電力電子第2章器件

1、第二章第二章 電力電子器件電力電子器件2.1 電力二極管電力二極管2.2 晶閘管類器件晶閘管類器件2.3 全控型電力電子器件全控型電力電子器件2.4 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電力電子器件的特點(diǎn) 電力電子器件是建立在半導(dǎo)體原理基礎(chǔ)上電力電子器件是建立在半導(dǎo)體原理基礎(chǔ)上的，它一般能承受較高的工作電壓和較大的，它一般能承受較高的工作電壓和較大的電流，并且主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此的電流，并且主要工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此在變流電路中也常簡(jiǎn)稱為在變流電路中也常簡(jiǎn)稱為“開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)”。 電力電子器件可以用小信號(hào)控制器件的通電力電子器件可以用小信號(hào)控制器件的通斷，從而控制大功率電路的工作狀態(tài)，

2、這斷，從而控制大功率電路的工作狀態(tài)，這意味著器件有很高的放大倍數(shù)。意味著器件有很高的放大倍數(shù)。 電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，有較低電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，有較低的通態(tài)損耗，可以提高變流電路的效率。的通態(tài)損耗，可以提高變流電路的效率。電力電子器件的分類按照電力電子開(kāi)關(guān)器件的可控性 不控型器件不控型器件 （電力二極管）（電力二極管） 半控型器件半控型器件 （晶閘管系列器件）（晶閘管系列器件） 全控型器件全控型器件 （電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)管和（電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)管和IGBT等）等）電力電子器件的分類按照器件對(duì)驅(qū)動(dòng)（觸發(fā)）信號(hào)的要求 電流型驅(qū)動(dòng)電流型驅(qū)動(dòng) （電流型驅(qū)動(dòng)器件要求控制信號(hào)有一

3、定的電流強(qiáng)度，這類器件有晶閘管、電力晶體管等） 電壓型驅(qū)動(dòng)電壓型驅(qū)動(dòng)（電壓型驅(qū)動(dòng)器件只要控制極施加一定的電壓信號(hào)，而需要的控制電流很小，一般在毫安級(jí)，主要通過(guò)在控制極產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)控制器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，因此也稱為場(chǎng)控型器件。有IGBT,P-MOSFET）電力電子器件的分類按照器件工作原理 單極型：參與導(dǎo)電的載流子只有一種，電子或空穴 雙極型：參與導(dǎo)電的既有電子又有空穴 復(fù)合型：兼有單極型和雙極型的優(yōu)點(diǎn)。如IGBT的輸入控制部分為MOSFET，輸出級(jí)為雙極結(jié)型晶體管 2.1 電力二極管一、一、電力二極管的原理電力二極管的原理二、二、電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性 三、三、電力二極管的主要

4、參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) 返回返回2.1 電力二極管電力二極管 一、電力二極管的工作原理一、電力二極管的工作原理 電力二極管與普通二極管的工作原理相同電力二極管與普通二極管的工作原理相同 當(dāng)二極管接正向電壓時(shí)，二極管正偏當(dāng)二極管接正向電壓時(shí)，二極管正偏 ，管子兩端，管子兩端 正向電壓降正向電壓降UAK一般小于一般小于1伏（硅二極管約伏（硅二極管約0.7伏，伏， 鍺二極管約鍺二極管約0.3伏）。伏）。 當(dāng)二極管接反向電壓時(shí)，即陽(yáng)極接外電源負(fù)極，陰當(dāng)二極管接反向電壓時(shí)，即陽(yáng)極接外電源負(fù)極，陰 極經(jīng)負(fù)載接外電源的正極，這也常稱為反偏極經(jīng)負(fù)載接外電源的正極，這也常稱為反偏 ，二極管，二極管 截止截止

5、。返回返回+-二、電力二極管的伏安特性二、電力二極管的伏安特性 當(dāng)施加在二極管上的正向電壓大于當(dāng)施加在二極管上的正向電壓大于UTO 時(shí)，二極時(shí)，二極管導(dǎo)通。當(dāng)二極管受反向電壓時(shí)二極管截止，僅管導(dǎo)通。當(dāng)二極管受反向電壓時(shí)二極管截止，僅有很小的反向漏電流（也稱反向飽和電流）。有很小的反向漏電流（也稱反向飽和電流）。二極管的伏安特性二極管的伏安特性反向特性反向特性正向特性正向特性電力二極管的開(kāi)關(guān)特性t4-t2這段這段時(shí)間叫反時(shí)間叫反向恢復(fù)時(shí)向恢復(fù)時(shí)間間反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓能夠反復(fù)施加在二極管上，二極管不會(huì)被擊穿的能夠反復(fù)施加在二極管上，二極管不會(huì)被擊穿的最高反向重復(fù)峰值電壓最高反向重復(fù)峰

