学习情境二+电力电子器件及其驱动保护ppt课件

1、1 学习情境二 电力电子器件及其驱动维护2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 2.2 电力二极管电力二极管2.3 2.3 晶闸管晶闸管SCRSCR2.4 2.4 门极关断晶闸管门极关断晶闸管GTOGTO2.5 2.5 电力晶体管电力晶体管GTRGTR2.6 2.6 电力场效应晶体管电力场效应晶体管MOSFETMOSFET2.7 2.7 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT2.8 GTO2.8 GTO、GTRGTR、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT驱动与维护驱动与维护22.1.1 概念2.1.2 同处置信息的电子器件相比普通特征2.1.3 电力电子器件的分

2、类2.1 电力电子器件概述3电力电子器件电力电子器件Power Electronic Power Electronic DeviceDevice 可直接用于主电路中，实现电可直接用于主电路中，实现电能的变换和控制的电子器件。能的变换和控制的电子器件。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。承当电能的变换或控制义务的电路。4能处置电功率的才干，普通远大于处置信息的电子器件。能处置电功率的才干，普通远大于处置信息的电子器件。电力电子器件普通都任务在开关形状。电力电子器件

3、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驱动电路来控制。电力电子器件往往需求由信息电子电路驱动电路来控制。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。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。5 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗关断损耗关断损耗开通损耗开通损耗v 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。v 器件开关频率较高时，开关损耗能够成为器件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。功率损耗的主要要素。6按照器件可以

4、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经过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如晶闸管及其大部分派生器件能控制其关断。如晶闸管及其大部分派生器件全控型器件全控型器件 经过控制信号既可控制其导通又可经过控制信号既可控制其导通又可控制其关控制其关 断，又称自关断器件。断，又称自关断器件。GTO，MOSFET，IGBT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。如电力二极管也就不需求驱动电路。如电力二极管7 按照驱

5、动电路信号的性质，分为按照驱动电路信号的性质，分为两类：两类：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导通经过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电流或者关断的控制。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制型电力电子器驱动型电力电子器件或电流控制型电力电子器件。如晶闸管，件。如晶闸管，GTO，MCT，IGCT。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加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。这的电压信号就可实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电压驱动型电力电子器件类电力电子器件称

6、为电压驱动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或场效应器件。如或场效应器件。如MOSFET，IGBT8 按照载流子参与导电的情况，分按照载流子参与导电的情况，分为三类：为三类：单极性器件单极性器件MOSFET，SIT 有一种载流子参与导电。有一种载流子参与导电。双极性器件电力二极管，晶闸管，双极性器件电力二极管，晶闸管，GTO，GTR，SITH 由电子和空穴两种载流子参与导电的器由电子和空穴两种载流子参与导电的器件件复合型器件复合型器件IGBT，MCT，IGCT 由单极性器件和双极性器件集成混合而成由单极性器件和双极性器件集成混合而成的

7、器件的器件92.2.1 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2.2.2 电力二极管的根本特性电力二极管的根本特性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 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.2.5 电力二极管命名电力二极管命名10 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。11v 根本构造和任务原根本构造和任务原理与信息电子电路理与信息电子电路中的二极管一样。中的二极管一样。v 由一个面积较大的由一个面积较大的P

8、NPN结和两端引线以结和两端引线以及封装组成的。及封装组成的。v 从外形上看，主要从外形上看，主要有螺栓型和平板型有螺栓型和平板型两种封装。两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-1 电力二极管的外形、构造和电气图形电力二极管的外形、构造和电气图形符号符号 a) 外形外形 b) 构造构造 c) 电气图形符号电气图形符号阳极阳极阴极阴极12 PN结的形状 状态状态参数参数正向导通正向导通反向截止反向截止反向击穿反向击穿电流电流正向大正向大几乎为零几乎为零反向大反向大电压电压维持维持1V反向大反向大反向大反向大阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态二极管的根本原理就在于二极管的根本原理就在

