電力電子技術課件第二章電力電子器件

1、第第2章章 電力電子器件電力電子器件2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊本章小結本章小結 功率 MOSFET晶閘管/GTOIGBT 模塊和水冷式散熱器貼片式二極管IGBT Wafer 3300 V 1200 A IGBT module19*14*3.8 cm3IGBT and Diodes in the power module15*10 cm2第第2章

2、章 電力電子器件電力電子器件2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊本章小結本章小結 2022-7-8電力電子技術電力電子技術42.1 電力電子器件概述 2.1.1 電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3 電力電子器件的分類 2.1.4 本章內容和學習要點2022-7-8電力電子技術電力電子技術52.1.1 電力電子器件

3、的概念和特征電力電子器件的概念 電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術62.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的特征 所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠大于處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態(tài)。 由信息電子電路來控制 ,而且需

4、要驅動電路。 自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術72.1.1 電力電子器件的概念和特征通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。當器件的開關頻率較高時，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關損耗開關損耗開通損耗開通損耗關斷損耗關斷損耗電力電子器件的功率損耗電力電子器件的功率損耗2022-7-8電力電子技術電力電子技術82.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。 電氣隔離電氣

5、隔離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2022-7-8電力電子技術電力電子技術92.1.3 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 主要是指晶閘管（Thyristor）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。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是 IGBT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。 不可控器件不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷。2022-7-8電力電子技術電力電子

6、技術102.1.3 電力電子器件的分類電流方向不可控器件控制導通(半控)控制導通與關斷(全控) 單向流動雙向流動二極管晶閘管Triac*晶體管TransistorMOSFETGTOIGBT模塊Triac: Triode for Alternating Current, 三端雙向可控硅開關元件 2022-7-8電力電子技術電力電子技術112.1.3 電力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。 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。 各自特點？各自特點？

7、 2022-7-8電力電子技術電力電子技術122.1.3 電力電子器件的分類按照驅動信號的波形（電力二極管除外按照驅動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關斷的控制。 電平控制型電平控制型 必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并維持在導通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術132.1.3 電力電子器件的分類按照載流子參與導電的情況按照載流子參與導電的情況 單極型器件單極型器件 由一種載流子參與導電。 雙極型器件雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參

8、與導電。 復合型器件復合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。 各自特點？各自特點？ 2022-7-8電力電子技術電力電子技術142.1.4 本章內容和學習要點本章內容本章內容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題。2022-7-8電力電子技術電力電子技術152.1.4 本章內容和學習要點學習要點學習要點 最重要的是掌握其基本特性。 掌握電力電子器件的參數(shù)和特性曲線的使用方法。學會查閱器件的Data Sheet。 了解電力電子器件的半導體物理結構和基本工作

9、原理。 了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求，如變壓器、電感、電容、電阻等。第第2章章 電力電子器件電力電子器件2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊本章小結本章小結 2022-7-8電力電子技術電力電子技術172.2 不可控器件電力二極管 2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理 2.2.2 電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 2

10、.2.4 電力二極管的主要類型2022-7-8電力電子技術電力電子技術182.2 不可控器件電力二極管電力二極管（Power Diode）自20世紀50年代初期就獲得應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊整流二極管及模塊2022-7-8電力電子技術電力電子技術19AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理電力二極管是以半導體PN結為基礎的,實際上是由一個面積較大的PN結和

11、兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 基本結構基本結構 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號2022-7-8電力電子技術電力電子技術202.2.1 PN結與電力二極管的工作原理二極管的基本原理PN結的單向導電性 當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結的正向導通狀態(tài)。 當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。 2022-7-8電力電子技術電

12、力電子技術212.2.1 PN結與電力二極管的工作原理二極管的基本原理PN結的單向導電性 PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 。 反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。 否則PN結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術222.2.1 PN結與電力二極管的工作原理電導調制效應 正向大電流注入條件下原始基片的電阻率大正向大電流注入條件下原始基片的電阻率大大下降，電導率大大提高，從而使大下降，

