Chapter 2 电力电子器件

1、第第2章章 电力电子器件电力电子器件 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 2/89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： 概述电力电子器件的概述电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类。 分别介绍各种常用电力电子器件的分别介绍各种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、主主要参数要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。以及选择和使用中应注意的一些问题。 3/892.1 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4/892.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件

3、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）是指可直接用是指可直接用于处理电能的于处理电能的主电路主电路中，实现电能的变换或控制的中，实现电能的变换或控制的电子器电子器件件。 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，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，目前往往专指目前往往专指电力半导体器件电力半导体器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变主电路：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。换或控制任务的电路。5/892.1.1 电力电子器件的概念和特征电

4、力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征电力电子器件的特征 处理处理电功率电功率的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，处理信息的电子器件，是其最重要的参数， 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作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，在其工作时一通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装般都需要安装散热器散热器。 6/892.1.1 电力电子器

5、件的概念和特征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。 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大而可会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。能成为器件功率损耗的主要因素。 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7/892.1.2 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电力电子器件实际应用：由电力电子器件实际应用：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为

6、核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。 电气隔离电气隔离图图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8/892.1.3 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 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 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。全控型器件全控型器件 通过控制信号既可以控制其导通、关断。通过控制信号既可以控制其导通、关断。 目前最常用的是绝缘栅极双极性晶

7、体管目前最常用的是绝缘栅极双极性晶体管( IGBT)和和电电力场效力场效应晶体管应晶体管(Power MOSFET)。 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。9/892.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类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 从控制端注入或者抽出从控制端注入或者抽出电流电流来实现器件导通、关断。来实现器件导通、关断。 电压驱动型电压驱动型 在控制端和公共端之间施加一定的在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号实现器信号实现器 件导通或者关断的控制。件导通或

8、者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管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 在控制端施加一个电压或电流的在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器信号来实现器件的开通或者关断的控制。件的开通或者关断的控制。 电平控制型电平控制型 通过通过持续持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并使器件开通并维持维持导通状态或者关断并维持阻断状态。导通状态或者关断并维持阻断状态。 10/892.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类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

9、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成，也称混合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。型器件。 11/892.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点本章内容本章内容 介绍不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其介绍不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的它新型器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择以及选择和使用中应注意的一些问题。和使用中应注意的一些问题。学习要点学习要点 掌握其掌握其基本特

10、性基本特性（重点）。（重点）。 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。12/892.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 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

11、类型电力二极管的主要类型13/892.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言电力二极管（电力二极管（Power Diode） 自自1950s初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。靠，直到现在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少的，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肖特基二极管特基二极管。 整流二极管及模块整流二极管及模块14/89AKAKa)IKAPN

12、Jb)c)AK2.2.1 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。图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符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15/892.2.1 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二极管的基本原理二极管的基本

13、原理PN结的结的单向导电单向导电性性 正向导通：正向导通：PN结外加正向电压（正向偏置）时，形成结外加正向电压（正向偏置）时，形成自自P区流入从区流入从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。 反向截止：反向截止：当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，结外加反向电压时（反向偏置）时，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。 反向击穿：反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加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，破坏的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反结反向偏置为截止的工作状态。向偏置为

14、截止的工作状态。 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。 16/892.2.1 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 势

15、垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压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。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。正向电压较高时，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。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状，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。态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。17/892.2.2 电力二极管的

16、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（门槛电压门槛电压UTO ），正向电流才开始明显增加，），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。处于稳定导通状态。 与与IF对应的电力二极管两端的电压即对应的电力二极管两端的电压即为其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 引起引起的微小而数值恒定的的微小而数值恒定的反向漏电流反向漏电流。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18/892.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性a)IF

17、UFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 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导致电压的导致电压-电流随时间变化，电流随时间变化，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指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

18、经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，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。进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并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。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，数，用用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:反向电反向电流达最大流达最大值的时刻值的时刻t

19、2:电流变电流变化率接近化率接近于零的时于零的时刻刻19/892.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性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。 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 20/892.2.3 电力二极管的主要参数电

20、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

21、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。 21/892.2.3 电力二极管的主要参数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

22、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工频周期的过电流频周期的过电流。22/892.2.4 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 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（1k

23、Hz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。 23/892.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型快恢复二极管（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 Epitaxial DiodesFRED） ，采用，采用外延型外延型P-i-N结构

24、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。24/892.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 优点：优点：反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（1040ns），正向恢复），正向恢复过程中不会有

25、明显的过程中不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低的；在反向耐压较低的情况下其情况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其因此，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都比快速二极管还要小，效率高。还要小，效率高。 弱点：当所能承受的反向耐压提高时其弱点：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以下的低以下的低压场合；压场合；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，因此反向反向稳态损耗稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工

26、作不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。温度。25/892.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 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要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件26/892.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言晶闸管（晶闸管（Thyristor）是）是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。，以前被简称为可控硅。 1956年美国贝

