电力电子技术第2章 电力电子器件

1、1第第2 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(GTO(GTO、GTRGTR、IGBT)IGBT) 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2第第2 2章章 电力电子器件电力电子器件引言引言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技术的基础电力电子技术的基

2、础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：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等问题。等问题。介绍常用电力电子器件的介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性工作原理、基本特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意问题。以及选择和使用中应注意问题。32.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.1.1 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 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 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类2.1.4 2.1.4 本章内容和学习要点本章内容

3、和学习要点41 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子可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。器件。主电路主电路（Main Power Circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制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。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 ( (采用的主要材料仍然是硅）采用的主要材料仍然是

4、硅）2.1.1 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电力电子器件电力电子器件52.1.1 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基本特征基本特征电力电子器电力电子器件与信息电件与信息电子器件的比子器件的比较：较：处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件子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电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器

5、。子器件，一般都要安装散热器。6低频时低频时通态损耗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，开关损耗开关损耗可能成为器件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 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗7on-state losseson-stateturning-offoff-stateturning-on8电力电子系统电力电子系统：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主电路主电路组成。图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电

6、路RL主电路V1V2保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行2.1.2 2.1.2 电力电子器件的应用系统组成电力电子器件的应用系统组成电气隔离控制电路92.1.3 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类基本分类基本分类电真空器件：电真空器件：半导体器件：半导体器件：汞弧整流器、闸流管汞弧整流器、闸流管不控型：不控型：半控型：半控型：全控型：全控型：不能用控制信号来控制其通不能用控制信号来控制其通断，代表：电力二极管断，代表：电力二极管能用控制信号来控制其导通能用控制信号来控制其导通而无法控制其关断，代表：而无法控制其关断，代表：晶闸管晶闸管

7、能用控制信号来控制其导通与能用控制信号来控制其导通与关断，代表：关断，代表： IGBT,MOSFET10电力电子器件概述电力电子器件概述基本分类基本分类电真空器件：电真空器件：半导体器件：半导体器件：汞弧整流器、闸流管汞弧整流器、闸流管电流驱动型：电流驱动型：电压驱动型：电压驱动型：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来实现导通或者电流来实现导通或者 关断的关断的器件器件仅通过在控制端和公共端之间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施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的器件。导通或者关断的器件。11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

8、原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选以及选择和使用中应注意的一些问题。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、并联使用并联使用这这三个问题。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，以及其参数和特性曲参数和特性曲线的使用方法线的使用方法。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。2.1.4 2.1.4 本章学习内容与学习要点本章学习内容与学习要点122.2 2.2 不可控器件不可控

9、器件电力二极管电力二极管Power DiodePower Diode13 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自结构和原理简单，工作可靠，自20世纪世纪50年代年代初期就获得应用。初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，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，具有不可替代的地位。肖特基二极以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。肖特基二极管恢复时间更短。管恢复时间更短。扩散运动扩散运动：高浓度扩散到低浓度：高浓度扩散到低浓度漂移运动漂移运动：有外电场作用：有外电场作用空间电荷区空间电荷区：势垒区、耗尽层、阻挡层

10、。：势垒区、耗尽层、阻挡层。电导调制效应电导调制效应：基片低参杂：基片低参杂N N区的欧姆电阻减少。区的欧姆电阻减少。当二极管导通当二极管导通，正向电流较大时，空穴穿过，正向电流较大时，空穴穿过P-N结进入结进入N区，并在区，并在N区区得到积累，浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子（电子）得到积累，浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子（电子）浓度也相应大幅度增加，使得其浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降电阻率明显下降，这就是，这就是电导调制效应电导调制效应。2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言14半导体二极管半导体二极管（见（见PN结基础知识

11、）结基础知识）15不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.2PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理2.2.116电力二极管电力二极管(Power Diode)17电力二极管电力二极管18 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约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2.2.1 PN2.2.1 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结的状态19 雪崩击穿：雪崩击穿：雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿形成电子空穴对（碰撞电离

12、）形成电子空穴对（碰撞电离）通过通过PN结的少子获得能量大结的少子获得能量大与晶体中原子碰撞使共价键的束缚与晶体中原子碰撞使共价键的束缚电荷挣脱共价键电荷挣脱共价键PN结反向高场强结反向高场强载流子倍增效应载流子倍增效应20齐纳击穿齐纳击穿：形成电子空穴对形成电子空穴对直接将直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉出来结中的束缚电荷从共价键中拉出来PN结电场很大结电场很大很大反向电流很大反向电流齐纳击穿需要很高的场强齐纳击穿需要很高的场强：2105 V/cm只有杂质浓度高，只有杂质浓度高，PN结窄时才能达到此结窄时才能达到此条件条件齐纳二极管（稳压管）齐纳二极管（稳压管）21 电击穿电击穿:当反向

