第9章电力半导体器件

1、概述概述 自自1958年世界上第一只晶闸管诞生后，半年世界上第一只晶闸管诞生后，半导体器件的应用从弱电领域进入了强电领域，导体器件的应用从弱电领域进入了强电领域，电能的变换和控制也进入了以电力电子半导电能的变换和控制也进入了以电力电子半导体器件组成的变流器时代，标志着电力电子体器件组成的变流器时代，标志着电力电子变流技术的诞生。变流技术的诞生。电力电子技术主要包括电电力电子技术主要包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。压、电流、频率和波形等方面的变换。第第9 9章章 电力电子技术电力电子技术变流器的分类变流器的分类交流调压器交流调压器整流器整流器逆变器逆变器斩波器斩波器周波变流器周波变流器交

2、流电交流电电压固定或可调的电压固定或可调的直流电直流电固定的固定的直流电直流电频率固定或可调的频率固定或可调的交流电交流电变化或固定的直变化或固定的直流电压流电压固定或变化固定或变化的直流电压的直流电压变化或固定的变化或固定的交流电压交流电压固定或变化固定或变化的交流电压的交流电压固定的交流固定的交流电压和频率电压和频率可调的交流可调的交流电压和频率电压和频率_整流整流 AC-DC斩波斩波 DC-DC逆变逆变 DC-AC调压、变频调压、变频 AC-AC9.1 9.1 电力电子器件简介电力电子器件简介电力电子器件电力电子器件非可控器件非可控器件可可控控器器件件整流二极管整流二极管硅对称二极管硅对

3、称二极管普通整流二极管（普通整流二极管（ZP）快恢复二极管（快恢复二极管（ZK）肖特基整流二极管（肖特基整流二极管（SBD）肖克来二极管肖克来二极管光控晶闸管光控晶闸管LATT普通晶闸管普通晶闸管SCR（KP）快速晶闸管快速晶闸管KK双向晶闸管双向晶闸管TRIAC逆导晶闸管逆导晶闸管RCT绝缘栅功率晶体管绝缘栅功率晶体管IGBT双极功率晶体管双极功率晶体管GTR功率场效应管功率场效应管Power MOSFET静电感应晶体管静电感应晶体管SIT门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOMOS控制晶闸管控制晶闸管MCT静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH非自关断器件非自关断器件（半控型）（半控型）自关

4、断器件自关断器件（全控型）（全控型）晶闸管晶闸管晶体管晶体管了解了解非可控型非可控型 : 这类器件的一端是阳极，另一端是阴极，其这类器件的一端是阳极，另一端是阴极，其开关操作仅取决于器件开关操作仅取决于器件阳、阴极间阳、阴极间所加的电压，所加的电压，加正向加正向电压导通，加反向电压关断。电压导通，加反向电压关断。半控型半控型 : 这类器件有一个门极控制端。器件要正向导通，这类器件有一个门极控制端。器件要正向导通，除了阳、阴极间加正向电压外，还需在门极和阴极间加除了阳、阴极间加正向电压外，还需在门极和阴极间加入一定的控制信号电压。入一定的控制信号电压。然而器件一但导通，控制极就然而器件一但导通，

5、控制极就失去控制作用，器件的关断无需通过门极控制。失去控制作用，器件的关断无需通过门极控制。全控型全控型 : 这类器件也有一个控制端，这类器件也有一个控制端，器件的开通和关器件的开通和关断都需要通过控制端来控制，如断都需要通过控制端来控制，如GTO和和GTR。电力电子器件按驱动方式又分为电压型和电流型：电力电子器件按驱动方式又分为电压型和电流型：电压电压型需足够的驱动电压才能导通，电流型需足够的驱动电型需足够的驱动电压才能导通，电流型需足够的驱动电流才能导通。流才能导通。双极性器件双极性器件 : 根据器件内部导电机理，凡是电子和空根据器件内部导电机理，凡是电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半

6、导体器件称为双极穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件称为双极型器件，是电流控制器件，如晶体三极管。型器件，是电流控制器件，如晶体三极管。单极性器件单极性器件 : 内部只有一种载流子（多子）参与导电，内部只有一种载流子（多子）参与导电，这类器件是电压控制器件，如场效应管。这类器件是电压控制器件，如场效应管。9.2 9.2 功率二极管功率二极管一一. . PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性二二. . 静态伏安特性静态伏安特性三三. . 主要参数及分类主要参数及分类略略 9.3 半控型器件半控型器件晶闸管（晶闸管（Thyristor） 晶闸管又称可控硅晶闸管又称可控硅（SCR)

