电力电子第1、2章

1、 电力电子技术电力电子技术主讲：雷丹主讲：雷丹E-mail:TelQ:21180346西安交通大学西安交通大学 王兆安王兆安 刘进军刘进军 主编主编l 什么是电力电子技术什么是电力电子技术l 电力电子技术的发展电力电子技术的发展l 电力电子技术的应用电力电子技术的应用l 电力电子学习内容简介电力电子学习内容简介第第1章章 绪绪 论论u电力电子与信息电子电力电子与信息电子u电力电子两大分支电力电子两大分支u电力电子地位和未来电力电子地位和未来模拟电子技术模拟电子技术数字电子技术数字电子技术电子技术电子技术信息电子技术信息电子技术电力电子技术电力电子技术信息电子技术信息电

2、子技术信息处理信息处理电力电子技术电力电子技术电力变换电力变换电力电子技术电力电子技术使用电力电使用电力电 子器件对电能进行变换和控制的子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术，即应用于电力领域的电子技术。技术。目前电力电子器件均用半导体目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的电力电子技术变换的“电力电力”，可大到数百可大到数百MW甚至甚至GW，也可，也可小到数小到数W甚至甚至mW级。级。电力电力交流和直流两种交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得

3、到的是直流得到的是直流电力变换四大类电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流 输出输出 输入输入直流直流交流交流交流交流整流整流交交交交变压、变频、变压、变频、变相变相直流直流斩波斩波逆变逆变电力电子技术是电能变换技术电力电子技术是电能变换技术,是把是把粗电变为精电粗电变为精电的技术能的技术能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。电子技术将青春永驻。 20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪

4、仍将以世纪仍将以迅猛的速度发展。迅猛的速度发展。电力电子技术及运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科电力电子技术及运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱学技术的两大支柱计算机计算机人脑人脑电力电子技术电力电子技术 消化系统和循环系统消化系统和循环系统电力电子运动控制电力电子运动控制肌肉和四肢肌肉和四肢电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的晶闸管问晶闸管问世，世，(公元公元元年元年)IGBT出现出现 功率集成器件功率集成器件晶闸管时代晶闸管时代水银（汞水银（汞弧）整流弧）整流器时代器时代电子管电子管问世问世全控型器

5、件全控型器件迅速发展迅速发展史前期史前期（黎明期）（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年年)晶体管诞生晶体管诞生151718（电源转换器、电源转换器、Power InverterPower Inverter）是一种能够将）是一种能够将DC12VDC12V直流电转直流电转换为和市电相同的换为和市电相同的AC220VAC220V交流电交流电，供一般电器使用，是一种方，供一般电器使用，是一种方便的车用电源转换器。车载电源逆变器在国外市场受到普遍欢便的车用电源转换器。车载电源逆变器在国外市场受到普遍欢迎。在国外因汽车的普及率较高，外出工作或外出旅游即可用迎。在

6、国外因汽车的普及率较高，外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。中国进入逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。中国进入WTOWTO后，后，国内市场私人交通工具越来越多，因此，车载逆变器电源作为国内市场私人交通工具越来越多，因此，车载逆变器电源作为在移动中使用的直流变交流的转换器，会给你的生活带来很多在移动中使用的直流变交流的转换器，会给你的生活带来很多的方便，是一种常备的车用汽车电子装具用品。的方便，是一种常备的车用汽车电子装具用品。把家用电器连把家用电器连接到车载逆变器的输出端就能在汽车内使用各种电器像在家里接到车载逆变器的输出端就能在汽车内使用各种电器像在家里使用

7、一样方便使用一样方便。可使用的电器有：手机、笔记本电脑、数码摄。可使用的电器有：手机、笔记本电脑、数码摄像机、照像机、照明灯、电动剃须刀、像机、照像机、照明灯、电动剃须刀、CDCD机、游戏机、掌上电机、游戏机、掌上电脑、脑、 打印机、电动工具、车载冰箱等。打印机、电动工具、车载冰箱等。Example: :车载逆变器车载逆变器车载逆变器相关图片：车载逆变器相关图片：Example:变频器变频器 以空调为例，我国的电源电压为以空调为例，我国的电源电压为220伏、伏、50赫兹，在这种条件赫兹，在这种条件下工作的空调是定频空调。由于供电频率不能改变，定频空调的下工作的空调是定频空调。由于供电频率不能改

