電力電子電路第一二章

1、本本章章主主要要內內容容1.1電力電子器件的特點與分類1.2功率二極管1.3晶閘管及派生器件 1.4門極可關斷晶閘管(GTO)1.5 功率晶體管(GTR)第第1章章 電力電子器件電力電子器件1.6功率場效應晶體管1.8 其他新型電力電子器件1.7絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)1.1電力電子器件的特點電力電子器件的特點 (1) 電力電子器件往往工作在開關狀態(tài); (2) 電力電子器件處理的功率較大，具有較高的導通電流和阻斷電壓; (3) 電力電子器件的工作狀態(tài)通常由信息電子電路來控制; (4) 需要緩沖和保護電路.1.1電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度按照能夠

2、被控制電路信號所控制的程度 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）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。 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通，又可以控制其關斷。通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。 不可控器件不可控器件 功率二極管（功率二極管（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。1.1電力電子器件的分類電力

3、電子器件的分類按照驅動信號的性質按照驅動信號的性質 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(xiàn)導通或者關斷的控制。如晶閘管、GTO、GTR。 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(xiàn)導通或者關斷的控制。如Power MOSFET、IGBT、SITH。根據器件內部帶電粒子參與導電的種類不同根據器件內部帶電粒子參與導電的種類不同 單極型單極型 器件內部只有一種帶電粒子參與導電，如Power MOSFET。 雙極型雙極型 器件內有電子和空穴兩種帶電粒子參與導電，如GTR和GTO。 復合型復合型 由雙極型器件與單極型器件復合而成的新器件，如IGBT。 1

4、.2功率二極管功率二極管1.2.1 功率二極管的主要類型 (1)普通二極管 又稱為整流二極管，開關頻率不高，反向恢復時間較長，正向電流定額和反向電壓定額很高，分別可達數千安和數千伏以上。 (2)快速恢復二極管 分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長；后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。工藝上通常分為PN結構和PIN結構； 其反向恢復時間比較短，正向壓降很低。 (3)肖特基二極管 優(yōu)點：反向恢復時間很短，其正向壓降也很小(0.5V) ，開關損耗小。 缺點：當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合。同時，由于反向漏電流較

5、大且對溫度敏感，反向穩(wěn)態(tài)損耗不可忽略，而且必須嚴格限制其工作溫度。1.2.2 PN結型功率二極管基本結構結型功率二極管基本結構圖1-1 功率二極管的外形、結構和電氣圖形符號1.2.2 PN結型功率二極管基本特性結型功率二極管基本特性 圖1-2 結型功率二極管的伏安特性 1.2.2 PN結型功率二極管基本特性結型功率二極管基本特性 圖1-3 結型功率二極管的開關過程1.2.4 功率二極管的主要參數功率二極管的主要參數(1) 額定電壓URR 反向不重復峰值電壓URSM是即將出現(xiàn)反向擊穿的臨界電壓，URSM的80%稱為反向重復峰值電壓URRM。(2) 額定電流IFR IFR定義為在環(huán)境溫度和規(guī)定的散

6、熱條件下，其管芯PN結的溫升不超過允許值時，所允許流過的正弦半波電流平均值。(3) 最大允許的全周期均方根正向電流IFrms(4) 最大允許非重復浪涌電流IFSM IFSM是二極管所允許的半周期峰值浪涌電流，它體現(xiàn)了功率二極管抗短路沖擊電流的能力，其值比額定電流要大得多。 FRmm011sin()2IItI2Frmsmm011(sin)()22IItdtI1.3晶閘管晶閘管-結構結構 圖圖1-5 晶閘管的外形、結構和符號晶閘管的外形、結構和符號 晶閘管就是硅晶體閘管也稱為可控硅整流器。普通晶閘管是一種具有開關作用的大功率半導體器件。1.3晶閘管晶閘管-封裝封裝 1.3晶閘管晶閘管-螺栓式螺栓式

7、1.3晶閘管晶閘管-平板式平板式1.3晶閘管晶閘管-模塊式模塊式模塊式模塊式1.3晶閘管晶閘管-P1N1P2N2A陽極（Anode）G門極（Gate）K陰極（Cathode）結結 構構AGK電氣符號電氣符號1.3晶閘管晶閘管-EgSAGKEAR晶閘管導通與關斷實驗電路晶閘管導通與關斷實驗電路1.3晶閘管晶閘管-AGKEgSEAR門極加負電壓門極加負電壓1.3晶閘管晶閘管-門極加正電壓門極加正電壓AGKEgSEARIgIA1.3晶閘管晶閘管-導通后門極加負電壓導通后門極加負電壓AGKEgSEARIA1.3晶閘管晶閘管-導通后撤除門極電壓導通后撤除門極電壓SAGKEgEARIA1.3晶閘管晶閘管-

8、導通后減小陽極電流導通后減小陽極電流AGKEgSEAnRIAR1.3晶閘管晶閘管-AGKEgSR導通后減小陽極電壓或去除陽極電壓導通后減小陽極電壓或去除陽極電壓EA1.3晶閘管晶閘管-AGKEgSEAR導通后陽極加反壓導通后陽極加反壓1.3晶閘管晶閘管-1.3晶閘管晶閘管-導通和關斷條件導通和關斷條件 1、欲使晶閘管導通需具備兩個條件： 應在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓； 應在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。2、晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。3、為使晶閘管關斷，必須使其陽極電流減小到一定數值以下，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實現(xiàn)。1.3

