第2章 电力电子器件2016

1、1 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结本章小结 第第2 2章章 电力电子器件电力电子器件2引言引言模拟和数字电子电路的基础模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要

2、内容： 电力电子器件的电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类 常用电力电子器件的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 选择和使用中应注意的一些问题。选择和使用中应注意的一些问题。32.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点42.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件（电力电子器件

3、（Power Electronic Device）是指是指可直接用于处理电能的可直接用于处理电能的主电路主电路中，实现电能的变换或中，实现电能的变换或控制的控制的电子器件电子器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能主电路：在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。的变换或控制任务的电路。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。件两类，目前往往专指电力半导体器件。 5电力电子器件的特征电力电子器件的特征 电功率电功率-承受电压和电流的能力承受电压和电流的能力-最重要的参数。最重要的

4、参数。 开关状态开关状态-减小本身的损耗，提高效率。减小本身的损耗，提高效率。 驱动电路驱动电路-由信息电子电路来控制。由信息电子电路来控制。 功率损耗功率损耗-远大于信息电子器件远大于信息电子器件-安装安装散热器散热器。 2.1.1 电力电子器件的概念和特征6通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗大小？大小？2.1.1 电力电子器件的概念和特征通态损耗：通态损耗：是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。开关损耗：开关损耗：当器件的开关频率较高时，会随之增当器件的开关频率较高时，会

5、随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 7系统构成系统构成-控制电路控制电路；驱动电路驱动电路；主电路主电路图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成2.1.2 系统组成系统组成电气隔离电气隔离82.1.3 电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度分类按照能够被控制电路信号所控制的程度分类 半控型器件半控型器件 晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 关断完全是由其承受的电压和电流决定的。关断完全是由其承受的电压和电流决定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目

6、前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。9 按照驱动信号的性质分类按照驱动信号的性质分类 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通来实现导通 或者关断的控制。或者关断的控制。2.1.3 电力电子器件的分类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仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现导

7、通或者关断的控制。信号就可实现导通或者关断的控制。10按照载流子参与导电的情况分类按照载流子参与导电的情况分类 单极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。 双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。 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由单极型器件和双极型器件集成混合而 成，也称混合型器件。成，也称混合型器件。 2.1.3 电力电子器件的分类112.1.4 本章内容和学习要点本章内容本章内容 介绍各种电力电子器件的介绍各种电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要主要参数参数以及选择和使用中应注

8、意的一些问题。以及选择和使用中应注意的一些问题。学习要点学习要点 最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。 掌握电力电子器件的掌握电力电子器件的型号命名法型号命名法，以及其，以及其参数参数和和特性特性曲线曲线的使用方法。的使用方法。 了解电力电子器件的了解电力电子器件的半导体物理结构半导体物理结构和和基本工作原理基本工作原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。122.2 不可控器件电力二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管

9、的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型132.2 电力二极管引言电力二极管（电力二极管（Power Diode）自自20世纪世纪50年代初期就年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖特肖特基二极管基二极管，具有不可替代

10、的地位。，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块整流二极管及模块14AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 电力二极管的工作原理电力二极管电力二极管-一个一个面积较大的面积较大的PN结结和和两端引线两端引线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以从外形上看，可以有有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多种封装。等多种封装。图图2-2 a) 外形外形 b) 基本结构基本结构 c) 电气图形符号电气图形符号152.2.1电力二极管的工作原理二极管的基本原理二极管的基本原理PNPN结的结的单向导电性单向导电性 当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路

11、上则形成自路上则形成自P区流入而从区流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF，这就是，这就是PN结的结的正向导通状态正向导通状态。 当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，几乎没有电流流过，被称为被称为反向截止状态反向截止状态。 162.2.1电力二极管的工作原理 PN结结-反向耐压能力：但当施加的反向电压过反向耐压能力：但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为结反向偏置为截止的工作状态，这就叫截止的工作状态，

12、这就叫反向击穿反向击穿。按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。172.2.1电力二极管的工作原理PN结的电容效应结的电容效应 称为称为结电容结电容CJ ，又称为，又称为微分电容微分电容 按其产生机制和作用的差别分为按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和和扩散扩散电容电容CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外

