第2章 电力电子器件

1、 2 电力电子器件电力电子器件孙鹏菊孙鹏菊2015年年3月月电力电子技术电力电子技术 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结本章小结 主要内容主要内容引言引言模拟和数字电子电路的基础模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础电力电子电

2、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： 对电力电子器件的对电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类等问题作了简要概等问题作了简要概述述 。 分别介绍各种常用电力电子器件的分别介绍各种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、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。以及选择和使用中应注意的一些问题。 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 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 2.1.4 本章内容和

3、学习要点本章内容和学习要点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电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device）是是指可直接用于处理电能的指可直接用于处理电能的主电路主电路中，实现电能的中，实现电能的变换或控制的变换或控制的电子器件电子器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接主电路：在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。承担电能的变换或控制任务的电路。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。半导体器件两类

4、，目前往往专指电力半导体器件。 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电力电子器件的特征电力电子器件的特征 所能处理所能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压和电流的的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关开关状态状态。 自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装作时一般都需要安装散热器散热器。 由信息电子电路来

5、控制由信息电子电路来控制 ,而且需要而且需要驱动电路驱动电路。 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通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要原因。是电力电子器件功率损耗的主要原因。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增大会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。而可能成为器件功率损耗的主要因素。 通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗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电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实

6、际应用中，一般是由控制电路控制电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。 电气隔离电气隔离图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成控控制制电电路路检测检测电路电路保护保护电路电路RLV1V2主电路主电路驱动驱动电路电路2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所按照能够被控制电路信号所控制的程度控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生件。及其大部分派生件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电

7、流器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。决定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode） 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。2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照按照驱动信号的性质驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断的控制。来实现导通或者关断的控制。

8、 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仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现导通信号就可实现导通或者关断的控制。或者关断的控制。按照按照驱动信号的波形驱动信号的波形（电力二极管除外（电力二极管除外 ） 脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器件的开通信号来实现器件的开通或者关断的控制。或者关断的控制。 电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并信号来使器件开通并维持维持在导通状态或

9、者关断并维持在阻断状态。在导通状态或者关断并维持在阻断状态。 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。 双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。 复合型器件复合型器件 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， 也称混合型器件。也称混合型器件。 2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点本章内容本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其按照不可控器件、半控型器件、典型全控型

10、器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作工作原理原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的以及选择和使用中应注意的一些问题。一些问题。学习要点学习要点 最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。 掌握电力电子器件的掌握电力电子器件的型号命名法型号命名法，以及其，以及其参数参数和和特性特性曲线曲线的使用方法。的使用方法。 了解电力电子器件的了解电力电子器件的半导体物理结构半导体物理结构和和基本工作原理基本工作原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。2.2

11、不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 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 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 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电力二极管的主要类型2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言电力二极管（电力二极管（Power Diode）自自20世纪世纪50年代初期就获得年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全

12、控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖特基肖特基二极管二极管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块整流二极管及模块AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 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电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的, ,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺

13、栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 基本结构基本结构 c) 电气图形符号电气图形符号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二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性 当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自形成自P区流入而从区流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF，这就是这就是PN结的正向导通状态。结的正向导通状态。 当当PN结外加反向电压时（反向偏

14、置）时，反向偏置的结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。止状态。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截结反向偏置为截止的工作状态，这就叫止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性静态特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门槛电压门槛电压UTO ），正

15、向电流才开始明显增加，），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与处于稳定导通状态。与IF对应的电对应的电力二极管两端的电压即为其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，只有承受反向电压时，只有少子少子引起引起的微小而数值恒定的的微小而数值恒定的反向漏电流反向漏电流。IOIFUTOUFU图图2-5 电力二极管的伏安特性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a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波

16、形 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 a) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 动态特性动态特性 因为因为结电容结电容的存在，电压的存在，电压电流特性是随电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，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。进入截止状态。 在关

