电力电子第一章

1、12电子技术的基础电子技术的基础v 电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：概述电力电子器件的概述电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类等问题。等问题。介绍常用电力电子器件的介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要参数要参数以及选择和使用中应注意问题。以及选择和使用中应注意问题。第第2章章 电力电子器件电力电子器件引言引言32.12.1、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型41）概念）概念:电力电子器件电力电子器件（Power Electronic De

2、vice） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（主电路（Main Power Circuit） 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。2）分类）分类: 电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、电子管) 半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）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5能处理电功率的能力，一般远大于处理信息能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。制。电

3、力电子器件自身的功率损耗远大于信息电电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。子器件，一般都要安装散热器。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3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：6v 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图可以抽象成下图2.1.12.1.1所示的理想开关模型，它有所示的理想开关模型，它有三个电极三个电极，其中，其中A和和B代表开关的两个主电极，代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作在是控制开关通断的控制极。它只工作在

4、“通态通态”和和“断态断态”两种情况，在通态时其电阻为零，断两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。态时其电阻无穷大。 图图2.1.1 电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的理想开关模型4）基本模型：）基本模型：7通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗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5）电力电子器件的损耗）电力电子器件的损耗8电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路

5、主电路组成。图2.1.2 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行2.1.2 应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路9l半控型器件（半控型器件（Thyristor）l 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) )l 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。l不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。2.1.3 电

6、力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：10l电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者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。关断的控制。 如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；等； l电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信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。号就可实现导通或者关断的控制。 如：代表性器件为如：代表性器件为MOSFET管和管和IGBT管。管。2.

7、1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：11本章内容 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选型和使用中应注意的一些问题 讲述电力电子器件的驱动、保护、串并联等问题学习要点 最重要的是掌握其基本特性 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法122.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管13Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。2.2 不可控器件不可

8、控器件电力二极管电力二极管引言引言整流二极管及模块14基本结构和工基本结构和工作原理与信息作原理与信息电子电路中的电子电路中的二极管二极管一样。一样。由一个面积较由一个面积较大的大的PN结和两结和两端引线以及封端引线以及封装组成的。装组成的。从外形上看，从外形上看，主要有螺栓型主要有螺栓型和平板型两种和平板型两种封装。封装。图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK152.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理N型半导体和型半

9、导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结结: 内电场内电场:空间电荷建立的电场空间电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即向本区运动，即漂移运动漂移运动。空间电荷空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的一区的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不

10、能移动的正、带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为负电荷称为空间电荷空间电荷。空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或耗尽层、阻挡层或势垒区。势垒区。PN+ +16 状态参数正向

11、导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式)l雪崩击穿l齐纳击穿l均可能导致热击穿2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 PN结的状态17lPN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，称为结结电容电容CJ，又称为微分电容（外加电压变化时起作用）微分电容（外加电压变化时起作用）。l结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散扩散电容电容CD （仅在正向偏置时起作用） 。l正向偏置时：当正向电压较低时，势垒电容起主要作 用，

12、当正向电压较高时，扩散电容起主要作用l电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 PN结的电容效应：18主要指其伏安特性伏安特性l门槛电压门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。l与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电正向电压降压降UF 。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图2-4 电力二极管的伏安特性2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1) 静态特性静态特性IOIFUTOUFU192) 动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压- -电流特性随时电流特性随时 间变化的间变化

13、的 结电容的存在结电容的存在2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图2-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置延迟时间：延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与恢复特性的软度：下降时间与延迟时间延迟时间 的比值的比值tf /td，或称恢，或称恢复系数，用复系数，用Sr表示。表示。20v正向压降先出现一个过

14、冲正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。）。v正向恢复时间正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，电流上升率越大，UFP越高越高 。UFPuiiFuFtfrt02V图2-5(b)开通过程2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 开通过程开通过程 关断过程关断过程v须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。v关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图2-5(b)关断过程21额定正向平均电流