13、加电势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。当正向电压较低时，势垒电容为主。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。时，扩散电容为结电容主要成分。 结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在高速开关的，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。182.2.2 2.2.2 电力二极管的基本特性二极管的基本特性静态特

14、性静态特性-伏安特性伏安特性正向电压降正向电压降UF-电压大到一电压大到一定值（定值（门槛门槛 电压电压UTO ），正），正向电流才开始向电流才开始 明显增加，处明显增加，处于稳定导通状态。与于稳定导通状态。与IF对应的对应的电力二极管两端的电压。电力二极管两端的电压。反向漏电流反向漏电流-承受反向电压承受反向电压时，只有时，只有少子少子引起的微小而数引起的微小而数值恒定的。值恒定的。IOIFUTOUFU图图2-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性19a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtu 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态

15、过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 动态特性动态特性 通态和断态之间转换过程的通态和断态之间转换过程的开关特开关特性性-结电容结电容的存在，电压的存在，电压电流特性是电流特性是随时间变化的。随时间变化的。 由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得是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。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。现，并伴随有明显的反向电压过冲。 延迟时间延迟时间

16、：td=t1-t0 电流下降时间电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间反向恢复时间：trr=td+ tf 2.2.2 2.2.2 电力二极管的基本特性二极管的基本特性t1:反向电流反向电流达最大值的达最大值的时刻时刻t0:正向电流正向电流降为零的时降为零的时刻刻t2:电流变化电流变化率接近于零率接近于零的时刻的时刻202.2.2 电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置 先出现一个先出现一个过冲过冲UFP，经，经过一段时间才趋于接近稳态过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如压降的某个值（如2V）。）。 正向恢复时间正向恢复时间

17、tfr 出现电压过冲的原因出现电压过冲的原因:电电导调制效应导调制效应起作用所需的大量起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件大；正向电流的上升会因器件自身的自身的电感电感而产生较大压降。而产生较大压降。电流上升率电流上升率越大，越大，UFP越高。越高。 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 212.2.3 电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV) 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度指电力二极管长

18、期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许表示）和散热条件下，其允许流过的最大流过的最大工频正弦半波电流工频正弦半波电流的平均值。的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按时应按有效值相等有效值相等的原则来选取电流定额，并应的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。留有一定的裕量。22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稳态正向电流时对应的正向压降。时对应的正向压降。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极

19、管所能重复施加的反向最高峰值指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。电压。 使用时，应当留有使用时，应当留有两倍两倍的裕量。的裕量。2.2.3 电力二极管的主要参数232.2.3 电力二极管的主要参数最高工作结温最高工作结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。 最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提结不致损坏的前提下所能承受的下所能承受的最高平均温度最高平均温度。 TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。反向恢复时间反向恢复时间trr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指电力二极管

20、所能承受最大的连续一个或几个个工频周期的过电流工频周期的过电流。242.2.4 电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。的电力二极管。 普通二极管（普通二极管（General Purpose DiodeGeneral Purpose Diode） 整流二极管整流二极管-（1kHz以下）整流电路中。以下）整流电路中。 反向恢复时间反向恢复时间较长，一般在较长，一般在5 s以上以上 。 正向电流定额正向电流定额和和反向电压定额反向电压定额可以达到

21、很高。可以达到很高。 252.2.4 电力二极管的主要类型快恢复二极管（快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRDFast Recovery DiodeFRD） 反向恢复过程反向恢复过程很短（很短（5 s以下）以下） 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 -采用采用外延型外延型P-i-N结构结构， （可低于（可低于50ns），正向压降也很低（），正向压降也很低（0.9V左右）。左右）。 从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在在100ns以下，甚至达到以

22、下，甚至达到2030ns。262.2.4 电力电力二极管的主要类型的主要类型肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSchottky Barrier DiodeSBDSBD） 属于属于多子多子器件器件 反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（1040ns） 正向压降正向压降很小很小 开关损耗开关损耗和和正向导通损耗正向导通损耗小，效率高。小，效率高。 弱点在于：耐压低（弱点在于：耐压低（200V）272.3 半控型器件晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主