9、于PN结的单导游电性这一主要特征。结的单导游电性这一主要特征。 PN结的反向击穿两种方式结的反向击穿两种方式)雪崩击穿高压雪崩击穿高压齐纳击穿低压齐纳击穿低压两种击穿均能够导致热击穿两种击穿均能够导致热击穿13 PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产活力制和作用的差别分为势垒电容CB和分散电容CD。电容影响PN结的任务频率，尤其是高速的开关形状。14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，正向电流，正向电流IF开场明显添加所对应的电开场明显添加所对应的电压。压。与与IF对应的电力二极管两端对应的电力二极管两端

10、的电压即为其正向电压降的电压即为其正向电压降UF 。接受反向电压时，只需微小接受反向电压时，只需微小而数值恒定的反向漏电流。而数值恒定的反向漏电流。1) 静态特性静态特性图图2-2 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性152) 动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压-电流特性随时电流特性随时间变化的特性间变化的特性 普通专指反映通态和断态之普通专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。间转换过程的开关特性。延迟时间：延迟时间：td= t1- t0, td= t1- t0, 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1tf= t2- t1反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+

11、tftrr= td+ tf正向恢复时间：正向恢复时间：tfrtfr恢复特性的软度：下降时间与延迟时间恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值的比值tf /tdtf /td，或称恢复系数，用，或称恢复系数，用SrSr表表示。示。图图2-3 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t0PN结结PN结结1) 额定电流正向平均电流额定电流正向平均电流IF(AV) 电力二极管的正向平均电流电力二极管的正向平均电流I F(AV)是指在规定的管壳温度和散是指在规定的管壳温度和散热条件下允许经过的最大工

12、频半波电流的平均值热条件下允许经过的最大工频半波电流的平均值, 元件标称的额元件标称的额定电流就是这个电流。定电流就是这个电流。57. 1)25 . 1 ()(IIAVFF式中的系数式中的系数1.51.52 2是平安系数是平安系数201(sin)()22mFIItdt()()1.571.572FfFFAVFAVIKIII，电流的有效值：电流的有效值：波形系数波形系数Kf：()01sin()2mF AVmIIItdt实践运用中，额定电流普通选择为实践运用中，额定电流普通选择为 fK电 流 有 效 值电 流 平 均 值正弦半波电流的波形系数正弦半波电流的波形系数Kf：ImIF(AV)172正向平均

13、电压正向平均电压UF在指定的管壳温度和散热条件下，元件经过在指定的管壳温度和散热条件下，元件经过50Hz50Hz正弦半波额定正向平均值电流时，元件阳极和阴极之间正弦半波额定正向平均值电流时，元件阳极和阴极之间的电压平均值，取规定系列级别称为的电压平均值，取规定系列级别称为 ，简称管压降，普通在，简称管压降，普通在0.451V0.451V之间之间3 3额定电压反向反复峰值电压额定电压反向反复峰值电压URRMURRM对电力二极管所能反复施加的反向最顶峰值电压。通常为击穿电压对电力二极管所能反复施加的反向最顶峰值电压。通常为击穿电压UBUB的三分之二。的三分之二。运用时，假设电力二极管所接遭到的最大

14、反向瞬时值电压运用时，假设电力二极管所接遭到的最大反向瞬时值电压UDMUDM，那么其额定电压普通选择为，那么其额定电压普通选择为 URRM=URRM=2323 UDM UDM思索题：实践电路中反向最顶峰值电压为思索题：实践电路中反向最顶峰值电压为200V200V，选择二极管的，选择二极管的 URRM URRM是多少？是多少？ 4 4反向恢复时间反向恢复时间trrtrr trr= td+ tf trr= td+ tf185最高任务结温最高任务结温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。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

15、损坏的前提下所能接受的最高平均温度。TJM通常在通常在125175C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。 19按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，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引见。特别是反向恢复特性的不同引见。1) 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

16、较长，普通为其反向恢复时间较长，普通为5微秒以上。微秒以上。正向电流定额和反向电压定额可以到达很高正向电流定额和反向电压定额可以到达很高额定电流达数千安培额定电流达数千安培,额定电压达数千伏以上。额定电压达数千伏以上。202) 快恢复二极管快恢复二极管 Fast Recovery DiodeFRD简称快速二极管快恢复外延二极管 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400V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2030n

