电力电子技术第一章-ppt课件

1、-1- 电力工程系电力工程系第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.2 1.2 电力二极管电力二极管1.3 1.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件1.4 1.4 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 1.5 1.5 电力晶体管电力晶体管 1.6 1.6 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 1.7 1.7 绝缘栅双极性晶体管绝缘栅双极性晶体管 -2- 电力工程系电力工程系1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.2 1.1.2 电力电子器件的基本类型电力电子器

2、件的基本类型1.1.3 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 1.1.4 电力电子器件的应用领域电力电子器件的应用领域-3- 电力工程系电力工程系1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.概念概念主电路主电路在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。或控制的电子器件。广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专

3、指功广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专指功率半导体器件。率半导体器件。-4- 电力工程系电力工程系1.1.1 1.1.1 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. 2. 特征特征承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。 -5- 电力工程系电力工程系1.1.1 1.1.1

4、 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-6- 电力工程系电力工程系1.1.2 1.1.2 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型-7- 电力工程系电力工程系1.1.2 1.1.2 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型-8- 电力工程系电力工程系1.1.2 1.1.2 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型 单极型器件：单极型器件： 没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载流子的复合问题，因而工作频率很高。流子的复合问题，因而工作频率很高

5、。 双极型器件：双极型器件： 由于具有电导调制效应，使其导通压降低、导通损耗小。由于具有电导调制效应，使其导通压降低、导通损耗小。 电流型器件：电流型器件： 输入阻抗低，驱动功率较大，电路也较复杂。输入阻抗低，驱动功率较大，电路也较复杂。 电压型器件：电压型器件： 输入阻抗很高，驱动功率小，驱动电路简单。输入阻抗很高，驱动功率小，驱动电路简单。-9- 电力工程系电力工程系1.1.3 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件的模块化与集成化 电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统

6、。路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 最初是单管结构、分立器件，结构松散、体积大、可靠性最初是单管结构、分立器件，结构松散、体积大、可靠性差、成本高；差、成本高； 电力电子器件的模块化与集成化：结构紧凑、体积小、可电力电子器件的模块化与集成化：结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低靠性高、成本低-10- 电力工程系电力工程系1.1.3 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件的模块化与集成化 功率模块功率模块 由若干功率开关器件与快速二极管组合而成由若干功率开关器件与快速二极管组合而成 单片集成式模块单片集成式模块 功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片功率器件、驱动、保

7、护等电路集成于一个硅片 智能功率模块智能功率模块 将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子器件集成子器件集成-11- 电力工程系电力工程系表表1-1 1-1 电力电子器件电力电子器件类类 型型名称名称出现时间出现时间电气符号电气符号分分立立器器件件不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管(Power Diode)1955半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管(Thyristor)1958全全控控型型器器件件电流控电流控制器件制器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)1964电力晶体管电力晶体管(GTR)1975电压控电压控制器件制器

8、件电力场效应晶体管电力场效应晶体管(Power MOSFET)1975绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1985MOS控制晶闸管控制晶闸管(MCT)1992集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管(IGCT)2019集成模块集成模块功率集成模块功率集成模块(PIC)1981-12- 电力工程系电力工程系1.1.4 1.1.4 电力电子器件的应用领域电力电子器件的应用领域电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域-13- 电力工程系电力工程系1.2 1.2 电力二极管电力二极管 Power Diode，自，自20世纪世纪

9、50年代初期获得应用，也被称年代初期获得应用，也被称为半导体整流器；为半导体整流器； 其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导体样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；截止的功能； 结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备当中。当中。-14- 电力工程系电力工程系1.2 1.2 电力二极管电力二极管1.2.1 PN1.2.1 PN结的工作原理结的工作原理1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基

10、本特性 1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型-15- 电力工程系电力工程系1.2.1 PN1.2.1 PN结的工作原理结的工作原理二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的单向导电性结的单向导电性正向导通状态：正向偏置时，表现为低阻态；正向导通状态：正向偏置时，表现为低阻态；反向截止状态：反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流；反向截止状态：反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流；反向击穿：当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增反向击穿：当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏大，破坏PN结的反向

