第2章 电力电子器件

1、l引言引言l第一节第一节 功率二极管功率二极管l第二节第二节 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件l第三节第三节 可关断晶闸管可关断晶闸管l第四节第四节 双极型功率晶体管双极型功率晶体管l第五节第五节 功率场效应管功率场效应管l第六节第六节 绝缘栅双极型功率晶体管绝缘栅双极型功率晶体管l第七节第七节 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTl第八节第八节 功率集成电路功率集成电路l第九节第九节 电力电子器件的串并联电力电子器件的串并联l第十节第十节 电力电子器件的保护驱动电路电力电子器件的保护驱动电路l小结小结l电力半导体器件是现代电力电子设备的核心核心。它们以开关阵列的形式应用于电力变流

2、器中,把相同频率或不同频率的电能进行交-直(整流器)、直-直(斩波器)、直-交(逆变器)和交-交变换。l开关模式的电力电子变换具有较高的效率 ,不足之处是由于开关的非线性而同时在电源端和负载端产生谐波产生谐波。l开关不是理想的 ,它们都具有导通和开关损导通和开关损耗耗。l 1）电力半导体器件的价格不超过30%, 但是整台设备的价格和性能在很大程度上受到这些器件特性的影响。l2）要设计出高效、可靠、性价比高的系统 , 必须对器件及其特性有深入的了解。l3）现代电力电子技术基本上是随着电力半导体器件的发展而发展起来的。l4）微电子领域的发展对电力半导体器件的材料、加工、制造、封装、建模和仿真等方面

3、产生了巨大的影响。l 电力半导体器件几乎完全是建立在半导体材料半导体材料的基础上的基础上 ,它们可以归为以下几类 :l1 ） 功率二极管 ;l2 ） 晶闸管(SCR)及派生器件 ;l3 ） 电力晶体管(GTR)；l4 ） 门极关断晶闸管(GTO)；l5 ） 电力MOSFET;l6 ） 绝缘栅双极型晶体管(IGBT); l7 ） 集成门极换流晶闸管(IGCT)l8） 其它功率半导体器件等。 1一、功率二极一、功率二极管工作原理和管工作原理和静态伏安特性静态伏安特性2二、功率二极二、功率二极管的动态特性管的动态特性3三、功率二极三、功率二极管的参数管的参数4四、功率二极四、功率二极管的主要类型管的

4、主要类型l功率二极管(Power Diode)从20世纪50年代初期就获得应用。l 是不可控器件不可控器件，但其结构简单，工作可靠，因而直到现在功率二极管仍然大量用于许多电气设备当中。l目前已形成普通整流管、快恢复整流管和肖普通整流管、快恢复整流管和肖特基整流管特基整流管等三种主要类型。l特别是快恢复二极管和肖特基二极管，仍分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。 l典型的正向导通压降正向导通压降是 1.0V。 该压降会引起导通损耗 ,因此必须用适当的散热片对器件进行冷却以限制结温。l如果反向电压超过一个阀值 ,器件就会发生雪崩式的击穿 ,这时反向电流变大 ,二极

5、管由于结内的大量功率损耗而过热毁坏 ,这个阙值称为击穿电压击穿电压。图2-1a)功率二极管符号b)伏安特性c)理想特性比较其工作时的电压和电流的变化，我们可以得到它的理想伏安特性伏安特性，如图2-1c)所示。由于功率二极管的导通速度相对电力电路的暂态变化过程来说要快得多，因此，可把功率二极管看成理想开关理想开关。 l半导体中有两种载流子：电子和空穴，这半导体中有两种载流子：电子和空穴，这两种载流子的定向运动会引起导电电流。两种载流子的定向运动会引起导电电流。l由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动由于载流子的浓度梯度而引起的定向运动扩散运动（扩散电流）扩散运动（扩散电流）l由于电场而引起的定向运