13、电流与电压的乘积不超过当反向电流与电压的乘积不超过PN结容结容许的耗散功率时许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低称为电击穿，是可逆的。即反压降低时时,管子可恢复原来的状态。管子可恢复原来的状态。 热击穿热击穿:若反向电流与电压的乘积超出若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散结的耗散功率功率,则管子会因为过热而烧毁则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿形成热击穿不可逆。不可逆。 热击穿和电击穿热击穿和电击穿 雪崩击穿、齐纳击穿雪崩击穿、齐纳击穿可逆。可逆。22PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，称为，称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微

14、分电容微分电容。 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： 势垒电容势垒电容CB和和扩散电容扩散电容CD。 势垒电容：势垒电容：只在外加电压变化时才起作用。只在外加电压变化时才起作用。 扩散电容：扩散电容：仅在二极管正向偏置时仅在二极管正向偏置时,载流子的扩散运动载流子的扩散运动加强，在势垒区两侧的中性区将产生有非平衡载流子加强，在势垒区两侧的中性区将产生有非平衡载流子造成的电荷积累。正向电压越大，非平衡载流子的浓造成的电荷积累。正向电压越大，非平衡载流子的浓度越高形成扩散电容度越高形成扩散电容CD。正向电压越大，正向电压越大， CD 越大，反越大，反偏时偏时C

15、D=0电容影响电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。结的工作频率，尤其是高速的开关状态。 2.2.1 PN2.2.1 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：232.2.2 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性基本特性基本特性静态特性、静态特性、动态特性门槛电压门槛电压U UTOTO正向导通是电力二极管两端的最大电压降IOIFUTOUFUUBURRM反向击穿电压反向击穿电压UB 静态特性静态特性电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，即器电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，即器件端电压与电流的关系。件端电压与电流的关系

16、。正向电压降正向电压降UF正向电流正向电流IF开始明显增加所对应的电压开始明显增加所对应的电压24 动态特性动态特性 因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向导通和反向截止这三个状态之间转换时，必然经过一个过渡过程，其电压、电流随时间变化的特性称为电力二极管的动态特性。正向导通转换为反向截止零偏置转换为正向导通 电力二极管电力二极管(Power Diode)UFPuiiFuFtfrt02VIFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt25t t2 2 ：时刻：时刻电流变化率接近零，恢复对反向电压阻断正向导通转换为反向截止 关断特性关断特性：t tF F：时刻外加电

17、压改变时刻外加电压改变t t0 0：时刻时刻电流下降为零，此时不电流下降为零，此时不能恢复反向阻断能力。能恢复反向阻断能力。t t1 1: : 时刻时刻反向电流达最大值，此反向电流达最大值，此后反向电流迅速下降，产后反向电流迅速下降，产生反向过冲电流生反向过冲电流I IRP RP ，随后，随后出现反向过冲电压出现反向过冲电压U URPRPIFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt电力二极管电力二极管(Power Diode)26b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图2-5 电力二极

18、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：下降时间与恢复特性的软度：下降时间与延迟时间延迟时间 的比值的比值tf /td，或称恢，或称恢复系数，复系数，用用Sr表示。表示。27开通特性开通特性： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。 这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电力二极管电力二极管(Power Diode)零偏置转换为正向导通UF

19、PuiiFuFtfrt02V282.2.3 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大流过的最大工频、正弦、半波电流工频、正弦、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的原则值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。来选取电流定额，并应留有一定的裕量。换算关系：换算关系：正弦半波电流正弦半波电流的有效值的有效值I和平均值和平均值IF(AV)之比：之比：1) 正向平均电流正向平均电流IF(AV

20、)()1.57F AVII29电力二极管电力二极管(Power Diode) 指在规定+40的环境温度和标准散热条件下，元件结温达到额定且稳定时，容许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流正向平均电流IF(AV)tIImsin) 1( ktkmAVFIttdI)(sin210)(额定有效值：额定有效值：与正向平均电流与正向平均电流IF相同条件下测得有效值相同条件下测得有效值额定有效值为额定有效值为=1.57*IF2mm0I1I(I sint) (d t)2257. 12)(AVFII302.2.3 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数在指定温度下，流过某一指定在指

