電力電子器件及應(yīng)用

1、1第一章第一章 電力電子器件及應(yīng)用電力電子器件及應(yīng)用 主講：主講： 任任 國(guó)國(guó) 海海 電話電話:電郵電郵: : 答疑答疑: : 理工樓理工樓3-1033-103 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 21.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述一、電力電子器件的分類一、電力電子器件的分類o 按照器件的控制能力分為以下三類：按照器件的控制能力分為以下三類：半控型器件：半控型器件：晶閘管（Thyristor or SCR）及其大部分派生器件其特征是：控制極只能控制器件導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷。全控型器件：全控型器件：IGBT、MOSFET、GTO、GTR其特征是

2、：控制極可以控制器件導(dǎo)通和關(guān)斷。 31.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述o 按照器件控制信號(hào)特征分為兩類：按照器件控制信號(hào)特征分為兩類：電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，如SCR、GTR、GTO電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，其本質(zhì)是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)器件，如IGBT、MOSFET 41.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述o 按照器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：按照器件

3、內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：?jiǎn)螛O型器件單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件，如MOSFET雙極型器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件， 如SCR、 GTR、 GTO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的器件，如IGBT 51.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述二、電力電子器件的一般工作特征：二、電力電子器件的一般工作特征：（1）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)；（2）電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制 驅(qū)動(dòng)電路、控制電路；（3）工作時(shí)由于通態(tài)損耗、開關(guān)損耗等引起發(fā)熱，在 其工作時(shí)一般都要考慮散熱設(shè)計(jì)或安裝散熱器。 61.11.1電力電子器件概

4、述電力電子器件概述三、本章重點(diǎn)三、本章重點(diǎn)（）電力電子器件（）電力電子器件 功率二極管（快恢復(fù)管、肖特基管） 晶閘管（SCR） 電力晶體管（GTR） 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET） 絕緣柵雙極型復(fù)合晶體管（IGBT）（）電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)（）電力電子器件的應(yīng)用技術(shù) 典型器件的驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)及要求 緩沖電路的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法 71.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述o器件知識(shí)重點(diǎn)：器件知識(shí)重點(diǎn)： 了解器件靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性，掌握器件開關(guān)控制的基本 方法，建立靜態(tài)損耗、動(dòng)態(tài)損耗、器件安全工作區(qū)的概念，初步掌握器件的應(yīng)用選擇o器件應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)：器件應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)： 理解設(shè)置驅(qū)動(dòng)電路的原因、常用

5、驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)；設(shè)置緩沖 吸收電路的原因、緩沖吸收電路基本結(jié)構(gòu)、應(yīng)用設(shè)計(jì)方法。 81.2 1.2 功率二極管功率二極管 1.2.1 1.2.1 功率二極管的主要類型功率二極管的主要類型 1.2.21.2.2 功率二極管的基本特性功率二極管的基本特性 1.2.3 1.2.3 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù) 91.2.1 1.2.1 功率二極管的主要類型功率二極管的主要類型 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(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上，這在開關(guān)頻

6、率不高時(shí)并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上 101.2.1 1.2.1 功率二極管的主要類型功率二極管的主要類型 2. 快速恢復(fù)二極管（快速恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。 分為PN結(jié)型結(jié)構(gòu)和PIN結(jié)構(gòu)兩種。采用外延型PIN結(jié)構(gòu)的的快速恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時(shí)間比較短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐

7、壓多在1200V以下。 111.2.1 1.2.1 功率二極管的主要類型功率二極管的主要類型 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(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用 肖特基功率二極管結(jié)構(gòu)圖121.2.1 1.2.1 功率二極管的主要類型功率二極管的主要類型 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) 反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns） 正向恢復(fù)過程中也不會(huì)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?。ㄒ话?.5V左 右），明顯低于快

8、速恢復(fù)二極管（一般1V左右） 其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高 肖特基二極管的弱點(diǎn)肖特基二極管的弱點(diǎn) 當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此 多用于200V以下 反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略， 而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度 131.2.1 1.2.1 功率二極管的主要類型功率二極管的主要類型 功率二極管封裝結(jié)構(gòu)功率二極管封裝結(jié)構(gòu) 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)AKAKa)IKAPNJb)c) 141.2.2 1.2.2 功率二極管的基本特性功率

