第8单元电力电子器件ppt课件

1、第8单元 电力电子器件SITHMCTGTOSITIGBTPGTR)(LATTRCTTRIACFSTTTH)(静电感应晶闸管场控晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管静电感应晶体管绝缘栅极双极型晶体管电力场效应晶体管双极型电力晶体管晶体管自关断器件全控型器件光控晶闸管逆导晶闸管双向晶闸管快速晶闸管）（普通晶闸管非自关断器件半控型器件硅对称开关肖克来二极管肖特基整流二极管快恢复二极管普通整流二极管整流二极管不可控器件电力电子器件owerMOSFEThyristor8.1电力二极管电力二极管(SR) 伏安特性 电力二极管的阳极和阴极间的电压UAK和流过管子的电流IA之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图所

2、示。 电力二极管的伏安特性 二、主要参数二、主要参数 1. 额定正向平均电流IF 在规定的环境温度为40和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。将此电流值取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。 2. 反向击穿电压 指管子反向击穿时的电压值。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行 3. 正向平均电压UF 在规定环境温度+40和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别称为正向平均电压UF ，简称管压降，一般在0.451V范围内。8.

3、2 晶闸管8.2.1 8.2.1 晶闸管的结构及其工作原理晶闸管的结构及其工作原理 晶闸管是四层晶闸管是四层(PlNlP2N2)(PlNlP2N2)三端三端( (阳极阳极A A、阴极、阴极K K、门极、门极G)G)器件，其内部结构器件，其内部结构和等效电路如下图所示。和等效电路如下图所示。 a) b) a) b)晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的内部结构和等效电路 a) a) 内部结构内部结构 b) b)以互补三极管等效以互补三极管等效 晶闸管等效为两个互补连接的三极管工作分析晶闸管等效为两个互补连接的三极管工作分析 IGIB2I2 IGIB2I2IB1IB1）IB2IB2 晶闸管的工作原理示

4、意图晶闸管的工作原理示意图 晶闸管的导通与关断条件晶闸管的导通与关断条件 1 1晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极极两端加正向电压，同时在它的门极和阴极两端也加上足够的正向触发脉冲，两者缺一两端也加上足够的正向触发脉冲，两者缺一不可。不可。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。3)3)晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流流IAIA小于维持电流小于维持电流IHIH。 8.2.28.2.2晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴

5、极间的电压晶闸管的阳极与阴极间的电压uaua和阳极电流和阳极电流iaia之间的关系，称之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如下图所示。为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如下图所示。 晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的伏安特性曲线 8.2.3晶闸管主要参数晶闸管主要参数 1 1额定电压额定电压UTn UTn 当门极开路，元件处于额定结温时，根据所测定的正向不可当门极开路，元件处于额定结温时，根据所测定的正向不可重复峰值电压重复峰值电压UDSMUDSM和反向不可重复峰值电压和反向不可重复峰值电压URSMURSM，再各乘以，再各乘以0.90.9，即得正向断态重复峰值电压，即得正向断态重复峰值电压UDR

6、MUDRM和反向阻断重复峰值电和反向阻断重复峰值电压压URRMURRM。取。取UDRM UDRM 和和URRMURRM中较小值并按标准电压等级系数取为中较小值并按标准电压等级系数取为额定电压额定电压UTn UTn 。 2 2额定电流额定电流IT(AV)IT(AV) 晶闸管的额定电流也称为额定通态平均电流，即在环境温晶闸管的额定电流也称为额定通态平均电流，即在环境温度为度为4040和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170170的电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许的电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流

7、的平均值。通过的工频正弦半波电流的平均值。 3 3通态平均电压通态平均电压UT(AV)UT(AV) 当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，与阴极之间电压降的平均值， 称为通态平均电压。称为通态平均电压。 4 4、维持电流、维持电流IH IH 在室温和门极断开时，器件从较大在室温和门极断开时，器件从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维持电流。它一般为几毫安到几百毫安。持电流。它一般为几毫安到几百毫安。5 5、擎住电流、擎住电流IL IL 晶闸管刚从断态转