6、动由于电场而引起的定向运动漂移运动漂移运动（漂移电流）（漂移电流）v扩散电流是半导体中载流子的一种特殊运动扩散电流是半导体中载流子的一种特殊运动形式，是由于载流子的浓度差而引起的，扩散形式，是由于载流子的浓度差而引起的，扩散运动总是从浓度高的区域向浓度小的区域进行运动总是从浓度高的区域向浓度小的区域进行在多子为电子的在多子为电子的N型半导体或多型半导体或多子为空穴的子为空穴的P型半导体两端外加型半导体两端外加电压电压V，在电场，在电场E的作用下，的作用下，空空穴将沿电场方向运动穴将沿电场方向运动，电子将电子将沿与电场相反方向运动沿与电场相反方向运动EV（一） 空空间间电电荷荷区区(space

7、charge region) 在在NN型型和和P P型型半半导导体体的的界界面面两两侧侧，明明显显地地存存在在着着电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度差差，导导致致载载流流子子的的扩扩散散运运动动：P P型型半半导导体体中中空空穴穴NN区区扩扩散散与与NN区区中中电电子子复复合合 P P区区留留下下负负离离子子NN区区生生成成正正离离子子 NN 型型半半导导体体中中电电子子（多多子子）P P 区区扩扩散散与与 P P 区区空空穴穴复复合合 NN 区区留留下下正正离离子子P P 区区生生成成负负离离子子。 NN 区区则则为为正正 P P 区区则则为为负负形形成成内内建建电电场场 E伴伴随随着着扩扩散

8、散和和复复合合运运动动在在PN结结界界面面附附近近形形成成一一个个空空间间电电荷荷区区： 内内建建电电场场 形形成成少少子子的的漂漂移移运运动动 NN区区中中空空穴穴P P区区 P P区区中中电电子子NN区区消弱消弱内建电场内建电场ENP+-ENP+- 显显然然半半导导体体中中多多子子的的扩扩散散运运动动和和少少子子的的漂漂移移运运动动是是一一对对矛矛盾盾运运动动的的两两个个方方面面：多多 子子 扩扩 散散 运运 动动空空间间电电荷荷区区 内内建建电电场场E E少少子子漂漂移移结结果果：多多子子扩扩散散运运动动 少少子子的的漂漂移移 扩扩散散电电流流 漂漂移移电电流流热平衡（动态平衡）热平衡（

9、动态平衡） PN 结结中中总总电电流流为为零零。空空间间电电荷荷区区宽宽度度稳稳定定形形成成 PN 结结。RUNP+-U UiDUU-U-U正正向向偏偏置置外外电电场场削削弱弱内内电电场场 势势垒垒降降低低阻阻挡挡层层变变窄窄破破坏坏P PNN结结动动态态平平衡衡扩扩散散运运动动占占优优势势漂漂移移减减弱弱扩扩散散电电流流Di较较大大。扩扩散散电电流流的的全全过过程程：电电子子由由电电源源负负极极NN 区区 P PNN 结结P P 区区P P 区区空空穴穴复复合合电电源源正正极极向向 P P 区区提提供供空空穴穴扩散扩散iDiDiDiD+_NP+-RUUiRU NP+-UU+U+UiRiRiR

10、iR反反向向偏偏置置：外外电电场场与与内内建建电电场场方方向向一一致致P PNN 结结势势垒垒提提高高 （阻阻挡挡层层变变宽宽）漂漂移移占占优优势势扩扩散散减减弱弱漂漂移移电电流流 iR很很小小。 由由于于反反向向漂漂移移电电流流是是少少数数载载流流子子漂漂移移形形成成的的电电流流，而而少少数数载载流流 子子浓浓度度很很低低，故故反反向向电电流流远远小小于于正正向向电电流流，即即 iD|iR| +_开关特性开关特性 反映通态和断态之间的转换过程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。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。动态特性动态特性因结电容的存在

11、，三种状态（零偏置、正向偏置、反向偏置）之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流随时间变化的特性称为动态特性。rdCJ开通过程开通过程：电力二极管的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）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tFR。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。电导调制效应：PN结上流过的正向电流较小时，PN结呈现的阻值较高且为常数，因而管压降随着正向电流的上升而增加； PN结上流过的正向电流较大时， PN结呈现的阻值率明显下降

