第一章 电力电子器件概述

1、1黑龙江大学机电学院黑龙江大学机电学院2009年8月2本章的学习内容学点什么哪学点什么哪? ?1 电力电子器件的电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类等问题。等问题。2 介绍常用电力电子器件的介绍常用电力电子器件的工作工作原理原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以以及选择和使用中应注意问题。及选择和使用中应注意问题。3本章的学习重点1 掌握半控型器件、全掌握半控型器件、全 控型器件的工作原理、控型器件的工作原理、 基本特性、主要参数；基本特性、主要参数；2 掌握电力电子器件的串并联；掌握电力电子器件的串并联；3 掌握电力电子器件的保护；掌握电力电子器件的保护；4 掌握电力电子器件的驱

2、动电路。掌握电力电子器件的驱动电路。 4第第1章章 电力电子器件电力电子器件5电子技术的基础电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路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第第1章章 电力电子器件电力电子器件引言引言61.1 电力电子器件概述电力电子器件概述71 1）概念）概念: :电力电子器件电力电子器件（Power Electronic DevicePower Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。子器件。主电路（主电路（Main Power C

3、ircuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控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。制任务的电路。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 ( (采用的主要材料硅）采用的主要材料硅）仍然仍然1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件电力电子器件8能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电

4、力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至率损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一仅在器件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需要设计安装散热器。般都还需要设计安装散热器。1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：9通态损耗通态损耗

5、是器件功率损耗的主要成因。是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件可能成为器件功率损耗的主要因素功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗10电力电子系统：由电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 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组成。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控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路

6、电路RL主电路主电路V1V2保护保护电路电路在主电路在主电路和控制电和控制电路中附加路中附加一些电路，一些电路，以保证电以保证电力电子器力电子器件和整个件和整个系统正常系统正常可靠运行可靠运行1.1.2 应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路控制电路11导通导通主电路中主电路中电力电子器件电力电子器件关断关断检测电路、驱动电路以外的电路检测电路、驱动电路以外的电路控制电路控制电路由信息电路组成由信息电路组成控制电控制电路路主电路主电路电力电子系统电力电子系统检测电路检测电路检测主电路或应用现场信号检测主电路或应用现场信号通过驱动电路通过驱动电路控制控制 保护电路保护电

7、路 保证电力电子器件和整个电力电子保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行系统正常可靠运行12半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。其关断。全控型器件全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，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, , 因此也就不因此也就不需要驱动电路。需要驱动电路。1.1.3 电力电子器件的分类电力

8、电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：13电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的通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。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电压信号就可仅通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。实现导通或者关断的控制。1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照驱动电路加在按照驱动电路加在电力电子电力电子器件控制端和公共端器件控制端和公共端之间信号的性质分为两类之间信号的性质分为两类电流驱动型电流驱动型电压驱动

9、型电压驱动型控控制制端端通通 断断注注入入电电流流 抽抽出出电电流流电压信号电压信号公公共共端端控控制制端端14 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：分为三类：单极型器件单极型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件(MOSFET)(MOSFET)双极型器双极型器件件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件(SCR)(SCR)复合型器复合型器件件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（IGBTIGBT） 1.1.3 电力电子器件的分类电力

10、电子器件的分类15本章内容本章内容: :介绍各种器件的介绍各种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以及选择和使用中应注意的一些问题。及选择和使用中应注意的一些问题。集中讲述电力电子器件的集中讲述电力电子器件的驱动驱动、保护和串保护和串、并联使并联使用用这三个问题。这三个问题。学习要点学习要点: :最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握电力电子器件的型号掌握电力电子器件的型号命名法命名法，以及其，以及其参数和特参数和特性曲线的使用方法性曲线的使用方法。可能会对主电路的其它电路元件有可能会对主电路的其它电路元件有特殊的要求特殊的要求。1.1.4 本章学习内容

11、与学习要点本章学习内容与学习要点161.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管17 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，结构和原理简单，工作可靠，自自20世纪世纪50年代初期就获得应用。年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高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合，具频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。有不可替代的地位。1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言整流二极管及模块18基本结构和工作原基本结构和工作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。由一个面

12、积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线结和两端引线以及封装组成的。以及封装组成的。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。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1.2.1 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AKAKa)IKAPNJb)c)AK19 状态 参数正向导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基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿1.2.1 PN结与电

13、力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 PN结的状态201.2.1 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PNPN结的反向击穿结的反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结反向偏置为截止的工作状态雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿热击热击穿穿因热量散发不出PN结温度上升过热烧坏211.2.1 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结电容结电容C C J J( (微分电容微分电容) )PN结中电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应势垒电容势垒电容C CB B扩散电容扩散电容CDPN结截面成正比阻挡层成反比大小正正向向电电压压较较高高仅在正向偏置时起作用外

