第1章 电力电子前言和元件.

1、西南交通大学电力电子技术电力电子技术Power Electronics仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学电力电子技术电力电子技术使用电力电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电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术（基础是半导体物理基础是半导体物理）电力电子技术的基础电力电子器件应用技术（电力电子器件应用技术（变流技术变流技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术以及构成电力电子装置及系统的技术电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学nnnn交流到直流的变换交流到直流的变换整流整流直流到交流的变换直

2、流到交流的变换逆变逆变直流到直流的变换直流到直流的变换交流到交流的变换交流到交流的变换仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟电力电子技术的任务电力电子技术的任务电能的变换电能的变换 : :包括频率变换、幅值变换、相包括频率变换、幅值变换、相数变换、相位变换数变换、相位变换常用的变换有：常用的变换有：西南交通大学70年代中年代中引燃管引燃管闸流管闸流管二极管二极管晶闸管晶闸管80年代后年代后GTOGTR晶闸管晶闸管场效应管场效应管IGBTGTO晶闸管晶闸管场效应管场效应管101K100K场效应管场效应管10010KIGBTIPM1M1957GTOGCT晶闸管晶闸管仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟电

3、力半导体开关的发展电力半导体开关的发展件件静静器器、旋旋路路止止器器、转转电电电电机机电力电子学电力电子学(Power(Power Electronics)Electronics)名称名称6060年代出现年代出现全世界普遍接受的对全世界普遍接受的对电力电子学进行描电力电子学进行描述的倒三角形述的倒三角形电子学电子学电力学电力学电力电力电子学电子学连续、离散连续、离散控制控制理论理论电路电子技术基础电力电子技术电力、拖动、自动控制系统西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟与相关学科的关系与相关学科的关系n一般工业一般工业：交直流电机、电化学、冶金工业n 交通运输交通运输：电气化铁道、电动

4、汽车、航空、航海n 电力系电力系统统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿n 电子电子装置装置电电源源：为信息电子装置提供动力n 家家用电器用电器：“节能灯”、变频空调n 其他其他：UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟电力电子技术的应用电力电子技术的应用冶金工业西南交通大学电解铝仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1 1）一般工业）一般工业轧钢机数控机床西南交通大学2）交通运输交通运输仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学SVC高压直流装置HVDC仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟3）电力系）电力系统统柔性交流输电FACTS程控交换机微型计

5、算机西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟4）电子）电子装置装置用电用电源源电子装置西南交通大学5 5）家家用电器用电器仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学6 6）其他其他大型计算机的UPS航天技术新型能源仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟第第1 1章章电力电子器件电力电子器件概述概述电力电子技术是以电力半导体开关为基础的电力电子技术是以电力半导体开关为基础的理理想想的电力半导体开关的的电力半导体开关的特点特点：只有断态与通态两种状态，没有放大状态只有断态与通态两种状态，没有放大状态导通时，器件两端电压为零导通时，器件两端电压为零截止时，流过器件的电流为零截止时，流过器件的电

6、流为零从导通到截止或从截止到导通所需要的时间为零从导通到截止或从截止到导通所需要的时间为零实际器件与理想器件有一定的差距，但可近似实际器件与理想器件有一定的差距，但可近似西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学半控半控型型器件（器件（如如ThyristorThyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控全控型型器件（器件（如如IGBT,MOSFET)IGBT,MOSFET)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。不可不可控器件控器件( (如如PowerPower Diode)Diode)不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电

7、路。电力电子器件的电力电子器件的分类分类按照按照器件能器件能够被够被控制的控制的程度分为程度分为仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学电流电流驱动型驱动型通通过从过从控制控制端注入或者抽端注入或者抽出电流出电流来实来实现导通现导通或或者者关关断断的控制的控制。如晶闸管。如晶闸管、GTOGTO、GTRGTR等等电电压驱动型压驱动型仅仅通通过在过在控制控制端和公共端之间施加端和公共端之间施加一一定定的电的电压压信号就可实信号就可实现导通现导通或者或者关关断断的控制的控制。如。如IGBTIGBT等等按照驱动按照驱动电路电路信号信号的的性质可分为性质可分为按按器件器件内部参内部参与导电的与导电

