电力电子器件及应用

1、1第一章第一章 电力电子器件及应用电力电子器件及应用 主讲：主讲： 任任 国国 海海 电话电话:电邮电邮: : 答疑答疑: : 理工楼理工楼3-1033-103 电力电子技术电力电子技术21.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述一、电力电子器件的分类一、电力电子器件的分类o按照器件的控制能力分为以下三类：按照器件的控制能力分为以下三类：半控型器件：半控型器件：晶闸管（Thyristor or SCR）及其大部分派生器件其特征是：控制极只能控制器件导通，不能控制关断。全控型器件：全控型器件：IGBT、MOSFET、GTO、GTR其特征是：控

2、制极可以控制器件导通和关断。31.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述o按照器件控制信号特征分为两类：按照器件控制信号特征分为两类：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，如SCR、GTR、GTO电压驱动型电压驱动型仅通过在控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，其本质是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件，如IGBT、MOSFET41.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述o按照器件内部载流子参与导电的情况分为三类：按照器件内部载流子参

3、与导电的情况分为三类：单极型器件单极型器件由一种载流子参与导电的器件，如MOSFET双极型器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件， 如SCR、 GTR、 GTO复合型器件复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件，如IGBT51.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述二、电力电子器件的一般工作特征：二、电力电子器件的一般工作特征：（1）电力电子器件一般都工作在开关状态；（2）电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制 驱动电路、控制电路；（3）工作时由于通态损耗、开关损耗等引起发热，在 其工作时一般都要考虑散热设计或安装散热器。61.11.1电力电子器件概述电力电子器件概

4、述三、本章重点三、本章重点（）电力电子器件（）电力电子器件功率二极管（快恢复管、肖特基管） 晶闸管（SCR）电力晶体管（GTR）功率场效应晶体管（P-MOSFET）绝缘栅双极型复合晶体管（IGBT）（）电力电子器件的应用技术（）电力电子器件的应用技术典型器件的驱动特点及要求缓冲电路的结构与设计方法71.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述o器件知识重点：器件知识重点： 了解器件静态特性、动态特性，掌握器件开关控制的基本 方法，建立静态损耗、动态损耗、器件安全工作区的概念，初步掌握器件的应用选择o器件应用技术重点：器件应用技术重点： 理解设置驱动电路的原因、常用驱动电路技术；设置缓冲 吸收电

5、路的原因、缓冲吸收电路基本结构、应用设计方法。81.2 1.2 功率二极管功率二极管 1.2.1 1.2.1 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型 1.2.21.2.2 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性 1.2.3 1.2.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数91.2.1 1.2.1 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型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

6、额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上101.2.1 1.2.1 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型2. 快速恢复二极管（快速恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）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100ns以下，甚至达到2030ns。分为PN结型结构和PIN结构两种。采用外延型PIN结构的的快速恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间比较短（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。111.2.1 1.2.1

7、功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型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 DiodeSBD），简称为肖特基二极管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 肖特基功率二极管结构图121.2.1 1.2.1 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型肖特基二极管的优点肖特基二极管的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在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小（一般0.5V左 右），明显低于快速恢复二极管（一般1V左右）其开关损耗和正向导通损耗都比快速二

8、极管还要小，效率高 肖特基二极管的弱点肖特基二极管的弱点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200V以下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131.2.1 1.2.1 功率二极管的主要类型功率二极管的主要类型功率二极管封装结构功率二极管封装结构 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AKAKa)IKAPNJb)c)141.2.2 1.2.2 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性q1. 静态伏安特性静态伏安特性具有单向导电性正偏时：二极

9、管导通，通态压降1V左右。通态损耗： （表现形式为发热）反偏时：在达到击穿电压前，仅有很小的反向漏电流流过。在达到击穿电压后，反向电流急剧增加。FFFIUP151.2.2 1.2.2 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性功率二极管的静态伏安特性161.2.2 1.2.2 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性q2. 功率二极管的动态特性功率二极管的动态特性因结电容的存在，开与关状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。动态特性（开关特性）反映通态和断态之间的转换过程。 说明：说明：功率二极管开通时间很短，一般可以忽略不计，但二极管的关断 过程较复杂，对电路的

10、影响不能忽视。 171.2.2 1.2.2 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性关断过程：关断过程：导通状态的二极管关断须经过一个 短暂的反向恢复过程才能进入截止 状态；在恢复过程中有较大的反向 电流出现，并伴随有明显的反向电 压过冲，如左图。延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值 tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。关断损耗：一个开关周期内关断过程产生的 损耗： 正向偏置转换为反向偏置 2Fd1FFofftttiuTP其中：T为开关周期181.2.2 1.2.2 功率二极管的基本特

