第一章電力電子器件學習教案

1、會計學1第一章第一章 電力電力(dinl)電子器件電子器件第一頁，共119頁。第2頁（一）基本概念（一）基本概念主電路主電路(dinl)(Power Circuit):電力電力(dinl)電子器件電子器件(Power Electronic Device): 在可直接用于處理電能的在可直接用于處理電能的主電路中主電路中,實現(xiàn)電能的變換實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件?；蚩刂频碾娮悠骷?在電氣設備或電力系統(tǒng)中在電氣設備或電力系統(tǒng)中,直接直接承擔電能的變換承擔電能的變換或控制任務的電路?；蚩刂迫蝿盏碾娐?。第1頁/共119頁第二頁，共119頁。第3頁 1.1 電力電力(dinl)電子器件電子器件概述概

2、述b.電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。c.電力電子器件往往需要由信息電子電電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。路來控制。d.電力電子器件自身的功率損耗遠大于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信息電子器件，一般都要安裝散熱器。第2頁/共119頁第三頁，共119頁。第4頁圖圖1.1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成控控制制電電路路檢測檢測電路電路驅動驅動電路電路RL主電路主電路V1V2保護保護電路電路在主電路在主電路和控制電和控制電路中附加路中附加一些電路一些電路，以保證，以保證電力電子電力

3、電子器件和整器件和整個系統(tǒng)正個系統(tǒng)正常可靠運?？煽窟\行行電氣隔離電氣隔離控制電路控制電路( (三三) )應用電力電子器件應用電力電子器件(din z q jin)(din z q jin)系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 1.1 電力電力(dinl)電子器件概電子器件概述述第3頁/共119頁第四頁，共119頁。第5頁（四）電力（四）電力(dinl)(dinl)電子器件的分類電子器件的分類1. 按照電力按照電力(dinl)電子器件能夠被控制電路信號所控制電子器件能夠被控制電路信號所控制的程的程 度，可以將電力度，可以將電力(dinl)電子器件分為以下電子器件分為以下3類類:不可控型器件不可控型器件(qjin)不

4、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。半控型器件半控型器件通過控制信號可以控制其導通而不能通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷?？刂破潢P斷。全控型器件全控型器件通過控制信號既可控制其導通又可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。控制其關斷，又稱自關斷器件。第4頁/共119頁第五頁，共119頁。第6頁2. 其它分類其它分類(fn li)方法方法:第5頁/共119頁第六頁，共119頁。第7頁( (五五) )電力電子器件電力電子器件(din z q jin)(din z q jin)的使用特點的使用特點第6頁/共119頁第七頁，共119頁。第8頁（六）電力電

5、子器件（六）電力電子器件(din z q jin)(din z q jin)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢第7頁/共119頁第八頁，共119頁。第9頁圖圖1.3 各種器件壽命的周期曲線各種器件壽命的周期曲線第8頁/共119頁第九頁，共119頁。第10頁1.2 電力電力(dinl)二極管二極管u電力二極管（電力二極管（Power DiodePower Diode）結構和原理簡單，工作）結構和原理簡單，工作可靠，自可靠，自2020世紀世紀5050年代初期就獲得應用年代初期就獲得應用(yngyng)(yngyng)。u快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流快恢復二極管和肖特基二極管，分別在

6、中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。地位。整流(zhngli)二極管及模塊第9頁/共119頁第十頁，共119頁。第11頁結構結構(jigu)、工作原理和基本特性、工作原理和基本特性AKAKa)IKAPNJb)c)圖圖1.4 a) 外形外形 b) 結構結構 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號第10頁/共119頁第十一頁，共119頁。第12頁u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。uIF(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來選取電流定額(dng )，并應留有一

7、定的裕量。電力電力(dinl)二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1) 正向正向(zhn xin)平均電流平均電流IF(AV)第11頁/共119頁第十二頁，共119頁。第13頁u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。u3） 反向重復峰值(fn zh)電壓URRMu對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值(fn zh)電壓。u使用時，應當留有兩倍的裕量。 u4）反向恢復時間trrutrr= td+ tf電力電力(dinl)二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)2）正向）正向(zhn xin)壓降壓降UF第12頁/共119頁第十三頁，共119頁。第14頁u結溫是指管芯PN結的平均溫度，用T

