電力電子器件課程和保護要求

1、電力電子器件課程和保護要求第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件電力電子器件課程和保護要求2電子技術的基礎電子技術的基礎 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電力電子電路的基礎 電力電子器件電力電子器件 本章主要內容：本章主要內容：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、主基本特性、主要參數要參數以及選擇和使用中應注意問題。第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件引言引言電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求31.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述電信工程學院 電力電子器件課程和保護

2、要求41 1）概念）概念: : 電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。 主電路（主電路（Main Power CircuitMain Power Circuit） 電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。2 2）分類）分類: : 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導體器件半導體器件 (采用的主要材料硅）仍然1.1.1 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求5 能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件

3、。 電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。 電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。 電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。3 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：電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求6 通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。 器件開關頻率較高時，開關損耗開關損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關損耗關斷損耗開通損耗 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求7電力電子系統電力電子系統：由控制電路控制電路、驅動電路驅動電路、保護電路保護電路 和

4、以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。圖1-1 電力電子器件在實際應用中的系統組成控制電路檢測電路驅動電路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正?？煽窟\行1.1.2 1.1.2 應用電力電子器件系統組成應用電力電子器件系統組成電氣隔離控制電路電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求8半控型器件（半控型器件（ThyristorThyristor） 通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET)IGBT,MOSFET) 通過控制信號既可控制其導通又可控制其關 斷，又稱自關斷器件。不可控器件不可控器件

5、(Power Diode)(Power Diode) 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅動電路。1.1.3 1.1.3 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：電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求9 電流驅動型電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者 關斷的控制。 電壓驅動型電壓驅動型 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導通或者關斷的控制。 按照驅動電路信號的性質，分為兩類：按照驅動電路信號的性質，分為兩類：電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求10本章內容本章內容:

6、:介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數工作原理、基本特性、主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題。集中講述電力電子器件的驅動、保護和串、并聯使驅動、保護和串、并聯使用用這三個問題。學習要點學習要點: :最重要的是掌握其基本特性?；咎匦浴Ｕ莆针娏﹄娮悠骷男吞柮?，以及其參數和特參數和特性曲線的使用方法。性曲線的使用方法?？赡軙麟娐返钠渌娐吩刑厥獾囊筇厥獾囊蟆?.1.4 1.1.4 本章學習內容與學習要點本章學習內容與學習要點電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求111.2 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管電信工程學院 電力電子器件課程和保護要求1

7、2 Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用。 快恢復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。1.2 1.2 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電力電子器件課程和保護要求13 基本結構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。圖1-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號1.2.1 PN1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管

8、的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK電力電子器件課程和保護要求14 狀態(tài)參數正向導通反向截止反向擊穿電流正向大幾乎為零反向大電壓維持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結的單向導電性這一主要特征。 PN結的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導致熱擊穿 PN結的狀態(tài)電力電子器件課程和保護要求15PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現電容效電容效應應，稱為結電容結電容CJ，又稱為微分電容微分電容。結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電勢壘電容容CB和擴散電容擴散電容CD。電容影響PN結的工作頻率，尤其是高速的開關狀態(tài)。 PN結的電容效應：電力電子器件課程和

9、保護要求16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I IF F開始明顯增加所對應的電壓。與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電正向電壓降壓降U UF F 。承受反向電壓時，只有微小而數值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1) 1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU電力電子器件課程和保護要求172) 2) 動態(tài)特性動態(tài)特性 二極管的電壓二極管的電壓- -電流特性隨電流特性隨時時 間變化的間變化的 結電容的存在結電容的存在b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1

10、t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5 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。電力電子器件課程和保護要求18正向壓降先出現一個過沖U UFPFP，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。正向恢復時間tfr。電流上升率越大，U UFPFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程 開通過程開通過程： 關斷過程關斷過程須經過一段

11、短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關斷過程電力電子器件課程和保護要求19 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。I IF(AV)F(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有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。1.2.3 1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數1) 1) 正向平均電流正向平均電流I IF(AV)F(AV)電力電子器件課

12、程和保護要求20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。3 3） 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓U URRMRRM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。 4 4）反向恢復時間）反向恢復時間t trrrr trr= td+ tf2 2）正向壓降）正向壓降U UF F電力電子器件課程和保護要求21結溫結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。T TJMJM是指在PN結不致損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。6) 6) 浪涌電流浪涌電流I IFSMFSM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。

13、 5 5）最高工作結溫）最高工作結溫T TJMJM電力電子器件課程和保護要求221) 1) 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復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，特別是反向恢復特性的不同介紹。1.2.4 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型電力電子器件課程和保護要求23 簡稱快速二極管 快恢復外延二極管快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其

14、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和超快速恢復兩個等級。前者t trrrr為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。2) 2) 快恢復二極管快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD）電力電子器件課程和保護要求24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)點反向恢復時間很短（1040ns）。正向恢復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二極管。效率高，

