电力电子器件概述(3)ppt课件

1、v电子技术的根底电子技术的根底v 电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路v电力电子电路的根底电力电子电路的根底v 电力电子器件电力电子器件v本章主要内容：本章主要内容：v概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。v引见常用电力电子器件的任务原理、根本特性、主要参数引见常用电力电子器件的任务原理、根本特性、主要参数以及选择和运用中应留意问题。以及选择和运用中应留意问题。第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1 1概念概念: :电力电子器件电力电子器件Power Electronic DevicePower Electronic Devic

2、e 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。制的电子器件。主电路主电路Main Power CircuitMain Power Circuit 电气设备或电力系统中，直接承当电能的变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电路。换或控制义务的电路。2 2分类分类: : 电真空器件电真空器件 ( (汞弧整流器、闸流管汞弧整流器、闸流管) ) 半导体器件半导体器件 ( (采用的主要资料硅依然采用的主要资料硅依然1、电力电子器件、电力电子器件1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述能处置电功率的才干，普通远大于处置信息能处置电功率的才干，

3、普通远大于处置信息的电子器件。的电子器件。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。电力电子器件往往需求由信息电子电路来控电力电子器件往往需求由信息电子电路来控制。制。电力电子器件本身的功率损耗远大于信息电电力电子器件本身的功率损耗远大于信息电子器件，普通都要安装散热器。子器件，普通都要安装散热器。3同处置信息的电子器件相比的普通特征：同处置信息的电子器件相比的普通特征：通态损耗是器件功率损耗的主要成因。通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗能够成为器件功率损器件开关频率较高时，开关损耗能够成为器件功率损耗的主要要素。耗的主要要素。主要损耗通态

4、损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗电力电子系统：由控制电路、驱动电路、维护电路电力电子系统：由控制电路、驱动电路、维护电路 和以电力电子器件为中心的主电路组成。和以电力电子器件为中心的主电路组成。图1-1 电力电子器件在实践运用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2维护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运转电气隔离控制电路半控型器件半控型器件Thyristor 经过控制信号可以控制其导通而不能经过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。控制其关断。全控型器件全控型器件IGBT,MOSFET) 经过控

5、制信号既可控制其导通又可控经过控制信号既可控制其导通又可控制其关制其关 断，又称自关断器件。断，又称自关断器件。不可控器件不可控器件(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, 因此因此也就不需求驱动电路。也就不需求驱动电路。 按照器件可以被控制的程度，分为以下三类：按照器件可以被控制的程度，分为以下三类：2、电力电子器件分类、电力电子器件分类电流驱动型电流驱动型 经过从控制端注入或者抽出电流来实现经过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者导通或者 关断的控制。关断的控制。电压驱动型电压驱动型 仅经过在控制端和公共端之间施加一定仅经过在控制端和公共端之间施

6、加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 按照驱动电路信号的性质，分为两按照驱动电路信号的性质，分为两类：类： Power Diode构造和原理简单，任务可靠，自20世纪50年代初期就获得运用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场所，具有不可替代的位置。整流二极管及模块1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管根本构造和任务原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。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、构造和电气图形符号 a) 外形 b) 构造 c

7、) 电气图形符号1、PN结与电力二极管的任务原理结与电力二极管的任务原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK 形状参数正导游通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态二极管的根本原理就在于PN结的单导游电性这一主要特征。电导调制效应 N-区域 PN结的形状主要指其伏安特性主要指其伏安特性门槛电压门槛电压UTO，正向，正向电流电流IF开场明显添加开场明显添加所 对 应 的 电 压 。所 对 应 的 电 压 。0.2v-0.5v与与IF对应的电力二极管对应的电力二极管两端的电压即为其正两端的电压即为其正向电压降向电压降UF 。0.7v-1.2v接受反向电压时

