高級電工電力電子部分12章

電力電子技術PowerElectronics第1章緒論1.1什么是電力電子技術1.2電力電子技術的開展史1.3電力電子技術的運用1.4本教材的內容簡介信息電子技術——信息處置電力電子技術——電力變換電子技術普通即指信息電子技術，廣義而言，也包括電力電子技術。模擬電子技術電子技術信息電子技術電力電子技術數(shù)字電子技術電力電子技術——運用電力電子器件對電能進展變換和控制的技術，即運用于電力領域的電子技術。目前電力電子器件幾乎均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術變換的“電力〞，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。1.1電力電子與信息電子變流技術〔電力電子器件運用技術〕用電力電子器件構成電力變換電路和對其進展控制的技術，以及構成電力電子安裝和電力電子系統(tǒng)的技術。電力電子技術的中心，實際根底是電路實際。電力電子器件制造技術電力電子技術的根底，實際根底是半導體物理。2兩大分支2兩大分支電力——交流和直流兩種從公用電網直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。電力變換四大類交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1-1電力變換的種類進展電力變換的技術稱為變流技術。變流技術

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

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

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運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〔PowerElectronicDevice〕是指可直接用于處置電能的主電路中，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，直接承當電能的變換或控制義務的電路，即動力系統(tǒng)的電源電路。?控制電路：指控制主電路的控制回路。2.1.1電力電子器件的概念和特征■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。◆兩類中，自20世紀50年代以來，真空管僅在頻率很高〔如微波〕的大功率高頻電源中還在運用，而電力半導體器件已取代了汞弧整流器〔MercuryArcRectifier〕、閘流管〔Thyratron〕等電真空器件，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導體器件。◆電力半導體器件所采用的主要資料依然是硅。2.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征〔同處置信息的電子器件相比〕◆由于電力電子器件直接用于處置電能的主電路，所以其能處置電功率的大小，也就是其接受電壓和電流的才干，是其最重要的參數(shù)，普通都遠大于處置信息的電子器件。

◆為了減小本身的損耗，提高效率，普通都任務在開關形狀。?導通時〔通態(tài)〕阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決議。?阻斷時〔斷態(tài)〕阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決議。?作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來替代。

◆實踐運用中，電力電子器件往往需求由信息電子電路來控制，即需求驅動電路?！查T極，控制極〕?在主電路和控制電路之間，需求一定的中間電路對控制電路的信號進展放大，這就是電力電子器件的驅動電路。◆本身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其任務時普通都需求安裝散熱器。2.1.1電力電子器件的概念和特征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。?當器件的開關頻率較高時，開關損耗會隨之增大而能夠成為器件功率損耗的主要要素。通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關損耗開通損耗關斷損耗?電力電子器件的功率損耗

2.1.2運用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件在實踐運用中，普通是由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為中心的主電路組成一個系統(tǒng)。電氣隔離圖2-1電力電子器件在實踐運用中的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子器件的分類■按照可以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。?器件的關斷完全是由其在主電路中接受的電壓和電流決議的?！羧匦推骷?目前最常用的是IGBT，GTO和PowerMOSFET。?經過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷，又稱自關斷器件?！舨豢煽仄骷?電力二極管〔PowerDiode〕?不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需求驅動電路。?只需兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中接受的電壓和電流決議的。2.1.3電力電子器件的分類■按照驅動信號的性質◆電流驅動型?經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。GTO,GTR等，所需驅動功率較大?！綦妷候寗有?僅經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，所需驅動功率較小。MOS管等。?電壓驅動型器件實踐上是經過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產生可控的電場來改動流過器件的電流大小和通斷形狀，所以又稱為場控器件，或場效應器件?！霭凑镇寗有盘柕牟ㄐ巍搽娏ΧO管除外〕◆脈沖觸發(fā)型?經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?！綦娖娇刂菩?必需經過繼續(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形狀或者關斷并維持在阻斷形狀。2.1.3電力電子器件的分類2.1.3電力電子器件的分類■按照載流子參與導電的情況◆單極型器件?由一種載流子參與導電。◆雙極型器件?由電子和空穴兩種載流子參與導電。◆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。