8、的载载流子流子分分单极型单极型器件器件，如场效，如场效应应管管( (一一种种) )；双极型；双极型器件器件，如，如晶闸管晶闸管( (电子与电子与空穴空穴) )；复合型；复合型器件器件，如，如IGBTIGBT仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学1-11-1 功率二极管功率二极管1. 结构：由一个结构：由一个PN结构成。结构成。A-阳极，阳极，K-阴极阴极PNK第一章第一章电力电子器件电力电子器件AAK仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟uAK二极管的正向电压降很小，在理论分析时可二极管的正向电压降很小，在理论分析时可忽略不计。忽略不计。西南交通大学uAKiA理想特性理想特性iA实际特性实

9、际特性仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2. 特性特性A 伏安特性伏安特性：阳极电流与阳：阳极电流与阳-阴极电压间的关系阴极电压间的关系iFuFtfrt0uiU FPV在二极管获取超量存储电荷前，其体电阻率很大在二极管获取超量存储电荷前，其体电阻率很大电流上升率越大，电流上升率越大，U UFPFP越高越高西南交通大学U UFPFP，经经过过一一段段时时间间后后才才趋趋于稳于稳态压降态压降值值。产生这产生这一现一现象象的的原因是原因是载载流子的分流子的分布布与与达达到一定到一定的的浓度浓度需要时间需要时间仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟B 二极管的开关特性二极管的开关特性导通特性导通特性正向压

10、降先出现一个过冲正向压降先出现一个过冲didiU RPiFU FtF t0trrtdtft2tURFdtt1RdtIRP须须经经过过一一段段短短暂暂的时的时间间才才能能重重新新获获得得反反向向阻阻断断能能力力，进进入入截止截止状态。状态。关关断断之之前前有有较较大大的的反反向向电电流流出出现现，并并伴随伴随有有明明显显的的反反向向电电压过压过冲。冲。载载流子的流子的抽抽出需要时间出需要时间；当；当PNPN结反结反向向恢复恢复时时因引线因引线电电感而产生感而产生高的电压。高的电压。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟关断特性关断特性西南交通大学额额定电流定电流在在指指定的管定的管壳温度

11、和散热条壳温度和散热条件件下下允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波波电流电流的的平平均均值值。I IF(AV)F(AV)是是按按照照电电流流的的发发热热效效应应来来定定义义的的，使使用用时时应按应按有有效值相等效值相等的的原则来选原则来选取电流定取电流定额额，并应留并应留有一定的有一定的裕裕量。量。1) 正向平均正向平均电流电流IF(AV)3. 二极管的主要参数二极管的主要参数在在规规定定结结温温下下，流过流过指指定定的的稳稳态正向电流态正向电流时的时的正向管压降。正向管压降。2）正向压降正向压降UF仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学3） 反向重复峰反向重复峰值电值电

12、压压URRM对对电力二极管所电力二极管所能重复施加能重复施加的的反反向向最最高高峰值峰值电电压。压。使用使用时，时，应当留应当留有有裕裕量量4）反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf5）最高最高工工作结温作结温TJMTJM是是指指在在PNPN结结不不致致损损坏坏的的前前提提下下所所能能承承受受的的最最高高平均温度平均温度6)6) 浪涌浪涌电流电流I IFSMFSM指指二极管二极管所所能承受能承受最最大的大的连续连续一一个或个或几几个个工工频周期频周期的过电流的过电流仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学4. 二极管的主要类型二极管的主要类型整整流二极管流二极管：工工作作频

13、频率率低低于于1KHz1KHz，容容量大量大快速快速恢复恢复二极管二极管：反反向向恢复恢复过过程程短短，工工作作频频率高率高肖肖特特基基二极管二极管：反反向向恢复恢复时间时间短短，管压降小但电，管压降小但电压压低低其其它：传它：传感感器器 ( (光敏、磁敏光敏、磁敏二极管二极管) )；光源光源( (红外、激光红外、激光二极管二极管) )；稳稳压压( (齐纳齐纳二极管二极管、恒、恒流二极管流二极管) )仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学P 1P 2N1AN2GN2KKGKGA仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-21-2 普通晶闸管普通晶闸管1. 结构结构由三由三个个PNPN结结构成

14、构成，为，为四层三四层三端端结结构构。A-A-阳阳极，极，K-K-阴阴极，极， G-G-门门极。极。螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学2.2. 双双三三极管极管理论理论：晶闸：晶闸管管两个两个三三极管的极管的复复合合体体P 1N2N1P 2AN1P 2KGAKGT 1T2RaEaUg反反偏偏时阻时阻断，断，与与门门极极无无关关正正偏偏和和有有门门极极触触发发电流时导通电流时导通触触发发导通导通不不能能用用门门极电极电流流关关断断R+Ua-+Ug-G KA仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学承受反承受反向电压时，不论向

