電力電子器件學習教案

1、會計學1電力電力(dinl)電子器件電子器件第一頁，共209頁。熟悉和掌握各種電力電子器件的結構、原理、特性熟悉和掌握各種電力電子器件的結構、原理、特性(txng)主要參數(shù)和使用方法，是學好電力電子技術的前提。主要參數(shù)和使用方法，是學好電力電子技術的前提。常用電力電子器件常用電力電子器件電力二極管電力二極管(PD)、晶閘管、晶閘管（SCR）及其派生器件、可關斷晶閘管（）及其派生器件、可關斷晶閘管（GTO）、）、功率晶體管（功率晶體管（GTR）、功率場效應晶體管（）、功率場效應晶體管（P-MOS)、絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、集成門極換流晶閘管）、集成門極換流晶閘管（IG

2、CT）和功率集成電路）和功率集成電路(PIC)。晶閘管（晶閘管（SCR）、可關斷晶閘管（）、可關斷晶閘管（GTO）、集成門極）、集成門極換流晶閘管（換流晶閘管（IGCT）是當今電力電子技術中關鍵的應）是當今電力電子技術中關鍵的應用器件。用器件。第1頁/共208頁第二頁，共209頁。第2頁/共208頁第三頁，共209頁。 圖圖2.1.1 2.1.1 電力電子器件的理想電力電子器件的理想(lxing)(lxing)開關模型開關模型l一、基本模型：一、基本模型：第3頁/共208頁第四頁，共209頁。第4頁/共208頁第五頁，共209頁。第5頁/共208頁第六頁，共209頁。第6頁/共208頁第七頁，

3、共209頁。器件種類器件種類開關開關功能功能器件特性概略器件特性概略應用領域應用領域電力電力二極管二極管不可不可控控5kV/3kA5kV/3kA400Hz400Hz各種整流裝置各種整流裝置晶閘管晶閘管半控半控導通導通6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR煉鋼廠、軋鋼機、直流輸電、煉鋼廠、軋鋼機、直流輸電、電解用整流器電解用整流器可關斷可關斷晶閘管晶閘管自關自關斷型斷型（全（全控）控）6kV/6kA500Hz工業(yè)逆變器、電力機車用逆變工業(yè)逆變器、電力機車用逆變器、無功補償器器、無功補償器P-MOSFETP-MOSFET600V/7

4、0A100kHz開關電源、小功率開關電源、小功率UPSUPS、小功率、小功率逆變器逆變器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2kHz各種整流各種整流/ /逆變器（逆變器（UPSUPS、變頻、變頻器、家電）、電力機車用逆變器、家電）、電力機車用逆變器、中壓變頻器器、中壓變頻器第7頁/共208頁第八頁，共209頁。器件器件v2.9 、電力電子器件的驅、電力電子器件的驅動動(q dn)與保護與保護第8頁/共208頁第九頁，共209頁。1、結構、結構2、工作、工作(gngzu)原原理理3、特性、特性4、參數(shù)、參數(shù)第9頁/共208頁第十頁，共209頁。第10頁

5、/共208頁第十一頁，共209頁。著積極的作用著積極的作用, 具有不可替代具有不可替代的地位。的地位。第11頁/共208頁第十二頁，共209頁。圖圖2.2.1電力二極管的外形、結構和電氣電力二極管的外形、結構和電氣(dinq)圖形符圖形符 a）結構）結構 b）外形）外形 c）電氣）電氣(dinq)圖形圖形第12頁/共208頁第十三頁，共209頁。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內電場第13頁/共208頁第十四頁，共209頁。l圖圖2.2.2 2.2.2 電力二極管的伏安電力二極管的伏安(f n)(f n)特性曲線特性曲線第1

6、4頁/共208頁第十五頁，共209頁。第15頁/共208頁第十六頁，共209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(hud)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16頁/共208頁第十七頁，共209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(kn xu)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17頁/共208頁第十八頁，共

7、209頁。第18頁/共208頁第十九頁，共209頁。第19頁/共208頁第二十頁，共209頁。1、電力、電力(dinl)二極管的伏安特性二極管的伏安特性 當電力二極管承受的正當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定增加，處于穩(wěn)定(wndng)導導通狀態(tài)。與正向電流通狀態(tài)。與正向電流IF對應的對應的電力二極管兩端的電壓電力二極管兩端的電壓UF即即為其正向電壓降。為其正向電壓降。 當電力二極管承受反向電當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。數(shù)值恒

8、定的反向漏電流。圖圖2.2.2 2.2.2 電力電力(dinl)(dinl)二極管的二極管的伏安特性曲線伏安特性曲線 特性曲線特性曲線:/(1)TV VSIIe第20頁/共208頁第二十一頁，共209頁。第21頁/共208頁第二十二頁，共209頁。狀態(tài)狀態(tài)(zhungti)：過程過程(guchng)：導通、阻斷開通、關斷定義：定義：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程（反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程（關斷過程、開通過程關斷過程、開通過程）。）。第22頁/共208頁第二十三頁，共209頁。圖圖2.2.3 2.2.3 電力二極管開關過程中電壓電力二極管開關過程中電壓(diny)(diny)、電流波形、電流波