21、定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向的稳态正向电流时对应的正向压降。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对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是雪反向最高峰值电压。通常是雪崩击穿电压的崩击穿电压的2/3。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= td+ tf2）正向压降正向压降UFIOIFUTOUFUUBURRM31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平均温度。结不致损坏的前

22、提下所能承受的最高平均温度。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周期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。的过电流。(浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。) (浪涌电流也指由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。) 2.2.3 2.2.3 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TJM321) 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 Dio

23、de）多用于开关频率不高多用于开关频率不高（1kHz以下）以下）的整流电的整流电路路其反向恢复时间较长（其反向恢复时间较长（=5us=5us）正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，数千安，电压数千伏。数千安，电压数千伏。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介绍。特别是反向恢复特性的不同介绍。2.2.4 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型33简称快速二极管（掺金工艺）简称快速二极管（掺金工艺）快恢复二极管的内部结构与普通二极管不同，它是在P型、N型硅材料中间增加了基

24、区I，构成P-I-N硅片。由于基区很薄，反向恢复电荷很小，不仅大大减小了trr值，还降低了瞬态正向压降，使管子能承受很高的反向工作电压。 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其，其trr更短（可低于更短（可低于50ns），）， UF也很低（也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在左右），但其反向耐压多在1200V以下。以下。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级。前者两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后为数百纳秒或更长，后者则在者则在100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030n

25、s。 主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。 2) 快恢复二极管快恢复二极管( (一般在一般在5us5us以下以下) ) （Fast Recovery DiodeFRD）34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

26、还小。肖特基二极管的肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，反向耐压提高时正向压降会提高，多用于多用于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。2.2.4 2.2.4 电力二极管的主要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 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）。35电力二极管电力二极管(Power Diode)max)25 . 1 (57. 1IIF电力二极管的选择原则电力二极管的选择原则1、正向平均电流、正向平均

27、电流IF的选择原则的选择原则确保所选电力二极管的额定有效值大于实际要通过电流确保所选电力二极管的额定有效值大于实际要通过电流的有效值，且预留的有效值，且预留1.5到到2倍的余量，然后取相应标准系倍的余量，然后取相应标准系列值列值57. 1)25 . 1 (maxIIF2、额定电压、额定电压URRM的选择原则的选择原则URRM应大于电力二极管实际可能承受的最大反向瞬时电应大于电力二极管实际可能承受的最大反向瞬时电压压Umax的的2到到3倍，然后取相应标准系列值倍，然后取相应标准系列值36B B 黑表笔接黑表笔接K K，红表笔接，红表笔接A A几千欧几千欧几十千欧几十千欧A A 黑表笔接黑表笔接A

28、 A，红表笔接，红表笔接K K几十欧几十欧几百欧几百欧A电力二极管电力二极管(Power Diode)简单判断简单判断37稳压二极管稳压二极管1、结构、电气符号、及外形、结构、电气符号、及外形电气符号：电气符号：结构：结构：与电力二极管相同，只是制造工与电力二极管相同，只是制造工艺和方法略有不同艺和方法略有不同外形：外形：38电力二极管电力二极管(Power Diode)稳压二极管稳压二极管2、工作原理及特性、工作原理及特性工作特点：工作特点：主要工作在反向击穿状态，起稳压作用，反向击穿电压即为其稳压电压；主要工作在反向击穿状态，起稳压作用，反向击穿电压即为其稳压电压；稳压管在电路中要反向连接

29、；稳压管在电路中要反向连接；伏安特征：伏安特征：（1）正向特性与普通二极管相同）正向特性与普通二极管相同（2）而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，）而反向特性却比较特殊：当反向电压加到一定程度时，虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，但管子不损毁，且虽然管子呈现击穿状态，通过较大电流，但管子不损毁，且管子两端的电压变化极小，从而起到稳压作用；当反相大电管子两端的电压变化极小，从而起到稳压作用；当反相大电压去掉后，管子恢复反相截止状态。压去掉后，管子恢复反相截止状态。39电力二极管电力二极管(Power Diode)稳压二极管稳压二极管3、应用举例、应用举例稳压原理分析：稳压原理分析：