8、，只需接受反向电压时，只需微小而数值恒定的反微小而数值恒定的反向漏电流。几十微安向漏电流。几十微安-几十毫安几十毫安电力二极管的伏安特性1) 静态特性静态特性IOIFUTOUFU2、二极管任务特性、二极管任务特性v正向压降先出现一个过冲UFP电导调制效应，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值如 2V。v正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V 开经过程：开经过程： 关断过程关断过程须经过一段短暂的时间才干重新获得须经过一段短暂的时间才干重新获得反向阻断才干，进入截止形状。反向阻断才干，进入截止形状。关断之前有较大的反向电流出现电关断之前有较大的反向

9、电流出现电导调制效应，并伴随有明显的反向电导调制效应，并伴随有明显的反向电压过冲线路电感的作用。压过冲线路电感的作用。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt2) 动态特性动态特性 二极管的电压-电流特性随时间变化的曲线延迟时间：td= t1- t0, 去除少子电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf3、二极管主要参数、二极管主要参数IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，通态电流在一个是按照电流的发热效应来定义的，通态电流在一个整周期内的平均值，并应留有一定的裕量。整周期内的平均值，并应留有一定的裕量。假设正弦电流的最大值为

10、假设正弦电流的最大值为Im，那么额定电流为，那么额定电流为1) 正向平均电流正向平均电流IF(AV)2正向压降正向压降UF 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。3 反向反复峰值电压反向反复峰值电压URRM对电力二极管所能反复施加的反向最顶峰值电压。对电力二极管所能反复施加的反向最顶峰值电压。击穿电压的击穿电压的2/3倍倍mIttdII1)(sin210mF(AV)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。TJM是指在是指在PN结不致损坏的前提下所能接受的最高平均温度。结不致损坏的前提下所能接受的最高平均温度。TJM通常在通常在125175

11、C范围之内。范围之内。6) 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能接受最大的延续一个或几个工频周期的过电流。指电力二极管所能接受最大的延续一个或几个工频周期的过电流。 5最高任务结温最高任务结温TJM4反向恢复时间反向恢复时间trr trr= td+ tf1) 普通二极管普通二极管General Purpose Diode又称整流二极管又称整流二极管Rectifier Diode多用于开关频率不高多用于开关频率不高1kHz以下的整流电路以下的整流电路其反向恢复时间较长，普通在其反向恢复时间较长，普通在5s以上，这在开关频以上，这在开关频率不高时并不重要。率不高时并不重要。正向电流定额和反向电

12、压定额可以到达很高，分别可正向电流定额和反向电压定额可以到达很高，分别可达数千安和数千伏以上达数千安和数千伏以上4、二极管类型、二极管类型简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施快恢复外延二极管PIN Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED，其trr更短可低于50ns， UF也很低0.9V左右，但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者那么在100ns以下，甚至到达2030ns。2) 快恢复二极管快恢复二极管 Fast Recovery DiodeFRD肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多

13、用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必需严厉地限制其任务温度。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。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正导游通损耗都比快速二极管还小。3 肖特基二极管肖特基二极管 以金属和半导体接触构成的势垒为根底的二极管称为以金属和半导体接触构成的势垒为根底的二极管称为肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管Schottky Barrier Diode SBD。20世纪世纪80年代以来，由于工艺的开展得以在电力电子电路年代以来，由于工艺的开展得以在电力电子电路中广泛运用中广泛运用5、二极管的运用、二极

14、管的运用用途：续流、限幅、整流1.3 晶闸管晶闸管1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司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开展和广泛运用的崭新时代。20世纪80年代以来，开场被全控型器件取代。能接受的电压和电流容量最高，任务可靠，在大容量的场所具有重要位置。晶闸管晶闸管ThyristorThyristor：晶体闸流管，可控硅整：晶体闸流管，可控硅整流器流器Silicon Controlled RectifierSCRSilicon Controlled RectifierSCR晶闸管的外形、构造和电气图形符号a) 外形 b) 构造 c)