9、形第23頁/共208頁第二十四頁，共209頁。第24頁/共208頁第二十五頁，共209頁。需一定的時間來儲存大量非平衡需一定的時間來儲存大量非平衡少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大。大。正向電流的上升會因器件自身的正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升電感而產生較大壓降。電流上升率越大，率越大，UFPUFP越高越高 。（2 2）開通特性：如圖（）開通特性：如圖（b b）所示）所示 電力二極管由零偏置轉換為正向電力二極管由零偏置轉換為正向(zhn xin)(zhn xin)偏置的通態(tài)過程。偏置的通態(tài)過程。圖圖2.2.3 2.2.3 電力二極管開關電力二極

10、管開關(kigun)(kigun)過程中電壓、電流波形過程中電壓、電流波形第25頁/共208頁第二十六頁，共209頁。圖圖2.2.3 2.2.3 電力二極管開關過程電力二極管開關過程(guchng)(guchng)中電壓、電流波形中電壓、電流波形第26頁/共208頁第二十七頁，共209頁。電力電力(dinl)(dinl)二極管的主要類型：二極管的主要類型：第27頁/共208頁第二十八頁，共209頁。第28頁/共208頁第二十九頁，共209頁。 0)(sin21mmAVFIttdII（2.2.52.2.5）（2.2.42.2.4）（2.2.62.2.6）（2.2.72.2.7）2)sin(210

11、2mmFItdtII 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可求出正弦半波電流的波形(b xn)(b xn)系數(shù)系數(shù): : 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(shù)（脈動系數(shù)），用波形系數(shù)（脈動系數(shù)），用K Kf f表示：表示：額定電流有效值為額定電流有效值為: :（1）額定正向平均電流）額定正向平均電流IF(AV)第29頁/共208頁第三十頁，共209頁。第30頁/共208頁第三十一頁，共209頁。/1.57FAVFIIIF(AV)=(1.52) IF /1.

12、57第31頁/共208頁第三十二頁，共209頁。如手冊上某電力二極管的額定電流為100A，說明：允許(ynx)通過平均值為100A的正弦半波電流；允許(ynx)通過正弦半波電流的幅值為314A；允許(ynx)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(ynx)值。ImFAVI1.57FFAVII第32頁/共208頁第三十三頁，共209頁。（2 2）反向重復）反向重復(chngf)(chngf)峰值電壓峰值電壓RRMRRM： 指器件能重復施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）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此電壓通常為擊穿電壓U U的

13、的2/32/3。l（3 3） 正向壓降正向壓降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的正向平均電壓( (又稱管壓降又稱管壓降) )。（4 4） 反向漏電流反向漏電流RRRR：指器件對應于反向重復峰值電壓時的反向電流。指器件對應于反向重復峰值電壓時的反向電流。 （5）最高工作結溫最高工作結溫jM：第33頁/共208頁第三十四頁，共209頁。D1D2D3D4VDCVAC（a）整流（b）續(xù)流DLiSVSRR第34頁/共208頁第三十五頁，共209頁。第35頁/共208頁第三十六頁，共209頁。第36頁/共208頁第三十七頁，共

14、209頁。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37頁/共208頁第三十八頁，共209頁。圖圖2.3.1 2.3.1 晶閘管的外型晶閘管的外型及符號及符號(fho)(fho)1、晶閘管的結構：晶閘管的結構：第38頁/共208頁第三十九頁，共209頁。常用(chn yn)晶閘管的結構螺栓(lushun)型晶閘管晶閘管模塊(m kui)平板型晶閘管外形及結構第39頁/共208頁第四十頁，共209頁。圖圖2.3.2 2.3.2 晶閘管的散熱器晶閘管的散熱器第40頁/共208頁第四十一頁，共20

15、9頁。晶閘管的結構(jigu)和結構(jigu)模型螺栓(lushun)型第41頁/共208頁第四十二頁，共209頁。額定電壓額定電壓, ,用百位或千位數(shù)表示取用百位或千位數(shù)表示取UFRMUFRM或或URRMURRM較小者。正、反向斷態(tài)重復較小者。正、反向斷態(tài)重復(chngf)(chngf)峰值電壓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KP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42頁/共208頁第四十三頁，共209頁。圖圖2.3.3 2.3.3 晶閘管的結構晶閘管的結構(jigu)(jigu)模型和

16、等效電模型和等效電路路 1 1）導通：晶閘管陽極施加正向電壓時）導通：晶閘管陽極施加正向電壓時, , 若給門極若給門極G G也加正向電壓也加正向電壓Ug,Ug,門極電流門極電流IgIg經三極管經三極管T2T2放大后成為集電極電流放大后成為集電極電流Ic2Ic2，Ic2Ic2又是三極管又是三極管T1T1的基極電流的基極電流, , 放大后的集電極電流放大后的集電極電流Ic1Ic1進一步使進一步使IgIg增大且又作為增大且又作為T2T2的基極電流流入。重復上述正反饋過程，兩個三極管的基極電流流入。重復上述正反饋過程，兩個三極管T1T1、T2T2都快速進入飽和狀態(tài)都快速進入飽和狀態(tài), ,使晶閘管陽極使