8、入通态就去掉触晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能使器件保持导通所需要的最小阳极电流。发信号，能使器件保持导通所需要的最小阳极电流。6 6、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率dududt dt 在额定结温和门极在额定结温和门极开路情况下，不使器件从断态到通态转换的阳极电开路情况下，不使器件从断态到通态转换的阳极电压最大上升率称为断态电压临界上升率。压最大上升率称为断态电压临界上升率。7 7、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率dididt dt 在规定条件下，晶在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通

9、态电流临界上升率。电流最大上升率称为通态电流临界上升率。选用晶闸管的原则选用晶闸管的原则1.1.按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压UTMUTM的的2 23 3倍来选择晶闸管的额定电压，即倍来选择晶闸管的额定电压，即 UTn =(2 UTn =(23) UTM 3) UTM 2.2.按电流有效值相等的原则进行换算，选择晶闸管的按电流有效值相等的原则进行换算，选择晶闸管的额定电流即额定电流即 IT =1.57 I T(AV) IT =1.57 I T(AV) I T(AV)= IT /1.57 I T(AV)= IT /1.57 由于晶闸管的过载能力差，一

10、般在选用时取由于晶闸管的过载能力差，一般在选用时取(1.5(1.52)2)的安全裕量，即的安全裕量，即 I T(AV) = (1.5 I T(AV) = (1.52)IT 2)IT /1.57/1.578.2.6 晶闸管派生器件晶闸管派生器件 一、双向晶闸管一、双向晶闸管 1 1双向晶闸管的结构与伏安特性曲线双向晶闸管的结构与伏安特性曲线 a) b) c) d) a) b) c) d) 双向晶闸管双向晶闸管a) a) 双向晶闸管的结构双向晶闸管的结构 b) b) 等效电路等效电路 c) c)符号符号 d) d) 伏安特性曲伏安特性曲线线 双向晶闸管的参数双向晶闸管的参数 双向晶闸管的主要参数中

11、额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义与普双向晶闸管的主要参数中额定电流与普通晶闸管有所不同，其他参数定义与普通晶闸管相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所通晶闸管相似。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正反向电流都可以流过，所以它的额定电流不是用平均值，而是用有效值以它的额定电流不是用平均值，而是用有效值( (方均根值方均根值) )来表示，定义为：在标来表示，定义为：在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于准散热条件下，当器件的单向导通角大于170170时，允许流过器件的最大交流正时，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值，用弦电流的有效值，用IT(RMS)IT(R

12、MS)表示。表示。 双向晶闸管有效值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为双向晶闸管有效值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为 以此推算，一个以此推算，一个100A100A的双向晶闸管与两个的双向晶闸管与两个45A45A的普通晶闸管反并联电流容量相等。的普通晶闸管反并联电流容量相等。T(RMS)T(RMS)T(AV)45. 02III 双向晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式 双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：配合，可以得到四种触发方式

13、： (1) I+ (1) I+ 触发方式触发方式 主极主极T2T2为正，为正，T1T1为负；门极电压为负；门极电压G G为正，为正，T1T1为负。为负。 (2) I_ (2) I_ 触发方式触发方式 主极主极T2T2为正，为正，T1T1为负；门极电压为负；门极电压G G为负，为负，T1T1为正。为正。 (3) + (3) +触发方式触发方式 主极主极T2T2为负，为负，T1T1为正；门极电压为正；门极电压G G为正，为正，T1T1为负。为负。 (4) (4) 触发方式触发方式 主极主极T2T2为负，为负，T1T1为正；门极电压为正；门极电压G G为负，为负，T1T1为正。为正。 四种触发方式中