15、电压时，不论门门极极是是否否有有触触发发电流，电流，晶闸晶闸管管都都不不会会导通导通承受承受正向电压时，正向电压时，仅仅在在门门极有极有触触发发电流的电流的情况情况下下晶闸晶闸管管才能才能开开通通晶闸晶闸管一管一旦旦导通，导通，门门极极就失去控制作就失去控制作用用要要使使晶闸晶闸管管关关断，只断，只能使能使晶闸晶闸管的电流降到管的电流降到接接近近于于零的零的某某一一数数值值以以下下晶闸管晶闸管的的特点特点：仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学导通导通条条件件：晶闸：晶闸管管承受承受正向电压，正向电压，同同时时门门极有极有触触发发电流时，电流时，晶闸晶闸管导通。管导通。维持维持导通导通

16、条条件件：流过流过晶闸晶闸管的电流大管的电流大于于维持维持电电流。流。关关断断条条件件：晶闸：晶闸管管承受承受正向电压。正向电压。或流过或流过晶闸晶闸管的电流小管的电流小于于维持维持电流。电流。这这三三个个条条件件是是晶闸晶闸管电管电路路分析的分析的基础基础。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟uAK理想伏安特性理想伏安特性西南交通大学雪崩-UA-IAIHOIG2IG1 IG=0UDRM Ubo +UAUDSMURSMURRM击穿a.反向特性反向特性仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟3.晶闸管的特性晶闸管的特性伏安特性伏安特性b.正向伏安特性正向伏安特性IA正向导通iA西南交通大学反反向特性向特

17、性：反反向阻断时，只有极小的向阻断时，只有极小的反相反相漏漏电流流过。电流流过。当当反反向向电电压压达达到到反反向向击击穿穿电电压压后，可后，可能能导导致致晶晶闸闸管管发热损坏发热损坏。正向特性正向特性：正向阻断状态正向阻断状态：I IG G=0=0时，器件两端时，器件两端施加施加正向电压，正向电压，只有很小的正向只有很小的正向漏漏电流。电流。正向电压超过正向正向电压超过正向转折转折电压电压U Ubobo，则则漏漏电流电流急剧增急剧增大，器件大，器件开开通。通。随随着门着门极电流极电流幅幅值值的的增增大，正向大，正向转折转折电压降电压降低低。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟晶闸晶闸管的导通时

18、间管的导通时间= =延迟延迟时间时间+ +上升时间上升时间晶闸晶闸管管关关断时间断时间= =反反向向恢复恢复时间时间+ +正向正向恢复恢复时间时间西南交通大学ttO10%0u AKtdtrtrrtgrU RRMI RM仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性iA100%90%西南交通大学4.晶闸管的主要参数与意义晶闸管的主要参数与意义（1 1）断态断态重复峰值重复峰值电压电压（U UDRMDRM）：门）：门极极开路开路，重重复复率为率为每秒每秒5050次次，持持续续时间不大大时间不大大于于10ms10ms的断态的断态最最大大脉脉冲电压。其冲电压。其值值为正向为正向转折

19、转折电压的电压的80%80%。（2 2）反反向向重复峰值重复峰值电压电压（U URRMRRM）：）：其定其定义义同同U UDRMDRM，其其值值为为反反向向转折转折电压的电压的80%80%。（3 3）额额定电压定电压：选选U UDRMDRM和和U URRMRRM中中较较小的小的值值作作为为额额定定电压。电压。额额定电压定定电压定义复义复杂杂。理理解解为器件为器件安全安全工工作作( (不不误误导导通或通或击穿击穿时时能承受能承受的的最最大大工工作作电压。电压。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟 0 Imsinwtd(wt)1 p2pIT(AV) =发热是发热是器件电流器件电流参数参数的的限制限制

20、条条件。件。发热发热量只与有量只与有效值效值有有关关。在实际在实际工工作中作中，电流的，电流的波波形形是是不不同同的。但有的。但有效值效值若若相等相等，发热发热量量就就相相同同。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟（4 4）通态通态平均平均电流电流：指指在在环境环境温度温度为为+40+40C C和规和规定的定的冷却冷却条条件件下下，元元件在电阻性件在电阻性负负载载、导电导电角角不不小小于于170170度度的的单单相工频相工频正正弦半波整弦半波整流电流电路中路中，当稳当稳定定结温结温不超过不超过额额定定值值时所时所允许允许的的最最大大平均平均电流。电流。Im 0 (Im sinwt)