12、，也就是电导率大大增加。l图2-2a)给出了电力二极管由零偏置转为正向偏置时动态过程的波形。可以看出，在这一动态过程中，电力二极管的正向压降会出现一个电压过冲UFP，经过一段tFR时间才出现趋于接近稳态压降值。 v 图2-2b给出了电力二极管由正向偏置转为反向偏置时动态过程的波形。当原处于正向导通的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该电力二极管不能立即关断，而是需经过一段短暂的时间才能进入截止状态。 图2-2功率二极管的动态过程波形 a）开通过程波形 b）关断过程波形tRR t=0时刻外加电压突然由正向变为反向，正向电流在此反向电压作用下开始下降，下降速率由反向电压大小和电路中的电感决

13、定，而管压降由于电导效应基本变化不大，直至正向电流降为零时刻t0。此时电力二极管由于PN结两侧储存有大量少子的缘故而并没有恢复反向阻断能力，这些少子在外加反向电压的作用下被抽取出电力二极管，因而流过较大的反向电流。当空间电荷区附近储存的少子即将被抽取尽时，管压降变为负极性，于是开始抽取空间电荷区较远的浓度较低的少子。因而在管压降极性改变后不久的t1时刻，反向电流从其最大值IRP开始下降，空间电荷区开始展宽，电力二极管重新恢复对反向电压的阻断能力。在t1时刻以后，由于反向电流迅速下降，在外电路电感的作用下会在电力二极管两端产生比外加反向电压大得多的反向电压过冲URP。在电流变化率接近零的t2时刻

14、（约为25%IRP），电力二极管两端承受的反向电压才降至外加的反向电压大小，电力二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。时间td=t1-t0称为延迟时间，tf=t2-t1称为电流下降时间，因而时间tRR=td+tf称为电力二极管的反向恢复时间。出现电压过冲的原因是（1）电导调制效应起作用，正向电流较小时，电阻为常数，管压降随正向电流的上升而增加；（2）正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率di/dt越大，UFP越高。2vFu1. 正向平均电流正向平均电流IF(A V) 额定电流额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值

15、正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小指定条件是：环境温度+400，规定的冷却条件，单相半波整流电路为电阻负载，导通角不小于1700，结温TJM通常在1251750之间。2. 正向压降正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对电力

16、二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定 4. 最高工作结温最高工作结温TJM结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温最高工作结温是指在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。5. 反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。6. 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 u按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性

17、的不同介绍。u在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。u性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。1. 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）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s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。n恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 s以下）的二极管，也简称快速二极管n工艺上多采用了掺金措施n有的采用PN结型结构n有的采用改进的PiN结构 l从性能上可分为快速恢

18、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100ns以下，甚至达到2030ns。 l采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下2. 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）3. 肖特基二极管肖特基二极管p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 DiodeSBD），简称为肖特基二极管p20世纪80年

19、代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的肖特基二极管的优点优点l反向恢复时间很短（1040ns）l正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲l在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管l其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高肖特基二极管的肖特基二极管的弱点弱点l当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于于200V以下以下l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，而且必须更严格地限制其工作温度一、晶闸管一、晶闸管的工作原理的工作原理和静态伏安和静态伏安特性特性五

20、、双五、双向晶闸向晶闸管管二、晶闸二、晶闸管的动态管的动态特性特性 三、功率三、功率损耗和热损耗和热阻抗阻抗四、四、电电流额定流额定值值u晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）u1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管u1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品u1958年商业化u开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代u20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代u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u晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类

21、型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 u本节将主要介绍普通晶闸管的工作原理、基本特性和主要参数，然后简要介绍其一种派生器件双向晶闸管。 1、晶闸管的常见封装外形有螺栓型和平板型两种封装：引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端(三端器件）；对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图2-00 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AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J32、晶闸管的其它封装形式： 还有塑封和模块式两种封装。3、晶闸管的管耗和散

