汽車(chē)電力電子及電力驅(qū)動(dòng)

汽車(chē)電力電子及電力驅(qū)動(dòng)第1頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第2頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月新能源電動(dòng)汽車(chē)電氣組成第3頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1271110354986第4頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

20KW；動(dòng)力輸出1.驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器其將動(dòng)力電池提供的直流電，轉(zhuǎn)化為交流電，然后輸出給電機(jī)；2.通過(guò)電機(jī)的正轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)整車(chē)加速、減速；通過(guò)電機(jī)的反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)倒車(chē)；3.其通過(guò)有效的控制策略，控制動(dòng)力總成以最佳方式協(xié)調(diào)工作。主要部件介紹-驅(qū)動(dòng)電機(jī)第5頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

DC-DC變換器安裝于前機(jī)艙位置，其主要功能是在車(chē)輛啟動(dòng)后將動(dòng)力電池輸入的高壓電轉(zhuǎn)變成低壓12V向蓄電池充電，以保證行車(chē)時(shí)低壓用電設(shè)備正常工作。主要部件介紹-DC/DC變換器第6頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月每輛電動(dòng)汽車(chē)都配有車(chē)載充電器、用于對(duì)動(dòng)力電池充電。主要部件介紹-車(chē)載充電機(jī)第7頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月比亞迪e6電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)

第8頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月項(xiàng)目一：電力電子器件任務(wù)一：電力電子器件的結(jié)構(gòu)、特性和主要參數(shù)任務(wù)二：電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路、緩存電路及串并聯(lián)技術(shù)第9頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月任務(wù)一：電力電子器件第10頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■電力電子技術(shù)的概念◆可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。

?電力電子技術(shù)中所變換的“電力”有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力”，后者特指電力網(wǎng)的“電力”，前者則更一般些。

?電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說(shuō)的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。

■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)

——電力電子器件第11頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆具體地說(shuō)，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。

?電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。

輸入輸出

交流（AC）

直流（DC）

直流（DC）整流

直流斬波

交流（AC）交流電力控制變頻、變相逆變

表1-1電力變換的種類(lèi)圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形第12頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子部件的應(yīng)用電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。第13頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月汽車(chē)電力電子及電力驅(qū)動(dòng)第14頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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（PowerElectronicDevice）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(lèi)，目前往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。

第15頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■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(kāi)關(guān)狀態(tài)。

◆由信息電子電路來(lái)控制

,而且需要驅(qū)動(dòng)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(shí)一般都需要安裝散熱器。

第16頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)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(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗第17頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)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)組成第18頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.電力電子器件的分類(lèi)■按照能夠被控制電路信號(hào)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PowerMOSFET。

?通過(guò)控制信號(hào)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（PowerDiode）?不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。第19頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)◆電流驅(qū)動(dòng)型

?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

?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?！霭凑镇?qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外

）◆脈沖觸發(fā)型

?通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。

◆電平控制型

?必須通過(guò)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(hào)來(lái)使器件開(kāi)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)。

第20頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■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?！綦p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

?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱(chēng)混合型器件。

第21頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子SiGee不可控器件——電力二極管半導(dǎo)體材料第22頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月載流子：自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第23頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月載流子的產(chǎn)生與復(fù)合+4+4+4+4本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。第24頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P型半導(dǎo)體+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。動(dòng)畫(huà)演示第25頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月N型半導(dǎo)體+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）。動(dòng)畫(huà)演示第26頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散(diffusion)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移(drift)運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄?？臻g電荷區(qū)，也稱(chēng)耗盡層。第27頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒(méi)有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第28頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0第29頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)(PNjunction)正向偏置－－－－++++內(nèi)電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散加強(qiáng)，擴(kuò)散飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄PN+_正向電流第30頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PN結(jié)(PNjunction)反向偏置－－－－++++空間電荷區(qū)變厚NP+_++++－－－－內(nèi)電場(chǎng)加強(qiáng)，使擴(kuò)散停止，有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流很小，A級(jí)第31頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AKAKa)IKAPNJb)c)AKPN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(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，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。

電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)整流二極管及模塊第32頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴舢?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，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(chēng)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(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱(chēng)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(guò)大，反向電流將會(huì)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(shí)，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(lái)的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。

第33頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■PN結(jié)的電容效應(yīng)◆稱(chēng)為結(jié)電容CJ，又稱(chēng)為微分電容◆按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD

PN結(jié)反向偏置時(shí)，載流子數(shù)目很少，擴(kuò)散電容可忽略1.擴(kuò)散電容PN結(jié)處于正向偏置時(shí)，多子的擴(kuò)散導(dǎo)致在P區(qū)（N區(qū)）靠近結(jié)的邊緣有高于正常情況的電子（空穴）濃度，這種超量的濃度可視為電荷存儲(chǔ)到PN結(jié)的鄰域?擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。第34頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)反向偏置電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化2.勢(shì)壘電容類(lèi)似于平板電容器兩極板上電荷的變化

?勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。

◆結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作。PN結(jié)電容的大小與本身的結(jié)構(gòu)和工藝及外加電壓有關(guān)。正偏時(shí)，結(jié)電容較大（主要決定于擴(kuò)散電容）；反偏時(shí)，結(jié)電容較?。ㄖ饕獩Q定于勢(shì)壘電容）第35頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(mén)檻電壓UTO

），正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。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第36頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)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(dòng)態(tài)特性◆因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專(zhuān)指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性?！粲烧蚱棉D(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(guò)一段短暫的時(shí)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(guò)沖。?延遲時(shí)間：td=t1-t0

電流下降時(shí)間：tf=t2-t1

反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf

恢復(fù)特性的軟度：

tf

/td，或稱(chēng)恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時(shí)刻t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻第37頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

?先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。

?正向恢復(fù)時(shí)間tfr

?出現(xiàn)電壓過(guò)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(shí)間來(lái)儲(chǔ)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(huì)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。

電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形

b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

第38頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)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(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)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(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降?！龇聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM

◆指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓?！羰褂脮r(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

第39頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■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125～175C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴?fù)時(shí)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(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。第40頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力二極管的主要類(lèi)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（GeneralPurposeDiode）

?又稱(chēng)整流二極管（RectifierDiode），多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。

?其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，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。

第41頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）?恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（一般在5s以下）。

?快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時(shí)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(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。第42頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）?屬于多子器件

?優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)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(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。

?弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；反向漏電流較大且對(duì)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。43第43頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月G控制極1.基本結(jié)構(gòu)K陰極陽(yáng)極

AP1P2N1N2(c)結(jié)構(gòu)KGA(b)符號(hào)(a)外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)四層半導(dǎo)體三個(gè)

PN

結(jié)半控型器件——晶閘管第44頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P1P2N1N2K

GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合PPNNNPAGK+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG第45頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.工作原理

在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均飽和導(dǎo)通，此過(guò)程稱(chēng)觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過(guò)程EA>0、EG>0AKGEA+_RT1T2EG_+第46頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月EA+_RT1T2EGA_+K晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。2.工作原理EA>0、EG>0形成正反饋過(guò)程G第47頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■除門(mén)極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況◆陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

◆陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高

◆結(jié)溫較高◆光觸發(fā)■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(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

第48頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管導(dǎo)通的條件：(1)晶閘管陽(yáng)極電路(陽(yáng)極與陰極之間)施加正向電壓。(2)晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。

晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件：

(1)必須使可控硅陽(yáng)極電流減小，直到正反饋效應(yīng)不能維持。

(2)將陽(yáng)極電源斷開(kāi)或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加反向電壓。第49頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、晶閘管的基本特性晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開(kāi)關(guān)等方面。優(yōu)點(diǎn)：

體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維修簡(jiǎn)單、操作方便、壽命長(zhǎng)、容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。第50頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■靜態(tài)特性

◆正常工作時(shí)的特性

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)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的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

第51頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆晶閘管的伏安特性

?正向特性

√當(dāng)IG=0時(shí)，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(guò)。

√如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通?！屉S著門(mén)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。

√如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)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(chēng)為維持電流。

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶閘管的伏安特性

IG2>IG1>IG

第52頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?反向特性

√其伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過(guò)。√當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)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。

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+第53頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■動(dòng)態(tài)特性◆開(kāi)通過(guò)程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td

(0.5~1.5s)

上升時(shí)間tr(0.5~3s)

開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr?延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減小,上升時(shí)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(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%第54頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆關(guān)斷過(guò)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(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr

關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門(mén)極電流控制而導(dǎo)通。晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第55頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門(mén)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（見(jiàn)圖2-9）。

?國(guó)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(shí)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(mén)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（見(jiàn)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。4、晶閘管的主要參數(shù)第56頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

◆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。■電流定額

◆通態(tài)平均電流IT(AV）

?國(guó)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(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。

?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(lái)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1.5~2倍。

第57頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆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(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。

?約為IH的2~4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(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。第58頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■動(dòng)態(tài)參數(shù)

◆開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?在額定結(jié)溫和門(mén)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

?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。

?如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。第59頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時(shí)間來(lái)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(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

5、晶閘管的派生器件第60頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T(mén)極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性?！綦p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。雙向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

第61頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a)KGAb)UOIIG=0■逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）

◆是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)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(kāi)通。

◆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。

逆導(dǎo)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

第62頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)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(chǎng)合。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

第63頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月全控器件——典型全控型器件■門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)?！?0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——門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊第64頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

1、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門(mén)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

◆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3個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO

元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門(mén)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(hào)