9、晶閘管晶閘管-工作原理工作原理圖圖1-6 晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖b2C2C22b211C111=(=)(=)GbCbIIIIa IIIIa IN2N1P2AKGP1N1P21.3晶閘管晶閘管-靜態(tài)伏安特性靜態(tài)伏安特性圖圖1-7 1-7 晶閘管伏安特性曲線晶閘管伏安特性曲線 1.3晶閘管晶閘管-基本工作特性歸納基本工作特性歸納晶閘管承受反向電壓時，不論門極有否觸發(fā)電流，晶閘管都不導通，反向伏安特性類似于二極管。(2)晶閘管承受正向電壓時，僅門極有正向觸發(fā)電流的情況下才能導通。導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿，壓降在1V左右；晶閘管一旦導通，門極就

10、失去控制作用。(3)要使晶閘管關斷，必須使晶閘管的電流下降到某一數值以下。(4)晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出；為保證可靠、安全地觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應限制在可靠觸發(fā)區(qū)，既保證有足夠的觸發(fā)功率，又確保不損壞門極和陰極之間的PN結。1.3晶閘管晶閘管-動態(tài)特性動態(tài)特性圖圖1-8 1-8 晶閘管開通和關斷過程波形晶閘管開通和關斷過程波形1.3晶閘管晶閘管-電壓電壓參數參數(1) 斷態(tài)不重復峰值電壓UDSM 晶閘管在門極開路時，施加于晶閘管的正向陽極電壓上升到正向伏安特性曲線急劇彎曲處所對應的電壓值。UDSM值小于轉折電壓Ubo。(2) 斷態(tài)重復峰值電壓UDR

11、M (UDRM =80%UDSM)(3) 反向不重復峰值電壓URSM晶閘管門極開路，晶閘管承受反向電壓時,對應于反向伏安特性曲線急劇彎曲處的反向峰值電壓值。 (4) 反向重復峰值電壓URRM URRM =80%URSM(5)額定電壓 MIN(UDRM,URRM) 1.3晶閘管晶閘管-電壓電壓參數參數(6)通態(tài)平均電壓UT(AV) 晶閘管陽極與陰極間電壓降的平均值,管壓降。 級別12345678910正反向重復峰值電 壓(V) 1002003004005006007008009001000級別12141618202224262830正反向重復峰值電壓(V)1200 1400 1600 1800

12、2000 2200 2400 2600 2800 3000表1-1 晶閘管正、反向重復峰值電壓等級1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數(1) 通態(tài)平均電流IT(Av) 在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管在導通角不小于170o的電阻性負載電路中，在額定結溫時，所允許通過的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標準電流系列取整數值，稱為該晶閘管的通態(tài)平均電流，定義為該元件的額定電流。（2）波形系數 各種有直流分量的電流波形都有一個電流平均值(一個周期內電流波形面積的平均)，也就是直流電流表的讀數值；也都有一個有效值(均方根值)?，F(xiàn)定義電流波形的有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數，

13、用Kf表示。如整流電路直流輸出負載電流id的波形系數為fd=IKI式中，I負載電流有效值； Id負載電流平均值。1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數根據規(guī)定條件，流過晶閘管為工頻正弦半波電流波形。設電流峰值為Im，則通態(tài)平均電流 該電流波形的有效值mmTavm1sin()( cos)22ooIIIItdtt2mTmm111cos2sind()()d()22222ooItIIttIt正弦半波電流波形系數Kf應有 TmfTavm/ 21.57/IIKII額定電流為100A的晶閘管，其允許通過電流有效值為1.57100=157 1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數 在實際電路中，流過晶閘管的波形可能

14、是任意的非正弦波形，如何去計算和選擇晶閘管的額定電流值，應根據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或平均值Id折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值，即TTavTavdTfdf1.571.57IIIIIK IK實際選用時，一般考慮1.52倍的安全裕量 Tavdf1.57(1.5 2)IIK1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數例例1.1： 實際流過晶閘管的電流波形i1和i2如圖，其峰值分別為Im1和Im2。計算結果如下：i10 /2 2 5/2 tIm1i2Im20 2/3 2 8/3 t 若不考慮安全裕量，求KP100型晶閘管中流過i1和i2電流時所能承受的最

15、大平均電流值。1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數（1）實際電流波形i1的平均值、有效值和波形系數i10 /2 2 5/2 tIm1平均值m1m1d122)d(sin21IttII有效值2221111111(sin)sin222242mmmItIItd( ttI2波形系數1fd12.222IKI1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數（1）若不考慮安全裕量，求KP100型晶閘管中流過i1電流時所能承受的最大平均電流值。i10 /2 2 5/2 tIm1TavTd1ff1.571.57 10070.7A2.22IIIKK考慮安全裕量Id1=70.7/(1.52)=35.3547.13A1.3晶閘管晶

16、閘管-電流電流參數參數（2）實際電流波形i2的平均值、有效值和波形系數320m2m2d23)d(21ItII平均值有效值22m22m220112() d()22323mIIItI3波形系數2fd231.73IKI1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數TavTd2ff1.571.57 10090.7A1.73IIIKK（2）若不考慮安全裕量，求KP100型晶閘管中流過i2電流時所能承受的最大平均電流值?？紤]安全裕量Id2=90.7/(1.52)=45.3560.46A1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數例例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效