9、二極管的基本特性q 1. 靜態(tài)伏安特性靜態(tài)伏安特性 具有單向?qū)щ娦?正偏時(shí)：二極管導(dǎo)通，通態(tài)壓降1V左右。 通態(tài)損耗： （表現(xiàn)形式為發(fā)熱） 反偏時(shí)： 在達(dá)到擊穿電壓前，僅有很小的反向漏電流流過。 在達(dá)到擊穿電壓后，反向電流急劇增加。 FFFIUP151.2.2 1.2.2 功率二極管的基本特性功率二極管的基本特性功率二極管的靜態(tài)伏安特性 161.2.2 1.2.2 功率二極管的基本特性功率二極管的基本特性q 2. 功率二極管的動(dòng)態(tài)特性功率二極管的動(dòng)態(tài)特性 因結(jié)電容的存在，開與關(guān)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時(shí)間變化的。動(dòng)態(tài)特性（開關(guān)特性）反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過

10、程。 說明：說明：功率二極管開通時(shí)間很短，一般可以忽略不計(jì)，但二極管的關(guān)斷 過程較復(fù)雜，對(duì)電路的影響不能忽視。 171.2.2 1.2.2 功率二極管的基本特性功率二極管的基本特性 關(guān)斷過程：關(guān)斷過程：導(dǎo)通狀態(tài)的二極管關(guān)斷須經(jīng)過一個(gè) 短暫的反向恢復(fù)過程才能進(jìn)入截止 狀態(tài)；在恢復(fù)過程中有較大的反向 電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電 壓過沖，如左圖。延遲時(shí)間：td= t1- t0 電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值 tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。關(guān)斷損耗：一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)關(guān)斷過程產(chǎn)生的 損耗： 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置

11、 2Fd1FFofftttiuTP其中：T為開關(guān)周期181.2.2 1.2.2 功率二極管的基本特性功率二極管的基本特性開通過程開通過程：功率二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間 tfr，開通過程電壓與電流的乘積形成開通損耗： 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置fr0FFond1ttiuTP其中： T為開關(guān)周期191.2.2 1.2.2 功率二極管的基本特性功率二極管的基本特性注意：注意： 二極管開通、關(guān)斷均有個(gè)過程，需要一定的時(shí)間，在此動(dòng)態(tài)過程中二極管的單向?qū)щ娦阅懿坏湫?，正向表現(xiàn)高阻（穩(wěn)態(tài)時(shí)表現(xiàn)為低阻），反向呈現(xiàn)低阻

12、（穩(wěn)態(tài)時(shí)表現(xiàn)為高阻）,開關(guān)動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生動(dòng)態(tài)損耗，當(dāng)動(dòng)態(tài)時(shí)間與工作頻率決定的開關(guān)周期相近時(shí)，二極管不能正常整流，損耗很大。 201.2.3 1.2.3 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù) 1. 正向平均電流正向平均電流IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)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 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按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。 當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當(dāng)采用反向漏電流較大的功率二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小 211.2.3 1.2.

13、3 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù)o 對(duì)于正弦半波電流，假定其電流峰值為IM，則其平均值為 o 其正弦半波電流的有效值為o 定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用表示，即 M0MAV)(dsin21IttII2)(dsin21M202rmsMIttII電流平均值電流有效值fK221.2.3 1.2.3 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù)o 正弦半波電流的波形系數(shù)o 實(shí)際使用中，流過二極管的電流波形形狀并不是一定的，各種周期性的電流波形都有一個(gè)電流有效值，依據(jù)有效值相等的原則，如果功率二極管所流過的最大電流有效值為I，則其二極管額定電流一般選擇為 式中的系數(shù)是

14、安全系數(shù)，系數(shù)1.57為正弦半波的波形系數(shù)。 57. 12AVrmsfIIK57. 1)25 . 1 (F(AV)II 231.2.3 1.2.3 功率二極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù)2. 正向壓降正向壓降UF 指功率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(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降 有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降3. 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3 使用時(shí)，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的2倍左右來選定 241.2.3 1.2.3 功率二