21、d(wt) = 2p 0 Im sinwtd(wt) = p2IT =12p而而=1 p Im2pIT (AV)消消去去变变量量I Im m得得：IT(AV) =1.57IT(AV)IT =p2这这表表明明，一个，一个额额定电流为定电流为I IT(AV)T(AV)的的晶闸晶闸管管允许允许通通过的有过的有效值效值电流为其电流为其额额定定值值的的1.571.57倍倍。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟当当散散热热条条件件确确定定后，后，要要让让器器件件发发热热不超不超过其过其允允许许值值，流过，流过它它的电流有的电流有效值效值就就不不能能超过超过额额定定值值。定定义额义额定电流的定电流

22、的波波形形的有的有效值是效值是：西南交通大学例例1.1.流流过过晶晶闸闸管管的的电电流流波波形形如如图图问问额额定电流为定电流为100100安安的的晶闸晶闸管管允许允许通过的电流通过的电流平均值是平均值是多少多少? ?2p pp pIm解：解：平均值平均值为为：Im2Id =Imd(wt) =12pp0有有效值效值为为：(A)Im2IT =2Im d(wt) =12pp0从上从上式式解解出出Im为为使使晶闸晶闸管管安全安全工工作作，必必须须满足满足：Im2IT(AV) p2IT(AV) = 222.14(A)Im 2p2仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟代代入平均值入平均值计计算式算式，得得I

23、d =111.07 (A)（5 5）通态通态平均平均电压电压：晶闸：晶闸管通管通以以额额定通态定通态平均平均电电流时的管压降流时的管压降平均值平均值。（6 6）维持）维持电流电流：维持晶闸：维持晶闸管导通所需要的电小管导通所需要的电小阳阳极电流。极电流。（7 7）断态电压断态电压临界临界上升率上升率：在在额额定定结温和结温和门门极断极断路路条条件件下下，使使元元件从断态件从断态转转入入通态时的通态时的最最低低电压上电压上升率。升率。（8 8）通态电流通态电流临界临界上升率上升率：晶闸：晶闸管管触触发发导通时不导通时不致使致使元元件件损坏损坏的通态电流的通态电流最最大上升率。大上升率。（9 9）

24、门）门极极触触发发电压电压、门、门极极触触发发电流电流西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟GTOGTO的特的特点点晶闸晶闸管的一种管的一种派派生生器件器件；多多元元功功率率集集成成器件。器件。可可以以通通过过在在门门极极施加施加正正的的脉脉冲冲电流电流使使其导其导通通；施施加加负负的的脉脉冲电流冲电流使使其其关关断。断。开开关频关频率不高，率不高，关关断断增增益益小。小。GTOGTO的的电电压压、电电流流容容量量较较大大，与与普普通通晶晶闸闸管管接接近近，因因而而在在兆兆瓦瓦级级以以上上的的大大功功率率场场合合仍仍有有较较多多的的应用应用（如如电力电力机车机车的的主主电电路）路）。西

25、南交通大学1-31-3门极关断晶闸管门极关断晶闸管(GTO)仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学1.1. GTOGTO的的开开通与通与关关断断原原理理GTOGTO是是一种一种共共用用阳阳极极门门极，极，阴阴极分极分离离的的结结构构。它它由由若干若干小的小的GTOGTO元元并并联联构成构成。 GTOGTO元元与与晶闸晶闸管一管一样样都都是是PNPNPNPN四层三四层三端端结结构构GTOGTO元元与与普普通通晶闸晶闸管管相相同同可可用用双双晶晶体管体管模型模型来来分析分析GTOGTO的导通过的导通过程程与与普普通通晶闸晶闸管管类类似。似。注注入入正的正的门门极电流时，极电流时，T T1