23、要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件282.3 半控器件晶闸管引言晶闸管（晶闸管（ThyristorThyristor） 可控硅整流器可控硅整流器(SCR)(可控硅可控硅)（Silicon Controlled Rectifier。 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。292.3 半控器件晶闸管引言晶闸管及模块晶闸管

24、及模块由于其能承受的由于其能承受的电压和电流容量电压和电流容量仍然是目仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的应用场合仍然具有比较重要的地位。的地位。302.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构晶闸管的结构 外形外形-主要有主要有螺栓螺栓型型和和平板型平板型封装结封装结构构 。引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制端）门极（控制端）G三个联接端。三个联接端。 内部是内部是PNPN四层半四层半导体结构。导体结构。 图图2-7 晶闸管的外形、结构和电气晶闸管的外形、结构和电气图形符号图形符号

25、 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号 312.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，按照晶体管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是

26、分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。322.3.1 晶闸管的结构与工作原理 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)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 是是很小的，而当发射极电流建立起来之后，很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。)(121CBO2CBO1G2AIIII111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII332.3.1 晶闸管的结构与工作原理阻断状态阻断状态IG=0 1+ 2很小很小漏电流漏电流IG0 1+ 2IA（阳极电流）（阳极电流）饱和导通饱和导通外电路负载的限制外电路负

27、载的限制)(121CBO2CBO1G2AIIII1342.3.1 晶闸管的结构与工作原理除门极触发外其他可能导通的情况除门极触发外其他可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发光触发光触发-良好绝缘良好绝缘-应用于高压电力设备中应用于高压电力设备中352.3.2 晶闸管的基本特性静态特性静态特性正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是时，不论门极是 否有触发电流，晶闸管都不会导通否有触发电流，晶闸管都不会导通 。 当晶

28、闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有 触发电流触发电流的情况下晶闸管才能开通的情况下晶闸管才能开通 。 导通条件导通条件362.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管一旦导通，门极就失去控制作晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，晶闸管保持导通用，晶闸管保持导通 。若要使已导通的晶闸管关断，只能利若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加反向电压和外电路的作用使流过用外加反向电压和外电路的作用使流过晶闸管的晶闸管的电流降到接近于零的某一数值电流降到接近于零的某一数值以下以下。 关断条件关断条件372.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 IG

29、=0-正向正向阻断状态阻断状态-漏电流漏电流 正向转折电压正向转折电压Ubo-则漏则漏电流急剧增大电流急剧增大-开通开通 门极电流门极电流增大增大-正向转折正向转折电压电压降低降低 门极电流为零；阳极电流门极电流为零；阳极电流降至接近于零的某一数值降至接近于零的某一数值IH以下以下-又回到又回到正向阻断正向阻断状状态，态，IH称为称为维持电流维持电流。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+382.3.2 晶闸管的基本特性反向特性反向特

30、性 类似类似二极管二极管的反向特性。的反向特性。 反向阻断状态反向阻断状态-极小的极小的反反向漏电流向漏电流通过。通过。 反向击穿电压反向击穿电压后，外电路后，外电路如无限制措施，则反向漏电流如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损急剧增大，导致晶闸管发热损坏。坏。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+392.3.2 晶闸管的基本特性 动态特性动态特性 开通过程开通过程 正反馈过程正反馈过程需要时间；需要时间； 外电路电感外电路电感

31、的限制的限制 -阳极电流不能突变。阳极电流不能突变。 延迟时间延迟时间td (0.51.5s) 上升时间上升时间tr (0.53s) 开通时间开通时间tgt=td+tr tgt与与门极电流门极电流、外电路外电路 电感电感、阳极电压阳极电压关系？关系？ 图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%402.3.2 晶闸管的基本特性关断过程关断过程 电感电感存在存在-晶闸管由导通变晶闸管由导通变为截止有过渡过程为截止有过渡过程 反向

32、阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果重内如果重新对晶闸管施加新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶，晶闸管会重新正向导通，而不是闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。受门极电流控制而导通。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%反向恢复反向恢复电流最大电流最大值值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA412.3.3 晶闸管的主要参数 电压定额电压定额 断态重

