電力電子技術(shù)2

1、第2章 電力電子器件2.1 電力電子器件概述2.2 不可控器件二極管2.3 半控型器件晶閘管2.4 典型全控型器件2.5 其他新型電力電子器件1信息電子技術(shù)的基礎(chǔ) 信息電子器件.電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件.第2章 電力電子器件引言本章主要內(nèi)容： 概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題。 介紹常用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(yīng)注意問題。2電力電子開關(guān)器件：一般專指以開關(guān)方式工作的電力半導(dǎo)體器件，它被直接應(yīng)用在電力系統(tǒng)或電力設(shè)備的主電路中，實現(xiàn)電能的變換和控制任務(wù)。教學(xué)要求 1.了解電力電子開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)和工作原理； 2.掌握開關(guān)器件的基本特性和主要參數(shù)。第

2、2章 電力電子器件引言32.1.1 電力電子器件的概念和特征2.1.2 應(yīng)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 電力電子器件概述返回42.1.1 電力電子器件的概念和特征1）概念:電力電子器件（Power Electronic Device） 功率半導(dǎo)體開關(guān)器件，在主電路中通過控制其開關(guān)狀態(tài)，能實現(xiàn)電能變換和控制的電子器件。主電路（Main Power Circuit） 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。電力電子器件返回52.1.1 電力電子器件的概念和特征圖1-0 電力電子器件的理想開關(guān)模型2）電力電子器件基本模型它有三個電極：其中A和B代表開

3、關(guān)的兩個主電極，K是控制開關(guān)通斷的控制極；它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況：通態(tài)時其電阻為零，斷態(tài)時其電阻無窮大。返回6電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。主要進(jìn)行電功率的處理，其能力一般遠(yuǎn)大于信息電子器件。電力電子器件往往需要由信息電子電路來驅(qū)動控制。電力電子器件功率損耗較大，遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。2.1.1 電力電子器件的概念和特征3）電力電子器件基本特征（由模型分析出）：返回7通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗2.1.1 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的

4、損耗返回8電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行2.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路返回9按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）不可控器件電力二極管（Power Diode）只有兩個端子，器

5、件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。返回2.1.3 電力電子器件的分類10電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)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(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。2.1.3 電力電子器件的分類 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：返回11 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種

6、載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類： 1) 單極型器件電力電子器件的分類2.1.3 2) 雙極型器件3) 復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。 返回122.1.4 如何考查電力電子器件導(dǎo)通壓將(損耗)運行頻率(恢復(fù)時間/開通時間/關(guān)斷時間)器件容量(電能處理、變換的能力)可靠性(半控全控)返回132.2.1 PN結(jié)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)2.2.4 電力二極管的主要類型2.2 不可控器件電力二極管（Power Diode）返回14 Power Diode結(jié)

7、構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。2.2 不可控器件電力二極管引言整流二極管及模塊151617基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK返回18正向?qū)顟B(tài) 即PN結(jié)外加正向電壓時，處于導(dǎo)通狀態(tài)，表現(xiàn)為低阻態(tài)。 但維持有1V左右的壓降。反向截止?fàn)顟B(tài) 即PN結(jié)

8、外加反向電壓時，處于截止?fàn)顟B(tài)，表現(xiàn)為高阻態(tài)。 但維持有微弱的漏電流流通，也稱反向飽和電流，一般為微安級，幾乎為零。電容效應(yīng) PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，故呈現(xiàn)電容效應(yīng)。2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理返回PN結(jié)特性：電容效應(yīng)PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。19主要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)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，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性2.2.2 電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性IOIFUTOUFU返回202) 動態(tài)特性 二極管的電壓-電流特性隨時

9、 間變化的特性； 是因為有結(jié)電容的存在。2.2.2 電力二極管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1反向（阻斷）恢復(fù)時間：trr= td+ tf。返回21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。在此電流下，因管子的正向壓降引起的損耗造成的結(jié)溫升高不會超過所允許的最高工作結(jié)溫。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使

10、用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流IF(AV) -額定電流返回222.2.3 電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流IF(AV)返回23例如:某電力二極管的額定電流是100A，則可求得允許通過正弦半波的幅值電流Im314A,允許通過任意波形的的有效值為I=157A,即說明額定電流為100A的二極管可通過幅值為314A的正弦半波電流,可以全周期內(nèi)通過任意波形的有效值為157A電流,其功耗不超過允許值。引入波形系數(shù)2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)返回242.2.3 電力二極管的主要參數(shù)3）正向壓降UF返回在指定溫度下，流過