17、晶閘管陽極A A與陰極與陰極K K之間導通。此時若撤除之間導通。此時若撤除Ug, T1Ug, T1、T2T2內部電流仍維持原來的方向內部電流仍維持原來的方向(fngxing),(fngxing),只要滿足陽極正偏的條件只要滿足陽極正偏的條件, ,晶閘管就一直導通。晶閘管就一直導通。晶閘管晶閘管( (單向導電性單向導電性),),導通條件為導通條件為陽極正偏陽極正偏和和門極正偏門極正偏。雙晶體管模型：雙晶體管模型：T T2 2的集電極與的集電極與T T1 1基極連基極連T T2 2的的基基極與極與T T1 1集電集電極連極連第43頁/共208頁第四十四頁，共209頁。 在極短時間內使兩個三極管均飽

18、和在極短時間內使兩個三極管均飽和(boh)導通，此過程稱觸發(fā)導通。導通，此過程稱觸發(fā)導通。G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii EA+_R T1T2EG_+G21iG2iGi2Bi第44頁/共208頁第四十五頁，共209頁。EA+_R T1T2EG2BiG2iGiG21i_+G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii G第45頁/共208頁第四十六頁，共209頁。圖圖2.3.3 2.3.3 晶閘管的內部結構和等效電路晶閘管的內部結構和等效電路第46頁/共208頁第四十七頁，共209頁。陽極電壓升高陽極電壓升高(shn o)(shn o)至相當高的數(shù)

19、值造成雪崩至相當高的數(shù)值造成雪崩效應效應陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dtdu/dt過高過高結溫較高結溫較高光觸發(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（而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（Light Light Triggered ThyristorLTTTriggered 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。其他其他(qt)(qt)幾種可能導通的情況：幾種可能導通的情況：第47頁/共208頁第四十八頁，共2

20、09頁。 必須使可控硅陽極電流減小，直到正反饋效應不能維持。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將陽極電源斷開或者在晶閘管的第48頁/共208頁第四十九頁，共209頁。AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效電路可控開通(kitng)關斷時：強迫(qing p)其電流 下降到維持電流以下0111CBACiIaI0222CBCCiIaI02121IIaIaIIICACCA)(12120aaIaIIgA通態(tài)時121aaAI()ACIIAgCIII第49頁/共208頁第五十頁，共209頁。

21、第50頁/共208頁第五十一頁，共209頁。UDRM、URRM正、反向斷正、反向斷 態(tài)重復峰值電壓；態(tài)重復峰值電壓；UDSM、URSM正、反向斷態(tài)正、反向斷態(tài) 不重復峰值電壓；不重復峰值電壓；UBO正向轉折電壓；正向轉折電壓；URO反向擊穿電壓。反向擊穿電壓。. 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 ：第51頁/共208頁第五十二頁，共209頁。URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHOUIIG0IG1IG2正向平均電流正向平均電流()If U曲線第52頁/共208頁第五十三頁，共209頁。圖圖2.3.4 2.3.4 晶閘管陽極伏安晶閘管陽極伏安(f n)(f n)特特性性（1

22、 1）晶閘管的正向）晶閘管的正向(zhn xin)(zhn xin)特性：特性：第53頁/共208頁第五十四頁，共209頁。圖圖2.3.4 2.3.4 晶閘管陽極伏安晶閘管陽極伏安(f (f n)n)特性特性（2 2）晶閘管的反向）晶閘管的反向(fn xin)(fn xin)特性：特性：第54頁/共208頁第五十五頁，共209頁。晶閘管的開通和關斷過程電壓晶閘管的開通和關斷過程電壓(diny)(diny)和電流波形。和電流波形。l 2.3.5 晶閘管的開通和關斷過程晶閘管的開通和關斷過程(guchng)波形波形第55頁/共208頁第五十六頁，共209頁。l1) 1) 開通開通(kitng)(k

23、itng)過程：過程：第56頁/共208頁第五十七頁，共209頁。l2.3.5 晶閘管的開通晶閘管的開通(kitng)和關斷過程波形和關斷過程波形 l2) 2) 關斷過程關斷過程(guchng)(guchng)（1-7)1-7)普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。 反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間t trrrr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間接近于零的時間第57頁/共208頁第五十八頁，共209頁。圖圖2.2.3 2.2.3 電力二極管開關電力二極管開關(kigun)(kigun)過程中電壓、電流波形過程中電壓、電

24、流波形比較比較(bjio)二極管：二極管：第58頁/共208頁第五十九頁，共209頁。第59頁/共208頁第六十頁，共209頁。（1 1）晶閘管的重復）晶閘管的重復(chngf)(chngf)峰值電壓峰值電壓額定電壓額定電壓UteUte第60頁/共208頁第六十一頁，共209頁。1 1）定義：在環(huán)境溫度為）定義：在環(huán)境溫度為4040和規(guī)定的冷卻條件下和規(guī)定的冷卻條件下, , 晶晶閘管在電阻性負載導通角不小于閘管在電阻性負載導通角不小于170170的單相工頻的單相工頻(n pn)(n pn)正弦正弦半波電路中半波電路中, , 當結溫穩(wěn)定且不超過額定結溫時所允許的當結溫穩(wěn)定且不超過額定結溫時所允許

25、的最大通態(tài)平均電流。最大通態(tài)平均電流。第61頁/共208頁第六十二頁，共209頁。 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（2.3.32.3.3）（2.3.42.3.4）（2.3.52.3.5）（2.3.42.3.4） 根據(jù)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根據(jù)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(dn (dn xin)xin)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