15、额定正向平均电流在指定的管壳温（简称壳温，用在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值平均值。 0)(sin21mmAVFIttdII2)sin(2102mmFItdtII 电电流流平平均均值值电电流流有有效效值值 fK57. 12)( AVFFfIIK可求出正弦半波电流的波形系数可求出正弦半波电流的波形系数: : 定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用波形系数，用K Kf f表示：表示：额定电流有效值为额定电流有效值

16、为: :2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1) 正向平均电流正向平均电流IF(AV)设该正弦半波电流的峰值为设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流则额定电流(平均电流平均电流)为为:22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。3） 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间）反向恢复时间trr trr= td+ tf2.2.3 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UF23结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏

17、的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6) 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的过电流。 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高工作结温）最高工作结温TJM241) 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高DATASHEET按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极

18、管的主要类型25简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。DATASHEET 1 2 32) 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）26肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优

19、点优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3. 肖特基二极管肖特基二极管(DATASHEET) ) 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。272.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管282.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。

20、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80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。 晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）29图2-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号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外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。AAGGKKb )c )a

21、 )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3302.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构31晶闸管是大功率器件晶闸管是大功率器件, 工作时产生大量的热，因此工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。必须安装散热器。螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上, 采用自然散热采用自然散热冷却方式冷却方式, 如图如图2.3.2(a)所示。所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间, 散热方式可以采用风冷或水冷散热方式可以采用风冷或水冷, 以获得较好的散热以获

22、得较好的散热效果效果,如图如图2.3.2 (b)、(c)所示。所示。图图2.3.2 2.3.2 晶闸管的散热器晶闸管的散热器322.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ：图2-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理 按晶体管的工作原理晶体管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）332.3.1

23、 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。342.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理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du/dt过高结温较高光触发光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管光控晶闸管（Lig

24、ht Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。 其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：352.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。DATASHEET晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：362.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（1）正向特性I

25、G=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 静态特性静态特性图2-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG372.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图2-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪

26、崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性382.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间td (0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开通时间开通时间tgt以上两者之和，以上两者之和， tgt=td+ tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关断时间关断时间t tq以上两者之以上两者之和和tq=trr+tgr （1-7)普通晶闸管的关

27、断时间普通晶闸管的关断时间约几百微秒约几百微秒2） 动态特性动态特性图2-9 晶闸管的开通和关断过程波形392.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23

28、倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额402.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通态平均电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。IT(AV)计算方法计算方法维持电流维持电流 IHIH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流ITSMITSM指由于电路异常情况引起的

29、并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。2 2）电流定额电流定额41 这说明额定电流这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为的晶闸管，其额定有效值为IT = Kf IT(AV) = 157A。IT(AV)计算方法：计算方法： 0)(sin21mmAVTIttdII2)sin(2102mmTItdtII 电电流流平平均均值值电电流流有有效效值值 fK57. 12)( AVTTfIIK（2.3.32.3.3）（2.3.42.3.4）（2.3.52.3.5）（2.3.42.3.4） 根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工根据额定电流的定义可知，额定通态

30、平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的允许最大平均电流。设该正弦半波电流的峰值为频正弦波电流时的允许最大平均电流。设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流则额定电流(平均电流平均电流)为：为：额定电流有效值为：额定电流有效值为： 现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用形系数，用Kf表示：表示：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：42门极触发电流门极触发电流IGTIGT和门极触发电压和门极触发电压UGTUGT 1 1）定义：定义：在室温下，晶闸管加在室温下，晶闸管加6V正向

31、阳极电压正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压。对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压称为门极触发电压UGT。 2 2）晶闸管由于）晶闸管由于门极特性门极特性的差异，其触发电流、触的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。了触发电流、电压的上、下限值。 3 3）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、电

32、压受常温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响温度的影响很大，温度升高，很大，温度升高，UGT 、IGT 值会显著降低，温度降值会显著降低，温度降低，低，UGT 、IGT 值又会增大。值又会增大。为了保证晶闸管的可靠为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比UGT 大几倍。大几倍。43通态平均电压通态平均电压UT(AV )UT(AV ) 1 1）定义：）定义：在规定环境温度、标准散热条件下，在规定环境温度、标准散热条件下， 元件通以元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平