11、某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時，對應(yīng)的正向?qū)▔航?。選擇UF小的管子可以降低損耗。2） 反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 4）反向恢復(fù)時間trr trr= td+ tf25結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)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(nèi)。6) 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。 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫TJM返回261) 普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectif

12、ier Diode）;多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路;其反向恢復(fù)時間較長（5US以上）;正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高;2.2.4 電力二極管的主要類型返回27從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns?？旎謴?fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。2.2.4 電力二極管的主要類型2) 快恢復(fù)二極管(快速二極管) （Fast Recovery DiodeFRD）

13、返回2829肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高很多，多用于200V以下場合。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復(fù)時間很短（可小于10ns）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降（0.4-0.5V）明顯低于快恢復(fù)二極管(0.8-1V )。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。2.2.4 電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。返回30二極管的典型應(yīng)用312.3 半控器件晶閘管2.3.1 晶

14、閘管的結(jié)構(gòu)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 晶閘管的派生器件返回322.3 半控器件晶閘管引言1956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(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀(jì)80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。電力電子技術(shù)誕生的標(biāo)志性器件。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管、可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）33圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a

15、) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。返回342.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管返回351）平板型 2）螺栓型)返回363） SL16螺栓型散熱器4） 模塊散熱器2）SS11型水冷散熱器1） SF11型風(fēng)冷散熱器返回37如何控制燈泡亮、滅（暗）？晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷實驗原理圖2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理返回38實驗順序?qū)嶒炃盁舻那闆r實驗時晶閘管情況實驗后燈的情況陽極電壓門極電壓導(dǎo)通實驗12

16、3暗暗暗反向反向反向反向零正向暗暗暗123暗暗暗正向正向正向反向零正向暗暗亮關(guān)斷實驗123亮亮亮正向正向正向正向 零反向亮亮亮4亮正向減小到零(任意)暗39實驗結(jié)論：晶閘管在反向陽極電壓作用下，不論門極為何種電壓，都處于關(guān)斷狀態(tài)；晶閘管僅在正向陽極電壓與正向門極電壓同時作用下，才能導(dǎo)通；已導(dǎo)通的晶閘管在正向陽極電壓作用下，門極失去控制作用；晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)時，當(dāng)Ea(正向陽極電壓)減小到接近零時，晶閘管關(guān)斷。2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理返回402.3.2 晶閘管的基本特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶

17、閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值（IH）以下 。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：返回41 晶閘管關(guān)斷條件：使流過晶閘管的陽極電流（IA） 小于晶閘管規(guī)定的維持電流。實現(xiàn)關(guān)斷的具體措施？ 去掉陽極所加的正向電壓； 給陽極加反向電壓； 增大回路阻抗，使流過陽極電流（IA）小于維持電流IH；2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理返回42工作原理與特性 一、晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通原理： 晶閘管的三個PN結(jié)可等效看成由兩個晶體管V1(P1-N1-P2)與V2(N1-P2-N2)組成。AGKP1N1J1P2N2J2J3P1N1N1P2P2N22.3.1 晶閘管

18、的結(jié)構(gòu)與工作原理返回43AGKRdEaEgIaIkIgIcov1v2由圖可知，v1的集電極電流同時又是v2的基極電流，v2的集電極電流同時又是v1的基極電流，當(dāng)晶閘管陽極加正向電壓，一旦有足夠的門極電流流入時，就形成強(qiáng)烈的正反饋。使兩晶體管飽和導(dǎo)通即晶閘管導(dǎo)通IgIb2Ic2=Ib1Ic12.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理電流驅(qū)動型返回442.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1-V1管電流增益；2- -V2管電流增益；ICBO1- V1管漏電流；ICBO2-V2管漏電流。圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）返回452

19、.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）由以上式可得 ：返回462.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(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，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。不可能無窮大（1-5）返回472.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造