33、复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 允许允许重复重复加在器件上的加在器件上的正向峰值电压正向峰值电压 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 允许允许重复重复加在器件上的加在器件上的反向峰值电压反向峰值电压 取取UDRM和和URRM中较小的标值作为中较小的标值作为额定电压额定电压。 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的 瞬态峰值电压瞬态峰值电压 422.3.3 晶闸管的主要参数电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV） 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。允许流过的最大工频正弦半波电流

34、的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效发热效应应来定义的。来定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的值相等）的原则所得计算结果的1.52倍。倍。 432.3.3 晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH 使晶闸管维持导通所必需的使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，一般为几十到电流，一般为几十到几百毫安。几百毫安。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，能维持导通所需的导通所需的最小最小电

35、流。约为电流。约为IH的的24倍倍 浪涌电流浪涌电流ITSM 不重复性不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流。442.3.3 晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断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态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承

36、受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大最大通态电流上升率通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。损坏。452.3.4 晶闸管的派生器件快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFSTFast Switching ThyristorFST） 有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。开关时间开关时间以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了明显改善。的耐量都有了明显改善。 从从关断时间关断时间来看，普通晶闸管一般为来看，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速晶微秒，快

37、速晶闸管为闸管为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。 高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。定额都不易做高。 由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其通态平均电流时不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。的发热效应。 462.3.4 晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 一对一对反并联联接反并联联接的普

38、通晶的普通晶闸管的集成闸管的集成。 门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特对称的伏安特性性。 双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。图图2-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 472.3.4 晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting T

39、hyristorRCT） 是将是将晶闸管反并联一个晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件的功率集成器件 具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。 图图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 482.3.4 晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered Thyr

40、istorLTT） 是利用一定波长的是利用一定波长的光照光照信号信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的主电路与控制电路之间的绝缘绝缘，而且可以避免电磁，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶干扰的影响，因此光控晶闸管目前在闸管目前在高压大功率高压大功率的的场合场合。图图2-13 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 492.4 典型全控型器件 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管电力晶体管 2.4.3 电力场

41、效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管502.4 典型全控型器件引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。个崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、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。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块512.4.1 门极可关断晶闸管GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半导体结构四层

42、半导体结构。 是一种多元的功率集成器件，是一种多元的功率集成器件，内部则包含数十个甚至数百个内部则包含数十个甚至数百个共阳极的共阳极的小小GTO元元，这些，这些GTO元的元的阴极阴极和和门极门极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。在一起。 图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 电气图形符号电气图形符号a) 晶闸管的一种派生器晶闸管的一种派生器件，在门极施加负的脉件，在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而冲电流使其关断，因而属于属于全控型器件全控型器件5

43、22.4.1 门极可关断晶闸管 图图2-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理GTOGTO的工作原理的工作原理 双晶体管模型双晶体管模型 1+ 2=1是器件临界是器件临界导通的条件，大于导通的条件，大于1导导通，小于通，小于1则关断。则关断。532.4.1 门极可关断晶闸管GTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同 设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于GTO 关断。关断。 导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通时接近，导通时接近临界饱和临界饱和， 有利门极控制关断，但

44、导通时管有利门极控制关断，但导通时管压降压降增大。增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区基区横向电阻很小，能横向电阻很小，能 从门极抽出较大电流。从门极抽出较大电流。542.4.1 门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时只不过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流电流，当两个晶体管发射极电流IA和和IK的减的减小使小使 1+ 21时，器件退出时，器件退出饱和饱和而关断。而关断。GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通

45、晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。 552.4.1 门极可关断晶闸管 GTOGTO的动态特性的动态特性 开通过程与晶闸管类似。开通过程与晶闸管类似。 关断过程关断过程储存时间储存时间ts，下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt门极负脉冲电流门极负脉冲电流幅值幅值越大，越大，前沿前沿越陡，越陡，ts就越短。使就越短。使门极负脉冲的门极负脉冲的后沿后沿缓慢衰缓慢衰减，在减，在tt阶段仍能保持适阶段仍能保持适当的当的负电压负电压，则可以缩短，则可以缩短尾部时间尾部时间。图图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形