14、加电压变化时起作用结电容影响结电容影响PNPN结的工作频率，特别是在结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。性变差，甚至不能工作。正向电压较低结电容按其产生机制和作用的差别分为结电容按其产生机制和作用的差别分为扩散电容扩散电容C CD D和和势垒电容势垒电容C CB B 。 PN结的电容效应：22主要指其主要指其伏安特性伏安特性门槛电压门槛电压UTO，正向电流，正向电流IF开始明显增加所对应的开始明显增加所对应的电压。电压。与与IF对应的电力二极管两对应的电力二极管两端的电压即为其端的电压即为其正向电正向电压降压降UF 。

15、承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向微小而数值恒定的反向漏电流。漏电流。图1-4 电力二极管的伏安特性1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1) 静态特性静态特性IOIFUTOUFU231.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性零偏置正向偏置反向偏置2) 2) 动态特性动态特性结电容的存在结电容的存在电力二极管的电力二极管的 动态状态动态状态反映通态和断态之间过程的开关特性反映通态和断态之间过程的开关特性过渡过程中过渡过程中电压电压电流特性随时间变化电流特性随时间变化242) 动态特性动态特性 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性

16、b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形延迟时间：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：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。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25正向压降先出现一个过冲正向压降先出现一个过冲UFP，经，经过一段时间才趋于接近稳态压降的过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如某个值（如 2V）。

17、）。正向恢复时间正向恢复时间tfr。电流上升率越大电流上升率越大，UFP越高越高 。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 开通过程开通过程： 关断过程关断过程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。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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5(b)关断过程26 注意：电流、电压反向问题注意：电流、电压反向问题 正偏压时，正向偏压降约为正偏压时，正向偏压降约为1V1V左右；左右；导通时，二极管看成是理想开关元件

18、，导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多；比要小的得多； 但在关断时，它需要一个反向恢复但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（的时间（reverser-recovery timereverser-recovery time）以）以清除过剩载流子。清除过剩载流子。1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性27额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大下，其允许流过的最大工频正弦半波电流工频正弦半波电流的的平均值平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用是

19、按照电流的发热效应来定义的，使用时应按时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，来选取电流定额，并应留有一定的裕量。并应留有一定的裕量。1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1) 正向平均电流正向平均电流IF(AV)28在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。应的正向压降。3） 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间）反向恢复时间trr trr=

20、 td+ tf1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UF29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承受的最高结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。平均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。6) 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频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。周期的过电流。 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5）最高工作结温）最高工作结温TJM301.2.4 电力二极管的主要类

21、型电力二极管的主要类型1) 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）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。普通二极管普通二极管( (整流二极管）整流二极管）多用于开关频率多用于开关频率不高（不高（1 1kHz以下）以下）的整流电路中的整流电路中 反向恢复时间长反向恢复时间长一般在一般在5s以上以上正向电流定额和反正向电流定额和反向电压定额很高，向电压定额很高，分别可达数千安和分别可达数千安和数千伏以上数千伏以上 31 2) 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（

22、恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（ 5s5s以下）的以下）的二极管，简称快速二极管二极管，简称快速二极管 。结构上采用PN结构 也有采用加以改进的PiN结构 快恢复外延二极管快恢复外延二极管其反向恢复时间更短（可低于其反向恢复时间更短（可低于50ns50ns），正向压降也很低（），正向压降也很低（0.9V0.9V左右），左右），反向耐压多在反向耐压多在1200V1200V以下。以下。快速恢复二极管快速恢复二极管超快速恢复二极管超快速恢复二极管 反向恢复时间数百纳秒或更长100ns以下，甚至达2030ns快恢复二极管从性能上分为两种 工艺多采用掺金措施采用外延型PiN结构32肖特基二极管的肖

23、特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的肖特基二极管的优点优点反向恢复时间很短（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。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。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，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。1.2.4 电力二极管的主要

24、类型电力二极管的主要类型3. 肖特基二极管肖特基二极管(DATASHEET) ) 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。331.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管341.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。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。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。年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪世纪80年代以来，

25、开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。的场合具有重要地位。晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）35AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号外形有外形有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装。两种封装。有三个联接端。

26、有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。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。361.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构371.3.1 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导通条件：晶体管的导通条件： 晶体管的关断条件：晶体管的关断条件： A AK KG承受正向阳极电压时，正向门极承受正向阳极电压时，正向门极电压时，门极有触发电流的情况电压时，门极有触发电流的情况下晶

