1电力电子器件学习教案

1、会计学11电力电子器件电力电子器件第一页，编辑于星期五：十三点 十分。2第2页/共87页第1页/共87页第二页，编辑于星期五：十三点 十分。3第3页/共87页第2页/共87页第三页，编辑于星期五：十三点 十分。4第4页/共87页第3页/共87页第四页，编辑于星期五：十三点 十分。5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第5页/共87页第4页/共87页第五页，编辑于星期五：十三点 十分。6 电气隔离电气隔离图图1-1 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第6页/共87页第5页/共

2、87页第六页，编辑于星期五：十三点 十分。7第7页/共87页第6页/共87页第七页，编辑于星期五：十三点 十分。8第8页/共87页第7页/共87页第八页，编辑于星期五：十三点 十分。9第9页/共87页第8页/共87页第九页，编辑于星期五：十三点 十分。10第10页/共87页第9页/共87页第十页，编辑于星期五：十三点 十分。11第11页/共87页第10页/共87页第十一页，编辑于星期五：十三点 十分。12整流二极管及模块整流二极管及模块第12页/共87页第11页/共87页第十二页，编辑于星期五：十三点 十分。13AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符

3、号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 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第13页/共87页第12页/共87页第十三页，编辑于星期五：十三点 十分。14第14页/共87页第13页/共87页第十四页，编辑于星期五：十三点 十分。15第15页/共87页第14页/共87页第十五页，编辑于星期五：十三点 十分。16IOIFUTOUFU图图1-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性第16页/共87页第15页/共87页第十六页，编辑于星期五：十三点 十分。17a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtf

4、rt02V 图图1-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 动态特性动态特性 因为因为结电容结电容的存在，电压的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性开关特性。 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。电力二极管并不能立即关

5、断，而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。 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。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。 延迟时间延迟时间：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 恢复特性的软度恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系，或称恢复系 数，用数，用Sr表示。表示。t0:正向正向电流降电流降为零的为零的时刻时刻t1:反向电流反向电流达最大值的达最大值的时刻时刻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第17页/共87页第16页/

6、共87页第十七页，编辑于星期五：十三点 十分。18UFPuiiFuFtfrt02V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，经过，经过一段时间才趋于接近稳态压降一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如的某个值（如2V）。）。 正向恢复时间正向恢复时间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

7、流上升率电流上升率越大，越大，UFP越高。越高。 图图1-6 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 第18页/共87页第17页/共87页第十八页，编辑于星期五：十三点 十分。19第19页/共87页第18页/共87页第十九页，编辑于星期五：十三点 十分。20第20页/共87页第19页/共87页第二十页，编辑于星期五：十三点 十分。21第21页/共87页第20页/共87页第二十一页，编辑于星期五：十三点 十分。22第22页/共87页第21页/共87页第二十二页，编辑于星期五：十三点 十分。23第23页/共87页第22页/共87页第二十三页

8、，编辑于星期五：十三点 十分。24第24页/共87页第23页/共87页第二十四页，编辑于星期五：十三点 十分。25晶闸管及模块晶闸管及模块第25页/共87页第24页/共87页第二十五页，编辑于星期五：十三点 十分。26 图图1-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号 第26页/共87页第25页/共87页第二十六页，编辑于星期五：十三点 十分。27图图1-8 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

9、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（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）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分别是分别是V1和和V2的共基的共基极漏电流。极漏电流。第27页/共87页第26页/共87页第二十七页，编辑于星期五：十三点 十分。28)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(1-5)第28页/共87页第27页/共87页第二十八页，编辑于

10、星期五：十三点 十分。29第29页/共87页第28页/共87页第二十九页，编辑于星期五：十三点 十分。30第30页/共87页第29页/共87页第三十页，编辑于星期五：十三点 十分。31 图图1-9 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正向导通雪崩击穿O+UA-UA- IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第31页/共87页第30页/共87页第三十一页，编辑于星期五：十三点 十分。32反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的反的反向特性。向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，晶闸管处于反向阻断状

11、态时，只有极小的只有极小的反向漏电流反向漏电流通过。通过。 当反向电压超过一定限度，到当反向电压超过一定限度，到反反向击穿电压向击穿电压后，外电路如无限制后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。导致晶闸管发热损坏。 图图1-9 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正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第32页/共87页第31页/共87页第三十二页，编辑于星期五：十三点 十分。33 图图1-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通