17、s。213. 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管称为肖特基势垒二极管Schottky Barrier Diode SBD。肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向漏电流较大且对温度敏感，故反向稳态损耗不能忽略，且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。22232.3.1 引言引言 2.3.2 晶闸管的构

18、造与任务原理晶闸管的构造与任务原理2.3.3 晶闸管的根本特性晶闸管的根本特性2.3.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件24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 RectifierSCR1956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

19、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。25 图2-4 晶闸管的外形ad，电气图形符号e，构造f 外形有塑封型，螺栓型和平板型三种封装。外形有塑封型，螺栓型和平板型三种封装。 有三个联接端。有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器严密联接且安装方便。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器严密联接且安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。26v 常用晶闸管的构造常用晶闸管的构造27 按晶体管的任务原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII2-22-12-33-4式中式

20、中1 1和和2 2分别是晶体管分别是晶体管V1V1和和V2V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1ICBO1和和ICBO2ICBO2分别是分别是V1V1和和V2V2的共基极漏电的共基极漏电流。由以上式可得流。由以上式可得 ：)(121CBO2CBO1G2AIIII2-5图图2-5 晶闸管的双晶体管模型及其任务原理晶闸管的双晶体管模型及其任务原理a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 任务原理任务原理28v 在低发射极电流下在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立是很小的，而当发射极电流建立起来之后，起来之后， 迅速增大。迅速增大。v v 阻断形状：阻断形状：IG=0IG=0，1+

21、1+2 2很小。流过晶闸管的漏电很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。流稍大于两个晶体管漏电流之和。v 开通形状：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大开通形状：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致以致1+1+2 2趋近于趋近于1 1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IAIA，将，将趋近于无穷大，实现饱和导通。趋近于无穷大，实现饱和导通。IAIA实践由外电路决议。实践由外电路决议。29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 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而运

22、用于高压电力设备中，称为光控晶闸管Light Triggered ThyristorLTT。 只需门极触发是最准确、迅速而可靠的控制手段。30晶闸管正常任务时的特性总结如下：晶闸管正常任务时的特性总结如下：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。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。晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。311 1 静态特性静态特性1正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只需很小的正向漏电流，为正向阻断形状。正向电压超越正向转机电压Ubo，那么漏电流急剧增大，器件开通。随着门

23、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，在1V左右。正正向向阻阻断断反向反向阴断阴断图图2-6 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG322反向特性反向特性v 反向特性类似二极管的反反向特性类似二极管的反向特性。向特性。v 反向阻断形状时，只需极反向阻断形状时，只需极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。v 当反向电压到达反向击穿当反向电压到达反向击穿电压后，能够导致晶闸管电压后，能够导致晶闸管发热损坏。发热损坏。URO图图2-7 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG33(1) 开经过程延迟时间td (0.51.5s)上升时间tr (0.53s)开通时

24、间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr td与门极电流有关， tr 与晶闸管本身特性和外电路的电感有关， td和 tr与阳极电压的大小有关。2 动态特性动态特性(2) 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 t q 以 上 两 者 之 和tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒图图2-8 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341电压定额电压定额v 正向反复峰值电压正向反复峰值电压UDRMUDRMv 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，允许重允许重v 复加在器件上的正向峰值电压。复加在器件上的正向峰值电压。v 反

25、向反复峰值电压反向反复峰值电压URRMURRMv 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，允许重允许重v 复加在器件上的反向峰值电压。复加在器件上的反向峰值电压。v 反复峰值电压反复峰值电压 额定电压额定电压UTeUTev 通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRMUDRM和和URRMURRM中较小的标值作为该器件的额定电压。中较小的标值作为该器件的额定电压。URO选用时，普通取额选用时，普通取额定电压为正常任务时定电压为正常任务时晶闸管所接受峰值电晶闸管所接受峰值电压压2323倍，即：倍，即：UTe=(23)UTMUTe=(23)UTM3557. 1 /) 25 . 1 ()(TA

