第4章_电力电子器件

1、1参考书参考书 1.电力电子器件及其应用电力电子器件及其应用 李序葆、赵永健李序葆、赵永健 编著编著 机械工业出版社机械工业出版社 2.电力半导体器件原理与电力半导体器件原理与 应用应用 袁立强袁立强 赵争鸣赵争鸣 编著编著 机械工业机械工业出版社出版社3.现代电力电子电路现代电力电子电路 林渭勋林渭勋 编著编著 浙江大学出版社浙江大学出版社第第3 3章章 电力电子器件电力电子器件（功率半导体器件）（功率半导体器件）2主要内容：主要内容：概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分分类类等问题。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、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意问题。3

2、3.13.1 绪绪 论论 3.1.1 3.1.1 电力电子技术电力电子技术(Power Electronics)(Power Electronics) - -以以电力电力为对象的一门新兴高新技术学科。为对象的一门新兴高新技术学科。一、定义一、定义 按美国电气和电子工程协会（按美国电气和电子工程协会（IEEE）电子学会）电子学会的定义：的定义：有效地使用电力半导体器件、应用电路和设有效地使用电力半导体器件、应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和电能的高效能变换和控制控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等的一门技术，它包括电压、电流、频率和波

3、形等方面的变换。方面的变换。4电力电子系统电力电子系统组成组成：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电保护电路路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。图3-1 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电气隔离控制电路5三、三、电力电子技术的发展电力电子技术的发展 1956年年，第一个晶闸管（第一个晶闸管（SCR）的发明，标志电力电子）的发明，标志电力电子 技术的诞生。技术的诞生。1、传统电力电子技术阶段（、传统电力电子技术阶段（1957-1980年）年） 1947年

4、，第一只晶体管诞生，半导体电子学应运而生。年，第一只晶体管诞生，半导体电子学应运而生。1956年，晶闸管问世，半导体电子学产生两个分支。年，晶闸管问世，半导体电子学产生两个分支。 两个分支两个分支分支一分支一：以：以晶体管集成电路晶体管集成电路为核心形成对信息处理的微电子为核心形成对信息处理的微电子 技术。技术。 特点：集成度越来越高，规模越来越大，功能越来越全。特点：集成度越来越高，规模越来越大，功能越来越全。 -1971年，第一台微处理器问世。年，第一台微处理器问世。6分支二：分支二：以以晶闸管晶闸管为核心，对电力进行处理的电力电子技术为核心，对电力进行处理的电力电子技术 特点：派生器件越

5、来越多，功率越来越大，性能越来越好。特点：派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。例如：例如：普通普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管（晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管（RCTRCT） 双向晶闸管（双向晶闸管（TRIACTRIAC）、不对称晶闸管（）、不对称晶闸管（ASCRASCR）等。）等。应用：直流传动，电化学电源，电力机车牵引，直流输电等。应用：直流传动，电化学电源，电力机车牵引，直流输电等。7制约传统电力电子技术发展的因素制约传统电力电子技术发展的因素控制功能上欠缺控制功能上欠缺：半控型器件，：半控型器件，只能控制其导通，不能只能控制其导通，不能控制关断。控制关断。b. 需要有相当大

6、的输入功率需要有相当大的输入功率，其控制电路因需要使用分立，其控制电路因需要使用分立器件变得复杂，阻碍了整机体积和成本的进一步缩小。器件变得复杂，阻碍了整机体积和成本的进一步缩小。而且因而且因立足于分立式结构，立足于分立式结构，工作频率难以提高工作频率难以提高（小于（小于400Hz)，应用范围窄。，应用范围窄。c. 控制方式采用移相控制，使电网及负载上谐波严重，整机控制方式采用移相控制，使电网及负载上谐波严重，整机功率因数低，功率因数低，电网电网“公害公害”大大。 SCR器件和应用理论上都发展到了成熟阶段，从器件发器件和应用理论上都发展到了成熟阶段，从器件发展上来看，电压、电流还有提高的可能。