12、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%第33页/共87页第32页/共87页第三十三页，编辑于星期五：十三点 十分。34图图1-10 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%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第34页/共87页第33页/共87页第三十四页，编辑于星期五：十三点 十分。35第35页/共87页第34页/共87页第三十五页，编辑于星期五：十三点 十分。36第36页

13、/共87页第35页/共87页第三十六页，编辑于星期五：十三点 十分。37第37页/共87页第36页/共87页第三十七页，编辑于星期五：十三点 十分。38第38页/共87页第37页/共87页第三十八页，编辑于星期五：十三点 十分。39第39页/共87页第38页/共87页第三十九页，编辑于星期五：十三点 十分。40a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联 接接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正反两门极使

14、器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特性对称的伏安特性。 双向晶闸管通常用在交流电路中，双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用因此不用平均值而用有效值有效值来表示来表示其额定电流值。其额定电流值。图图1-11 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 第40页/共87页第39页/共87页第四十页，编辑于星期五：十三点 十分。41a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT

15、） 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，不具有承的功率集成器件，不具有承受受反向电压反向电压的能力，一旦的能力，一旦承受反向电压即开通。承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断时具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。反向电压的电路中。 图图1-12 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 第41页/共87页第40页/共87页第四十一页，编辑

16、于星期五：十三点 十分。42AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的是利用一定波长的光照信光照信号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绝缘缘，而且可以避免电磁干，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸扰的影响，因此光控晶闸管目前在管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图1-13 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

17、 第42页/共87页第41页/共87页第四十二页，编辑于星期五：十三点 十分。43电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块第43页/共87页第42页/共87页第四十三页，编辑于星期五：十三点 十分。44图图1-14 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a)各单元的阴极、门极间隔排列的图各单元的阴极、门极间隔排列的图形形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号 第44页/共87页第43页/共87页第四十四页，编辑于星期五：十三点 十分。45 图图1-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其及其工作原理工作原理 a)

18、双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如图仍然可以用如图2-8所示的所示的双晶体管双晶体管模型模型来分析，来分析，V1、V2的共基极电流增的共基极电流增益分别是益分别是 1、 2。 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导通，小于导通，小于1则关断。则关断。 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控制控制 灵敏，灵敏，易于易于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，导通时接近临临界饱和界饱和，有利门极控制关断，但导通，有利门极控制关断，但导

19、通时管时管压降压降增大。增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区基区横向电横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。阻很小，能从门极抽出较大电流。 第45页/共87页第44页/共87页第四十五页，编辑于星期五：十三点 十分。46第46页/共87页第45页/共87页第四十六页，编辑于星期五：十三点 十分。47图图1-15 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 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通抽取饱和导通时储存的大量时储存的大量载流子的时间载流子的时间等效晶体管从等效晶体管从饱和区退至放饱和区退至放大区，阳

20、极电大区，阳极电流逐渐减小时流逐渐减小时间间 残存残存载流载流子复子复合所合所需时需时间间 第47页/共87页第46页/共87页第四十七页，编辑于星期五：十三点 十分。48第48页/共87页第47页/共87页第四十八页，编辑于星期五：十三点 十分。49第49页/共87页第48页/共87页第四十九页，编辑于星期五：十三点 十分。50图图2-16 GTR的结构、电气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+表示表示高掺杂高掺杂浓度，浓度，-表示低表示低掺杂浓掺杂

21、浓度度 第50页/共87页第49页/共87页第五十页，编辑于星期五：十三点 十分。51Iiiceobc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 iibc在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接法。一般采用共发射极接法。集电极电流集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的的电流放大系数电流放大系数，它反映了，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流考虑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G

22、TR的的 值比处理信息用的小功值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为率晶体管小得多，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效地增大电流增益。可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)第51页/共87页第50页/共87页第五十一页，编辑于星期五：十三点 十分。52截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图图2-17 共发射极接法时共发射极接法时GTR的输出特性的输出特性第52页/共87页第51页/共87页第五十二页，编辑于星期五：十三点 十分。53ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4