27、尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，）发明了晶闸管，1957年年美国通用电气公司（美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只晶闸）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。其承受的其承受的电压和电流容量电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。的应用场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块晶闸管及模块27/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理

28、晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管从外形上来看，晶闸管也主要有也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结构两种封装结构 。 引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门门极（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四层半导四层半导体结构。体结构。 图图2-7 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 28/892.3.1 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

29、 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分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。29/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作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，

30、发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。由上式是很小的。由上式可看出，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。 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果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，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将将趋近于趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际

31、上会维持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)30/892.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外除门极触发外其他几种可能导通的情况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

32、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。 31/892.3.2 晶闸管的基本特性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，不论门极是否有触发电流，时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通晶闸管都不会导通 。 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情的情况下晶闸管才能开通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，不论门极触晶闸管一旦导通，门极就失去控制

33、作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外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电流降到接近于零的某一数值以下以下。 32/892.3.2 晶闸管的基本特性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 当当IG=0时，在器件两端施加正时，在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向向电压，则晶闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有很小的正向，只有很小的正向漏电流流过。漏电流流过。 如果正向电压超过临界极限即

34、如果正向电压超过临界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流，则漏电流急剧增大，器件急剧增大，器件开通开通 。 随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增大，的增大，正正向转折电压向转折电压降低，晶闸管本降低，晶闸管本身的压降很小，在身的压降很小，在1V左右。左右。 如果门极电流为零，并且阳极如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数电流降至接近于零的某一数值值IH以下，则晶闸管又回到以下，则晶闸管又回到正正向阻断向阻断状态，状态，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 正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAI

35、AIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+33/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的的反向特性。反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的时，只有极小的反向漏电流反向漏电流通通过。过。 当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向转折电压Ubo

36、正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+34/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 阳极电流的增长不可能是阳极电流的增长不可能是瞬瞬时：时：晶闸管内部的晶闸管内部的正反馈过程正反馈过程需需要时间；要时间；外电路电感外电路电感的限制的限制 延迟时间延迟时间td (0.51.5 s) 上升时间上升时间tr (0.53 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大的增大而减小而减小,上升时间除反映晶闸管上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到本身特性外，

37、还受到外电路电感外电路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极电压阳极电压,延延迟时间和上升时间都可显著缩短。迟时间和上升时间都可显著缩短。 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%35/892.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 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

38、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。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%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA36

39、/892.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 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

40、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。37/892.3.3 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态平均电流时的瞬态峰值电 压。压。 额定电压：额定电压：通常取晶闸管的通常取晶闸管的U

41、DRM和和URRM中较小的标值。中较小的标值。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值选用时，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 却状却状态态下，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波电下，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。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。

42、 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所得计算结果的1.52倍。倍。 38/892.3.3 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

43、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。39/892.3.3 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，

44、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通最大通态电流上升率态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。坏。40/892.3.4 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（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

45、。 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。 41/892.3.4 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（Triode AC Swi

46、tchTRIAC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

47、特性伏安特性 42/892.3.4 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（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将是将晶闸管反并联一个二晶闸管反并联一个二极管极管制作在同一管芯上的功制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受率集成器件，不具有承受反反向电压向电压的能力，一旦承受反的能力，一旦承受反向电压即开通。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、额定结间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。阻断反向电压的电路中。 图图2-12

48、 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 43/892.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered 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

49、场合的场合。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 44/892.4 典型全控型器件典型全控型器件 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45/892.4 典型全控型器件典型全控型器件引言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个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新

50、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46/892.4.1 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器件，是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极

51、，但内部虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极则包含数十个甚至数百个共阳极的的小小GTO单元单元，这些，这些GTO元的元的阴阴极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在一起。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a)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 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 47/892.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 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

52、b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 V1、V2的共基极电流增益分别是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是器件临界导通的条件，大于件，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 灵灵敏，易于敏，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，导通时接近近临界饱和临界饱和，有利门极控制关断，但，有利门极控制关断，但导通时管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基区基区横向横向电阻很小，能从门极抽出较

53、大电流。电阻很小，能从门极抽出较大电流。 48/892.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时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，即从门极抽出电流，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当两个晶体管发射极电流IA和和IK的减小使的减小使1+ 21时，时，器件退出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开通过程程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。 49/892.4.

54、1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管类开通过程与普通晶闸管类似。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越大，大，前沿前沿越陡，越陡， ts就越短。就越短。使门极负脉冲的使门极负脉冲的后沿后沿缓慢缓慢衰减，在衰减，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 Ot0tiGiAI

55、A90% 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 50/892.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO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

56、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，

57、下降时间一般小于2 s。51/892.4.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的的双极结型晶体管（双极结型晶体管（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、开关特性开关特性好好。 52/89 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

58、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。2.4.2 电力晶体管电力晶体管图图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+表示高表示高掺

59、杂浓掺杂浓度，度，-表表示低掺示低掺杂浓度杂浓度 53/892.4.2 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一般采用共发射极接法。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的的电流放大系数电流放大系数，它反映，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。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当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

60、单管GTR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)54/892.4.2 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