26、1T T2 2因因正正反反馈馈而而迅迅速速饱饱和和仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟N1P 2AP 1N1P 2N2KGAKGT 1T2RaEaUg也减也减小，小，于是引于是引起起I IC1C1的的进进一一步步下下降。降。如此如此不断不断循循环环，GTOGTO元元的的阳阳极电流极电流迅迅速速下下降到零降到零而关而关断。断。GTOGTO能能够够用用门门极极负负电电流流信信号号关关断断的的主主要要原原因因在在于于其其门门阴阴极极结结构构。普普通通晶晶闸闸管管在在结结构构上上是是所所谓谓的的“单单胞胞”结结构构，而而GTOGTO的的阴阴极极是是由由许许多多小小块组块组成成，其，其阴阴极极横横向向宽宽

27、度度很小，很小，G GK K极间极间横横向电阻向电阻远远小小于于普普通通晶闸晶闸管，所管，所以以西南交通大学关关断断时在时在门门极极施加施加反反向向电电压压，T T1 1管管的的集集电极电电极电流流I IC1C1被被抽抽出出 形成门形成门 极极 负负 电电流流-I-IG G，这这使使T T2 2的的基基极极电电流流减减小小进而使进而使其其集集电极电流电极电流I IC2C2也也仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟KARGGUg横横向电阻向电阻GTOGTO部部分分关关断断区区晶闸晶闸管管GTOGTO严严格格控控制制等等效效三三极极管管的的饱饱和和度度。GTOGTO的的等等效效三三极管极管工工作作在在

28、浅饱浅饱和和状态，状态，而而晶闸晶闸管为管为深饱深饱和和西南交通大学AKGU gRG仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟可可以以用用门门极极负负电电压压抽抽出出等等效效的的I IC1C1，从从而而使使器器件件关关断。断。西南交通大学小小结结GTOGTO导通过导通过程程与与普普通通晶闸晶闸管一管一样样，只，只是是导通时导通时饱饱和和程程度较度较浅浅。GTOGTO关关断过断过程中程中有有强烈强烈正正反反馈馈使使器件器件退退出出饱饱和而和而关关断。断。导通时导通时接接近近临界饱临界饱和和，有，有利利门门极极控制控制关关断，但导断，但导通时管压降通时管压降增增大。大。多多元元集集成成结结构构，使使GTO

29、GTO比普比普通通晶闸晶闸管管开开通过通过程程快快，承受承受d di i/d/dt t能能力力强强。多多元元集集成成结结构构，使使GTOGTO容容易易在在关关断过断过程中程中损坏损坏。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟tonuaponigtrttia90%10%tdGTOGTO开开通通西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2 2 GTOGTO的的开开关关特性特性iauapoff- igt ftt90%ts10%tt存存储储时时间间t ts s，使使等等效效晶晶体管体管退退出出饱饱和和。下下降时间降时间t tf f尾尾部部时时间间t tt t ：残残存存载载流子流子复复合合。通通 常常

30、t tf f 比比 t ts s 小小 得得多多 ， 而而 t tt t 比比 t ts s 要要长长。门门极极负脉负脉冲电流冲电流幅幅值值越大，越大，t ts s越越短短。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟GTOGTO关关断断西南交通大学3.GTO3.GTO的的主主要要参数参数1 1）可可关关断断峰值峰值电流电流I ITGQMTGQM ：GTOGTO的的阳阳极可极可关关断电流断电流的的最最大大值值，即即可可关关断断峰值峰值电流。电流。（额额定电流定电流）2 2）关关断时的断时的阳阳极极尖尖峰峰电压电压V Vp p尖尖峰峰电电压压是是阳阳极极电电流流在在t tf f时时间间内内的的

31、电电流流变变化化率率与与缓缓冲冲电电路路中中的的电电感感的的乘乘积积。尖尖峰峰电电压压V Vp p与与阳阳极极电电流流成成正正比比，并并直直接接决决定定了了关关断断损损耗耗。3 3）阳阳极电压上升率极电压上升率du/dtdu/dt阳阳极电压上升率极电压上升率du/dtdu/dt分为分为静静态与态与动动态两种。前态两种。前者者与与晶晶闸闸管管相相同同；后后者者指指的的是是关关断断过过程中程中的的阳阳极极电电压上升率，压上升率，又又称称重加重加du/dtdu/dt。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟b boffoff=I=IATOATO/ /IGMIGMb boffoff=3-5=3-56 6）开