23、t5tttofftstftontrtd图图2-18 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形主要是由发射结势垒电主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充容和集电结势垒电容充电产生的。电产生的。 是用来除去饱和导通时储是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。关断时间的主要部分。 第53页/共87页第52页/共87页第五十三页，编辑于星期五：十三点 十分。54 实际使用实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得低得 多。多。BUBUBUBUBUceocercescexcbo第54页/共

24、87页第53页/共87页第五十四页，编辑于星期五：十三点 十分。55第55页/共87页第54页/共87页第五十五页，编辑于星期五：十三点 十分。56SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图2-19 GTR的安全工作区的安全工作区二次击穿功二次击穿功率率 安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 将不同基极电流下二次击穿的临界点将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线。连接起来，就构成了二次击穿临界线。 GTR工作时不仅不能超过最高电压工作时不仅不能超过最高电压 UceM，集电极最大电流，集电极最大电流IcM和最大耗散功和最大耗散功

25、 率率PcM，也不能超过，也不能超过二次击穿临界线二次击穿临界线。第56页/共87页第55页/共87页第五十六页，编辑于星期五：十三点 十分。57第57页/共87页第56页/共87页第五十七页，编辑于星期五：十三点 十分。58第58页/共87页第57页/共87页第五十八页，编辑于星期五：十三点 十分。59N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图图2-20 电力电力MOSFET的结构的结构 和电和电气图形符号气图形符号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第59页/共87页第58页/共87页第五十九页，编辑于星期五：十三

26、点 十分。60第60页/共87页第59页/共87页第六十页，编辑于星期五：十三点 十分。61GSDfsddUIG 图图2-21 电力电力MOSFET的的转移特性和输出特性转移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性(2-11) 是电压控制型器件，其输入阻是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。抗极高，输入电流非常小。第61页/共87页第60页/共87页第六十一页，编辑于星期五：十三点 十分。62输出特性输出特性 是是MOSFET的的漏极漏极伏安特性。伏安特性。 截止区截止区（对应于（对应于GTR的截止区）、的截止区）、饱和饱和区区（对应于（对应于GTR的放大区）、的放大区）、非饱和区

27、非饱和区（对应于（对应于GTR的饱和区）三个区域，饱的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。流相应增加。 工作在工作在开关开关状态，即在状态，即在截止区截止区和和非饱和区非饱和区之间来回转换。之间来回转换。本身结构所致，本身结构所致，漏极漏极和和源极源极之间形成了之间形成了一个与一个与MOSFET反向并联的反向并联的寄生二极管寄生二极管。通态电阻具有通态电阻具有正温度系数正温度系数，对器件并联，对器件并联时的时的均流均流有利。有利。 图图2-21 电力电力MOSFE

28、T的的转移特性和输出特性转移特性和输出特性 b) 输出特性输出特性第62页/共87页第61页/共87页第六十二页，编辑于星期五：十三点 十分。63信号iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd (off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE图图2-22 电力电力MOSFET的开关过程的开关过程 a)测试电路测试电路 b) 开关过程波形开关过程波形up为矩形脉冲电压为矩形脉冲电压信号源，信号源，Rs为信号源为信号源内阻，内阻，RG为栅极电阻，为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电用于检测漏极电流。流。 (a)(b)第63页/共87页第62页/共

29、87页第六十三页，编辑于星期五：十三点 十分。64需要一定的需要一定的驱动功率驱动功率，开关频率，开关频率越高，所需越高，所需要的驱动功率越大。要的驱动功率越大。第64页/共87页第63页/共87页第六十四页，编辑于星期五：十三点 十分。65第65页/共87页第64页/共87页第六十五页，编辑于星期五：十三点 十分。66第66页/共87页第65页/共87页第六十六页，编辑于星期五：十三点 十分。67图图2-23 IGBT的结构、简的结构、简化等效电路和电气图形符化等效电路和电气图形符号号a) 内部结构断面示意内部结构断面示意图图 b) 简化等效电路简化等效电路 c) 电气电气图形符号图形符号RN为晶体管基为晶体管基区内的调制电区内的调制电阻。阻。 第67页/共87页第66页/共87页第六十七页，编辑于星期五：十三点 十分。68第68页/共87页第67页/共87页第六十八页，编辑于星期五：十三点 十分。69（a）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 a) 转移特转移特性性 第69页/共87页第68页/共87页第六十九页，编辑于星期五：十三点 十分。70输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极为参考变量时，集电极电流电流IC与集射极间电压与集射极间电