17、断之前有较大的反向电流出现，并在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。伴随有明显的反向电压过冲。 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 恢复特性的软度恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系，或称恢复系 数，数，用用Sr表示。表示。t0:正向正向电流降电流降为零的为零的时刻时刻t1:反向电反向电流达最大流达最大值的时刻值的时刻t2:电流变电流变化率接近化率接近于零的时于零的时刻刻2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV) 指电力二极管

18、长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）表示）和散热条件下，其允许流过的和散热条件下，其允许流过的最大最大工频正弦半波电流工频正弦半波电流的平均值。的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等有效值相等的原则的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。来选取电流定额，并应留有一定的裕量。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稳态正向电流时对应的时对应的正向压降。正向压降。反向重复峰值电压

19、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。 使用时，应当留有使用时，应当留有两倍两倍的裕量。的裕量。 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数最高工作结温最高工作结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。 最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受结不致损坏的前提下所能承受的的最高平均温度最高平均温度。 TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。反向恢复时间反向恢复时间trr浪涌电流浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的

20、连续一个或几个指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周工频周期的过电流期的过电流。2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。的电力二极管。 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode） 又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关，多用于开关频率不高（频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整流电路中。 其其反向恢复时间反向恢复时间较长，一般在较长

21、，一般在5 s以上以上 。 其其正向电流定额正向电流定额和和反向电压定额反向电压定额可以达到很高。可以达到很高。 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢复过程恢复过程很短，特别是很短，特别是反向恢复过程反向恢复过程很短（一般在很短（一般在5 s以下）以下） 。 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用，采用外延型外延型P-i-N结构结构 ，其反向恢复时间更，其反向恢复时间更短（可低于短（可低于50ns），正向压降也很低（），正向压降

22、也很低（0.9V左右）。左右）。 从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等级。前两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，以下，甚至达到甚至达到2030ns。2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 属于属于单极型单极型器件器件 优点在于：优点在于：反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（1040ns），正向恢），正向恢复过程中也不会有明显的复过程中也不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低的情；在反向耐压

23、较低的情况下其况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其其开关损耗开关损耗和和正向导通损耗正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率都比快速二极管还要小，效率高。高。 弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场以下的低压场合；合；反向漏电流反向漏电流较大且对较大且对温度温度敏感，因此敏感，因此反向稳态损耗反向稳态损耗不不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。2.3 半控型

24、器件半控型器件晶闸管晶闸管 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2.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言晶闸管（晶闸管（Thyristor）是）是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。，以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到）发

25、明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能承受的由于其能承受的电压和电流容量电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地的应用场合仍然具有比较重要的地位。位。晶闸管及模块晶闸管及模块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晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶从外形上来看，晶闸管也主要有闸管

26、也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结两种封装结构构 。 引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制端）门极（控制端）G三个联接端。三个联接端。 内部是内部是PNPN四层四层半导体结构。半导体结构。 图图2-7 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 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图图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 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正

27、向导通的条件正向导通的条件 晶闸管承受正向电压晶闸管承受正向电压 门极有触发信号门极有触发信号除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外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阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触发电时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时

28、，仅在门极门极有有触发电流触发电流的的情况下晶闸管才能开通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，不论门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一电流降到接近于零的某一数值以下数值以下。 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，如果在器件两端施时，如果在器件两端

29、施加正向电压，则晶闸管处于正向加正向电压，则晶闸管处于正向阻阻断状态断状态，只有很小的正向漏电流流，只有很小的正向漏电流流过。过。 如果正向电压超过临界极限即如果正向电压超过临界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧，则漏电流急剧增大，器件增大，器件开通开通 。 随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增大，的增大，正正向转折电压向转折电压降低，晶闸管本身的压降低，晶闸管本身的压降很小，在降很小，在1V左右。左右。 如果门极电流为零，并且阳极如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值电流降至接近于零的某一数值IH以以下，则晶闸管又回到下，则晶闸管又回到正向阻断正向阻断状态，状态

30、，IH称为称为维持电流维持电流。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的的反向特性。反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的时，只有极小的反向漏电流反向漏电流通通过。过。 当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限

31、制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压UDSM 国标规定国标规定UDRM为为UDSM的的90%。 UDSM应低于应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 反向不重复峰值电压反向不重复

