电力电子器件ppt课件

1、唐钢职工培训唐钢职工培训唐山科技职业技术学院机电系唐山科技职业技术学院机电系 王秀芹王秀芹T S K J唐钢职工培训唐钢职工培训T S K J电力电子器件在实践运用中，普通是由控制电路、驱动电力电子器件在实践运用中，普通是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为中心的主电路组成一个系统。电路和以电力电子器件为中心的主电路组成一个系统。 电气隔离电力电子器件在实践运用中的系统组成图电力电子器件在实践运用中的系统组成图电力电子器件简介电力电子器件简介通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增当器件的开关频率较高时，开关

2、损耗会随之增大而能够成为器件功率损耗的主要要素。大而能够成为器件功率损耗的主要要素。 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主电路主电路 电气设备或电力系统中，电气设备或电力系统中，直接承当电能的变换或控制义务的直接承当电能的变换或控制义务的电路。电路。电力电子器件电力电子器件 可直接用于处置电可直接用于处置电能的主电路中，实现电能的变换或能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。控制的电子器件。电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征: 同处置信息的电子器件相比，电力电子器同处置信息的电子器件相

3、比，电力电子器件的普通特征：件的普通特征：(1) 能处置电功率的大小，即接受电压和电流能处置电功率的大小，即接受电压和电流 的才干，的才干，是最重要的参数是最重要的参数 其处置电功率的才干小至毫瓦级，大至兆瓦级其处置电功率的才干小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多大多都远大于处置信息的电子器件。都远大于处置信息的电子器件。(2) 电力电子器件普通都任务在开关形状电力电子器件普通都任务在开关形状 导通时通态阻抗很小，接近于短路，管压降接近导通时通态阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决议；于零，而电流由外电路决议； 阻断时断态阻抗很大，接近于断路，电流几乎为阻断时断态阻抗很大，接近于断

4、路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决议；零，而管子两端电压由外电路决议； 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来替代。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来替代。(3) 适用中，电力电子器件往往需求由信息电子电适用中，电力电子器件往往需求由信息电子电路来控制。路来控制。 在主电路和控制电路之间，需求一定的中间电路对控在主电路和控制电路之间，需求一定的中间电路对控制电路的信号进展放大，这就是电力电子器件的驱动电路制电路的信号进展放大，这就是电力电子器件的驱动电路。(4)为保证不致于因损耗分发的热量导致器件温度为保证不致于因损耗分发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设

5、计，过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其任务时普通都要安装散热器。在其任务时普通都要安装散热器。电力电子器件电力电子器件非可控器件非可控器件可控器件可控器件 晶体管晶体管 门极门极可关断可关断晶闸管晶闸管整流二极管整流二极管普通晶闸管普通晶闸管非自关断器件非自关断器件 半控型半控型 自关断器件自关断器件 全控型全控型 电力电子器件的分类按信号所控制程度电力电子器件的分类按信号所控制程度 (2)半控型器件半控型器件经过控制信号可以控制其经过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断导通而不能控制其关断晶闸管及其大部分派生器件晶闸管及其大部分派生器件 (1)非可控器件非可控器件不能用控制信号

6、来控制其不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需求驱动电路通断，因此也就不需求驱动电路电力二极管电力二极管 (3)全控型器件全控型器件经过控制信号既可控制其经过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件导通又可控制其关断，又称自关断器件电力晶体管电力晶体管GTR绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT电力场效应晶体管电力电力场效应晶体管电力MOSFET门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTO 电力电子器件的分类按信号所控制程度电力电子器件的分类按信号所控制程度 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 1. 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理 2. 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性

7、 3. 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 4. 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 5. 典型全控型器件典型全控型器件 半控器件半控器件晶闸管晶闸管 晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器SCR，以前，以前被简称为可控硅。被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能接受的电压和电流容量依然是目前电力电子器件中最高由于其能接受的电压和电流容量依然

8、是目前电力电子器件中最高的，而且任务可靠，因此在大容量的运用场所依然具有比较重要的地的，而且任务可靠，因此在大容量的运用场所依然具有比较重要的地位。位。图图1 晶闸管及模块晶闸管及模块 1. 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造晶闸管的构造 从外形上来看，晶闸管从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型也主要有螺栓型和平板型两种封装构造两种封装构造 。 引出阳极引出阳极A、阴极、阴极K和门和门极控制端极控制端G三个联接三个联接端。端。 内部是内部是PNPN四层半导体四层半导体构造。构造。 图图2 晶闸管的外形、构造和电气图形符号晶闸管的外形、构造和电气图形符号 a) 外形外