20、成雪崩效應(yīng)；陽極電壓上升率du/dt過高；結(jié)溫較高；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而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：非正?？刂普？刂品祷?8 Ig=0時，當(dāng)陽極電壓足夠大時，晶閘管會“硬開通”，此電壓稱為正向轉(zhuǎn)折電壓UbO。正向?qū)↖g0=0IaUaABIHUROIg增加時，正向轉(zhuǎn)折電壓減小. 3.晶閘管一旦導(dǎo)通，門極失去控制作用. 4.當(dāng)晶閘管加反向電壓而且此電壓足夠大時，晶閘管反向擊穿。UbOIg1Ig2Ig2Ig1Ig02.3.2

21、晶閘管的基本特性1） 靜態(tài)特性返回492.3.2 晶閘管的基本特性1) 開通過程延遲時間td (0.51.5s)上升時間tr (0.53s)開通時間tgt： tgt=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間trr正向阻斷恢復(fù)時間tgr關(guān)斷時間tq：tq=trr+tgr （1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒2） 動態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形返回502.3.3 晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門

22、極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：1）電壓定額返回512.3.2 晶閘管的基本特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM返回522.3.3 晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流

23、過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。2）電流定額返回532.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)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

24、大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 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，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3）動態(tài)參數(shù)返回542.3.4 晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。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，工作時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)返回552.3.4 晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（Tr

25、iode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。返回562.3.4 晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并

26、聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。額定電流有兩個：一個是晶閘管電流、一個是二極管電流。返回572.3.4 晶閘管的派生器件光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)小功率外形 b) 電氣圖形符號 c) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。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。因此目前用在高壓大功率的場合。光強(qiáng)度強(qiáng)弱c)OUIA返回58KK-快速晶閘管KP-普通

27、晶閘管KA-高頻晶閘管補(bǔ)充.晶閘管常見型號認(rèn)識KS-雙向晶閘管返回59K P 表示晶閘管普通反向阻斷型額定通態(tài)平均電流正反向重復(fù)峰值電壓等級通態(tài)平均電壓組別補(bǔ)充.晶閘管常見型號（KP型）認(rèn)識返回60 1.型號為KP100-3，維持電流IH=4mA的晶閘管使用 在下圖中電路里，問是否合理？為什么（暫不考慮電壓電流裕量）？補(bǔ)充.思考題返回61 2.電路如下圖所示，假設(shè)變壓器T，晶閘管VT為理想元器件，現(xiàn)在電源的30 相位處給晶閘管一個可靠觸發(fā)脈沖信號，試畫出負(fù)載電壓R上的電壓波形圖？補(bǔ)充.思考題返回62 2.電路如下圖所示，假設(shè)變壓器T，晶閘管VT為理想元器件，且在電源的30 相位處給晶閘管一個可

28、靠觸發(fā)脈沖信號，試畫出負(fù)載電壓R上的電壓波形圖？補(bǔ)充.思考題返回633.用萬用表怎樣區(qū)分晶閘管陽極、陰極與門極？如何初步判斷晶閘管的好壞？解：用萬用表測量晶閘管三個極間的電阻。陽極A與陰極K間的正反向電阻接近無窮大，門極與陰極間電阻約為幾百歐，并且G-K間的阻值略小于K-G間的阻值。補(bǔ)充.思考題返回64 3.電路如下圖所示，假設(shè)變壓器T，晶閘管VT為理想元器件，且在電源的30 相位處給晶閘管一個可靠觸發(fā)脈沖信號，試畫出負(fù)載電壓R上的電壓波形圖？補(bǔ)充.思考題返回651）平板型 2）螺栓型)返回66螺栓式器件 返回673） SL16螺栓型散熱器4） 模塊散熱器2）SS11型水冷散熱器1） SF11

29、型風(fēng)冷散熱器返回68平板式器件 返回69三相橋 返回70功率半導(dǎo)體模塊 返回71返回72返回73返回74返回75返回76KA型高頻晶閘管參數(shù)表型號ITAVVDRMVTMVGTIGTtqtgtdi/dtdv/dtRjcf mSine wave10 kHzat 3ITAV(at 10kHz)Sine waveTc=65VRRM2525251252525125Tc=65（A）（V）（V）(V)(mA)(s)(s)(A/s)(V/s)(/W)kHzKA2020300 12003.22120102.5605000.420KA353521202.5800.2KA505021502.5800.11KA100