11、截止工作状态。结的反向截止工作状态。雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复；雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复； 热击穿，热击穿，PN结因过热而烧毁。结因过热而烧毁。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场-16- 电力工程系电力工程系电力二极管的外形、结构和电气电力二极管的外形、结构和电气 图形符号图形符号 a) a) 外形外形 b) b) 构造构造 c) c) 电气图形符号电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)AK1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性构造：构造： 电力二极管是由一个面积电力二极管是

12、由一个面积较大的较大的PNPN结和两端引线结和两端引线以及封装组成的。以及封装组成的。外形：外形： 螺栓型、平板型等多种封螺栓型、平板型等多种封装。装。-17- 电力工程系电力工程系1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性-18- 电力工程系电力工程系1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性-19- 电力工程系电力工程系1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性 静态伏安特性：静态伏安特性： 正向电压大于门槛电压正向电压大于门槛电压UTO UTO 时，正时，正向电流才开始明显增加，处于稳定

13、向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。导通状态。 与与IFIF对应的电压即为其管压降对应的电压即为其管压降UFUF。 承受反向电压时，只有少子引起微承受反向电压时，只有少子引起微小的反向漏电流。小的反向漏电流。I0IFUTOUFU电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性 静态特性：主要指其伏安特性；静态特性：主要指其伏安特性； 动态特性：反映开通或关断过程中电压动态特性：反映开通或关断过程中电压电流随时间变电流随时间变化的动态特性。化的动态特性。-20- 电力工程系电力工程系a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd t电力二极管的动态过程波形电力二

14、极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性动态特性动态特性 ：开通和关断过程：开通和关断过程反向恢复关断过程反向恢复关断过程 须经过一段短暂的时间才能重新获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。得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流，并伴关断之前有较大的反向电流，并伴随有明显的反向电压过冲。随有明显的反向电压过冲。反向恢复时间：反向恢复时间：trr=td+ tf延迟时间延迟时间td ，电流下降时间，电流下降时间tf-21- 电力工程系电力工程系1.2.2 1

15、.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性 正向恢复过程正向恢复过程 先出现一个过冲先出现一个过冲UFP，经过一，经过一段时间才趋于接近稳态压降。段时间才趋于接近稳态压降。 正向恢复时间正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因：电导调出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用所需的大量少子制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。的电感而产生较大压降。 电流上升率越大，电流上升率越大，UFP越高。越高。UFPuiiFuF

16、tfrt02V电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b) b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 -22- 电力工程系电力工程系1.2.3 1.2.3 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 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正弦半波电流的平均值。 正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定值相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定的裕量。的

17、裕量。 正向压降正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。-23- 电力工程系电力工程系1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 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。额定电对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。压。23倍裕量。倍裕量。 反向漏电流反向漏电流 最高工作结温最高工作结温 反向恢复时间反向恢复时间 浪涌电流浪涌电流-24- 电力工程系电力工程系1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 普通二极管普通二极管Ge

18、neral 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），多用于开关频率不高高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5s以上以上 。 其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。-25- 电力工程系电力工程系1.2.4 1.2.4 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） 恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短一般在恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短一般在5s

19、以以下）下） ，但通态压降较高。，但通态压降较高。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚以下，甚至达到至达到2030ns。-26- 电力工程系电力工程系1.2.4 1.2.4 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） 金属和半导体接触形成势垒，属于多子器件金属和半导体接触形成势垒，属于多子器件 优点：反向恢复时间很短优点：反向恢复时间很短1040ns），其开关损耗和

20、正），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。向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。 缺点：多用于缺点：多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。格地限制其工作温度。-27- 电力工程系电力工程系1.3 1.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件 晶闸管的诞生：晶闸管的诞生： 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管；年美国贝尔实验室发明了晶闸管； 1957年美国年美国GE公司开发出第一只晶闸管产品，并于公司开发出第一只晶闸管

21、产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。 最早称作可控硅整流器最早称作可控硅整流器Silicon Controlled RectifierSCR），简称为可控硅；后来更名为晶闸管），简称为可控硅；后来更名为晶闸管Thyristor）。）。 应用：应用： 电压和电流容量最高电压和电流容量最高8kV/6kA、12kV/1kA），且成本低、），且成本低、可靠性高，在大容量的应用场合仍有重要地位。可靠性高，在大容量的应用场合仍有重要地位。-28- 电力工程系电力工程系 1.3 1.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理1.3.