17、值與波形系數。若設Im均為200A，不考慮安全裕量時，各應選擇額定電流為多大的晶閘管？d1m1m1012sind()127.3AIIttI21m1m1011sind()141.4A2IIttI有效值f11=1.112 2K波形系數波形系數平均值1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數例例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數。若設Im均為200A，不考慮安全裕量，各應選擇額定電流為多大的晶閘管？f11.11KTavd1f1d1Tavf1.57127.2 1.1190A1.571.57II KIIK（5，10，20，30，50，80，

18、100，200，300，400，500，600，800，1000）d1127.3AId1f1Tav127.2 1.11(1.52)(1.52)135180A1.571.57I KI1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數例例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數。若設Im均為200A，不考慮安全裕量時，各應選擇額定電流為多大的晶閘管？d2m2m2m2/313sind()0.47895.6A2IIttII22m2m2m2/3113sind()0.634126.8A38IIttII2f2d2=1.326IKI波形系數平均值有效值1.3晶

19、閘管晶閘管-電流電流參數參數例例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數。若設Im均為200A，不考慮安全裕量，各應選擇額定電流為多大的晶閘管？f21.326Kd2f 2Tav95.6 1.32680.76A1.571.57IKI（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）d295.6AId2f 2Tav95.6 1.326(1.52)(1.52)121.1161.5A1.571.57IKI1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數例例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流

20、波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數。若設Im均為200A，不考慮安全裕量時，各應選擇額定電流為多大的晶閘管？/2m3d3m301d()50A24IIIt2/2m33m301d()100A22IIIt3f3d3=2IKI波形系數平均值有效值1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數例例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計算各波形電流平均值、有效值與波形系數。若設Im均為200A，不考慮安全裕量，各應選擇額定電流為多大的晶閘管？f32Kd2f 2Tav50263.7A1.571.57IKI（5，10，20，30，50，80，100，200，300

21、，400，500，600，800，1000）d350AId3f 3Tav502(1.52)(1.52)95.55127.4A1.571.57IKI1.3晶閘管晶閘管-電流電流參數參數(2) 維持電流IH晶閘管被觸發(fā)導通以后，在室溫和門極開路的條件下，減小陽極電流，使晶閘管維持通態(tài)所必需的最小陽極電流。(3) 掣住電流IL晶閘管一經觸發(fā)導通就去掉觸發(fā)信號，能使晶閘管保持導通所需要的最小陽極電流。(4) 斷態(tài)重復平均電流IDR和反向重復平均電流IRR額定結溫和門極開路時，對應于斷態(tài)重復峰值電壓和反向重復峰值電壓下的平均漏電流。(5) 浪涌電流ITSM在規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內所允許的最大過載峰

22、值電流。 1.3晶閘管晶閘管-動態(tài)參數動態(tài)參數(1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt在額定結溫和門極開路下，使晶閘管保持斷態(tài)所能承受的最大電壓上升率。(2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規(guī)定條件下，晶閘管用門極觸發(fā)信號開通時，晶閘管能夠承受而不會導致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率。 (3)開通時間tON 開通時間tON由延遲時間td和上升時間tr組成。圖1-9 門極控制開通時間1.3晶閘管晶閘管-動態(tài)參數動態(tài)參數(4) 關斷時間方tOFF 關斷時間包括反向恢復時間trr和門極恢復時間tgr兩部分。從通態(tài)電流降至零瞬間起，到晶閘管開始能承受規(guī)定的斷態(tài)電壓瞬間止的時間間隔。圖1-10 晶閘管電路換向關斷

23、時間 1.3晶閘管晶閘管-派生器件派生器件1、快速晶閘管普通晶閘管一般為數百微秒，快速晶閘管為數十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。與普通晶閘管相比，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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。2、雙向晶閘管雙向晶閘管與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經濟的，而且控制電路比較簡單，所以在交流調壓電路、固態(tài)繼電器和交流電動機調速等領域應用較多。 1.3晶閘管晶閘管-派生器件派生器件3、逆導晶閘管逆導晶閘管具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。4、光控晶閘管光控

24、晶閘管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，占據重要的地位。1.3晶閘管晶閘管-型號型號例如，KP20015G的型號，具體表示為額定電流200A，額定電壓為1500V，G表示通態(tài)平均電壓(管壓降)為lV的普通型晶閘管，共有從A-I九級，對應0.4-1.2V管壓降。 KK快速晶閘管KS雙向晶閘管KA高頻晶閘管1.4門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管(GTO)圖圖1-15 GTO1-15 GTO的結構、等效電路及圖形符號的結構、等效電路及圖形符號 b2C2C22 b211C111=(=)(=)GbCbIIIIa IIIIa I1.4 GTO-開通機理開通機理12GA21 ()aa

25、IIaKAGAc1c21 A2 KIIIIIIII因1.4 GTO-關斷機理關斷機理12GMATO2() 1aaIIaGTO關斷條件： 1.4 GTO-失效機理失效機理產生原因產生原因:(1)但由于制造工藝、材料質量等問題，很難保證一個大功率GTO內部所有小元的特性完全相同;(2)若這些小元性能不一致，就可能造成穩(wěn)態(tài)工作時電流分配不均，開關時間不同;(3)造成部分先開通小元局部電流過大而燒壞，使器件永久失效。 解決方法解決方法:(1)一方面在工藝上應改善內部大面積擴散及載流子壽命的均勻性，以保證內部小元性能的一致； (2)另一方面，從電路上則應提高門極觸發(fā)電流的強度和上升率，以改善內部小GTO