6、值電壓U URRMRRM。額定電壓：額定電壓： 額定電壓一般是擊穿電壓額定電壓一般是擊穿電壓U UB B的的2/32/3。在使用中額。在使用中額定電壓一般取二極管在電路中可能承受的最高反向定電壓一般取二極管在電路中可能承受的最高反向電壓（在交流電路中是交流電壓峰值），并增加一電壓（在交流電路中是交流電壓峰值），并增加一定的安全裕量。定的安全裕量。三、電力二極管的主要參數(shù)三、電力二極管的主要參數(shù)A A、電力二極管的電壓參數(shù)、電力二極管的電壓參數(shù)B B、通態(tài)平均電流和額定電流、通態(tài)平均電流和額定電流 通態(tài)平均電流（額定電流）是二極管在規(guī)定通態(tài)平均電流（額定電流）是二極管在規(guī)定的管殼溫度下，二極管能

7、通過(guò)工頻正弦半波電流的管殼溫度下，二極管能通過(guò)工頻正弦半波電流的平均值的平均值I IF F(AV)(AV)。（額定電流的選擇見(jiàn)晶閘管）。（額定電流的選擇見(jiàn)晶閘管） C、結(jié)溫結(jié)溫 結(jié)溫是二極管工作時(shí)內(nèi)部結(jié)溫是二極管工作時(shí)內(nèi)部PNPN結(jié)的溫度，即管結(jié)的溫度，即管芯溫度。半導(dǎo)體器件的最高結(jié)溫一般限制在芯溫度。半導(dǎo)體器件的最高結(jié)溫一般限制在150150200200，結(jié)溫和管殼的溫度與器件的功耗、管子散，結(jié)溫和管殼的溫度與器件的功耗、管子散熱條件（散熱器的設(shè)計(jì)）和環(huán)境溫度等因素有關(guān)熱條件（散熱器的設(shè)計(jì)）和環(huán)境溫度等因素有關(guān)。 13二極管電流定額的含義二極管電流定額的含義如手冊(cè)上某電力二極管的額定電流為1

8、00A，說(shuō)明：允許通過(guò)平均值為100A的正弦半波電流；允許通過(guò)正弦半波電流的幅值為314A；允許通過(guò)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(guò)允許值。mFrmsII21mFRII1FRFRFrmsIII57. 12由額定電流和最大允許全周期均方根正向電流的公式，得：由額定電流和最大允許全周期均方根正向電流的公式，得：14二極管的基本應(yīng)用二極管的基本應(yīng)用 整流續(xù)流D1D2D3D4VDCVAC（a）整流（b）續(xù)流DLiSVSRR2.2 晶閘管類器件晶閘管類器件 一、一、 晶閘管晶閘管 二、二、 雙向晶閘管雙向晶閘管 三、三、 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO 四、四、

9、 其它晶閘管類器件其它晶閘管類器件返回返回 一、一、 晶閘管晶閘管 A、 晶閘管工作原理 B、 晶閘管伏安特性 C、 晶閘管主要參數(shù)螺旋型封裝螺旋型封裝 平板型封裝平板型封裝 晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和結(jié)構(gòu)模型A、 晶閘管工作原理晶閘管工作原理 由由PNPNPNPN四層半導(dǎo)體料四層半導(dǎo)體料組成的四層三端器件，組成的四層三端器件， 三個(gè)三個(gè)P-NP-N結(jié)結(jié)P1P1陽(yáng)極陽(yáng)極A A（AnodeAnode） N2N2陰極陰極K(Cathode) K(Cathode) P2P2引出門(mén)極引出門(mén)極G(Gate)G(Gate) 雙三極管模型和導(dǎo)通原理雙三極管模型和導(dǎo)通原理 B、 晶閘管伏安特性晶閘管伏安特性 晶閘管

10、伏安特性晶閘管伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性 C、 晶閘管晶閘管主要參數(shù)主要參數(shù)1 1、電壓參數(shù)、電壓參數(shù)（1 1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U UDRMDRM 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門(mén)極無(wú)觸發(fā)時(shí)，允許重復(fù)施加在器斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門(mén)極無(wú)觸發(fā)時(shí)，允許重復(fù)施加在器件上的正向電壓峰值，該電壓規(guī)定為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓件上的正向電壓峰值，該電壓規(guī)定為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓U UDSMDSM的的9090。 （2 2）反向重復(fù)峰值電壓）反向重復(fù)峰值電壓U URRMRRM 反向重復(fù)峰值電壓是在門(mén)極無(wú)觸發(fā)時(shí)，允許重復(fù)施加在器反向重復(fù)峰值電壓是在門(mén)極無(wú)觸發(fā)時(shí)，允許重復(fù)施加在器件上的反向電壓峰值。該