26、Im, Im, 則額定電流則額定電流( (平均電流平均電流) )為：為：額定電流有效值為：額定電流有效值為： 現(xiàn)定義某電流波形現(xiàn)定義某電流波形(b xn)(b xn)的有效值與平均值之比為這個電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形(b (b xn)xn)的波形的波形(b xn)(b xn)系數(shù)，用系數(shù)，用KfKf表示：表示：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：第62頁/共208頁第六十三頁，共209頁。答：第63頁/共208頁第六十四頁，共209頁。 3 3）晶閘管的銘牌上都標明）晶閘管的銘牌上都標明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫了其觸發(fā)電流和電壓在常溫下

27、的實測值，但觸發(fā)電流、下的實測值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響很大，溫電壓受溫度的影響很大，溫度升高，度升高，UGT UGT 、IGT IGT 值會顯值會顯著降低，溫度降低，著降低，溫度降低，UGT UGT 、IGT IGT 值又會增大。為了保證值又會增大。為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實際晶閘管的可靠觸發(fā)，在實際應用中，外加門極電壓的幅應用中，外加門極電壓的幅值應比值應比UGT UGT 大幾倍。大幾倍。第64頁/共208頁第六十五頁，共209頁。組組 別別ABC通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V）T0.40.4T0.50.5T0.6組組 別別DEF通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V）0.6T0.70.

28、7T0.80.8T0.9組組 別別GHI通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（V）0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表表2.3.3 2.3.3 晶閘管通態(tài)平均晶閘管通態(tài)平均(pngjn)(pngjn)電壓分組電壓分組第65頁/共208頁第六十六頁，共209頁。第66頁/共208頁第六十七頁，共209頁。（6 6）通態(tài)電流）通態(tài)電流(dinli)(dinli)臨界上升率臨界上升率 di/dt di/dt 第67頁/共208頁第六十八頁，共209頁。用，如果這個電流過大，將會用，如果這個電流過大，將會使元件誤觸發(fā)導通。使元件誤觸發(fā)導通。第68頁/共208頁第六十九頁，共209頁。第69頁/共208頁

29、第七十頁，共209頁。第70頁/共208頁第七十一頁，共209頁。1. 快速快速(kui s)晶閘管晶閘管(Fast Switching ThyristerFST第71頁/共208頁第七十二頁，共209頁。a)b)IOUIG=0GT1T2圖圖2.3.6 2.3.6 雙向晶閘管的電氣雙向晶閘管的電氣(dinq)(dinq)圖形符號和伏安特性圖形符號和伏安特性a) a) 電氣電氣(dinq)(dinq)圖形符號圖形符號 b) b) 伏伏安特性安特性2. 雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC)(TRIAC)第72頁/共208頁第七十三頁，共209頁。b)a)UOIKGAIG=0圖圖2.3.7 逆導晶閘管

30、的電氣逆導晶閘管的電氣(dinq)圖形符號和伏安特性圖形符號和伏安特性a) 電氣電氣(dinq)圖形符號圖形符號 b) 伏安伏安特性特性l3. 逆導晶閘管逆導晶閘管 (RCT)第73頁/共208頁第七十四頁，共209頁。 4. 光控晶閘管光控晶閘管(LTT)(LTT)第74頁/共208頁第七十五頁，共209頁。第75頁/共208頁第七十六頁，共209頁。第76頁/共208頁第七十七頁，共209頁。第77頁/共208頁第七十八頁，共209頁。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) 各單元各單元(dnyun)的陰極、門極間隔排列的圖形的陰極、門極間隔排列的圖形

31、b) 并聯(lián)單元并聯(lián)單元(dnyun)結構斷面示意圖結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號1、可關斷晶閘管的結構、可關斷晶閘管的結構第78頁/共208頁第七十九頁，共209頁。n不同的。門極加負脈沖不同的。門極加負脈沖(michng)(michng)即從門極抽出電即從門極抽出電流流( (即抽取飽和導通時儲存的即抽取飽和導通時儲存的大量載流子大量載流子) )，強烈正反饋使，強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。器件退出飽和而關斷。第79頁/共208頁第八十頁，共209頁。T2的電流分配(fnpi)系數(shù)2較大；T1、T2飽和深度較淺。GTO （Gate Turn-Off Thyristor）為什么

32、能靠反向觸發(fā)(chf)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11、22，由普通晶閘管分析可知：由普通晶閘管分析可知：1+2=11+2=1是器件導通的臨界條件是器件導通的臨界條件(tiojin)(tiojin)。1+211+21兩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+211+21不能維持器件飽和導通而關斷。不能維持器件飽和導通而關斷。與普通晶閘管不同的是：與普通晶閘管不同的是：22較大，較大，T2T2管易于控制管易于控制；1+211+21更接近更接近1 1，約為，約為1.051.05，( (而普通晶閘而普通