26、元的開通一致性。1.4 GTO-靜態(tài)特性靜態(tài)特性當外加電壓超過正向轉折電壓BUFO時，GTO即正向開通，這種現(xiàn)象稱為電壓觸發(fā)。用90%BUFO值定義為正向額定電壓，用90%BUR值定義為反向額定電壓。1.4 GTO-通態(tài)壓降特性通態(tài)壓降特性圖1-18 GTO的通態(tài)壓降特性圖1-19 GTO的安全工作區(qū)1.4 GTO-動態(tài)特性動態(tài)特性(開通開通)延遲時間td：從門極電流iG上升開始,到陽極電流iA上升到10%的時間。上升時間tr：陽極可關斷電流iA從10%上升到90%所需的時間。存貯時間ts：從門極關斷電流峰值10%到陽極電流降至可關斷電流90%時間。(2)下降時間tf：陽極可關斷電流從90%下

27、降到10%所需的時間。 (3) 尾部時間tt：陽極電流從10%IA回升，后衰減至斷態(tài)漏電流的時間。 1.4 GTO-動態(tài)特性動態(tài)特性(關斷關斷)1.4 GTO-主要參數主要參數(3) 陽極尖峰電壓UP：在GTO關斷過程下降時間末尾出現(xiàn)的極值電壓。(4) 關斷時間toff：toff定義為存貯時間和下降時間之和，即toff=ts+tf。1.4 GTO-主要參數主要參數(5) 陽極電壓上升率du/dt：GTO的du/dt有靜態(tài)和動態(tài)之分。(6) 陽極電流上升率di/dt：在陽極電壓為額定電壓1/2時，陽極電流為最大可關斷電流條件下，開通過程中陽極電流從10到50的直線斜率。1.4 GTO IATO和

28、和off(1) 最大可關斷陽極電流IATO GTO的陽極電流允許值受兩方面因素的影響：一是額定工作結溫，其決定了GTO的平均電流額定值；二是關斷失敗。所以GTO必須規(guī)定一個最大可關斷陽極電流IATO作為其容量，IATO即管子的銘牌。(2)電流關斷增益off 電流關斷增益off為最大關斷電流IATO與門極負電流最大值IGM之比ATO2offGM12() 1IaIaaoff表示GTO的關斷能力。當門極負電流上升率一定時，off隨可關斷陽極電流的增加而增加；當可關斷陽極電流一定時，off隨門極負電流上升率的增加而減小。 1.5功率晶體管功率晶體管(GTR)功率晶體管又稱為電力晶體管（功率晶體管又稱為

29、電力晶體管（GTR），它是一種耐高壓、大電），它是一種耐高壓、大電流的雙極結型晶體管。流的雙極結型晶體管。GTR電氣符號與普通晶體管相同，它具有電氣符號與普通晶體管相同，它具有自關斷能力、控制方便。自自關斷能力、控制方便。自20世紀世紀80年代以來，在中、小功率范年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前大多又被圍內取代晶閘管，但目前大多又被IGBT和功率和功率MOSFET取代。取代。1.5GTR-基本結構基本結構cbCEOiiI1.5GTR-靜態(tài)工作特性靜態(tài)工作特性圖1-26 GTR靜態(tài)工作特性1.5GTR-靜態(tài)工作特性靜態(tài)工作特性圖1-26 GTR靜態(tài)工作特性截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIci

30、b3ib2ib1ib1ib2ib3Uce1.5GTR-動態(tài)工作特性動態(tài)工作特性GTR開通時間ton為延遲時間td和上升時間tr之和。td主要是由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的，增大IB1的幅值并增大diB/dt，可縮短td和tr，從而加快開通過程。 iBiB1.5GTR-動態(tài)工作特性動態(tài)工作特性GTR關斷時間toff為儲存時間ts和下降時間tf之和。ts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子，是主要部分，減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或增大基極抽取負電流IB2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，加快關斷速度。GTR開關時間在幾微秒。1.5 GTR-主要參數主要參數(1) 最高工

31、作電壓最高工作電壓UCEMGTR電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿， 擊穿電壓跟晶體管本身特性和外電路接法有關。UCEM比UCEO (基極開路時集射極間的擊穿電壓)低得多。(2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICM電流放大倍數降到規(guī)定值的1/21/3時所對應的IC為集電極最大允許電流。實際使用時要留有裕量，一般只能用到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集電極最大耗散功率是指在最高工作溫度下允許的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。工作溫度每增加20，平均壽命大約下降一個數量級，有時會因溫度過高而使GTR迅速損壞。(4) 最高結溫最高結溫

32、TJMGTR的最高結溫與半導體材料的性質、器件制造工藝和封裝質量有關。一般情況下，塑封硅管的TJM為125150，金封硅管的TJM為150170，高可靠平面管的TJM為170200。1.5 GTR-二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)1、二次擊穿現(xiàn)象、二次擊穿現(xiàn)象 當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，IC迅速增大，這種擊穿首先出現(xiàn)的是雪崩擊穿，又稱為一次擊穿。在實際應用中常常發(fā)現(xiàn)當一次擊穿發(fā)生時，IC增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。二次擊穿是GTR特有的現(xiàn)象，持續(xù)時間很短，常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，對GTR危害