2.2不可控器件——電力二極管·引言■電力二極管〔PowerDiode〕自20世紀50年代初期就獲得運用，但其構造和原理簡單，任務可靠，直到如今電力二極管依然大量運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短少的，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，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場所，具有不可替代的位置。整流二極管及模塊AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN結與電力二極管的任務原理■電力二極管是以半導體PN結為根底的,實踐上是由一個面積較大的PN結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、構造和電氣圖形符號a)外形b)根本構造c)電氣圖形符號2.2.1PN結與電力二極管的任務原理N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。交界處電子和空穴的濃度差別，呵斥了各區(qū)的多子向另一區(qū)的分散運動，到對方區(qū)內成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能恣意挪動的雜質離子。這些不能挪動的正、負電荷稱為空間電荷?？臻g電荷建立的電場被稱為內電場或自建電場，其方向是阻止分散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內的少子〔對本區(qū)而言那么為多子〕向本區(qū)運動，即漂移運動。分散運動和漂移運動既相互聯(lián)絡又是一對矛盾，最終到達動態(tài)平衡，正、負空間電荷量到達穩(wěn)定值，構成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻撓層或勢壘區(qū)。■2.2.1PN結與電力二極管的任務原理圖1-3PN結的構成■2.2.1PN結與電力二極管的任務原理■二極管的根本原理——PN結的單導游電性◆當PN結外加正向電壓〔正向偏置〕時，在外電路上那么構成自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結的正導游通形狀。◆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，被稱為反向截止形狀?！舸怪睂щ姌嬙欤蛽诫sN區(qū)〔漂移區(qū)〕，電導調制效應◆PN結具有一定的反向耐壓才干，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任務形狀，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方式。?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結仍可恢復原來的形狀。?否那么PN結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

狀態(tài)參數(shù)正向導通反向截止反向擊穿電流大幾乎為零大電壓約1V高高阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)-----2.2.1PN結與電力二極管的任務原理■PN結的電容效應◆PN結交界處存在勢壘區(qū)。結兩端電壓變化引起積累在此區(qū)域的電荷數(shù)量的改動，從而顯現(xiàn)電容效應。稱為結電容CJ，又稱為微分電容?！舭雌洚a活力制和作用的差別分為勢壘電容CB和分散電容CD