8、J表示。uTJM是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。uTJM通常(tngchng)在125175C范圍之內。u6) 浪涌電流IFSMu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。 電力電力(dinl)二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)5）最高工作）最高工作(gngzu)結溫結溫TJM第13頁/共119頁第十四頁，共119頁。第15頁電力電力(dinl)二極管的品種二極管的品種1.標準標準(biozhn)工頻型（普工頻型（普通型）通型）又稱整流二極管（又稱整流二極管（Rectifier DiodeRectifier Diode）多用于開關頻率不高（多用于開關頻率不高（

9、1kHz1kHz以下）的整流電路以下）的整流電路其反向恢復時間較長其反向恢復時間較長正向電流定額正向電流定額(dng )(dng )和反向電壓定額和反向電壓定額(dng )(dng )可以達到很高可以達到很高, ,可以達到數(shù)千安或數(shù)千伏以上可以達到數(shù)千安或數(shù)千伏以上第14頁/共119頁第十五頁，共119頁。第16頁 2.快速快速(kui s)恢復二極管（恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 簡稱簡稱(jinchng)(jinchng)快速二極管，恢復過程很短，特快速二極管，恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在別是反向恢復過程很短（一般在5 5s s以下）。以下）。

10、 從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。從性能上可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(shù)百納秒或更長，后者則在前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns100ns以下，甚至達到以下，甚至達到202030ns30ns。電力電力(dinl)二極管的品種二極管的品種第15頁/共119頁第十六頁，共119頁。第17頁 3.肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD） (a)反向恢復時間很短（反向恢復時間很短（1040ns）。）。 (b)正向正向(zhn xin)恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖?；謴瓦^程中也不會有明顯的電壓過沖

11、。 (c)反向耐壓較低時其正向反向耐壓較低時其正向(zhn xin)壓降明顯低于快恢復二極管。壓降明顯低于快恢復二極管。 (d)效率高，其開關損耗和正向效率高，其開關損耗和正向(zhn xin)導通損耗都比快速二極管還小。導通損耗都比快速二極管還小。 (a) (a)反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V200V以下。以下。 (b) (b)反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制(xinzh)(xinzh)其工作溫度。其工作溫度。 (c) (c)容量小、漏電流大。容量小、漏電流大。肖特基二極管的缺點肖特基二極管的缺點(qu

12、din)(qudin)肖特基二極管的優(yōu)點肖特基二極管的優(yōu)點電力二極管的品種電力二極管的品種第16頁/共119頁第十七頁，共119頁。第18頁1.3 晶閘管及其派生晶閘管及其派生(pishng)器件器件晶閘管（晶閘管（ThyristorThyristor）：晶體）：晶體(jngt)(jngt)閘流管，可控閘流管，可控硅整流器（硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled RectifierSCR）1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。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。年美國通用電氣公司開

13、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(shdi)。20世紀世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。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，在大容量的場合具有重要地位。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。第17頁/共119頁第十八頁，共119頁。第19頁AAGGKKa)G圖圖1. 5 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號號1.晶閘管的結構晶閘管的結構(jigu)第18頁/共119頁第十九頁，共119頁。第2

14、0頁螺栓型晶閘管螺栓型晶閘管晶閘管模塊晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構平板型晶閘管外形及結構第19頁/共119頁第二十頁，共119頁。第21頁圖圖1.6 晶閘管的工作條件的實驗電路晶閘管的工作條件的實驗電路 承受反向承受反向(fn xin(fn xin) )陽極電壓陽極電壓, ,處于關斷狀態(tài)，與門極無關，有反向處于關斷狀態(tài)，與門極無關，有反向(fn xin(fn xin) )阻斷能力。阻斷能力。 要使晶閘管關斷要使晶閘管關斷, ,必須去掉陽極正向電壓必須去掉陽極正向電壓, ,或給陽極加反向電壓或給陽極加反向電壓, ,或降低正向陽極電壓或降低正向陽極電壓, ,使通過晶閘管的電流小于使通過晶閘管的

15、電流小于維持電流維持電流( (即保持晶閘管導通的最小陽極電流即保持晶閘管導通的最小陽極電流) )。承受正向陽極電壓時承受正向陽極電壓時, ,若門極不施加電壓若門極不施加電壓, ,晶閘管也處于關斷狀態(tài)晶閘管也處于關斷狀態(tài), ,有正向阻斷能力有正向阻斷能力。承受正向陽極電壓承受正向陽極電壓, ,同時加門極施正向電壓，晶閘管由阻斷變?yōu)閷?。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。同時加門極施正向電壓，晶閘管由阻斷變?yōu)閷?。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。單向導電性單向導電性。第20頁/共119頁第二十一頁，共119頁。第22頁晶閘管的工作晶閘管的工作(gngzu)(gngzu)原理原理 圖圖1.7