11、電壓規(guī)定為反向不重復(fù)峰值電壓件上的反向電壓峰值。該電壓規(guī)定為反向不重復(fù)峰值電壓U URSMRSM的的9090。 （3 3）額定電壓額定電壓 產(chǎn)品樣本上一般取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓中產(chǎn)品樣本上一般取斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓中較小的一個(gè)作為器件的額定電壓。在選取器件時(shí)要根據(jù)器件在較小的一個(gè)作為器件的額定電壓。在選取器件時(shí)要根據(jù)器件在電路中可能承受的最高電壓，再增加電路中可能承受的最高電壓，再增加2-32-3倍的裕量來(lái)選取晶閘倍的裕量來(lái)選取晶閘管的額定電壓，以確保器件的安全運(yùn)行管的額定電壓，以確保器件的安全運(yùn)行。 2 2、電流參數(shù)、電流參數(shù) 通態(tài)平均電流和額定電流通態(tài)平均電流和

12、額定電流 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流I IAVAV國(guó)際規(guī)國(guó)際規(guī)定是在環(huán)境溫度為定是在環(huán)境溫度為4040C C和在規(guī)定冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)和在規(guī)定冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，晶閘管允許流過(guò)的最大正弦半溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，晶閘管允許流過(guò)的最大正弦半波電流的平均值。波電流的平均值。晶閘管以通態(tài)平均電流標(biāo)定為額定晶閘管以通態(tài)平均電流標(biāo)定為額定電流電流。 當(dāng)通過(guò)晶閘管的電流不是正弦半波時(shí)，選擇額定當(dāng)通過(guò)晶閘管的電流不是正弦半波時(shí)，選擇額定電流就需要將實(shí)際通過(guò)晶閘管電流的有效值電流就需要將實(shí)際通過(guò)晶閘管電流的有效值I IT T折算為折算為正弦半波電流的平均值，其折算過(guò)程如下：正弦半波電流的平均值，其

13、折算過(guò)程如下： 通過(guò)晶閘管正弦半波電流的平均值通過(guò)晶閘管正弦半波電流的平均值 ： 01)(sin21mmAVIttdII正弦半波電流的有效值正弦半波電流的有效值 ：得正弦半波電流有效值與平均值關(guān)系為得正弦半波電流有效值與平均值關(guān)系為 ：通過(guò)晶閘管的通態(tài)平均電流為通過(guò)晶閘管的通態(tài)平均電流為 ：在選擇在選擇晶閘管額定電流晶閘管額定電流時(shí)，在通態(tài)電流平均值時(shí)，在通態(tài)電流平均值I IAVAV的的基礎(chǔ)上還要增加（基礎(chǔ)上還要增加（1.51.52 2）倍的安全裕量，即）倍的安全裕量，即I IT(AV)T(AV)=(1.5=(1.52)2)I IAVAV。57.1TAVIImmTItdtII21)()(sin

14、21022AVAVTIII57. 1224 圖中畫(huà)斜線部分為一個(gè)2周期中晶閘管的電流波形。若各波形的最大值為Im=100A，試計(jì)算各波形電流的平均值Id1、Id2、Id3和電流有效值I1、I2、I3 。 若考慮二倍的電流安全裕量，選擇額定電流為100A的晶閘管能否滿足要求？ 3、門(mén)極參數(shù)、門(mén)極參數(shù) 晶閘管的門(mén)極參數(shù)主要有晶閘管的門(mén)極參數(shù)主要有門(mén)極觸發(fā)門(mén)極觸發(fā)電壓電壓和和觸發(fā)電流觸發(fā)電流，門(mén)極觸發(fā)電壓一般，門(mén)極觸發(fā)電壓一般小于小于5V5V，最高門(mén)極正向電壓不超過(guò)，最高門(mén)極正向電壓不超過(guò)10V10V。門(mén)極觸發(fā)電流根據(jù)晶閘管容量在幾門(mén)極觸發(fā)電流根據(jù)晶閘管容量在幾幾百毫安之間。幾百毫安之間。 4、動(dòng)態(tài)