33、極大，必須避免。2、安全工作區(qū)、安全工作區(qū)對于GTR而言，把不同基極電流下二次擊穿的臨界點連接起來，構成一條二次擊穿臨界線，臨界線上各點反映了二次擊穿功率PSB。為了保證GTR正常工作，GTR最大工作電流不能超過集電極的ICM，最大耗散功率不能超過集電極允許的PCM，工作電壓不能超過最高電壓UCEM，同時也不能超過二次擊穿臨界線。這些限制條件構成了GTR的安全工作區(qū)。1.6功率場效應晶體管功率場效應晶體管(Power MOSFET)Power MOSFET是一種單極型電壓全控器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、驅動功率小且電路簡單、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，在各類開關電路中

34、應用極為廣泛。電力電力MOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為按導電溝道可分為P溝道和溝道和N溝道。溝道。 當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為道的稱為耗盡型耗盡型。 對于對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（?。系榔骷?，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為于）零時才存在導電溝道的稱為增強型增強型。 在電力在電力MOSFET中，主要是中，主要是N溝道增強型溝道增強型。 1.6功率場效應晶體管功率場效應晶體管(Power MOSFET)1.6 Power MOSFET-靜態(tài)特性靜態(tài)特性(1)當UGSUT， 當器件工作在器件飽和區(qū)時，隨著U

35、DS的增大，ID幾乎不變，只有改變UGS才能使ID發(fā)生變化。(3)而在正向電阻區(qū)，功率MOSFET處于充分導通狀態(tài)，UGS和UDS的增加都可使ID增大，器件如同線性電阻。正常工作時，隨UGS的變化，功率MOSFET在截止區(qū)和正向電阻區(qū)間切 1.6 Power MOSFET-動態(tài)特性動態(tài)特性開通時間ton是延遲時間、電流上升時間與電壓下降時間之和。延遲時間td(on)從驅動電壓前沿時刻到iD達到穩(wěn)態(tài)電流ID的10。 電流上升時間tri為漏極電流iD從10ID到90%ID的時間。電壓下降時間tfv為漏極電流iD從90到UDS(管壓降)降到0的時間。1.6 Power MOSFET-動態(tài)特性動態(tài)特性

36、關斷時間toff是延遲時間、電壓上升時間與電流下降時間之和。延遲時間td(on)是驅動電壓UGS下降到UGSP。 電壓上升時間trv為UDS從0到正常的時間。電流下降時間tfv為UDS正常到iD降到10的時間。1.6 Power MOSFET-主要參數主要參數(1) 通態(tài)電阻Ron通態(tài)電阻Ron是影響最大輸出功率的重要參數。功率MOSFET是單極性器件，沒有電導調制效應，在相同條件下，耐壓等級越高的功率MOSFET其Ron越大，這是其耐壓難以提高的原因之一。另外Ron隨ID的增加而增加，隨UGS的升高而減小。(2) 漏極電壓最大值UDSM這是標稱功率MOSFET額定電壓的參數，為避免功率MOS

37、FET發(fā)生雪崩擊穿，實際工作中的漏極和源極兩端的電壓不允許超過漏極電壓最大值UDSM。(3) 漏極電流最大值IDMIDM是標稱功率MOSFET電流額定的參數，實際工作中漏源極流過的電流應低于額定電流IDM的50。1.6 Power MOSFET-防靜電擊穿保護防靜電擊穿保護 功率MOSFET最大優(yōu)點是具有極高的輸入阻抗，因此在靜電較強的場合難于泄放電荷，易引起靜電擊穿。防靜電擊穿應注意：在測試和接入電路之前器件應存放在靜電包裝袋、導電材料或金屬容器中，不能放在塑料袋中。取用時應拿管殼部分而不是引線部分。工作人員需通過挽帶良好接地；(2) 將器件接入電路時,工作臺和烙鐵都必須良好接地，焊接時烙鐵

38、應斷電；(3) 在測試器件時，測量儀器和工作臺都必須良好接地。器件的三個電極未全部接入測試儀器或電路前不要施加電壓。改換測試范圍時，電壓和電源都必須先恢復到零；(4) 注意柵極電壓不要過限。1.7 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)IGBT是20世紀80年代中期問世的一種新型復合電力電子器件。由于它兼有MOSFET的快速響應、高輸入阻抗和GTR的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這些年發(fā)展十分迅速。IGBT相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)GTR。RsT1T2PNPNPNPNPNPN1.7 IGBT-工作原理工作原理由柵極電壓來控制IGBT導通或關斷。當IGBT柵極加上正電壓時，M

39、OSFET內形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通。當IGBT柵極加上負電壓時，MOSFET內溝道消失，切斷PNP晶體管的基極電流，IGBT關斷。 當UCE0時，分兩種情況： (1) 若柵極電壓uGEUT，絕緣柵極下的溝道形成，N+區(qū)的電子通過溝道進入N-漂流區(qū)，漂移到J3結，由于J3結正向偏置，也向N-區(qū)注入空穴，從而在N-區(qū)產生電導調制，使IGBT正向導通。1.7 IGBT-轉移特性轉移特性當柵射極電壓UGEUT時，IGBT導通。在IGBT導通后的大部分集電極電流范圍內，IC與UGE呈線性關系。1.7 IGBT-開關特性開關特性開通時間ton是延遲時間td、電流上升時間tr