22、热： 管耗流过器件的电流器件两端的电压 管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。 冷却方式： 自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷简单描述晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。图200 晶闸管的工作条件的试验电路解释解释当SCR的阳极和阴极电压UAK0时，只有EGk0，SCR才能正常导通。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 同时UGK0（正常导通条件） 由导通关断的条件：使流过SCR

23、的电流降低至维持电流以下。 (一般通过减小EA，直至EA0来实现。）（教材上提出降低正向阳极电压的提法有些不妥，因为此时UAK一直保持在1V左右）晶闸管的双晶体管模型0CBECIIIECII ： 共基极电流增益共基极电流增益忽略忽略ICB0，则有：，则有：晶体管直流电流放大关系：晶体管直流电流放大关系： ICBO：共基极漏电流：共基极漏电流Ic1= 1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2= 2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 （1-4） )(121CBO2CBO1G2AIIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P

24、1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管工作原理：晶闸管工作原理：外加反向电压外加反向电压（UA UK）（1-5） 晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，是很小的，而当发射极电流建立起来之后，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。 外加外加正向电压正向电压（UA UK）门极未加电压门极未加电压，IG=0， 1+ 2 很小。流过晶闸管的漏电流很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和，晶闸管稍大于两个晶体管漏电流之和，晶闸管正向阻断正向阻断状态。状态。)(121CBO2CBO1G2AIIII 开通（门极触发）：在晶闸管门极加正向触发脉冲

25、。开通（门极触发）：在晶闸管门极加正向触发脉冲。)(121CBO2CBO1G2AIIII IG（IB2）IC2 （IB1） IC1 （IB2） 门极触发注入触发电流使晶体管的发射极门极触发注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致电流增大以致 1+ 2 趋近于趋近于1，流过晶闸管的，流过晶闸管的电流电流 IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。和导通。UAK 很小（很小（1V左右）左右）IA实际由外电路实际由外电路决定。决定。 一管基极电流能维持另一管的饱和，此时除去门极正向一管基极电流能维持另一管的饱和，此时除去门极正向电压晶闸管仍导通。（电压晶闸管仍导

26、通。（不可控不可控）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。晶闸管通断规律：晶闸管通断规律：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（反向阻断）闸管都不会导通。（反向阻断）承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断状态。向阻断状态。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（不可晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（不可控）。控）。要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流于零的某一数值（维持电流

27、IH）以下）以下。 （P6）承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）下晶闸管才能开通。（正向导通） 其他几种可能导通的情况（属于非正常导通）其他几种可能导通的情况（属于非正常导通）：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高结温较高结温较高 以上三种情况，因不易控制，难以应用于实践。以上三种情况，因不易控制，难以应用于实践。光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝光触发可以保证控制电路与

28、主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管光控晶闸管。 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段的控制手段晶闸管的基本特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第第I象限的是正向特性象限的是正向特性第第III象限的是反向特性象限的是反向特性1 . 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 随着门极电流幅值的增大，正向随着门极电流幅值

29、的增大，正向转折电压降低转折电压降低 IG=0时，器件两端施加正向电压，时，器件两端施加正向电压，正向阻断正向阻断状态，只有很小的正向状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界漏电流流过，正向电压超过临界极限即极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电，则漏电流急剧增大，器件流急剧增大，器件开通开通 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右左右 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回

30、到正向阻以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。断状态。IH称为称为维持电流维持电流。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性反向特性2 . 门极伏安特性：门极伏安特性： 门极电流门极电流 IG 与门极和阴与门极和阴 极之间电压极之间电压UGK的关系。的关系。 晶闸管的门极和阴极之晶闸管的门极和阴极之 间是间是PN结结J3，其伏安特，其伏安特 性称为性称为门极伏安特性门极伏安特性。 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门极触发电

31、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加触发电压而产生的极限高阻极限高阻伏安特性伏安特性极限低阻极限低阻伏安特性伏安特性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：门极触发电流 UGT ：门极触发电压：门极触发电压 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，触发电为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、

