第1章-電力電子器件

1.1電力電子器件概述1.2電力二極管1.3晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.4晶閘管的派生器件1.5全控型電力電子器件本章小結(jié)第1章電力電子器件1半控型器件（如Thyristor）——通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（如IGBT,PowerMOSFET)——通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。1.1電力電子器件概述按器件受控程度可分為以下三類：2電流驅(qū)動(dòng)型（如GTR）——通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型（如IGBT）——僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1電力電子器件概述

按驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)可分為以下二類：3單極型器件（如PowerMOSFET）——由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。雙極型器件（如GTO,GTR)——由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。復(fù)合型器件(如IGBT)——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。1.1電力電子器件概述按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況可分為以下三類：4PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)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(chǎng)合，具有不可替代的地位。1.2電力二極管整流二極管及模塊5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(gè)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，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)1.2電力二極管AKAKa)IKAPNJb)c)AK6狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。

PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿1.2電力二極管

PN結(jié)的狀態(tài)7主要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。與IF對(duì)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(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-3電力二極管的伏安特性1.2電力二極管81.3

晶閘管·引言1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始全控型器件。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：硅晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前又簡(jiǎn)稱可控硅。91.3

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)1.3.2晶閘管的單向可控導(dǎo)電性1.3.3晶閘管的工作原理1.3.4晶閘管的陽(yáng)極伏安特性1.3.5晶閘管的主要參數(shù)10圖1-4晶閘管的外形1.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)圖1-5晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和電氣圖形符號(hào)111.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)12導(dǎo)通條件：（1）要有適當(dāng)?shù)恼蜿?yáng)極電壓；（2）還要有適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓，且晶閘管一旦導(dǎo)通，門極將失去作用。關(guān)斷條件：去掉晶閘管的陽(yáng)極電壓；或者給晶閘管陽(yáng)極加反向電壓；或者降低正向陽(yáng)極電壓使流過(guò)晶閘管的電流降到維持電流以下。

1.3.2晶閘管的單向可控導(dǎo)電性圖1-7晶閘管導(dǎo)電特性實(shí)驗(yàn)電路131.3.3

晶閘管的工作原理式中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。由以上式可得：圖1-8晶閘管的工作原理按晶體管的工作原理，得：（1-5）（1-1）（1-2）（1-3）（1-4）141.3.3

晶閘管的工作原理在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，迅速增大。

阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)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(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。151.3.3

晶閘管的工作原理陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值將造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)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（LightTriggeredThyristor——LTT）。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161.3.4

晶閘管的陽(yáng)極伏安特性圖1-9晶閘管的伏安特性171.3.5

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(shí)，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——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，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(shí)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(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2～3倍。使用注意：1）電壓定額181.3.5

晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流IT(AV）（額定電流）——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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)按有效值相等的原則選取晶閘管，還要留出1.5～2倍的安全裕量。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(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。2）電流定額191.3.5

晶閘管的主要參數(shù)圖1-10額定情況下晶閘管各電流的關(guān)系（1-7）（1-8）（1-9）（1-10）20晶閘管的型號(hào)例如，KP200-5E，表示該元件額定電流為200A，額定電壓為500V，管壓降為0.7～0.8V的普通晶閘管。21〖例1〗一晶閘管接在220V交流回路中，通過(guò)器件的電流有效值為100A，問(wèn)應(yīng)選擇什么型號(hào)的晶閘管？解：晶閘管額定電壓UTn=(2～3)UTM=(2～3)×220=622～933(V)按晶閘管參數(shù)系列取800V晶閘管額定電流IT(AV)=(1.5～2)IT/1.57

=(1.5～2)×100

/1.57=95～128(A)按晶閘管參數(shù)系列取100A選擇晶閘管的型號(hào)KP100-8.

