汽车电力电子及电力驱动-1

1、汽车电力电子及电力驱动汽车电力电子及电力驱动授课教师：薛秀丽电话公室：13-108新能源电动汽车电气组成新能源电动汽车电气组成1271110354986 20KW；动力输出1.驱动电机控制器其将动力电池提供的直流电，转化为交流电，然后输出给电机；2.通过电机的正转来实现整车加速、减速；通过电机的反转来实现倒车；3.其通过有效的控制策略，控制动力总成以最佳方式协调工作。主要部件介绍主要部件介绍- -驱动电机驱动电机 DC-DC变换器安装于前机舱位置，其主要功能是在车辆启动后将动力电池输入的高压电转变成低压12V向蓄电池充电，以保证行车时低压用电设备正常工作。主要部件介绍

2、主要部件介绍- -DC/DCDC/DC变换器变换器每辆电动汽车都配有车载充电器、用于对动力电池充电。主要部件介绍主要部件介绍- -车载充电机车载充电机比亚迪比亚迪e6电动汽车电池管理系统电动汽车电池管理系统项目一：电力电子器件项目一：电力电子器件任务一：任务一：电力电子器件的结构、特性和主要参数任务二：任务二：电力电子器件的驱动电路、缓存电路及串并联技术任务一：电力电子器件任务一：电力电子器件电力电子技术的概念电力电子技术的概念 可以认为，所谓电力电子技术就是应用于可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力电力领域的领域的电子电子技术。技术。 电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电

3、力” 有区别于有区别于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力” ，后者特指电力，后者特指电力网的网的“电力电力” ，前者则更一般些。，前者则更一般些。 电子技术包括电子技术包括信息电子技术信息电子技术和和电力电子技术电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。技术都属于信息电子技术。 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具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子

4、器件电力电子器件 对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。 电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。础。 变流技术则是电力电子技术的核心变流技术则是电力电子技术的核心。 输入输入 输出输出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类图图1-1 描述电力电子学的倒三角描述电力电子学的倒三角形形电力电子部件的应用电力电子部件的应用 电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电电力电子技术可

5、以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。有力的纽带。汽车电力电子及电力驱动汽车电力电子及电力驱动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（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，实现电能的变中，实现电能的变换或控制的换或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

6、任务的电路。担电能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。导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。 电力电子器件的特征电力电子器件的特征 所能处理所能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压和的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。处理信息的电子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在在开关状态开关状态。 由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制 ,而

7、且需要而且需要驱动电路驱动电路。 自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装在其工作时一般都需要安装散热器散热器。 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。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会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。 通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗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电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般

8、是由控制电路控制电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。 电气隔离图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成3. 电力电子器件的分类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按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。决定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOS

9、FET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断通过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。按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 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或者关断的控制。来实现导通或者关断的控制。 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通信号就可实现导通或者关断的控制。或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管

10、除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器件的开通信号来实现器件的开通或者关断的控制。或者关断的控制。 电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并信号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。在导通状态或者关断并维持在阻断状态。 按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 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

11、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成，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。也称混合型器件。 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除去价表示除去价电子后的原子电子后的原子SiGee不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管半导体材料半导体材料载流子：自由电子和空穴载流子：自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子载流子的产生与复合载流子的产生与复合+4+4+4+4本征半导体中存在数量相等的两种载流子，

12、即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。P 型半导体型半导体+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。N 型半导体型半导体+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的载流子是型半导体中的载流子是什么？什么？掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。P型半导体型半导体N

13、型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散扩散(diffusion)的结果是使的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。电荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移(drift)运运动越强，而漂移使空间电荷区变动越强，而漂移使空间电荷区变薄。薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固