22、2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件-29- 电力工程系电力工程系1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1. 构造构造 四层半导体结构，三个四层半导体结构，三个PN结；结；阳极阳极A、阴极、阴极K和门极和门极G （控（控制端三个端子。制端三个端子。属于电流驱动、双极型、半属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等效为可控控型器件，可等效为可控的单向导电开关。的单向导电开关。 a) a)构造构造 b) b)电气符号电气符号 -30- 电力工程系电力工程系 1.3.1 1.3.1 晶

23、闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2. 2. 外形外形: :螺栓型螺栓型 模块型模块型 平板型平板型 散热器散热器 -31- 电力工程系电力工程系 1.3.1 1.3.1 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阀晶闸管阀 -32- 电力工程系电力工程系1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3. 3. 工作原理工作原理反向承受一定电压，反向承受一定电压，J1J1、J3J3反偏，处于阻断截止状态；反偏，处于阻断截止状态；正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高阻抗的阻断工作状态；高阻抗的阻断工作状态；低阻抗的导

24、通工作状态。低阻抗的导通工作状态。-33- 电力工程系电力工程系1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理双晶体管模型：视为双晶体管模型：视为PNP型晶体管型晶体管(V1)和和NPN型晶型晶体三极管体三极管(V2)互连构成互连构成 。正反馈过程：正反馈过程：触发后，晶闸管内部形成触发后，晶闸管内部形成了强烈的正反馈；了强烈的正反馈；撤掉触发信号，晶闸管仍撤掉触发信号，晶闸管仍然能维持导通状态。然能维持导通状态。3. 3. 工作原理工作原理-34- 电力工程系电力工程系由晶闸管等效电路可得：由晶闸管等效电路可得：IC1 = a1IA + ICBO1 (1-1)IC2 =

25、 a2IK + ICBO2 (1-2)IK = IA + IG (1-3) IA = IC1 + IC2 (1-4)a1和和a2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2 的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。2GCBO1CBO2A121()a IIIIaa(1-5)1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理由式由式1-1）式式1-4得：得：-35- 电力工程系电力工程系1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理IG=0 ， (12)很小，晶很小，晶闸管的阳极电流闸管的阳

26、极电流 IAICBO。从门极注入电流从门极注入电流IG ，当，当 (12) 1时，时， IA ，晶闸，晶闸管饱和导通，流过晶闸管的管饱和导通，流过晶闸管的电流由实际电路所决定。电流由实际电路所决定。晶体管的电流放大系数与发射极电流的关系晶体管的电流放大系数与发射极电流的关系2GCBO1CBO2A121()a IIIIaa-36- 电力工程系电力工程系1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理3. 3. 工作原理工作原理导通条件：承受正向电压，门极有触发信号导通条件：承受正向电压，门极有触发信号特点：特点：“一触即发一触即发”，具有自锁、掣住效应。，具有自锁、掣住效应。

27、晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，即使去除门极触发晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，即使去除门极触发信号，仍然维持导通。信号，仍然维持导通。关断方法：需使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值维关断方法：需使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值维持电流以下，通常采取加反向电压的方法。持电流以下，通常采取加反向电压的方法。-37- 电力工程系电力工程系1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数1. 静态伏安特性静态伏安特性第第象限是正向特性象限是正向特性第第象限是反向特性象限是反向特性IG2IG1 IG -38- 电力工程系电力工程系1.3.2 1.3.2 晶闸管