13、電導率大大提高，從而使PN結通過大結通過大電流時導通壓降很低，這種現(xiàn)象稱為基區(qū)的電導電流時導通壓降很低，這種現(xiàn)象稱為基區(qū)的電導調制效應（調制效應（Conductivity Modulation） 正是由于電力二極管中存在電導調制效應，才能使其正向導通通過大電流時，能保持較低的電壓降。但為了提高電力二極管的反向耐壓而設置的低摻雜N區(qū)，使其正向壓降較普通二極管稍高。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術232.2.1 PN結與電力二極管的工作原理PN結的電容效應 稱為結電容CJ，又稱為微分電容 按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓

14、頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。 擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。 結電容影響結電容影響PN結的結的工作頻率工作頻率，特別是在高速開關的狀，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。2022-7-8電力電子技術電力電子技術242.2.2 電力二極管的基本特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性理想理想實際實際2022-7-8電力電子技術電力電子技術252.2.2 電力二極管的基本特性靜態(tài)特性 主要是指其伏安特性 正向

15、電壓大到一定值（門檻 電壓UTO ），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。 與IF對應的電力二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降UF。 承受反向電壓時，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。IOIFUTOUFU電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性2022-7-8電力電子技術電力電子技術262.2.2 電力二極管的基本特性靜態(tài)特性電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性理想理想實際實際2022-7-8電力電子技術電力電子技術272.2.2 電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V動態(tài)特性動態(tài)特性 1：由零偏置轉換為正向偏置由零偏置轉換為正向偏置正向恢復時間正向恢復時

16、間tfr 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉換為正向偏置零偏置轉換為正向偏置 2022-7-8電力電子技術電力電子技術282.2.2 電力二極管的基本特性IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFdtd iRdtu電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形a) 正向偏置轉換為反向偏置正向偏置轉換為反向偏置 動態(tài)特性動態(tài)特性 2：由正向偏置轉換為反向偏置：由正向偏置轉換為反向偏置 延遲時間延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復時間反向恢復時間：trr=td+ tf 恢復特性的軟度恢

17、復特性的軟度： tf /td，或稱恢復系，或稱恢復系 數(shù)，用數(shù)，用Sr表示表示t0:正向電流降正向電流降為零的時刻為零的時刻t1:反向電反向電流達最大流達最大值的時刻值的時刻t2:電流變化率接電流變化率接近于零的時刻近于零的時刻2022-7-8電力電子技術電力電子技術292.2.3 電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，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。 IF(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，并應留有一定的裕量。反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓

18、URRM 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。 使用時，應當留有兩倍的裕量。正向壓降正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過工頻正弦半波額定正向平均電流時的最大電壓降。2022-7-8電力電子技術電力電子技術30fdIkI2022-7-8電力電子技術電力電子技術3101sin()2mTmIIItdt201(sin)()22mmIIItdt1.57TII2TII2022-7-8電力電子技術電力電子技術322022-7-8電力電子技術電力電子技術332.2.3 電力二極管的主要參數(shù)反向漏電流IR 對應于反向重復峰值電壓URRM下的平均漏電流稱為電力二極管的反向漏電流IR。最高允許結溫

19、TJM 結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。 TJM通常在125175C范圍之內。2022-7-8電力電子技術電力電子技術342.2.3 電力二極管的主要參數(shù)反向恢復時間trr浪涌電流IFSM 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。2022-7-8電力電子技術電力電子技術352.2.4 電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier

20、Diode），多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。 其反向恢復時間較長，一般在25s左右 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術362.2.4 電力二極管的主要類型快恢復二極管快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一般在5s以下） 。 快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N結構 ，其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。 從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前

21、者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。2022-7-8電力電子技術電力電子技術372.2.4 電力二極管的主要類型肖特基二極管肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于多子器件 優(yōu)點在于：反向恢復時間很短（1040ns），正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高。 弱點在于：當所能承受的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；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗

