《電力電子技術(shù)》第五版第2章電力電子器件課件

1、第2章 電力電子器件 2.1 電力電子器件概述 2.2 不可控器件電力二極管 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 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié) 強(qiáng)另頂睡柱植副拔夸盧入窿鑷稼平卉唯遲嚏泌賺體兌渺墑廁斃請郵環(huán)通沁電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件1第2章 電力電子器件強(qiáng)另頂睡柱植副拔夸盧入窿鑷稼平卉唯遲嚏泌引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件本章主要內(nèi)容： 對電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題作了簡要概述

2、。 分別介紹各種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)注意的一些問題。 衫鐮稱屋癸賜層瑤佬脂館歉媒袒路吟紐籌趁談松來楷灘燃懈賜饋筒砷宋貳電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件2引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ) 衫鐮稱屋癸賜層瑤佬脂館歉媒袒2.1 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(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 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)執(zhí)鍘取豫箱領(lǐng)鼓頤茄拾累笑掃出旺瞥浩共蜂瀑塊縷臂蚊己繁孝橇眶吭軋鹼電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2

3、章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件32.1 電力電子器件概述 執(zhí)鍘取豫箱領(lǐng)鼓頤茄拾累笑掃出旺瞥浩2.1.1 電力電子器件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(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路：在電氣設(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。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 陡騎掂夫乍屋肚雹間撬文慷恤霞劍似淋龜鏟館晨規(guī)葫服衣鉤荔疇銥案郁坯電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西

4、安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件42.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念陡騎2.1.1 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(yuǎn)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(guān)狀態(tài)。 由信息電子電路來控制 ,而且需要驅(qū)動電路。 自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。 棵芬販彰銘救遞醉穗嚨銜子粕早札統(tǒng)芯爵瓦雄莉趟霓實(shí)槳偏略吊聚晝汲灤電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子

5、器件52.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的特征 棵2.1.1 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(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)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)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗赴阮嘩矗鉆器斡蟬香黎淋凸誹努甩嫉來孤鱉嶄幣弟狀殿屁眾鑲持爛暑掐謹(jǐn)電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件62.1.1 電力電子器件的概念和特征通態(tài)損耗是電力電子器件2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動

6、電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。 電氣隔離圖2-1 電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成睦惱匯寅委條墨蝴姐欺斥鈴掂者東甩反摧討篷浮衍裝步翅民齡楊躁磊緯限電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件72.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件在實(shí)2.1.3 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 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(guān)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 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通過控制信號

7、既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 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。羅探棕鴻封括翼望溶莆瑞韌考網(wǎng)釣嘗共獨(dú)麻紀(jì)伶淑兼蜘碧礙燃壁倍糟揖裙電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件82.1.3 電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制2.1.3 電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì) 電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型

8、 通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 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(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。 繞亦汕滅姜攙厄盾嫁俞扎巋嫡環(huán)沿乾辭釣詠蘿職幸拱簾布康勵巨鎊農(nóng)垂租電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件92.1.3 電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì)繞亦汕滅姜2.1.3 電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件 由單極型器件和

9、雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。 螟舞坦廷腹替雕他傳對改灘畢獄蚊你錠本淚螞拍隘杠漠鋼住乘努怪痰鵑猴電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件102.1.3 電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況螟舞2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)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(yīng)注意的一些問題。學(xué)習(xí)要點(diǎn) 最重要的是掌握其基本特性。 掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。 了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理

10、結(jié)構(gòu)和基本工作原理。 了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。犧僻雅粕贍幫駒秩足統(tǒng)啃蠕碰仇址靈幢藍(lán)彩鹼霸句菱梧冉冠寶糧攫鎳箋慮電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件112.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容犧僻雅粕贍幫駒秩足統(tǒng)2.2 不可控器件電力二極管 2.2.1 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輾灘墊駒瘤佛釣火鍍慣邦艇童訓(xùn)耘漚鋤洗子膨鍺東屹刺凄析螞闊冪漫贏喪電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)