9、形 b) 构造构造 c) 电气图形符号电气图形符号 晶闸管的可控性晶闸管的可控性1、晶闸管接受反向阳极电压、晶闸管接受反向阳极电压不论门极接受何种电压，晶闸管处于关断形状不论门极接受何种电压，晶闸管处于关断形状图图32、晶闸管接受正向阳极电压、晶闸管接受正向阳极电压当门极接受正向电压时，晶闸管才干由截止变当门极接受正向电压时，晶闸管才干由截止变为导通为导通图图43、晶闸管导通后、晶闸管导通后门极失去控制造用门极失去控制造用图图54、晶闸管导通后、晶闸管导通后当阳极电压为或使阳极电压反向后，晶闸管关断当阳极电压为或使阳极电压反向后，晶闸管关断图图6 晶闸管接受正向阳极电压时，当门极接受正向电压晶

10、闸管接受正向阳极电压时，当门极接受正向电压 时，晶闸管才干由截止变为导通时，晶闸管才干由截止变为导通 晶闸管导通后门极失去控制造用晶闸管导通后门极失去控制造用 晶闸管导通后，当阳极电压为或使阳极电压反向晶闸管导通后，当阳极电压为或使阳极电压反向 后，晶闸管关断后，晶闸管关断 晶闸管接受反向阳极电压时，不论门极接受何电晶闸管接受反向阳极电压时，不论门极接受何电 压，晶闸管处于关断形状压，晶闸管处于关断形状晶闸管通断规律：晶闸管通断规律：接受反向电压时，不论门极能否有触发电接受反向电压时，不论门极能否有触发电流，晶闸管都不会导通。反向阻断流，晶闸管都不会导通。反向阻断接受正向电压时，无门极正向触发

11、电压时接受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断形状。处于正向阻断形状。晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用不可控。不可控。要使晶闸管关断，只需使晶闸管的电流降要使晶闸管关断，只需使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值维持电流到接近于零的某一数值维持电流IH以以下。下。 接受正向电压时，仅在门极有正向触发电接受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才干开通。正导游通压的情况下晶闸管才干开通。正导游通接受反向电压时，不论门极能否有触发电接受反向电压时，不论门极能否有触发电流，晶闸管都不会导通。反向阻断流，晶闸管都不会导通。反向阻断接受正向电压时，无门

12、极正向触发电压时接受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断形状。处于正向阻断形状。晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用不可控。不可控。要使晶闸管关断，只需使晶闸管的电流降要使晶闸管关断，只需使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值维持电流到接近于零的某一数值维持电流IH以以下。下。 接受正向电压时，仅在门极有正向触发电接受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才干开通。正导游通压的情况下晶闸管才干开通。正导游通其他几种能够导通的情况：其他几种能够导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值呵斥雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值呵斥雪崩效应阳极电压上升率阳极

13、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，难以运用于实际。以上三种情况，因不易控制，难以运用于实际。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主电路之间的良好绝缘而运用于高压电力设备中，称为光控晶闸管。缘而运用于高压电力设备中，称为光控晶闸管。只需门极触发包括光触发是最准确、迅速只需门极触发包括光触发是最准确、迅速而可靠的控制手段而可靠的控制手段u2ugIAudRdu2tugtudt图图7晶闸管任务原理晶闸管任务原理 将晶闸管等效为一个将晶闸管等效为一个NPN型和型和PNP型管型管P1P2N

14、1N2P2N1V1V2IAIKIG流入电流流入电流IGIb2Ic2=Ib1Ic1图图8 1. 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理图图9 晶闸管的双晶体管模型及其任晶闸管的双晶体管模型及其任务原理务原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 任务原理任务原理 晶闸管的任务原理晶闸管的任务原理 按照晶体管任务原理，按照晶体管任务原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII式中式中1和和2分别是晶体分别是晶体管管V1和和V2的共基极电流增的共基极电流增益；益；ICBO1和和ICBO2分别分别是是V1和和V2的共基极漏电流。的