22、不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。2022-7-8電力電子技術電力電子技術382.2.5 電力二極管的型號普通型電力二極管常用ZP表示，其中Z代表整流特性，P為普通型。普通型電力二極管型號可表示為ZP【電流等級】-【電壓等級/100】【通態(tài)平均電壓組別】 例如，型號為ZP50-16的電力二極管，其型號含義為：普通型電力二極管，額定電流為50A，額定電壓為1600V。第第2章章 電力電子器件電力電子器件2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型電力電子

23、器件其他新型電力電子器件2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊本章小結本章小結 2022-7-8電力電子技術電力電子技術402.3 半控型器件晶閘管 2.3.1 晶閘管的結構與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件2022-7-8電力電子技術電力電子技術412.3 半控器件晶閘管晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡稱為可控硅。 由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，

24、因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位如高壓直流輸電。晶閘管及模塊晶閘管及模塊2022-7-8電力電子技術電力電子技術422.3.1 晶閘管的結構與工作原理 圖圖2-7 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 結構結構 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號 2022-7-8電力電子技術電力電子技術432.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構 從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構 。 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。 內部是PNPN四層半導體結構。 圖圖2-7 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號晶閘管的外形、結

25、構和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 結構結構 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號 2022-7-8電力電子技術電力電子技術442.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的雙晶閘管的雙晶體管模型晶體管模型工作原理工作原理2022-7-8電力電子技術電力電子技術452.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的雙晶閘管的雙晶體管模型晶體管模型工作原理工作原理半控型，電流驅動型，半控型，電流驅動型，雙極性，脈沖觸發(fā)型雙極性，脈沖觸發(fā)型2022-7-8電力電子技術電力電子技術462.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列出如下方程：按照晶體管工作原理，可列出

26、如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII式中式中 1和和 2分別是晶體管分別是晶體管V1和和V2的共基極電流增益；的共基極電流增益；ICBO1和和ICBO2分別是分別是V1和和V2的共基極漏電流。的共基極漏電流。2022-7-8電力電子技術電力電子技術472.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式可得由以上式可得2

27、022-7-8電力電子技術電力電子技術482.3.1 晶閘管的結構與工作原理如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導通由于外電路負載的限制，IA實際上會維持有限值)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式可得由以上式可得2022-7-8電力電子技術電力電子技術492.3.2 晶閘管的結構與工作原理正常工作時的特性正常工作時的特性 當晶閘管承受當晶閘管承受反向電壓反向電壓時，不導通時，不導通 當晶閘管承受當晶閘管承受正向電壓正向電壓時，時，門極無觸發(fā)電流，不導通門極無觸發(fā)電流，不導通門極有觸發(fā)電

28、流，導通門極有觸發(fā)電流，導通 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通 若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接電流降到接近于零的某一數(shù)值以下（稱維持電流）近于零的某一數(shù)值以下（稱維持電流）。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術502.3.2 晶閘管的結構與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況 陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造

29、成陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應雪崩效應 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結溫結溫較高較高 光觸發(fā)光觸發(fā) 2022-7-8電力電子技術電力電子技術512.3.2 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉折電壓正向轉折電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+ UA- UA- IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶閘管理想晶閘管理想伏安特性伏安特性？2022-7-8電力電子技術電力電子技術522.3.2 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉折電壓正向轉折電壓Ubo正向導

30、通雪崩擊穿O+ UA- UA- IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶閘管理想晶閘管理想伏安特性伏安特性2022-7-8電力電子技術電力電子技術532.3.2 晶閘管的電路舉例電阻電阻R上的電壓波形？上的電壓波形？2022-7-8電力電子技術電力電子技術542.3.2 晶閘管的動態(tài)特性晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值陽極電流穩(wěn)態(tài)值的的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值陽極電流穩(wěn)態(tài)值的的10%2022-7-8電力電子技術電力電子技術552.3.2 晶閘管的動態(tài)特性晶閘管

31、的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA反向恢復電反向恢復電流最大值流最大值尖峰電壓尖峰電壓2022-7-8電力電子技術電力電子技術562.3.3 晶閘管的主要參數(shù)電壓定額 Voltage Rating斷態(tài)重復峰值電壓UDRM斷態(tài)不重復峰值電壓UDSM正向轉折電壓Ubo 反向重復峰值電壓URRM 反向不重復峰值電壓URSM 反向擊穿電壓UBR DRMDSMboUUURRMRSMBRUUU正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+通態(tài)（峰值）電壓UT晶閘管通