32、开通时间与通时间与关关断时间断时间开开通时间通时间是是延迟延迟时间与上升时间时间与上升时间之和之和关关断时间断时间是是存储时间与存储时间与下下降时间降时间之和之和GTOGTO的其的其它参数它参数与与晶闸晶闸管管相相似。似。它它正在正在被被淘汰淘汰。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟4 4）阳阳极电流上升率极电流上升率di/dtdi/dtGTOGTO能承受能承受的极的极限限电流上升率。电流上升率。5 5）电流电流关关断断增增益益最最大可大可关关断断阳阳极电流与极电流与门门极极负脉负脉冲冲最最大大值之值之比比：西南交通大学集集成门成门极极换换相相晶闸晶闸管管IGCTIGCTGTOGTO

33、是是多多元元集集成成器件。器件。主主要要问问题题是是如如何保证何保证在在关关断断时时各各个个单元单元动动作作的一的一致致。GTOGTO损坏损坏的的主主要要原因之原因之一一是是在在关关断过断过程中阴程中阴极导电极导电面面积积的的收缩收缩引引起起电流的电流的集集中中与与关关断的不断的不同同步步。IGCTIGCT的的关关断断增增益益为为1 1。即即门门极极关关断电流断电流幅幅值值不小不小于于阳阳极极电电流流。这这样样可可将将流过流过阴阴极的电极的电流流全全部部从从门门极极抽抽出。出。GTOGTO以以PNPPNP三三极管极管方方式式关关断。断。IGCTIGCT的特的特点点与与GTOGTO相相似。但似。

34、但工工作作频频率率更更高。为高。为提提供供巨巨大大的的门门极极关关断电流断电流，必必须须将将门门极极电电路路紧靠紧靠主主开开关关安安放。放。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟P 1N1P 2N2N2P 1N1P 2P 1N1P 2N2N2P 1N1P 2GTOGTO与与GCTGCT的的关关断断方方式比式比较较：GTOGTO抽抽出出部部份份载载流子流子使使等效等效三三极管极管产生产生正正反反馈馈而而迅迅速速关关断断；GCTGCT抽抽出出全全部部载载流子流子使使GCTGCT以以PNPPNP三三极管极管方方式式关关断。断。结结合合了了IGBTIGBT与与

35、GTOGTO的的优优点点，容容量与量与GTOGTO相当相当，开开关关速速度度快快1010倍倍。省省去去GTOGTO复复杂杂的的缓缓冲电冲电路路，但，但驱驱动功动功率率仍仍很大。很大。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟NNPDGS +NNPSDG +漏漏极极D D接接外外加加电电压的高压的高电电位位，源源极极S S接接低低电电位位。源源极极与与衬衬底底相相联联。V VGSGS为为负负时时漏源漏源之之间不导电。间不导电。漏漏极极D D接接外外加加电电压的高压的高电电位位，源源极极S S接接低低电电位位。源源极极与与衬衬底底相相联联。V VGSGS为为正正时时漏源漏源之之间导通。间导通。

36、西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-41-4电力电力场场效应效应管管（MOSFETMOSFET）1 1工工作作原原理理P P型型反反型型成成N N型型，形成形成N N沟道沟道使使PNPN结结消消失失，漏源漏源极间极间导导通通；反；反型消型消失失N N沟道沟道消消失失，PNPN结结出现，出现，漏源漏源极间截止极间截止栅栅极极源源极极2 2场场效应效应管的特管的特点点 ：靠靠一一种种载载流流子导子导电的电的器器件件。开开关关速速度度极高极高，热热稳稳定性定性好好；没有二没有二次击穿次击穿现现象象。可。可靠靠性高，性高，安全安全工工作作区区大大容容易易并并联联。电压电压控制控制器件。器

37、件。驱驱动功动功率小，率小，驱驱动动电电路路简简单单导通电阻大，导通导通电阻大，导通损损耗耗大，大，元元件的电压件的电压值值小小导通电阻导通电阻随随阻断电压的升高阻断电压的升高而而迅迅速速升高升高主主要要用于用于小小功功率电率电路路，如如开开关关电电源源。西南交通大学电电路路仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟漏漏极极等效等效10030202468VGSiD5040饱和区饱和区区区截止区截止区西南交通大学302050 非非饱饱40 和和100102030U GS=5VU GS=4V40 50U GS=7VU GS=6VU GS=8VVDSiD仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟3 3 电力电力MO