11、性功率二极管的基本特性开通过程开通过程：功率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，开通过程电压与电流的乘积形成开通损耗：零偏置转换为正向偏置fr0FFond1ttiuTP其中： T为开关周期191.2.2 1.2.2 功率二极管的基本特性功率二极管的基本特性注意：注意： 二极管开通、关断均有个过程，需要一定的时间，在此动态过程中二极管的单向导电性能不典型，正向表现高阻（稳态时表现为低阻），反向呈现低阻（稳态时表现为高阻）,开关动态过程产生动态损耗，当动态时间与工作频率决定的开关周期相近时，二极管不能

12、正常整流，损耗很大。 201.2.3 1.2.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数1. 正向平均电流正向平均电流IF(AV) 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功率二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 211.2.3 1.2.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数o对于正弦半波电流，假定其电流峰值为IM，则其平均值为 o其正弦

13、半波电流的有效值为o定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用表示，即M0MAV)(dsin21IttII2)(dsin21M202rmsMIttII电流平均值电流有效值fK221.2.3 1.2.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数o正弦半波电流的波形系数o实际使用中，流过二极管的电流波形形状并不是一定的，各种周期性的电流波形都有一个电流有效值，依据有效值相等的原则，如果功率二极管所流过的最大电流有效值为I，则其二极管额定电流一般选择为 式中的系数是安全系数，系数1.57为正弦半波的波形系数。 57. 12AVrmsfIIK57. 1)25 . 1 (F(AV)II2

14、31.2.3 1.2.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数2. 正向压降正向压降UF指功率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指对功率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，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的2倍左右来选定 241.2.3 1.2.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数4. 最高工作结温最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温是指在PN

15、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0起到恢复反向阻断能力为止的时间6. 浪涌电流浪涌电流IDSM指功率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。 25课堂思考课堂思考： 半波整流电路，输入正弦电压值半波整流电路，输入正弦电压值100V100V，频率，频率 10kHz10kHz，电流有效值，电流有效值10A10A，如何选择二极管？，如何选择二极管？26选择要点：选择要点：耐压选择： 击穿电压大于280V正向开通时间、反向恢复时间：远小于100s通态平均电流：按有效值

16、相等原则，选择电流值并留有一 定余量。A6 . 957. 110)25 . 1 (F(AV)I271.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 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 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件281.3.1 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一、晶闸管简介一、晶闸管简介晶闸管晶闸管（Thyristor）：又称晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Recti

17、fierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）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，开始被性能更好的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往往专指晶闸管的一种基本类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（如：双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等）291.3.1 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二、晶闸管的结构与封装二、晶闸管的结构与封装 外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极

18、K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，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 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)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3301.3.1 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三、晶闸管基本工作特性三、晶闸管基本工作特性o当SCR的阳极和阴极电压 ，即 EA下正上负(与图示方向相反) 时，无 论门极G是否有电流，白炽灯不亮，说 明SCR始终处于关断状态；o当 时，即EA上正下负(与图示方 向相同)，只有 时，白炽灯才能 点

19、亮。说明SCR没有门极电流触发时， 具有正向阻断能力；当满足 ， 条件时可以导通。oSCR一旦导通，此时去掉EG（即再令 ），白炽灯仍保持点亮，说明SCR仍保持导通状态。导通后SCR的管压降为1V左右，主电路中的电流IA由白炽灯内阻、RW和EA的大小决定。o在IA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；此时如果继续降低IA，则SCR会关断，该小电流称为SCR的维持电流。 0GI0AKU0AKU0AKU0GI0GI311.3.1 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基本工作特性归纳：晶闸管基本工作特性归纳：承受反向电压时(UAK 0， IGK

20、0才能开通)；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。 从这个角度可以看出，SCR是一种电流控制型的电力电子器件。321.3.1 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四、晶闸管的工作机理四、晶闸管的工作机理在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。其工作过程如下： UGK0 产生IG V2通产生IC2 V1通 IC1 IC2 出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic

21、1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理331.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1、晶闸管的静态伏安特性晶闸管的静态伏安特性第第I象限的是正向特性象限的是正向特性o有阻断状态和导通状态之分。 在正向阻断状态时，晶闸管 的伏安特性是一组随门极电 流的增加而不同的曲线簇。o当IG足够大时，晶闸管的正 向转折电压很小，可以看成与一般二极管一样 第第III象限的是反向特性象限的是反向特性o晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboU

22、DSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG341.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性IG=0时，器件两端施加正向电压，为正向阻断状态，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 Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低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1V左右导通期间，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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维 持电流。351.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似