第65頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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◆GTO的工作原理

?仍然可以用如圖所示的雙晶體管模型來(lái)分析，T1、T2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T2控制靈敏，易于GTO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(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大?！潭嘣山Y(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。第66頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，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(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

67第67頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■GTO的動(dòng)態(tài)特性

◆開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)似。

◆關(guān)斷過(guò)程

?儲(chǔ)存時(shí)間ts

下降時(shí)間tf

尾部時(shí)間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。?門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。使門(mén)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(shí)間。GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間

殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間

68第68頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■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(yáng)極電流IATO?用來(lái)標(biāo)稱(chēng)GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off

?最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)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(gè)主要缺點(diǎn)。

◆開(kāi)通時(shí)間ton

?延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。?延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。

◆關(guān)斷時(shí)間toff

?一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。

?儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。■不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。

69第69頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）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（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■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(kāi)關(guān)特性好。

第70頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆

GTR的結(jié)構(gòu)

?采用至少由兩個(gè)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(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。電力晶體管GTR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)+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度71第71頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ibc)內(nèi)部載流子的流動(dòng)

?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(chēng)為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對(duì)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(shí)，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)72第72頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力晶體管■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性

?在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。

?在電力電子電路中，

GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性73第73頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力晶體管◆動(dòng)態(tài)特性?開(kāi)通過(guò)程

√需要經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。√增大基極驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間，同時(shí)也可以縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通過(guò)程。?關(guān)斷過(guò)程√需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff?！虦p小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。?GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以?xún)?nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。

74第74頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力晶體管■GTR的主要參數(shù)◆電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

◆最高工作電壓?GTR上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo

發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces

發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。第75頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。?實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)?！艏姌O最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

76第76頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)◆當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱(chēng)為一次擊穿?！舭l(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次擊穿。

◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率

◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓

UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過(guò)二次擊穿臨界線。77第77頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■

場(chǎng)效應(yīng)晶體管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制電流的一種半導(dǎo)體器件，即是電壓控制元件。它的輸出電流決定于輸入電壓的大小，基本上不需要信號(hào)源提供電流，所以它的輸入電阻高，且溫度穩(wěn)定性好。分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型,簡(jiǎn)稱(chēng)電力MOSFE?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，它的特點(diǎn)有：◆驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。

◆開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。

第78頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管柵極和其它電極及硅片之間是絕緣的，稱(chēng)絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管。(1)

N溝道增強(qiáng)型管的結(jié)構(gòu)1.增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管漏極金屬電極柵極源極

高摻雜N區(qū)DGSSIO2絕緣層P型硅襯底N+N+第79頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月GSD符號(hào)：由于柵極是絕緣的，柵極電流幾乎為零，輸入電阻很高，最高可達(dá)1014。由于金屬柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層目前常用二氧化硅，故又稱(chēng)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管，簡(jiǎn)稱(chēng)MOS場(chǎng)效應(yīng)管。漏極金屬電極柵極源極

高摻雜N區(qū)DGSSIO2絕緣層P型硅襯底N+N+第80頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)N溝道增強(qiáng)型管的工作原理

由結(jié)構(gòu)圖可見(jiàn)，N+型漏區(qū)和N+型源區(qū)之間被P型襯底隔開(kāi)，漏極和源極之間是兩個(gè)背靠背的PN結(jié)。

當(dāng)柵源電壓UGS=0時(shí)，不管漏極和源極之間所加電壓的極性如何，其中總有一個(gè)PN結(jié)是反向偏置的，反向電阻很高，漏極電流近似為零。SDP型硅襯底N+N+DS+GEG-UGS第81頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)UGS>0時(shí)，P型襯底中的電子受到電場(chǎng)力的吸引到達(dá)表層，填補(bǔ)空穴形成負(fù)離子的耗盡層；當(dāng)UGS>UGS（th）時(shí)，還在表面形成一個(gè)N型層，稱(chēng)反型層，即勾通源區(qū)和漏區(qū)的N型導(dǎo)電溝道，將D-S連接起來(lái)。UGS愈高，導(dǎo)電溝道愈寬。P型硅襯底N溝道N+N+DGS----耗盡層EG+-UGS第82頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月N型溝道增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通P型硅襯底N+EGS–G+N+DN溝道–+EDID當(dāng)UGS