26、VTII()01sin()2mT AVmIIItdt2 2电流定额电流定额 额定通态平均电流额定通态平均电流 IT(AV IT(AV 在环境温度为在环境温度为4040C C和规定的冷却形状下，晶闸管导通角和规定的冷却形状下，晶闸管导通角不小于不小于170170的电阻性负载电路中，当稳定结温不超越额定结温的电阻性负载电路中，当稳定结温不超越额定结温时所允许流过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸时所允许流过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管规范电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流。管规范电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流。 运用时应按有效值相等的原那么来选取晶闸管。思索运用时应

27、按有效值相等的原那么来选取晶闸管。思索1.521.52倍裕量。倍裕量。36fAVTdkII)25 . 1 (57. 1)(201(sin)()22mTIItdt()()1.571.572TTT AVT AVdIIIIITfd，I波形系数:K =， 为任意波形的允许平均电流I电流波形的有效值：电流波形的有效值：有效值与平均值之比：有效值与平均值之比：在给定晶闸管的额定电流在给定晶闸管的额定电流之后，恣意波形的实践允之后，恣意波形的实践允许电流平均值为许电流平均值为()01sin()2mT AVmIIItdt37331sin()0.2424mdmmIIItdtI23113(sin)()0.4626

28、16TmmItdtIImfm0.46IK =1.920.24IId1.57 100=41A2 1.92171mIAdI41=0.240.24解：实践电流平均值解：实践电流平均值电流有效值电流有效值波形系数波形系数100A100A的晶闸管实践允许经过的电流平均值的晶闸管实践允许经过的电流平均值最大电流最大电流38 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。使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 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， 能能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常维持导通所需的最小电流。

29、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ITSMITSM 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使结温超越额定结温的不反复性最大正向过载电流温的不反复性最大正向过载电流 。其有上下两个级，。其有上下两个级，可作为设计维护电路的根据。可作为设计维护电路的根据。393 3动态参数动态参数 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 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

30、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 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。405) 5) 晶闸管的命名晶闸管的命名41型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，运用在以下图所示电路中能否合理？为什么？不

31、思索电压电流裕量画出以下图所示电路的负载电阻Rg上的电压波形42以下图阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，高最大值均为以下图阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，高最大值均为IM,试计算各图中的电流平均值，有效值。试计算各图中的电流平均值，有效值。43(1)双向晶闸管的外形及构造双向晶闸管的外形及构造双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)是一种是一种NPNPN 的五层三端的五层三端(T1、T2和和G)元件，元件，有四个有四个PN 结。结。1)1)双向晶闸管双向晶闸管Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyri

32、storBidirectional triode thyristor 可以为是一对反并联联接的普可以为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。通晶闸管的集成。 有两个主电极有两个主电极T1T1和和T2T2，一个门，一个门极极GG。图图2-9 2-9 双向晶闸管双向晶闸管44(2) 伏安特性与参数有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值(ITRMS)。双向晶闸管与普通晶闸管额定电流换算关系。()()()20.45T AVT RMST RMSTII图图2-10 2-10 双向晶闸管的电气图双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性形符号和伏

33、安特性a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性452) 2) 快速晶闸管快速晶闸管Fast Switching Thyristor Fast Switching Thyristor FST)FST)有快速晶闸管和高频晶闸管。有快速晶闸管和高频晶闸管。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

34、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。463) 逆导晶闸管逆导晶闸管Reverse Conducting ThyristorRCT将晶闸管反并联一将晶闸管反并联一个二极控制造在同个二极控制造在同一管芯上的功率集一管芯上的功率集成器件。不具有接成器件。不具有接受反向电压的才干。受反向电压的才干。具有正向压降小、具有正向压降小、关断时间短、高温关断时间短、高温特性好、额定结温特性好、额定结温高等优点。高等优点。a)KGA图图2-11 逆导晶闸管的电气图逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特伏安特

35、性性474) 光控晶闸管光控晶闸管Light Triggered ThyristorLTT又称光触发晶闸管，又称光触发晶闸管，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照信号触发导通的晶闸管。闸管。光触发保证了主电路光触发保证了主电路与控制电路之间的绝与控制电路之间的绝缘，且可防止电磁干缘，且可防止电磁干扰的影响。扰的影响。因此目前在高压大功因此目前在高压大功率的场所。率的场所。AGKa)图图212 光控晶闸管的电气图形符号光控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482.4.1 引言引言 2.4.2 GTO的构造和任务原理的