32、峰值电压URSM 国标规定国标规定URRM为为URSM的的90%。 URSM应低于应低于反向击穿电压反向击穿电压。 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 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中较小的标值作为该器件的额定电压，额定电压，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电流定额电流定额通态平均电流通态平均电流 IT(A

33、V） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷却状冷却状态态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的下，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最大工频正弦半波电流的平均值的平均值。 按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.52倍。倍。 维持电流维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，一般为几十到电流，一般为几十到几百毫安。几百毫安。 结温结温越高，则越高，则IH越小。越小。 擎住电流擎住电

34、流 IL 擎住电流是晶闸管刚从擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态断态转入通态并移除触发信号后，能维持导并移除触发信号后，能维持导通所需的通所需的最小最小电流。电流。 约为约为IH的的24倍倍 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。 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

35、tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。 图图2-10 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阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于由于外电路电感外

36、电路电感的存在，原处的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。 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tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。 在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果重内如果重新对晶闸管施加新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。图图2-10 晶闸管的开通

37、和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%反向恢复反向恢复电流最大电流最大值值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从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断态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通管误导通 。 通态电流

38、临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大最大通态电流上升率通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。损坏。2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST） 有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。 快速晶闸管的快速晶闸管的开关时间开关时间以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明显改善。明显改善。 从从关断时间关断时间来看，普通晶闸管一般为来

39、看，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速微秒，快速晶闸管为晶闸管为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。 高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。定额都不易做高。 由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其通态平均电流时不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。的发热效应。 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional trio

40、de thyristor） 可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联 接接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特对称的伏安特性性。 双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。图图2-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器

41、件a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将是将晶闸管反并联一个晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向电压反向电压的能力，一的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。 图图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏

42、安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的是利用一定波长的光光照信号照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图2-13 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符

43、号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 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2.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应

44、晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块2.4.1 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，但晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于电流使其关断，因而属于全控全控型器件型器件。 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半导体结四层半导体结 构构。 是一种是一种多元的功率集成多元的功率集成 器件器件，虽然外部同样引出个，虽然外部同样引出个 极，但内部则包含数十个甚极，但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的至数百个共阳极

45、的小小GTO 元元，这些，这些GTO元的元的阴极阴极和和门门 极极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。在一起。 图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 电气图形符号电气图形符号 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时只不过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流出电流，

46、当两个晶体管发射极电流IA和和IK的的减小使减小使 1+ 21时，器件退出时，器件退出饱和饱和而关断。而关断。 GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管开通过程与普通晶闸管类似。类似。 关断过程关断过程 储存时间储存时间ts 下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长。要长。 门极负脉冲电流门极负脉冲电流幅值幅值越大，越大，前沿前沿越陡，越陡，

47、ts就越就越短。使门极负脉冲的短。使门极负脉冲的后沿后沿缓慢衰减，在缓慢衰减，在tt阶段仍能阶段仍能保持适当的保持适当的负电压负电压，则可，则可以缩短以缩短尾部时间尾部时间。图图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时抽取饱和导通时储存的大量载流储存的大量载流子的时间子的时间等效晶体管从饱等效晶体管从饱和区退至放大区，和区退至放大区，阳极电流逐渐减阳极电流逐渐减小时间小时间 残存残存载流载流子复子复合所合所需时需时间间 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GT

48、O的主要参数的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 用来标称用来标称GTO额定电流额定电流。 电流关断增益电流关断增益 off 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值与门极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。 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。 开通时间开通时间ton 延迟延迟时间与时间与上升上升时间之和。时间之和。 延迟时间一般约延迟时间一般约12 s，上升时间则随，上升时间则随通态阳极电流值通

49、态阳极电流值的增大而的增大而 增大。增大。 关断时间关断时间toff 一般指一般指储存储存时间和时间和下降下降时间之和，而不包括时间之和，而不包括尾部尾部时间。时间。 储存时间随储存时间随阳极电流阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于的增大而增大，下降时间一般小于2 s。不少不少GTO都制造成都制造成逆导型逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和压时，应和电力二极管电力二极管串联使用。串联使用。 2.4.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高压、大电流的译