8、变，定频空调的压缩机转速基本不变，所以它不能大幅度的调节制冷量，而是通压缩机转速基本不变，所以它不能大幅度的调节制冷量，而是通过频繁开启关闭压缩机的方式来调节房间温度高低。而与之相比，过频繁开启关闭压缩机的方式来调节房间温度高低。而与之相比，变频空调通过改变电机转速变频空调通过改变电机转速“按需供能按需供能”，这样它的压缩机就不，这样它的压缩机就不会频繁开启，会使压缩机保持稳定的工作状态，可以使空调整体会频繁开启，会使压缩机保持稳定的工作状态，可以使空调整体达到节能达到节能30%以上的效果，同时可以减少噪音以上的效果，同时可以减少噪音(就是所谓的静音就是所谓的静音化化)、延长空调使用寿命。、延

9、长空调使用寿命。 安置了变频器的电梯，可以安置了变频器的电梯，可以根据不同的运载重量、不同的运载根据不同的运载重量、不同的运载里程来改变电机转速，从而达到节能和乘梯人舒适性的效果里程来改变电机转速，从而达到节能和乘梯人舒适性的效果。据。据专家称，在电梯中采用变频器调速可以实现节能专家称，在电梯中采用变频器调速可以实现节能40%40%以上以上 如果对全国电动机如果对全国电动机总装机容量的总装机容量的10%进行调速改造进行调速改造，按年平，按年平均运行均运行4000小时、节电率小时、节电率20%至至25%计算，年节电潜力为计算，年节电潜力为320亿至亿至400亿千瓦时。加上因改善工艺而采用变频技术

10、带来的节电潜力，亿千瓦时。加上因改善工艺而采用变频技术带来的节电潜力，总节电潜力约为总节电潜力约为500亿千瓦时，亿千瓦时，相当于每年为国家节省了相当于每年为国家节省了3个葛洲个葛洲坝水电站的发电量！坝水电站的发电量！ 开关电源Example:UPSUPS电路结构框图电路结构框图第第2章章 电力电子器件电力电子器件 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 v电力电子器件的电力电子器件的概念、特点和分类概念、特点和分类等问

11、题。等问题。v各种常用电力电各种常用电力电子器件的工作原理、子器件的工作原理、基本特性、主要参基本特性、主要参数以及选择和使用数以及选择和使用中应注意的一些问中应注意的一些问题。题。2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1 电力电子器件的概述电力电子器件的概述电力电子器件（电力电子器件（power electronic device）可直可直接用于处理电能的接用于处理电能的主电路主电路中，实现电能的变换或控中，实现电能的变换或控制的电子器件。制的电子器件。

12、主电路（主电路（main power circuit）电气设备或电力电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1、概念：、概念：2、同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一、同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：般特征： 能处理电功率的大小，即能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力承受电压和电流的能力，是最重要，是最重要的参数。的参数。 电力电子器件都工作在电力电子器件都工作在开关状态开关状态。 实用中，电力电子器件往往需要由实用中，电力电子器件往往需要由信

13、息电子电路来控制信息电子电路来控制。电电力力电电子子器器件件主主要要损损耗耗通态损耗：通态损耗： 导通时器件上有一定的通态压降导通时器件上有一定的通态压降断态损耗：断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过阻断时器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗：开关损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗产生的损耗关断损耗：在器件关断的转换过程中关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗产生的损耗电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。电子器件为核心的主电路组成。2.1.2 应用电力电子器件的

14、系统组成应用电力电子器件的系统组成控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：以下三类：2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力电力场效应晶体管（电力MOSFET）电力晶体管（电力晶体管（GTR，BJT）门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）1）不可控器件）不可控器件电力二极管（电力二极管（Power Diode）只有两个

15、端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。关断器件。晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定3）全控型器件）全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱因此也就不需

16、要驱动电路。动电路。2）半控型器件）半控型器件 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：性质，分为两类：2) 电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制导通或者关断的控制 1) 电流驱动型电流驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制电压信号就可实现导通或者关断的控制 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：况分为三类： 2) 双极型器件双

17、极型器件3) 复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件 1) 1) 单极型器件单极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件的器件 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型及典型应用电力二极管的主要类型及典型应用2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1. 正向平均电流正向平均电流IF(A V) 额定电流额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和表示）和散热

18、条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2. 正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。流时对应的正向压降。3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压4. 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。的过

19、电流。 1. 普通二极管（普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不以上，这在开关频率不高时并不重要。高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。千安和数千伏以上。2.2.4 电力二极管的主要类型及典型应用电力二极管的主要类型及典型应用v分类：分类：2. 快恢复二极管（快