15、其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還小。3. 3. 肖特基二極管肖特基二極管 以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。電力電子器件課程和保護要求251.3 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管電力電子器件課程和保護要求261.3 1.3 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)出第一只晶閘管產品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代。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

16、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）電力電子器件課程和保護要求27圖1-6 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1.3.11.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝。 有三個聯接端。 螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便。 平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3電力電子器件課程和保護要求28 常用晶閘管的結構螺

17、栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構電力電子器件課程和保護要求29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1-7 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：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）電力電子器件課程和保護要求30 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

18、=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，實現飽和導通。IA實際由外電路決定。電力電子器件課程和保護要求31陽極電壓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)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。其他幾種可能導通的情況

19、其他幾種可能導通的情況：電力電子器件課程和保護要求321.3.2 1.3.2 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。 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下 。晶閘管正常工作時的特性總結如下：晶閘管正常工作時的特性總結如下：電力電子器件課程和保護要求33（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，

20、正向轉折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG電力電子器件課程和保護要求34 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，可能導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2 2）反向特性）反向特性電力電子器件課程和保護要求351) 開通過程

21、 延遲時間延遲時間t td d (0.51.5(0.51.5 s)s) 上升時間上升時間t tr r (0.53(0.53 s)s)開通時間開通時間t tgtgt以上兩者之和，以上兩者之和， t tgtgt= =t td d+ + t tr r （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關斷過程反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間t trrrr正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間t tgrgr關斷時間關斷時間t tq q以上兩者之和以上兩者之和t tq q= =t trrrr+ +t tgrgr （1-7)普通晶閘管的關斷時間約幾普通晶閘管的關斷時間約幾百

22、微秒百微秒2 2） 動態(tài)特性動態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開通和關斷過程波形電力電子器件課程和保護要求361.3.31.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓U UDRMDRM 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。 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓U URRMRRM 在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。 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓U UT T 晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(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

23、時晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：使用注意：1 1）電壓定額）電壓定額電力電子器件課程和保護要求37通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 I IT(AVT(AV）在環(huán)境溫度為40C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。使用時應按有效值相等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 I IH H 使晶閘管維持導通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 I IL L 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。對同一晶閘管來說，通常對同一晶閘管來說，通常I IL L約為約為I

24、IH H的的2424倍。倍。浪涌電流浪涌電流I ITSMTSM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 。2 2）電流定額）電流定額電力電子器件課程和保護要求38 除開通時間t tgtgt和關斷時間t tq q外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率d du u/d/dt t 指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)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率d di i/d/dt t 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

25、快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3 3）動態(tài)參數）動態(tài)參數電力電子器件課程和保護要求391.3.4 1.3.4 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。 開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。 普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，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，不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。1 1）快速晶閘管（）快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFast Switching Thyristor FST)FST)電力電子器件課程和保護要求402 2）雙向晶閘管（

26、）雙向晶閘管（Triode AC SwitchTriode AC SwitchTRIACTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional 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可認為是一對反并聯聯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。電力電子器件課程和保護要求413 3）逆導晶閘管（）逆導晶閘管（Reve

27、rse Conducting Reverse Conducting ThyristorThyristorRCTRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11 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) 伏安特性將晶閘管反并聯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、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點。電力電子器件課程和保護要求424 4）光控晶閘管（）光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）AGKa)AK光強度強弱b)OUIA圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性

28、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。電力電子器件課程和保護要求431.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件電力電子器件課程和保護要求441.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現。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。電力電子器件課程和保護要求45常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIG

29、BT單管及模塊電力電子器件課程和保護要求461.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘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用。門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）電力電子器件課程和保護要求47結構：結構：與普通晶閘管的相同點相同點： PNPN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不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖1-13 GT

30、O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 b) 并聯單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1 1）GTOGTO的結構和工作原理的結構和工作原理電力電子器件課程和保護要求48 工作原理：工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導通的條件。是器件臨界導通的條件。 由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1和 2 2 。電

31、力電子器件課程和保護要求49 GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別區(qū)別： 設計2較大，使晶體管V2控 制靈敏， 使得GTO易于關斷。 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。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖1-7 晶閘管的工作原理電力電子器件課程和保護要求50GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。

32、 由上述分析我們可以得到以下結論結論：電力電子器件課程和保護要求51開通過程：開通過程：與普通晶閘管相同關斷過程：關斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間儲存時間t ts s，使等效晶體管退出飽和。下降時間下降時間t tf f 尾部時間尾部時間t tt t 殘存載流子復合。通常t tf f比t ts s小得多，而t tt t比t ts s要長。門極負脈沖電流幅值越大，t ts s越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關斷過程電流波形 GTOGTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性電力電子器件課程和保護要求523 3）GTOGT