23、二极管的反向特性晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端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 发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安 特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、 电流和功率应限制在可靠触发区。361.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2. 动态特性动态特性 与二极管类 似，开通、 关断过程产 生动态损耗 晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA371.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管

24、的基本特性1) ) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值 的10%的时间上升时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间开通时间开通时间tgt：以上两者之和， tgt=td+ tr 普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s381.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2) ) 关断过程关断过程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向恢复电流衰减 至近于零的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向电压的阻断能 力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶

25、闸管施加正向电压，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，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作关断时间关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒，这是设计反向电压设计时间的依据。391.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.1.电压额定电压额定1) 断态重复峰值电压UDRM 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,一般为正向转 折电压的80。 2) 反向重复峰值电压URRM 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，一般为反向 击穿电压

26、的80 。3) 通态（峰值）电压UTM 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（一般为2V）。 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。选用时，额定电压要留有一定裕量,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。401.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2. 2. 额定电流额定电流1) 通态平均电流（额定电流） IT(AV) 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结 温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。o使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管额定电流。o实际

27、使用时应留一定的裕量，一般取1.52倍。411.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数o对于一只额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有 效值应该为157A（考虑正弦半波波形系数）。o对于特定电流波形，其有效值和平均值的比值成为波形 系数Kf=Irms/IAV，按有效值相等原则选择晶闸管时遵循：o例：例：当三个不同的电流波形，分别流经额定电流为 IT(AV)= 100A的晶闸管时，其允许的电流平均值为IAV不 同。T(AV)AVf57. 1IIK421.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数（1）正弦半波整流电流波形状态431.3.3 1.3.3 晶闸管

28、的主要参数晶闸管的主要参数o实际波形的平均值:o实际波形的有效值:o波形系数:o100A的器件允许的电流平均值: 这时100A的器件只能当作70A(平均值)使用.22. 2AVrmsIIKf22)(d)sin(21m22mrmsIttII2)(dsin21m2mAVIttIIA7 .7022. 2157AVI441.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数（2）正弦全波整流电流波形状态45o实际波形的平均值:o实际波形的有效值:o实际波形的波形系数:o100A的器件允许的电流平均值: 这时100A的器件可当作140A(平均值)使用1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要

29、参数2)(d)sin(1m02mrmsIttIIm0mAV2)(dsin1IttII11. 1AVrmsIIKfA14111. 1157AVI461.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数（3）方波半波整流电流波形状态47o实际波形的平均值:o实际波形的有效值:o实际波形的波形系数:o100A的器件允许的电流平均值: 这时100A的器件只能当作90A(平均值)使用.1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3)(d)(21m3202mrmsItII3)(d21m320mAVItII73. 1AVrmsIIKfA7 .9073. 1157AVI481.3.3 1.3.

30、3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2) ) 维持电流维持电流 IH 晶闸管处于通态时，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，与结温有关，结温越高，则IH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，能维持导通 所需的最小电流 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍4) ) 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的不重 复性最大正向过载电流491.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3 3、动态参数、动态参数（1）晶闸管的开通时间tgt与关断时间 tq 开通与关断时间的含义如前所述 （2）断态电

31、压临界上升率du/dt 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。（2）通态电流临界上升率di/dt 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。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有 很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热 而使晶闸管损坏。50开通条件与关断条件举例一开通条件与关断条件举例一51开通条件与关断条件举例二开通条件与关断条件举例二52晶闸管应用要点：晶闸管应用要点：1、触发导通条件：触发导通条件： UAK0，UGK0（或IGK0） ，并有足够的触发功率。 一旦器件导通，门极电流就不再具有控制作用。因此

32、，门极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。2、晶闸管的关断方法：晶闸管的关断方法： 自然关断：在导通期间，如果要求器件返回到正向阻断状态，必 须令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维 持电流的临界极限值以下，并保持一段时间。 强迫关断：通过加一反向电压UAK0，并保持一段时间使其关断。在实际电路中是采用阳极电压反向、减小阳极电压、增大回路阻抗等方式，使阳极电流小于维持电流，使晶闸管关断。53晶闸管应用要点：晶闸管应用要点：3、晶闸管可靠关断的条件：晶闸管可靠关断的条件：关断时间tq：恢复晶闸管电压阻断能力所需的最小电路 换流反压时间。电路换流反压时间t：正向电流过零点与重新施加正向 电压的

33、起点之间的时间间隔。可靠关断的条件： UAK0 (或IA tq。由于在触发导通时积累的非平衡载流子需要恢复时间，使其可靠 关断，因此需要在t tq之后再施加正向电压而不会导通。541.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.1. 快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进，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，选