20、恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 5 s s以下）的二极管，以下）的二极管，也简称快速二极管也简称快速二极管. .3. 肖特基二极管肖特基二极管 反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（1040ns） 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲 在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管复二极管 其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高

21、v二极管的典型应用二极管的典型应用 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 晶闸管（晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管）发明了晶闸管; 1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产）开发出第一只晶闸管产品品; 1958年商业

22、化年商业化; 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代; 20世纪世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代; 能能承受的电压和电流容量最高！承受的电压和电流容量最高！，工作可靠，工作可靠，在大容在大容量的场合具有重要地位，无可替代量的场合具有重要地位，无可替代.2.3.1 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号l 结构结构RNPNPNPAGSKE

23、GIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)分析分析!结论：触而导通，通结论：触而导通，通而不断，断则反压。而不断，断则反压。（1 1）以放大倍数）以放大倍数=Ic/Ib=Ic/Ib为基础为基础（2 2）以分配系数）以分配系数为基础为基础由图得：由图得： Ic1= 1IA Ic2= 2IK Ik=IA+IG IA=IC1+IC2 分配系数分配系数=Ic/Ie（忽略漏电（忽略漏电流）流）发射极电流很小时发射极电流很小时也很小，也很小，一旦发射极电流建立起来，一旦发射极电流建立起来， 会急剧会急剧增大。增大。2IG1-(1+ 2)IA=随着发射极电流的逐渐增加，随着

24、发射极电流的逐渐增加， 1和和2快速快速增大，其和接近与增大，其和接近与1时，时，IA （理论上），（理论上），即：器件饱和导通。即：器件饱和导通。思考：器件导通后移除控制思考：器件导通后移除控制端，器件会关断吗？端，器件会关断吗？其他几种可能导通的情况：其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温较高结温较高 光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段可靠的控制手段正向导通雪崩击

25、穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1.静态特性（伏安特性）静态特性（伏安特性）2. 动态特性动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形延迟时间延迟时间上升时间上升时间反向阻断反向阻断恢复时间恢复时间正向阻断正向阻断恢复时间恢复时间关断时间：关断时间：tq=trr+tgr开通时间：开通时间：tgt=td+tr1. 电压定额电压定额通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件的额定电中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电

26、压要留有一定裕量压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压时晶闸管所承受峰值电压23倍。倍。1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM正向折转电压的正向折转电压的80%2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 反向折转电压的反向折转电压的80%3) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM额定电流管压降峰值额定电流管压降峰值 使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则温有关。结温越高，则IH越小。越小。 4) 浪涌电流浪涌电流

27、ITSM 3) 擎住电流擎住电流 IL(=2-4IH) 2) 维持电流维持电流 IH 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) （额定电流）（额定电流）2. 电流定额电流定额电流的有效值是从电流的热效应来考虑的，电流的有效值是从电流的热效应来考虑的， 是电流的平方在时间积累是电流的平方在时间积累效应上的平均效果，即：全周期均方根电流。效应上的平均效果，即：全周期均方根电流。注意：器件选择时应该按照实际电流（有效值）与晶闸管所允许的最大正弦半波注意：器件选择时应该按照实际电流（有效值）与晶闸管所允许的最大正弦半波电流所造成的发热效应（有效值）相等的原则来选取（额定电流）。电流所造成的发热效应

28、（有效值）相等的原则来选取（额定电流）。指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。断态到通态转换的外加电压最大上升率。指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。通态电流上升率。 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏管损坏 。 (2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di

29、/dt (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有： 3. 动态参数动态参数包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和和di/dt耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管频晶闸管10 s左右。左右。1. 快速晶闸管快速晶闸管（FST)2

30、.双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC）a)b)IOUIG= 0GT1T2l与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用）和交流电机调速等领域应用较多。较多。l通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。额定电流值。3. 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）b)a)UOIKGAIG=0将晶闸管反并联一个二

31、极管制作在同一管芯上的功率集成器件。将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。管的电流。4. 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）光强度强弱b)AGKa)OUAKIA光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目

32、前在高压大功率的场合，如高压直流输电和扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位，高压核聚变装置中，占据重要的地位，利用利用8KV/3.5KA光控晶光控晶闸管构成的闸管构成的300MV.A容量的电力电子装置是目前最大容量的电力电子装置是目前最大的电力电的电力电子装置。子装置。思考：思考：1 下图为一晶闸管调试电路，以检测晶闸管工作后输出下图为一晶闸管调试电路，以检测晶闸管工作后输出电压是否正确，调试中发现电压是否正确，调试中发现Rd断开电压表读数不正常，断开电压表读数不正常，而而Rd接通读数正常，请分析原因。接通读数正常，请分析原因。u2QUdvRd