46、 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时抽取饱和导通时储存的大量载流储存的大量载流子的时间子的时间等效晶体管从饱等效晶体管从饱和区退至放大区，和区退至放大区，阳极电流逐渐减阳极电流逐渐减小时间小时间 残存残存载流载流子复子复合所合所需时需时间间 562.4.1 门极可关断晶闸管GTOGTO的主要参数的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。相同。 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 用来标称用来标称GTO额定电流额定电流。 电流关断增益电流关断增益 off IAT

47、O与门极与门极负负脉冲电流最大值脉冲电流最大值IGM之比。之比。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主的一个主 要缺点。要缺点。 572.4.1 门极可关断晶闸管开通时间开通时间t tonon 延迟延迟时间与时间与上升上升时间之和（时间之和（12 s） 。随随通态阳极电流值通态阳极电流值的增大而增大。的增大而增大。 关断时间关断时间toff 一般指一般指储存储存时间和时间和下降下降时间之和，而不包括时间之和，而不包括尾部尾部时间。时间。不少不少GTO都制造成都制造成逆导型逆导型，类似于逆导晶闸管。，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和当需要承受反向电压

48、时，应和电力二极管电力二极管串联使用。串联使用。 582.4.2 电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的大电流的双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTRGTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 最主要的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关特性好。开关特性好。 592.4.2 电力晶体管图图2-16 GTR的结构、电气

49、图形符号和内部载流子的流动的结构、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内部结构断面示意图 b) 电气图形符号电气图形符号 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动+表示高表示高掺杂浓掺杂浓度，度，-表表示低掺示低掺杂浓度杂浓度 60 GTRGTR的结构的结构 采用至少由两个晶体管按采用至少由两个晶体管按达林顿接法达林顿接法组成的组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元元并联并联而成。而成。 GTR是由是由三层半导体三层半导体（分别引出集电极、（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发结（集

50、电结和发射结）构成，多采用射结）构成，多采用NPN结构。结构。2.4.2 电力晶体管612.4.2 电力晶体管ceocbiiI空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib图图2-16 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动 cbii单管单管GTR的的 值比处理信息用值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用左右，采用达林顿接法达林顿接法可以有可以有效地增大电流增益。效地增大电流增益。 称为称为GTR的的电流放大系数电流放大系数622.4.2 电力晶体管 GTRGTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 截止区截止区、放大区放大区和和饱和

51、区饱和区三个区域。三个区域。 在电力电子电路中，工作在电力电子电路中，工作在在开关状态开关状态，即工作在，即工作在截截止区止区或或饱和区饱和区。 在开关过程中，即在截止在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，区和饱和区之间过渡时，一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导将导致绝缘层击穿。致绝缘层击穿。 极间电容极间电容 CGS、CGD和和CDS。 漏源间的漏源间的耐压耐压、漏极最大允许、漏极最大允许电流电流和最大和最大耗散功率耗散功率决定了电力决定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。 832.4.4 绝缘栅双极晶体管GTR

52、电流驱动器件电流驱动器件通流能力很强通流能力很强开关速度较开关速度较低低驱动功率大驱动功率大MOSFET电压驱动器件电压驱动器件开关速度快开关速度快驱动功率小驱动功率小绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT或或IGT综合了综合了GTR和和MOSFET的的优点优点良好的特性良好的特性双极型双极型单极型单极型842.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图图2-23 简化等效电路和电气简化等效电路和电气图形符号图形符号a) 内部结构断面示内部结构断面示意图意图 b) 简化等效电路简化等效电路 c) 电电气图形符号气图形符号IGBTIGBT的结构的结构是三端器件，具有栅极是三端器件，具有栅极G、

53、集电极集电极C和发射极和发射极E。由由N沟道沟道VDMOSFET与与双极型晶体管双极型晶体管GTR组合而组合而成的达林顿结构。成的达林顿结构。相当于一个由相当于一个由MOSFET驱驱动的厚基区动的厚基区PNP晶体管。晶体管。 852.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的工作原理的工作原理驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFET基本相同基本相同场控场控器件器件UGE开通和关断开通和关断UGE开启电压开启电压UGE(th)MOSFET内形成沟道内形成沟道施加反向电压或不加信号施加反向电压或不加信号沟道消失沟道消失晶体管提供基极电流晶体管提供基极电流IGBT导通导通基极电流被切