15、極管的主要參數(shù)功率二極管的主要參數(shù) 4. 最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示 最高工作結(jié)溫是指在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) 5. 反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trr trr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時(shí)間 6. 浪涌電流浪涌電流IDSM 指功率二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。 25課堂思考課堂思考： 半波整流電路，輸入正弦電壓值半波整流電路，輸入正弦電壓值100V100V，頻率，頻率 10kHz10kHz，電流有效值，電流有效值10A10A，如何選

16、擇二極管？，如何選擇二極管？ 26選擇要點(diǎn)：選擇要點(diǎn)：耐壓選擇： 擊穿電壓大于280V正向開通時(shí)間、反向恢復(fù)時(shí)間：遠(yuǎn)小于100s通態(tài)平均電流：按有效值相等原則，選擇電流值并留有一 定余量。A6 . 957. 110)25 . 1 (F(AV)I 271.31.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 1.3.1 1.3.1 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 1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 281.3.1 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)

17、構(gòu)與工作原理一、晶閘管簡(jiǎn)介一、晶閘管簡(jiǎn)介晶閘管晶閘管（Thyristor）：又稱晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管1957年美國(guó)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(shí)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(chǎng)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（如：雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管等） 291

18、.3.1 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理二、晶閘管的結(jié)構(gòu)與封裝二、晶閘管的結(jié)構(gòu)與封裝 外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)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(gè)散熱器將其夾在中間 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3301.3.1 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理三、晶閘管基本工作特性三、晶閘管基本工作特性o當(dāng)SCR的陽(yáng)極和陰極電壓 ，即 EA下正上負(fù)(

19、與圖示方向相反) 時(shí)，無 論門極G是否有電流，白熾燈不亮，說 明SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)；o當(dāng) 時(shí)，即EA上正下負(fù)(與圖示方 向相同)，只有 時(shí)，白熾燈才能 點(diǎn)亮。說明SCR沒有門極電流觸發(fā)時(shí)， 具有正向阻斷能力；當(dāng)滿足 ， 條件時(shí)可以導(dǎo)通。oSCR一旦導(dǎo)通，此時(shí)去掉EG（即再令 ），白熾燈仍保持點(diǎn)亮，說明SCR仍保持導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后SCR的管壓降為1V左右，主電路中的電流IA由白熾燈內(nèi)阻、RW和EA的大小決定。o在IA逐漸降低（通過調(diào)整RW）至某一個(gè)小數(shù)值時(shí)，剛剛能夠維持SCR導(dǎo)通；此時(shí)如果繼續(xù)降低IA，則SCR會(huì)關(guān)斷，該小電流稱為SCR的維持電流。 0GI0AKU0AKU0AKU0GI0GI

20、 311.3.1 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管基本工作特性歸納：晶閘管基本工作特性歸納：承受反向電壓時(shí)(UAK 0， IGK 0才能開通)；晶閘管一旦導(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 。 從這個(gè)角度可以看出，SCR是一種電流控制型的電力電子器件。 321.3.1 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理四、晶閘管的工作機(jī)理四、晶閘管的工作機(jī)理在分析SCR的工作原理時(shí)，常將其等效為兩個(gè)晶體管V1和V2串級(jí)而成。其工作過程如下： UGK0 產(chǎn)生IG V2通產(chǎn)生IC2 V1通 IC1 IC2 出現(xiàn)

21、強(qiáng)烈的正反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，即使去掉門極電流，仍能維持導(dǎo)通。 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) 工作原理331.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1、晶閘管的靜態(tài)伏安特性晶閘管的靜態(tài)伏安特性第第I象限的是正向特性象限的是正向特性o有阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之分。 在正向阻斷狀態(tài)時(shí)，晶閘管 的伏安特性是一組隨門極電 流的增加而不同的曲線簇。o當(dāng)IG足夠大時(shí)，晶閘管的正 向轉(zhuǎn)折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣

22、 第第III象限的是反向特性象限的是反向特性o晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。 正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2IG1IG341.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，為正向阻斷狀態(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(yáng)極電流降至接近于零

23、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。 351.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸 發(fā)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安 特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、 電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。 361.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 與二極管類 似，開通、 關(guān)斷

24、過程產(chǎn) 生動(dòng)態(tài)損耗 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA371.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 1) ) 開通過程開通過程延遲時(shí)間延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值 的10%的時(shí)間上升時(shí)間上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間開通時(shí)間開通時(shí)間tgt：以上兩者之和， tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時(shí)間為0.51.5s，上升時(shí)間為0.53s 381.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2) ) 關(guān)斷過程關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間t