15、共基极漏电流。 1. 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理晶体管的特性是：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，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。在晶体管阻断形状下，在晶体管阻断形状下，IG=0，而，而1+2是很小的。由是很小的。由上式上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。 假设注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致假设注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶

16、闸管的电流IA阳极电流阳极电流将将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实践上会维持有限值。实践上会维持有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 1. 晶闸管的构造与任务原理晶闸管的构造与任务原理除门极触发外其他几种能够导通的情况除门极触发外其他几种能够导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值呵斥雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值呵斥雪崩效应 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 光触发光触发这些情况除了光触发由于可以保证控制电路与这些情况除了光触发由于可以保证控制电路与主电路

17、之间的良好绝缘而运用于高压电力设备中主电路之间的良好绝缘而运用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以运用于实际。只之外，其它都因不易控制而难以运用于实际。只有门极触发是最准确、迅速而可靠的控制手段。有门极触发是最准确、迅速而可靠的控制手段。 2. 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性静态特性静态特性 正常任务时的特性正常任务时的特性 当晶闸管接受反向电压时，不论门极能否有触发电当晶闸管接受反向电压时，不论门极能否有触发电流，晶闸管都不会导通流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管接受正向电压时，仅在门极有触发电流的当晶闸管接受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才干开通情况下晶闸管才干开通

18、 。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用，不论门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用，不论门极触发电流能否还存在，晶闸管都坚持导通触发电流能否还存在，晶闸管都坚持导通 。 假设要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压假设要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。一数值以下。 2. 晶闸管的根本特性晶闸管的根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 当当IG=0时，假设在器件两端施加正时，假设在器件两端施加正向电压，那么晶闸管处于正向阻断形向电压，那么晶闸管处于正向阻断形状，

19、只需很小的正向漏电流流过。状，只需很小的正向漏电流流过。 假设正向电压超越临界极限即正向假设正向电压超越临界极限即正向转机电压转机电压Ubo，那么漏电流急剧增大，那么漏电流急剧增大，器件开通器件开通 。 随着门极电流幅值的增大，正向转随着门极电流幅值的增大，正向转机电压降低，晶闸管本身的压降很小，机电压降低，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。 假设门极电流为零，并且阳极电流假设门极电流为零，并且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，那以下，那么晶闸管又回到正向阻断形状，么晶闸管又回到正向阻断形状，IH称称为维持电流。为维持电流。 图图10 晶闸管的伏安特性晶闸管

20、的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转机电压机电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+ 随着门极电流幅值的增大，正向转机电随着门极电流幅值的增大，正向转机电压降低压降低 IG=0时，器件两端施加正向电压，时，器件两端施加正向电压，正向阻断形状，只需很小的正向正向阻断形状，只需很小的正向漏电流流过，正向电压超越临界漏电流流过，正向电压超越临界极限即正向转机电压极限即正向转机电压Ubo，那么，那么漏电流急剧增大，器件开通漏电流急剧增大，器件开通 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

21、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，假设门极电流为零，并且阳极电流降至导通期间，假设门极电流为零，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，那么晶闸管又回到正以下，那么晶闸管又回到正向阻断形状。向阻断形状。IH称为维持电流。称为维持电流。 2. 晶闸管的根本特性晶闸管的根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 2. 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似二极管的其伏安特性类似二极管的反向特性。反向特性。 晶闸管处于反向阻断形状晶闸管处于反向阻断形状时，只需极小的反向漏电流经时，只需极小

22、的反向漏电流经过。过。 当反向电压超越一定限制，当反向电压超越一定限制，到反向击穿电压后，外电路如到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，那么反向漏电流无限制措施，那么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11 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转机转机电压电压Ubo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反向特性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 2. 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性动态特性动态特性 开经过

23、程开经过程 由于晶闸管内部的正反响由于晶闸管内部的正反响 过程需求时间，再加上外电路过程需求时间，再加上外电路 电感的限制，晶闸管遭到触发电感的限制，晶闸管遭到触发 后，其阳极电流的增长不能够后，其阳极电流的增长不能够 是瞬时的。是瞬时的。 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 延迟时间随门极电流的增延迟时间随门极电流的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还遭到外电闸管本身特性外，还遭到外电 路电感的严重影响。提高阳极路电感的严重影响。提高阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时