27、闸管才能开通。下晶闸管才能开通。要使晶闸管关断，只能使晶闸要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一管的电流降到接近于零的某一数值以下。数值以下。381.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 晶体管的工作原理晶体管的工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2b)c)P1 N1P2N2J1J2J3AGKa)I IG I Ib2b2 I Ic2c2 (= I Ib2b2)= I Ib1 I Ic1c1(= (= I Ib1 ) )391.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理式中式中 1和和 2分别是

28、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。由以上式可得由以上式可得 ：图1-7 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 按晶体管的工作原理按晶体管的工作原理 ，得：，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）401.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理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

29、射极电流建立起来之后，起来之后， 迅速增大。迅速增大。 阻断状态阻断状态：IG=0， 1+ 2很小。流过晶闸管的漏电流稍很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。大于两个晶体管漏电流之和。开通状态开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致以致 1+ 2趋近于趋近于1 1的话，流过晶闸管的话，流过晶闸管的电流的电流IA，将趋，将趋近于无穷大，实现饱和近于无穷大，实现饱和导通。导通。IA实际由外电路实际由外电路决定决定。411.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值

30、造成雪崩效应阳极电压上升阳极电压上升率率du/dt过高过高结温较高结温较高光触发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光触发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，称为而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：421.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。闸管都不

31、会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下于零的某一数值以下 。DATASHEET晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：431.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（1）正向特性正向特性IG=0时，器件两端施加正时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。漏电流，为正向阻

32、断状态。正向电压超过正向转折电正向电压超过正向转折电压压Ubo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件开通。器件开通。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 静态特性静态特性图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG441.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性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。反向阻断状态时，只有极反向阻断状态时，只有极小的反相漏

33、电流流过。小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管电压后，可能导致晶闸管发热损坏。发热损坏。图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性451.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间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以上两者之和，以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRM

34、IRMiA2) 关断过程关断过程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t tq以上两者之以上两者之和和tq=trr+tgr （1-7)1-7)普通晶闸管的关断时间普通晶闸管的关断时间约几百微秒约几百微秒2） 动态特性动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形461.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允在

35、门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。许重复加在器件上的反向峰值电压。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压。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额定电压。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。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额471.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通态平均电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度在环境温度为为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定和规定的冷

36、却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定。标称其额定电流的参数。电流的参数。使用时应按使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。来选取晶闸管。维持电流维持电流 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 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， 能维持导通所需能维持导通所需的最小电流。的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流ITSM指由于

37、电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性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最大正向过载电流最大正向过载电流 。2 2）电流定额电流定额481.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：断态电压临界上升断态电压临界上升率率du/dt 指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指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，就会使晶闸管误导通电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导

38、通 。 通态电流临界上升通态电流临界上升率率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数491.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。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，普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管高频晶闸

39、管10 s左右。左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。DATASHEET1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)501.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2 2）双向晶双向晶闸管闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）图1-10 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)b)IOU

40、IG=0GT1T2可认为是一对反并联联可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。接的普通晶闸管的集成。有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门极一个门极G。在第在第和第和第IIIIII象限有对象限有对称的伏安特性。称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。DATASHEET511.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3) 逆导晶闸管逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图1-11 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管

41、制作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。521.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件4) 光控晶闸光控晶闸管（管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-12 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，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。531.4 典型全控型器件典型全控型器件541.4 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门

42、极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久在晶闸管问世后不久出现。出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。个崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。551.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块561.4.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管晶闸管的一种派生器件。晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关

43、断。GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。DATASHEET门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）571.4.1 门极可关断晶门极可关断晶闸管闸管结构结构：与普通晶闸管的与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。是一种多元的功率集成器件。c)图1-13

44、AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理581.4.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来所示的双晶体管模型来分析。分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临

45、界导通的条件。由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分别具有共分别具有共基极电流增益基极电流增益 1 1和和 2 2 。591.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下如下区别区别：设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控控 制灵敏，易于制灵敏，易于GTO。导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通，导通时接近临界饱和，有利门极时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降控制关断，但导通时管压降增大。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

46、电阻很小，能从门极抽横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。出较大电流。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图1-7 晶闸管的工作原理601.4.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。关断。多元集成结构多元集成结构还使还使GTO比普通晶闸管开通过程快，比普通晶闸管开通过程快，承受承受di/dt能力强能力强 。 由上述分析我们可以得到以下结论结论：611.4.1 门极可关门极