7、但是，实际上它的展上来看，电压、电流还有提高的可能。但是，实际上它的发展却受到了制约。发展却受到了制约。82、现代电力电子技术阶段（、现代电力电子技术阶段（1980年年-现在）现在）发展：发展：7070年代末期，结合微电子技术和电力电子技术，产生年代末期，结合微电子技术和电力电子技术，产生了新一代高频化，了新一代高频化，全控型全控型的功率集成器件，标志现代电力电子的功率集成器件，标志现代电力电子技术阶段的开始。例如：技术阶段的开始。例如：可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTOGTO）9KV9KV，1KA1KA；4.5KV,4.5KA4.5KV,4.5KA电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR） 单管

8、单管:1KV,200A:1KV,200A；模块；模块:1.2KV,800A;1.8KV,100A:1.2KV,800A;1.8KV,100A功率场控晶体管（功率功率场控晶体管（功率MOSFETMOSFET） 1KV,38A1KV,38A绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGTIGT、IGBTIGBT）1.2KV,400A; 3.3KV,1200A1.2KV,400A; 3.3KV,1200A静电感应晶体管（静电感应晶体管（SITSIT） f fT T:3050MHz,200A,1.2KV:3050MHz,200A,1.2KV 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITHSITH） 1KA/2

9、.5KV; 2.2KA/450V; 400A/4.5KV1KA/2.5KV; 2.2KA/450V; 400A/4.5KVMOSMOS晶闸管（晶闸管（MCTMCT） 1KV,100A1KV,100A9特点特点:a. 全控化全控化；避免了关断时的强迫换相电路，结构大大简化。；避免了关断时的强迫换相电路，结构大大简化。b. 集成化集成化：与传统电力电子器件不同，不采用分立方式；由：与传统电力电子器件不同，不采用分立方式；由许多单元胞器件并联而成，子器件集成。如：许多单元胞器件并联而成，子器件集成。如：1000A的的GTO含有近千个单元含有近千个单元GTO；40A功率功率MOSFET由上万个单元并联

10、；由上万个单元并联；300A的的SITH含有近含有近5万个子器件。万个子器件。c. 高频化高频化：由于器件集成化，工作速度大大提高。如：由于器件集成化，工作速度大大提高。如：GTO达达12KHZ，GTR：25KHZ，功率，功率MOSFET：几百：几百KHZ，SIT：10MHZ以上。以上。d. 多功能化多功能化：除开关功能外，增加保护、检测、驱动等功能，：除开关功能外，增加保护、检测、驱动等功能，有些器件具有放大、调制、振荡和逻辑运算的功能，使用范有些器件具有放大、调制、振荡和逻辑运算的功能，使用范围拓宽，电路简化。围拓宽，电路简化。e. 电路弱电化电路弱电化：控制技术数字化，如：控制技术数字化

11、，如：PWM控制技术，谐振控制技术，谐振变换电路，高频斩波电路成为主要电路形式。变换电路，高频斩波电路成为主要电路形式。101 1）概念）概念: :电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device） 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。1、电力电子器件、电力电子器件3.1.2 电力电子器件电力电子器件11处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级。电力电子器件能承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。如晶闸管：12000V/1000A 能处理的电

12、功率较大能处理的电功率较大2）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：12 电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件一般工作在开关状态，以减少器件自身损耗，提高系统工作可靠性与工作效率。 电力电子器件导通时（通态）阻抗很小导通时（通态）阻抗很小，管压降接近于零，相当于短路，而电流由外电路决定。 电力电子器件阻断时（断态）阻抗很大阻断时（断态）阻抗很大，电流几乎为零，相当于断路，而管子两端电压由外电路决定。13 信息电子电路给出开关状态切换的控制信息决定电力电子器件何时开通、何时关断 电力电子器件常采用信息电子电路进行控制电力电子