33、均值，称通态平均电压通态平均电压(又称管压降又称管压降) 2 2）其数值按表）其数值按表2.3.3分组分组在实际使用中，从减小损耗和在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择元件发热来看，应选择T(AV) 小的晶闸管。小的晶闸管。组组 别别ABC通态平均电压（通态平均电压（V） T0.40.4T0.50.5T0.6组组 别别DEF通态平均电压（通态平均电压（V） 0.6T0.70.7T0.80.8T0.9组组 别别GHI通态平均电压（通态平均电压（V） 0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表表2.3.3 2.3.3 晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组442.3.3 晶闸管的

34、主要参数晶闸管的主要参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 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。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 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。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数452.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快

35、速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。DATASHEET1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)462.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2 2）双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）图2-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和

36、T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。DATASHEET472.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图2-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性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。482.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件光控晶闸管（光控晶闸管（Light Trig

37、gered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图2-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。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。因此目前在高压大功率的场合。492.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。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，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。DATASHEET 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristo

38、r GTO）50结构结构：与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图2-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理51工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-7 晶闸

39、管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益 1 1和 2 2 。522.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下如下区别区别： 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2

40、Ic1IAV1V2b )图2-7 晶闸管的工作原理532.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。 由上述分析我们可以得到以下结论结论：542.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管开通过程开通过程：与普通晶闸管相同关断过程关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短

41、。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图2-14 GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性的动态特性552.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管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12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2） 关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。5

42、6（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4） 电流关断增益电流关断增益 off off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。（1-8）GMATOoffII572.5 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。DATASHEET 1 2 应用应用2

43、0世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。 术语用法术语用法：58与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图2-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动59在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为 GTR的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的

44、控制能力 。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。bcii空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理60 (1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和饱和区饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图2-16 共发射极接法时GTR的输出

45、特性2）GTR的基本特性的基本特性61开通过程开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间开通时间ton。关断过程关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间关断时间toff 。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图2-17 GTR的开通和关断过程电流波形(2) 动态特性动态特性62 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff

46、(此外还有此外还有)： 1) 最高工作电压最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。集基极击穿电压U（BR）CBO；发射极开路时，集电极能承受的最高电压集射极击穿电压U（BR）CEO；基极开路时，集射极能承受的最高电压3）GTR的主要参数的主要参数63通常规定为下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM64一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。只要Ic不超过限度，GTR

47、一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。 安 全 工 作 区 （安 全 工 作 区 （ S a f e Operating AreaSOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图2-18 GTR的安全工作区 GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区652.6 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOSMOS型型（Metal

48、Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT） 特点特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。66电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道。 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

49、电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。DATASHEET1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理67电力电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图2-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号68小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的V V M O S F

50、 E T 和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 M O S 结 构 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。目前生产的VDMOS中绝大多数是N沟道增强型，这是由于P沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是N型器件的23倍。因此今后若无特别说明，均指N沟道增强型器件。电力电力MOSFET的结构的结构69截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该反型层形

51、成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图2-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理70 (1) 静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性转移特性。ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8

52、VID/A图2-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2）电力）电力MOSFET的基本特性的基本特性71截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图2-20电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305

53、040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A72开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) 上升时间上升时间tr开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)下降时间下降时间tf关断时间关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图2-21 电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信

54、号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(2) 动态特性动态特性73 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关速度的开关速度74v 沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为沟道体区表面发生强反型所需的最低栅极电压称为VDMOSVDMOS管的阈值