36、构造和任务原理2.4.3 GTO的动态特性的动态特性2.4.4 GTO的主要参数的主要参数49门极关断晶闸管门极关断晶闸管Gate-Turn-Off Thyristor GTO晶闸管的一种派生器件。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。可以经过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接的电压、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近，因此在兆瓦级以上的大功率场所仍有较多的运用。的运用。50 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、

37、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。图图2-13 GTO2-13 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 a) a) 各单元的阴极、门极间隔陈列的图形各单元的阴极、门极间隔陈列的图形 b) b) 并联单元构造断面表示图并联单元构造断面表示图 c) c) 电气图形符号电气图形符号AKGCc)图 1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGKN2P2N2N1P1A51v 任务原理：任务原理：v 与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图2-13所示的双晶体

38、管模型来所示的双晶体管模型来分析。分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图2-13 2-13 晶闸管的双晶体管模型及其任务原理晶闸管的双晶体管模型及其任务原理 由由P1N1P2P1N1P2和和N1P2N2N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1V1、V2V2分别分别具有共基极电流增益具有共基极电流增益1 1和和2 2 。 1+1+ 2121是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。52v GTOGTO可以经过门极关断的缘由是其与普通晶闸管有如下区别可以经过门极关断的缘由是其与普通晶闸管有如下区别： 设计设计2较大

39、，使晶体管较大，使晶体管V2控控 制灵敏，晶体管制灵敏，晶体管V1饱和度较浅，饱和度较浅，易于易于GTO控制。控制。 导通时导通时1+2更接近更接近1，导，导通时接近临界饱和，有利门极通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增控制关断，但导通时管压降增大。大。 多元集成构造，使得多元集成构造，使得P2基区基区较薄横向电阻很小，能从较薄横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。门极抽出较大电流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图图2-14 晶闸管的任务原理晶闸管的任务原理53 结论：GTO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

40、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 。54v开经过程：与普通晶闸管一样开经过程：与普通晶闸管一样v关断过程：与普通晶闸管有所关断过程：与普通晶闸管有所不同不同v储存时间储存时间tsts使等效晶体管退使等效晶体管退出饱和。出饱和。v下降时间下降时间tf tf 等效晶体管从饱等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐和区退至放大区，阳极电流逐渐减小。减小。v尾部时间尾部时间tt tt 残存载流子复合。残存载流子复合。v通常通常tf tf比比tsts小得多，而小得多，而tt tt比比tsts要要长。长。v门极负脉冲电流幅值越大，门极负脉

41、冲电流幅值越大，tsts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图215 GTO的开通和关断过程电流波形55 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。1开通时间开通时间ton 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。2 关断时间关断时间toff 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。不少不少GTO都制呵斥逆导型，类似于逆导晶闸管，需都制呵斥逆导型，类似于逆导晶闸管，需接受反压时，应和电力二极管串联接受反压时，应和电力二极管串联 。5

42、63最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATOGTO额定电流。4 电流关断增益电流关断增益off 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。GMATOoffII 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 。 57(5) 阳极尖峰电压阳极尖峰电压UP 是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关断电流线性添加，阳极可关断电流线性添加， UP过高能够导致过高能够导致GTO晶闸管失效。晶闸管失效。(6) 维持电流维持电流 是指阳极电流减小到开场出现是指阳极电流减小

43、到开场出现GTO晶闸管不能晶闸管不能维持导通的数值。维持导通的数值。(7) 擎住电流擎住电流 是指是指GTO晶闸管经门极触发后，阳极电流上升晶闸管经门极触发后，阳极电流上升到坚持一切到坚持一切GTO晶闸管元导通导通的最低值。晶闸管元导通导通的最低值。582.5.1 引言引言2.5.2 GTR的构造和任务原理的构造和任务原理2.5.3 GTR的根本特性的根本特性2.5.4 GTR的主要参数的主要参数2.5.5 BJT与晶闸管的性能比较与晶闸管的性能比较 59术语用法：术语用法：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

44、电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管Bipolar Junction TransistorBJT，英文有时候也称为，英文有时候也称为Power BJT。 运用运用20世纪世纪80年代以来，在中、小功率范围内取年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力和电力MOSFET取代。取代。60图图2-16 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