13、器件常采用信息电子电路进行控制 对电力电子器件通常采取一定保护措施对电力电子器件通常采取一定保护措施 电力电子器件通常价格昂贵，同时电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，器件的损坏将导致整个电气设备或系统工作崩溃，从而会造成严重损失，因此，要采取一定措施保证电力电子器件可靠工作。14l半控型器件（半控型器件（Thyristor） 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) ) 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

14、电路。 按照器件按照器件被被控制的程度控制的程度，分为以下三类：，分为以下三类：2、电力电子器件分类、电力电子器件分类15v不可控器件 主要为不同类型的功率二极管，这类器件一般为两端器件，一端为阳极，一端为阴极。其开关操作仅取决于施加于器件阳、阴极间的电压，正向导通，反相阻断，流过其中的电流是单方向的。由于其开通和关断不能通过器件本身进行控制，故称为不可控器件。不可控器件是电力半导体中最基本的、用途最广的器件 不可控器件主要利用其非线性特性，二极管的正向导电和反向阻断特性十分显著，因此常用来控制电流方向，如用来构成AC-DC整流电路。有时，也使用其反向阻断过程的特殊特性，如稳压特性，用于电路中

15、抑制电压的增幅。16v半控型器件 主要包括晶闸管及其派生器件。这类器件一般是三端器件，除了阴、阳极之外，还增加了一个控制门级。半控型器件也具有单向导电性，其开通不仅需要在其阳、阴极两端施加正向电压，而且必须在门级和阴极之间输入正向可控功率，称之为“开通可控”。 然而这类器件一旦开通，就不能通过门级控制关断，只能从外部改变加在阴阳极间的电压极性或者强制阳极电流变为0，所以称为半控型器件。 晶闸管制造工艺简单，是最早生产的可控电力半导体开关器件，在其诞生后，被大量应用于工业电力控制装置中。最大特点是价格低廉，可靠性高，但由它组成的变换器变换性能一般，尤其在谐波抑制性能上较弱。17 目前，在许多大容

16、量变换器领域，仍无可替代的其他器件，晶闸管还得到广泛使用，如大功率电力系统的无功补偿，大型同步电机调速等设备中仍有使用。18v全控型器件 也是带有控制端的三端器件，种类较多，工作机理也不尽相同。由于不需要外部提供关断条件，仅靠自身控制即可关断，所以这类器件也被称为自关断器件。 与半控型器件相比，其性能比完善，应用上也更灵活，但器件制造工艺相对复杂。随着容量等级的不断增长，全控型器件正逐渐取代晶闸管，广泛用于各种电力电子变换器中。19l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关断的控制。（所以需要有足够大的驱动电流才能使器件导通或者关断）l电压驱动型电压驱动型 仅通过在控

17、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。 按照驱动电路信号的性质按照驱动电路信号的性质，分为两类：，分为两类：20 按照按照电力半导体器件中载流子的性电力半导体器件中载流子的性质质，分为，分为三三类：类：l双极双极型型器件（结型器件）器件（结型器件） 在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件，都是基于pn结原理的结型半导体器件l单极单极型型器件器件 在器件内部只有一种载流子（多数载流子）参与导电过程的半导体器件，这类器件一般开关频率较高。l混合型器件混合型器件 由双极型和单极型器件集成混合而成。利用双极型器件（耐压高、电流密度导通压降低）作为功率输入输出通

18、道，单极型器件（输入阻抗高，相应速度快）作控制通道，兼备两者优点。213. 主要技术指标 主要关注电气容量、开关特性、控制特性、热特性等指标。电气容量指标：额定电压、额定电流等 开关特性：主要描述器件从导通到关断或从关断 到导通时器件的电压、电流随时间变化 的特性。如开通时间、关断时间等 22控制特性：描述可控器件开通与关断条件及其对 控制信号的要求。如驱动电压、驱动 电流等指标。热特性：主要描述器件损耗导致器件温升的特性。 如最高结温、热阻等指标。 要使器件能在电路系统中可靠工作，器件的应用状况必须符合器件技术指标所限定的条件。 23 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世