24、间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。 图12 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% 2. 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性关断过程关断过程 由于外电路电感的存在，原处由于外电路电感的存在，原处于导通形状的晶闸管当外加电压突于导通形状的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。 反向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

25、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。 在正向阻断恢复时间内假设重在正向阻断恢复时间内假设重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正导游通，而不是受门极电会重新正导游通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。图图13 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%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA电压定额：电压定额：1) 断态反复峰值电压断态反复峰值电压UDRM在门极断路在门极断路而结温为额定值时，允而结温为额定值时，允许反复加在器

26、件上的许反复加在器件上的 正正向峰值电压。向峰值电压。2) 反向反复峰值电压反向反复峰值电压URRM 在门极断路而结温在门极断路而结温为额定值时，允许反复加在器件上的反向峰值电压。为额定值时，允许反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定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,普通取额定电压普通取额定电压为正常任务时晶闸管所接受峰值电压为正常任务时晶闸管所接受峰值电压23倍倍 3. 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数3) 通态峰值电压通态峰值电压UTM晶闸管通以某一规定晶

27、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。 3. 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 3. 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，普通为几十到几百毫安。普通为几十到几百毫安。 结温越高，那么结温越高，那么IH越小。越小。 擎住电流擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号擎住电流是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。后，能维持导通所需的最小电流。 约为约为IH的的24倍倍 浪涌电流浪涌

28、电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超越额定结温的指由于电路异常情况引起的并使结温超越额定结温的不反复性最大正向过载电流。不反复性最大正向过载电流。电流定额：电流定额： 3. 晶闸管的主要参数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 在额定结温暖门极开路的情况下，不导致晶闸管从在额定结温暖门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。断态到通态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通管误导通

29、。 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，晶闸管能接受而无有害影响的最大在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最大通态电流上升率。通态电流上升率。 假设电流上升太快，能够呵斥部分过热而使晶闸管假设电流上升太快，能够呵斥部分过热而使晶闸管损坏。损坏。晶闸管的门极定额晶闸管的门极定额门极触发电流门极触发电流 IGT IGT是在室温下，阳极电压直流是在室温下，阳极电压直流6V时使晶闸管由断时使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。态转入通态所必需的最小门极电流。门极触发电压门极触发电压 UGT UGT是产生门极触发电流是产生门极触发电流 的最小门极电压。的最小门极电压。

30、 由于晶闸管门极伏安特性的分散性很大，规范只规由于晶闸管门极伏安特性的分散性很大，规范只规定了定了IGT和和UGT的下限，运用时应留意产品合格证上所的下限，运用时应留意产品合格证上所列的实测数值。并大于此值，但不应超越其峰值列的实测数值。并大于此值，但不应超越其峰值 IFGM和和UFGM 。门极平均功率。门极平均功率 PGAV和峰值功率和峰值功率 PGM也不应超越规定值。也不应超越规定值。 4. 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管快速晶闸管 有快速晶闸管和高频晶闸管。有快速晶闸管和高频晶闸管。 快速晶闸管的开关时间以及快速晶闸管的开关时间以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都

31、有了明显改善。明显改善。 从关断时间来看，普通晶闸管普通为数百微秒，快速从关断时间来看，普通晶闸管普通为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管那么为晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管那么为10s左右。左右。 高频晶闸管的缺乏在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的缺乏在于其电压和电流定额都不易做高。 由于任务频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的由于任务频率较高，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开关损耗的发热效应。通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。 4. 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管双向晶闸管 可以以为是一对反并

32、联联可以以为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。接的普通晶闸管的集成。 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象限有对称的伏安特象限有对称的伏安特性。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来表示其额定电流值。有效值来表示其额定电流值。图图14 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 4. 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管逆导晶闸管

33、是将晶闸管反并联一个是将晶闸管反并联一个二极控制造在同一管芯上二极控制造在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有接受反向电压的才干，一接受反向电压的才干，一旦接受反向电压即开通。旦接受反向电压即开通。 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，可用于不需求阻断反向电压的电不需求阻断反向电压的电路中。路中。 图图15 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 4. 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强