38、SFETMOSFET的的基基本本特性特性1)1)静静态特性态特性转转移移特性特性：漏漏极电流极电流和和栅栅源源间电压的间电压的关关系系漏漏极极伏伏安安特性特性(或或输输出特性出特性)：截截止止区区（对应于对应于GTRGTR的截止的截止区区）；饱饱和和区区（对应于对应于GTRGTR的放大的放大区区）；非非饱饱和和区区（对应对应GTRGTR的的饱饱和和区区）uPtttuGStd(on)00iD0td(off)tftr2)2) 开开关关特性特性一个有阻一个有阻抗抗的的信号信号源源给给FETFET提提供栅供栅极极信信号号。开开关关响响应应如图如图开开通时间通时间：开：开通通延迟延迟时间与上升时间时间与

39、上升时间之和之和关关断时间断时间：关关断断延迟延迟时间与时间与下下降时间降时间之和之和。特特点点：开开关关速速度度和和栅栅极极输输入入电电容容的的大大小小有有关关。降降低低驱驱动动电电路路内内阻可阻可加加快开快开关关速速度度。不存在不存在少少子储存子储存效应效应，关关断过断过程程非非常迅常迅速速工工作作频频率可率可达达1M1M以以上，为电力电子器件上，为电力电子器件中中最最高高西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学场场控控器件，器件，静静态时态时几几乎乎不需不需输输入入电流。但在电流。但在开开关关过过程中程中需需驱驱动动输输入入电电容容，仍仍需一定的需一定的驱驱动功动功率率

40、开开关频关频率越高，所需要的率越高，所需要的驱驱动功动功率越大率越大3)3) 电力电力MOSFETMOSFET的的主主要要参数参数(1)(1) 漏漏极电压极电压U UDSDS-电力电力MOSFETMOSFET电压定电压定额额(2)(2) 漏漏极极直直流流电电流流I ID D和和漏漏极极脉脉冲冲电流电流幅幅值值I IDMDM-电电力力MOSFETMOSFET电流定电流定额额(3)(3)栅栅源源电压电压U UGSGS(4)(4) 极间电极间电容容其其它参数它参数与电子与电子学学中中相相同同仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟西南交通大学GCE等等效效电电路路仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-51

41、-5绝缘栅极双极型三极管（绝缘栅极双极型三极管（IGBTIGBT）GTRGTR和和MOSFETMOSFET复复合合，结结合合了了二二者者的的优优点点；开开关关速速度度高，高，开开关损关损耗耗小，小，安全安全工工作作区区大，大，具具有有耐耐脉脉冲电流冲冲电流冲击击能能力力；输输入入阻阻抗抗高，高，输输入入特性与特性与MOSFETMOSFET类类似，似，驱驱动动容容易易1 1 IGBTIGBT的的结结构构与与工工作作原原理理N -西南交通大学Cp+EGGN -p N+ p N -关关断断时时 N - p N+Cp+EGG导导通通时时 N - p N + p N + p N -仅内部使用仅内部使用

42、郭小舟郭小舟当当栅栅极极电电压压为为零零时，时，集集电电极极与与发发射射极间极间不不导导通通因因为为；等效；等效PNPPNP三三极管的极管的基基极电流极电流无无法法流流动动。当当栅栅极极上上加加正正的的电压电压时时，控控制制极极G G下下的的P P层层表表面面形形成成N N沟沟道道，发发射射极极与与N-N-区区接接通通，等等效效三三极极管管的的基基极极电流电流经经N N沟道沟道流流动动，由由于于电电调调制制效应效应，N-N-区区电阻降电阻降低低电流电流增增大，大，元元件导通件导通 。在在电电力力电电子子电电路路中中，只只允允许许工工作作在在饱饱和和区区或或截截止止区区，不，不能能在有在有源源区

43、区(放大放大区区)西南交通大学O有源区正向阻断区饱和区ICUGE(th)UGEOICURM 反向阻断区UFM UCEUGE(th)U GE增加仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2 2 IGBTIGBT的特性的特性(1)(1) IGBTIGBT的的静静态特性态特性IGBTIGBT的的转转移移特性特性和和输输出特性出特性tttOUGEUGEMICMtfv1tfv2td(off )tfi1tofftftfi2td(on)tonUCEMtrUCE(on)90%UGEM10%UGEM0IC90%ICM10%ICM0UCEt tfv1fv1-MOSFET-MOSFET单单独独工工作作的电压的电压下下降过降