28、的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数IG=0时，为正向阻断状态，只有很时，为正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超小的正向漏电流流过，正向电压超过正向转折电压过正向转折电压UDB时，器件非正时，器件非正常导通。常导通。随着门极电流随着门极电流IG幅值的增大，正向幅值的增大，正向转折电压降低。转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，约晶闸管本身的压降很小，约1V左右。左右。正向特性：正向特性：IG2IG1 -39- 电力工程系电力工程系1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基

29、本特性及主要参数l类似二极管的反向特性。类似二极管的反向特性。l只有极小的反向漏电流流过。只有极小的反向漏电流流过。l当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压到反向击穿电压URBURB后，外电后，外电路如无限制措施，则反向漏路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管电流急剧增加，导致晶闸管反向击穿、损坏。反向击穿、损坏。反向特性：反向特性：-40- 电力工程系电力工程系1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数 UDB/URB ：正向：正向/反向转折电压；反向转折电压； UDSM/URSM：正向：正向/反向断态不重反向断态不重复峰值

30、电压；复峰值电压； UDRM /URRM ：正向：正向/反向重复峰反向重复峰值电压；值电压；不重复峰值电压：不造成正向转折不重复峰值电压：不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一般不允和反向击穿的最大电压，一般不允许多次施加。许多次施加。重复峰值电压：晶闸管在开通和关重复峰值电压：晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的最断的过渡过程中，可重复经受的最大瞬时电压。大瞬时电压。2. 静态参数静态参数-41- 电力工程系电力工程系 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数2. 静态参数静态参数额定电压：取正、反向不重复峰值电压的额定电压：取正、反向不重复峰值电

31、压的90%作为正、反向重复峰值电作为正、反向重复峰值电压，取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。压，取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。 电压裕度：一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的电压裕度：一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。倍。正向通态电压：晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压降，也称管正向通态电压：晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压降，也称管压降，反映了器件的通态损耗特性。压降，反映了器件的通态损耗特性。-42- 电力工程系电力工程系 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数2. 静态参数静态参数额

32、定电流通态平均电流）：晶闸管在环境温度为额定电流通态平均电流）：晶闸管在环境温度为40C和和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流规定的冷却条件下，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。过的最大工频正弦半波电流的平均值。选择晶闸管的原则：有效值相等的原则，通常需要根据电流选择晶闸管的原则：有效值相等的原则，通常需要根据电流波形，做平均值与有效值的换算。波形，做平均值与有效值的换算。正弦半波波形系数有效值与平均值之比为正弦半波波形系数有效值与平均值之比为1.57。计算计算1/4正弦波和正弦波和180方波的波形系数？方波的波形系数？电流裕度：考虑到散热条件、

33、过载现象，取电流裕度：考虑到散热条件、过载现象，取1.52倍的裕度。倍的裕度。 -43- 电力工程系电力工程系 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数2. 静态参数静态参数维持电流维持电流 IH ：晶闸管维持导通所必需的最小电流。若晶闸：晶闸管维持导通所必需的最小电流。若晶闸管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。掣住电流掣住电流IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持其导通所必需的最小阳极电流。对同一晶闸管来说，能维持其导通所必需的最小阳极电流。对

34、同一晶闸管来说，通常通常IL 约为约为 IH 的的24倍。倍。IL是晶闸管的临界开通电流，是晶闸管的临界开通电流， 若若IA1；关断：关断： V1、V2不饱和，不饱和，1+21；临界饱和：临界饱和： 1+21；晶闸管导通时晶闸管导通时 1+21.15；GTO 导通时导通时 1+21.05。-59- 电力工程系电力工程系1.4.1 GTO1.4.1 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理3. 工作原理工作原理关断过程关断过程强烈正反馈过程强烈正反馈过程门极加负门极加负脉冲，即从门极抽出电流，脉冲，即从门极抽出电流，那么那么当当IA和和IK的减小使的减小使1+21时，退出饱和而关断。时，退出饱和而