33、O的主要參數的主要參數 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 2） 關斷時間關斷時間t toffoff（1 1）開通時間）開通時間t tonon 不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯 。 許多參數和普通晶閘管相應的參數意義相同，以下只介紹意義不同的參數。電力電子器件課程和保護要求53（3 3）最大可關斷陽極電流）最大可關斷陽極電流I IATOATO（4 4） 電流關斷增益電流關斷增益 offoff off一般很小，只有5左右，這是GT

34、O的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益。（1-8）GMATOoffII電力電子器件課程和保護要求54本章作業(yè)本章作業(yè)(p42：No.3,No.4)說明：說明：0022244254a)b)c)圖1-430md1m42m1m412sin()(1)0.2717222131(sin)()0.47672242mmIIItdtIIIItdtIm1329.35A0.4767II1m10.271789.48AdII 額定電流額定電流I T(AV) =100A的晶閘管，允許的電流有效值的晶閘

35、管，允許的電流有效值I =157A，由上題計算結果知由上題計算結果知 ：電力電子器件課程和保護要求551.4.2 1.4.2 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、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。 應用應用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術語用法：術語用法：電力電子器件課程和保護要求56與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至

36、少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成 。1 1）GTRGTR的結構和工作原理的結構和工作原理圖1-15 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動電力電子器件課程和保護要求57 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 GTR的電流放大系數電流放大系數，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 ic= ib +Iceo 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

37、頓接法可有效增大電流增益。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1 1）GTRGTR的結構和工作原理的結構和工作原理電力電子器件課程和保護要求58 (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工作在開關狀態(tài)。在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3 3）GTRGTR的主要參數的主要參數電力電子器件課程和保護要求61通常規(guī)

38、定為h hFEFE下降到規(guī)定值的1/21/31/21/3時所對應的I Ic c 。實際使用時要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一點。 3) 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率P PcMcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產品說明書中給P PcMcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2) 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流I IcMcM電力電子器件課程和保護要求62一次擊穿：一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，I Ic迅速增大。只要I Ic c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，I Ic c突然急劇上升，

39、電壓陡然下降。常常立即導致器件的永久損壞，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 S a f e Operating AreaOperating AreaSOASOA） 最高電壓U UceMceM、集電極最大電流I IcMcM、最大耗散功率P PcMcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區(qū) GTRGTR的二次擊穿現象與安全工作區(qū)的二次擊穿現象與安全工作區(qū)電力電子器件課程和保護要求631.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 分為結型結型和絕緣柵型絕緣柵型 通常主要指絕緣柵

40、型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅動電路簡單，需要的驅動功率小。 開關速度快，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 。電力場效應晶體管電力場效應晶體管電力電子器件課程和保護要求64電力電力MOSFETMOSFET的種類的種類按導電溝道可分為P P溝道溝道和N N溝道。溝道。 耗盡型

41、耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。 增強型增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。電力MOSFET主要是N N溝道增強型溝道增強型。1 1）電力）電力MOSFETMOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理電力電子器件課程和保護要求65電力電力MOSFETMOSFET的結構的結構是單極型晶體管。導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別。采用多元集成結構，不同的生產廠家采用了不同設計。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號電力電子器件課程和保護要求66 小功

42、率MOS管是橫向導電器件。 電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。 按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MOS結構的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 這里主要以VDMOS器件為例進行討論。電力電力MOSFETMOSFET的結構的結構電力電子器件課程和保護要求67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J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，P型半導體

43、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J1消失，漏極和源極導電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號電力電力MOSFETMOSFET的工作原理的工作原理電力電子器件課程和保護要求68(1) (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流I ID D和柵源間電壓U UGSGS的關系稱為MOSFET的轉轉移特性。移特性。I ID D較大時，I ID D與與U UGSGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導跨導G Gfsfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305

44、040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1-20 電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性2 2）電力）電力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性電力電子器件課程和保護要求69 截止區(qū)截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對應GTR的飽和區(qū)） 工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。 漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通。通態(tài)電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。圖1-20電

45、力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性MOSFETMOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 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電力電子器件課程和保護要求70 開通過程開通過程 開通延遲時間開通延遲時間t td(on)d(on) 上升時間上升時間t tr r 開通時間開通時間t tonon開通延遲時間與上升時間之和 關斷過程關斷過程 關斷延遲時間關斷延遲時間t td(off)d(of

46、f) 下降時間下降時間t tf f關斷時間關斷時間t toffoff關斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開關過程a) 測試電路 b) 開關過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內阻，RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動態(tài)特性動態(tài)特性電力電子器件課程和保護要求71 MOSFET的開關速度和C Cinin充放電有很大關系。 可降低驅動電路內阻R Rs s減小時間常數，加快開關速度。 不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。 開關時間在10100