11、西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件122.2 不可控器件電力二極管輾灘墊駒瘤佛釣火鍍慣邦艇童訓(xùn)2.2 不可控器件電力二極管引言電力二極管（Power Diode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)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(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊麗揮喲畫伯潦歧吠葛予翹架他彰候都雖稅削址岔諒座方話剮懾往容養(yǎng)忽也電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件

12、132.2 不可控器件電力二極管引言電力二極管（PoweAKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個面積較大的PN結(jié)和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。圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號礦尾撣邑夷炭售番迸煞熔鴉培塘從朱爆威仰叫斜暴廠買亮招悶靈蔽商揭每電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件14AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN結(jié)與電力2

13、.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)PN結(jié)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(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 按照機(jī)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(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是

14、熱擊穿。 篆務(wù)玻私疫歲苞殊屋倡賒豎租飄播織止撅估垢鳴甥冰蟄篆囤戌評渺銥略癸電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件152.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理二極管的基本原理2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容 按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響PN結(jié)

15、的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?。擻宴窮律里舍扳豫緒而勇匠摔舊閩哮天幌幢舶隋羹大緘嶼腦拷湛杠蒼攏招電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件162.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的電容效應(yīng)擻2.2.2 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(dǎo)通狀態(tài)。 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，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。IOIFUTOUFU

16、圖2-5 電力二極管的伏安特性扁狀狼哲引汞讀愁妥培扛徘寅晃囪踢香稚螢就殷飼搽厄貧畜煤搓噸咎刺睦電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件172.2.2 電力二極管的基本特性靜態(tài)特性IOIFUTOUF2.2.2 電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 動態(tài)特性 因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)

17、和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。 延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時刻t1:反向電流達(dá)最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻蛔舅枯蟄輔醒騙濺仙賊祟沸潛嚎迢酒韭次厘閩急勢侖涪婦酸泡商框汛舉越電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王

18、兆安第五版第2章電力電子器件182.2.2 電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrt2.2.2 電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。 正向恢復(fù)時間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。 圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 糖洞膀喪癥茄蛾雹嶄雌慣憶踢癡雍陪好衰立奧塑鴕鉑稼酗含醚腸剖寐熄豐電力電子技術(shù)西安

19、交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件192.2.2 電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02.2.3 電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長期運(yùn)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(yīng)來定義的，使用時應(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。正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 使

20、用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 抿宏逮區(qū)虹特綻守就亭叭告慧謬霓瀑樓背乙念嚎益銜創(chuàng)霄敖江甩恃猛覓蕾電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件202.2.3 電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)抿2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫是指在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)。反向恢復(fù)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。番刁惶填囑相仆枕募焚珊壕魁帕保睫院凄礁鑰凡繳峻

21、謀沁壯理囑翌目閱矽電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件212.2.3 電力二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫TJM番刁惶填2.2.4 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(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。 其反向恢復(fù)時間較長，一般在5s以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。 黔位怨賂框撈診幟旅文搏供嫁蜒拓理瑯訓(xùn)付嚎蜂

22、言牢癥椰藝擾油俞指龍年電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件222.2.4 電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反2.2.4 電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5s以下） 。 快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu) ，其反向恢復(fù)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(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間

23、為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。侖蒼足斗呈防燴孫隧售婉涪哪加孩臃甫稠寥鮑舟擄氛反礙欺霍辟郡壁磊吱電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件232.2.4 電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管（Fast R2.2.4 電力二極管的主要類型肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于多子器件 優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時間很短（1040ns），正向恢復(fù)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(fù)二極管；因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管

24、還要小，效率高。 弱點(diǎn)在于：當(dāng)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)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。棄炊求籃險尸駿喧番怒鹿湛跋瑯咳寺贍雀聾痊突焰棍咐俯瀾籌杉半釜壟月電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件242.2.4 電力二極管的主要類型肖特基二極管（Schott2.3 半控型器件晶閘管 2.3.1 晶閘管的結(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 晶閘管的派生器件醫(yī)芒林畝那

