、和陰極電壓UAK0時，只有EGk0，SCR才能導(dǎo)通。說明SCR具有正向阻斷能力；SCR一旦導(dǎo)通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當UAK0 2 2）晶閘管門極和陰極之間必須施加適當?shù)恼┚чl管門極和陰極之間必須施加適當?shù)恼蛎}沖電壓和電流，向脈沖電壓和電流， UGK0維持晶閘管導(dǎo)通的條件：維持晶閘管導(dǎo)通的條件： 保持流過晶閘管的陽極電流在其維持電流以上保持流過晶閘管的陽極電流在其維持電流以上1-41晶閘管關(guān)斷的條件 晶閘管的關(guān)斷 只需將流過晶閘管的電流減小到其維持電流以下，可采用： 陽極電壓反向

26、 減小陽極電壓 增大回路阻抗 1-42)()(11112222bcbbcbGIIIIIII2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 晶體管: 形成強烈正反饋， 最后晶閘管飽和導(dǎo)通。(1)ceCBOcbebIIIIIII 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bcebcCBOecIIIIIIII1-43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。由以上式可得 ：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 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：11

27、1CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1-442.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(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。 阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)開通狀態(tài)：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，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）1-452.3

28、.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光觸發(fā)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，稱為光控晶閘管光控晶閘管（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(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：1-462.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。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

29、導(dǎo)通，門極就失去控制作用。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 。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：1-472.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖2-9 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG1

30、-482.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖2-9 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性1-492.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性開通過程開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的由于晶閘管內(nèi)部的正反饋正反饋 過程過程需要時間，再加上需要時間，再加上外電路外電路 電感電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不可能后，其陽

31、極電流的增長不可能 是是瞬時瞬時的。的。 延遲時間延遲時間td (0.51.5 s) 上升時間上升時間tr (0.53 s) 開通時間開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨延遲時間隨門極電流門極電流的增的增 大而減小大而減小,上升時間除反映晶上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還受到閘管本身特性外，還受到外電外電 路電感路電感的嚴重影響。提高的嚴重影響。提高陽極陽極 電壓電壓,延遲時間和上升時間都延遲時間和上升時間都 可顯著縮短?？娠@著縮短。 圖圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrt

32、grURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%2） 動態(tài)特性動態(tài)特性1-502.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性關(guān)斷過程關(guān)斷過程 由于由于外電路電感外電路電感的存在，的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突然由正向變?yōu)榉赐饧与妷和蝗挥烧蜃優(yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時向時，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間trr 正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間tgr 關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq=trr+tgr 關(guān)斷時間約幾百微秒。關(guān)斷時間約幾百微秒。 在在正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如內(nèi)如果重新對晶

33、閘管施加果重新對晶閘管施加正向電正向電壓壓，晶閘管會重新正向?qū)?，晶閘管會重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。通。圖圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形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所以，為了保證晶閘管的完全關(guān)斷，需要施加足夠長的反向電壓。1-512.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路

34、而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓通態(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。使用注意：使用注意：1）電壓定額電壓定額1-522.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。使用時應(yīng)按有效值相等

35、的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說對同一晶閘管來說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。2 2）電流定額電流定額1-5304235ImmmmIIdI32. 0sin21I0T(AV)mmmTIIdII5 . 02)sin(2120)( AVTTfIIK57. 122)(mmAVTTIIII波形系數(shù)波形系數(shù)：電流的有效值與電流平均值

36、的比值:波形系數(shù)波形系數(shù)正弦半波的波形系數(shù)：正弦半波的波形系數(shù)：)(57. 1AVTTII 1-54 對于晶閘管而言，無論流過的電流波形是不是正弦半波電流，都應(yīng)根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則，將非正弦半波電流的有效值IT折合成等效的正弦半波電流平均值IT(AV) ，可以方便的選擇晶閘管的額定值。 Kf Id =1.57 IT(AV) 工頻正弦半波有效值非正弦波有效值II通態(tài)平均電流計算通態(tài)平均電流計算1-55四種波形的Kf值1-56根據(jù)規(guī)定，晶閘管的型號及其含義如下：晶閘管的命名和選擇例如：KP10012G表示額定電流為100A，額定電壓為1200V，通態(tài)平均壓降為1V的普通晶閘管。1-5

37、704235Im /49 /417 /4例題：下圖是晶閘管導(dǎo)通的電流波形，不考慮安全裕量，如果選用KP100的晶閘管，求出電流最大值Im和平均電流Id的值。 選用KP100的晶閘管,則：IT(AV)=100A, 有效值：IT=1.57 IT(AV)=157A IT=157 =0.477Im ， 由此得到：Im =157/0.477=329A ； Id=0.272Im =89.5AmmmIIdI272.04)22(sin21I4dmmmTIIdII477.0423sin21224 平均值： 有效值：例題1-58SCRSCR產(chǎn)品參數(shù)給出的額定電流是平均值，應(yīng)根據(jù)實際電路計算有效值來選定產(chǎn)品參數(shù)給出