14、触发灵敏度不相同，四种触发方式中触发灵敏度不相同，I+ I+ 触发方式灵敏度最高，触发方式灵敏度最高，+触发方式灵敏度最低，触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开使用时要尽量避开+，常采用的触发方式为，常采用的触发方式为I+ I+ 和和-。8.3 8.3 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO) (GTO) 一、一、GTOGTO的结构与工作原理的结构与工作原理 1 1基本结构基本结构 a) a)芯片的实际图形芯片的实际图形 b) GTO b) GTO结构的纵断面结构的纵断面 c) GTO c) GTO结构的纵断面结构的纵断面 d) d)图形符号图形符号 GTOGTO的内部结构和电气图形符号的内

15、部结构和电气图形符号 2 2GTOGTO的主要参数的主要参数 1、最大可关断阳极电流IATO：GTO的最大阳极电流受发热和饱和深度两个因素限制。阳极电流过大，内部晶体管饱和深度加深，使门极关断失效。所以GTO通常将最大可关断阳极电流作为GTO的额定电流。 2、关断增益off 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益off。即GMATOoffII8.4 8.4 电力晶体管电力晶体管(GTR)(GTR)一、电力晶体管的结构与工作原理一、电力晶体管的结构与工作原理 1 1电力晶体管的结构电力晶体管的结构 a) b) a) b) NPN NPN型电力晶体管的内部结构及

16、电气图形符号型电力晶体管的内部结构及电气图形符号 a) a) 内部结构内部结构 b) b) 电气图形符号电气图形符号二、电力晶体管的特性与主要参数二、电力晶体管的特性与主要参数 1. GTR 1. GTR的基本特性的基本特性 (1) (1)静态特性静态特性 共发射极接法时，共发射极接法时，GTRGTR的典型输出特性如下图所示，的典型输出特性如下图所示，可分为三个工作区：可分为三个工作区： 截止区。在截止区内，截止区。在截止区内，iB0iB0，uBE0uBE0，uBCuBC0 0，集电极只有漏电流流过。，集电极只有漏电流流过。 放大区。放大区。iB iB 0 0，uBEuBE0 0，uBCuBC

17、0 0，iC =iBiC =iB。 饱和区。饱和区。 ，uBEuBE0 0，uBCuBC0 0，iCSiCS是集电是集电极极 饱和电流，其值由外电路决定。饱和电流，其值由外电路决定。CSBIi (2) (2)动态特性动态特性 GTR GTR共发射极接法的输出特性共发射极接法的输出特性 GTR GTR开关特性开关特性 2 2GTRGTR的主要参数的主要参数 (1) (1)最高工作电压最高工作电压 BUCBOBUCBO：射极开路时，集：射极开路时，集- -基极间的反向击穿电压。基极间的反向击穿电压。 BUCEOBUCEO：基极开路时，集：基极开路时，集- -射极之间的击穿电压。射极之间的击穿电压。

18、 BUCERBUCER：GTRGTR的射极和基极之间接有电阻的射极和基极之间接有电阻R R。 BUCESBUCES：发射极和基极短路，集：发射极和基极短路，集- -射极之间的击穿电压。射极之间的击穿电压。 BUCEXBUCEX：发射结反向偏置时，集：发射结反向偏置时，集- -射极之间的击穿电压。射极之间的击穿电压。其中其中BUCBO BUCES BUCES BUCER BUCEOBUCBO BUCES BUCES BUCER BUCEO，实际使用，实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比时，为确保安全，最高工作电压要比BUCEOBUCEO低得多。低得多。 (2) (2)集电极最大允许电流集电极