15、电气图形符号1 1、晶闸管的构造与任务原理、晶闸管的构造与任务原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3A：阳极K：阴极G：门极(控制极)常用晶闸管的构造螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及构造简单描画晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。晶闸管的任务条件的实验电路当SCR的阳极和阴极电压UAK0时，只需EGk0，SCR才干导通。阐明SCR具有正向阻断才干；SCR一旦导通，门极G将失去控制造用，即无论EG如何，均坚持导通形状。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决议；当UAK0时，无论SCR原来的形状，都会使R熄

16、灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低经过调整RW至某一个小数值时，刚刚可以维持SCR导通。假设继续降低I，那么SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。 按晶体管的任务原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII1-21-11-31-4)(121CBO2CBO1G2AIIII1-5 IGIB2IC2 IB1 IC1 IB2导通的过程是一个正反响过程。导通的过程是一个正反响过程。V1、V2饱和饱和在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之

17、后， 迅速增大 1 2 。阻断形状：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通形状：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实践由外电路决议。放大区OIcib3ib2ib1ib1ib2IG1IG断态反复峰值电压断态反复峰值电压断态不反复峰值电压断态不反复峰值电压正向转机电压正向转机电压反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断形状时，只需极小的反相漏电流流过。当反向电压到达反向击穿电压后，能够导致晶闸管发热损坏。晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2

18、IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2反向特性反向反复峰值电压反向反复峰值电压反向不反复峰值电压反向不反复峰值电压1) 开经过程 (正反响、电感)延迟时间td (0.51.5s)上升时间tr (0.53s)开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒2 动态特性动态特性晶闸管的开通和关断过程波形3门极特性门极特性门极电流 IG 与门极和阴极之间电压UGK的关系。晶闸管的门

19、极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。门极触发电流也往往是经过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的可靠触发区可靠触发区不可靠触发区不可靠触发区不触发区不触发区IFGM ：门极正向峰值电流：门极正向峰值电流 UFGM ：门极正向峰值电：门极正向峰值电压压IGT ：门极触发电流几十到几百：门极触发电流几十到几百mA UGT ：门极触发电压几：门极触发电压几V IGD ：门极不触发电流：门极不触发电流 UGD ：门极不触发电压：门极不触发电压 PG ：平均功率：平均功率 PGM ：瞬时最大功率：瞬时最大功率 为保证可靠、平安的触发，触发电路所提供的触发电压、电流为保证可靠、平

20、安的触发，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。和功率应限制在可靠触发区。3、晶闸管的主要参数、晶闸管的主要参数v断态反复峰值电压断态反复峰值电压UDRM几百几百-几千几千Vv 在门极断路而结温为额定值时，在门极断路而结温为额定值时，允许反复加在器件上的正向峰值电压。允许反复加在器件上的正向峰值电压。v反向反复峰值电压反向反复峰值电压URRM几百几百-几千几千V v 在门极断路而结温为额定值时，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。允许反复加在器件上的反向峰值电压。v通态峰值电压通态峰值电压UTM几几V v 晶闸管通以某一规定倍数的额定晶闸管通以某一规

21、定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通态平均电流时的瞬态峰值电压。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，普通取额定电压为正常任务时晶闸管所接受峰值电压23倍。运用留意：运用留意：1电压定额电压定额通态平均电流通态平均电流 IT(AVIT(AV：在环境温度为：在环境温度为4040C C和规定的冷却形状下，和规定的冷却形状下，稳定结温不超越额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的稳定结温不超越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。标称其额定电流的参数。运用时应按有效值相等的原那么平均值。标称其额定电流的参数。运用时应按有效值相

22、等的原那么来选取晶闸管。来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流几十到几百：使晶闸管维持导通所必需的最小电流几十到几百mAmA，与结温有关，结温越高，那么，与结温有关，结温越高，那么IHIH越小越小擎住电流擎住电流 IL IL ：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常ILIL约为约为IHIH的的2424倍。倍。浪涌电流浪涌电流ITSM ITSM ：指由于电路异常情况引起的并使结温超越额定结：指由于电路异常情况引起的并

