第1章 電力電子器件(定稿)

第1章電力電子器件

1.1電力二極管1.2晶閘管1.1電力二極管1.1.1功率二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理1、元件結(jié)構(gòu)

圖1-1圖1-2■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)，PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。導(dǎo)通時(shí)，管子壓降維持在1V左右。不隨電流而變。

◆當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過(guò)，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。反向阻斷時(shí)，有極小的漏電流，平時(shí)可忽略不計(jì)，但溫度升高時(shí)漏電流會(huì)增大，須引起注意。

◆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。1.1.2功率二極管的伏安特性IOIFUTOUFU電力二極管的伏安特性整流二極管、快速恢復(fù)二極管、肖特基二極管見教材P4。1.1.3功率二極管的主要參數(shù)1.2晶閘管晶閘管（又稱可控硅[SCR]）是一種能夠用控制信號(hào)控制其導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷的半控型器件。晶閘管也有許多派生器件，如快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）和光控晶閘管（LATT）等。1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)

1、晶閘管的結(jié)構(gòu)

圖1-4常見的外形有兩種：螺栓型和平板型。具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)圖1-41.2.2晶閘管的工作原理

1、晶閘管的導(dǎo)通、關(guān)斷實(shí)驗(yàn)由電源、晶閘管的陽(yáng)極和陰極、白熾燈組成晶閘管主電路；由電源、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路（觸發(fā)電路）。

（a）(b)(c)圖1-5

圖1-52、實(shí)驗(yàn)說(shuō)明3、實(shí)驗(yàn)結(jié)論通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)可知，晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件:

（1）晶閘管陽(yáng)極和陰極之間加正向電壓。（2）晶閘管門極和陰極之間加正向電壓。

晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。

4、晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷原理

當(dāng)晶閘管陽(yáng)極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時(shí)，形成了強(qiáng)烈的正反饋，正反饋過(guò)程如下：IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

圖1-6

晶閘管導(dǎo)通之后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋?zhàn)饔脕?lái)維持。門極失去控制作用。那怎樣才能關(guān)斷管子呢？關(guān)斷條件：必須將陽(yáng)極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，也就是減小到維持電流?？刹捎玫姆椒ㄓ?將陽(yáng)極電源斷開；改變晶閘管的陽(yáng)極電壓的方向，即在陽(yáng)極和陰極間加反向電壓。14

1、晶閘管的伏安特性

晶閘管的伏安特性是晶閘管陽(yáng)極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽(yáng)極電流IA之間的關(guān)系特性。IG

=0圖1-5晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向?qū)?gt;>UBO正向特性反向特性雪崩擊穿1.2.3晶閘管的特性

2、晶閘管的開關(guān)特性(簡(jiǎn)介)

晶閘管的開關(guān)特性如圖所示。圖1-8

晶閘管開關(guān)特性的說(shuō)明通常定義器件的開通時(shí)間ton為延遲時(shí)間td與上升時(shí)間tr之和。即ton=td+tr電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新施加正向電壓為止定義為器件的電路換向關(guān)斷時(shí)間toff。反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr與正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr之和。toff=trr+tgr

1.2.4晶閘管的主要參數(shù)(簡(jiǎn)介)1、額定電壓UTn(重點(diǎn))

（1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM在控制極斷路和正向阻斷條件下，可重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。規(guī)定此電壓為正向不重復(fù)峰值電壓UDSM的80%。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM在控制極斷路時(shí)，以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。此電壓取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80%。晶閘管的額定電壓則取UDRM和URRM的較小值且靠近標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)所對(duì)應(yīng)的電壓值。選擇管子的額定電壓UTn應(yīng)為晶閘管在電路中可能承受的最大峰值電壓的2~3倍。2、額定電流IT(AV)(重點(diǎn))是指：在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載時(shí)的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導(dǎo)通角不小于170度）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125度時(shí)所允許的通態(tài)平均電流。注意：晶閘管是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額，這是因?yàn)榫чl管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來(lái)計(jì)算。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取(1.5～2)倍的安全裕量。

3、維持電流IH

在室溫和門極斷路時(shí)，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽(yáng)極電流。

4、擎住電流IL

晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時(shí)移去觸發(fā)信號(hào)之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽(yáng)極電流。對(duì)于同一個(gè)晶閘管來(lái)說(shuō)，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(2～4)倍。5、門極觸發(fā)電流IGT在室溫且陽(yáng)極電壓為6V直流電壓時(shí)，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。6、門極觸發(fā)電壓UGT