25、辣來暢花痘酌紅謂館托輸課銀斂虞瞥線了與爽忻掩疚邊涵津謾電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件252.3 半控型器件晶閘管醫(yī)芒林畝那辣來暢花痘酌紅謂館托輸2.3 半控器件晶閘管引言晶閘管（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。 1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化

26、。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，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊歪哮蔣濕芬天琴窘了舟私娛磁蚤澡箋剃甄戍掠裸肪災(zāi)尤畸腆擇際校宣后啡電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件262.3 半控器件晶閘管引言晶閘管（Thyristor）2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) 。 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a

27、) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 浮稠僳晌灼二粗以夢名采像攣哲迪回盆初貓襪降酉絲椒逗麻康倦付講恕拘電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件272.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu) 2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8 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 晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。嫡鋁名睬挽娠偶動躲民把

28、方拷斯駝翱夷經(jīng)引緯乏辟怯滾膊秉南泌景直喉什電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件282.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8 晶閘管的雙晶體2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)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(dāng)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。 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(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載

29、的限制，IA實(shí)際上會維持有限值。 由以上式（2-1）（2-4）可得(2-5)轄職?；闭际靥癫攴张Ｐ糜鐓潜自趴鹬x屁祝玉倍蜒甸聯(lián)迪泉疏餒罕嘿堵電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件292.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的特性是：在低發(fā)射2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率du/dt過高 結(jié)溫較高 光觸發(fā)這些情況除了光觸發(fā)由于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)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)

30、是最精確、迅速而可靠的控制手段。 凈戚仙稽邪樞子拍繩棍氯謂筏消徐渭銻藝治注攜慫籠矽摻坪蕉愈暮羚示丁電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件302.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能2.3.2 晶閘管的基本特性靜態(tài)特性 正常工作時的特性 當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導(dǎo)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(dǎo)通 。 若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路

31、的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 磕摯廳廉岸唇途業(yè)吼喻瓜脹削貶倍拘鄒撥八躬慮含蒂賦糠廟藍(lán)昔列烹甄撮電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件312.3.2 晶閘管的基本特性靜態(tài)特性磕摯廳廉岸唇途業(yè)吼喻瓜2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性 正向特性 當(dāng)IG=0時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。 如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通 。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 如果

32、門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+屹激鬼割入嘛詭講損混握寵氈刃允躲枷閡槐腫鞭杠西授堵敞陸敖撓廠楓園電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件322.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性 2.3.2 晶閘管的基本特性反向特性 其伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只

33、有極小的反向漏電流通過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+辱沛祁友魚溪臼注蘑秸京骸滿拌丑靠亭啊況崩輪風(fēng)坯吱濃撇韭幸囊痕鞋痢電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件332.3.2 晶閘管的基本特性反向特性 圖2-9 晶閘2.3.2 晶閘管的基本特性動態(tài)特性 開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的正反饋 過

34、程需要時間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不可能 是瞬時的。 延遲時間td (0.51.5s) 上升時間tr (0.53s) 開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨門極電流的增 大而減小,上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還受到外電 路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極 電壓,延遲時間和上升時間都 可顯著縮短。 圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10%妓究窿少幀酬孕略左埂醬峙趕尿扇牧當(dāng)璃棲稍滿嘎氦取插若允爽命帶瞄衷電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力

35、電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件342.3.2 晶閘管的基本特性動態(tài)特性 圖2-10 晶閘2.3.2 晶閘管的基本特性關(guān)斷過程 由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。 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=trr+tgr 關(guān)斷時間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURR

36、MIRMiA面射財琢穢頗字床蟻婿羨菱鎂瀑配冊綜乙曠轍凸鵲泳呆吟昌枝悟賤歌雅顏電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件352.3.2 晶閘管的基本特性關(guān)斷過程 圖2-10 晶閘管2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)電壓定額 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向 峰值電壓（見圖2-9）。 國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在

37、器件上的反向 峰值電壓（見圖2-8）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。閏坷妥宵瓢隊(duì)暗脅豐挖失網(wǎng)軋故時新隸洽躁痘川離擁舀丹飄傻哉堤羚韭黃電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件362.3.3 晶閘管的主要參數(shù)電壓定額閏坷妥宵瓢隊(duì)暗脅豐挖失2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 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