25、rr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減 至近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能 力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)▽?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒，這是設(shè)計(jì)反向電壓設(shè)計(jì)時(shí)間的依據(jù)。 391.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)1.1.電壓額定電壓額定1) 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(shí)，允許

26、重復(fù) 加在器件上的正向峰值電壓,一般為正向轉(zhuǎn) 折電壓的80。 2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù) 加在器件上的反向峰值電壓，一般為反向 擊穿電壓的80 。3) 通態(tài)（峰值）電壓UTM 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均 電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓（一般為2V）。 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。 401.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2. 2. 額定電流額定電流1) 通態(tài)平均電流（額定電流） IT(AV) 晶閘管在環(huán)境溫度為

27、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(shí)所允許連續(xù)流過的單相工頻正弦半波電流的最大平均值。o 使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管額定電流。o 實(shí)際使用時(shí)應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍。 411.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)o 對(duì)于一只額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，允許的電流有 效值應(yīng)該為157A（考慮正弦半波波形系數(shù)）。o 對(duì)于特定電流波形，其有效值和平均值的比值成為波形 系數(shù)Kf=Irms/IAV，按有效值相等原則選擇晶閘管時(shí)遵循：o 例：例：當(dāng)三個(gè)不同的電流波形，分別流經(jīng)額定電流為 IT(AV)= 100A的晶閘管時(shí)

28、，其允許的電流平均值為IAV不 同。T(AV)AVf57. 1IIK 421.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)（1）正弦半波整流電流波形狀態(tài) 431.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)o 實(shí)際波形的平均值:o 實(shí)際波形的有效值:o 波形系數(shù):o 100A的器件允許的電流平均值: 這時(shí)100A的器件只能當(dāng)作70A(平均值)使用.22. 2AVrmsIIKf22)(d)sin(21m22mrmsIttII2)(dsin21m2mAVIttIIA7 .7022. 2157AVI 441.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)（2）正弦全波整流電流波

29、形狀態(tài) 45o實(shí)際波形的平均值:o實(shí)際波形的有效值:o實(shí)際波形的波形系數(shù):o100A的器件允許的電流平均值: 這時(shí)100A的器件可當(dāng)作140A(平均值)使用1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2)(d)sin(1m02mrmsIttIIm0mAV2)(dsin1IttII11. 1AVrmsIIKfA14111. 1157AVI 461.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)（3）方波半波整流電流波形狀態(tài) 47o 實(shí)際波形的平均值:o 實(shí)際波形的有效值:o 實(shí)際波形的波形系數(shù):o 100A的器件允許的電流平均值: 這時(shí)100A的器件只能當(dāng)作90A(平均值)使用

30、.1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)3)(d)(21m3202mrmsItII3)(d21m320mAVItII73. 1AVrmsIIKfA7 .9073. 1157AVI 481.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2) ) 維持電流維持電流 IH 晶閘管處于通態(tài)時(shí)，使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流 一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小 3) ) 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(hào)后，能維持導(dǎo)通 所需的最小電流 對(duì)同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍 4) ) 浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情

31、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 491.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)3 3、動(dòng)態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)（1）晶閘管的開通時(shí)間tgt與關(guān)斷時(shí)間 tq 開通與關(guān)斷時(shí)間的含義如前所述 （2）斷態(tài)電壓臨界上升率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。（2）通態(tài)電流臨界上升率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，則晶閘管剛一開通，便會(huì)有 很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱 而使晶閘管損壞。 50開通條件與關(guān)斷條件舉例一開通條件與關(guān)斷條

32、件舉例一 51開通條件與關(guān)斷條件舉例二開通條件與關(guān)斷條件舉例二 52晶閘管應(yīng)用要點(diǎn)：晶閘管應(yīng)用要點(diǎn)：1、觸發(fā)導(dǎo)通條件：觸發(fā)導(dǎo)通條件： UAK0，UGK0（或IGK0） ，并有足夠的觸發(fā)功率。 一旦器件導(dǎo)通，門極電流就不再具有控制作用。因此，門極觸發(fā)電流可用脈沖電流，無需用直流。2、晶閘管的關(guān)斷方法：晶閘管的關(guān)斷方法： 自然關(guān)斷：在導(dǎo)通期間，如果要求器件返回到正向阻斷狀態(tài)，必 須令門極電流為零，且將陽(yáng)極電流降低到一個(gè)稱為維 持電流的臨界極限值以下，并保持一段時(shí)間。 強(qiáng)迫關(guān)斷：通過加一反向電壓UAK0，并保持一段時(shí)間使其關(guān)斷。在實(shí)際電路中是采用陽(yáng)極電壓反向、減小陽(yáng)極電壓、增大回路阻抗等方式，使陽(yáng)極