15、參數(shù)、動(dòng)態(tài)參數(shù)（1 1）開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間）開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間延遲時(shí)間延遲時(shí)間t td d：在晶閘管被觸發(fā)時(shí)，陽(yáng)極電流開(kāi)始上升，在晶閘管被觸發(fā)時(shí)，陽(yáng)極電流開(kāi)始上升，當(dāng)電流上升到穩(wěn)態(tài)值當(dāng)電流上升到穩(wěn)態(tài)值1010的這段時(shí)間的這段時(shí)間, ,上升時(shí)間上升時(shí)間t tr r電流從電流從1010上升到穩(wěn)態(tài)電流上升到穩(wěn)態(tài)電流9090的這段時(shí)間。的這段時(shí)間。導(dǎo)通時(shí)間導(dǎo)通時(shí)間t tonon：為延遲時(shí)間和上升時(shí)間之和：為延遲時(shí)間和上升時(shí)間之和, , t tonon = = t td d + + t tr r ，普通晶閘管的延遲時(shí)間約為，普通晶閘管的延遲時(shí)間約為0.50.51.5s, 1.5s, 上上升時(shí)間為升時(shí)間為

16、0.50.53s3s。 晶閘管開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程晶閘管開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間t trrrr：晶閘管受反向電壓關(guān)斷晶閘管受反向電壓關(guān)斷正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間t tgrgr：正向電壓阻斷能力恢復(fù)的時(shí)間正向電壓阻斷能力恢復(fù)的時(shí)間關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間 ： t toff off = = t trrrr + + t tgrgr ，約為數(shù)百微秒。，約為數(shù)百微秒。 （2 2）dv/dtdv/dt和和di/dtdi/dt限制限制 晶閘管在斷態(tài)時(shí)，如果加在陽(yáng)極上的正向電壓上晶閘管在斷態(tài)時(shí)，如果加在陽(yáng)極上的正向電壓上升率升率dv/dtdv/dt很大會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通，因此，對(duì)晶閘管很大會(huì)使晶

17、閘管誤導(dǎo)通，因此，對(duì)晶閘管正向電壓的正向電壓的dv/dtdv/dt需要作一定的限制。需要作一定的限制。 晶閘管在導(dǎo)通過(guò)程中，如果電流上升率晶閘管在導(dǎo)通過(guò)程中，如果電流上升率di/dtdi/dt很很大大, , 會(huì)引起局部結(jié)面過(guò)熱使晶閘管燒壞，因此，在晶會(huì)引起局部結(jié)面過(guò)熱使晶閘管燒壞，因此，在晶閘管導(dǎo)通過(guò)程中對(duì)閘管導(dǎo)通過(guò)程中對(duì)di/dtdi/dt也要有一定的限制。也要有一定的限制。返回返回二、二、 雙向晶閘管雙向晶閘管 雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTriode AC SwitchTRIACTRIAC或、或、Bidirectional Triode ThyristorBi

18、directional Triode Thyristor）是一種在正反向電）是一種在正反向電壓下都可以用門(mén)極信號(hào)來(lái)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。它有兩個(gè)壓下都可以用門(mén)極信號(hào)來(lái)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。它有兩個(gè)主極主極T T1 1和和T T2 2，一個(gè)門(mén)極，一個(gè)門(mén)極G G，原理上它可以視為兩個(gè)普通晶，原理上它可以視為兩個(gè)普通晶閘管的反并聯(lián)閘管的反并聯(lián)。雙向晶閘管承受雙向晶閘管承受dv/dtdv/dt的能力較低，使的能力較低，使用中要在主極用中要在主極 T T1 1和和T T2 2間并聯(lián)間并聯(lián)RCRC吸收電路。吸收電路。等值電路等值電路 符號(hào)符號(hào) 返回返回三、 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管

19、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO是一種通過(guò)門(mén)極加負(fù)脈是一種通過(guò)門(mén)極加負(fù)脈可以關(guān)斷的晶閘管。（全控型器件可以關(guān)斷的晶閘管。（全控型器件) ) A、 GTO的關(guān)斷原理的關(guān)斷原理 B、 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)GTO符號(hào)符號(hào) A、 GTO的關(guān)斷原理的關(guān)斷原理 GTOGTO的導(dǎo)通原理與普通晶閘管相同，不同的導(dǎo)通原理與普通晶閘管相同，不同是在關(guān)斷過(guò)程。是在關(guān)斷過(guò)程。在導(dǎo)通的在導(dǎo)通的GTOGTO還受正向電壓時(shí)，在門(mén)極加還受正向電壓時(shí)，在門(mén)極加負(fù)脈沖，使門(mén)極電流負(fù)脈沖，使門(mén)極電流I IG G反向，這樣雙三極管反向，這樣雙三極管模型中模型中T2T2管基極的多數(shù)載流子被抽取，管基極的多數(shù)載流子被抽取，T2T2基基