2.2.2電力二極管的根本特性■靜態(tài)特性◆主要是指其伏安特性?！粽螂妷捍蟮揭欢ㄖ怠查T檻電壓UTO〕，正向電流才開場明顯添加，處于穩(wěn)定導通形狀?！綦妼д{制效應使得PN結在正向電流較大時壓降依然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài)?！襞cIF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向管壓降UF?！艚邮芊聪螂妷簳r，只需少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。IOIFUTOUFU圖2-5電力二極管的伏安特性2.2.2電力二極管的根本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V圖2-6電力二極管的動態(tài)過程波形正向偏置轉換為反向偏置零偏置轉換為正向偏置■動態(tài)特性◆由于結電容的存在，三種形狀之間的轉換必然有一個過渡過程，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)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性?！粲烧蚱棉D換為反向偏置?電力二極管并不能立刻關斷，而是須經過一段短暫的時間才干重新獲得反向阻斷才干，進入截止形狀。?在關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反向恢復時間：trr=td+tf恢復特性的軟度：tf/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。Sr越大，tf越長，IRP變化速度越慢，所產生的URP越小，稱為特性越軟。t0:正向電流降為零的時辰t1:反向電流達最大值的時辰t2:電流變化率接近于零的時辰2.2.2電力二極管的根本特性UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置轉換為正向偏置?先出現(xiàn)一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值〔如2V〕。?正向恢復時間tfr?出現(xiàn)電壓過沖的緣由:1.電導調制效應起作用所需的大量少子需求一定的時間來儲存，在到達穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較大；2.正向電流的上升會因器件本身的電感而產生較大壓降。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)零偏置轉換為正向偏置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，特別是反向恢復特性的不同，引見幾種常用的電力二極管。◆普通二極管〔GeneralPurposeDiode〕?又稱整流二極管〔RectifierDiode〕，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，普通在5s以上。?其正向電流定額和反向電壓定額可以到達很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。2.2.4電力二極管的主要類型◆快恢復二極管〔FastRecoveryDiode——FRD〕?恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短〔一般在5s以下〕，正向壓降很低，0.9V左右，反向耐壓多在1200V以下。?快恢復外延二極管〔FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED〕，采用外延型P-i-N構造，其反向恢復時間更短〔可低于50ns〕，正向壓降也很低〔0.9V左右〕，但其反向耐壓多在400V以下。?從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者那么在100ns以下，甚至到達20~30ns。2.2.4電力二極管的主要類型◆肖特基二極管〔SchottkyBarrierDiode——SBD〕?以金屬和半導體接觸構成的勢壘為根底，屬于多子器件。?優(yōu)點在于反向恢復時間很短〔10~40ns〕；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〔0.4v左右〕，明顯低于快恢復二極管；其開關損耗和正導游通損耗都比快速二極管還要小，效率高。?弱點在于：當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；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，而且必需更嚴厲地限制其任務溫度。2.3半控型器件——晶閘管2.3.1晶閘管的構造與任務原理2.3.2晶閘管的根本特性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〔SiliconControlledRectifier——SCR〕，以前被簡稱為可控硅。■1956年美國貝爾實驗室〔BellLaboratories〕發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司〔GeneralElectric〕開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產品，并于1958年使其商業(yè)化?！鲇捎谄淠芙邮艿碾妷汉碗娏魅萘恳廊皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡叩模胰蝿湛煽?，因此在大容量的運用場所依然具有比較重要的地位，20世紀80年代以來，開場被性能更好的全控型器件取代。晶閘管及模塊2.3.1晶閘管的構造與任務原理■晶閘管的構造◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝構造?！粢鲫枠OA、陰極K和門極〔控制端〕G三個聯(lián)接端?！魞炔渴荘NPN四層半導體構造。◆螺栓型：散熱效果差，用于200Ａ以下容量的元件；平板型：散熱效果好，用于200Ａ以上的元件。圖2-7晶閘管的外形、構造和電氣圖形符號a)外形b)構造c)電氣圖形符號2.3.1晶閘管的構造與任務原理圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其任務原理a)雙晶體管模型b)任務原理■晶閘管的任務原理◆按照晶體管任務原理，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。2.3.1晶閘管的構造與任務原理◆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。◆在晶體管阻斷形狀下，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。◆假設注入觸發(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，那么實際上，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?！粲捎谕怆娐坟撦d的限制，IA實踐上會維持有限值。由以上式〔2-1〕~〔2-4〕可得(2-5)2.3.1晶閘管的構造與任務原理■除門極觸發(fā)外其他幾種能夠導通的情況◆陽極電壓升高至相當高的數(shù)值呵斥雪崩效應◆陽極電壓上升率du/dt過高〔結電容〕◆結溫較高◆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運用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以運用于實際。只有門極觸發(fā)是最準確、迅速而可靠的控制手段。2.3.2晶閘管的根本特性■靜態(tài)特性◆正常任務時的特性?當晶閘管接受反向電壓時，不論門極能否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。?當晶閘管接受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才干開通。?晶閘管一旦導通，門極就失去控制造用，不論門極觸發(fā)電流能否還存在，晶閘管都堅持導通。?假設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流降到接近于零的某一數(shù)值以下。開通條件與關斷條件舉例2.3.2晶閘管的根本特性◆晶閘管的伏安特性?正向特性√當IG=0時，假設在器件兩端施加正向電壓，那么晶閘管處于正向阻斷形狀，只需很小的正向漏電流流過?！碳僭O正向電壓超越臨界極限即正向轉機電壓Ubo，那么漏電流急劇增大，器件開通。√隨著門極電流幅值IG的增大，正向轉機電壓降低，晶閘管本身的管壓降很小，在1V左右?！碳僭O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，那么晶閘管又回到正向阻斷形狀，IH稱為維持電流。圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向轉機電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2晶閘管的根本特性?反向特性√其伏安特性類似二極管的反向特性?！叹чl管處于反向阻斷形狀時，只需極小的反向漏電流經過?！坍敺聪螂妷撼揭欢ㄏ拗疲椒聪驌舸╇妷汉?，外電路如無限制措施，那么反向漏電流急劇增大，導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉機電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2晶閘管的根本特性■動態(tài)特性◆開經過程?由于晶閘管內部的正反響過程需求時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管遭到觸發(fā)后，其陽極電流的增長不能夠是瞬時的。?延遲時間td(0.5~1.5s)上升時間tr(0.5~3s)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，還遭到外電路電感的嚴重影響。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%2.3.2晶閘管的根本特性◆關斷過程?由于外電路電感的存在，原處于導通形狀的晶閘管當外加電壓忽然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關斷時間tq=trr+tgr?關斷時間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復時間內假設重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正導游通，使得門極電流失去對晶閘管的控制造用。圖2-10晶閘管的開通和關斷過程波形100%反向恢復電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管導通的條件：〔1〕接受正向陽極電壓；〔2〕門極有觸發(fā)電流；關斷條件：〔1〕加反向陽極電壓；結論2.3.4晶閘管的派生器件■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，普通晶閘管普通為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管那么為10s左右。