33、晶閘管管1.15).1.15).飽和程度不深，接近臨界飽和，為門飽和程度不深，接近臨界飽和，為門極控制關斷提供有利條件極控制關斷提供有利條件(tiojin)(tiojin)。02121 ()gAIa IIaa第80頁/共208頁第八十一頁，共209頁。GTOGTO與普通晶閘管不同的是：與普通晶閘管不同的是：1.1.設計器件時使得設計器件時使得22較大，晶體管較大，晶體管T2T2控制靈敏?？刂旗`敏。GTOGTO易于關斷易于關斷。2.2.導通時導通時1+21+2接近接近1 1，接近臨界飽和，接近臨界飽和(boh)(boh)，為門極控制，為門極控制關斷提供有利條件，但導通時管壓降增大。關斷提供有利條

34、件，但導通時管壓降增大。3.3.多元集成結構使每個多元集成結構使每個GTOGTO元陰極面積很小，門極與陰極間距離元陰極面積很小，門極與陰極間距離大大縮短，使得大大縮短，使得P2P2基區(qū)橫向電阻很小，從而使門極抽出較大的基區(qū)橫向電阻很小，從而使門極抽出較大的電流。電流。4.GTO4.GTO多元集成結構對關斷有利，更易于關斷；也比普通晶閘管多元集成結構對關斷有利，更易于關斷；也比普通晶閘管開通過程更快，承受開通過程更快，承受di/dtdi/dt的能力增強。的能力增強。第81頁/共208頁第八十二頁，共209頁。第82頁/共208頁第八十三頁，共209頁。l圖圖2.4.2 2.4.2 可關斷晶閘管的

35、開關可關斷晶閘管的開關(kigun)(kigun)特性特性 1）開通過程：）開通過程：1、可關斷晶閘管的特性、可關斷晶閘管的特性第83頁/共208頁第八十四頁，共209頁。l圖圖2.4.2 2.4.2 可關斷晶閘管可關斷晶閘管l 的開關的開關(kigun)(kigun)特性特性 1 1、可關斷晶閘管的特性、可關斷晶閘管的特性第84頁/共208頁第八十五頁，共209頁。2、可關斷晶閘管的主要參數(shù)、可關斷晶閘管的主要參數(shù)第85頁/共208頁第八十六頁，共209頁。GMATOoffII （2.4.3）（4 4）電流）電流(dinli)(dinli)關斷增益關斷增益off off ：第86頁/共208

36、頁第八十七頁，共209頁。l 3 3、可關斷晶閘管的應用、可關斷晶閘管的應用(yngyng) (yngyng) 1 1）GTOGTO主要用于直流變換和逆變等需要元件強迫關斷的地方，主要用于直流變換和逆變等需要元件強迫關斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達到兆瓦級的數(shù)量級。電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達到兆瓦級的數(shù)量級。v 不少不少GTOGTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時應和電力二極管串聯(lián)受反壓時應和電力二極管串聯(lián) 。v 用門極正脈沖可使用門極正脈沖可使GTOGTO開通，開通， 用門極負脈沖可以使其關用門極負脈沖可以

37、使其關斷，斷， 這是這是GTOGTO最大的優(yōu)點。最大的優(yōu)點。 但要使但要使GTOGTO關斷的門極反向電流關斷的門極反向電流比較大，比較大， 約為陽極電流的約為陽極電流的/ /左右。左右。 v GTOGTO的通態(tài)管壓降比較大，的通態(tài)管壓降比較大， 一般為一般為2 23V3V。（臨界飽和狀。（臨界飽和狀態(tài)）態(tài)）v GTOGTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型， 在使用時在使用時要特別注意。要特別注意。第87頁/共208頁第八十八頁，共209頁。第88頁/共208頁第八十九頁，共209頁。n2 2）應用：）應用：n2020世紀世紀8080年代以來，在中、小年代以

38、來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被前又大多被IGBTIGBT和電力和電力(dinl)MOSFET(dinl)MOSFET取代。取代。第89頁/共208頁第九十頁，共209頁。第90頁/共208頁第九十一頁，共209頁。圖圖2.5.2 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動(lidng) a) 內部結構斷面示意圖內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動內部載流子的流動(lidng)第91頁/共208頁第九十二頁，共209頁。BCII （2.5.1）IC=IB +ICEOv在應用中

39、，在應用中，GTR一般一般(ybn)采用共發(fā)射極接法。采用共發(fā)射極接法。v集電極電流集電極電流Ic與基極電流與基極電流Ib之比為之比為lGTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，l反映了基極電流對集電極電流的控制能力反映了基極電流對集電極電流的控制能力 v當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流ICEO時，時， IC和和IB的關系為的關系為（2.5.2）第92頁/共208頁第九十三頁，共209頁。第93頁/共208頁第九十四頁，共209頁。圖圖2.5.3共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法 時時GTR的輸出特性的輸出特性l1、GTR共射電路輸出特性共射電路輸出特性 輸出特性：截止區(qū)輸出特

40、性：截止區(qū)( (又叫阻斷區(qū)又叫阻斷區(qū)) )、線性放大線性放大(fngd)(fngd)區(qū)、準飽和區(qū)和深飽和區(qū)、準飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個區(qū)域。區(qū)四個區(qū)域。 截止區(qū)：截止區(qū)：I IB B0(0(或或I IB B=0)=0)，U UBEBE0 0，U UBCBC0 0，GTRGTR承受高電壓，且有很小的穿透電承受高電壓，且有很小的穿透電流流過，流流過，類似于開關的斷態(tài)類似于開關的斷態(tài)； 線性放大區(qū)：線性放大區(qū)：U UBEBE0 0，U UBCBC0 0，I IC C=I=IB B，GTR GTR 應避免工作在線應避免工作在線性區(qū)以防止大功耗損壞性區(qū)以防止大功耗損壞GTRGTR； 準飽和區(qū)：準飽和區(qū)：隨著

