1-4變頻器主電路常用電力半導(dǎo)體器件

1、12 電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子技術(shù)的基礎(chǔ)電力電子器件電力電子器件電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(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 3 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概念概念:電力電子器件電力電子器件（power electronic device）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（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)的電路廣義上分為兩類廣義上分為兩類: 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料仍然

2、是硅)4同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征一般特征： 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)。 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。 5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)動電路和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成1.1.26按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為

3、以下三類：分為以下三類：半控型器件半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）不可控器件不可控器件電力二極管（Power Diode）只有兩個端子，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。通過控制信號既可控制其導(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全控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。7 按照器

4、件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：情況分為三類： 1) 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 1) 單極型器件單極型器件2) 電壓驅(qū)動型電壓驅(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 2) 雙極型器件雙極型器件3) 復(fù)合型器件復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件 按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為的性質(zhì)，分為兩類兩類：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 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 8 Po

5、wer Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，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合，具有不可替代的地位。9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)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10N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。PN結(jié)的形成 擴(kuò)散運動和漂移運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的

6、范圍，被稱為空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層耗盡層、阻擋層阻擋層或勢壘區(qū)勢壘區(qū)。 空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場內(nèi)電場或自建電場自建電場，其方向是阻止擴(kuò)散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動漂移運動。 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)散運動擴(kuò)散運動，到對方區(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的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負(fù)電荷稱為空間電荷空間電荷。11PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)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

7、低阻態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)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)：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)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(jī)制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電容CB和擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD 。12造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管管區(qū)別區(qū)別的一些因素：的一些因素：正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水

8、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。131. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指其伏安特性伏安特性 IOIFUTOUFU電力二極管的伏安特性 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對應(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，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。142. 動態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)特性關(guān)斷過程關(guān)斷過程：開關(guān)特性開關(guān)

9、特性須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程 因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的。15開通過程開通過程：電力二極管的正向壓降先出現(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）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時間來儲存大量少子，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. 動態(tài)特性動態(tài)特性16晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon

10、Controlled RectifierSCR）1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司（GE）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(jì)80年代以來，開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，在大容量的場合具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 17外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端對于螺栓型封裝，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封裝的晶閘管可由兩個散熱器

11、將其夾在中間AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3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18螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)常用晶閘管的結(jié)構(gòu)19 Ic1=1 IA + ICBO1 Ic2=2 IK + ICBO2 IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2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 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)

12、 工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理)(121CBO2CBO1G2AIIII20晶體管的特性是：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（門極觸發(fā)）：開通（門極觸發(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，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。21其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽極電壓升高至相當(dāng)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)溫較高光直接照

13、射硅片，即光觸發(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，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段的控制手段221. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 總結(jié)前面介紹的工作原理，可以簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下：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。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。1)要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的

14、電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。23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IG2IG1IG241) 正向特性 IG=0時，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，正向電壓超過臨界極限即正向轉(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。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

15、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=0UboUDSMUDRMURRMURSM252) 反向特性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，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)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(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性262. 動態(tài)特性動態(tài)特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA

16、晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形271) 開通過程開通過程延遲時間延遲時間td：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%的時間。上升時間上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。開通時間開通時間tgt以上兩者之和，tgt=td+ tr 普 通 晶 閘 管 延 遲 時 為0.51.5 s，上升時間為0.53 s。晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA282) 關(guān)斷過程關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢

17、復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間在正向阻斷恢復(fù)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?qū)?。實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。 關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA291. 1. 快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，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

18、進(jìn)，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)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。302.2.雙向晶閘管雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）圖1-10 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(rèn)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(dǎo)通，所

19、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(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡單，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表示其額定不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。電流值。313. 逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）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。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反

20、并聯(lián)二極管的電流。b)a)UOIKGAIG=0324. 光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)AGKa)OUAKIA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。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。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。33門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不

21、久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，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藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個嶄新時代。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。34門 極 可 關(guān) 斷 晶 閘 管 （ G a t e - Tu r n - O ff Thyristor GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過在門極施加負(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，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用351. GTO1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點

22、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，內(nèi)部包含數(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。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO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36工作原理：工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1示的雙晶體管模型來分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶閘管的雙晶體管模型及其工作原

23、理 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+21時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(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和2。37GTO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： （1）設(shè)計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關(guān)斷。 （ 2 ） 導(dǎo) 通 時1+2更 接 近 1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時飽和不深，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。 （3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流 。