33、電流小于維持電流，使晶閘管關(guān)斷。 53晶閘管應(yīng)用要點(diǎn)：晶閘管應(yīng)用要點(diǎn)：3、晶閘管可靠關(guān)斷的條件：晶閘管可靠關(guān)斷的條件： 關(guān)斷時(shí)間tq：恢復(fù)晶閘管電壓阻斷能力所需的最小電路 換流反壓時(shí)間。 電路換流反壓時(shí)間t：正向電流過零點(diǎn)與重新施加正向 電壓的起點(diǎn)之間的時(shí)間間隔。 可靠關(guān)斷的條件： UAK0 (或IA tq。由于在觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)積累的非平衡載流子需要恢復(fù)時(shí)間，使其可靠 關(guān)斷，因此需要在t tq之后再施加正向電壓而不會(huì)導(dǎo)通。 541.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件1.1. 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)

34、計(jì)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)行了改進(jìn)，開關(guān)時(shí)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(shí)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，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng) 551.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2.2. 雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 a)b)IOUIG=0G

35、T1T2561.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G正、反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性；門極正、負(fù)脈沖電流均可觸發(fā)導(dǎo)通TRIAC與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State RelaySSR）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電流值。 571.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3.3.逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting

36、ThyristorRCT）將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)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(shí)間短、高溫 特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè) 是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管 的電流常應(yīng)用于各類逆變器和斬波器的應(yīng)用 中。 b)a)UOIKGAIG=0逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性581.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件 4.4. 光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)AGKa)

37、OUAKIA591.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)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(chǎng)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 601.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件5 5、門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶閘管的一種派生器件，當(dāng)UAK0，UGK0（或IGK

38、0），可以觸發(fā)導(dǎo)通可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流（IGK0）使其關(guān)斷，屬于全控型器件（通過控制極可以控制開通、也可以控制關(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(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) 61 典型全控型器件典型全控型器件 1.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR） 621.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR） 術(shù)語(yǔ)用法：術(shù)語(yǔ)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（Bipolar Junct

39、ion TransistorBJT），英文有時(shí)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(gè)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和功率MOSFET取代 631.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR）1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 基本原理與普通的雙極結(jié)型晶體管是一樣的 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(gè)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 分為NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)，一般為NPN結(jié)構(gòu)，PNP結(jié)構(gòu)耐 壓低， 641.4 1.4 電力晶

40、體管（電力晶體管（GTR） 651.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR）2. GTR的基本特性的基本特性（1 1）靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為：截止區(qū)、有源區(qū)（放大區(qū)）和飽和區(qū)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)。在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過有源區(qū)UCEO為基極開路時(shí)集、射極之間的擊穿電壓；UCES為基極和發(fā)射極短接時(shí)集、射極之間的擊穿電壓；UCEX為發(fā)射極反偏時(shí)集、射極之間的擊穿電壓；UCBO為發(fā)射極開路時(shí)集電極與基極之間的擊穿電壓 661.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR）（a）GTR共射接法（b）共射接法輸出特性 671.

41、4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR）（a a）截止區(qū)（）截止區(qū)（又稱阻斷區(qū)）又稱阻斷區(qū)）iB0，開關(guān)處于斷態(tài)GTR承受高電壓而僅有極小的漏電流存在集電結(jié)反偏UBC0，發(fā)射結(jié)反偏UBE0 ；或集電結(jié)反偏UBC0 ，發(fā)射結(jié)偏壓為零UBE=0（b b）有源區(qū)（）有源區(qū)（又稱放大區(qū)或線性區(qū)又稱放大區(qū)或線性區(qū)）iC與iB之間呈線性關(guān)系，特性曲線近似平直UBC0 對(duì)于工作于開關(guān)狀態(tài)的GTR來說，應(yīng)當(dāng)盡量避免工作于有源區(qū)，否則功耗很大，要快速通過有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)截止與飽和之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 681.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR）（c c）飽和區(qū)）飽和區(qū)開關(guān)處于通態(tài)，iB變化時(shí)，iC不再隨之變