23、使结温超越额定结温的不反复性最大正向过载电流几十到几千温的不反复性最大正向过载电流几十到几千A A 。2 2电流定额电流定额m0mT(AV)1)(sin21IttdII 除开通时间除开通时间tgttgt和关断时间和关断时间tqtq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt du/dt 几十到几百几十到几百V/V/微秒微秒 指在额定结温暖门极开路的情况下，不导致晶指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闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。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，就会使晶电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶

24、闸管误导通闸管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt几十到几百几十到几百A/A/微秒微秒 指在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响指在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最大通态电流上升率。的最大通态电流上升率。 假设电流上升太快，能够呵斥部分过热而使晶闸假设电流上升太快，能够呵斥部分过热而使晶闸管损坏。管损坏。3 3动态参数动态参数4、晶闸管的派生器件、晶闸管的派生器件有快速晶管和高频晶闸管。有快速晶管和高频晶闸管。开关时间以及开关时间以及du/dt和和di/dt耐量都有明显改善。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，高频晶闸管普通

25、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。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，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于任务频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。1 1快速晶闸管快速晶闸管Fast Switching Thyristor FST)Fast Switching Thyristor FST)2 2双向晶闸管双向晶闸管Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectio

26、nal triode thyristor双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性可以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。在第和第III象限有对称的伏安特性。v逆导晶闸管逆导晶闸管Reverse Conducting ThyristorRCT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) 伏安特性将晶闸管反并联一个二极控制造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。逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在运用时，使器件的数目减少、安装体积减少、分量减轻、价钱降低和配线简单v光控晶闸管光控晶闸管Lig

27、ht Triggered ThyristorLTTAGKa)AK光强度强弱b)OUIA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。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可防止电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场所。1.4 全控型器件全控型器件v门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。v20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。v典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。常用的典型全控型器件常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块1.4.1 门极可

28、关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。可以经过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因此在兆瓦级以上的大功率场所仍有较多的运用。 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管Gate-Turn-Off Thyristor GTO构造：构造：与普通晶闸管的一样点：与普通晶闸管的一样点： PNPN四层半导体构造，四层半导体构造，外部引出阳极、阴极和门极。外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集是一种多元的功率集成器件。成器件。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK1GTO的构造和任务原

29、理的构造和任务原理任务原理：任务原理：与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。与普通晶闸管一样，可以用双晶体管模型来分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 1+1+ 2=12=1是器件临界导通是器件临界导通( (饱和饱和) )的条件。的条件。 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。 1+1+ 2121是器件饱和的条件。是器件饱和的条件。 1+1+ 2121是器件关断的条件。是器件关断的条件。GTO可以经过门极关断的缘由是其与普通晶闸管有如下区别： 设计2较大，使晶体管V

30、2控 制灵敏。 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。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b ) IGIB2 IC2 IC1 IB2 1+1+ 2121GTO导经过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有剧烈正反响使器件退出饱和而关断。多元集成构造还使GTO比普通晶闸管开经过程快，接受di/dt才干强 。 由上述分析我们可以得到以下结论：v开经过程：与普通晶闸管开经过程：与普通晶闸管一样一样v关断过程：与普通晶闸管关断过程：与普通晶闸管有所不同有所不同v储存时间储存时间ts，使等效晶体，使等效晶

31、体管退出饱和。管退出饱和。v下降时间下降时间tf v尾部时间尾部时间tt 残存载流子残存载流子复合。复合。v通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长。要长。v门极负脉冲电流幅值越大，门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性的动态特性GTO的主要参数的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间普通约12s，上升时间那么随通态阳极电流的增大而增大。 普通指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间普通小于2s。2关断时间关断时间toff1开