34、弱b)OUIA光控晶闸管光控晶闸管 是利用一定波长的光是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。照信号触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以防止电的绝缘，而且可以防止电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率晶闸管目前在高压大功率的场所。的场所。图图16 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 5 典型全控型器件典型全控型器件 1. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 2. 电力晶体管电力晶体管 3. 电力

35、场效应晶体管电力场效应晶体管 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 5 典型全控型器件典型全控型器件 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个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。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 1. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件，但晶闸管的一种派生器件，但可以经过在门极施加负的脉冲可以经

36、过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因此属于全控电流使其关断，因此属于全控型器件。型器件。 GTO的构造和任务原理的构造和任务原理 GTO的构造的构造 是是PNPN四层半导体结四层半导体结 构。构。 是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出个器件，虽然外部同样引出个 极，但内部那么包含数十个极，但内部那么包含数十个甚甚 至数百个共阳极的小至数百个共阳极的小GTO 元，这些元，这些GTO元的阴极和门元的阴极和门 极那么在器件内部并联在一极那么在器件内部并联在一同。同。 图图17 GTO的内部构造和电气图形符号的内部构造和电气图形符号各单元的阴极、门极间隔陈列的图形各单元的阴

37、极、门极间隔陈列的图形 并联单元构造断面表示图并联单元构造断面表示图 电气图形符号电气图形符号 1.1.门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO的构造和任务原理的构造和任务原理构造构造N1P1 P2AKGN2N2N2AGK与晶闸管的一样点与晶闸管的一样点PNPNPNPN四层半导体构造四层半导体构造阳极阳极A A、阴极、阴极K K、门极、门极G G不同点不同点多元功率集成器件内部包含数多元功率集成器件内部包含数百个小百个小GTOGTO元元GTOGTO元阳极共有元阳极共有GTOGTO元阴极、门极在器件内部元阴极、门极在器件内部并联并联阴极呈岛状构造，周围被门极阴极呈岛状构造，周围被门极所包围，

38、以减小门极和阴极之所包围，以减小门极和阴极之间的间隔。阴极宽度越窄、门间的间隔。阴极宽度越窄、门极与阴极间隔越短横向电阻极与阴极间隔越短横向电阻小，越利于关断。小，越利于关断。 N1P1 P2AKGN2N2N2GTO导经过程与普通晶导经过程与普通晶闸管一样，如何？只是闸管一样，如何？只是导通时饱和程度较浅、导通时饱和程度较浅、临界饱和形状。临界饱和形状。任务原理任务原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2导通：导通： V1、V2饱和饱和1+21，1+21；关断：关断： V1、V2是不饱和是不饱和的，的，1+21临界饱和：临界饱和： 1+21晶闸管导通时晶闸管导通时 1

39、+21.15GTO 导通时导通时 1+21.05GTO关断过程：剧烈正关断过程：剧烈正反响反响门极加负脉冲门极加负脉冲即从门极抽出电流，那么即从门极抽出电流，那么IB2减小，使减小，使IK和和IC2减小，减小，IC2的减小又使的减小又使 IA和和IC1减小，又进一步减小减小，又进一步减小V2的的基极电流。当基极电流。当IA和和IK的减的减小使小使1+21时，退出时，退出饱饱和而关断。和而关断。任务原理任务原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2 1. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导经过程与普通晶闸管是一样的，的导经过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和

40、程度较浅。只不过导通时饱和程度较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，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出电流，当两个晶体管发射极电流IA和和IK的的减小使减小使1+21时，器件退出饱和而关断。时，器件退出饱和而关断。 GTO的多元集成构造使得其比普通晶闸管的多元集成构造使得其比普通晶闸管开经过程更快，接受开经过程更快，接受di/dt的才干加强。的才干加强。 2. 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管GTR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、大电流的双极结型晶体管大电流的双极结型晶体管BJT GTR的构造和任务

41、原理的构造和任务原理 与普通的双极结型晶体管根本原理是一与普通的双极结型晶体管根本原理是一样的。样的。 最主要的特性是耐压高、电流大、开关最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。特性好。 GTR的构造的构造 采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元构造，并采用集采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元构造，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。成电路工艺将许多这种单元并联而成。 GTR是由三层半导体分别引出集电极、基极和发射极构成是由三层半导体分别引出集电极、基极和发射极构成的两个的两个PN结集电结和发射结构成，多采用结集电结和发射结构成，多采用NPN构造。构造。 2. 电力晶体管电