16、晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型I GIC2IAKAGV2V1IKIC1第21頁/共119頁第二十二頁，共119頁。第23頁(1)(1)陽極陽極(yngj)(yngj)電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應。電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應。其它幾種可能其它幾種可能(knng)(knng)導通的情況：導通的情況：晶閘管的結構晶閘管的結構(jigu)和工作原理和工作原理只有門極觸發(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。(2)(2)陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dtdu/dt過高，中間結電容產生位移電流。過高，中間結電容產生位移電流。(4)光觸發(fā)光觸

17、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（Light Triggered ThyristorLTT）。其它幾種情況要盡量防止。）。其它幾種情況要盡量防止。(3)(3)結溫較高，漏電流增大。結溫較高，漏電流增大。第22頁/共119頁第二十三頁，共119頁。第24頁圖圖1.8 晶閘管的陽極伏安晶閘管的陽極伏安(f n)特性和門極伏安特性和門極伏安(f n)特性特性1. 靜態(tài)靜態(tài)(jngti)特性特性可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)第23頁/共119頁第二十四頁，共119頁。第25頁

18、圖圖1.9 晶閘管的動態(tài)晶閘管的動態(tài)(dngti)過程過程延遲時間延遲時間T Td d(0.51.5 s) 開通開通(kitng)(kitng)過過程程晶閘管的特性晶閘管的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA上升時間上升時間Tr (0.53 s)開通時間開通時間Ton為以上兩者之和，為以上兩者之和， Ton=Td+ Tr第24頁/共119頁第二十五頁，共119頁。第26頁圖圖1.9 晶閘管的動態(tài)晶閘管的動態(tài)(dngti)過程過程關斷過程關斷過程(guchng)(guchng)100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的

19、特性晶閘管的特性第25頁/共119頁第二十六頁，共119頁。第27頁圖圖1.10 晶閘管的動態(tài)過程晶閘管的動態(tài)過程(guchng)及相應損耗及相應損耗晶閘管的損耗晶閘管的損耗(snho)(snho)靜態(tài)損耗靜態(tài)損耗動態(tài)損耗動態(tài)損耗晶閘管的特性晶閘管的特性第26頁/共119頁第二十七頁，共119頁。第28頁晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRMUDRM和和URRMURRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。中較小的標值作為該器件的額定電壓。 實際選用時，額定電壓要留有一定裕量實際選用時，額定電壓要留有一定裕量, ,一般取額定電壓為實際工作電一般取額定電壓為實際工作電

20、路中可能承受路中可能承受(chngshu)(chngshu)到的正向阻斷重復峰值電壓到的正向阻斷重復峰值電壓UDRMUDRM和反向重復峰和反向重復峰值電壓值電壓URRMURRM的最大峰值電壓的最大峰值電壓, ,再取再取2 23 3倍的安全裕量倍的安全裕量. .第27頁/共119頁第二十八頁，共119頁。第29頁2.額定電流額定電流IT(A V)（P19）額定電流的計算方額定電流的計算方法法晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)t 0 2Ti圖圖1.11 單相工頻正弦半波電流單相工頻正弦半波電流第28頁/共119頁第二十九頁，共119頁。第30頁3.維持維持(wich)電流電流 IH 在室溫與門極開路

21、時在室溫與門極開路時,使晶閘管維持導通所必需的使晶閘管維持導通所必需的最小電流。一般最小電流。一般(ybn)為幾十到幾百毫安，與結溫有關為幾十到幾百毫安，與結溫有關，結溫越高，則，結溫越高，則IH越小。越小。4. 擎住電流擎住電流(dinli) IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，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。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IL約為約為IH的的24倍。倍。晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)第29頁/共119頁第三十頁，共119頁。第31頁5.通態(tài)平均通態(tài)平均(pngjn)電壓電壓UT(AV)

22、當晶閘管流過正弦半波的額定電流平均值和穩(wěn)當晶閘管流過正弦半波的額定電流平均值和穩(wěn)定的額定結溫時，元件定的額定結溫時，元件(yunjin)陽極與陰極之間電陽極與陰極之間電壓降的平均值（壓降的平均值（1V左右）。左右）。晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)6.斷態(tài)電壓斷態(tài)電壓(diny)臨界上升臨界上升率率dudt 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 。 第30頁/共11