7、（Silicon Controlled Rectifier）是实现大容量功率变换和控制的半导是实现大容量功率变换和控制的半导体器件，在整流、逆变、变频、调压和开关控体器件，在整流、逆变、变频、调压和开关控制等方面得到了广泛的应用。制等方面得到了广泛的应用。 1、晶闸管的结构、晶闸管的结构2、晶闸管的工作原理、晶闸管的工作原理3、晶闸管的伏安特性、晶闸管的伏安特性 4、晶闸管的主要参数、晶闸管的主要参数1、晶闸管的结构、晶闸管的结构A（阳极）（阳极）PPN三个三个PN结结 N四四 层层 半半 导导 体体K（阴极）（阴极）G（控制（控制极或门极）极或门极）晶闸管的结构晶闸管的结构晶闸管的符号和外形

8、晶闸管的符号和外形螺栓型螺栓型 平面型平面型VT演示实验演示实验RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)（1）晶闸管的双晶体管模型：晶闸管的双晶体管模型： 在分析晶闸管的工作在分析晶闸管的工作原理时，常将其等效为两个晶体管原理时，常将其等效为两个晶体管V1和和V2串级而成。串级而成。2、 工作原理工作原理工作过程：工作过程：UGK0 产生产生IG V2导通导通产生产生IC2 （ 2IG ） V1导通导通 IC1 （ 1IC2） IC2 强烈的正反馈：强烈的正反馈：G极失去控制作用，极失去控制作用，V1和和V2完全饱完全饱和，晶闸管饱和

9、导通。和，晶闸管饱和导通。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)6v通过晶闸管的电流为通过晶闸管的电流为EA/R。UAK之间的压降相当于之间的压降相当于一个一个PN结加上三极管的饱和压降约为结加上三极管的饱和压降约为1V。此后，。此后，即使即使IG变为变为0，即，即S断开，也不能解除正反馈，断开，也不能解除正反馈，G极极失去控制作用。失去控制作用。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)（2）晶闸管导通与断开的规律：晶闸管导通与断开的规律：1）当）当UAK0时，无论时，无论

10、UGK如何，晶闸管处于关断状态如何，晶闸管处于关断状态2）当）当UGK0时，如果控制极开路，晶闸管处于关断态时，如果控制极开路，晶闸管处于关断态4）当当UAK0， 且且UGK0时，晶闸管才能够导通，导通时，晶闸管才能够导通，导通 后管压降后管压降UAK为为1V左右左右 5）晶闸管导通以后控制极就失去了控制作用晶闸管导通以后控制极就失去了控制作用，无论，无论 UGK为正还是为负，晶闸管仍保持导通，所以控制为正还是为负，晶闸管仍保持导通，所以控制 信号只需正的触发脉冲即可信号只需正的触发脉冲即可晶闸管导通的两个必备条件：晶闸管导通的两个必备条件： 阳极加正向电压，控制极加正向触发脉冲信号阳极加正向

11、电压，控制极加正向触发脉冲信号 阳极电流不小于维持电流阳极电流不小于维持电流IH7）当控制极未加触发电压时，晶闸管具有正向）当控制极未加触发电压时，晶闸管具有正向（ UAK0 ）及反向（）及反向（ UAKIG2 UBRURRM UAKGVT （1） IG=0时：时： 器件两端施加正向电压，晶闸管处器件两端施加正向电压，晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过；于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过；正向电压超过临界极限即正向转折电压正向电压超过临界极限即正向转折电压UBo，则漏，则漏电流急剧增大，器件开通；电流急剧增大，器件开通； （3）导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相似；）导

12、通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相似； （2） 随随IG增大，正向转折电压降低；增大，正向转折电压降低；（4） 晶闸管本身的导通压降很小，在晶闸管本身的导通压降很小，在1V左右；左右；（5） 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至降至IH值以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。值以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称称为维持电流。为维持电流。UBO：正向转折电压：正向转折电压在控制极断路时，加至晶闸管的正向电压增大到使晶在控制极断路时，加至晶闸管的正向电压增大到使晶闸管由阻断转为正向导通的临界极限值。强制导通，闸管由阻断转为正向导通的临界极限值。强

13、制导通，容易造成器件不可恢复性损坏。容易造成器件不可恢复性损坏。四、主要参数四、主要参数UDRM：正向重复峰值电压：正向重复峰值电压在控制极断路、晶闸管正向阻断（断态）而且晶闸管在控制极断路、晶闸管正向阻断（断态）而且晶闸管的结温为额定值时，可重复加在晶闸管两端的正向峰的结温为额定值时，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。值电压。 UDRM0.8UBO ，UDRM 为为 100V-3000V。UBR：反向击穿电压：反向击穿电压在控制极断路时，加至晶闸管的反向电压增大到使在控制极断路时，加至晶闸管的反向电压增大到使晶闸管由阻断转为反向击穿导通的临界极限值。晶闸管由阻断转为反向击穿导通的临界极限值