44、过程程；t tfv2fv2-MOSFET-MOSFET和和PNPPNP晶晶体管体管同同时时工工作作的电压的电压下下降过降过程程。西南交通大学IGBTIGBT 的的 开开 通通 过过程程 与与 MOSFETMOSFET 相相似，似，开开通时间通时间t tonon为为延延迟迟时时间间t td(on)d(on)与与电电流流上上升升 时时 间间 t tr r 之之和和。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟(2)(2) IGBTIGBT的的开开关关特性特性t tfi2fi2IGBTIGBT内内部部的的PNPPNP晶晶体体管管的的关关断断过过程程，i iC C下下降降较较慢慢。IGBTIGBT关关断时断时，

45、有大，有大的电流的电流下下降降率与率与显显著著的的尾部尾部电电流。前流。前者者是是场场效应效应管管关关断断的的结结果果，后，后者者是是PNPPNP三三极管极管造造成成的。的。西南交通大学tttOUGEUGEMICMtfv1tfv2td(off )tfi1tofftftfi2td(on)tonUCEMtrUCE(on)90%UGEM10%UGEM0IC90%ICM10%ICM0UCEIGBTIGBT的的关关断时间断时间t toffoff为为延延迟迟时时间间t td(of)d(of)与与电电流流下下降降时时间间t tr r 构构成成。t tfi1fi1-IGBT-IGBT器件器件内部内部的的MOS

46、FETMOSFET的的关关断断过过程程，i iC C下下降降较较快快仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟关关断特性断特性：西南交通大学3 3 IGBTIGBT的的参数参数(1)(1) 最最大大集集射射极间电压极间电压U UCESCES：由由内部内部PNPPNP晶晶体管体管的的 击穿击穿电压电压确确定定(2)(2) 最最大大集集电极电流电极电流：包括包括额额定定直直流电流流电流I IC C和和1ms1ms脉脉宽宽最最大电流大电流I ICPCP(3)(3) 最最大大集集电极电极功耗功耗P PCMCM：正正常常工工作作温度下允许温度下允许的的最最大大功耗功耗IGBTIGBT的其的其它参数参它参数参见见

47、相关相关的的资料资料仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟PP西南交通大学SS射射能能力力强强等等一一系列优系列优点点D DN+ N+G P P GN-N+ N+栅栅源源电电压压为为零时零时，器，器件件处处于于导导通通状状态态。栅栅源源极间极间施施加加负负的电压，的电压，这使这使PNPN结对应结对应的的空空间间电电荷荷区区（也也称称“耗耗尽尽层层”）变变厚厚，使使导导电电沟沟道道消消失失，器器件件关关断。断。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-61-6 其它电力半导体开关器件其它电力半导体开关器件1 1静静电电感应感应晶晶体管体管SITSIT( (结结型场型场效应效应管管) )静静电电感应感应晶

48、晶体管体管SITSIT（StaticStatic InductionInduction TransistorTransistor）是是一种一种依靠依靠场场效应引效应引起起元元件件中中导电导电沟道沟道形成形成或或消消失、失、实现实现开开关关功功能能的器件。的器件。SITSIT具具有有输输出出功功率大率大、失、失真真小小、输输入入阻阻抗抗高高、开、开关频关频率高率高、热稳热稳定性定性好好以以及抗辐及抗辐在在静静电电感应感应晶晶体管的体管的结结构构上上加加一一P P型型层层即即构构成成SITHSITH。当当SITHSITH的的A A接接电电源源正正、K K接接负负、U UGKGK不为不为负负时，电流

49、时，电流能能从从A A流向流向K K。U UGKGK为为负负时，时，PNPN间间形成形成耗耗尽尽层层，器件截止。，器件截止。特特点点：高压高压、在电流在电流、高高频频、有有尾部尾部电电流流、关关断时间断时间短短、di/dtdi/dt、du/dtdu/dt大大GNN+KPPAP+3.3. MOSMOS控制晶闸控制晶闸管管MCTMCTMCTMCT是是在在SCRSCR结结构构中中集集成成一一对对MOSFETMOSFET，使使MCTMCT导导通通的的MOSFETMOSFET称称为为ONONFETFET，使使MCTMCT关关断的断的MOSFETMOSFET称称为为OFFOFFFETFET。一一般般，ONONFETFET均均为为P P沟沟道道，所所以以，也也称称这这种种MCTMCT为为P PMCTMCT。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2.2.静静电电感应感应晶闸晶闸管管SITHSITH（StaticStatic InductionInductionThyristorThyristor）AK