23、9頁第三十一頁，共119頁。第32頁7.通態(tài)電流通態(tài)電流(dinli)臨界上升率臨界上升率didt 8.門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流(dinli)IGT和門極觸發(fā)電壓和門極觸發(fā)電壓UGT 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，可能指在規(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，可能(knng)造成局部過熱而使晶閘管損壞。造成局部過熱而使晶閘管損壞。IGT是指在室溫且陽極電壓為是指在室溫且陽極電壓為6V直流電壓時，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極電流。直流電壓時，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極電流。 UGT是

24、對應于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。是對應于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)9.額定結溫額定結溫Tjm晶閘管在正常工作時所允許的最高結溫（晶閘管在正常工作時所允許的最高結溫（器件內部器件內部）。）。 第31頁/共119頁第三十二頁，共119頁。第33頁晶閘管的派生晶閘管的派生(pishng)器件器件1.快速快速(kui s)晶閘管晶閘管(Fast Switching ThyristorFST)第32頁/共119頁第三十三頁，共119頁。第34頁2. 雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode t

25、hyristor）a)b)IOUIG=0GT1T2圖圖1.12 a) 1.12 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) b) 伏安特伏安特性性v可認為是一對反并聯(lián)的普通晶閘管的集成?？烧J為是一對反并聯(lián)的普通晶閘管的集成。v兩個主電極兩個主電極T1T1和和T2T2，一個門極，一個門極G G。v在第和第在第和第IIIIII象限有對稱的伏安特性。象限有對稱的伏安特性。v不用不用(byng)(byng)平均值而用有效值來表示其額定電流值。平均值而用有效值來表示其額定電流值。晶閘管的派生晶閘管的派生(pishng)器件器件第33頁/共119頁第三十四頁，共119頁。第35頁3. 逆導晶閘管（逆導晶閘管（R

26、everse Conducting Thyristor RCT）b)a)UOIKGAIG=0圖圖1.13 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性v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。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。v正向壓降小、關斷時間短、高溫特性正向壓降小、關斷時間短、高溫特性(txng)(txng)好、額定結溫高等優(yōu)點。好、額定結溫高等優(yōu)點。晶閘管的派生晶閘管的派生(pishng)器件器件第34頁/共119頁第三十五頁，共119頁。第36頁4. 光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered Thyristor LTT）圖

27、圖1.14 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安伏安(f n)特性特性v又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照(gungzho)(gungzho)信號觸發(fā)導通的晶閘管。信號觸發(fā)導通的晶閘管。v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。主要應用于高壓大功率的場合。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。主要應用于高壓大功率的場合。晶閘管的派生晶閘管的派生(pishng)器件器件第35頁/共119頁第三十六頁，共119頁。第37頁1.4 典型典型(dinxng)全控型器件全控型器件2020世紀世紀8080年代

28、以來，電力電子技術進入年代以來，電力電子技術進入(jnr)(jnr)了一個嶄新時代。了一個嶄新時代。典型代表典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。第36頁/共119頁第三十七頁，共119頁。第38頁電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTRGiant TransistorGTR，Bipolar Bipolar Junction TransistorBJTJunction TransistorBJT），也稱為），也稱為(chn(chn wi)Power BJTwi)Power

29、 BJT。優(yōu)點優(yōu)點耐高壓、大電流、開關時間短、飽和壓降低耐高壓、大電流、開關時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等。和安全工作區(qū)寬等。缺點缺點二次擊穿、驅動功率大等。二次擊穿、驅動功率大等。應用應用2020世紀世紀8080年代以來，在中、小功率范圍內取年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被代晶閘管，但目前又大多被IGBTIGBT和電力和電力MOSFETMOSFET取代取代。第37頁/共119頁第三十八頁，共119頁。第39頁1. 基本基本(jbn)工工作原理作原理與普通與普通(ptng)(ptng)的雙極結型晶體管基本原理是的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。一樣的。2. 結構結構(

30、jigu) 通常采用至少由兩個晶體管按通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構，采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用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成并聯(lián)而成 。電力晶體管電力晶體管(GTR)第38頁/共119頁第三十九頁，共119頁。第40頁3. 靜態(tài)靜態(tài)(jngti)特性特性 (1) (1)共發(fā)射極接法時的典型共發(fā)射極接法時的典型(dinxng)(dinxng)輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。 (2) (2)電力電子電路中電力電子電路中GTRGTR工作在開關狀態(tài)。工作在開關狀態(tài)。 (3) (3)開關過程中，即在截止區(qū)和飽