14、。额定电压：额定电压： UDRM和和URRM中较小的一个。在选用管中较小的一个。在选用管子时额定电压应为正常工作峰值电压的子时额定电压应为正常工作峰值电压的23倍。倍。ITa：额定正向平均电流：额定正向平均电流 在规定的环境温度（在规定的环境温度（400C）、）、标准散热和全导通的条件下，允许连续通过的工频正标准散热和全导通的条件下，允许连续通过的工频正弦弦半波半波电流在一个周期内的平均值，见下页图。普通电流在一个周期内的平均值，见下页图。普通晶闸管的晶闸管的ITa 为为1A-1000A。选管时通态平均电流应为选管时通态平均电流应为正常工作电路中平均电流值的正常工作电路中平均电流值的1.52倍

15、。倍。URRM：反向重复峰值电压：反向重复峰值电压 在控制极断路且晶闸在控制极断路且晶闸管的结温为额定值时，可重复加在晶闸管两端的反管的结温为额定值时，可重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，向峰值电压，URRM0.8 UBR。普通晶闸管的。普通晶闸管的URRM为为100V-3000V。0 2 ImITa晶闸管通态平均电流晶闸管通态平均电流 timmTaIttdII)(sin02122102mmItdtII)()sin(正弦半波平均值正弦半波平均值正弦半波有效值正弦半波有效值波形系数：波形系数：dfIIK平均值有效值5712.TafIIK即额定电流为即额定电流为100A的晶闸管，允许通过的电流有效

16、值为的晶闸管，允许通过的电流有效值为157A。据电流有效值相等据电流有效值相等TadfIIK57.1则额定则额定100A的晶闸管所允许通的晶闸管所允许通过不同波形电流的平均值为过不同波形电流的平均值为ffTadKKII15757.12 /3IH：维持电流：维持电流 在规定的环境温度（在规定的环境温度（400C）和控制极断路时，维持晶闸管继续导通的最和控制极断路时，维持晶闸管继续导通的最小电流。小电流。I IH时，晶闸管自动关断。时，晶闸管自动关断。 IH一般为几十毫安。一般为几十毫安。IL：擎住电流：擎住电流 从断态转入通态所需的最小电流，从断态转入通态所需的最小电流，IL=(24)IH 。门

17、极触发电流门极触发电流IGT 阳极电压为直流阳极电压为直流6V 时使晶闸时使晶闸管由断态转入通态所必须的最小门极电流。管由断态转入通态所必须的最小门极电流。门极触发电压门极触发电压UGT 产生门极触发电流所必须的产生门极触发电流所必须的最小门极电压。最小门极电压。晶闸管型号晶闸管型号通态平均电压组别，共九级，通态平均电压组别，共九级，用字母用字母AI表示表示0.41.2额定电压，常用百位数表示额定电压，常用百位数表示额定正向平均电流（额定正向平均电流（ITa）晶闸管晶闸管K晶闸管类型晶闸管类型P-普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管S -双向晶闸管双向晶闸管其它参数了解其它参数了解其它

18、晶闸管了解其它晶闸管了解 阳极承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，阳极承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；晶闸管都不会导通；小小 结结正常工作状态下：正常工作状态下：阳极承受正向电压时，当门极有触发电流时，晶闸阳极承受正向电压时，当门极有触发电流时，晶闸管才能导通；管才能导通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，断开（或降低）阳极电压，使晶要使晶闸管关断，断开（或降低）阳极电压，使晶闸管的电流降到维持电流闸管的电流降到维持电流IH以下以下 ；或给阳、阴极间；或给阳、阴极间加反相电压。加反相电压。从这个角度可以看出，晶

19、闸管是一种电流控制型的电从这个角度可以看出，晶闸管是一种电流控制型的电力电子器件。力电子器件。五五. 特殊晶闸管特殊晶闸管1. 快速晶闸管和高频晶闸管：快速晶闸管和高频晶闸管：主要用于斩波电路和高频主要用于斩波电路和高频逆变电路中。普通晶闸管的关断时间为几百微秒，快速晶逆变电路中。普通晶闸管的关断时间为几百微秒，快速晶闸管为几十微秒，而高频晶闸管为闸管为几十微秒，而高频晶闸管为10 s左右。左右。2. 双向晶闸管：双向晶闸管：由一对反并联连接的普通晶闸管构成由一对反并联连接的普通晶闸管构成。双向晶闸管通常用在交流电路中进行调压，因此不用双向晶闸管通常用在交流电路中进行调压，因此不用平均值而用有