42、力晶体管图图 GTR的构造、电气图形符号和内部载流子的流动的构造、电气图形符号和内部载流子的流动a) 内部构造断面表示图内部构造断面表示图 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 2. 电力晶体管电力晶体管Iiiceobc空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib图图 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动 iibc在运用中，在运用中，GTR普通采用共发射极接普通采用共发射极接法。集电极电流法。集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的电流放大系数，它反映了

43、的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制才干。当基极电流对集电极电流的控制才干。当思索到集电极和发射极间的漏电流思索到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，时，ic和和ib的关系为的关系为 单管单管GTR的的 值比处置信息用的小值比处置信息用的小功率晶体管小得多，通常为功率晶体管小得多，通常为10左右，采左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。用达林顿接法可以有效地增大电流增益。 2. 电力晶体管电力晶体管GTR的根本特性的根本特性 静态特性静态特性 在共发射极接法时的典在共发射极接法时的典 型输出特性分为截止区、放型输出特性分为截止区、放 大区和饱和区三个区域。大区和饱和区三个区

44、域。 在电力电子电路中，在电力电子电路中， GTR任务在开关形状，即工任务在开关形状，即工 作在截止区或饱和区。作在截止区或饱和区。 在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时， 普通要经过放大区。普通要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2UTUGSUTUTUT为开启电压为开启电压或阈值电压时，漏极和源极导电，或阈值电压时，漏极和源极导电，流过漏极电流。流过漏极电流。 绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT显著优点：它将显著优点：

45、它将MOSFET MOSFET 和和GTRGTR的优点集于一身，的优点集于一身，耐压高、电流大、任务频率高、通态压降低、驱动功耐压高、电流大、任务频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、平安任务区宽、热稳定性好率小、无二次击穿、平安任务区宽、热稳定性好 。中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电流容量的不断升高，有进一步取代流容量的不断升高，有进一步取代GTO的趋势的趋势 。 1 1 构造和任务原理构造和任务原理N沟道沟道MOSFET与双极型晶体管复合而成与双极型晶体管复合而成 ；以；以GTR为主导元件、为主导元件、N沟道沟道MOSFET

46、为驱动元件的达林顿构为驱动元件的达林顿构造。等效电路中造。等效电路中Rdr是是GTR基区内的扩展电阻。基区内的扩展电阻。 IGBT的开通与关断由栅极电压控制。以的开通与关断由栅极电压控制。以N沟道沟道IGBT为为例，栅极施以正电压时，例，栅极施以正电压时，MOSFET内构成导电沟道，为内构成导电沟道，为PNP晶体管提供基极电流，晶体管提供基极电流，IGBT导通。在栅极施以负导通。在栅极施以负压时，压时，MOSFET内导电沟道消逝，内导电沟道消逝，PNP晶体管无基极电晶体管无基极电流，流，IGBT关断。关断。 GEC+-+-+-IDRdrICUJ1GCEUdr2 2 特性特性静态特性静态特性输出

47、特性输出特性 以栅射电压以栅射电压UGE为参变量，为参变量，反映集电极电流反映集电极电流IC与集电极、发射极电压与集电极、发射极电压UCE间关间关系的曲线族系的曲线族 0放大区截止区饱和区ICUCEUTUGE增加UGE1UGE2UGE3击穿区当当UGEUTUGEUTUGEUT时，时，IGBTIGBT处于放大区。集电极电流处于放大区。集电极电流ICIC大小大小几乎不随几乎不随uCEuCE而变化，其大小取决于而变化，其大小取决于uGEuGE，正常情况，正常情况下不会进入击穿区。下不会进入击穿区。 0放大区截止区饱和区ICUCEUTUGE增加UGE1UGE2UGE3击穿区当当UGEUTUGEUT，集

48、电极电流，集电极电流ICIC与与uCEuCE成线性关系，不随成线性关系，不随uGEuGE而变化，而变化， IGBT IGBT处于饱和区，导通压降较小。处于饱和区，导通压降较小。UT=26VUT=26V，UGE=15VUGE=15V0放大区截止区饱和区ICUCEUTUGE增加UGE1UGE2UGE3击穿区器件优点缺陷运用领域GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流才干强，饱和压降低开关速度低，电流驱动型需求驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题UPS、空调等中小功率中频场所GTO电压、电流容量很大，适用于大功率场所，具有电导调制效应，其通流才干很强电流关断增益小，关断时门极负脉冲电流大，开关速