35、关断。-60- 电力工程系电力工程系1.4.2. GTO1.4.2. GTO的动态特性的动态特性开通特性：与普通晶开通特性：与普通晶闸管类似，开通时间闸管类似，开通时间ton由延迟时间由延迟时间td和上和上升时间升时间tr组成组成 。关断过程：则与晶闸关断过程：则与晶闸管有所不同，可用管有所不同，可用3个个不同的时间来表示，不同的时间来表示，即存储时间即存储时间ts、下降时、下降时间间tf及尾部时间及尾部时间tt -61- 电力工程系电力工程系1.4.2. GTO1.4.2. GTO的动态特性的动态特性存储时间存储时间ts：依靠门极负脉冲电压从门极抽出导通时存储的大量载流子，依靠门极负脉冲电压

36、从门极抽出导通时存储的大量载流子，晶体管饱和深度变浅。晶体管饱和深度变浅。下降时间下降时间tf：继续从门极抽出电流，阳极电流逐渐减小，当继续从门极抽出电流，阳极电流逐渐减小，当1+21后，后，内部正反馈停止而使内部正反馈停止而使GTO退出饱和。退出饱和。尾部时间尾部时间tt：残留载流子复合时间。残留载流子复合时间。-62- 电力工程系电力工程系1.4.3. GTO1.4.3. GTO的主要参数的主要参数 许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。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 GTO额定电流。由门极可靠关断为决定条件的最大阳极额定电流。

37、由门极可靠关断为决定条件的最大阳极电流，避免电流，避免GTO处于深度饱和状态，导致门极关断失败。处于深度饱和状态，导致门极关断失败。 电流关断增益电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。数值低：数值低：45，主要缺点。，主要缺点。boffATOIGM_I-63- 电力工程系电力工程系 1.5 1.5 电力晶体管电力晶体管 电力晶体管电力晶体管(Giant Transistor)，又称双结晶体管，又称双结晶体管Bipolar Junction Transistor-BJT），产生于），产生于70年代。年代。 高压大功率

38、领域主要是高压大功率领域主要是NPN结构，其基本原理是通过控结构，其基本原理是通过控制基极电流来控制集电极电流的通断。制基极电流来控制集电极电流的通断。 属于电流驱动、双极型、全控器件。属于电流驱动、双极型、全控器件。 相对于相对于GTO优点：驱动控制方便、开关时间短等优点。优点：驱动控制方便、开关时间短等优点。 主要应用：交流电机调速、不间断电源主要应用：交流电机调速、不间断电源UPS以及家以及家用电器等中小容量的变流装置中。用电器等中小容量的变流装置中。-64- 电力工程系电力工程系 1.5.1 GTR 1.5.1 GTR的结构的结构三层半导体两个PN结构。在重掺杂的N+半导体衬底上设置轻

39、掺杂的N-区，提高器件耐压能力。基极与发射极在一个平面上成交叉指型，提高器件电流能力。达林顿管：电流增益提高、但饱和压降增加、开关速度降低。采用集成电路工艺将许多达林顿单元并联而成模块。达林顿管达林顿管-65- 电力工程系电力工程系 1.5.2 GTR 1.5.2 GTR的特性的特性共射极接法，截止区共射极接法，截止区、放、放大区大区、临界饱和区、临界饱和区和深和深饱和区饱和区。 器件作为开关应用时，其工器件作为开关应用时，其工作只稳定在截止区和饱和区作只稳定在截止区和饱和区两个状态，但在开关过程中两个状态，但在开关过程中要经过放大区的过渡。要经过放大区的过渡。 要使驱动电流足够大，避免要使驱

40、动电流足够大，避免GTR工作于线性区，否则功工作于线性区，否则功耗将会很大。为什么？耗将会很大。为什么？ 1. 1. 静态特性静态特性-66- 电力工程系电力工程系 1.5.2 GTR 1.5.2 GTR的特性的特性开通过程开通过程 延迟时间延迟时间td和上升时间和上升时间tr之和之和为开通时间为开通时间ton。增大基极驱动电流增大基极驱动电流ib的幅值并的幅值并增大增大dib/dt，可以加快开通过，可以加快开通过程。程。 关断过程关断过程 储存时间储存时间ts和下降时间和下降时间tf之和为之和为关断时间关断时间toff。 减小导通时的饱和深度，或者减小导通时的饱和深度，或者增大基极抽取负电流