45、流子的流动e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 。61v 在运用中，在运用中，GTRGTR普通采用共发射极接法。普通采用共发射极接法。v 集电极电流集电极电流icic与基极电流与基极电流ibib之比为之比为v v GTR GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制才干控制才干 。v 当思索到集电极和发射极间的漏电流当思索到集电极和发射极间的漏电流IceoIceo时，时，icic和和ibib的关系为的关系为

46、v v 单管单管GTRGTR的的 值比小功率的晶体管小得多，通常为值比小功率的晶体管小得多，通常为1010左右，采左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。用达林顿接法可有效增大电流增益。bciiic= ib +Iceo62v 达林顿达林顿GTRv 1.R1，R2：稳定电阻，提供反向漏电流：稳定电阻，提供反向漏电流v 通路，提高复合管的温度稳定性通路，提高复合管的温度稳定性v 2.VD1：加速二极管，为：加速二极管，为V2提供反向提供反向IB通通路路v 3.VD2：续流二极管：续流二极管1211211121212(1)()CCCBBBIIIIII 1式中, =图图2-17 达林顿管达林顿管63

47、1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典型输出共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和特性：截止区、放大区和饱和区。饱和区。在电力电子电路中在电力电子电路中GTR任务任务在开关形状。在开关形状。在开关过程中，即在截止区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要和饱和区之间过渡时，要经过放大区。经过放大区。图图2-18 共发射极接法时共发射极接法时GTR的的输出特性输出特性642) 动态特性 开经过程开经过程 延迟时间延迟时间td和上升时间和上升时间tr，二者之，二者之和为开通时间和为开通时间ton。 加快开经过程的方法加快开经过程的方法 ：增大：增大ib和和dib/dt。 关断过程关

48、断过程 储存时间储存时间ts和下降时间和下降时间tf，二者之，二者之和为关断时间和为关断时间toff 。 加快关断速度的方法：减少导通加快关断速度的方法：减少导通的饱和深度或增大基极抽取负电的饱和深度或增大基极抽取负电流流Ib2幅值和负偏压。幅值和负偏压。 GTR的开关时间在几微秒以内，的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和比晶闸管和GTO都短很多都短很多 。ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图图2-19 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65 前已述及：电流放大倍数前

49、已述及：电流放大倍数、直流电流增益、直流电流增益hFE、集射极间漏电流、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降、集射极间饱和压降Uces、开通时间、开通时间ton和关断时间和关断时间toff (此外还此外还有有)： 1) 最高任务电压最高任务电压 GTR上电压超越规定值时会发生击穿。上电压超越规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。接法有关。BUcbo 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。66 2) 集电极最大允许电流集电

50、极最大允许电流IcM通常规定为通常规定为hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对应的时所对应的Ic 。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 。67 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 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，IcIc迅速增

51、大。迅速增大。 只需只需IcIc不超越限制，不超越限制，GTRGTR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，IcIc忽然急剧上升，电压陡然下降。忽然急剧上升，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、集电极最大电流大电流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次击穿临界限限定。、二次击穿临界限限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM

52、图图2-20 GTR的平安任务区的平安任务区68工程工程晶闸管晶闸管BJT最高耐压最高耐压额定电流额定电流12000V4000A1200V600A开通时间开通时间几微秒几微秒几微秒几微秒关断时间关断时间几十至几百微秒几十至几百微秒几微秒几微秒正向压降正向压降12V0.10.7V单管单管0.82.1V达林顿管达林顿管漏电流漏电流几毫安以下几毫安以下几百微安以下几百微安以下开关方法及开关方法及所需能量所需能量开通：控制极触发电流功率为几瓦以开通：控制极触发电流功率为几瓦以下下关断：阴极加负电压关断：阴极加负电压开通：基极流过电流功率为几瓦以下开通：基极流过电流功率为几瓦以下关断：基极电流消逝关断：