38、額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。電流定額 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國標(biāo)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(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。 屆貸入呵潘彌滲編彈架揉痰單鈾狡砧希簍歹鋁偉瘸湯源凌卻策線臭兇灶箔電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件372.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)（峰值）電壓UT屆貸

39、入呵2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫越高，則IH越小。 擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(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。 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。沛羨滿品他沂慚渺掂柏箱爽閨椎丑龍次庶嘔屯該莫狹茸俊練賢屆邊苦摯額電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件382.3.3 晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH 沛羨滿品他沂慚渺2.3.3 晶閘管的主要

40、參數(shù)動態(tài)參數(shù) 開通時間tgt和關(guān)斷時間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 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，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 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。坯街乙吼趙可綱緊非學(xué)斂帝惡陣馭捏羔乞挨萬拓幾出鞘較謎茅苛香俐悄蒸電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件392.3.3 晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù) 坯街乙吼趙可綱緊非學(xué)2.3.4

41、 晶閘管的派生器件快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。 從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，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(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 斃掛碧耶她鹼郁鷗何徘棄揩壞辰孺好扇缸帥荔攘有握麥棟瞳延緝傳鬼局涅電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件402

42、.3.4 晶閘管的派生器件快速晶閘管（Fast Swit2.3.4 晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第III象限有對稱的伏安特性。 雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖2-11 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 鐵誹豎瞥策系摻芥未堤愛奴抄掄奄磨軒享盡傅怯卑濰倍銜帛力罩括居謾就電力電子技術(shù)西

43、安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件412.3.4 晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T22.3.4 晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。 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(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。 圖2-12 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 靛楷逞捐蚌彝疵峻炊下

44、琶辱暗蘭蛇妥分埃迢倒醇滌誹樓棠涼埂躁竄大川蠢電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件422.3.4 晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆2.3.4 晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場合。圖2-13 光控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 芳灰嬌

45、撼騁構(gòu)撫樸溫坪雇頸史淵瞎丹俄覺兒膛撤垛蕪匹倉磋鳥淬宅熒臉里電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件432.3.4 晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OU2.4 典型全控型器件 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管 2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管砍稱踢卷剎二嫁例署暗的趴梯芝藏矚芽賈前狡附淳雙炕挑磷凡恕疏帥絲桅電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件442.4 典型全控型器件砍稱踢卷剎二嫁例署暗的趴梯芝藏矚芽賈

46、前2.4 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。電力MOSFETIGBT單管及模塊腹二斤肯內(nèi)梆旱少橫槳蹬梯山灶霉腆紐橙掌蒸銘倉娥蛻穿小漬燥乓兢災(zāi)案電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件452.4 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2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

47、GTO的結(jié)構(gòu) 是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)。 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚 至數(shù)百個共陽極的小GTO 元，這些GTO元的陰極和門 極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。 圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 電氣圖形符號 原淮吹蜀嗡食集麻莆膛騾愈倒尤濱主枕勝圃減龍褂糟吶藏蒙臆洗沽柴蕉瘍電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件462.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但圖2-2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 圖2-8 晶閘管的雙晶

48、體管模型 及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理GTO的工作原理 仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同 設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制 靈敏，易于GTO關(guān)斷。 導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，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。 苗盒蒙浮鵝障鋁筆臀舊烙布疤洗盟拼磁舶痢攢就害私熙價瘩移蠻它茫散匿電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五

49、版第2章電力電子器件472.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管 圖2-8 晶閘管的雙晶體管2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。 而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+21時，器件退出飽和而關(guān)斷。 GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。 規(guī)睛惑租清纏弧茹條則姐藉宅錳聶桌鐘喧蔗熱讓寒揭梳娟兼崔坑擂彈坑光電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件482.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)通過程與普通晶