19、纪50年代初期就获得应用。整流二极管及模块3.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管24电力二极管与普通二极管的不同电力二极管与普通二极管的不同v大功率二极管PN结面积大，能过较大电流，但结电容也大，只能工作在较低频率下，一般仅用作整流用v一般的二极管结面积小，不能通过较大电流，但结电容小，可在高频率下工作，一般用于高频电路和小功率的整流。25基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。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1、PN结与电力二极管的工作原

20、理结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK26v正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。v正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V 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（电导调制效应），并伴随有明显的反向电压过冲（线路电感的作用）。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt2) 动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压-电流特性随时间变化的曲线电流特性随时间变化的

21、曲线延迟时间：td= t1- t0, （清除少子）电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf27二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结的状态28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。0.2v-0.5vl与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降正向电压降UF 。0.7v-1.2v承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。几十微安-几十毫安电力二极管的伏安特性1) 静态特性静态特性IOIFUTOUFU2、二极管工作特性、二极管工作特性293、二极管主要参数、二极管主要参数IF(AV)

22、是按照电流的发热效应来定义的，通态电流在一个整周期内的平均值，并应留有一定的裕量。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为1) 正向平均电流正向平均电流IF(AV)2）正向压降正向压降UF 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。击穿电压的2/3倍mIttdII1)(sin210mF(AV)30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

23、续一个或几个工频周期的过电流。 5）最高工作结温最高工作结温TJM4）反向恢复时间反向恢复时间trr trr= td+ tf311) 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，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上4、二极管类型、二极管类型32简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施快恢复外延二极管（快恢复外延二极管（PINPIN） （Fast Recovery Epitaxial Diode

24、sFRED），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t trrrr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。2) 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）33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

25、向导通损耗都比快速二极管还小。3） 肖特基二极管肖特基二极管 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）。20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用345、二极管的应用、二极管的应用用途：限幅、整流35作业v1.什么是电力电子技术？什么是电力电子器件？v2.电力电子器件同一般的的处理信息的电子器件相比，有什么特征？v3.电力电子器件可按什么分类，分别包含哪些类型？v4.电力电子器件主要有哪些技术指标?v5.电力二极管包含哪几种？试简述每种特点？v6.试描述电力二极管的动态特性？361.3 晶闸管晶

26、闸管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。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）37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38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1 1、晶闸管的结构与工作原理、晶闸管的结构与工作原理AAGG

27、KKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3A：阳极K：阴极G：门极(控制极)39简单描述晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。晶闸管的工作条件的试验电路当SCR的阳极和阴极电压UAK0时，只有EGk0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力；SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；当UAK0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，则SCR同样会关

28、断。该小电流称为SCR的维持电流。401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。 按晶体管的工作原理晶体管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（3-2）（3-1）（3-3）（3-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（4-5） IG（IB2）IC2 （IB1） IC1 （IB2） 导通的过程是一个导通的过程是一个正反馈正反馈过程过程。V1、V2饱和饱和41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（ 1 2 ）。阻断状态阻断状态：IG=0，1+2很小。流

29、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。放大区OIcib3ib2ib1ib1ib2IG1IG断态重复峰值电压断态重复峰值电压断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压正向转折电压正向转折电压45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。晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMUR

30、SM（2）反向特性反向重复峰值电压反向重复峰值电压反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压461) 开通过程 (正反馈、电感)延迟时间td (0.51.5s)上升时间tr (0.53s)开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒2） 动态特性动态特性晶闸管的开通和关断过程波形473）门极）门极特性特性门极电流 IG 与门极和阴极之间电压UGK的关系。晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏

31、安特性称为门极伏安特性。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的48可靠触发区可靠触发区不可靠触发区不可靠触发区不触发区不触发区IFGM ：门极正向峰值电流：门极正向峰值电流 UFGM ：门极正向峰值电压：门极正向峰值电压IGT ：门极触发电流（几十到几百：门极触发电流（几十到几百mA） UGT ：门极触发电压（几：门极触发电压（几V） IGD ：门极不触发电流：门极不触发电流 UGD ：门极不触发电压：门极不触发电压 PG ：平均功率：平均功率 PGM ：瞬时最大功率：瞬时最大功率 为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流为保证可靠、安全的触发，触发