47、可关断晶闸管断晶闸管开通过程开通过程：与普通晶闸管：与普通晶闸管相同相同关断过程关断过程：与普通晶闸管：与普通晶闸管有所不同有所不同储存时间储存时间ts，使等效晶，使等效晶体管退出饱和。体管退出饱和。下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 残存载流残存载流子复合。子复合。通常通常tf比比ts小得小得多，而多，而tt比比ts要长。要长。门极负脉冲电流幅值门极负脉冲电流幅值越越大，大，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形2) GTO的动态特性的动态特性621.4.1 门极可关断晶闸门

48、极可关断晶闸管管3) GTO的主要参数的主要参数 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12 s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于尾部时间。下降时间一般小于2 s。（2） 关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。以

49、下只介绍意义不同的参数。631.4.1 门极可关断门极可关断晶闸管晶闸管（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4） 电流关断增益电流关断增益 off 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。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 GTO额定电流。额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。（1-8）GMATOoffII641.4.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管（Giant

50、 TransistorGTR，直译为，直译为巨型晶体管）巨型晶体管） 。耐高电压、大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），英文有时候也称为为Power BJT。DATASHEET 1 2 应用应用20世纪世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被管，但目前又大多被IGBT和电力和电力MOSFET取代取代。术语用法术语用法：65与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。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

51、的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。1.4.2 电力晶体管电力晶体管1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图1-15 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661.4.2 电力晶体管电力晶体管在应用中，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（1-9） GTR的的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流，反映了基极电流对集电极电流的控制能力的控制能力 。当考虑到集电极和发射极间的漏电当考虑到集电极和发射极间

52、的漏电流流Iceo时，时，ic和和ib的的关系为关系为 ic= ib +Iceo （1-10）单管单管GTR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10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益左右，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+ )ib1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理671.4.2 电力晶体管电力晶体管 (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：出特性：截止区截止区、放大区放大区和和饱和区饱和区。在电力电子电路中在电力电子电路中GTR工工作在开关状态。作在开关状

53、态。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。实际使用时，最高工作电压要实际使用时，最高工作电压要比比BUceo低得低得多。多。3）GTR的主要参数的主要参数701.4.2 电力晶体管电力晶体管通常规定通常规定为为hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对应时所对应的的Ic 。实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，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

54、最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率。最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书产品说明书中给中给PcM时同时给出时同时给出壳温壳温TC，间接表示了最高，间接表示了最高工作温度工作温度 。 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM711.4.2 电力晶体管电力晶体管一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。迅速增大。只要只要Ic不超过限度，不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿二次击穿：一次击穿发生一次击穿发生时，时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。突然急剧上升，电压陡然下降。常常立

55、即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压最高电压UceM、集电极最大电、集电极最大电流流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次、二次击穿临界线限定。击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图1-18 GTR的安全工作区4) 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721.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为分为结型和绝缘栅型结型和绝缘栅型通常主要指通常主要指绝缘栅型中的绝缘栅型中的MOSMOS型型（Metal

56、Oxide Semiconductor FET）简称电力简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT） 特点特点用栅极电压来控制漏极电流用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置的电力电子装置 。电力场效应晶体管电力场

57、效应晶体管731.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道沟道和和N沟道沟道。 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。电沟道。 增强型增强型对于对于N（P）沟道器件，栅极电压大于）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。（小于）零时才存在导电沟道。 电力电力MOSFET主要主要是是N沟道增强型沟道增强型。DATASHEET1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理741.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的结构的结构是单极

58、型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产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1-19图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号751.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管小功率小功率MOS管是横向导电器件。管是横向导电器件。电力电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。）。按垂直导电结构的差异，分为利用按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电型槽实现垂直导电的的VVMOSFET和具有垂直导电双扩

59、散和具有垂直导电双扩散MOS结构结构的的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。）。这里主要以这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的结构的结构761.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止截止：漏源极间加正电源漏源极间加正电源，栅源极间电压为零栅源极间电压为零。 P基区与基区与N漂移区之间形成漂移区之间形成的的PN结结J1反偏，漏源极之间无电流反偏，漏源极之间无电流流过。流过。导电导电：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压UGS 当当UGS大于大于UT时，时，P型半导体反型成型半导体反型成N型而成为型而成

60、为反型层反型层，该反，该反型层形成型层形成N沟道而使沟道而使PN结结J1消失，漏极和源极导电消失，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图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理771.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 (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的的转移特性转移特性。ID较大较大时，时，ID与与UGS的关系的关系近似线性，曲线的斜率定近似线性，曲线的斜率定义为义为跨导跨导Gfs。010203050402