40、之和。延遲時間td從驅動電壓UGE的10到iC達到穩(wěn)態(tài)電流ICM的10。 電流上升時間tr為iC達到穩(wěn)態(tài)電流ICM的10到90% ICM的時間。關斷時間toff是延遲時間ts、電流下降時間tf之和。延遲時間ts從驅動電壓UGE的90到iC降到穩(wěn)態(tài)電流ICM的90。 電流下降時間tf為iC降到穩(wěn)態(tài)電流ICM的90到10% ICM的時間。1.7 IGBT-主要參數主要參數(1) 集射極額定電壓UCEO IGBT最大耐壓值，是根據器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的。(2) 柵射極額定電壓UGESIGBT是電壓控制器件，靠加到柵極的電壓信號來控制IGBT的導通和關斷，而UGES是柵極的電壓控制信號額定值,一般

41、小于20V。 (3) 柵射極開啟電壓UT它是指使IGBT導通所需的最小柵射極電壓。通常為35.5V。(4) 集電極額定電流IC它是指在額定條件下，IGBT所允許的集電極最大直流電流。(5)集射極飽和電壓UCE(sat)IGBT在飽和導通時，通過額定電流的集射極電壓，代表IGBT的通態(tài)損耗大小。通常為1.53V。1.7 IGBT-擎住效應擎住效應在NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間，存在一個體區(qū)短路電阻，P型區(qū)的橫向空穴流過該電阻會產生一定壓降，對J3結來說相當于一個正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內，這個正偏置電壓不大，NPN晶體管不會導通；當IC大到一定程度時，該正偏置電壓使NPN晶體管導通，

42、進而使NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是寄生晶閘管導通，柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應。IGBT發(fā)生擎住效應后，造成導通狀態(tài)鎖定，無法關斷IGBT。因此，IGBT在使用中，應注意防止過高的如du/dt和過大的過載電流。 PNPNPN1.7 IGBT-安全工作區(qū)安全工作區(qū)由電流、電壓和功耗3條邊界極限包圍而成。最大集電極電流ICM是根據避免擎住效應而確定的，最大集射極電壓UCEM是由IGBT中PNP晶體管的擊穿電壓所確定的，最大功耗則由最高允許結溫所決定。IGBT導通時間長，發(fā)熱嚴重，因而相應的安全工作區(qū)變窄。IGBT關斷時的反向偏置安全工作區(qū)(RBSOA) 與IGBT關斷時的du/

43、dt有關。du/dt越高，RBSOA越窄。本本章章主主要要內內容容2.1降壓斬波電路2.2升壓斬波電路2.3升降壓復合斬波電路2.4庫克電路2.5 Sepic和Zeta斬波電路第第2章章 直流直流-直流變流電路直流變流電路2.6復合型DC-DC斬波電路2.7帶隔離的直流-直流變流電路2.1 降壓斬波電路降壓斬波電路(Buck) 降壓斬波電路也稱為Buck電路，降壓斬波電路的輸出電壓Uo低于輸入電壓Ud。該電路用GTR作為全控器件開關VT，電感和電容構成低通濾波器，二極管VD提供續(xù)流通道。2.1 Buck電路電路-等效原理圖等效原理圖sonsonLdoo00d()d()d0TtTtutUUtUt

44、2.1 Buck電路電路-電流連續(xù)模式電流連續(xù)模式sonsonLdoo00d()d()d0TtTtutUUtUtdoonoson()()UU tU TtoondsUtDUToddo1IUIUD2.1 Buck電路電路-電流臨界斷續(xù)模式電流臨界斷續(xù)模式LLMdoLonddiIUUuLLttsdLBMLBLBM0.54(1)8TUDIIIDDL當當onssdLBLMdodooB1()()(1)2222tDTTUIIUUUUDDILLL2.1 Buck電路電路-電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式oLdoso1 sd1=0()()0UDUUUDTUTUD 因oLLMoLLM1 s1 sddUiIUuLLITtT

45、LosdsLM1Ls1soLLM111()()2222U TU TIDI TDTIIIDDLL 2.1 Buck電路電路-電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式dsoo1LBM11LBM424U TIIDIDLID 2o2od1LBM1()4UDDIUDDI例2-1 在圖2-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=200V，R=10，L值極大，Ts=50 s，ton=20s，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。若存在負載Em=20V，求輸出電流平均值Io。 onods20 20080(V)50tUUToo808(A)10UIR解：由于L值極大，故負載電流連續(xù)，于是輸出電壓平均值為 輸出電流平均值為2.1

46、Buck電路電路-例題例題omo80206(A)10UEIR 若存在負載Em=20V，輸出電流平均值為例2-2 在圖2-1所示的降壓斬波電路中，已知Ud=2710%V， Uo =15V，最大輸出功率為Pomax=120W，最小輸出功率為Pomin=10W，若工作頻率為30kHz，求(1)占空比變化范圍；(2)保證整個工作范圍電感電流連續(xù)時的電感值。dmax27(1 10%)29.7(V)U解: (1)輸入電壓的變化值為2.1 Buck電路電路-例題例題dmin27(1 10%)24.3(V)U占空比變化范圍為od150.5050.61724.329.7UDU例2-2 在圖2-1所示的降壓斬波電