32、电流和功率应限路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区制在可靠触发区。（1） 开通过程开通过程延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时刻：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值开始，到阳极电流上升到稳态值的的10%的时间的时间上升时间上升时间tr：阳极电流从：阳极电流从10%上上升到稳态值的升到稳态值的90%所需的时间所需的时间开通时间开通时间tgt以上两者之和，以上两者之和， tgt=td+ tr （1-5）普通晶闸管延迟时间为普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为，上升时间为0.53 s二、晶闸管的动态特性 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反正向

33、电流降为零到反向恢复电流衰减至接向恢复电流衰减至接近于零的时间近于零的时间（2）关断时间）关断时间正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还向电压的阻断能力还需要一段时间需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通压，晶闸管会重新正向导通 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作靠工作关断时间关断时

34、间tq：trr与与tgr之和，即之和，即 tq=trr+tgr （1-6） 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。l在图2-5a)的简单电路中，当电源电压为正半周正半周时，施加门极控制信号，晶闸管立即导通，此时有主电流IA流过。当电源电压为负半周负半周时，晶闸管中主电流趋于反方向。从图2.5b)所示波形看到，tT/2 时，理想晶闸管中的电流波形应立即为零。l实际上，晶闸管中的电流如图2.5c)所示，在主电流保持为零之前会出现反向电流的情况。电流从负值到零值的时间trr并不是晶闸管的重要参数，我们所关心的晶闸管的关断时间tq。l在tq期间，为保证晶闸管可靠关断，器件两端

35、必须保持一定时间的反向电压，只有这样晶闸管才能恢复阻断正向电压的能力。否则在关断时间之前，又施加正向电压，可能会在没有控制信号触发的条件下，晶闸管过早的导通，引起器件本身或电路的损坏。动态损耗动态损耗这两部分属于这两部分属于静态损耗静态损耗导通时器件上有一定导通时器件上有一定的通态压降，形成的通态压降，形成通态损耗通态损耗阻断时器件上有微小阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，的断态漏电流流过，形成形成断态损耗断态损耗 在器件开通或关断的转换过程在器件开通或关断的转换过程中产生中产生开通损耗开通损耗和和关断损耗关断损耗，是是动态损耗动态损耗 还有还有扩展损耗扩展损耗和和过渡损耗过渡损耗，也是也是

36、动态损耗动态损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一成器件发热的原因之一 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损通态损耗是器件功率损耗的主要成因耗是器件功率损耗的主要成因 器件开关频率较高时，器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增大而可能会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素成为器件功率损耗的主要因素 l晶闸管和二极管一样有明显的导通损耗 , 但是其开关损耗(稍后讨论)非常小。l器件的规格说明一般给出了在正弦和不同占空比的矩形波电流情况

37、下的功率损耗。l图2-6给出了在矩形波电流情况下的功率损耗特性，反向阻断损耗和门极电路损耗也包括在图中。这些曲线适用的最大电源频率为400Hz。l结附近功率损耗产生的热量流向外壳 ,然后通过外装的散热器发散到周围,引起结温TJ的升高。l一个器件的最大TJ 必须受到限制，因为它会对器件的性能产生负面影响。对于稳定的功率损耗P，TJ 可以通过下式来计算 :lTA是环境温度; JC、CS和SA分别代表结与外壳之间、外壳与散热器之间、以及散热器和周围环境之间的热阻。SA由冷却系统的设计决定 , 冷却的方法可以包括散热器加自然对流冷却、强制空气冷却和强制液体冷却。 JAJCCSSATTP（）(2-3)

38、l从式 (2-3)明显可以看出,对于一个限定TJmax(通常是 125), 通过减小SA可以增加允许功耗P。l这就意味着更高效率的冷却系统会增加散热能力，也就是增加器件的能量处理能力SA =0表示一个无穷大散热器 , 即外壳温度TC=TA。 l在实际运行中,功率损耗P是循环的 , 而热容或存储效应延迟了结温的升高,从而允许器件带更大的负载。l瞬态热等效电路可以用一个并联的RC电路来表示,其中P等效为电流源,而其在电路上产生的电压代表温度TJ。 l图2-7a)给出了单个脉冲功率损耗对应的TJ 曲线。再考虑到加热和冷却曲线的性质,我们可以写出下列等式 :l式中 , (tl) 是 tl 时刻的瞬态热