14、定不变。运动，空间电荷区的厚度固定不变。+空间电荷区空间电荷区N型区型区P型区型区电位电位VV0PN 结的单向导电性结的单向导电性PN结结(PN junction)正向偏置正向偏置+内电场减弱，使扩散加强，内电场减弱，使扩散加强，扩散扩散 飘移，正向电流大飘移，正向电流大空间电荷区变薄空间电荷区变薄PN+_正向电流正向电流PN结结(PN junction)反向偏置反向偏置+空间电荷区变厚空间电荷区变厚NP+_+内电场加强，使扩散停止，内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流反向饱和电流很小，很小， A A级级AKAKa)IKAPNJb)c)AKPN结

15、与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的, ,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号整流二极管及模块整流二极管及模块二极管的基本原理二极管的基本原理PN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，在外电路上则结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自形成自P

16、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结的正向导通状态。结的正向导通状态。 当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。止状态。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截结反向偏置为截止的工作状态，这就叫止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。 按照机理不同

17、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一反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，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。 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和和扩散电扩散电容容CD +NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL法

18、）法）(FddDDQvQC PN结反向偏置时，载流子数结反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容可忽略目很少，扩散电容可忽略+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL1. 扩散电容扩散电容PN结处于正向偏置时，多子的扩散导致在结处于正向偏置时，多子的扩散导致在P区（区（N区）靠近结的边缘有高于正常情区）靠近结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到况的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到PN结的邻域结的邻域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。势垒区是积累空间电

19、荷的区域，当势垒区是积累空间电荷的区域，当反向偏置反向偏置电压电压变化变化时，就会引起积时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化累在势垒区的空间电荷的变化2. 势垒电容势垒电容类似于平板电容器两极板上电荷的变化类似于平板电容器两极板上电荷的变化 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，当正向电压较低时，势垒电容为主。越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。 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状态下，可能使其单向，特别是在高速开关的状态

20、下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。导电性变差，甚至不能工作。PN结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏时，结电容较大（主结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性静态特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门槛门槛 电压电压UTO ），正向电流才开始），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。明显增加，处于稳定导通状态。 与与IF对应的

21、电力二极管两端的对应的电力二极管两端的 电压即为其电压即为其正向电压降正向电压降UF。 承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有少子少子 引起的微小而数值恒定的引起的微小而数值恒定的反向反向 漏电流漏电流。IOIFUTOUFU电力二极管的伏安特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V电力二极管的动态过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 动态特性 因为结电容的存在，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开关特性。 由正向偏置转换为反向

22、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。 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：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： tf /td，或称恢复系 数，用Sr表示。t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置 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）。 正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大

23、量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。 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置 电力二极管的主要参数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（简称壳指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正工频正弦半波电流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，使用时应按是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有

24、效有效值相等值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。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稳态正向电流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 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有使用时，应当留有两倍两倍的裕量。的裕量。 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

25、指在PN结不致损坏的前提下所结不致损坏的前提下所能承受的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个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工频周期的过电流。电力二极管的主要类型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

26、 Diode） 又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多用，多用于开关频率不高（于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整流电路中。 其其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 。 其其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可以达到很高。很高。 快恢复二极管（快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢复过程恢复过程很短，特别是很短，特别是反向恢复过程反向恢复过程很短（一很短（一般在般在5 s以下）以下） 。 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxia

27、l DiodesFRED） ，采用，采用外延型外延型P-i-N结构结构 ，其，其反向恢复时间更短（可低于反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很），正向压降也很低（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，甚至达到以下，甚至达到2030ns。43/89肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 属于属于多子多子器件器件 优点在于：优点在于：反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（

28、1040ns），正向恢），正向恢复过程中也不会有明显的复过程中也不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低的情；在反向耐压较低的情况下其况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其其开关损耗开关损耗和和正向导通损耗正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率都比快速二极管还要小，效率高。高。 弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场以下的低压场合；合；反向漏电流反向漏电流较大且对较大且对温度温度敏感，因此敏感，因

29、此反向稳态损耗反向稳态损耗不不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。 P1P2N1N2半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管P1P2N1N2K GAPPNNNPAGKKA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG 在极短时间内使两个在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此三极管均饱和导通，此过程称触发导通。过程称触发导通。G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii EA+_R T1T2EG_+G21iG2iGi2BiEA+_R T1T2EG2BiG2iGiG21i_+G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii G