20、極電流下降，使極電流下降，使T2T2集極電流集極電流I IC2C2隨之減小，隨之減小，而這引起而這引起T1T1管基極電流和集極電流管基極電流和集極電流I IC1C1的減小，的減小，T1T1集極電流的減小又引起集極電流的減小又引起T2T2基極電流的進(jìn)一基極電流的進(jìn)一步下降，產(chǎn)生了負(fù)的正反饋效應(yīng)，使等效的步下降，產(chǎn)生了負(fù)的正反饋效應(yīng)，使等效的三極管三極管T1T1和和T2T2退出飽和狀態(tài)，陽(yáng)極電流下降退出飽和狀態(tài)，陽(yáng)極電流下降直至直至GTOGTO關(guān)斷。關(guān)斷。 B、 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)1 1、最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流、最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流I IATOATO 這是這是GTOGTO通過(guò)門(mén)極負(fù)脈沖能關(guān)斷的最

21、大陽(yáng)極電流，通過(guò)門(mén)極負(fù)脈沖能關(guān)斷的最大陽(yáng)極電流， 并且以此電流定義為并且以此電流定義為GTOGTO的額定電流，這與普通晶閘的額定電流，這與普通晶閘管以最大通態(tài)電流為額定電流是不同的。管以最大通態(tài)電流為額定電流是不同的。 2 2、電流關(guān)斷增益、電流關(guān)斷增益offoff 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值之比是之比是GTOGTO的電流關(guān)斷增益的電流關(guān)斷增益 一般一般GTOGTO電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益offoff較小，只有較小，只有5 51010倍左右。倍左右。 返回返回GMATOoffII 四、四、 其它晶閘管類器件其它晶閘管類器件 1 1、 快速晶

22、閘管快速晶閘管快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST）的原理和普通晶閘管相同，其特點(diǎn)是關(guān)斷速的原理和普通晶閘管相同，其特點(diǎn)是關(guān)斷速度快，普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為數(shù)百微秒，度快，普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為數(shù)百微秒，快速晶閘管關(guān)斷時(shí)間為數(shù)十微秒，高頻晶閘快速晶閘管關(guān)斷時(shí)間為數(shù)十微秒，高頻晶閘管可達(dá)管可達(dá)10s左右，因此左右，因此快速晶閘管主要使用快速晶閘管主要使用在高頻電路中。在高頻電路中。 2 2、 逆導(dǎo)型晶閘管逆導(dǎo)型晶閘管一種將晶閘管反并聯(lián)一種將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管后制作在同一一個(gè)二極管后制作在同一管芯上的集成器件。常用管芯上的集成器件。常用在大功率的斬波電

23、路中。在大功率的斬波電路中。 3 3、 光控晶閘管光控晶閘管一種用光觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管，其工作原理類一種用光觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管，其工作原理類似于光電二極管似于光電二極管 。主要應(yīng)用在高電壓大功率。主要應(yīng)用在高電壓大功率場(chǎng)合，比如高壓直流輸電。場(chǎng)合，比如高壓直流輸電。返回返回 一、電力晶體管GTR 二、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 三、絕緣柵雙極型晶體管IGBT 四、其它新型全控型器件和模塊返回返回一、電力晶體管一、電力晶體管GTR 一種耐壓較高電流較大的雙極結(jié)型晶體管一種耐壓較高電流較大的雙極結(jié)型晶體管. . GTR GTR的主要參數(shù)有的主要參數(shù)有: : （1 1）最高工作電壓）最高工作電壓 （2 2）集電極

24、最大允許電流）集電極最大允許電流I ICMCM （3 3）集極最大耗散功率）集極最大耗散功率P PCMCM。 為了提高為了提高GTRGTR的電流能力，大功率的電流能力，大功率GTRGTR都做成達(dá)林頓管。都做成達(dá)林頓管。 目前在大多數(shù)場(chǎng)合目前在大多數(shù)場(chǎng)合GTRGTR已經(jīng)為性能更好的電力場(chǎng)效已經(jīng)為性能更好的電力場(chǎng)效應(yīng)管和應(yīng)管和IGBTIGBT取代取代. . 返回返回二、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管二、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PowerPowerMOSFETMOSFET）是一種大功率的場(chǎng)）是一種大功率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。效應(yīng)晶體管。場(chǎng)效應(yīng)晶體管有場(chǎng)效應(yīng)晶體管有: : 源極源極S(Sou

25、rce)S(Source)、漏極漏極D(Drain)D(Drain)和和柵極柵極G(Gate)G(Gate)三個(gè)極。三個(gè)極。 MOSFET原理圖原理圖 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分類（1）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型）結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管場(chǎng)效應(yīng)管 利用利用PN結(jié)反向電壓對(duì)結(jié)反向電壓對(duì)耗盡層厚度耗盡層厚度的控制來(lái)改的控制來(lái)改變漏極、源極之間的導(dǎo)變漏極、源極之間的導(dǎo)電溝道寬度，從而控制電溝道寬度，從而控制漏、源極間電流的大小。漏、源極間電流的大小。N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（2 2）絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管利用柵）絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管利用柵極和源極之間電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)改變半導(dǎo)體表面極