UGS(th）后，場(chǎng)效應(yīng)管才形成導(dǎo)電溝道，開(kāi)始導(dǎo)通，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，則有漏極電流ID產(chǎn)生。在一定的漏–源電壓UDS下，使管子由不導(dǎo)通變?yōu)閷?dǎo)通的臨界柵源電壓稱(chēng)為開(kāi)啟電壓UGS(th）。在一定的UDS下漏極電流ID的大小與柵源電壓UGS有關(guān)。所以，場(chǎng)效應(yīng)管是一種電壓控制電流的器件。第83頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線ID/mAUDS/VoUGS=1VUGS=2VUGS=3VUGS=4V漏極特性曲線恒流區(qū)可變電阻區(qū)截止區(qū)無(wú)溝道有溝道UGS/VUGS(th)UDS=常數(shù)ID/16mAO開(kāi)啟電壓UGS(th）第84頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月N型襯底P+P+GSD符號(hào)：結(jié)構(gòu)(4)P溝道增強(qiáng)型SiO2絕緣層加電壓才形成P型導(dǎo)電溝道

增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管只有當(dāng)UGS

UGS(th）時(shí)才形成導(dǎo)電溝道。第85頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管GSD符號(hào)：如果MOS管在制造時(shí)導(dǎo)電溝道就已形成，稱(chēng)為耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管。(1)N溝道耗盡型管SiO2絕緣層中摻有正離子予埋了N型導(dǎo)電溝道第86頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由于耗盡型場(chǎng)效應(yīng)管預(yù)埋了導(dǎo)電溝道，所以在UGS=0時(shí)，若漏–源之間加上一定的電壓UDS，也會(huì)有漏極電流ID產(chǎn)生。當(dāng)UGS>0時(shí)，使導(dǎo)電溝道變寬，ID增大；當(dāng)UGS<0時(shí)，使導(dǎo)電溝道變窄，ID減小；UGS負(fù)值愈高，溝道愈窄，ID就愈小。

當(dāng)UGS達(dá)到一定負(fù)值時(shí)，N型導(dǎo)電溝道消失，ID=0，稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)管處于夾斷狀態(tài)（即截止）。這時(shí)的UGS稱(chēng)為夾斷電壓，用UGS(off）表示。

這時(shí)的漏極電流用

IDSS表示，稱(chēng)為飽和漏極電流。第87頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)耗盡型N溝道MOS管的特性曲線夾斷電壓

耗盡型的MOS管UGS=0時(shí)就有導(dǎo)電溝道，加反向電壓到一定值時(shí)才能夾斷。一般工作在負(fù)柵源電壓狀態(tài)。此時(shí)：UGS(off)UDSUGS=0UGS<0UGS>0漏極特性曲線OID/mA16201248121648IDSS轉(zhuǎn)移特性曲線OID/mA

UGS/V-1-2-348121612UDS=常數(shù)第88頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.耗盡型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管(3)P溝道耗盡型管符號(hào)：GSD予埋了P型導(dǎo)電溝道SiO2絕緣層中摻有負(fù)離子第89頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月耗盡型GSDGSD增強(qiáng)型N溝道P溝道GSDGSDN溝道P溝道G、S之間加一定電壓才形成導(dǎo)電溝道在制造時(shí)就具有原始導(dǎo)電溝道第90頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理◆電力MOSFET的種類(lèi)

?按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。?當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱(chēng)為耗盡型。

?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)電溝道的稱(chēng)為增強(qiáng)型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。

第91頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

?是單極型晶體管。?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷壳半娏OSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱(chēng)為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。?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

（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)第92頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的工作原理?截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時(shí)，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)通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。

√當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，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。

√UT稱(chēng)為開(kāi)啟電壓（或閾值電壓），UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。

第93頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月■電力MOSFET的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性√指漏極電流ID和柵源間電壓

UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。

√ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為

MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性(2-11)√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。第94頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性。√截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。

√工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。?本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個(gè)與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

b)輸出特性第95頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月◆動(dòng)態(tài)特性

?開(kāi)通過(guò)程

√開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

電壓下降時(shí)間tfv

開(kāi)通時(shí)間ton=td(on)+tr+

tfv

?關(guān)斷過(guò)程

√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

電壓上升時(shí)間trv

電流下降時(shí)間tfi

關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfi?MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系，可以降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管信號(hào)iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up為矩形脈沖電壓信號(hào)源，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測(cè)漏極電流。

(a)(b)第96頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過(guò)程是非常迅速的。?開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

第97頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)◆跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的各時(shí)間參數(shù)?！袈O電壓UDS

?標(biāo)稱(chēng)電力MOSFET電壓定額的參數(shù)?！袈O直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

?標(biāo)稱(chēng)電力MOSFET電流定額的參數(shù)。

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

◆極間電容

?

CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g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)。

第98頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵雙極晶體管■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)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(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。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，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。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。

第99頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵雙極晶體管■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?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)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(gè)由

MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。

IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

第100頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理

?IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。

?其開(kāi)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(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，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(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT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。

第101頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵雙極晶體管■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?！涕_(kāi)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）IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性

第102頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵雙極晶體管?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

√分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。√在電力電子電路中，IGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。

(b)IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

第103頁(yè)，課件共112頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月絕緣柵雙極晶體管◆動(dòng)態(tài)特性