39、阻抗。器件规格表通常会给出结和外壳之间的 热阻抗。如果需要 , 还可以加上散热器引起的附加效应。 11( )( )AtTPtJT2221( ) ( )()AtTPtttJT(2-4) (2-5) l如果需要,还可以加上散热器引起的附加效应。图2-7b)显示了三个重复脉冲的典型结温曲线。对应的可以通过叠加原理表示为333132( ) ( )()()JAT tTPttttt11( )( )JAT tTPt5551525354( ) ( )()()()()JAT tTPttttttttt(2-6) (2-7) (2-8) l图2-8为一个晶闸管 (CM4208A2 型 ) 的瞬态热阻抗 JC(t)

40、随时间的变化曲线。该器件额定热阻抗为JC =0.8 /W, SC =0.2 /W 。l请注意 , 这里讨论的器件冷却和热阻抗的概念同样适用于所有电力半导体器件。 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) 晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，稳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。半波电流的平均值。 决定晶闸管容许电流大小的是温度，即管芯决定晶闸管容许电流大小的是温度，即管芯PN结结的温度。的温度。 造成发热的原因是损耗。主要是造成发热的原因是损耗。主要是通态损耗通态损耗

41、，希望，希望正向压降小些；其次是断态损耗，希望正向压降小些；其次是断态损耗，希望IDRM和和IRRM小小些；还有开关损耗，工作频率要加以考虑；门极损耗些；还有开关损耗，工作频率要加以考虑；门极损耗通常较小。通常较小。晶闸管正向电流愈大，晶闸管正向电流愈大，通态损耗通态损耗愈大。愈大。四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数波形不同，其有效值相等时，相对应的平均值却不同。波形不同，其有效值相等时，相对应的平均值却不同。同一管子同一管子在在不同波形不同波形条件下，能达到的最大条件下，能达到的最大平均值将不同平均值将不同。电流额定值是按平均值标定的。但是，实际工作的最大电流电流额定值是按平均值标定的

42、。但是，实际工作的最大电流平均值不能简单地以电流额定值来确定。平均值不能简单地以电流额定值来确定。电流波形不同，平均值和有效值的关系也不一样。因此要进行电流波形不同，平均值和有效值的关系也不一样。因此要进行换算。换算。换算的原则换算的原则是电流是电流有效值有效值相等。相等。有效值相等，发热相同。有效值相等，发热相同。整流输出关心平均值，因此额定电流按平均值标定整流输出关心平均值，因此额定电流按平均值标定但是与发热成比例关系的是有效值。但是与发热成比例关系的是有效值。波形系数：波形系数：fK有效值有效值平均值平均值dII有效值：有效值：2)()(2120VTmmItdtSinII平均值：平均值：

43、mmAVdItdtSinIII0)(F)(21波形系数：波形系数：57. 122)(FVTmmAVfIIIIK额定值的波形系数：额定值的波形系数：变换方法：变换方法：额定波形条件下的电流有效值：额定波形条件下的电流有效值： I额定额定 =1.57 IF（AV）某种波形的电流有效值：某种波形的电流有效值： I =Kfd Ifd有效值相等：有效值相等： Kf Id =1.57IF（AV）)(Fd57. 1AVfdIKI 使用时应按使用时应按实际电流实际电流与与通态通态平均电流平均电流有效值有效值相等相等的的原则原则来选取晶闸管来选取晶闸管应留一定的裕量，一般取应留一定的裕量，一般取1.52倍倍计算