26、和源極之間電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)來(lái)改變半導(dǎo)體表面的感生電荷改變導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，從而控制的感生電荷改變導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，從而控制漏極和源極之間的電流。漏極和源極之間的電流。在電力電子電路中常用的是絕緣柵金屬氧化物在電力電子電路中常用的是絕緣柵金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFETMOSFET（Metal Oxide Metal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorSemiconductor Field Effect Transistor）。）。 考慮極間電容P-MOSFET管的等效模型MOSFET按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為

27、P溝道（載流子溝道（載流子為空穴）和為空穴）和N溝道（載流子為電子）兩種。溝道（載流子為電子）兩種。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極間就存在導(dǎo)電溝道當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。的稱為耗盡型。對(duì)于對(duì)于N溝道器件，柵極電壓大于零時(shí)才存在溝道器件，柵極電壓大于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型；導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型；對(duì)于對(duì)于P溝道器件，柵極電壓小于零時(shí)才存在溝道器件，柵極電壓小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。在電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管中主要是在電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管中主要是N溝道增強(qiáng)型。溝道增強(qiáng)型。 A、主要特性和參數(shù)、主要特性和參數(shù) 1、轉(zhuǎn)移特性 2、輸出特性 3、主要參數(shù)1、

28、轉(zhuǎn)移特性、轉(zhuǎn)移特性 這是反映這是反映漏極電流漏極電流I ID D與柵源極電壓與柵源極電壓U UGSGS關(guān)系關(guān)系的曲的曲線，線，U UT T是是MOSFETMOSFET的柵極開(kāi)啟電壓也稱閾值電壓。轉(zhuǎn)的柵極開(kāi)啟電壓也稱閾值電壓。轉(zhuǎn)移特性的斜率稱為跨導(dǎo)移特性的斜率稱為跨導(dǎo)gmgm。 返回返回GSDmUIg轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 2、輸出特性、輸出特性 在正向電壓（漏極在正向電壓（漏極D“D“”，源極，源極S“S“”）時(shí)加正）時(shí)加正柵極電壓柵極電壓U UGSGS，有電流，有電流I ID D從漏極流向源極，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)從漏極流向源極，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。其輸出特性可分四個(gè)區(qū)。通。其輸出特性可分四個(gè)區(qū)。MOSFETMO

29、SFET的輸出特性如圖：的輸出特性如圖：輸出特性輸出特性 3、主要參數(shù)、主要參數(shù)（1 1） 通態(tài)電阻通態(tài)電阻R Ron on 定義：在確定的柵壓定義：在確定的柵壓U UGSGS時(shí)，時(shí)，MOSFETMOSFET從非飽和區(qū)進(jìn)從非飽和區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時(shí)的漏源極間等效電阻。入飽和區(qū)時(shí)的漏源極間等效電阻。通態(tài)電阻影響通態(tài)電阻影響MOSFETMOSFET的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通損耗。通的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通損耗。通態(tài)電阻受溫度變化的影響很大，具有正溫度系態(tài)電阻受溫度變化的影響很大，具有正溫度系數(shù)。并且耐壓高的器件數(shù)。并且耐壓高的器件R Ron on 也較大，管壓降也較也較大，管壓降也較大，因此它不易制成高壓器件。大，因此它

30、不易制成高壓器件。（2 2） 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓U UT T 定義：應(yīng)用中常將漏極短接條件下定義：應(yīng)用中常將漏極短接條件下I ID D為為1mA1mA時(shí)的柵時(shí)的柵極電壓定義為開(kāi)啟電壓。極電壓定義為開(kāi)啟電壓。（3 3） 漏極擊穿電壓漏極擊穿電壓BUBUDSDS 避免器件進(jìn)入擊穿區(qū)的最高極限電壓，是避免器件進(jìn)入擊穿區(qū)的最高極限電壓，是MOSFETMOSFET標(biāo)標(biāo)定的定的額定電壓額定電壓。（4 4） 柵極擊穿電壓柵極擊穿電壓BUBUGSGS 一般柵源電壓一般柵源電壓U UGSGS的極限值為的極限值為20V20V（5 5） 漏極連續(xù)電流漏極連續(xù)電流I ID D和漏極峰值電流和漏極峰值電流I IDMDM