31、和區(qū)之間過渡時，經(jīng)過放大區(qū)。開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，經(jīng)過放大區(qū)。 圖圖1.15 GTR1.15 GTR內部結構和電氣符號內部結構和電氣符號 共發(fā)射極接法時共發(fā)射極接法時GTRGTR的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性 截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer BUceo。 實際使用時，最高工作電壓要比實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。低得多。 通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應的時所對應的Ic。實際使。實際使用時要留有裕量，只能用到用時要留有裕量，只

32、能用到IcM的一半或稍多一點。的一半或稍多一點。 第41頁/共119頁第四十二頁，共119頁。第43頁6. 二次擊穿現(xiàn)象二次擊穿現(xiàn)象(xinxing)與安與安全工作區(qū)全工作區(qū)(1) (1) 一次擊穿一次擊穿(j chun)(j chun)集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電壓升高至擊穿電壓時，IcIc迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿；迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿；只要只要IcIc不超過不超過(chogu)(chogu)限度，限度，GTRGTR一般不會損壞，工作特性也不變。一般不會損壞，工作特性也不變。(2)(2)二次擊穿二次擊穿一次擊穿發(fā)生時，如果繼續(xù)增高外接電壓，則一次擊穿發(fā)生時，如果繼續(xù)增高外接電壓，則I

33、 Ic c繼續(xù)增大，當達到某個臨界點時，繼續(xù)增大，當達到某個臨界點時，U Ucece會突然降低至一個小值，同時導致會突然降低至一個小值，同時導致I Ic c急劇上升，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。急劇上升，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。二次擊穿的持續(xù)時間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導致器件的永久損壞，必需避免。二次擊穿的持續(xù)時間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導致器件的永久損壞，必需避免。第42頁/共119頁第四十三頁，共119頁。第44頁SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖圖1.17 GTR的安全工作區(qū)的安全工作區(qū)(3) (3) 安全安全(nqun)(nqun)工作區(qū)（工作區(qū)（Safe

34、 Operating AreaSafe Operating AreaSOASOA） 最高電壓最高電壓UceMUceM、集電極、集電極最大電流最大電流(dinli)IcM(dinli)IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcMPcM、二次、二次擊穿臨界線擊穿臨界線PSBPSB限定。限定。第43頁/共119頁第四十四頁，共119頁。第45頁電力電力(dinl)場效應晶體管場效應晶體管特點特點用柵源電壓來控制漏極電流用柵源電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小。驅動電路簡單，需要的驅動功率小。開關速度開關速度(sd)(sd)快，工作頻率高?？欤ぷ黝l率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTRGTR

35、。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW10kW的電的電力電子裝置力電子裝置 。電力場效應晶體管電力場效應晶體管(Power MOSFET)(Power MOSFET)分為結型和絕緣分為結型和絕緣(juyun)(juyun)柵型。通常主要指絕緣柵型。通常主要指絕緣(juyun)(juyun)柵型場柵型場效應晶體管。結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應效應晶體管。結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（晶體管（Static Induction TransistorSITStatic Induction TransistorSIT）第44頁

36、/共119頁第四十五頁，共119頁。第46頁主要用主要用N N溝道、增強型、絕緣溝道、增強型、絕緣(juyun)(juyun)柵型。柵型。和微電子里的和微電子里的MOSMOS管導電機理相同。管導電機理相同。和微電子里的區(qū)別：前者是一次擴散而成，后者是二次和微電子里的區(qū)別：前者是一次擴散而成，后者是二次擴散而成，前者是橫向導電型，后者是垂直導電型。擴散而成，前者是橫向導電型，后者是垂直導電型。 1. 結構結構(jigu)和工和工作原理作原理圖圖1.18 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N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道

37、圖1-19電力電力(dinl)場效應晶體管場效應晶體管第45頁/共119頁第四十六頁，共119頁。第47頁MOSFETMOSFET的種類的種類(zhngli)(zhngli)電力電力(dinl)場效應晶體管場效應晶體管第46頁/共119頁第四十七頁，共119頁。第48頁圖圖1.19 a) 轉移轉移(zhuny)特性特性010203050402468a)ID/AUTUGS/V漏極電流漏極電流IDID和柵源間電壓和柵源間電壓(diny)UGS(diny)UGS的關系稱為的關系稱為MOSFETMOSFET的轉移特性。的轉移特性。IDID較大時，較大時，IDID與與UGSUGS的關系近的關系近似線性，