VTR~220V22〖例2〗現(xiàn)有晶閘管型號(hào)為KP50-7,用于某電路中時(shí),流過(guò)的電流波形如圖所示,試求Im允許多大?解:KP50-7晶閘管允許流過(guò)的電流有效值為實(shí)際流過(guò)該管的電流有效值iIm2/3考慮2倍余量ωt0231.3.5

晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——指在額定結(jié)溫和門極開(kāi)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(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)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(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率?！绻娏魃仙?，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)241.4

晶閘管的派生器件1.4.1雙向晶閘管1.4.2逆導(dǎo)晶閘管1.4.3快速晶閘管1.4.4光控晶閘管251.4.1雙向晶閘管雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）（a）等效電路（b）電氣圖形符號(hào)圖1-13雙向晶閘管的等效電路及電氣圖形符號(hào)圖1-14雙向晶閘管的伏安特性◆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(lái)表示其額定電流值。

◆門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)方式常選（Ⅰ+、Ⅲ-）或（Ⅰ-、Ⅲ-）。

261.4.2逆導(dǎo)晶閘管

逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）（a）等效電路（b）電氣圖形符號(hào)（c）伏安特性圖1-16逆導(dǎo)晶閘管的等效電路、電氣圖形符號(hào)及伏安特性

◆具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)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。

271.4.3快速晶閘管有快速晶閘管和高頻晶閘管。開(kāi)關(guān)時(shí)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(shí)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，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)?？焖倬чl管（FastSwitchingThyristor——FST)281.4.4光控晶閘管光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-17光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)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。因此主要用在高壓大功率的場(chǎng)合。291.5全控型電力電子器件·引言門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表——電力晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵極雙極型晶體管。301.5全控型電力電子器件1.5.1雙極型器件1.5.2單極型器件1.5.3混合型器件311.5.1雙極型器件——電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），亦稱為PowerBJT。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，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MOSFET取代。術(shù)語(yǔ)用法：32基本原理與普通雙極結(jié)型晶體管相同。主要特性：耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用達(dá)林頓接法組成單元結(jié)構(gòu)。1.5.1雙極型器件——電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-18GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)331.5.1雙極型器件——電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。將導(dǎo)致器件的永久損壞。安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM2）GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)341.5.1雙極型器件——門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)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(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）351.5.1雙極型器件——門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-19GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理361.5.1雙極型器件——門極可關(guān)斷晶閘管GTO通過(guò)門極關(guān)斷的原因設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于門極關(guān)斷。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)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。

371.5.2單極型器件——電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點(diǎn)——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小。開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管381.5.2單極型器件——電力場(chǎng)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(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)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391.5.2單極型器件——電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同。圖1-22電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)401.5.2單極型器件——電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管小功率MOS管采用橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)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（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。多元集成結(jié)構(gòu)411.5.2單極型器件——電力場(chǎng)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(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成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。電力MOSFET的工作原理421.5.3混合型器件——絕緣柵極雙極型晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）GTR和MOSFET的復(fù)合。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。

GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。431.5.3混合型器件——絕緣柵極雙極型晶體管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1-25IGBT的簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)圖1-24內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖441.5.3混合型器件——絕緣柵極雙極型晶體管圖1-25a—N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(jiǎn)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(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

IGBT的結(jié)構(gòu)451.5.3混合型器件——絕緣柵極雙極型晶體管

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，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(hào)時(shí)，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46a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.5.3混合型器件——絕緣柵極雙極型晶體管2)IGBT的基本特性——

IGBT的靜態(tài)特性圖1-26IGBT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(kāi)啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。47圖1-1電力電子器件分類“樹(shù)”本章小結(jié)主要內(nèi)容主講了電力二極管、晶閘管（SCR）、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、快速晶閘管、光控晶閘管、電力晶體管（GTR）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。電力電子器件類型歸納單極型：PowerMOSFET雙極型：電力二極管、晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、快速晶閘管、光控晶閘管、GTO、GTR復(fù)合型：IGBT48本章小結(jié)

特點(diǎn)：輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高。電流驅(qū)動(dòng)型：晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