31、漏極連續(xù)電流漏極連續(xù)電流I ID D是是MOSFETMOSFET的電流額定值的電流額定值。漏極峰值電流漏極峰值電流I IDMDM是是MOSFETMOSFET的電流極限值。的電流極限值。（6 6） 極間電容極間電容 極間電容包括柵極電容極間電容包括柵極電容C CGSGS、柵漏電容、柵漏電容C CGDGD，柵源電容，柵源電容C CDSDS。（7 7） 開(kāi)關(guān)時(shí)間開(kāi)關(guān)時(shí)間 包括開(kāi)通時(shí)間包括開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間toff，開(kāi)通時(shí)間和，開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間都在關(guān)斷時(shí)間都在數(shù)十納秒數(shù)十納秒左右，適用于高頻電路。左右，適用于高頻電路。 P_MOSFET柵源電壓VGS與源漏電壓VDS波形返回返回三、絕

32、緣柵雙極型晶體管三、絕緣柵雙極型晶體管IGBT A A、等效電路和工作原理等效電路和工作原理 B B、擎住效應(yīng)擎住效應(yīng) C C、主要參數(shù)主要參數(shù) 等效電路等效電路圖標(biāo)圖標(biāo)A A、 IGBTIGBT工作原理工作原理IGBTIGBT是一種復(fù)合型器件它兼有是一種復(fù)合型器件它兼有MOSFETMOSFET高輸高輸入阻抗、電壓控制、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度入阻抗、電壓控制、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高的特點(diǎn)和快、工作頻率高的特點(diǎn)和GTRGTR電壓電流容量電壓電流容量大的特點(diǎn)。大的特點(diǎn)。 IGBTIGBT和和MOSFETMOSFET有相似的轉(zhuǎn)移特性，和有相似的轉(zhuǎn)移特性，和GTRGTR有有相似的輸出特性。相

33、似的輸出特性。 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性輸出特性輸出特性B B、擎住效應(yīng)、擎住效應(yīng) 由于在由于在IGBTIGBT內(nèi)部存在一個(gè)寄生三內(nèi)部存在一個(gè)寄生三極管極管T2,T2,在在IGBTIGBT截止和正常導(dǎo)通時(shí)，截止和正常導(dǎo)通時(shí)，R RS S上壓降很小，三極管上壓降很小，三極管T T2 2沒(méi)有足夠沒(méi)有足夠的基流不會(huì)導(dǎo)通，的基流不會(huì)導(dǎo)通， 如果如果I IC C超過(guò)額定值，超過(guò)額定值， T T2 2基射間基射間的體區(qū)短路電阻的體區(qū)短路電阻R RS S上壓降過(guò)大，寄上壓降過(guò)大，寄生三極管生三極管T T2 2將導(dǎo)通，將導(dǎo)通， T T2 2和和T T1 1就形成就形成了一個(gè)晶閘管的等效結(jié)構(gòu)，即使撤了一個(gè)晶閘管的等效結(jié)

34、構(gòu)，即使撤除除U UGEGE信號(hào)，信號(hào)，IGBTIGBT也繼續(xù)導(dǎo)通使門(mén)也繼續(xù)導(dǎo)通使門(mén)極失去控制，這稱為極失去控制，這稱為擎住效應(yīng)擎住效應(yīng)。 C C、主要參數(shù)、主要參數(shù) 1 1、最大集射極電壓、最大集射極電壓 U UCESCES （IGBTIGBT的額定電壓的額定電壓, ,超過(guò)該電壓超過(guò)該電壓IGBTIGBT將可能將可能擊穿）擊穿） 2 2、最大集電極電流、最大集電極電流 I IC C 包括通態(tài)時(shí)通過(guò)的直流電流包括通態(tài)時(shí)通過(guò)的直流電流ICIC和和1ms1ms脈沖寬度脈沖寬度的最大電流的最大電流I ICPCP。最大集電極電流。最大集電極電流I ICPCP是根據(jù)避是根據(jù)避免擎住效應(yīng)確定的。免擎住效應(yīng)

35、確定的。 3 3、最大集電極功耗、最大集電極功耗 P PCMCM 因?yàn)橐驗(yàn)镮GBT這時(shí)不受反向電這時(shí)不受反向電壓，壓，N基區(qū)的少數(shù)載流子基區(qū)的少數(shù)載流子復(fù)合緩慢，使復(fù)合緩慢，使IC下降變慢下降變慢（tfi2段），造成關(guān)斷時(shí)段），造成關(guān)斷時(shí)電 流 的 拖 尾 現(xiàn) 象 ， 使電 流 的 拖 尾 現(xiàn) 象 ， 使IGBT的關(guān)斷時(shí)間大于于的關(guān)斷時(shí)間大于于電力電力MOSFET的關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷時(shí)間。間。IGBT的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度和的特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度和開(kāi)關(guān)頻率高于開(kāi)關(guān)頻率高于GTR，略低，略低于電力于電力MOSFET；輸入；輸入阻抗高，屬電壓驅(qū)動(dòng)，這阻抗高，屬電壓驅(qū)動(dòng)，這與與MOSFET相似，但通相似，但通態(tài)壓降小