41、隨著I IB B的增大，此時的增大，此時U UBEBE0 0，U UBCBC0 0，但，但I IC C與與I IB B之間不再呈線性之間不再呈線性關系，關系，開始下降，曲線開始彎曲；開始下降，曲線開始彎曲；第94頁/共208頁第九十五頁，共209頁。圖圖2.5.4 GTR的開通和的開通和 關斷過程電流關斷過程電流(dinli)波形波形l2 2、GTRGTR的開關特性的開關特性（1）開通過程：）開通過程：第95頁/共208頁第九十六頁，共209頁。圖圖2.5.4 GTR2.5.4 GTR的開通的開通(kitng)(kitng)和和 關斷過程電流波形關斷過程電流波形l2 2、GTRGTR的開關特性

42、的開關特性（1）關斷過程：）關斷過程：第96頁/共208頁第九十七頁，共209頁。3、GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù) (1) 電壓電壓(diny)定額定額 (2) 電流定額電流定額 集基極擊穿電壓集基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開路時，集射極能承受發(fā)射極開路時，集射極能承受的最高電壓；的最高電壓； 集射極擊穿電壓集射極擊穿電壓BUCEO：基極開路時，集射極能承受的基極開路時，集射極能承受的最高電壓；最高電壓；第97頁/共208頁第九十八頁，共209頁。 3、GTR的主要參數(shù)（續(xù)）的主要參數(shù)（續(xù)）第98頁/共208頁第九十九頁，共209頁。圖圖2.5.5 飽和壓降特性曲線飽和壓降特性曲線3、GTR的

43、主要參數(shù)（續(xù)）的主要參數(shù)（續(xù)）(6) 共射直流電流共射直流電流增益增益：=ICIB第99頁/共208頁第一百頁，共209頁。l4、二次擊穿和安全、二次擊穿和安全(nqun)工作區(qū)工作區(qū)（1） 二次擊穿二次擊穿圖圖2.5.6 一次擊穿、一次擊穿、二次擊穿原理二次擊穿原理圖圖2.5.7 二次擊穿臨界線二次擊穿臨界線第100頁/共208頁第一百零一頁，共209頁。l4、二次擊穿和安全、二次擊穿和安全(nqun)工作區(qū)工作區(qū)l（2 2）安全工作區(qū)）安全工作區(qū)l 安全工作區(qū)安全工作區(qū)SOA(Safe Operation Area)SOA(Safe Operation Area)l是指在輸出特性曲線圖上是

44、指在輸出特性曲線圖上GTRGTR能夠安全運行能夠安全運行l(wèi)的電流、電壓的極限范圍。的電流、電壓的極限范圍。第101頁/共208頁第一百零二頁，共209頁。圖圖2.5.9 GTR的反偏安全工作區(qū)的反偏安全工作區(qū)圖圖2.5.8 GTR正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū) 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOA 反偏安全工作區(qū)反偏安全工作區(qū)RBSOA導通時間越短，最大功耗耐量越高。導通時間越短，最大功耗耐量越高?；鶚O反向電流越小，最大功耗耐量越高?；鶚O反向電流越小，最大功耗耐量越高。第102頁/共208頁第一百零三頁，共209頁。第103頁/共208頁第一百零四頁，共209頁。1 1）分為結型場效應管簡稱）

45、分為結型場效應管簡稱JFETJFET）和絕緣）和絕緣(juyun)(juyun)柵金屬柵金屬- -氧化物氧化物- -半導體場效應管（簡稱半導體場效應管（簡稱MOSFETMOSFET）。）。2 2）通常）通常(tngchng)(tngchng)指絕緣柵型中的指絕緣柵型中的MOSMOS型，簡稱電力型，簡稱電力MOSFETMOSFET。3 3） 4 4）特點：）特點：輸入阻抗高輸入阻抗高( (可達可達40M40M以上以上) )、開關速度快，工作頻率高、開關速度快，工作頻率高( (開關頻率開關頻率可達可達1000kHz)1000kHz)、驅動電路簡單，需要的驅動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安、

46、驅動電路簡單，需要的驅動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)全工作區(qū)(SOA)(SOA)寬；寬；電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過10kW的電力電子裝置的電力電子裝置。N N溝道溝道P P溝道溝道電力電力MOSFETMOSFET耗盡型：耗盡型：增強型增強型: :耗盡型耗盡型增強型增強型當柵極電壓為零時漏當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電源極之間就存在導電溝道；溝道；對于對于N N（P P）溝道器件）溝道器件, ,柵極電壓大于（小于柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝）零時才存在導電溝道道第104頁/共208頁第一百零五頁，共209頁。第