20、效值表示它的额定电流。平均值而用有效值表示它的额定电流。3. 逆导晶闸管：逆导晶闸管：逆导晶闸管等效于集成在一起的反并联逆导晶闸管等效于集成在一起的反并联的普通晶闸管和整流管构成的普通晶闸管和整流管构成。4. 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）：）：普通晶闸管只能用门极普通晶闸管只能用门极正信号触发其导通，而不能用门极信号控制其关断，即无正信号触发其导通，而不能用门极信号控制其关断，即无自关断能力或称半控型器件，只有设置专门的换流电路，自关断能力或称半控型器件，只有设置专门的换流电路，改变阳极电压极性才能关断普通晶闸管改变阳极电压极性才能关断普通晶闸管。而。而GTO可以像可以像普通普

21、通SCR那样施加正的门极信号导通，但那样施加正的门极信号导通，但它可以用负的门它可以用负的门极信号关断，它是一种有自关断能力的全控型器件。极信号关断，它是一种有自关断能力的全控型器件。 9.4 功率晶体管功率晶体管功率晶体管（功率晶体管（GTR）内部电流由两种载流子运）内部电流由两种载流子运动形成，即双极性晶体管，具有较低的电流增益，动形成，即双极性晶体管，具有较低的电流增益，要维持在通态必须用基极连续的电流作为驱动信要维持在通态必须用基极连续的电流作为驱动信号。当撤去这个信号，晶体管自动关断。因此，号。当撤去这个信号，晶体管自动关断。因此，它是一种全控型器件。它是一种全控型器件。开关特性开关

22、特性：饱和导通（开关闭合）；：饱和导通（开关闭合）； 截止（开关断开）。截止（开关断开）。RC功率达林顿管功率达林顿管：复合管复合管,以减小驱动电流。以减小驱动电流。例例如集电极电流为如集电极电流为100A的功率晶体管在饱和模的功率晶体管在饱和模式中大约需要式中大约需要10A的连续基极电流。将两个的连续基极电流。将两个管子复合以后，驱动晶体管的输入基极电流管子复合以后，驱动晶体管的输入基极电流一般只需要一般只需要300500mA。两个二极管加速开关过程两个二极管加速开关过程功率晶体管（功率晶体管（GTR）的主要参数：）的主要参数：电流定额、电流定额、电压定额（电压定额（P36-P37自看）。自

23、看）。GTR的感性负载开关与缓冲电路的感性负载开关与缓冲电路: （了解）（了解） 。减小集电极过电流和集射极过电压。减小集电极过电流和集射极过电压。GTR的基极驱动电路：的基极驱动电路：总的要求是总的要求是开通时要开通时要过驱动；正常导通时要浅饱和；关断时发射结过驱动；正常导通时要浅饱和；关断时发射结要反向偏置。要反向偏置。具体驱动电路了解。具体驱动电路了解。GTR的二次击穿：的二次击穿：当晶体管的当晶体管的UCE电压超过电压超过BUCEO时，时，IC电流突然增大，即一次击穿。若电流突然增大，即一次击穿。若一次击穿后，集电极电流继续增加，当一次击穿后，集电极电流继续增加，当IC上升上升到某一临

24、界值，晶体管到某一临界值，晶体管UCE电压突然下降，电压突然下降，IC仍继续增长，出现负阻效应，这个现象称为二仍继续增长，出现负阻效应，这个现象称为二次击穿。参看教材次击穿。参看教材P41图图9.4-14曲线。曲线。GTR二次击穿临界功率：二次击穿临界功率： PSB=USB. ISB 9.5 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（MOSFET）：）：是电压控制是电压控制的一种载流子导电的器件，有很高的开关频率，的一种载流子导电的器件，有很高的开关频率，驱动电流极小，无二次击穿现象。分驱动电流极小，无二次击穿现象。分N沟道、沟道、P沟道，增强型、耗尽型。沟道，增强型、耗尽型。转移特性转移特性UGSID0UGS(th)漏极特性曲线漏极特性曲线饱和区饱和区功率功率MOSFET：是目前电力电子器件中开关频：是目前电力电子器件中开关频率最高的，约为几千率最高的，约为几千KHz。与双极晶体管相比，其特点有：与双极晶体管相比，其特点有： 输入阻抗很高（可达输入阻抗很高（可达10109 9 10101515），基本上不），