47、路中，已知Ud=2710%V， Uo =15V，最大輸出功率為Pomax=120W，最小輸出功率為Pomin=10W，若工作頻率為30kHz，求(1)占空比變化范圍；(2)保證整個工作范圍電感電流連續(xù)時的電感值。sdsosooLBLBoo22omin3omin(1)(1)(1)(1)222215(1)(1 0.505)0.186m22 10 30 10TUTUTUULDDDDDIIII fUDHPf解: (2)因為IL= Io,當負載最小，占空比最小時，所需要的電感越大，當Uo不變時，由式(2-5)得2.1 Buck電路電路-例題例題2.2 升壓斬波電路（Boost）升壓斬波電路也稱為Boos

48、t電路。升壓斬波電路的輸出電壓總是高于輸入電壓。升壓斬波電路的一個典型應用是用作單項功率因數校正（PDC）電路。電路中的電容C起濾波作用，二極管VD提供續(xù)流通道。2.2 Boost電路-等效原理圖d ondooff()0U tUU t2.2 Boost電路電路-電流連續(xù)模式電流連續(xù)模式d ondooff()0U tUU tosdoff11UTUtDdoPP由ddoood1U IU IIDI LLMdLonddiIUuLLttoodLdL;1IIIIDII 因為因為2.2 Boost電路電路-電流臨界斷續(xù)模式電流臨界斷續(xù)模式2sooBLB(1)(1)2TUIIDDDLdsoLBLMon11(1)

49、222UTUIItDDLLsoLBM0.5,8TUDIL當當2.2 Boost電路電路-電流臨界斷續(xù)模式電流臨界斷續(xù)模式soLB(:(1) )2TUIDDL注。sooBM20.33,27TUDIL當當2sooB(:(1)2TUIDDL注。2LBLBMoBoBM27 4(1),(1)4ID IIDDI所以oo11dsdo1 sd1d1()0UIDU DTUUTUID 2.2 Boost電路電路-電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式dLLMdLLMssddUiIUuLLIDTtDTLdsLM1Ls1sdLLM1()()222U TIDI TDTIIID DLsd1odo112TUIIIDDL 2.2 Boos

50、t電路電路-電流斷續(xù)模式電流斷續(xù)模式12oooddoBM4(1)27UUIDUUI例2-3 在圖2-5所示的升壓斬波電路中，已知Ud=50V，L值和C值極大，R=20，采用脈寬調制控制方式，當TS=40s，ton=25s時，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電流平均值Io。ooff4050133.3(V)4025TUEt輸出電流平均值為：oo133.36.667(A)20UIR 解：輸出電壓平均值為： 2.2 Boost電路-例題例2-4 在升壓電路中，輸入電壓變化范圍為1236V, Uo =48V固定不變，最大輸出功率為POMAX=120W，最小輸出功率為POMIN=48W，開關頻率為50kHz，

51、輸出端電容足夠大，求 (1)占空比變化范圍； (2)保證整個工作范圍工作在電流連續(xù)時的最小電感值。 (3)保證整個工作范圍工作在斷續(xù)范圍的最大電感電流值。2.2 Boost電路-例題解: (1)當輸入電壓為12V占空比變化范圍為oddo112110.75148UUDUDU 當輸入電壓為36Voddo136110.25148UUDUDU 0.250.75例2-4 在升壓電路中，輸入電壓變化范圍為1236V, Uo =48V固定不變，最大輸出功率為POMIN=48W , Pomax=120W，開關頻率為50kHz，輸出端電容足夠大，求 (2)保證整個工作范圍工作在電流連續(xù)時的最小電感值。 2.2

52、Boost電路-例題222sosoBoMIN22(1)(1)224811(1)71 H5000024833oTUTUIDDLDDLP 解: (2)如圖2-7b，當占空比為1/3時，輸出電流最小為保證工作在連續(xù)范圍，L應大于71H例2-4 在升壓電路中，輸入電壓變化范圍為1236V, Uo =48V固定不變，最大輸出功率為POMAX=120W，最小輸出功率為POMIN=48W，開關頻率為50kHz，輸出端電容足夠大，求 (3)保證整個工作范圍工作在斷續(xù)范圍的最大電感電流值。2.2 Boost電路-例題222sosoBoMAX22(1)(1)22480.75 (1 0.75)9 H50000 2

53、120oTUTUIDDLDDLP 解: (2)如圖2-7b，當占空比為0.75時，輸出電流最小為保證工作在斷續(xù)范圍，L應小于9H例2-4 在升壓電路中，輸入電壓變化范圍為1236V, Uo =48V固定不變，最大輸出功率為POMAX=120W，最小輸出功率為POMIN=48W，開關頻率為50kHz，輸出端電容足夠大，求 (4)在L=50uH時, PO=96W，D=0.5，整個工作范圍工作電流是否連續(xù)，電感電流是否連續(xù)。2.2 Boost電路-例題22sooB648 0.5 (10.5)(1)1.2A2500002 50 10TUIDDL 解: 輸出電流ooo2APIUIOIOB，輸出電流連續(xù)例