38、曲線的斜率定義為跨似線性，曲線的斜率定義為跨導導GfsGfs。電力場效應晶體管電力場效應晶體管第47頁/共119頁第四十八頁，共119頁。第49頁截止區(qū)（截止區(qū)（GTRGTR的截止區(qū)）的截止區(qū)）飽和區(qū)（飽和區(qū)（GTRGTR的放大區(qū)）的放大區(qū)）非飽和區(qū)（非飽和區(qū)（GTRGTR的飽和區(qū)）的飽和區(qū)）工作在開關狀態(tài)工作在開關狀態(tài)(zhungti)(zhungti)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。，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。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(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。通態(tài)電阻具有正

39、溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖圖1.19 b) 輸出特性輸出特性電力電力(dinl)場效應晶體管場效應晶體管第48頁/共119頁第四十九頁，共119頁。第50頁 圖圖1.20 a) 1.20 a) 測試電路測試電路 b) b) 開關過程波形開關過程波形 RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfa) b)開通過程開通過程(guchng)(guchng)開

40、開通延遲時間通延遲時間td(on) td(on) 和上升時間和上升時間trtr之和為之和為開通時間開通時間tonton關斷過程關斷過程(guchng)(guchng)關關斷延遲時間斷延遲時間td(off)td(off)和下降時間和下降時間tftf之和為之和為關斷時間關斷時間tofftoff電力電力(dinl)場效應晶體管場效應晶體管第49頁/共119頁第五十頁，共119頁。第51頁MOSFETMOSFET的開關的開關(kigun)(kigun)特點：特點：電力電力(dinl)場效應晶體管場效應晶體管第50頁/共119頁第五十一頁，共119頁。第52頁4. 電力電力(dinl)MOSFET的主要

41、參數(shù)的主要參數(shù)1)1) 漏源額定電壓漏源額定電壓UDS UDS 電力電力MOSFETMOSFET電壓定額電壓定額2) 2) 漏極額定電流漏極額定電流(dinli)ID(dinli)ID和漏極峰值電流和漏極峰值電流(dinli)IDM(dinli)IDM電力電力MOSFETMOSFET電流電流(dinli)(dinli)定額定額3) 3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS UGSUGS20V20V將導致絕緣層擊穿。將導致絕緣層擊穿。 4)4) 極間電容極間電容極間電容極間電容CGSCGS、CGDCGD和和CDSCDS電力電力(dinl)場效應晶體管場效應晶體管第51頁/共119頁第五十二頁，共11

42、9頁。第53頁絕緣絕緣(juyun)柵雙極晶體管柵雙極晶體管 特點特點器件器件優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點晶體管晶體管GTRGTR開關時間短、飽和壓降低和開關時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬安全工作區(qū)寬 存在二次擊穿、驅動功率較大、存在二次擊穿、驅動功率較大、驅動電路復雜驅動電路復雜電力電力MOSFETMOSFET驅動電路簡單、驅動功率小、驅動電路簡單、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高、開關速度快、工作頻率高、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬無二次擊穿、安全工作區(qū)寬 電流容量小，耐壓低，通態(tài)電阻電流容量小，耐壓低，通態(tài)電阻大，只適用于中小功率電力電子大，只適用

43、于中小功率電力電子裝置裝置 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBTInsulated-gate Bipolar TransistorIGBT或或IGTIGT）集二者的優(yōu)點于一身。集二者的優(yōu)點于一身。19861986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期(y q)(y q)再取代再取代GTOGTO的地位。的地位。第52頁/共119頁第五十三頁，共119頁。第54頁三端三端(sn dun)(sn dun)器件：柵極器件

44、：柵極G G、集電極、集電極C C和發(fā)射和發(fā)射極極E E絕緣絕緣(juyun)柵雙極晶體管柵雙極晶體管圖圖1-21 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路簡化等效電路 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)E第53頁/共119頁第五十四頁，共119頁。第55頁(1) (1) 結構結構(jigu)(jigu)絕緣絕緣(juyun)柵雙極晶體管柵雙極晶體管EGC

45、N+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)E圖圖1-21 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路簡化等效電路 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號第54頁/共119頁第五十五頁，共119頁。第56頁(2)(2)工作工作(gngzu)(gngzu)原理原理 驅動原理與電力驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，基本相同，場控器件，通斷由柵射極間電壓通斷由柵射極間電壓uGE決定。決定。導通：導通：uG