50、为巨型晶体管，是一种耐高压、大电流的双极结型双极结型晶体管（晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 最主要的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关特性好。开关特性好。 电流控制电流控制的的双极型双极型器件。器件。2.4.2 电力晶体管电力晶体管GTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典 型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放 大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。 在电力

51、电子电路中，在电力电子电路中， GTR工作在工作在开关状态开关状态，即工，即工 作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。 在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时， 一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层将导致绝缘层击穿。击穿。 极间电容极间电容 CGS、CGD和和CDS。 漏源间的漏源间的耐压耐压、漏极最大允许、漏极最大允许电流电流和最大和最大耗散功率耗散功率决决定了电力定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR是双极型电

52、流驱动器件，其通流能力很强，是双极型电流驱动器件，其通流能力很强，但开关速度较低，驱动电路复杂。但开关速度较低，驱动电路复杂。电力电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，所需驱动功率小而且驱动电度快，输入阻抗高，所需驱动功率小而且驱动电路简单。路简单。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或或IGT）综合了）综合了GTR和和MOSFET的优点，是一种的优点，是一种复合型电压控器件复合型电压控器件，因而具有良好的特性。因而具有良好的特性。 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极

53、晶体管IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理 IGBT的结构的结构 是三端器件，具有是三端器件，具有栅极栅极G、 集电极集电极C和和发射极发射极E。 由由N沟道沟道VDMOSFET与与双双 极型晶体管极型晶体管组合而成的组合而成的IGBT， 比比VDMOSFET多一层多一层P+注入注入 区，实现对漂移区电导率进行调区，实现对漂移区电导率进行调 制，使得制，使得IGBT具有很强的具有很强的通流通流 能力。能力。 简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBT 是用是用GTR与与MOSFET组成的组成的达达 林顿林顿结构，相当于一个由结构，相当于一个由 MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶

54、晶 体管。体管。 图图2-23 IGBT的结构、的结构、简化等效电路和电气简化等效电路和电气图形符号图形符号a) 内部结构内部结构断面示意图断面示意图 b) 简化等简化等效电路效电路 c) 电气图形符电气图形符号号RN为晶体为晶体管基区内的管基区内的调制电阻。调制电阻。 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 转移特性转移特性 描述的是集电极电流描述的是集电极电流 IC与栅射电压与栅射电压UGE之间的之间的 关系。关系。 开启电压开启电压UGE(th)是是 IGBT能实现电导调制而能实现电导调制而 导通的最低栅射电压，随导通的最低栅射电压，随

55、 温度温度升高而略有下降。升高而略有下降。 （a）图图2-24 IGBT的转的转移特性和输出特性移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电为参考变量时，集电极电流流IC与集射极间电压与集射极间电压UCE之间的关系。之间的关系。 分为三个区域：分为三个区域：正向正向阻断区阻断区、有源区有源区和和饱和区饱和区。 当当UCE0时，时，IGBT为为反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。 在电力电子电路中，在电力电子电路中，IGBT工作在工作在开关状态开关状态，因

56、而是在因而是在正向阻断区正向阻断区和和饱饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。 (b)图图2-24 IGBT的转的转移特性和输出特性移特性和输出特性 b) 输出特性输出特性 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件电子器件2.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT（MOS Controlled Thyri

57、stor）是将）是将MOSFET与与晶闸管晶闸管组合而成的复合型器件。组合而成的复合型器件。 结合了结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点。压降的特点。由数以万计的由数以万计的MCT元元组成，每个元的组成为：组成，每个元的组成为：一个一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。 2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT是一种是一种结型场效应晶体管结型场效应晶体管。是一种是一种多子导电多子导电的器件，其的器件，其工作频率工作频率与电力与电力MOSFET相相当，甚至超过电力当，甚至超过电力MOSFET，而，而功率容量功率容量也比电力也比电力MOSFET大，因而适用于大，因而适用于高频大功率高频大功率场合。场合。栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，栅极不加