42、化導(dǎo)通電壓和電流增益均很小UBC0， UBE0（d d）準(zhǔn)飽和區(qū)）準(zhǔn)飽和區(qū)指有源區(qū)與飽和區(qū)之間的一段區(qū)域，即特性曲線明顯彎曲的部分iC與iB之間不再呈線性關(guān)系，UBC0 691.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR）（e e）失控區(qū)）失控區(qū)當(dāng)UCE 超過一定值時(shí)，晶體管進(jìn)入失控區(qū)，會(huì)導(dǎo)致雪崩擊穿。UCEO：基極開路，對(duì)應(yīng)的反向擊穿電壓；UCEs ：基極和發(fā)射極短路所對(duì)應(yīng)的電壓；UCEx : 基極負(fù)偏所對(duì)應(yīng)的電壓。 701.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR） （2 2）動(dòng)態(tài)特性）動(dòng)態(tài)特性 開通過程開通過程 延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton td主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)

43、壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。增大IB1的幅值并增大diB/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開通過程 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形711.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR） 關(guān)斷過程關(guān)斷過程 儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff ts是用來除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分 減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)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(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度 減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度的負(fù)面作用是會(huì)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(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比

44、晶閘管和GTO都短很多 721.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR） 3. GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù) 電流放大倍數(shù) 、直流電流增益hFE（一般可認(rèn)為 hFE ）、 集射極間漏電流ICEO、集射極間飽和壓降UCES、開通時(shí)間ton和 關(guān)斷時(shí)間toff ; 之外有：1）最高工作電壓）最高工作電壓UCEM GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿 擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有 關(guān) 如圖所示，有UCBO UCEX UCES UCEO，實(shí)際使用時(shí)，為 確保安全，最高工作電壓要比UCEO低得多 731.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR） 2） 集電極最大允許電流集電極最

45、大允許電流ICM 通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的IC 實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一點(diǎn) 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(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高 工作溫度 741.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR） 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)一次擊穿一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，IC迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿 特點(diǎn)：在IC增大過程中，集電結(jié)電壓基本不變，只要IC不超過 限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變；二次擊穿二次擊穿 一次擊穿發(fā)生

46、時(shí)IC增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并 伴隨集電極電壓的陡然下降，即出現(xiàn)了負(fù)阻效應(yīng)，這種現(xiàn)象 稱為二次擊穿。 二次擊穿的持續(xù)時(shí)間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，必需避免。 751.4 1.4 電力晶體管（電力晶體管（GTR） 安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe 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PSB限定（GTR特有）電力電子器件都有安全 工作區(qū)，通常由最大工 作電流、最大耗散功率、 最高工作電壓構(gòu)成。實(shí) 際應(yīng)用時(shí)器件必須工作 于安全工作區(qū)的范圍內(nèi)， 以免損壞。 GTR的安全工作區(qū) 76 典型

47、全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（P-MOSFET) ) 771.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) ) 基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡(jiǎn)稱功率MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單

48、，需要的驅(qū)動(dòng)功率小 開關(guān)速度快，工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，無二次擊穿現(xiàn)象 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 781.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )1. 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 功率功率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(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于） 零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道 功率功率MOSFET主要是主要是N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型 791.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(

49、 (P-MOSFET) )MOSFET 的結(jié)構(gòu)圖及電路符號(hào)(a) N溝道增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)圖 (b) N溝道增強(qiáng)型符號(hào) (c) P溝道增強(qiáng)型符號(hào) 801.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) ) N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型P-MOSFET的基本工作特性的基本工作特性 截止：漏源極間加正電壓偏置，柵源極間電壓為零 （UDS0，UGS=0) 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)UGSUT（開啟電壓或閾值電壓，典型值24V）時(shí)，漏 極和源極導(dǎo)電 811.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )2. P-MOSFET的靜態(tài)工作特性的靜態(tài)工作特性1）輸出