47、ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。 場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFETMOSFET的開關速度的開關速度電力電子器件課程和保護要求723) 3) 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數的主要參數 電力MOSFET電壓定額(1)(1) 漏極電壓漏極電壓U UDSDS (2)(2) 漏極直流電流漏極直流電流I ID D和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值I IDMDM電力MOSFET電流定額(3) (3) 柵源電壓柵源電壓U UGSGS UGS20V將導致絕緣層

48、擊穿 。 除跨導Gfs、開啟電壓UT以及t td(on)d(on)、t tr r、t td(off)d(off)和tf之外還有： (4)(4) 極間電容極間電容極間電容C CGSGS、C CGDGD和C CDSDS電力電子器件課程和保護要求731.4.4 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件 絕 緣 柵 雙 極 晶 體 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorIGBTIGBT或IGTIGT） GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點。 1986年投入市場，是中小功

49、率電力電子設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅動，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。電力電子器件課程和保護要求741) IGBT1) IGBT的結構和工作原理的結構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 柵極集電極注入區(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結構、簡化

50、等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號電力電子器件課程和保護要求75 圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區(qū)，具有很強的通流能力。 簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻。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)圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路

51、和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT IGBT的結構的結構電力電子器件課程和保護要求76 驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。 導通導通：u uGEGE大于開啟電壓開啟電壓U UGE(th)GE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。 通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。 IGBTIGBT的原理的原理電力電子器件課程和保護要求77a)b)O有源區(qū)

52、正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2) IGBT2) IGBT的基本特性的基本特性 (1)(1)IGBTIGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性轉移特性轉移特性I IC C與U UGEGE間的關系(開啟電壓開啟電壓U UGE(th)GE(th) )輸出特性輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。電力電子器件課程和保護要求78ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd

53、(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關過程 IGBTIGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似 開通延遲時間開通延遲時間t td(on)d(on) 電流上升時間電流上升時間t tr r 開通時間開通時間t tononu uCECE的下降過程分為t tfv1fv1和t tfv2fv2兩段。 t tfv1fv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程； t tfv2fv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。 (2)(2) IGBTIGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性電力電子器件課程和保護要求79圖1-24 IGBT的開關過程 關斷延遲時間

54、關斷延遲時間t td(offd(off） 電流下降時間電流下降時間 關斷時間關斷時間t toffoff 電流下降時間又可分為t tfi1fi1和t tfi2fi2兩段。t tfi1fi1IGBT器件內部的MOSFET的關斷過程，i iC C下降較快。t tfi2fi2IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，i iC C下降較慢。 IGBTIGBT的關斷過程的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM電力電子器件課程和保護要求803) I

55、GBT3) IGBT的主要參數的主要參數正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) (3) 最大集電極功耗最大集電極功耗P PCMCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流I ICP CP 。 (2)(2) 最大集電極電流最大集電極電流由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) (1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓U UCESCES電力電子器件課程和保護要求81 IGBTIGBT的特性和參數特點可以總結如下：的特性和參數特點可以總結如下： 開關速度高，開關損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。 通態(tài)壓降比VDMOSFET低。 輸入阻抗高，輸入特性與M

56、OSFET類似。 與MOSFET和GTR相比，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 。 電力電子器件課程和保護要求82 擎住效應或自鎖效應擎住效應或自鎖效應： IGBT往往與反并聯的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件 。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d du uCECE/dt/dt確定。 反向偏置安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOARBSOA）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。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOAFBSOA） 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，2

57、0世紀90年代中后期開始逐漸解決。NPN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，相當于對J J3 3結施加正偏壓，一旦J J3 3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。電力電子器件課程和保護要求831.5 1.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件電力電子器件課程和保護要求841.5.1 MOS1.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMCT MCT結合了二者的優(yōu)點： 承受極高di/dt和du/dt，快速的開關過程，開關損耗小。 高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。 一個MCT器件由數以萬計的MCT元組成。 每個元的組成為：

58、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，電壓和電流容量都遠未達到預期的數值，未能投入實際應用。 MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復合電力電子器件課程和保護要求851.5.2 1.5.2 靜電感應晶體管靜電感應晶體管SITSIT多子導電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用。缺點缺點：柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通正常導

59、通型型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應用。SITSIT（Static Induction Transistor）結型場效應晶體管電力電子器件課程和保護要求861.5.3 1.5.3 靜電感應晶閘管靜電感應晶閘管SITHSITH SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，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。 SITH一般也是正常導通型，但也有正常關斷型。此外，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。SITHSITH（Static Induction Thyrist

60、or）場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT）電力電子器件課程和保護要求871.5.4 1.5.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT 20世紀90年代后期出現，結合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關速度快10倍。 可省去GTO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。 目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）電力電子器件課程和保護要求881.5.51.5.5