47、105頁/共208頁第一百零六頁，共209頁。l1、電力、電力(dinl)場效應管的結構場效應管的結構第106頁/共208頁第一百零七頁，共209頁。VDMOSVDMOS的典型的典型(dinxng)(dinxng)結結構構1、電力場效應管的結構（續(xù)）、電力場效應管的結構（續(xù)）圖圖2.6.1 N2.6.1 N溝道溝道VDMOSVDMOS管元胞結構與電氣符號管元胞結構與電氣符號第107頁/共208頁第一百零八頁，共209頁。l關斷l(xiāng)導通導通和關斷載流子流向(li xin)示意圖第108頁/共208頁第一百零九頁，共209頁。圖圖2.6.1 N2.6.1 N溝道溝道VDMOSVDMOS管元管元 胞結

48、構胞結構(jigu)(jigu)與電氣符與電氣符號號 2 2、電力場效應管的工作原理、電力場效應管的工作原理（1 1）截止：）截止：l柵源電壓柵源電壓 UGS0 或或 0UGSUTl(UT為開啟電壓，又叫閾為開啟電壓，又叫閾值電壓值電壓)；l（2 2）導通：）導通：lUGSUT時，加至漏極時，加至漏極電壓電壓UDS0；（3）漏極電流漏極電流ID ：第109頁/共208頁第一百一十頁，共209頁。 1）截止區(qū)：當）截止區(qū)：當UGSUT(UT的典型的典型 值為值為24V)時；時； 2）線性）線性(導通導通)區(qū)：當區(qū)：當UGSUT且且 UDS很小時，很小時，ID和和UGS幾乎幾乎(jh)成成 線性關

49、系。又叫歐姆工作區(qū)；線性關系。又叫歐姆工作區(qū)； 3）飽和區(qū)）飽和區(qū)(又叫有源區(qū)又叫有源區(qū))： 在在UGSUT時，時， 且隨著且隨著UDS的增大，的增大，ID幾乎幾乎(jh)不不變變; 4）雪崩區(qū)：當）雪崩區(qū)：當UGSUT，且，且 UDS 增大到一定值時；增大到一定值時；l1、靜態(tài)輸出特性、靜態(tài)輸出特性 圖圖2.6.2 VDMOS管的輸出特性管的輸出特性第110頁/共208頁第一百一十一頁，共209頁。2、主要參數(shù)、主要參數(shù)(1)通態(tài)電阻通態(tài)電阻(dinz)Ron v 在確定的柵壓在確定的柵壓U UGSGS下，下，VDMOSVDMOS由可調電阻區(qū)進入飽和區(qū)時漏極至源極由可調電阻區(qū)進入飽和區(qū)時漏極

50、至源極間的直流電阻稱為通態(tài)電阻間的直流電阻稱為通態(tài)電阻R Ronon。R Ronon是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。v 在相同條件下，耐壓等級越高的器件其在相同條件下，耐壓等級越高的器件其R Ronon值越大，另外值越大，另外R Ronon隨隨I ID D的增的增加而增加，隨加而增加，隨U UGSGS的升高而減小。的升高而減小。(2) (2) 閾值電壓閾值電壓U UT T第111頁/共208頁第一百一十二頁，共209頁。GSDmUIg （2.6.1）l2、主要參數(shù)、主要參數(shù) （續(xù)）（續(xù)）l(3) 跨導跨導gml跨導跨導gm定義定義(dngy) 表示表示(biosh)

51、UGS對對ID的控制能力的大小。實際中高跨導的管子具有更好的的控制能力的大小。實際中高跨導的管子具有更好的頻率響應。頻率響應。l(4) 漏源擊穿電壓漏源擊穿電壓BUDS BUDS決定了決定了VDMOS的最高工作電壓，它是為了避免器件進入雪的最高工作電壓，它是為了避免器件進入雪崩區(qū)而設立的極限參數(shù)。崩區(qū)而設立的極限參數(shù)。(5) 柵源擊穿電壓柵源擊穿電壓BUGS BUGS是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過高而發(fā)生介電擊穿而是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過高而發(fā)生介電擊穿而設立的參數(shù)。一般設立的參數(shù)。一般BUGS=20V。(6) 最大漏極電流最大漏極電流IDM第112頁/共208頁第一百一十三頁，共2

52、09頁。圖圖2.6.3 VDMOS2.6.3 VDMOS極間極間 電容電容(dinrng)(dinrng)等效等效電路電路 INmmCgf 2 GDGSINCCC GDDSOCCC GDRCC （2.6.2）2、主要參數(shù)、主要參數(shù)l(7) 最高工作頻率最高工作頻率fml定義定義(dngy)；式中式中CIN為器件的輸入電容為器件的輸入電容, 一般說一般說來，器件的極間電容如圖來，器件的極間電容如圖2.6.3所所示。圖中示。圖中輸入電容：輸入電容：輸出電容：輸出電容：反饋電容：反饋電容：（2.6.3）（2.6.4）（2.6.5）第113頁/共208頁第一百一十四頁，共209頁。圖圖2.6.4 VD

53、MOS2.6.4 VDMOS開關開關 過程過程(guchng)(guchng)電壓波電壓波形圖形圖 rdonttt fsoffttt （2.6.7）（2.6.6）l(8)(8)開關時間開關時間t tonon與與t toffoff開通開通(kitng)(kitng)時間：時間： 延遲時間延遲時間t td d：對應輸入電壓信號上升對應輸入電壓信號上升沿幅度為沿幅度為10%Uim 10%Uim 到輸出電壓信號下降沿到輸出電壓信號下降沿幅度為幅度為10%Uom 10%Uom 的時間間隔。的時間間隔。 上升上升t tr r時間：時間：對應輸出電壓幅度由對應輸出電壓幅度由10%U10%Uo o變變化到化到