30、除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外其他几种可能导通的情况 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 光触发光触发这些情况除了这些情况除了光触发光触发由于可以保证控制电路与由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有有门极触发门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。是最精确、迅速而可靠的控制手段。 必须使可控硅阳极电流减小，直到必须使可控

31、硅阳极电流减小，直到正反馈正反馈效效应不能维持。应不能维持。 将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的静态特性静态特性 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，不论门极是否有触发电时，不论门极是否有触发电流，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的情况下晶闸管才能开通情况下晶闸管才能开通 。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通

32、。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和若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外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一电流降到接近于零的某一数值以下数值以下。 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，如果在器件时，如果在器件两端施加正向电压，则晶两端施加正向电压，则晶闸管处于正向闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有很小的正向漏电流流只有很小的正向漏电流流过。过。 如果正向电压超过临界如果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，则漏电流急剧增大，器，则漏电流急剧增大，器件件开通开通 。 随着随着门极电流

33、幅值门极电流幅值的增的增大，大，正向转折电压正向转折电压降低，降低，晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。 如果如果门极电流门极电流为零，并为零，并且阳极电流降至接近于零且阳极电流降至接近于零的某一数值的某一数值IH以下，则晶以下，则晶闸管又回到闸管又回到正向阻断正向阻断状态状态，IH称为称为维持电流维持电流。 正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 反向特性 其伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。

34、当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。 延迟时间延迟时间td (0.51.5 s) 上升时间上升时间tr (0.

35、53 s) 开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增的增 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，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳态值的10%关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原处的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压

36、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。 在在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，晶闸管，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。晶闸管的开通和关断过程波形反向恢复电流最大值尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA

37、电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-9）。）。 国标规定断态重复峰值电压国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）断态最大瞬时电压）UDSM的的90%。 断态不重复峰值电压应低于断态不重复峰值电压应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上

38、的反向反向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-8）。）。 规定反向重复峰值电压规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）最大瞬态电压）URSM的的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压反向击穿电压。4、晶闸管的主要参数、晶闸管的主要参数 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瞬态峰值电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。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中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。

39、选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷冷 却状态却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。波电流的平均值。 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应发热效应来定义的。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

40、值相等）的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原则所得计算结果的1.52倍。倍。 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维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，电流，一般为几十到几百毫安。一般为几十到几百毫安。 结温结温越高，则越高，则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，能维持导通所需的后，能维持导通所需的最小最小电流。电流。 约为约为IH的的24倍倍 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指

41、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不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流。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断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 。 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，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害

42、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。快速晶闸管（快速晶闸管（Fast 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。 快速晶闸管的快速晶闸管的开关时间开关时间以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明显改善。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，快速微秒，快速晶闸管为晶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

43、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。 5、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（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管通常用在交

44、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。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)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 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，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向电压反向电压的能力，一的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。 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，可用于不需要阻断反

45、向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。 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 AGKa)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光照信号照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的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场

46、合。 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 全控器件全控器件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MOSFETIGBT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，

47、但晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于电流使其关断，因而属于全控全控型器件型器件。 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半导体结构。 是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出器件，虽然外部同样引出3个个 极，但内部则包含数十个甚极，但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的至数百个共阳极的小小GTO 元元，这些，这些GTO元的元的阴极阴极和和门门 极极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。在一起。 GTO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

48、的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号 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GTO的工作原理 仍然可以用如图所示的双晶体管模型来分析，T1、T2的共基极电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。 GTO与普通晶闸管的不同 设计2较大，使晶体管T2控制 灵敏，易于GTO关断。 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 67/89GTO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

49、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。 68/89GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管开通过程与普通晶闸管类似。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 通常通常tf比比

50、ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长。要长。 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就越就越短。使门极负脉冲的短。使门极负脉冲的后沿后沿缓慢衰减，在缓慢衰减，在tt阶段仍能阶段仍能保持适当的保持适当的负电压负电压，则可，则可以缩短以缩短尾部时间尾部时间。GTO的开通和关断过程电流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间 残存载流子复合所需时间 69/89GTO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