30、若输入电压若输入电压Usr也随升高，引起负载电压也随升高，引起负载电压Usc 升高。由于稳压升高。由于稳压管管DW与负载与负载Rfz并联，并联，Usc 只要超过稳压电压，稳压管击穿，只要超过稳压电压，稳压管击穿，电流急剧增加，使得电流急剧增加，使得I1也增大，限流电阻也增大，限流电阻R1上的电压降增大，上的电压降增大，从而抵消了从而抵消了Usr的升高，保持负载电压的升高，保持负载电压Usc 基本不变。反之，基本不变。反之，若若Usr下降，造成下降，造成Usc 也下降，则稳压管推出击穿状态，电流也下降，则稳压管推出击穿状态，电流急剧减小，使得急剧减小，使得I1减小，减小，R1上的压降也减小，从而

31、抵消了上的压降也减小，从而抵消了Usr的下降，保持负载电压的下降，保持负载电压Usc 基本不变。基本不变。40电力二极管电力二极管(Power Diode)稳压二极管稳压二极管3、应用举例、应用举例1、稳压管可以串并联使用、稳压管可以串并联使用2、稳压值受温度影响、稳压值受温度影响常用稳定电压的温度系数来表示这种影响常用稳定电压的温度系数来表示这种影响例如例如2CW19型稳压管的稳定电压型稳压管的稳定电压Uw= 12伏，温度系数伏，温度系数为为0.095%说明温度每升高说明温度每升高1，其稳定电压升高，其稳定电压升高11.4毫伏。毫伏。412.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管422.3

32、 2.3 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，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，在大容量的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。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

33、器（Silicon Controlled RectifierSCR）432.3.1 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44图2-6 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2.3.1 晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个连接端。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3452.3.1 晶闸管的结构与工作原理式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共

34、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2-7 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 晶闸管导通的原理可用晶体管模型解释，由图得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）46晶闸管导通的工作原理晶闸管导通的工作原理:外电路向门极注入电流外电路向门极注入电流I IG GI IG G流入晶体管流入晶体管VTVT2 2的基极的基极产生集电极电流产生集电

35、极电流I IC2 C2 I IC2C2又构成晶体管又构成晶体管VTVT1 1的基极电流的基极电流放大成集电极电流放大成集电极电流I IC1C1增大增大VTVT1 1的基极电流的基极电流形成强烈的正反馈形成强烈的正反馈VTVT1 1和和VTVT2 2进入完全饱和状态进入完全饱和状态电导调制效应使得晶闸管的导通压降很低电导调制效应使得晶闸管的导通压降很低导通电流的大小由外电路参数决定。导通电流的大小由外电路参数决定。472.3.1 晶闸管的结构与工作原理 阻断状态阻断状态：IG=0， 1+ 2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。个晶体管漏电流之和。开

36、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以致：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近于1 1，流过晶闸管，流过晶闸管的电流的电流IA，将趋近于无穷大，实现，将趋近于无穷大，实现饱和饱和导通。导通。IA实际上由于外电路实际上由于外电路负载的限制，会维持有限值。负载的限制，会维持有限值。 在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 会迅速增大（形成强烈正反馈所致）。482.3.1导通和关断的条件（导通和关断的条件（1） 1 1、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造成雪崩效应2 2、阳极电压上升、阳极电压上升率率du/d

37、t过高过高3 3、结温较高、结温较高4 4、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而应用于高压电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，称为光控晶闸管（力设备中，称为光控晶闸管（LTT）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！其他几种其他几种可能导通可能导通的情况的情况：1. 导通条件：导通条件： 1）A、K间加正向电压间加正向电压UAK2）G、K间加门极触发电流间加门极触发电流IG49（1） UAKIG1IG522.3.2 晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反

38、相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图2-8 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532.3.2 晶闸管的基本特性1) 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tg t以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 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tg

39、r关断时间关断时间t tq以上两者之和以上两者之和tq=trr+tgr （1-7)1-7)普通晶闸管的关断时间约普通晶闸管的关断时间约几百微秒几百微秒2） 动态特性动态特性图2-9 晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA542. 动态特性(Switching characteristics of thyristor)100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiAtgt 开通时间开通时间反向阻断反向阻断恢复时间恢复时间正向阻断正向阻断恢复时间恢复时间门极加正门极加正向电流向电流阳极加反压阳极加反压552.3.3

40、 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UTm 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。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）电压定额电压定额正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURS

41、M562.3.3 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

42、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572.3.3 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态转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