◆高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。

◆由于任務頻率較高，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。2.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管〔TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor〕◆可以以為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，在第Ｉ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2.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0■逆導晶閘管〔ReverseConductingThyristor——RCT〕◆是將晶閘管反并聯(lián)一個二極控制造在同一管芯上的功率集成器件，不具有接受反向電壓的才干，一旦接受反向電壓即開通。◆具有正向壓降小、關斷時間短〔幾微秒〕、任務頻率高〔幾十千赫〕，優(yōu)于快速晶閘管〔FSCR〕，高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點，可用于不需求阻斷反向電壓的電路中。如：用RCT即可替代晶閘管和續(xù)流二極管各一只。圖2-12逆導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2.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強度強弱b)OUIA■光控晶閘管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕◆是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管?！粲捎诓捎霉庥|發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以防止電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場所。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

2.4典型全控型器件2.4.1門極可關斷晶閘管2.4.2電力晶體管2.4.3電力場效應晶體管2.4.4絕緣柵雙極晶體管2.4典型全控型器件·引言■門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。■20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代?！龅湫痛怼T極可關斷晶閘管〔GTO〕、電力晶體管(GTR)、電力場效應晶體管(PowerMOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。電力MOSFETIGBT單管及模塊2.4.1門極可關斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以經過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因此屬于全控型器件?！鯣TO的構造和任務原理◆GTO的構造?是PNPN四層半導體結構。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個極，但內部那么包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極那么在器件內部并聯(lián)在一同。

圖2-14GTO的內部構造和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔陳列的圖形并聯(lián)單元構造斷面表示圖電氣圖形符號

2.4.1門極可關斷晶閘管圖2-8晶閘管的雙晶體管模型 及其任務原理a)雙晶體管模型b)任務原理◆GTO的任務原理?依然可以用如圖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是器件臨界導通的條件，大于1導通，小于1那么關斷。?GTO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?！虒〞r1+2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大?！潭嘣蓸嬙?，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。2.4.1門極可關斷晶閘管?GTO的導經過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時飽和程度較淺。

?而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關斷。

?GTO的多元集成構造使得其比普通晶閘管開經過程更快，接受di/dt的才干加強。2.4.1門極可關斷晶閘管■GTO的動態(tài)特性◆開經過程與普通晶閘管類似。◆關斷過程?儲存時間ts下降時間tf尾部時間tt〔正向阻斷〕?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。?門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。使門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能堅持適當?shù)呢撾妷海敲纯梢钥s短尾部時間。圖2-15GTO的開通和關斷過程電流波形Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導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

殘存載流子復合所需時間

2.4.1門極可關斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應的參數(shù)意義一樣?！糇畲罂申P斷陽極電流IATO?用來標稱GTO額定電流。◆電流關斷增益off?最大可關斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比。?off普通很小，只需5左右，這是GTO的一個主要缺陷?！糸_通時間ton?延遲時間與上升時間之和。?延遲時間普通約1~2s，上升時間那么隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大?！絷P斷時間toff?普通指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，下降時間普通小于2s?！霾簧貵TO都制呵斥逆導型，類似于逆導晶閘管。當需求接受反向電壓時，應和電力二極管串聯(lián)運用。2.4.2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、大電流的雙極結型晶體管〔BipolarJunctionTransistor——BJT〕■20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。◆GTR的構造?采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元構造，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。?GTR是由三層半導體〔分別引出集電極、基極和發(fā)射極〕構成的兩個PN結〔集電結和發(fā)射結〕構成，多采用NPN構造。?與普通的雙極結型晶體管根本原理是一樣的。?最主要的特性是耐壓高、電流大、開關特性好。2.4.2電力晶體管圖2-16GTR的構造、電氣圖形符號和內部載流子的流動a)內部構造斷面表示圖b)電氣圖形符號c)內部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度2.4.2電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內部載流子的流動?在運用中，GTR普通采用共發(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才干。當思索到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為?單管GTR的值比處置信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)2.4.2電力晶體管■GTR的根本特性◆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)三個區(qū)域。?在電力電子電路中，GTR任務在開關形狀，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。?在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，普通要經過放大區(qū)。?電流驅動型截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性2.4.2電力晶體管◆動態(tài)特性?開經過程√需求經過延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton?！淘龃蠡鶚O驅動電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間，同時也可以縮短上升時間，從而加快開經過程。

ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關斷過程電流波形主要是由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的。

是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關斷時間的主要部分。

2.4.2電力晶體管■GTR的二次擊穿景象與平安任務區(qū)◆當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿?！舭l(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會忽然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種景象稱為二次擊穿。◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR普通不會損壞，二次擊穿經常立刻導致器件的永久損壞，或者任務特性明顯衰變，因此對GTR危害極大。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的平安任務區(qū)二次擊穿功率

◆平安任務區(qū)〔SafeOperatingArea——SOA〕?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點銜接起來，就構成了二次擊穿臨界限。?GTR任務時不僅不能超越最高電壓UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超越二次擊穿臨界限。2.4.3電力場效應晶體管■分為結型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型〔MetalOxideSemiconductorFET〕,簡稱電力MOSFET〔PowerMOSFET〕。■結型電力場效應晶體管普通稱作靜電感應晶體管〔StaticInductionTransistor——SIT〕?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點有：◆驅動電路簡單，需求的驅動功率小。◆開關速度快，任務頻率高?！魺岱€(wěn)定性優(yōu)于GTR?！綦娏魅萘啃。蛪旱?，多用于功率不超越10kW的電力電子安裝。2.4.3電力場效應晶體管■電力MOSFET的構造和任務原理◆電力MOSFET的種類?按導電溝道可分為P溝道和N溝道。?當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型。?對于N〔P〕溝道器件，柵極電壓大于〔小于〕零時才存在導電溝道的稱為加強型。?在電力MOSFET中，主要是N溝道加強型。2.4.3電力場效應晶體管◆電力MOSFET的構造?是單極型晶體管。?導電機理與小功率MOS管一樣，但構造上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫導游電器件，而目前電力MOSFET大都采用了垂直導電構造，所以又稱為VMOSFET〔VerticalMOSFET〕，這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流才干。?按垂直導電構造的差別，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導電的VVMOSFET〔VerticalV-grooveMOSFET〕和具有垂直導電雙分散MOS構造的VDMOSFET〔VerticalDouble-diffusedMOSFET〕。?電力MOSFET也是多元集成構造。圖2-20電力MOSFET的構造和電氣圖形符號內部構造斷面表示圖b)電氣圖形符號2.4.3電力場效應晶體管◆電力MOSFET的任務原理?截止：當漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間構成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。?導通√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)外表?！坍擴GS大于某一電壓值UT時，使P型半導體反型成N型半導體，該反型層構成N溝道而使PN結J1消逝，漏極和源極導電。√UT稱為開啟電壓〔或閾值電壓〕，UGS超越UT越多，導電才干越強，漏極電流ID越大?！鲭娏OSFET的根本特性◆靜態(tài)特性?轉移特性(輸入特性)√指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系，反映了輸入電壓和輸出電流的關系?！蘄D較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導Gfs，即

2.4.3電力場效應晶體管圖2-21電力MOSFET的轉移特性和輸出特性a)轉移特性(2-11)√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。2.4.3電力場效應晶體管?輸出特性√是MOSFET的漏極伏安特性。√截止區(qū)〔對應于GTR的截止區(qū)〕、飽和區(qū)〔對應于GTR的放大區(qū)〕、非飽和區(qū)〔對應于GTR的飽和區(qū)〕三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓添加時漏極電流不再添加，非飽和是指漏源電壓添加時漏極電流相應添加。√任務在開關形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。?本身構造所致，漏極和源極之間構成了一個與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)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

圖2-21電力MOSFET的轉移特性和輸出特性b)輸出特性◆動態(tài)特性?開經過程√開通延遲時間td(on)電流上升時間tri電壓下降時間tfv開通時間ton=td(on)+tr+tfv?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?MOSFET的開關速度和其輸入電容的充放電有很大關系，可以降低柵極驅動電路的內阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關速度。2.4.3電力場效應晶體管信號iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形