33、2 型号为型号为KP100-3、IH=4mA，晶闸管在下图中应用是否合，晶闸管在下图中应用是否合理？为什么？理？为什么？3 下图中，要使晶闸管下图中，要使晶闸管VT导通，门极触发信号最小要维导通，门极触发信号最小要维持多长时间？持多长时间？已知：已知：E=50V，R=0.5, L=0.5H, IH=10mA, IL=15mA。 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）。）。 晶闸管的一种派生器件晶闸管的一种派生器件 可以通

34、过在门极施加负的脉冲电流使其关断可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，耐压的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，耐压耐流可达耐流可达6KV和和6KA，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用有较多的应用1. GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK结构：结构：工作原理：工作原理：RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) Ic1= 1 IA Ic2= 2 IK IK=IA+IG IA=Ic1+I

35、c2 )(121G2AII 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的是器件临界导通的条件。当条件。当 1 1+ + 2 211时，两个时，两个等效晶体管过饱和而使器件等效晶体管过饱和而使器件导通；当导通；当 1 1+ + 2 211时，不能时，不能维持饱和导通而关断。维持饱和导通而关断。GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：下区别：(1) 设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制灵控制灵敏，易于敏，易于GTO关断。关断。(3) 多元集成结构使多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间元阴极面积很小，门、阴极间 距大为距

36、大为缩短，使得缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc 2Ic 1IAV1V2b ) (2) 导通时导通时 1+ 2更接近更接近1（ 1.05，普通晶，普通晶闸管闸管 1+ 2 1.15）导通时饱和不深，接近临）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。压降增大。 )(121G2AII由此我们可以看出：由此我们可以看出：GTO关断很容易，因为具备了关断很容易，因为具备了一切的有利条件一切的有利条件，关断的过程为：，关断的过程为：

37、GTO关断过程：强烈正反馈关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极加负脉冲即从门极抽出电流，则门极抽出电流，则Ib2减小，使减小，使IK和和Ic2减小，减小，Ic2的减的减小又使小又使IA和和Ic1减小，又进一步减小减小，又进一步减小V2的基极电流。的基极电流。当当IA和和IK的减小使的减小使 1+ 21时，器件退出饱和而关断。时，器件退出饱和而关断。2. GTO的主要参数的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12 s。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。间。GTO的储存时间随阳极电流的增大

38、而增大，下降的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于时间一般小于2 s。 关断时间关断时间toff 开通时间开通时间ton 3) 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 电流关断增益电流关断增益 offGTO额定电流。额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值流最大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GMATOoffII=术语用法：术语用法：

39、 电力晶体管（电力晶体管（GTR，巨型晶体管），巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） 在电力电子技术的范围内，在电力电子技术的范围内，GTR与与BJT这两个名称等效这两个名称等效。 应用应用 20世纪世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，耐压耐压和耐流可达和耐流可达1.5KV,1KA, 可在可在10KHZ以内开关频率下工作。现以内开关频率下工作。现商品化的商品化的GTR耐压、耐流不超过耐压、耐流不超过1200V，800A。2.4.2 电力

40、晶体管电力晶体管全控型、电流型、双极型器件全控型、电流型、双极型器件1. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理开通条件：开通条件：Uce正偏，提供基极电流。正偏，提供基极电流。 关断：关断：I b小于等于零。小于等于零。共发射极接法时的典型共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放输出特性：截止区、放大区和饱和区。大区和饱和区。截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib20关断条件：关断条件：UGS0N沟道沟道MOSFET结构结构SDGDGSN沟道沟道P沟道沟道2. 电力电力MOSFET的基本特性的基本特性 01020305040图1-202468a)10203050400

41、b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A a) a) 转移特性转移特性 b) b) 输出特性输出特性 （跨导）（跨导）Gfs=dID/dU GS3. 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 电力电力MOSFET电压定额电压定额 1) 漏极电压漏极电压UDS 2) 漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力电力MOSFET电流定额电流定额 3) 栅源电压栅源电压UGS栅源之间的绝缘层很薄，栅源之间的绝缘层很薄， UGS 20V将导将导致绝缘层击穿致绝缘层击穿 。 4) 极间电容极间电容 极间电容极间电容CGS、CGD和和CDS 这些电容都是非线性的这些电容都是非线性的l漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。l 一般电力一般电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。大优点。MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度最快，单极型，电压驱动，开关速度最快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。但耐