32、以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。2022-7-8電力電子技術電力電子技術572.3.3 晶閘管的主要參數(shù)電流定額電流定額 Current Rating 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時，晶閘管的導通角不小于170，且?guī)ё栊载撦d時的單相工頻正弦工頻正弦半波電流半波電流的平均值。2022-7-8電力電子技術電力電子技術582022-7-8電力電子技術電力電子技術59fkfdIkI2022-7-8電力電子技術電力電子技術6001sin()2mTmIIItdt201(sin)()22mmIIItdt

33、1.57TII2TII2022-7-8電力電子技術電力電子技術61()()1.57TAVfAVIkI()()1 .5 7fA VTA VkII2022-7-8電力電子技術電力電子技術622.3.3 晶閘管的主要參數(shù)電流定額 維持電流IH - Holding Current 擎住電流 IL Latching current 通態(tài)浪涌電流ITSM Peak Forward Surge Current2022-7-8電力電子技術電力電子技術632.3.3 晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 開通時間tgt和關斷時間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt， 誤導通誤導通 通態(tài)電流臨界上升率di/dt， 過熱

34、損壞過熱損壞2022-7-8電力電子技術電力電子技術64門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流I IGT GT ( (Gate Trigger Current) )：在室：在室溫下，器件從斷態(tài)到完全開通所必須的最小門極電溫下，器件從斷態(tài)到完全開通所必須的最小門極電流。流。門極觸發(fā)電壓門極觸發(fā)電壓 V VGTGT ( (Gate Trigger Voltage) )：與門：與門極觸發(fā)電流對應的門極觸發(fā)電壓。極觸發(fā)電流對應的門極觸發(fā)電壓。門極參數(shù)大小選擇應合理，不能太大或太小。門極參數(shù)大小選擇應合理，不能太大或太小。環(huán)境溫度對門極觸發(fā)參數(shù)影響較大環(huán)境溫度對門極觸發(fā)參數(shù)影響較大。環(huán)溫高時，。環(huán)溫高時，門極參數(shù)降低

35、，隨著溫度的降低，則增大。門極參數(shù)降低，隨著溫度的降低，則增大。2022-7-8電力電子技術電力電子技術652.3.3 晶閘管的型號普通晶閘管的型號可表示如下：KP【電流等級】-【電壓等級/100】【通態(tài)平均電壓組別】 例如，型號為KP500-15的晶閘管，其型號含義為：普通晶閘管，額定電流為500A，斷態(tài)和反向重復峰值電壓為1500V。2022-7-8電力電子技術電力電子技術662.3.4 晶閘管的派生器件快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 快速晶閘管的開關時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。 從關斷時間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百

36、微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。 高頻晶閘管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。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術672.3.4 晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以認為是一對可以認為是一對反并聯(lián)聯(lián)反并聯(lián)聯(lián) 接接的普通晶閘管的集成的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，在第反兩

37、方向均可觸發(fā)導通，在第和第和第III象限有象限有對稱的伏安特對稱的伏安特性性。 雙向晶閘管通常用在交流雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用電路中，因此不用平均值而用有效值有效值來表示其額定電流值。來表示其額定電流值。雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 2022-7-8電力電子技術電力電子技術682.3.4 晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導晶閘管（逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 利用已學到的器件，如利用已學到的器件，如何構成具有逆導功能

38、的電何構成具有逆導功能的電路？路？ 具有正向壓降小、關斷具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點，可用于定結溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電不需要阻斷反向電壓的電路中。路中。 圖圖2-12 逆導晶閘管的電氣圖形符號逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 2022-7-8電力電子技術電力電子技術692.3.4 晶閘管的派生器件AGKa)AK光強度強弱b)OUIA光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長的是利用一定波長的光光照信號照信

39、號觸發(fā)導通的晶閘管。觸發(fā)導通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間了主電路與控制電路之間的的絕緣絕緣，而且可以避免電，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在晶閘管目前在高壓大功率高壓大功率的場合的場合。圖圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性號和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 2022-7-8電力電子技術電力電子技術70/31sin()0.242dmmIItdtI2/31(sin)()0.462mmIItdtI2022-7-8電力電子技術電力電子技術710.461.