55、电压。管的阈值电压。v 一般情况下将漏极短接条件下，一般情况下将漏极短接条件下，I ID D=1mA=1mA时的栅极电压定义时的栅极电压定义为为U UT T。实际应用时，。实际应用时，U UGSGS=(1.5=(1.52.5)U2.5)UT T，以利于获得较小的，以利于获得较小的沟道压降。沟道压降。v U UT T还与结温还与结温T Tj j有关，有关，T Tj j升高，升高，U UT T将下降将下降( (大约大约T Tj j每增加每增加4545，U UT T下降下降10%10%，其温度系数为，其温度系数为-6.7mV-6.7mV)。 。电力场效应晶体管的特性与主要参数电力场效应晶体管的特性与

56、主要参数 (1)通态电阻通态电阻Ron v 在确定的栅压在确定的栅压U UGSGS下，下，VDMOSVDMOS由可调电阻区进入饱和区时漏由可调电阻区进入饱和区时漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻极至源极间的直流电阻称为通态电阻R Ronon。R Ronon是影响最大输出是影响最大输出功率的重要参数。功率的重要参数。v 在相同条件下，耐压等级越高的器件其在相同条件下，耐压等级越高的器件其R Ronon值越大，另外值越大，另外R Ronon随随I ID D的增加而增加，随的增加而增加，随U UGSGS的升高而减小。的升高而减小。(2) (2) 阈值电压阈值电压U UT T75v IDM表征器件的电

57、流容量。当表征器件的电流容量。当UGS=10V，UDS为某一数为某一数值时，漏源间允许通过的最大电流称为最大漏极电流。值时，漏源间允许通过的最大电流称为最大漏极电流。GSDmUIg l(3) 跨导跨导gml跨导跨导gm定义定义 表示表示UGS对对ID的控制能力的大小。实际中高跨导的管子具有更好的的控制能力的大小。实际中高跨导的管子具有更好的频率响应。频率响应。l(4) 漏源击穿电压漏源击穿电压BUDS BUDS决定了决定了VDMOS的最高工作电压，它是为了避免器件进的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数。入雪崩区而设立的极限参数。(5) 栅源击穿电压栅源击穿电压BUGS B

58、UGS是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介电击穿而设立的参数。一般电击穿而设立的参数。一般BUGS=20V。(6) 最大漏极电流最大漏极电流IDM76图图2.6.3 VDMOS极间极间 电容等效电路电容等效电路 INmmCgf 2 GDGSINCCC GDDSOCCC GDRCC l(7) 最高工作频率最高工作频率fml定义；定义；式中式中CIN为器件的输入电容为器件的输入电容, 一般一般说来，器件的极间电容如图说来，器件的极间电容如图2.6.3所示。图中所示。图中输入电容：输入电容：输出电容：输出电容：反馈电容：反馈电容：77图图2.6.4 V

59、DMOS开关开关 过程电压波形图过程电压波形图 rdonttt fsoffttt l(8)(8)开关时间开关时间t tonon与与t toffoff开通时间：开通时间： 延迟时间延迟时间t td d：对应输入电压信号上升对应输入电压信号上升沿幅度为沿幅度为10%Uim 10%Uim 到输出电压信号下降沿到输出电压信号下降沿幅度为幅度为10%Uom 10%Uom 的时间间隔。的时间间隔。 上升上升t tr r时间：时间：对应输出电压幅度由对应输出电压幅度由10%U10%Uo o变化到变化到90%U90%Uomom的时间，这段时间对应的时间，这段时间对应于于U Ui i向器件输入电容充电的过程。向

60、器件输入电容充电的过程。关断时间关断时间: :l 存储存储t ts s时间：时间：对应栅极电容存储电荷的对应栅极电容存储电荷的消失过程。消失过程。 下降时间下降时间t tf f在在VDMOSVDMOS管中，管中，t tonon和和t toffoff都都可以控制得比较小，因此器件的开关速度可以控制得比较小，因此器件的开关速度相当高。相当高。78 1 1）漏源通态电阻限制线）漏源通态电阻限制线I(I(由由于通态电阻于通态电阻R Ronon大，因此器件在低大，因此器件在低压段工作时要受自身功耗的限制压段工作时要受自身功耗的限制) )； 2 2）最大漏极电流限制线）最大漏极电流限制线； 3 3）最大功