41、增大基极抽取负电流Ib2的幅值的幅值和负偏压，可以加快关断速度。和负偏压，可以加快关断速度。GTR的开关时间在几微秒以内。的开关时间在几微秒以内。2. 2. 动态特性动态特性-67- 电力工程系电力工程系 1.6 1.6 功率场效应晶体管功率场效应晶体管功率场效应晶体管功率场效应晶体管(Power MOSFET)，FET：场效应晶体管，：场效应晶体管，MOS：金属、氧化物、半导体：金属、氧化物、半导体单极型、电压控制器件，通过栅极电压来控制漏极电流。单极型、电压控制器件，通过栅极电压来控制漏极电流。显著优点：驱动电路简单，驱动功率小，同时开关速度快显著优点：驱动电路简单，驱动功率小，同时开关速

42、度快开关时间开关时间10100ns），工作频率可达），工作频率可达MHz，不存在二次，不存在二次击穿问题；击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，通态压降大。缺点：电流容量小，耐压低，通态压降大。功率场效应晶体管适用于开关电源、高频感应加热等高频场功率场效应晶体管适用于开关电源、高频感应加热等高频场合，但不适用于大功率装置。合，但不适用于大功率装置。-68- 电力工程系电力工程系 1.6 1.6 功率场效应晶体管功率场效应晶体管1.6.1 1.6.1 结构和工作原理结构和工作原理1.6.2 1.6.2 特性特性 1.6.3 1.6.3 参数参数-69- 电力工程系电力工程系1.6.1 Power

43、MOSFET1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理MOSFET种类种类增强型增强型 UGS=0时，无导电沟道，时，无导电沟道， ID=0耗尽型耗尽型 UGS=0时，存在导电沟道时，存在导电沟道结型结型静电感应晶体管静电感应晶体管品种品种P沟道沟道 空穴空穴N沟道沟道 电子电子绝缘栅型绝缘栅型功率功率MOSFET垂直导电垂直导电利用利用V型槽实现垂直导电型槽实现垂直导电VVMOSFET具有垂直导电双扩散具有垂直导电双扩散MOS结构结构VDMOSFET小功率小功率MOS横向导电横向导电-70- 电力工程系电力工程系1. 1. 构造构造DGSN沟道沟道DSGP沟道沟道多

44、元功率集成器件多元功率集成器件无二次击穿，宽安全工作区无二次击穿，宽安全工作区1.6.1 Power MOSFET1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理-71- 电力工程系电力工程系1.6.1 Power MOSFET1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理2. 工作原理无反向阻断能力当UDS0 ）截止当UGS=0时，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。J1-72- 电力工程系电力工程系1.6.1 Power MOSFET1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理2. 2. 工作原理

45、工作原理正向（正向（ UDS0 UDS0 ）导通）导通当当UGS0UGS0时，正电压会将时，正电压会将P P区中的空穴区中的空穴 推开，而将推开，而将P P区中的少子区中的少子电子吸引电子吸引 到栅极下面的到栅极下面的P P区表面。区表面。当当UGSUTUGSUT时，使时，使P P型半导体反型成型半导体反型成N N型半导体，形成型半导体，形成N N沟沟道而使道而使PNPN结结J1J1消失，漏极和源极导电。消失，漏极和源极导电。UTUT称为开启电压或阈值电压），称为开启电压或阈值电压），UGSUGS超过超过UTUT越多，导越多，导电能力越强，漏极电流电能力越强，漏极电流IDID越大。越大。-73

46、- 电力工程系电力工程系1.6.1 Power MOSFET1.6.1 Power MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理2. 2. 工作原理工作原理不存在少子储存效应，因而其关断非常迅速。不存在少子储存效应，因而其关断非常迅速。开关时间在开关时间在10100ns10100ns之间，其工作频率可达之间，其工作频率可达100kHz100kHz以上，是以上，是电力电子器件中最高的。电力电子器件中最高的。在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。-74-