34、择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应551.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.2. 双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）双向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a)b)IOUIG=0GT1T2561.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件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正、反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性；门极正、负脉冲电流均可触发导通TRIAC与一

35、对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 571.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3.3.逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）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的额定电流有两个，一个 是晶闸管电流，一个是反并联二极管 的电流常应用于各类逆变器和斩波器的应用 中。 b)a)

36、UOIKGAIG=0逆导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581.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 4.4. 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）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) 伏安特性光强度强弱b)AGKa)OUAKIA591.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器光触发保证了主电路

37、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，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位601.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件5 5、门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶闸管的一种派生器件，当UAK0，UGK0（或IGK0），可以触发导通可以通过在门极施加负的脉冲电流（IGK0）使其关断，属于全控型器件（通过控制极可以控制开通、也可以控制关断）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c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a

38、)AGKGTO的内部结构和电气图形符号61 典型全控型器件典型全控型器件 1.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR） 621.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）术语用法：术语用法：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和功率MOSFET取代631.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（

39、GTR）1. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理基本原理与普通的双极结型晶体管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电路工艺将许多这种单元并联而成 分为NPN和PNP两种结构，一般为NPN结构，PNP结构耐 压低，641.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）651.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）2. 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的典型输出特性分为：截止区、有源区（放大区）和饱和区电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。在截止区和饱和区之间过渡时，要

40、经过有源区UCEO为基极开路时集、射极之间的击穿电压；UCES为基极和发射极短接时集、射极之间的击穿电压；UCEX为发射极反偏时集、射极之间的击穿电压；UCBO为发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压661.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）（a）GTR共射接法（b）共射接法输出特性671.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）（a a）截止区（）截止区（又称阻断区）又称阻断区）iB0，开关处于断态GTR承受高电压而仅有极小的漏电流存在集电结反偏UBC0，发射结反偏UBE0 ；或集电结反偏UBC0 ，发射结偏压为零UBE=0（b b）有源区（有源区（又称放大区或线性区又称放大区

41、或线性区）iC与iB之间呈线性关系，特性曲线近似平直UBC0 对于工作于开关状态的GTR来说，应当尽量避免工作于有源区，否则功耗很大，要快速通过有源区，实现截止与饱和之间的状态转换。681.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）（c c）饱和区）饱和区开关处于通态，iB变化时，iC不再随之变化导通电压和电流增益均很小UBC0， UBE0（d d）准饱和区准饱和区指有源区与饱和区之间的一段区域，即特性曲线明显弯曲的部分iC与iB之间不再呈线性关系，UBC0691.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）（e e）失控区）失控区当UCE 超过一定值时，晶体管进入失控区，会导致雪崩击穿。U

42、CEO：基极开路，对应的反向击穿电压；UCEs ：基极和发射极短路所对应的电压；UCEx : 基极负偏所对应的电压。701.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）（2 2）动态特性）动态特性 开通过程开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间tontd主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大IB1的幅值并增大diB/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程 GTR的开通和关断过程电流波形711.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）关断过程关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toffts是用来除去饱和导通时储存在基区的载

43、流子的，是关断时间的主要部分减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流IB2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度减小导通时的饱和深度的负面作用是会使集电极和发射极 间的饱和导通压降UCES增加，从而增大通态损耗GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 721.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）3. GTR的主要参数的主要参数 电流放大倍数 、直流电流增益hFE（一般可认为 hFE ）、 集射极间漏电流ICEO、集射极间饱和压降UCES、开通时间ton和 关断时间toff ; 之外有：1）最高工作电压）最高工作电压UCEM GTR上电压超过

44、规定值时会发生击穿击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有 关如图所示，有UCBO UCEX UCES UCEO，实际使用时，为 确保安全，最高工作电压要比UCEO低得多 731.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）2） 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的IC实际使用时要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一点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 741.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）4. GTR的二

45、次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区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，出现雪崩击穿特点：在IC增大过程中，集电结电压基本不变，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增大到某个临界点时会突然急剧上升，并 伴随集电极电压的陡然下降，即出现了负阻效应，这种现象 称为二次击穿。二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏，必需避免。751.4 1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR）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I

46、CM、最大耗散功率PCM、二次击穿临界线PSB限定（GTR特有）电力电子器件都有安全 工作区，通常由最大工 作电流、最大耗散功率、 最高工作电压构成。实 际应用时器件必须工作 于安全工作区的范围内， 以免损坏。 GTR的安全工作区 76 典型全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（P-MOSFET) ) 771.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) ) 基础知识基础知识分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOS型型（Metal Oxi