19、最大允许电流ICMICM (3) (3)集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM PCM (4) (4)最高工作结温最高工作结温TJM TJM 3 3二次击穿和安全工作区二次击穿和安全工作区 (1) (1)二次击穿二次击穿 二次击穿是由于集电极电压升高到一定值二次击穿是由于集电极电压升高到一定值( (未未达到极限值达到极限值) )时，发生雪崩效应造成的。一般情况时，发生雪崩效应造成的。一般情况下，只要功耗不超过极限，下，只要功耗不超过极限，GTRGTR是可以承受的，但是可以承受的，但是在实际使用中，会出现负阻效应，使是在实际使用中，会出现负阻效应，使iEiE进一步剧进一步剧增。由于增

20、。由于GTRGTR结面的缺陷、结构参数的不均匀，使结面的缺陷、结构参数的不均匀，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使局部电流密度剧增，形成恶性循环，使GTRGTR损坏。损坏。 (2) (2)安全工作区安全工作区 以直流极限参数以直流极限参数ICMICM、PCMPCM、UCEMUCEM构成的工作区为构成的工作区为一次击穿工作区，如下图所示。一次击穿工作区，如下图所示。 GTRGTR安全工作区安全工作区 8.58.5电力场效应晶体管电力场效应晶体管(Power MOSFET) (Power MOSFET) 一、电力一、电力MOSFETMOSFET的结构的结构 电力电力MOSFETMOSFET采取两

21、次扩散工艺，并将漏极采取两次扩散工艺，并将漏极D D移到芯片的另一侧表面上，使从漏移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。 a) b) a) b) 电力电力MOSFETMOSFET的结构和符号的结构和符号 a) MOSFET a) MOSFET元组成剖面图元组成剖面图 b) b) 图形符号图形符号 二、电力二、电力MOSFETMOSFET的特性的特性 1 1转移特性转移特性 转移特性是指电力转移特性是指电力MOSFETMOSFET的输入栅源电压的输入栅源电压uG

22、SuGS与输出漏与输出漏极电流极电流iDiD之间的关系，如下图之间的关系，如下图a a所示。由图可见，当所示。由图可见，当uGS uGS UGS(th)UGS(th)时，时，iDiD近似为零；当近似为零；当uGSuGSUGS(th)UGS(th)时，随着时，随着uGSuGS的的增大，增大，iDiD也越大。当也越大。当iDiD较大时，较大时，iDiD与与uGSuGS的关系近似为线性。的关系近似为线性。 a) b) a) b) 电力电力MOSFETMOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) a) 转移特性转移特性 b) b) 输出特性输出特性 2 2输出特性输出特性 输出特性是指以

23、栅源电压输出特性是指以栅源电压uGSuGS为参变量，漏极电为参变量，漏极电流流iDiD与漏源电压与漏源电压uDSuDS之间关系的曲线，如下图之间关系的曲线，如下图b b所示。所示。 截止区。截止区。uGSUGS(th)uGSUGS(th)，iD=0iD=0，这和电力晶体，这和电力晶体管的截止区相对应。管的截止区相对应。 饱和区。饱和区。uGSuGSUGS(th)UGS(th)，uDSuGS -UGS(th)uDSuGS -UGS(th)，当当uGSuGS不变时，不变时，iDiD几乎不随几乎不随uDSuDS的增加而增加，近似的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。这里的饱和区对应电力为一常数，

24、故称为饱和区。这里的饱和区对应电力晶体管的放大区。当用做线性放大时，晶体管的放大区。当用做线性放大时，MOSFETMOSFET工作工作在该区。在该区。 非饱和区。非饱和区。uGSuGSUGS(th)UGS(th)，uDSuDSuGS -UGS(th)uGS -UGS(th)，漏源电压漏源电压uDSuDS和漏极电流和漏极电流iDiD之比近似为常数。该区对之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当应于电力晶体管的饱和区。当MOSFETMOSFET作开关应用而作开关应用而导通时即工作在该区。导通时即工作在该区。 3 3开关特性开关特性 a) a) b b）电力电力MOSFETMOSFET的开关