24、RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)晶閘管的工作原理38由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：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)斷過程：強(qiáng)烈正反饋門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，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，器件退出飽和而關(guān)斷。 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。39術(shù)語用法：術(shù)語用法：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（Bipola

25、r Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效。 應(yīng)用應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，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。電力晶體管電力晶體管40電力晶體管電力晶體管GTR有三種類型*單管非隔離型*非隔離型達(dá)林頓電力晶體管*模塊型電力晶體管一單元結(jié)構(gòu)二單元結(jié)構(gòu)四單元結(jié)構(gòu)六單元結(jié)構(gòu)一單元結(jié)構(gòu)就是在一個模塊內(nèi)有一個電力晶體管和一個續(xù)流二極管反向并聯(lián)411. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理電力晶體管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、

26、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(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 。42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 GTR的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映了基極電流對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，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo 產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益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電力晶體管電力晶體管432. GTR的基本特性的

27、基本特性 (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)、放放大區(qū)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)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)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)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性電力晶體管電力晶體管44(2) 動態(tài)特性動態(tài)特性開通過程開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間開通時間ton。td主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程 。

28、圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管電力晶體管45關(guān)斷過程關(guān)斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff 。ts是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都

29、短很多 。圖1-17ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形電力晶體管電力晶體管46l開路阻斷電壓UCEO基極開路時，集電極與發(fā)射極間能承受的持續(xù)電壓。反映GTR的耐壓能力l集電極最大持續(xù)電流ICM當(dāng)基極正向偏置時集電極能流入的最大電流。l開斷阻斷電壓和集電極最大持續(xù)電流體現(xiàn)了GTR的容量47l電流增益HFE電流放大倍數(shù)。數(shù)值越大，管子驅(qū)動電路功率越小，則越好l開關(guān)頻率通過開通時間、存儲時間、下降時間估算出GTR的最高工作頻率。48一次擊穿：一次擊穿：集電極電壓升高至

30、擊穿電壓時，Ic迅速增大。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，如不能有效的限制電流，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。 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)SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM49l開路阻斷電壓UCEO選擇方法通常按電源線電壓峰值2倍選擇。l集電極電流最大電流IC

31、M選擇方法按額定電流峰值的2倍進(jìn)行選擇50GTR的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分兩部分 二極管VD2和電位補償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路貝克箝位電路，也即一種抗抗飽和飽和電路，負(fù)載較輕時，如V5發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2會自動導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動電流流入集電極，維持Ubc0。 C2為加速開通過程的電容。開通時，R5被C2短路?？蓪崿F(xiàn)驅(qū)動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3

32、R4R5C1C2圖1-31GTR的一種驅(qū)動電路1.6.351 特點特點: Power MOSFET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 分類結(jié)型結(jié)型絕緣柵型絕緣柵型主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT52 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū) 動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜 MOSFET

33、的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單 兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件53 絕緣柵雙極晶體管 (Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） 是GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有好的特性 1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件 繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位541. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(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

34、注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號55IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結(jié)J1。使IGBT導(dǎo)通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(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)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。 RN為晶體管

35、基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號56IGBT的原理的原理 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。關(guān)斷關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加

36、信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。572. IGBT的基本特性的基本特性 1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性O(shè)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58轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。開啟電壓開啟電壓UGE(th)IGBT能實現(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，UGE(th)的值一般為26V。輸出特性輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時，IC與

37、UCE間的關(guān)系。分為三個區(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)相對應(yīng)。uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。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59 2) IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM60 IGBT的開通過程的開

38、通過程 與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行。開通延遲時間開通延遲時間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10% ICM 。 電流上升時間電流上升時間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間開通時間ton開通延遲時間與電流上升時間之和。uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftont

39、fi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM61IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off) 從uGE后沿下降到其幅值90%的 時 刻 起 ， 到 iC下 降 至90%ICM 。電 流 下 降 時 間電 流 下 降 時 間 iC從90%ICM下降至10%ICM 。 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM62IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFET。IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間也是需要折衷的參數(shù)。高壓器件的N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時間的延長。 通過對IGBT的基本特性的分析，可以看出：63 IGBT的主要參數(shù)集電極發(fā)射極額定電壓UCES：柵極與發(fā)射極短路時，IGBT能承受的耐壓。柵極發(fā)射極額