38、的額定電流是平均值，應(yīng)根據(jù)實際電路計算有效值來選定SCRSCR。 SCRSCR管芯的發(fā)熱效應(yīng)是與流過電流的有效值有關(guān)系的。管芯的發(fā)熱效應(yīng)是與流過電流的有效值有關(guān)系的。 在實際選用在實際選用SCRSCR時，根據(jù)時，根據(jù)電流有效值相等電流有效值相等原則。即：原則。即： 實際波形的電流有效值實際波形的電流有效值I IT TSCRSCR額定電流額定電流I IT(AV)T(AV)對應(yīng)的電流有效值對應(yīng)的電流有效值I IT T 由于測量由于測量I IT(AV)T(AV) 的電路為正弦半波電路。此時額定有效值的電路為正弦半波電路。此時額定有效值I IT T與與I IT(AV)T(AV)之之間的關(guān)系為：間的關(guān)系

39、為：I IT T = I = IT(AV)T(AV)* *1.57 1.57 。由此可見，由此可見，SCRSCR的額定電流有效值和平均值之間可以方便換算。的額定電流有效值和平均值之間可以方便換算。 綜上所述，選用綜上所述，選用SCRSCR可以采用以下公式來確定額定電流：可以采用以下公式來確定額定電流：I IT(AV)T(AV)(A (A * * I IT T)/1.57)/1.57其中，其中， I IT(AV)T(AV)為選用為選用SCRSCR的額定電流；的額定電流； A A為裕量系數(shù)，一般為為裕量系數(shù)，一般為1.51.52 2； I IT T為實際電路的電流有效值。為實際電路的電流有效值。晶

40、閘管額定電流的選定晶閘管額定電流的選定* *1-59晶閘管額定電流的選定晶閘管額定電流的選定* *例例 某整流電路電流波形如下，其平均值某整流電路電流波形如下，其平均值I Id d =20A=20A，試選用，試選用SCRSCR（A=1.5)A=1.5)。04235Im /25 /217 /2AIdImm202sin21I2d22sin21222mmTIdIIIT(AV)(A * IT)/1.57I Id d=I=Im m/(2/(2* *3.14)=203.14)=20I IT T= I= Im m/(2/(2* *1.41)1.41)A=1.5A=1.5得到： IT(AV)1.5*44.54

41、/1.57=42.55(A)所以，可以選擇IT(AV)是50A的SCR其中： Im=20*2*3.14 ； IT = 20*2*3.14/(2*1.41)=44.541-602.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升斷態(tài)電壓臨界上升率率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，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。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升通態(tài)電流臨界上升率率di/dt 指在規(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

42、使晶閘管損壞。3 3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)1-612.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s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，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)1-622.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2）雙向晶雙向晶閘管閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyr

43、istor）圖2-11 雙向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a)b)IOUIG=0GT1T2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。在第和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來表示其額定電流值來表示其額定電流值。1-632.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3) 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖2-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同

44、一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。1-642.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件4) 光控晶閘光控晶閘管（管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強度強弱b)OUIA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(dǎo)通的晶閘管。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。1-652.4 典型全控型器件典型全控型器件1-662.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘

45、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(shù)進入了一個嶄新時代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。1-672.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1-682.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）1-69c)圖1-13AG

46、KGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK2.4.1 門極可關(guān)斷晶門極可關(guān)斷晶閘管閘管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-702.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖2-8所示的雙晶體管模型來分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V

47、2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。大于是器件臨界導(dǎo)通的條件。大于1 1導(dǎo)通，小于導(dǎo)通，小于1 1則關(guān)斷。則關(guān)斷。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1和 2 2 。1-712.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別區(qū)別：設(shè)計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于關(guān)斷。導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽

48、出較大電流。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖2-8 晶閘管的工作原理1-722.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。GTO關(guān)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(guān)斷GTO關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：1-732.4.1 門極可關(guān)門極可關(guān)斷晶閘管斷晶閘管開通過程開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間儲存時間ts

49、，使等效晶體管退出飽和。下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 殘存載流子復(fù)合。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。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形2) GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性抽取飽和導(dǎo)通時抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流儲存的大量載流子的時間子的時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)，陽極電流逐漸減陽極電流逐漸減小時間小時間 殘存殘存載流載

50、流子復(fù)子復(fù)合所合所需時需時間間 1-742.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管3) GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff（1）開通時間開通時間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，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)。1-752.4.1 門極可關(guān)斷門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷

51、增益電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（2-8）GMATOoffII1-762.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。耐 高 電 壓 、 大 電 流 的 雙 極 結(jié) 型 晶 體 管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。 應(yīng)用應(yīng)用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前

52、又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術(shù)語用法術(shù)語用法：1-77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、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達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 。2.4.2 電力晶體管電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動1-782.4.2 電力晶體管電力晶體管在應(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（2-9） GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映

53、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(guān)系為 ic= ib +Iceo （2-10）單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-792.4.2 電力晶體管電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和飽和區(qū)飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3

54、ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)1-822.4.2 電力晶體管電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應(yīng)的Ic 。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率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)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM1-832.4.2 電力晶體管電力晶體管一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。

55、只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安 全 工 作 區(qū) （安 全 工 作 區(qū) （ S a f e Operating AreaSOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19 GTR的安全工作區(qū)4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)1-842.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型通常主要指絕緣柵型絕緣柵型

56、中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(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，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管1-852.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零

57、時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強型增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強型溝道增強型。1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-862.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖2-20 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號1-871.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管小功率MOS

58、管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1-882.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管截止截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而

59、將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖2-20 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力電力MOSFET的工作原理的工作原理1-892.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)1020305

60、0400b)1020 305040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圖2-21 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2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性GSDfsddUIG 1-902.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管截止區(qū)截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正