40、920.24mfmIkI1.5710041 A21.92dI171 A0.24dmII2022-7-8電力電子技術電力電子技術722.4 典型全控型器件 2.4.1 門極可關斷晶閘管 GTO 2.4.2 電力晶體管 BJT 2.4.3 電力場效應晶體管 Power MOSFET 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 IGBT2022-7-8電力電子技術電力電子技術732.4 典型全控型器件典型代表門極可關斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR（or BJT）、電力場效應晶體管 Power MOSFET、絕緣柵雙極晶體管 IGBT。電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊2022-7-8電力電子技術電

41、力電子技術742.4.1 門極可關斷晶閘管GTO的伏安特性曲線的伏安特性曲線電氣圖形符號電氣圖形符號理想伏安特性曲線理想伏安特性曲線2022-7-8電力電子技術電力電子技術752.4.1 門極可關斷晶閘管晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 工作原理工作原理2022-7-8電力電子技術電力電子技術762.4.1 門極可關斷晶閘管GTO的工作原理的工作原理 V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導通的條件，大于1導通，小于1則關斷。 GTO與普通晶閘管的不同與普通晶閘管的不同 設計2較大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關斷。 導通時1+2更接近1，導通時接近臨界飽和

42、，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術772.4.1 GTO的動態(tài)特性GTO的開通和關斷過程電流波形的開通和關斷過程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6延遲時間td上升時間tr2022-7-8電力電子技術電力電子技術782.4.1 GTO的動態(tài)特性GTO的開通和關斷過程電流波形的開通和關斷過程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6下降時間下降時間tf尾部時間尾部時間tt儲存時間儲存時間ts2022-7-8電力電子技術電力電子技術7

43、92.4.1 GTO 主要參數(shù)最大可關斷陽極電流IATO 電流關斷增益off 開通時間ton 關斷時間toffGTO發(fā)展歷程發(fā)展歷程2022-7-8電力電子技術電力電子技術802.4.2 電力晶體管GTR or Power BJT最主要的特性是耐壓高、電流大、開關特性好。 截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce共發(fā)射極接法時共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性的輸出特性2022-7-8電力電子技術電力電子技術812.4.2 電力晶體管GTR or Power BJT最主要的特性是耐壓高、電流大、開關特性好。 截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uc

44、e工作區(qū)域工作區(qū)域2022-7-8電力電子技術電力電子技術822.4.2 電力晶體管GTR or Power BJT最主要的特性是耐壓高、電流大、開關特性好。 截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導致絕緣層擊穿。 極間電容 CGS、CGD和CDS。 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術972.4.4 絕緣柵雙極晶體管GTR和和GTO是雙極型電流驅動器件，由于具有電導調制效應，其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。而電力電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關

45、速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR 和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術982.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的結構和工作原理 IGBT的結構 是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖圖2-23 IGBT的簡化等效電路的簡化等效電路和電氣圖形符號和電氣圖形符號2022-7-8電力電子技術電力電子技術992.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的結構和工作原理 IGBT的結構 是三端器件，

46、具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖圖2-23 IGBT的簡化等效電路的簡化等效電路和電氣圖形符號和電氣圖形符號RN為晶體管基區(qū)為晶體管基區(qū)內的調制電阻。內的調制電阻。2022-7-8電力電子技術電力電子技術1002.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理 IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。 其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 當UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。 當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。 電

47、導調制效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術1012.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性 靜態(tài)特性 轉移特性 描述的是集電極電流 IC與柵射電壓UGE之間的 關系。 開啟電壓UGE(th)是 IGBT能實現(xiàn)電導調制而 導通的最低柵射電壓，隨 溫度升高而略有下降。 （a）圖圖2-24 IGBT的轉移特性的轉移特性2022-7-8電力電子技術電力電子技術1022.4.4 絕緣柵雙極晶體管輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性） 描述的是以柵射電壓描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電為參考變量時，集電極電流流IC與集射極