36、于電力態(tài)壓降小于電力MOSFET是其優(yōu)點(diǎn)。是其優(yōu)點(diǎn)。 返回返回4 4、開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間、開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間t tonon, ,t toffoff四、其它新型全控型器件和模塊四、其它新型全控型器件和模塊 A A、 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SIT SIT B B、 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH C C、 集成門(mén)極換流晶閘管（集成門(mén)極換流晶閘管（IGCTIGCT） D D、 集成功率模塊集成功率模塊返回返回一、一、電電力電子器件的驅(qū)動(dòng)力電子器件的驅(qū)動(dòng)二、二、電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的保護(hù)三、三、電力電子器件的串并聯(lián)電力電子器件的串并聯(lián)返回返回一、電力電子器件的驅(qū)動(dòng)一、電力

37、電子器件的驅(qū)動(dòng) 電力電子器件的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)控制極加一定的電力電子器件的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)控制極加一定的信號(hào)使器件導(dǎo)通或關(guān)斷，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路信號(hào)使器件導(dǎo)通或關(guān)斷，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電路稱為驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路與主電路的隔離很重要。稱為驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路與主電路的隔離很重要。 變壓器隔離變壓器隔離 脈沖隔離脈沖隔離 晶閘管類器件的觸發(fā)要求：晶閘管類器件的觸發(fā)要求： 晶閘管是電流型驅(qū)動(dòng)器件采用脈沖觸發(fā)，其晶閘管是電流型驅(qū)動(dòng)器件采用脈沖觸發(fā)，其門(mén)極觸發(fā)脈沖電流的理想波形如下圖。門(mén)極觸發(fā)脈沖電流的理想波形如下圖。全控型器件的驅(qū)動(dòng)要求：全控型器件的驅(qū)動(dòng)要求： 驅(qū)動(dòng)電流或電壓的波形基本如上圖，一般驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)動(dòng)電流或電壓

38、的波形基本如上圖，一般驅(qū)動(dòng)脈沖前沿要求比較陡（小于前沿要求比較陡（小于1 1微秒）。微秒）。 晶閘管觸發(fā)電流波形晶閘管觸發(fā)電流波形 全控器件的驅(qū)動(dòng)波形全控器件的驅(qū)動(dòng)波形 返回返回 電力電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓一般取的驅(qū)動(dòng)電壓一般取1015V，IGBT取取1520V，關(guān)斷時(shí)控制極加，關(guān)斷時(shí)控制極加515V電壓。電壓。 常用的電力常用的電力MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊有三菱公司的驅(qū)動(dòng)模塊有三菱公司的M57918,其輸入電流信號(hào)幅值為其輸入電流信號(hào)幅值為16mA,輸出最輸出最大脈沖電流達(dá)大脈沖電流達(dá)2A和和3A,輸出驅(qū)動(dòng)電壓輸出驅(qū)動(dòng)電壓15V和和10V。IGBT驅(qū)動(dòng)模塊有三菱公司的驅(qū)動(dòng)模塊有三菱公司的M5

39、79系列（系列（M57962L、 M57959L），富士公司的），富士公司的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850、EXB851），西門(mén)子），西門(mén)子2ED020I12等。等。 二、電力電子器件的保護(hù)二、電力電子器件的保護(hù) A、 過(guò)電壓保護(hù) B、 過(guò)電流保護(hù) C、 緩沖電路 電力電子器件承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較低，一旦電力電子器件承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力較低，一旦電壓電流超過(guò)額定值，器件極易損壞造成損失，需要采電壓電流超過(guò)額定值，器件極易損壞造成損失，需要采取保護(hù)措施。取保護(hù)措施。電力電子裝置的過(guò)電壓和過(guò)電流，是由于電力電子裝置的過(guò)電壓和過(guò)電流，是由于外部或內(nèi)部的狀態(tài)突變?cè)斐傻耐獠炕騼?nèi)部的狀態(tài)突變?cè)斐傻?，例如雷擊，線路開(kāi)關(guān)，例如雷擊，線路開(kāi)關(guān)（斷路器）的分合，電力電子器件的通斷都引起了電路（斷路器）的分合，電力電子器件的通斷都引起了電路狀態(tài)的變化，電路狀態(tài)的變化將引起電磁能量的變化，狀態(tài)的變化，電路狀態(tài)的