49、度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场所。MOSFET开关速度快，开关损耗小，任务频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿电流容量小，耐压低，通态损耗较大，普通适宜于高频小功率场所开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品IGBT开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场所，已取代GTR。运用最广泛的电力电子器件。 6 其他新型电力

50、电子器件其他新型电力电子器件 6.1. MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT 6.2. 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT 6.3. 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH 6.4. 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT 6.5. 基于宽禁带半导体资料的电力电子器件基于宽禁带半导体资料的电力电子器件 6.6 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 6.1. MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT是将是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型与晶闸管组合而成的复合型器件。器件。 结合了结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、的高输入阻抗、低驱动功率、快

51、速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点。压降的特点。由数以万计的由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：元组成，每个元的组成为：一个一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未到达预期的数值，未能投入实践运用。都远未到达预期的数值，未能投入实践运用。 6.2. 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT是一种结型场效应晶体管。是一种结型场效应晶体管

52、。是一种多子导电的器件，其任务频率与电力是一种多子导电的器件，其任务频率与电力MOSFET相相当，甚至超越电力当，甚至超越电力MOSFET，而功率容量也比电力，而功率容量也比电力MOSFET大，因此适用于高频大功率场所。大，因此适用于高频大功率场所。栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，运用不太方便，此外这被称为正常导通型器件，运用不太方便，此外SIT通态电通态电阻较大，使得通态损耗也大，因此阻较大，使得通态损耗也大，因此SIT还未在大多数电力电还未在大多数电力电子设备中得到广泛运用。子设备中得到广泛运用。 6.

53、3. 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH可以看作是可以看作是SIT与与GTO复合而成。复合而成。 又被称为场控晶闸管又被称为场控晶闸管FCT，本质上是两种载，本质上是两种载流子导电流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流才干强。通流才干强。 其很多特性与其很多特性与GTO类似，但开关速度比类似，但开关速度比GTO高高得多，是大容量的快速器件。得多，是大容量的快速器件。 普通也是正常导通型，但也有正常关断型普通也是正常导通型，但也有正常关断型 ，电，电流关断增益较小，因此其运用范围还有待拓展。流关断增益较小，因此其运用范围还有待拓展。

54、 6.4. 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT是将一个平板型的是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电力与由很多个并联的电力MOSFET器件和其它辅助元件组成的器件和其它辅助元件组成的GTO门极驱门极驱动电路采用精心设计的互联构造和封装工艺集成在动电路采用精心设计的互联构造和封装工艺集成在一同。一同。 容量与普通容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的相当，但开关速度比普通的GTO快快10倍，而且可以简化普通倍，而且可以简化普通GTO运用时庞大运用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率依然而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率依然很大。很大。 目前正在与目前正在与IGBT等

55、新型器件猛烈竞争。等新型器件猛烈竞争。 6.5. 基于宽禁带半导体资料的电力电子器件基于宽禁带半导体资料的电力电子器件硅的禁带宽度为硅的禁带宽度为1.12电子伏特电子伏特eV，而宽禁带半导体，而宽禁带半导体资料是指禁带宽度在资料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材电子伏特左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅料，典型的是碳化硅SiC、氮化镓、氮化镓GaN、金刚石等、金刚石等资料。资料。基于宽禁带半导体资料如碳化硅的电力电子器件将基于宽禁带半导体资料如碳化硅的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的才干、低得多的通态具有比硅器件高得多的耐受高电压的才干、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温暖电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温暖射线辐射的才干，许多方面的性能都是成数量级的提高。射线辐射的才干，许多方面的性能都是成数量级的提高。宽禁带半导体器件的开展不断佑于资料的提炼和制造以宽禁带半导体器件的开展不断佑于资料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。及随后的半导体制造工艺的困难。 6.6 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根本概念根本概念 20世纪世纪80年代中后期开场，模块化趋势，将多年代中后期开场，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。个器件封装在一个模块中，称为功率模块