44、中常用的积分式：计算中常用的积分式：CuSinuduuSin241212用于有效值计算：用于有效值计算：CCosuduSinu用于平均值计算：用于平均值计算：矩形波有效值：矩形波有效值：NItdIImNm202)(21矩形波平均值：矩形波平均值：NItdIImNmd20)(21周期的周期的 N1周期的周期的 N14) 浪涌电流浪涌电流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的不重复性最大正向过载电流2) 维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安

45、，与结温有关，结温越高，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则则IH越小越小3) 擎住电流擎住电流 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， 能维能维持导通所需的最小电流持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍倍正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM电压定额电压定额1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。正向峰

46、值电压。2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为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。额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件的额定中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍 断态不重复峰值电压断态不重复峰值电压UDSM断态最大瞬时电压。一断态最大瞬时电压。一般般UDRM=UDSM90%，即，即，UDRMUDSM3

47、) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定晶闸管通以某一规定倍倍 数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。l双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。其电路符号如图2-10a)所示。l有两个主电极T1和T2，一个门极G。门极使主电路的正向和反向均可触发导通，因此双向晶闸管可通过施加正负门极电流脉冲来控制主电路双向导通。l双向晶闸管的伏安特性如图2-10b)所示。在第和第III象限有对称的伏安特性。 图2-11为一个使用双向晶闸管的常用白炽灯灯光调节电路及相应的波形。双向晶闸管的门极通过一个两端交流开关(一种对

48、称电压阻断器件)从RC电路中集到驱动脉冲。电容电压落后于线路电压。当超过两端交流开关(Diac)的阈值电压Vs时,对应极性的电流脉冲就会在角度时触发双向晶闸管, 在负载产生一个交流全波相控的输出。触发延迟角可以通过改变电阻进行调节，以控制灯光的强度。 逆导晶闸管（RCT）：1）是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，它不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通；2）与普通晶闸管相比，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，主要用于不需要阻断反向电压的变换电路中3）逆导晶闸管的额定电流有2个，一个是晶闸管的额定电流，另一个是与之并联的二极管的额定电流。光

49、控晶闸管（LTT）：也称为光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。GTO的工作原理的工作原理和静态伏安特性和静态伏安特性GTO的关断特的关断特性性一一二l门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（GateTurnOff Thyristor GTO），也是晶闸管的一种派生器件，但可以通过门极加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控器件。lGTO容量最大、工作频率最低(12kHz)。lGTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流；lGTO通态压降大、du/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。l目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在

50、大功率电力牵引中有明显优势；它也必将在高压领域占有一席之地。a）并联单元结构断面示意图）并联单元结构断面示意图b）电气符号）电气符号1）图a所示为可关断晶闸管GTO并联单元结构断面示意图，图b为电路符号。3）同普通晶闸管一样，GTO也可由门极脉冲触发导通。4）GTO一旦导通，再无任何门极脉冲作用下仍保持导通态。与晶闸管不同的是，GTO能够在负的门极电压作用下引起足够大的负门控电流而关断。2）GTO是一种多元的功率集成器件开通过程需要经过延迟时间开通过程需要经过延迟时间td和上升时间和上升时间tr，即开通时间为：，即开通时间为：ton= td+tr关断过程需要经历抽取饱和导通时储存的大量载流子的

51、时关断过程需要经历抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间间储存时间储存时间ts，从而使等效晶体管退出饱和状态；，从而使等效晶体管退出饱和状态；然后是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐然后是等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间减小时间下降时间下降时间tf。最后还有残存载流子复合所需。最后还有残存载流子复合所需时间时间尾部时间尾部时间tt。GTO的关断时间，包括储存时间和下降时间，一般不包的关断时间，包括储存时间和下降时间，一般不包括尾部时间，即括尾部时间，即toff=ts+tf1）最大可关断电流）最大可关断电流IATO：用来标定：用来标定GTO的额定电流，的额定电流，与普通晶