46、E大于開啟電壓大于開啟電壓UGE(th)時，時，MOSFET內內形成溝道，為晶體管提供基極電流，形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通導通。通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓減小，使通態(tài)壓降減小。降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失內的溝道消失(xiosh)，晶體管的基極電流被切，晶體管的基極電流被切斷，斷，IGBT關斷。關斷。絕緣絕緣(juyun)柵雙極晶體管柵雙極晶體管第55頁/共119頁第五十六頁，共119頁。第57頁靜態(tài)靜態(tài)(jngti)(jngti)特性特性2. 基本基本

47、(jbn)特特性性圖圖1. 22 a) 轉移特性轉移特性 b) 輸出特性輸出特性O有源區(qū)有源區(qū)正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)飽飽和和區(qū)區(qū)反向阻斷區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加絕緣絕緣(juyun)柵雙極晶體管柵雙極晶體管第56頁/共119頁第五十七頁，共119頁。第58頁動態(tài)動態(tài)(dngti)(dngti)特性特性圖圖1. 23 IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性ttt10%10%90%90%10%10%90%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)

48、UGEMUGEMICMICM絕緣絕緣(juyun)柵雙極晶體管柵雙極晶體管第57頁/共119頁第五十八頁，共119頁。第59頁圖圖1. 23 IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性ttt10%10%90%90%10%10%90%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM關斷延遲時間關斷延遲時間(shjin)td(off(shjin)td(off）電流下降時間電流下降時間(shjin)tf(shjin)tf關斷時間關斷時間(shjin)toff(shjin)toff電流下降時間

49、電流下降時間(shjin)(shjin)又可分為又可分為tfi1tfi1和和tfi2tfi2兩段兩段。tfi1IGBTtfi1IGBT器件內部的器件內部的MOSFETMOSFET的關斷過程，的關斷過程，iCiC下下降較快。降較快。tfi2IGBTtfi2IGBT內部的內部的PNPPNP晶晶體管的關斷過程，體管的關斷過程，iCiC下降下降較慢。較慢。IGBTIGBT的關斷過程的關斷過程(guchng)(guchng)絕緣絕緣(juyun)柵雙極晶體管柵雙極晶體管第58頁/共119頁第五十九頁，共119頁。第60頁正常工作溫度下允許(ynx)的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗(n

50、ho)PCM包括額定( dng)直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (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) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES3. 主要參數(shù)主要參數(shù)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管第59頁/共119頁第六十頁，共119頁。第61頁IGBTIGBT的特性的特性(txng)(txng)和參數(shù)特點總結如下：和參數(shù)特點總結如下：開關速度高，開關損耗小。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)比相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTRGTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比電力通態(tài)壓

51、降比電力MOSFETMOSFET低。低。輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFETMOSFET類似。類似。與與MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐壓和通流相比，耐壓和通流(tn(tn li) li)能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點 。絕緣絕緣(juyun)柵雙極晶體管柵雙極晶體管第60頁/共119頁第六十一頁，共119頁。第62頁4. 擎住效應擎住效應(xioyng)或自鎖效應或自鎖效應(xioyng)動態(tài)動態(tài)(dngti)(dngti)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許

52、的集電極電流小。擎住效應曾限制擎住效應曾限制IGBTIGBT電流容量提高，電流容量提高，2020世紀世紀9090年代中后期開始逐漸解決。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，晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P型體區(qū)的橫向空穴電流型體區(qū)的橫向空穴電流(dinli)會在該電阻上產生壓降，相當于對會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流開通，柵極就會失去對集電極電流(dinli)的控制作用，電流的控制作用，電流(dinli)失控。失控。絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管第61頁/共119頁第六十二頁

53、，共119頁。第63頁最大集電極電流最大集電極電流(dinli)Icp、最大集射極間電壓、最大集射極間電壓UCES和最大允許電壓上升率和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。確定。反向反向(fn xin(fn xin) )偏置安全工作區(qū)（偏置安全工作區(qū)（RBSOARBSOA）最大集電極電流最大集電極電流Icp、最大集射極間電壓、最大集射極間電壓UCES和最大集電極功耗和最大集電極功耗(n ho)PCM確定。確定。正向偏置安全工作區(qū)（正向偏置安全工作區(qū)（FBSOAFBSOA）5.安全工作區(qū)安全工作區(qū)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管第62頁/共119頁第六十三頁，共119頁。第64頁1.1.門極可