51、参数意义相同。的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 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 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值与门极负脉冲电流最大值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的一个主要缺点。的一个主要缺点。 开通时间开通时间ton 延迟延迟时间与时间与上升上升时间之和。时间之和。 延迟时间一般约延迟时间一般约12 s，上升时间则随，上升时间则随通态阳极电流值通态阳极电流值的增大而的增大而 增大。增大。 关断时间关断时间

52、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。 储存时间随储存时间随阳极电流阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于的增大而增大，下降时间一般小于2 s。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。当需要承受反向电，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和压时，应和电力二极管电力二极管串联使用。串联使用。 2、电力晶体管、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

53、体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR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与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。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、开关开关特性好。特性好。 71/89 GTR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单元结构，并采用集组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元成电路工艺将许多这种单元并联并联而成。而成。 GTR是由是由三层半导体三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个

54、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结构。结构。电力晶体管电力晶体管 GTR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 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动+表示高掺杂浓度，-表示低掺杂浓度 72/89电力晶体管电力晶体管Iiiceobc空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ibc) 内部载流子的流动 iibc在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为 称为GTR的电流放大系数，它反映了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Iceo时，ic和ib的关系为

55、 单管GTR的 值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)73/89电力晶体管电力晶体管GTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典 型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放 大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。 在电力电子电路中，在电力电子电路中， GTR工作在工作在开关状态开关状态，即工，即工 作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。 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， 一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区放

56、大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce共发射极接法时GTR的输出特性74/89电力晶体管电力晶体管动态特性动态特性 开通过程开通过程 需要经过延迟时间需要经过延迟时间td和上升时和上升时 间间tr，二者之和为开通时间，二者之和为开通时间ton。 增大基极驱动电流增大基极驱动电流ib的幅值并的幅值并 增大增大dib/dt，可以缩短，可以缩短延迟时间延迟时间， 同时也可以缩短同时也可以缩短上升时间上升时间，从而，从而 加快开通过程。加快开通过程。 关断过程关断过程 需要经过储存时间需要经过储存时间ts和下降时和下降时 间间tf，二者之和为关断时间，二者之和为关断时间toff。

57、减小导通时的减小导通时的饱和深度饱和深度以减以减 小储存的载流子，或者增大基极小储存的载流子，或者增大基极 抽取负电流抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，的幅值和负偏压， 可以缩短储存时间，从而加快关可以缩短储存时间，从而加快关 断速度。断速度。 GTR的开关时间在的开关时间在几微秒几微秒以内，以内，比晶闸管和比晶闸管和GTO都短很多。都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的开通和关断过程电流波形主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。 是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子

58、的，是关断时间的主要部分。 电力晶体管电力晶体管GTR的主要参数的主要参数 电流放大倍数电流放大倍数 、直流电流增益、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流、集电极与发射极间漏电流Iceo、集电极和发射极间饱和压降集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间、开通时间ton和关断时间和关断时间toff 最高工作电压最高工作电压 GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身的击穿电压不仅和晶体管本身的特性特性有关，还与外电路的接法有关。有关，还与外电路的接法有关。 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压发射极开路时集电极和基极

59、间的反向击穿电压BUcbo 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo 发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压电压BUcer和和BUces 发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex 且存在以下关系：且存在以下关系： 实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。BUBUBUBUBUceocercescexcbo76/89电力晶体管电力晶体管集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM 规定直流电流放大系

60、数规定直流电流放大系数hFE下降到规定的下降到规定的1/21/3时所对应的时所对应的Ic。 实际使用时要留有较大裕量，只能用到实际使用时要留有较大裕量，只能用到IcM的的一半一半或或稍多一点稍多一点。集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM 指在指在最高最高工作温度下允许的耗散功率。工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中在给出产品说明书中在给出PcM时总是同时给出壳温时总是同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。，间接表示了最高工作温度。 77/89电力晶体管电力晶体管GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区 当当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，