54、2-4 在升壓電路中，輸入電壓變化范圍為1236V, Uo =48V固定不變，最大輸出功率為POMAX=120W，最小輸出功率為POMIN=48W，開關頻率為50kHz，輸出端電容足夠大，求 (4)在L=50uH時, PO=96W，D=0.5，整個工作范圍工作電流是否連續(xù)，電感電流是否連續(xù)。2.2 Boost電路-例題LDO14A1IIID解: 輸出電流soLB648 0.5 (10.5)(1)2.4A2500002 50 10TUIDDL ILILB，輸出電流連續(xù)2.3升降壓復合斬波電路(Buck-Boost)電路可以得到高于或低于輸入電壓的輸出電壓。當VT導通時，輸入端經VT和電感構成電流

55、通道，提供能量給電感，二級管反向偏置，電感電流增大，負載電流由電容器上存儲的能量提供。當VT斷開時，電感中的自感電勢使二級管導通，存儲在電感中的能量經二級管傳遞給電容和輸出負載。電感電流減小，電路輸出電壓是負的。2.3 Buck-Boost等效原理圖0)1)(sosdTDUDTU+-+2.3 Buck-Boost -電流連續(xù)模式dsos()(1)0U DTUD T od1UDUDdoPP由ddoood1U IU IIDID當占空比D大于0.5時，輸出電壓高于輸入電壓；當占空比D小于0.5時，輸出電壓低于輸入電壓，因此，改變占空比就可以得到期望的輸出電壓值。 LLMdLonddiIUuLLtto

56、LdooLd1+ ;(1)IDIIIIIDID因因2sooBLB(1)(1)2TUIIDDLdsdsoLBLMon11=(1- )2222UTUTUIItDDLLL2.3 Buck-Boost -電流斷續(xù)模式得得soLBM0,2TUDIL當當so(:(1- ) )2TUDL注。sooBM0,2TUDIL當當2so(:(1)2TUDL注。2LBLBMoBoBM (1),(1)IIDIID所以2.3 Buck-Boost 電流臨界斷續(xù)模式oo1dso1 sd1d()0UIDU DTUTUID dLLMdLLMssddUiIUuLLIDTtDTLdsLM1Ls1sLLM1()()222U TIDI

57、TDTIID DL2.3 Buck-Boost -電流斷續(xù)模式oodoBMUIDUI例2-5 升降壓復合斬波電路中，工作頻率為20kHz，L=0.05mH，輸出電容C足夠大，Ud=15V， Uo =10V，輸出功率為Po=10W，求占空比。ooo10W1A10VPIU解:2.3 Buck-Boost 例題do100.4115UDDDU若工作于連續(xù)電流模式則帶入2-37，可得D=0.4時電流臨界連續(xù)的負載電流IoB322sooB30.05 1010(1)(10.4)1.8A220.05 10TUIDL例2-5 升降壓復合斬波電路中，工作頻率為20kHz，L=0.05mH，輸出電容C足夠大，Ud=

58、15V， Uo =10V，輸出功率為Po=10W，求占空比。解:2.3 Buck-Boost 例題oodoBM1010.3155UIDUI因輸出電流Io=1A0且VT1導通過程。直流側電源通過VT1向負載供電，輸出電壓uo=ui，此時輸出電流io增加，負載電感和負載電動勢儲能也增加。由于io0且uo0，因此電路工作在第一象限。2.6 二象限二象限DC-DC斬波電路斬波電路 (2)(2) 輸出電流io0且VT1關斷過程。由于電感電流不能突變，因此VD2導通續(xù)流，輸出電壓uo=0，此時VT2承受反壓而不能導通，因此輸出電流減小，負載電感儲能和負載電動勢儲能也減小。由于io0且uo=0，因此電路工作

59、在第一象限。2.6 二象限二象限DC-DC斬波電路斬波電路 (3)(3) 輸出電流io0且VT2導通過程。負載電動勢通過VT2向負載電阻和電感供電，輸出電壓uo=0，此時輸出電流io反向增加，負載電感儲能也增加。由于io0且uo=0，因此電路工作在第二象限。2.6 二象限二象限DC-DC斬波電路斬波電路 (4)(4) 輸出電流io0且VT2關斷過程。由于電感電流不能突變，因此VD1導通續(xù)流，輸出電壓uo=ui，因VT1承受反壓而不能導通，因此輸出電流減小，負載電感儲能和負載電動勢儲能也減小。由于io=0斬波電路運行在一二象限； 2.6 四四象限象限DC-DC斬波電路斬波電路(2)(2)當VT2

60、保持導通時，利用VT3、VT4進行斬波控制，則構成了另一組電流可逆的二象限DC-DC斬波電路，此時uAB=0 ，斬波電路運行在三、四象限。 2.7 帶隔離的直流帶隔離的直流-直流變流電路直流變流電路2.7.1 正激電路正激電路2.7.2 反激電路反激電路 2.7.3 半橋式降壓電路半橋式降壓電路2.7.4 全橋式降壓電路全橋式降壓電路2.7.5 推挽電路推挽電路2.7.6 全波整流和全橋整流全波整流和全橋整流 2.7 正激電路正激電路輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時輸出濾波電感電流連續(xù)時 oon21SUtNUN T2.7 正激電路正激電路-磁芯復位磁芯復位(1)開關管VT導通時，U2=