54、關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTOGTO2.2.高電壓、大電流雙極全控型器件。高電壓、大電流雙極全控型器件。3.3.反向電流大，控制復雜、控制功率較大。反向電流大，控制復雜、控制功率較大。4.4.適用適用(shyng)(shyng)于大功率場合。于大功率場合。 2.2.靜電感應靜電感應(jngdin gnyng)(jngdin gnyng)晶體管晶體管SITSIT3.3.多子導電，工作頻率與電力多子導電，工作頻率與電力MOSFETMOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，適用于高頻大功率場合。相當，甚至更高，功率容量更大，適用于高頻大功率場合。4.4.在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大

55、和高頻感應加熱等領域獲得應用。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。5.5.柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，使用不方便。柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，使用不方便。6.6.通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大。 第63頁/共119頁第六十四頁，共119頁。第65頁3.3.靜電感應靜電感應(jngdin gnyng)(jngdin gnyng)晶閘管晶閘管SITHSITH4.4. MOS MOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMOSFETMCTMOSFET與晶閘管的復合器件與晶閘管的復合器件5.5.承受極高承受極高di/dtdi/dt和和d

56、u/dtdu/dt，快速的開關過程，開關損耗小。，快速的開關過程，開關損耗小。6.6.高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。7.7.其關鍵技術問題沒有其關鍵技術問題沒有(mi yu)(mi yu)大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用。大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數(shù)值，未能投入實際應用。1.5 其他其他(qt)全控型電力電子器件簡介全控型電力電子器件簡介兩種載流子導電、雙極型，具有電導調制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。兩種載流子導電、雙極型，具有電導調制效應，通態(tài)壓降低、通流能力強。其很多特性與其很多特性與GTOGT

57、O類似，但開關速度比類似，但開關速度比GTOGTO高得多，是大容量的快速器件。高得多，是大容量的快速器件。制造工藝復雜，成本較高。制造工藝復雜，成本較高。關斷時需要較大的門極驅動電流。關斷時需要較大的門極驅動電流。第64頁/共119頁第六十五頁，共119頁。第66頁5.5. 集成集成(j chn(j chn) )門極換流晶閘管門極換流晶閘管IGCTIGCT1.5 其他其他(qt)全控型電力電子器件簡介全控型電力電子器件簡介2020世紀世紀9090年代后期出現(xiàn)，結合了年代后期出現(xiàn)，結合了IGBTIGBT與與GTOGTO的優(yōu)點的優(yōu)點，容量與，容量與GTOGTO相當，開關速度快相當，開關速度快101

58、0倍。倍?？墒∪タ墒∪TOGTO復雜的緩沖電路復雜的緩沖電路(dinl)(dinl)，但驅動功，但驅動功率仍很大。率仍很大。目前正在與目前正在與IGBTIGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取等新型器件激烈競爭，試圖最終取代代GTOGTO在大功率場合的位置。在大功率場合的位置。第65頁/共119頁第六十六頁，共119頁。第67頁6. 6. 功率功率(gngl)(gngl)模塊與功率模塊與功率(gngl)(gngl)集成電路集成電路1.5 其他其他(qt)全控型電力電子器件簡介全控型電力電子器件簡介第66頁/共119頁第六十七頁，共119頁。第68頁智能功率集成電路智能功率集成電路SPICSPI

59、C（Smart Power ICSmart Power IC）通常指縱向功率器件與控制）通常指縱向功率器件與控制(kngzh)(kngzh)和保護電路的集成。通常用于電壓調節(jié)器、汽車功率開關、開關電源、電機驅動、家用電器等產品上。和保護電路的集成。通常用于電壓調節(jié)器、汽車功率開關、開關電源、電機驅動、家用電器等產品上。高壓集成電路高壓集成電路HVICHVIC（High Voltage ICHigh Voltage IC）一般指高壓器件與邏輯或模擬控制）一般指高壓器件與邏輯或模擬控制(kngzh)(kngzh)電路的單片集成。通常用于小型電機驅動及電話交換機用戶電路等需要較高電壓的地方。電路的單

60、片集成。通常用于小型電機驅動及電話交換機用戶電路等需要較高電壓的地方。智能功率模塊智能功率模塊IPMIPM（Intelligent Power ModuleIntelligent Power Module）則專指）則專指IGBTIGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBTIGBT（Intelligent IGBTIntelligent IGBT）。）。實際應用電路實際應用電路按照按照(nzho)(nzho)制作工藝及應制作工藝及應用范圍分用范圍分1.5 其他全控型電力其他全控型電力(dinl)電子器件簡介電子器件簡介第67