47、 电力工程系电力工程系1.6.2 Power MOSFET1.6.2 Power MOSFET的特性的特性漏极伏安特性：截止区I 、线性导电区II 、饱和恒流区III 、雪崩击穿区IV 。 工作在开关状态，即在截止区I和非饱和区II之间来回转换。漏源极之间有一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。1. 1. 静态特性静态特性输出特性输出特性-75- 电力工程系电力工程系1.6.2 Power MOSFET1.6.2 Power MOSFET的特性的特性指漏极电流指漏极电流ID和栅源间电压和栅源间电压UGS的关系，反映了输入电压的关系，反映了输入电

48、压和输出电流的关系和输出电流的关系 。ID较大时，较大时，ID与与UGS的关系的关系近似线性，曲线的斜率被定义近似线性，曲线的斜率被定义为为 MOSFET的跨导的跨导Gfs，即，即是电压控制型器件，其输入阻是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。抗极高，输入电流非常小。d/dmDGSgiu1. 1. 静态特性静态特性转移特性转移特性-76- 电力工程系电力工程系1.6.2 Power MOSFET1.6.2 Power MOSFET的特性的特性 开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on) 、电流、电流上升时间上升时间tr、电压下降时间、电压下降时间tfv 开通时间开通时间

49、ton= td(on)+tr+ tfv 关断过程关断过程 关断延迟时间关断延迟时间td(off) 、电压、电压上升时间上升时间trv 、电流下降时、电流下降时间间tfi 关断时间关断时间toff = td(off) +trv+tfi2. 2. 动态特性动态特性 MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，可以降低栅极驱动电路的内阻可以降低栅极驱动电路的内阻Rs，从而减小栅极回路的，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。充放电时间常数，加快开关速度。-77- 电力工程系电力工程系1.6.3 Power MOSFET1.6.3 Powe

50、r MOSFET的参数的参数跨导跨导Gfs、开启电压、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。以及开关过程中的各时间参数。漏极电压漏极电压UDS ：额定电压。：额定电压。 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 ：额定电流。：额定电流。 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，UGS20V将导将导致绝缘层击穿。致绝缘层击穿。极间电容：极间电容：CGS、CGD和和CDS。 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MOSFET的安全工作区。的安全工作区。 -78- 电

51、力工程系电力工程系 1.7 1.7 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管Insulated Gate Bipolar Transistor），），是一种复合型、电压控制器件。是一种复合型、电压控制器件。 美国美国GE公司和公司和RCA公司于公司于1983年首先研制，年首先研制，500V/20A，90年代开始广泛应用，目前已出现第六代年代开始广泛应用，目前已出现第六代IGBT。 显著优点：它将显著优点：它将MOSFET和和GTR的优点集于一身，耐压的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无

52、二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好。二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好。 中小功率电力电子设备的主导器件，已淘汰中小功率电力电子设备的主导器件，已淘汰GTR，随着其，随着其电压和电流容量的不断升高，逐渐取代电压和电流容量的不断升高，逐渐取代GTO。-79- 电力工程系电力工程系1.7 1.7 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.7.1 1.7.1 结构与工作原理结构与工作原理1.7.2 1.7.2 特性特性 1.7.3 1.7.3 参数参数1.7.4 1.7.4 掣住效应与安全工作区掣住效应与安全工作区-80- 电力工程系电力工程系 1.7.1 IGBT 1.7.1 IGBT的结构和工作原理的

53、结构和工作原理1. 构造由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成。比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路：用GTR与MOSFET组成的达林顿结构。相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。等效电路中Rdr是GTR基区内的扩展电阻。-81- 电力工程系电力工程系 1.7.1 IGBT 1.7.1 IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理-82- 电力工程系电力工程系1.7.1 IGBT1.7.1 IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理2. IGBT的工作原理的工作原理IGBT的驱动原理与电力的驱动原理与电力MO

54、SFET基本相同，是一种场控器基本相同，是一种场控器件。件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。决定的。当当UGE为正且大于开启电压为正且大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成沟内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。关断。电导调制效应使得高耐压的电导调制效应使得高耐压的IGBT也具有很小