32、电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区和功率应限制在可靠触发区。493、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（几百-几千V） 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（几百-几千V ） 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UTM（几V ） 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倍。使用注

33、意：使用注意：1）电压定额电压定额50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最大工频正弦半波电流的平均值均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH ：使晶闸管维持导通维持导通所必需的最小电流（几十到几百mA），与结温有关，结温越高，则IH越小擎住电流擎住电流 IL ：晶闸管刚从刚从断态转入通态并移除触发信号后除触发信号后， 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

34、电流ITSM ：指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流（几十到几千A） 。2 2）电流定额电流定额m0mT(AV)1)(sin21IttdII51 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 （几十到几百（几十到几百V/微秒）微秒） 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（几十到几百（几十到几百A/微秒）微秒） 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

35、。 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524、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。1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)532 2）双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）双向晶闸

36、管的电气图形符号和伏安特性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T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。54逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）逆导晶闸管的电气图形符号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。逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低和配线简单55光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b

37、)OUIA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。561.4 全控型器件全控型器件门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。57常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块581.4.1 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。可以通过在门极施加负的

38、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。 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）59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)AGK1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理60工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGK

39、N1P2P2N1N2a)b) 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通是器件临界导通( (饱和饱和) )的条件。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 。 1 1+ + 2 211是器件饱和的条件。是器件饱和的条件。 1 1+ + 2 211是器件关断的条件。是器件关断的条件。61GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别区别： 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏。 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。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V

40、2b ) IG（IB2） IC2 IC1 IB2 1 1+ + 2 21162GTO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：63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。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftst

41、dtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性的动态特性64GTO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 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。（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20

42、0A 。 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。GMATOoffII651.4.2 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。20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。66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

43、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67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

44、工作原理的结构和工作原理68 (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、放大区放大区和饱饱和区和区。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OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。3）GTR的主要参数的主要参数发射极开路时cb反向击穿电压基极开路时ce反向击穿电压发射结反偏时ce反向击穿电压be之间连接电阻时ce击穿电压be之间短路时ce击穿电压71实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。

45、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IcM72一次击穿一次击穿：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（Safe 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。SOAOIc

46、IcMPSBPcMUceUceMGTR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731.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力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。 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理74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 Oxide Semiconducto

47、r 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 。电力场效应晶体管电力场效应晶体管75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

48、沟道图1-1976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VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的结构的结构77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

49、，该反型层形成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电力电力MOSFET的工作原理的工作原理78 (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=8VID/A电力MOSFET的转移特

50、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79截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（主动区域）：漏源电压增加时漏极电流不再增加非饱和区非饱和区（电阻性区域）：漏源电压增加时漏极电流增加工作在开关状态，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。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 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS

51、=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A80开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) ：栅极电：栅极电容充电时间容充电时间上升时间上升时间tr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) ：栅极电容：栅极电容放电时间放电时间下降时间下降时间tf关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻

52、，RF检测漏极电流(2) 动态特性动态特性81 MOSFET的开关速度和栅极电容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（单极性器件，多子导电），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823) 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 电力MOSFET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

53、ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3) 栅源电压栅源电压UGS UGS20V将导致绝缘层击穿 。 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有： (4) 极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS831.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。

54、 GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，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。841) IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极 栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号85N沟道VDMO

55、SFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 IGBT的结构的结构86 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极

56、电压uGE决定。导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 IGBT的原理的原理87a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的静态特性的静态特性IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性转移特性：转移特性：IC与UGE间的关系(开启电压开启电压UGE(th)输出特性输出特性：分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。88ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程IGBT的开通过程的开通过程 与MOSFET的相似v开通延迟时间开通延迟时间td(on) v电流上升时间电流上升时间tr v开通时间开通时间to