32、通时间开通时间ton 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义一样，以下只引见意义不同的参数。3最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO4 电流关断增益电流关断增益off off普通很小，只需5左右，这是GTO的一个主要缺陷。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。GMATOoffII1.4.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管，直译为巨型晶体管 。耐高电压、大电流的双极结型晶体耐高电压、大电流的双极结型晶体管 管 B i p o

33、 l a r J u n c t i o n TransistorBJT，英文有时候，英文有时候也称为也称为Power BJT。20世纪世纪80年代以来，在中、小功率年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多范围内取代晶闸管，但目前又大多被被IGBT和电力和电力MOSFET取代。取代。与普通的双极结型晶体管根本原理是一样的。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构造。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。1GTR的构造和任务原理的构造和任务原理GTR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 b) 电气图形符号

34、c) 内部载流子的流动v在运用中，GTR普通采用共发射极接法。v集电极电流ic与基极电流ib之比为v GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制才干 。v当思索到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 v ic= ib +Iceov单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。bcii空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1GTR的构造和任务原理的构造和任务原理 (1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典型输共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大出特性：截止区、放大区和饱和区。区和饱和区。在电力电子

35、电路中在电力电子电路中GTR任任务在开关形状。务在开关形状。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，要经过放大区。要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实践运用时，最高任务电压要比实践运用时，最高任务电压要比BUceo低得多。低得多。3GTR的主要参数的主要参数发射极开路时cb反向击穿电压基极开路时ce反向击穿电压发射结反偏时ce反向击穿电压be之间衔接电阻时ce击穿电压be之间短路时ce击穿电压实践运用时要留有裕量，只能用到实践运用时要留有裕量，只能用到IcM的一半

36、或稍多一点。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最高任务温度下允许的耗散功率。最高任务温度下允许的耗散功率。产品阐明书中给产品阐明书中给PcM时同时给出壳温时同时给出壳温TC，间接表示了最高任务温度，间接表示了最高任务温度 。 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。迅速增大。只需只需Ic不超越限制，不超越限制，GTR普通不会损坏，任务特性也不变。普通不会损坏，任务特性也不变。 二次击穿：一次击穿发生时，二次击穿：一次击穿发生时，Ic忽然急剧上升，电压陡然下降。忽然

37、急剧上升，电压陡然下降。经常立刻导致器件的永久损坏，或者任务特性明显衰变经常立刻导致器件的永久损坏，或者任务特性明显衰变 。 平安任务区平安任务区Safe Operating AreaSOA 最高电压最高电压UceM、集电极最大电流、集电极最大电流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次击、二次击穿临界限限定。穿临界限限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的平安任务区 GTR的二次击穿景象与平安任务区的二次击穿景象与平安任务区1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管v电力电力MOSFET的种类的种类v 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道和沟道和N沟道。沟道。v

38、耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。沟道。v 加强型加强型对于对于NP沟道器件，栅极电压大于小沟道器件，栅极电压大于小于零时才存在导电沟道。于零时才存在导电沟道。v 电力电力MOSFET主要是主要是N沟道加强型。沟道加强型。1电力电力MOSFET的构造和任务原理的构造和任务原理v分为结型和绝缘栅型v通常主要指绝缘栅型中的MOS型Metal Oxide Semiconductor FETv简称电力MOSFETPower MOSFETv结型电力场效应晶体管普通称作静电感应晶体管Static Induction TransistorSIT 特点用

39、栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需求的驱动功率小。 开关速度快，任务频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，普通只适用于功率不超越10kW的电力电子安装 。电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的构造的构造是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管一样，但构造上有较大区别。采用多元集成构造，不同的消费厂家采用了不同设计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19v小功率MOS管是横导游电器件。v电力MOSFET大都采用垂直导电构造，又称为VMOSFETVertical MOSFET。v按垂直导电构造的差别，分为利用V型槽实现垂

40、直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双分散MOS构造的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET。v这里主要以VDMOS器件为例进展讨论。电力电力MOSFET的构造的构造截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间构成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层构成N沟道而使PN结J1消逝，漏极和源极导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19电力电力MOSFET的任务原理的任务原理 (1) 静态特性静态特性