48、間電壓與集射極間電壓UCE之間的關系。之間的關系。 分為三個區(qū)域：分為三個區(qū)域：正向正向阻斷區(qū)阻斷區(qū)、有源區(qū)有源區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。 (b)圖圖2-24 IGBT的輸出特性的輸出特性2022-7-8電力電子技術電力電子技術1032.4.4 絕緣柵雙極晶體管(b)圖圖2-24 IGBT的輸出特性的輸出特性輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性） 當當UCE0時，時，IGBT為為反向阻斷工作狀態(tài)。反向阻斷工作狀態(tài)。 在電力電子電路中，在電力電子電路中，IGBT工作在工作在開關狀態(tài)開關狀態(tài)，因而是在因而是在正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)和和飽飽和區(qū)和區(qū)之間來回轉換。之間來回轉換。 2022-7-8電力電子技術

49、電力電子技術1042.4.4 絕緣柵雙極晶體管動態(tài)特性 開通過程 開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 電壓下降時間tfv 開通時間ton= td(on)+tr+ tfv tfv分為tfv1和tfv2兩段。 圖圖2-25 IGBT的開關過程的開關過程2022-7-8電力電子技術電力電子技術1052.4.4 絕緣柵雙極晶體管動態(tài)特性關斷過程關斷延遲時間td(off) 電壓上升時間trv 電流下降時間tfi 關斷時間toff = td(off) trv+tfi tfi分為tfi1和tfi2兩段圖圖2-25 IGBT的開關過程的開關過程2022-7-8電力電子技術電力電子技術1062.4.4

50、絕緣柵雙極晶體管IGBT的主要參數(shù) 前面提到的各參數(shù)。 最大集射極間電壓UCES 由器件內部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。 最大集電極電流 包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。 最大集電極功耗PCM 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術1072.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性特性和參數(shù)特點參數(shù)特點可以總結如下： 開關速度高，開關損耗小。 在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。 輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSF

51、ET類似。 與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術1082.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的擎住效應擎住效應 柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應或自鎖效應。 引發(fā)擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應），dUCE/dt過大（動態(tài)擎住效應），或溫度升高。 動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應而確定的。2022-7-8電力電子技術電力電子技術1092.4.4 絕緣柵雙極晶體管 IGBT

52、的安全工作區(qū) 正向偏置安全工作區(qū)（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA） 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 反向偏置安全工作區(qū)（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA） 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術1102.5 其他新型電力電子器件 2.5.1 MOS控制晶閘管MCT 2.5.2 靜電感應晶體管SIT 2.5.3 靜電感應晶閘管SITH 2.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT 2.5.5 基于寬禁帶半導

53、體材料的電力 電子器件2022-7-8電力電子技術電力電子技術1112.5.1 MOS控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。 結合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、快速的開關過程和晶閘管的高電壓大電流、低導通壓降的特點。由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。 其關鍵技術問題沒有大的突破，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。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術1122.5.2 靜電感應晶體

54、管SIT是一種結型場效應晶體管。是一種多子導電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合。柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關斷，這被稱為正常導通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設備中得到廣泛應用。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術1132.5.3 靜電感應晶閘管SITH可以看作是SIT與GTO復合而成。 又被稱為場控晶閘管（Field Controlled ThyristorFCT），本質上是兩種載流子導電的雙極型器件，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GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。 一般也是正常導通型，但也有正常關斷型 ，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。 2022-7-8電力電子技術電力電子技術1142.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT是將一個平板型的GTO與由很多個并聯(lián)的電力MOSFET器件和其它輔助元件組成的GTO門極驅動電路采用精心設計的互聯(lián)結構和封裝工藝集成在一起。 容量與普通GTO相當，但開關速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡化普通GTO應用時龐大而復雜的緩沖電路，只不過其所需的驅動功率仍然很大。 目前正