55、的通态压降。也具有很小的通态压降。-83- 电力工程系电力工程系1.7.2 IGBT1.7.2 IGBT的特性的特性集电极电流IC与UCE之间的关系。 饱和区、放大区、截止区、击穿区。 当UGEUT时，处于饱和区。正常情况下不会进入击穿区。 在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在截止区和饱和区之间来回转换。1. 1. 静态特性静态特性输出特性输出特性-84- 电力工程系电力工程系1.7.2 IGBT1.7.2 IGBT的特性的特性集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。开启电压UT是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。1. 1. 静态特性静态特性转移

56、特性转移特性-85- 电力工程系电力工程系1.7.2 IGBT1.7.2 IGBT的特性的特性开通过程开通过程 延迟时间延迟时间td ：从驱动电压：从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值的前沿上升至其幅值10%时刻开始，到集电极时刻开始，到集电极电流电流iC上升至其幅值的上升至其幅值的10%所需时间所需时间上升时间上升时间tr：集电极电流：集电极电流iC从其幅值从其幅值10%上升至上升至90%所需时间。所需时间。开通时间：开通时间： ton=td+trUce下降时间分为下降时间分为tfv1和和tfv2两个阶段。两个阶段。2. 动态特性动态特性-86- 电力工程系电力工程系 1.7.2 IGBT 1

57、.7.2 IGBT的特性的特性关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间ts：从驱动电压：从驱动电压uGE的后沿下降至其幅值的后沿下降至其幅值90%时刻开始，到集电极电流时刻开始，到集电极电流iC下下降至其幅值的降至其幅值的90%所需时间。所需时间。电流下降时间电流下降时间tf：集电极电流：集电极电流iC从其幅值从其幅值90%下降至下降至10%所需所需时间时间关断时间：关断时间： toff=ts+tf集电极电流集电极电流iC的下降过程分为的下降过程分为tfi1和和tfi2两段。两段。2. 动态特性动态特性-87- 电力工程系电力工程系1.7.3 IGBT1.7.3 IGBT的主要参数的主要参数

58、集射极击穿电压集射极击穿电压UCE 额定电压，由内部的额定电压，由内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。晶体管所能承受的击穿电压确定。随温度的升高而增大。随温度的升高而增大。 最大栅射极电压最大栅射极电压UGE 栅射极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所限制的，为了栅射极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所限制的，为了限制故障电流、确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限限制故障电流、确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在制在20V之内，其最佳值一般取之内，其最佳值一般取15V左右左右 。 集电极连续电流集电极连续电流IC 、集电极峰值电流、集电极峰值电流ICM 额定电流，集电极连续电流额定电流，集

59、电极连续电流IC主要受结温限制。集电极峰主要受结温限制。集电极峰值电流值电流ICM为避免掣住效应而定义。只要不超过额定结温，为避免掣住效应而定义。只要不超过额定结温，IGBT可以工作在峰值电流范围内，峰值电流大约是额定可以工作在峰值电流范围内，峰值电流大约是额定值的值的2倍。倍。-88- 电力工程系电力工程系1.7.4 IGBT1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区的掣住效应和安全区 最大集电极功率最大集电极功率PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率在正常工作温度下允许的最大耗散功率 。 掣住效应自锁效应）掣住效应自锁效应） 内部存在寄生晶闸管，若集电极电流过大内部存在寄生晶闸管，若集电极

60、电流过大 或或duCE/dt过大过大 ，寄生晶闸管将开通，栅极就失去对集电极电流的控制作用，寄生晶闸管将开通，栅极就失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件损坏。导致集电极电流增大，造成器件损坏。 动态掣住效应比静态掣住效应所允许的集电极电流小。因动态掣住效应比静态掣住效应所允许的集电极电流小。因此此IGBT所允许的最大集电极电流实际上根据动态掣住效所允许的最大集电极电流实际上根据动态掣住效应确定。限制电流容量原因之一。应确定。限制电流容量原因之一。-89- 电力工程系电力工程系1.7.4 IGBT1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区的掣住效应和安全区 正向偏置安全工作区正向