53、基极电流消逝关断时的维护关断时的维护用缓冲电路抑制反峰电压及用缓冲电路抑制反峰电压及du/dt用缓冲电路将电压电流限制在平安任务用缓冲电路将电压电流限制在平安任务区区浪涌冲击浪涌冲击10倍的额定电流反复性倍的额定电流反复性20倍的额定电流非反复性倍的额定电流非反复性二倍的额定电流非反复性二倍的额定电流非反复性误动作误动作控制可靠性控制可靠性控制极干扰信号，过大的控制极干扰信号，过大的du/dt会引起误触发，会引起误触发，故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件基极干扰信号，过大基极干扰信号，过大du/dt呵斥瞬时导通，但可呵斥瞬时导通，但可复原，不致引起损坏。假

54、设是电源短路，任务点复原，不致引起损坏。假设是电源短路，任务点超出平安任务区，会损坏元件超出平安任务区，会损坏元件维护维护无活动部件，不易损坏部件，需维护无活动部件，不易损坏部件，需维护同晶闸管同晶闸管寿命寿命半永久性半永久性半永久性半永久性二次击穿二次击穿不存在不存在存在存在692.6.1 引言引言 2.6.2 电力电力MOSFET的构造和任务原理的构造和任务原理2.6.3 电力电力MOSFET的特性的特性2.6.4 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数70v 分为结型和绝缘栅型分为结型和绝缘栅型v 通常主要指绝缘栅型中的通常主要指绝缘栅型中的MOSMOS型型Metal Oxide Me

55、tal Oxide Semiconductor Field Effect TransistorSemiconductor Field Effect Transistorv 简称电力简称电力MOSFETMOSFETPower MOSFETPower MOSFETv 结型电力场效应晶体管普通称作静电感应晶体管结型电力场效应晶体管普通称作静电感应晶体管Static Static Induction TransistorSITInduction TransistorSIT 特点用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

56、，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71v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 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。存在导电沟道。v 加强型加强型对于对于NP沟道器件，栅极电压沟道器件，栅极电压大于小于零时才存在导电沟道。大于小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。72v 电力电力MOSFET的构造的构造N+GSDP 沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道图1-19是单极型晶

57、体管。是单极型晶体管。导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管一样，但构造上有较大区别。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：采用多元集成构造，不同的消费厂家采用了不同设计： 1.国际整流器公司国际整流器公司International Rectifier的的HEXFET采用了六边形单元采用了六边形单元 2.西门子公司西门子公司Siemens的的SIPMOSFET采用了正方形单元采用了正方形单元 3. 摩托罗拉公司摩托罗拉公司Motorola的的TMOS采用了矩形单元按采用了矩形单元按“品字形陈列品字形陈列 图图2-21 电力电力MOSFET的结的结构和电气

58、图形符号构和电气图形符号73v小功率小功率MOSMOS管是横导游电器件。管是横导游电器件。v电力电力MOSFETMOSFET大都采用垂直导大都采用垂直导v 电构造，又称为电构造，又称为VMOSFETVMOSFETv Vertical MOSFETVertical MOSFET。v按垂直导电构造的差别，分为利按垂直导电构造的差别，分为利v 用用V V型槽实现垂直导电的型槽实现垂直导电的VVMOSFETVVMOSFETv 和具有垂直导电双分散和具有垂直导电双分散MOSMOS构造的构造的v VDMOSFET VDMOSFETVertical Double-Vertical Double-v diff

59、used MOSFET diffused MOSFET。v这里主要以这里主要以VDMOSVDMOS器件为例进展讨论。器件为例进展讨论。BG栅栅极极D漏极漏极SiO2P型硅衬底型硅衬底S源极源极图图2-22 2-22 小功率小功率MOSMOS管构造图管构造图N+N+74VVMOSFET和和VDMOSFET 图图2-23 VVMOSFET和和UMOSFET根本构造根本构造 电场集中，电场集中，不易提高不易提高耐压耐压75 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型半导体反型层

60、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 。电力电力MOSFET的任务原理的任务原理N+GSDP 沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN 沟道图1-19图图2-24 电力电力MOSFET的构造和电气图形符号的构造和电气图形符号76 1) 静态特性静态特性漏极电流漏极电流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的的关系近似线性，曲线的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导斜率定义为跨导Gfs。图图2-25 电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a)