47、de Semiconductor FET）简称功率MOSFET（Power MOSFET）结型功率场效应晶体管一般称静电感应晶体管（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，无二次击穿现象电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 781.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )1. 功率功率MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 功率功率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

48、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 功率功率MOSFET主要是主要是N沟道增强型沟道增强型791.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )MOSFET 的结构图及电路符号(a) N沟道增强型结构图 (b) N沟道增强型符号 (c) P沟道增强型符号801.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )N沟道增强型沟道增强型P-MOSFET的基本工作特性的基本工作特性截止：漏源极间加正电压偏置，栅源极间电压为零 （UDS0，UGS=0)导电：在栅源极间

49、加正电压UGS 当UGSUT（开启电压或阈值电压，典型值24V）时，漏 极和源极导电 811.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )2. P-MOSFET的静态工作特性的静态工作特性1）输出特性输出特性P-MOSFET的静态工作特性如图所示，漏极伏安特性又称输出特性，可以分为三个区：可变电阻区，饱和区，击穿区。电力电子电路中P-MOSFET工作在开关状态。P-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。P-MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。821.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFE

50、T) )PMOSFET静态工作特性（a）漏极伏安特性 （b）转移特性（a）（b）831.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )2）转移特性）转移特性漏极电流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UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs图中所示的UGS(th)为开启电压，只有 时才会出现导电沟道，产生漏极电流iD。 GS(th)GSUU841.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )3、P-MOSFET的动态工作特性的动态工作特性1）输入等效电容模型）输入等效电容模型 P-MO

51、SFET是多数载流子 器件，不存在少数载流子 特有的存储效应，因此开 关时间很短，影响开关速 度的主要是器件极间电容。 输入电容：GDGSinCCC851.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) ) 2）P-MOSFET的开关波形的开关波形 (a) 测试电路 (b) 开关过程波形861.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )（1）开通过程）开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) Up前沿时刻到UGS=UGS(th)并开始出现iD 的时刻间的时间段上升时间上升时间tr UGS从UGS(th)上升到MOSFET进入非饱和区的栅

52、压UGSP的时间段iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻RL决定UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在Up作用下继续升高直至达到稳态，但iD 已不变 开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和rd(on)onttt871.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )（2）关断过程）关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off) Up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，UGS按指数曲线下降到 UGSP、iD开始减小时的时间段下降时间下降时间tf UGS从UGSP继续下降起，iD减小，到UGS20V 将 导致绝缘层击穿901.5 1.5 功

53、率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )（4 4）极间电容极间电容 ： P-MOSFET的三个极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS，一般厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss，它们之间的关系是： Ciss= CGS+ CGD Crss= CGD Coss= CDS+ CGD 输入电容可近似用Ciss代替，但这些电容都是非线性的。911.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )5.5.P-MOSFET的安全工作区的安全工作区 P-MOSFET是多数载流子工作的器件，元件的通态电阻具有 正的

54、温度系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随 温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制， 有较宽的安全工作区。其安全工作区由最大漏极电流限制线、 最大功耗限制线、最大漏源电压限制线、开通电阻限制线决 定。 921.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管( (P-MOSFET) )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两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件93 典型全控型器件典型全控型器件 1

55、.6 1.6 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT) )941.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT基础知识基础知识绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场， 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95 1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT 1. 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EIGBT的结构、简化等效电路和电气图形符

56、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961.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT （1）IGBT的结构的结构如图所示，N沟道MOSFET与GTR组合N沟道IGBT （N-IGBT）IGBT比P-MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积 的P+N结J1使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移 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971.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管I

57、GBT （2）IGBT的工作原理的工作原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由 栅射极电压UGE决定导通导通： UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶 体管提供基极电流，IGBT导通导通压降导通压降： 电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小关断关断： 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98 1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT 2. IGBT的静态工作特性的静态工作特性IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性99（1）转移特性：）转移特性： IC与UG

58、E间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射 电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在 +25C时，UGE(th)的值一般为26V（2）输出特性（伏安特性）：）输出特性（伏安特性）： 以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系分为四个区域：正向阻断区、有源区、饱和区和击穿区。UCE0时，IGBT为反向阻断工作状态1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT100IGBT的动态特性的动态特性 IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi

59、1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT101（1）IGBT的开通过程的开通过程 与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td(on) 从UGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM 电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间开通时间ton开通延迟时间与电流上升时间之和UCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的

60、电压下降过程1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT102（2）IGBT的关断过程的关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off) 从UGE后沿下降到其幅值90%的时刻 起，到iC下降至 90%ICM电流下降时间iC从90%ICM下降至10%ICM关断时间toff关断延迟时间与电流下降之和电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。 tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快； tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢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的开关速度低 于电力MO