54、断基极电流被切断IGBT关断关断862.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 转移特性转移特性 集电极电流集电极电流IC与栅射电压与栅射电压UGE之间的关系。之间的关系。 开启电压开启电压UGE(th)-最低栅最低栅射电压。射电压。 （a）图图2-24 IGBT的转移特性和的转移特性和输出特性输出特性 a) 转移特性转移特性 872.4.4 绝缘栅双极晶体管分为三个区域：分为三个区域：正向阻正向阻断区断区、有源区有源区和和饱和区饱和区。(b)图图2-24 IGBT的转移特性的转移特性和输出特性和输出特性 b) 输出特性输出特性 输出特性（伏安特性）输出特性（伏

55、安特性）栅射电压为参考变量栅射电压为参考变量时，集电极电流时，集电极电流IC与集与集射极间电压射极间电压UCE之间的关之间的关系。系。 882.4.4 绝缘栅双极晶体管工作在工作在开关状态开关状态，因，因而是在而是在正向阻断区正向阻断区和和饱饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。 当当UCE0时，时，IGBT为为反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。892.4.4 绝缘栅双极晶体管 开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on) 电流上升时间电流上升时间tri 电压下降时间电压下降时间tfv 开通时间开通时间 ton= td(on)+tr+ tfv tfv分为分为tfv1和和tfv2两段

56、。两段。图图2-25 IGBT的开关过程的开关过程动态特性动态特性90关断延迟时间关断延迟时间td(off) 电压上升时间电压上升时间trv 电流下降时间电流下降时间tfi 关断时间关断时间toff = td(off) +trv+tfitfi分为分为tfi1和和tfi2两段两段关断过程关断过程引入了少子储存现象，引入了少子储存现象，因而因而IGBT的开关速度要低的开关速度要低于电力于电力MOSFET。912.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的主要参数的主要参数 前面提到的各参数前面提到的各参数(时间参数时间参数)。 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES-承受的击穿电压承受的击穿电压

57、 最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 922.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的特性和参数特点总结如下：的特性和参数特点总结如下： 开关速度开关速度高，高，开关损耗开关损耗小。小。 安全工作区安全工作区比比GTR大，耐脉冲电流冲击能力。大，耐脉冲电流冲击能力。 通态压降通态压降比比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。低，特别是在电流较大的区域。 输入阻抗输入阻抗高，其输入特性与电力高，其输入特性与

58、电力MOSFET类似。类似。 与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐压耐压和和通流能通流能力力还可以进一步提高，同时保持还可以进一步提高，同时保持开关频率开关频率高的特点。高的特点。 932.4.4 绝缘栅双极晶体管 IGBTIGBT的擎住效应的擎住效应 在在IGBT内部寄生着一个内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开晶体管和作为主开关器件的关器件的P+N-P晶体管组成的晶体管组成的寄生晶闸管寄生晶闸管。 其中其中NPN晶体管的基极与发射极之间存在晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于形体区的横向空穴电流

59、会在该电阻上产生压降，相当于对对J3结施加一个结施加一个正向偏压正向偏压，一旦，一旦J3开通，栅极就会失去对开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为擎住擎住效应效应或或自锁效应自锁效应。 942.4.4 绝缘栅双极晶体管引发擎住效应的原因，可能是引发擎住效应的原因，可能是集电极电集电极电流流过大（静态擎住效应），过大（静态擎住效应），dUCE/dt过大过大（动态擎住效应），或（动态擎住效应），或温度温度升高。升高。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集集电极电流

60、还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据电极电流实际上是根据动态擎住效应动态擎住效应而确而确定的。定的。952.4.4 绝缘栅双极晶体管 IGBTIGBT的安全工作区的安全工作区 正向偏置正向偏置安全工作区安全工作区（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA） 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。功耗确定。 反向偏置反向偏置安全工作区安全工作区（Reverse Biased SafeOperating AreaRBSOA） 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电根据最大集