50、特性輸出特性P-MOSFET的靜態(tài)工作特性如圖所示，漏極伏安特性又稱輸出特性，可以分為三個(gè)區(qū)：可變電阻區(qū)，飽和區(qū)，擊穿區(qū)。電力電子電路中P-MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)。P-MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。P-MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。 821.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )PMOSFET靜態(tài)工作特性（a）漏極伏安特性 （b）轉(zhuǎn)移特性（a）（b） 831.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )2）轉(zhuǎn)移特性）轉(zhuǎn)移特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱

51、為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性ID較大時(shí)，ID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圖中所示的UGS(th)為開啟電壓，只有 時(shí)才會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電溝道，產(chǎn)生漏極電流iD。 GS(th)GSUU841.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )3、P-MOSFET的動(dòng)態(tài)工作特性的動(dòng)態(tài)工作特性1）輸入等效電容模型）輸入等效電容模型 P-MOSFET是多數(shù)載流子 器件，不存在少數(shù)載流子 特有的存儲(chǔ)效應(yīng)，因此開 關(guān)時(shí)間很短，影響開關(guān)速 度的主要是器件極間電容。 輸入電容：GDGSinCCC 851.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSF

52、ET) ) 2）P-MOSFET的開關(guān)波形的開關(guān)波形 (a) 測(cè)試電路 (b) 開關(guān)過程波形861.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )（1）開通過程）開通過程開通延遲時(shí)間開通延遲時(shí)間td(on) Up前沿時(shí)刻到UGS=UGS(th)并開始出現(xiàn)iD 的時(shí)刻間的時(shí)間段上升時(shí)間上升時(shí)間tr UGS從UGS(th)上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵 壓UGSP的時(shí)間段 iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻RL決定 UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān) UGS達(dá)到UGSP后，在Up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD 已不變 開通時(shí)間開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與上升

53、時(shí)間之和 rd(on)onttt871.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )（2）關(guān)斷過程）關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) Up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，UGS按指數(shù)曲線下降到 UGSP、iD開始減小時(shí)的時(shí)間段下降時(shí)間下降時(shí)間tf UGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到UGS20V 將 導(dǎo)致絕緣層擊穿 901.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )（4 4）極間電容極間電容 ： P-MOSFET的三個(gè)極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，一般廠家提供的是漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共

54、源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss，它們之間的關(guān)系是： Ciss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 輸入電容可近似用Ciss代替，但這些電容都是非線性的。 911.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) )5.5.P-MOSFET的安全工作區(qū)的安全工作區(qū) P-MOSFET是多數(shù)載流子工作的器件，元件的通態(tài)電阻具有 正的溫度系數(shù)，即溫度升高通態(tài)電阻增大，使漏極電流能隨 溫度升高而下降，因而不存在電流集中和二次擊穿的限制， 有較寬的安全工作區(qū)。其安全工作區(qū)由最大漏極電流限制線、 最大功耗限制線、最大漏源電壓限制線、開通電阻限

55、制線決 定。 921.5 1.5 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管( (P-MOSFET) ) GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，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(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單 兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件 93 典型全控型器件典型全控型器件 1.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT) ) 941.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT基礎(chǔ)知識(shí)基礎(chǔ)知識(shí)絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipo

56、lar TransistorIGBT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng)， 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 95 1.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT 1. 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EIGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào) 961.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT （1）IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 如圖所示，N溝道MOSFET與GTR

57、組合N溝道IGBT （N-IGBT） IGBT比P-MOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積 的P+N結(jié)J1 使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)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(jiǎn)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(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻 971.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT （2）IGBT的工作原理的工作原理 驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)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UGE(th)時(shí)，MOSFET

58、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信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消 失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷 98 1.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT 2. IGBT的靜態(tài)工作特性的靜態(tài)工作特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性 99（1）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(shí)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(shí)，U

59、GE(th)的值一般為26V（2）輸出特性（伏安特性）：）輸出特性（伏安特性）： 以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系 分為四個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。 UCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài) 1.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT100IGBT的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 1.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT101（1）IGB

60、T的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行 開通延遲時(shí)間td(on) 從UGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10% ICM 電流上升時(shí)間tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間 開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和 UCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程 1.6 1.6 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT102（2）IGBT的關(guān)斷過程的關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 從