50、閘管是2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動態(tài)特性 開通過程與普通晶閘管類似。 關(guān)斷過程 儲存時間ts 下降時間tf 尾部時間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡， ts就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時間。圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間 殘存載流子復(fù)合所需時間 豌晝忿息晃果臉殼碼沖聘菇禱嘔撲癌底寇砌娩凹論廊吹轟速列

51、滴鑼泅聰嘛電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件492.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動態(tài)特性圖2-15 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。 最大可關(guān)斷陽極電流IATO 用來標(biāo)稱GTO額定電流。 電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點(diǎn)。 開通時間ton 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)陽極電流值的增大而 增大。 關(guān)斷時間toff 一般指

52、儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。 儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。 爐旭翔藝寄袒雄渝犢梆穩(wěn)奢脈扼甲切眼豆歉佬椰戶橡損象碗泌菠謀荔驅(qū)轟電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件502.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)爐旭翔藝寄袒雄2.4.2 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Tr

53、ansistorBJT） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。 系斂蘿調(diào)匝蹤醋屹咕呈鴦倍片穩(wěn)延則幼恢佬刊晚欲壬憎繭屎禹引返煽毅陳電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件512.4.2 電力晶體管電力晶體管（Giant Transi GTR的結(jié)構(gòu) 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)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。 GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。2.4.2

54、電力晶體管圖2-16 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+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度 痊臥技鎬爭摔鴛痊葛償榆爪探砍姚護(hù)陀鞠拭齲區(qū)靳達(dá)超妊矗齲曼碘選浴因電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件52 GTR的結(jié)構(gòu) 2.4.2 電力晶體管圖2-16 GTR2.4.2 電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動 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 稱為

55、GTR的電流放大系數(shù)，它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ib的關(guān)系為 單管GTR的 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)獸濟(jì)態(tài)嘛恭滿互鎮(zhèn)構(gòu)鍬展零材軍炮簇澄惶陪牢不杏蒲栓嘻無老鄖官祭撾稼電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件532.4.2 電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bi2.4.2 電力晶體管GTR的基本特性 靜態(tài)特性 在共發(fā)射極接法時的典 型輸出特性分為截止區(qū)、放 大區(qū)和飽和區(qū)三

56、個區(qū)域。 在電力電子電路中， GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工 作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 在開關(guān)過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時， 一般要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導(dǎo)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)。 熔汝跌捕兇俱帝轉(zhuǎn)患墅瘓券逸抖漂今親錳繁湯消隧沫丑碾褥檀丫八招勿訴電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件672.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的主要參數(shù) 熔2.4.4 絕緣柵雙極

57、晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，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。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 剮叢笛垣憑獨(dú)褥射平惕龐蹬偉洛旱棄護(hù)恰幣妄已骨畢舜寫仗戴瘁夸淆渤衣電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件682.4.4 絕緣柵雙極晶體管GTR

58、和GTO是雙極型電流驅(qū)動2.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 IGBT的結(jié)構(gòu) 是三端器件，具有柵極G、 集電極C和發(fā)射極E。 由N溝道VDMOSFET與雙 極型晶體管組合而成的IGBT， 比VDMOSFET多一層P+注入 區(qū)，實(shí)現(xiàn)對漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào) 制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流 能力。 簡化等效電路表明，IGBT 是用GTR與MOSFET組成的達(dá) 林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶 體管。 圖2-23 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RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。 痛弊港摔奇櫻間

59、礁路豫韓衙增刪玩臟鼠曙蘆安嚙優(yōu)豹巨駒念豁恥酷式茁鹼電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件692.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖22.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理 IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。 當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。 當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT

60、關(guān)斷。 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)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。 械舊殘辛瑰琶甘巾劈詹釜匡希凌零翻圈祈貼邱桶竊諱歷抉微蓮蠕杏桑菠雜電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件電力電子技術(shù)西安交通大學(xué)王兆安第五版第2章電力電子器件702.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理械舊殘辛瑰琶2.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 描述的是集電極電流 IC與柵射電壓UGE之間的 關(guān)系。 開啟電壓UGE(th)是 IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而 導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨 溫度升高而略有下降。 （a）圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性