43、升率。换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使结电容充电电流足够大，造成晶闸管误导通电压上升率过大，使结电容充电电流足够大，造成晶闸管误导通 。 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上升率指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 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58红表笔接阳极，黑表笔接阴极测试红表笔接阳极，黑表笔接阴极测试万用表显示万用表显示黑表笔接阳极，红表笔接阴极测试黑表笔接阳极，红表笔接阴极测试万用表显示

44、万用表显示晶闸管简单测试晶闸管简单测试59红表笔接控制极，黑表笔接阴极测试红表笔接控制极，黑表笔接阴极测试测得阻值不大测得阻值不大黑表笔接控制极，红表笔接阴极测试黑表笔接控制极，红表笔接阴极测试测得阻值不大测得阻值不大60级级别别正反向重复峰正反向重复峰值电压（值电压（V）级级别别正反向重复峰正反向重复峰值电压（值电压（V）级级别别正反向重复峰正反向重复峰值电压（值电压（V）1100880020200022009900222200330010100024240044001215002626005500141400282800660016160030300077001818006162632.3

45、.4 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，高频普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管晶闸管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。1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)64 T1T2GabGT2T

46、1ciG=0iu0GPNPNNNNiG=0T21TGd2.3.4 晶闸管的派生器件-双向晶闸管652.3.4 晶闸管的派生器件-双向晶闸管662.3.4 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2-10 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)IOUIG=0GT1T2可认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。不用平均值而用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

47、额定电流值。67GAKAKGab二极管区晶闸管区GKAN2 N2N2P2N1N1P2PNP1P1P1P1隔离区cdiG=0iu02.3.4 晶闸管的派生器件-逆导晶闸管682.3.4 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2-11 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。692.3.4 晶闸管的派生器件4)光控晶闸光控晶闸管（管（Light Triggere

48、d ThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图2-12 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。因此目前用在高压大功率的场合。702.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件712.4 典型全控型器件引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。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。722.4 典型全控型器件引言常用的常用的典型全控型器

49、件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块732.4.1 门极可关断晶闸管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。GTO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。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）742.4.1 门极可关断晶闸管AGKc)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKq结构：n与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。n和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。图2-13 GTO的内部结构和电气图形

50、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752.4.1 门极可关断晶闸管GTO结构结构：与普通晶闸管一样，可以用图2-7所示的双晶体管模型来分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-7 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。是器件临界导通的条件。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 1和 2 2 。762.4.1 门极可关断晶闸管GTO能够

51、通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别区别：设计2较大，使晶体管V2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。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图2-7 晶闸管的工作原理772.4.1 门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。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。关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构多元集成结构

52、还使还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承比普通晶闸管开通过程快，承受受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：782.4.1 门极可关断晶闸管开通过程开通过程：与普通晶闸管相同关断过程关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图2-15 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RNPNPNPAGS

53、KEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)792.4.1 门极可关断晶闸管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12s，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，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（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，以下只介绍意义不同的参数。802.4.1 门极可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4） 电

54、流关断增益电流关断增益 off off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。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。（2-8）GMATOoffIIOt0tiGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6812.4.2 电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT，与GTR

55、名称等效。 应用应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。电力晶体管电力晶体管：82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的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。2.4.2 电力晶体管1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图2-16 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832.4.2 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

56、。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 GTR的的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集，反映了基极电流对集电极电流的控制能力电极电流的控制能力 。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的漏电流流Iceo时，时，ic和和ib的的关系为关系为 ic= ib +Iceo （2-10）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左右左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益，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

57、84达林顿接法可有效增大电流增益达林顿接法可有效增大电流增益RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)852.4.2 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出特性：截止区截止区、放大区放大区和饱饱和区和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。n实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多BUcboBUceoBUcesBUcerBUcex各种击穿电压接线图892.4.2 电力晶体管通常规定为

58、直流放大系数通常规定为直流放大系数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为为集电极最大允许电流。集电极最大允许电流。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，间接表示了最高工作温度，间接表示了最高工作温度 。 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM902.4.2 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，

59、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：一次击穿发生时，如不能有效的限制电流，一次击穿发生时，如不能有效的限制电流，Ic突然急突然急剧上升，电压陡然下降。剧上升，电压陡然下降。常常立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 （ S a f e Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿功率Psb二次击穿临界线

60、限定区域SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图2-18 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912.4.3 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 M O SM O S 型型 （ M e t a l O x i d e 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 Inductio