52、闸管用通态平均电流作为额定电流是不同的。与普通晶闸管用通态平均电流作为额定电流是不同的。2）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：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值之比。冲电流最大值之比。off=IoffICM。off一般只有一般只有5左右。左右。当关断电流是当关断电流是1000A时，则用于关断时，则用于关断GTO的门极负脉冲的门极负脉冲电流峰值要达到电流峰值要达到200A，这是，这是GTO的一个缺点。的一个缺点。3）开通时间）开通时间ton：GTO的开通时间为延迟时间和上升时的开通时间为延迟时间和上升时间之和，并随通态阳极电流的增大而增大。间之和，并随通态阳极

53、电流的增大而增大。4）关断时间）关断时间toff：GTO的关断时间为储存时间和下降时的关断时间为储存时间和下降时间之和。间之和。1一、GTR的工作原理与静态伏安特性2二、GTR的动态特性3三、二次击穿和安全工作区电力晶体管GTR （Giant Transistor，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在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用应用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取代在开关过程中，即在截止区

54、和饱和区之间过渡时，要经过放大区截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib20、UGS=0）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(UGSUT ）栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，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

55、沟道图1-19ID/A010203050402468UTU/ V2、静态特性、静态特性 漏极直流电流ID和栅源间电压UGS的关系反映了输入电压和输出电流的关系，称为MOSFET的转移特性。由曲线图可见，漏极电流ID与栅源间电压UGS当ID较大（即大于开启 电 压 ） 时 ， 关 系 近 似 为 线 性 ， 因 此MOSFET为电压控制型器件（电场控制器件，简称场控器件）。 MOSFET的漏极伏安特性（输出特性）：截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；电力M

56、OSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。原因是电流越大，发热越大，通态电阻就加大，从而限制电流的加大，有利于均流。这里的饱和指的是漏源极电压增加时漏极电流不再增加，非饱和指的是漏源极电压增加时漏极电流相应增加。电力MOSFET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，可看为是逆导器件。在画电路图时，为了不遗忘，常常在MOSFET的电气符号两端反向并联一个二极管；上面左图为电力MOSFET的开关特性测试电路，右图为开关过程的波形。与GTR相似，其开通延迟时间td与上升时间tr的和为开通时间ton，关断延迟时间td与下降时间tf的和为关断时间toff。电力MOSFE

57、T只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而其关断过程非常迅速。电力MOSFET的开关时间在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。l除了前面涉及到的跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间常数之外，电力MOSFET还有以下主要参数。1.漏极电压UDS：这是标称电力MOSFET的电压定额的参数。2.漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM：这是标称电力MOSFET电流定额的参数。3.栅源电压UGS 栅极和源极之间的绝缘层很薄，当UGS

58、20V时，将导致绝缘层击穿。 4.极间电容电力MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS，这些电容都是非线性的。l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流MOSFET的安全工作区。一般来说，电流MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。但在实际使用中，仍应保留一定的裕量。 二、IGBT的动态特性一、IGBT的工作原理和静态伏安特性三、IGBT的主要参数123l绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。l在20世纪80年代中期出现，在电力半导体

59、器件的历史上是一个重要的里程碑。l在中等功率范围(数千瓦到数兆瓦)内，它是非常受欢迎的电力电子器件，并且广泛应用于直流/交流传动和电源系统。 l它在高端范围取代了GTR, 并且目前也正在较低功率范围内逐步取代GTO晶闸管。lIGBT 基本上是一种混合式的MOS栅极开关双极型晶体管，它同时结合了MOSFET和BJT的优点。lIGBT的发展方向发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。 lIGBT的电气图形符号如图2-22a所示。与MOSFET相类似，IGBT的门极为高输入阻抗型电压驱动控制，只要在门极上施加电压就可以保证器件的导通，其门极控制功率小。由图b)可

60、见，当UGE大于开启电压UGE(th)时，IGBT导通，电导调制效应使电阻减小，使通态压降减小。当栅射极间施加反压或不加信号时，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT可以看成是MOSFET驱动的GTR大功率晶体管，其输出特性如图c所示。它的主电路技术性能与GTR相近。理想的IGBT的伏安特性如同开关性能，如图2-22d所示。 图2-22a)IGBT的电气图形符号 b)转移特性 c)输出特性 d)理想特性由于IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。此外，IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也