30、10021502.51000.08返回77KA型高頻晶閘管參數(shù)表型號ITAVVDRMVTMVGTIGTtqtgtdi/dtdv/dtRjcf mSine wave10 kHzat 3ITAV(at 10kHz)Sine waveTc=65VRRM2525251252525125Tc=65（A）（V）（V）(V)(mA)(s)(s)(A/s)(V/s)(/W)kHzKA10001000300 16003.232502043008000.02010（6）KA12001200325043000.015KA16001600325043000.012KA20002000325043000.010返回78

31、KA型高頻晶閘管參數(shù)表1）表中di/dt是在10kHz下測試的高頻di/dt； 2）表中f m為最高工作頻率；3）當(dāng)fm為6kHz以下時，可以提供VDRM、VRRM高達(dá)1600V的元件；4）以上為清華川普公司產(chǎn)品。返回79雙向晶閘管（KS）系列參數(shù)上海正力整流器有限公司返回80返回81返回822.4 典型全控型器件2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）2.4.2 電力晶體管_(GTR/BJT)2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)2.4.4 絕緣柵雙極晶體管(IGBT)返回831.4 典型全控型器件引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn);20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一

32、個嶄新時代;典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。842.4 典型全控型器件引言常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊852.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件;可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷;GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）返回862.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖

33、1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理返回871.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2 。返回882.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界

34、飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 圖1-7 晶閘管的工作原理返回892.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：返回902.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf 尾部時間tt 殘存載流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負(fù)

35、脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形GTO的動態(tài)特性返回912.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2） 關(guān)斷時間toff（1）開通時間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。返回922.4.1 門

36、極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益off off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）返回932.4.2 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力

37、MOSFET取代。返回94與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。2.4.2 電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動返回952.4.2 電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（1-9） GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和i

38、b的關(guān)系為 ic= ib +Iceo （1-10）單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理返回962.4.2 電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)返回

39、992.4.2 電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應(yīng)的Ic 。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2)集電極最大允許電流IcM返回1002.4.2 電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安全工作區(qū)（Safe Operating Area

40、SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)返回1012.4.3 電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT）特點用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

41、電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。電力場效應(yīng)晶體管返回1022.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的種類按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。 增強(qiáng)型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理返回1032.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號返回104

42、2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷ｋ娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)返回1052.4.3 電力場效應(yīng)晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時，P型半導(dǎo)體反

43、型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電 。圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力MOSFET的工作原理返回1062.4.3 電力場效應(yīng)晶體管(1) 靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出

44、特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性2）電力MOSFET的基本特性返回1072.4.3 電力場效應(yīng)晶體管截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)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(dǎo)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。圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3

45、VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A返回1082.4.3 電力場效應(yīng)晶體管開通過程開通延遲時間td(on) 上升時間tr開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)下降時間tf關(guān)斷時間toff關(guān)斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開關(guān)過程a) 測試電路 b) 開關(guān)過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測漏極電流(2) 動態(tài)特性返回1092.4.3 電力場效

46、應(yīng)晶體管 MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)速度返回1102.4.3 電力場效應(yīng)晶體管3) 電力MOSFET的主要參數(shù) 電力MOSFET電壓定額(1)漏極電壓UDS (2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定額(3) 柵源電壓UGS UGS2

47、0V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4)極間電容極間電容CGS、CGD和CDS返回1112.4.4 絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。

48、 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。返回1122.4.4 絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號返回1132.4.4 絕緣柵雙極晶體管圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強(qiáng)的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管

49、。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號 IGBT的結(jié)構(gòu)返回1142.4.4 絕緣柵雙極晶體管 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。 IGBT的原理返回115a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻

50、斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2.4.4 絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性 (1)IGBT的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th)輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。返回1162.4.4 絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關(guān)過程IGBT的

51、開通過程 與MOSFET的相似開通延遲時間td(on) 電流上升時間tr 開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。 (2)IGBT的動態(tài)特性返回1172.4.4 絕緣柵雙極晶體管圖1-24 IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時間td(off）電流下降時間 關(guān)斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。 IGBT的關(guān)斷過程ttt10%9

52、0%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM返回1182.4.4 絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數(shù)正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓UCES返回1192.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且 具有耐

53、脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點 。 返回1202.4.4 絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件 。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確定。 反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）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。 正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90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，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。返回1212.5 其他新型電力電子器件(了解)2.5.1 MOS控制晶閘管MCT2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT2.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH2.5.4 集成門極換流晶閘管IGC