54、90%U90%Uomom的時間，這段時間對應于的時間，這段時間對應于U Ui i向器件輸入電向器件輸入電容充電的過程。容充電的過程。關斷時間關斷時間: :l 存儲存儲t ts s時間：時間：對應柵極電容存儲電荷的對應柵極電容存儲電荷的l消失過程。消失過程。 下降時間下降時間t tf f在在VDMOSVDMOS管中，管中，t tonon和和t toffoff都可以控都可以控制得比較小，因此器件的開關速度相當高。制得比較小，因此器件的開關速度相當高。第114頁/共208頁第一百一十五頁，共209頁。圖圖2.6.5 VDMOS2.6.5 VDMOS的的 FBSOA FBSOA曲線曲線(qxin)(q

55、xin)3、安全工作區(qū)、安全工作區(qū)lVDMOSVDMOS開關頻率高，常處于動態(tài)過程，它的安全工作區(qū)分為三種情況：開關頻率高，常處于動態(tài)過程，它的安全工作區(qū)分為三種情況：正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)(FBSOA)：四條邊界極限：四條邊界極限：導通時間越短，最大功耗耐量越高。導通時間越短，最大功耗耐量越高。第115頁/共208頁第一百一十六頁，共209頁。圖圖2.6.62.6.6VDMOSVDMOS的的 SSOA SSOA曲線曲線(qxin) (qxin) 3、安全工作區(qū)、安全工作區(qū)l開關安全工作區(qū)開關安全工作區(qū)(SSOA)(SSOA) 開關安全工作區(qū)開關安全工作區(qū)(SSOA

56、)反應反應VDMOS在關斷過程中的參數(shù)極限在關斷過程中的參數(shù)極限范圍；范圍； 由最大峰值漏極電流由最大峰值漏極電流IDM、最小漏源、最小漏源擊穿電壓擊穿電壓BUDS和最高結溫和最高結溫TJM所決定所決定；第116頁/共208頁第一百一十七頁，共209頁。圖圖2.6.7 VDMOS2.6.7 VDMOS的的 CSOA CSOA曲線曲線(qxin)(qxin)dtdi3、安全工作區(qū)、安全工作區(qū)換向安全工作區(qū)換向安全工作區(qū)(CSOA)(CSOA) 換向安全工作區(qū)換向安全工作區(qū)(CSOA)(CSOA)是器是器件寄生二極管或集成二極管反向件寄生二極管或集成二極管反向恢復性能所決定的極限工作范圍恢復性能所

57、決定的極限工作范圍。l如圖如圖2.6.72.6.7所示所示第117頁/共208頁第一百一十八頁，共209頁。第118頁/共208頁第一百一十九頁，共209頁。第119頁/共208頁第一百二十頁，共209頁。第120頁/共208頁第一百二十一頁，共209頁。圖圖2.7.1 IGBT2.7.1 IGBT的結構、簡化等的結構、簡化等 效電路效電路 與電氣與電氣(dinq)(dinq)符號符號 第121頁/共208頁第一百二十二頁，共209頁。圖圖2.7.2 IGBT2.7.2 IGBT伏安伏安(f n)(f n)特性特性2.IGBT2.IGBT的工作原理的工作原理第122頁/共208頁第一百二十三頁

58、，共209頁。第123頁/共208頁第一百二十四頁，共209頁。圖圖2.7.2 IGBT的伏安的伏安(f n)特性和轉特性和轉移特性移特性1、IGBT的伏安特性和轉移特性的伏安特性和轉移特性第124頁/共208頁第一百二十五頁，共209頁。圖圖2.7.2 IGBT的伏安的伏安(f n)特特 性和轉移特性性和轉移特性1、IGBT的伏安特性和轉移特性的伏安特性和轉移特性（2 2）IGBTIGBT的轉移特性曲線（如圖的轉移特性曲線（如圖b b）IGBTIGBT關斷：關斷：IGBTIGBT開通：開通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)；第125頁/共208頁第一百二十六頁，共209頁。圖圖2.

59、7.3 IGBT2.7.3 IGBT的開關的開關(kigun)(kigun)特性特性 第126頁/共208頁第一百二十七頁，共209頁。MOSFET的關斷過程，的關斷過程，ic下降較快；下降較快； tfi2IGBT內部的內部的PNP晶體管的關斷過晶體管的關斷過程，程，ic下降較慢。下降較慢。圖圖2.7.3 IGBT2.7.3 IGBT的開關的開關(kigun)(kigun)特性特性 第127頁/共208頁第一百二十八頁，共209頁。l3、IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)第128頁/共208頁第一百二十九頁，共209頁。l圖圖2.7.5 IGBT2.7.5 IGBT的的l 安全安全(nqun)(nq

60、un)工作工作區(qū)區(qū) dtdUCEdtdUCE第129頁/共208頁第一百三十頁，共209頁。 擎住效應擎住效應(xioyng)或自鎖效應或自鎖效應(xioyng)：（：（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，相當于對橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓結施加正偏壓(pin y)，一旦，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。，電流失控。GCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg動態(tài)動