對(duì)應(yīng)于門極觸發(fā)電流時(shí)的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應(yīng)適當(dāng)?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過(guò)其峰值IGFM

和UGFM。

7、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導(dǎo)致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過(guò)大的斷態(tài)電壓上升率會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

8、通態(tài)電流臨界上升率di/dt

在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開通時(shí)，如果電流上升過(guò)快，會(huì)使門極電流密度過(guò)大，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。1.2.5晶閘管的型號(hào)、選擇原則

1、普通晶閘管的型號(hào)額定電壓以電壓等級(jí)給出，通常標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)規(guī)定為：電壓在1000V以下，每100V為一級(jí)；1000V到3000V，每200V為一級(jí)。

組別ABCDE通態(tài)平均電壓（V）UT≤0.40.4＜UT≤0.50.5＜UT≤0.60.6＜UT≤0.70.7＜UT≤0.8組別FGHI通態(tài)平均電壓（V）0.8＜UT≤0.90.9＜UT≤1.01.0＜UT≤1.11.1＜UT≤1.2晶閘管通態(tài)平均電壓分組

2、普通晶閘管的選擇原則

（1）選擇額定電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于等于管子在電路中實(shí)際可能通過(guò)的最大電流有效值即可?？紤]元件的過(guò)載能力，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計(jì)算公式為：然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。1.2.6晶閘管的其它派生元件(簡(jiǎn)介)雙向晶閘管從結(jié)構(gòu)和特性來(lái)說(shuō)，都可以看成是一對(duì)反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個(gè)方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。圖1-12雙向晶閘管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有對(duì)稱的伏安特性。圖1-1431包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管（10kHz以上）；FST由于允許長(zhǎng)期通過(guò)的電流有限，所以其不宜在低頻下工作?？焖倬чl管（FastSwitchingThyristor——FST)32

逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種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。逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）圖1-9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33光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）光控晶閘管又稱光觸發(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。圖1-10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(shí)，開關(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。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1.3門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

1.3.1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)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為四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端線（A、K、G）的器件。和晶閘管不同的是：GTO內(nèi)部是由許多四層結(jié)構(gòu)的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門極和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元圖1-15圖1-1539/89導(dǎo)通與關(guān)斷?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。晶閘管的回路增益α1+α2常為1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。

?而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，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。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的方法不能使其關(guān)斷。?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

■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

◆電流關(guān)斷增益

off

?最大可關(guān)斷陽(yáng)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(gè)主要缺點(diǎn)。

■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(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。

41/891.3.2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

◆GTR和GTO一樣具有自關(guān)斷能力，屬于電流控制型自關(guān)斷器件。GTR可通過(guò)基極電流信號(hào)方便地對(duì)集電極-發(fā)射極的通斷進(jìn)行控制，并具有飽和壓降低、開關(guān)性能好、電流較大、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)?！鬐TR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多共射極電路的輸出特性曲線

圖1-19

2、GTR的動(dòng)態(tài)（開關(guān)）特性

晶體管有線性和開關(guān)兩種工作方式。當(dāng)只需要導(dǎo)通和關(guān)斷作用時(shí)采用開關(guān)工作方式。GTR主要應(yīng)用于開關(guān)工作方式。在開關(guān)工作方式下，用一定的正向基極電流IB1去驅(qū)動(dòng)GTR導(dǎo)通，而用另一反向基極電流IB2迫使GTR關(guān)斷，由于GTR不是理想開關(guān)，故在開關(guān)過(guò)程中總存在著一定的延時(shí)和存儲(chǔ)時(shí)間。簡(jiǎn)稱P-MOSFET（PowerMOSFET）。

是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的開關(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。電力MOSFET的種類?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)電溝道的稱為耗盡型柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。

1.3.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管45/89◆電力MOSFET的工作原理?截止

柵極和源極間電壓為零時(shí)，無(wú)漏極電流ID，截止?導(dǎo)通

在柵極和源極之間加一正電壓UGS，當(dāng)UGS大于某一電壓值UT開啟電壓（或閾值電壓）時(shí)，導(dǎo)通。UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。?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。

■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)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(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