41、漏极电流漏极电流ID和栅源间电压和栅源间电压UGS的关系称为的关系称为MOSFET 的转移特性。的转移特性。ID较大时，较大时，ID与与UGS的关的关系近似线性，曲线的斜率系近似线性，曲线的斜率定义为跨导定义为跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2电力电力MOSFET的根本特性的根本特性截止区对应于截止区对应于GTR的截止区的截止区饱

42、和区自动区域：漏源电压添饱和区自动区域：漏源电压添加时漏极电流不再添加加时漏极电流不再添加非饱和区电阻性区域：漏源电非饱和区电阻性区域：漏源电压添加时漏极电流添加压添加时漏极电流添加任务在开关形状，即在截止区和非任务在开关形状，即在截止区和非饱和区之间来回转换。饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极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。间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性MOSFET的漏极伏安特性：的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区

43、截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A开经过程开经过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) ：栅极：栅极电容充电时间电容充电时间上升时间上升时间tr开通时间开通时间ton开通延迟开通延迟时间与上升时间之和时间与上升时间之和关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off) ：栅极：栅极电容放电时间电容放电时间下降时间下降时间tf关断时间关断时间toff关断延迟关断延迟时间和下降时间之和时间和下降时间之和ab)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)tr

44、td(off)tf电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(2) 动态特性 MOSFET的开关速度和栅极电容的开关速度和栅极电容Cin充放电有很大关系。充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应单极性器件，多子导电，关断过程非常不存在少子储存效应单极性器件，多子导电，关断过程非常迅速。迅速。开关时间在开关时间在10100ns之间，任务频率可达之间，任务频率可达100kHz以上，是主要以上，是主要电力电子器件中最

45、高的。电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需求的驱动功率越大。开关频率越高，所需求的驱动功率越大。MOSFET的开关速度的开关速度3) 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 电力MOSFET电压定额(1) 漏极电压漏极电压UDS (2) 漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3) 栅源电压栅源电压UGS UGS20V将导致绝缘层击穿 。 除跨导Gfs、开启电

46、压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有： (4) 极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件绝缘栅双极晶体管Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGTGTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是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的位置。 GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流才干很强，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，

47、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。1) IGBT的构造和任务原理的构造和任务原理三端器件：栅极三端器件：栅极G、集电极、集电极C和发射极和发射极EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极 栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的构造、简化等效电路和电气图形符号a) 内部构造断面表示图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号N沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流才干。简化等效电路阐明，IGBT是GTR与MOS

48、FET组成的达林顿构造，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。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT的构造、简化等效电路和电气图形符号a) 内部构造断面表示图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 IGBT的构造的构造 驱动原理与电力MOSFET根本一样，场控器件，通断由栅射极电压uGE决议。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内构成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻

49、RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消逝，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 IGBT的原理的原理a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE添加2) IGBT的根本特性的根本特性 (1) IGBT的静态特性的静态特性IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性转移特性：转移特性：IC与与UGE间间的关系的关系(开启电压开启电压UGE(th)输出特性：分为三个输出特性：分为三个区域：正向阻断区、区域：正向阻断区、有源区和饱和区。有源区和饱和区。ttt10%90%10

50、%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程vIGBT的开经过程的开经过程 v 与与MOSFET的类似的类似v开通延迟时间开通延迟时间td(on) v电流上升时间电流上升时间tr v开通时间开通时间tonvuCE的下降过程分为的下降过程分为tfv1和和tfv2两段。两段。v tfv1IGBT中中MOSFET单单独任务的电压下降过程；独任务的电压下降过程；v tfv2MOSFET和和PNP晶晶体管同时任务的电压下降过程。体管同时任务的电压下降过程。 (2) IGBT的动态特性的动态特性 IGBT的开关过程关断延迟时间关断延迟时