25、过程的开关过程 a) a) 测试测试MOSFETMOSFET开关特性的电路开关特性的电路 b) b) 开开关特性曲线关特性曲线 三、电力三、电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数 1 1漏极电压漏极电压UDSUDS：即电力：即电力MOSFETMOSFET的额定电压，选用时的额定电压，选用时必须留有较大安全裕量。必须留有较大安全裕量。 2 2漏极最大允许电流漏极最大允许电流IDMIDM：即电力：即电力MOSFETMOSFET的额定电流，的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。其大小主要受管子的温升限制。 3 3栅源电压栅源电压UGSUGS：栅极与源极之间的绝缘层很薄，承：栅极与源极之间

26、的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不得超过受电压很低，一般不得超过20 V20 V，否则绝缘层可能被击，否则绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。穿而损坏，使用中应加以注意。 总之，为了安全可靠，在选用总之，为了安全可靠，在选用MOSFETMOSFET时，对电压、电时，对电压、电流的额定等级都应留有较大裕量。流的额定等级都应留有较大裕量。 4 4极间电容：电力极间电容：电力MOSFETMOSFET极间电容包括极间电容包括CGSCGS、CGDCGD和和CDSCDS，其中，其中CGSCGS为栅源电容，为栅源电容，CGDCGD是栅漏电容，是由器件结是栅漏电容，是由器件结构中的绝缘层形成的；构中的绝

27、缘层形成的；CDSCDS是漏源电容，是由是漏源电容，是由PNPN结形成的。结形成的。 8.6 8.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(IGBT) (IGBT) 一、基本结构一、基本结构 a) b) c) a) b) c)IGBTIGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) a)内部结构内部结构 b) b)简化等效电路简化等效电路 c) c)电电气图形符号气图形符号二、二、IGBTIGBT的基本特性的基本特性 a) a) b)b) IGBT IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) a)转移特性转移特性 b) b)输出特性输出特性二、二、IG

28、BTIGBT的基本特性的基本特性 图图a a为为IGBTIGBT的转移特性，它描述的是集电极电流的转移特性，它描述的是集电极电流iCiC与栅射电压与栅射电压uGEuGE之间的关系，之间的关系，与功率与功率MOSFETMOSFET的转移特性相似。开启电压的转移特性相似。开启电压uGE(th)uGE(th)是是IGBTIGBT能实现电导调制而导通的能实现电导调制而导通的最低栅射电压。最低栅射电压。uGE(th)uGE(th)随温度升高而略有下降，温度升高随温度升高而略有下降，温度升高11，其值下降，其值下降5 mV5 mV左左右。右。 图图b b为为IGBTIGBT的输出特性，也称为伏安特性，它描

29、述的是以栅射电压为参考变量时，的输出特性，也称为伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流集电极电流iCiC与集射极间电压与集射极间电压uCEuCE之间的关系。此特性与之间的关系。此特性与GTRGTR的输出特性相似，不的输出特性相似，不同的是参考变量，同的是参考变量，IGBTIGBT为栅射电压为栅射电压uGEuGE，GTRGTR为基极电流为基极电流iB iB 。IGBTIGBT的输出特性也分的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与GTRGTR的截止区、放大区和饱的截止区、放大区和饱和区相对应。此外，当和区相对应。

30、此外，当uCEuCE0 0时，时，IGBTIGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBTIGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。动态特性：动态特性：IGBTIGBT的开关过程的开关过程 三、主要参数三、主要参数 1) 1) 最大集电极最大集电极- -发射极电压发射极电压UCESUCES：这个电压值是厂家根据器件的雪：这个电压值是厂家根据器件的雪崩击穿电压而规定的，是栅极崩击穿电压而规定的，是栅极- -发射极短路时发射极短路时IGBTIGBT能承受的耐压值，能承受的耐压值，即即UCESUCES值小于或等于雪崩击穿电压。值小于或等于雪崩击穿电压。 2) 2) 最大集电极电流最大集电极电流ICSICS：该参数给出了：该参数给出了IGBTIGB