第一章电力电子器件

1、第第1 1页页第一章第一章 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2.2.电力二极管电力二极管3.3.晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件4.4.典型全控型器件典型全控型器件5.5.其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件6.6.电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动7.7.电力电子器件的保护电力电子器件的保护8.8.电力电子器件的串联与并联运行电力电子器件的串联与并联运行第第2 2页页1.1.主电路和电力电子器件的基本概念。主电路和电力电子器件的基本概念。2.2.电力电子器件的分类和电气图形符号。电力电子器件的分类和电气图形符号。3.3.晶闸管、电力晶体管和晶闸管、电

2、力晶体管和IGBTIGBT的工作原理、开关特的工作原理、开关特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。l重点重点第一章第一章 电力电子器件电力电子器件第第3 3页页 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述（一）基本概念（一）基本概念主电路主电路(Power Circuit):电力电子器件电力电子器件(Power Electronic Device): 在可直接用于处理电能的在可直接用于处理电能的主电路中主电路中,实现电能的实现电能的变换或控制的电子器件。变换或控制的电子器件。 在电气设备或电力系统中在电气设备或电力系统中,直接直接承担电能的变承

3、担电能的变换或控制任务的电路。换或控制任务的电路。第第4 4页页a. 能处理电功率的能力，一般远大于处理信能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。息的电子器件。b. 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。c. 电力电子器件往往需要由信息电子电路来电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。控制。d. 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息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。电子器件，一般都要安装散热器。（二）同处理信息的电子器件相比的一般特征（二）同处理信息的电子器件相比的一般特征 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第第5

4、 5页页图图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电气隔离电气隔离控制电路控制电路( (三三) )应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第第6 6页页（四）电力电子器件的分类（四）电力电子器件的分类1. 按照电力电子器件能够按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程被控制

5、电路信号所控制的程 度度，可以将电力电子器件分为以下，可以将电力电子器件分为以下3类类:a. 不可控型器件不可控型器件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。b.b.半控型器件半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。能控制其关断。c.c.全控型器件全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可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。控制其关断，又称自关断器件。 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第第7 7页页（1 1）按照驱动电路信号的性质来分）按照驱动电路信号的性质来分 电流驱动型电流驱动型通过从控制端注入或者抽出

6、电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。流来实现导通或者关断的控制。 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。施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。（2 2）按照功率等级来分）按照功率等级来分 微功率器件微功率器件 小功率器件小功率器件 大功率器件大功率器件（3 3）按照导电机理来分）按照导电机理来分 双极型双极型 单极型单极型 混合型混合型2. 其它分类方法其它分类方法: 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第第8 8页页 从使用角度出发，主要可从以下从使用角度出发，主要可从以下5 5个

7、方面考查电力电子个方面考查电力电子器件的使用特点：器件的使用特点： a.a.导通压降导通压降电力电子器件的管耗与导通压降成正比，电力电子器件的管耗与导通压降成正比，应尽量选择低导通压降的器件应尽量选择低导通压降的器件 b.b.运行频率运行频率器件的开关时间越短，器件可运行的频率器件的开关时间越短，器件可运行的频率越高越高 c.c.器件容量器件容量包括输出功率、电压及电流等级、功率损包括输出功率、电压及电流等级、功率损耗等参数耗等参数 d.d.耐冲击能力耐冲击能力主要是指器件短时间内承受过电流的能主要是指器件短时间内承受过电流的能力力 e.e.可靠性可靠性主要是指器件防止误导通的能力主要是指器件

8、防止误导通的能力( (五五) )电力电子器件的使用特点电力电子器件的使用特点 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第第9 9页页图图1.2 电力电子器件的种类和发展历史电力电子器件的种类和发展历史（六）电力电子器件的现状和发展趋势（六）电力电子器件的现状和发展趋势 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第第1010页页图图1.3 各种器件寿命的周期曲线各种器件寿命的周期曲线 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述第第1111页页1.2 电力二极管电力二极管u电力二极管电力二极管（Power DiodePower Diode）结构和原理简单，工结构和原理简单，工作可靠，自作可靠，自202

9、0世纪世纪5050年代初期就获得应用。年代初期就获得应用。u快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频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。可替代的地位。整流二极管及模块第第1212页页1.2.1 结构、工作原理和基本特性结构、工作原理和基本特性AKAKa)IKAPNJb)c)图图1.4 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号v基本结构和工作基本结构和工作原理与微电子电原理与微电子电路中的二极管一路中的二极管一样。样。v由一个面积较大由一个面积较大的的PNPN结和两端引

10、结和两端引线及封装组成。线及封装组成。v外形外形螺栓型和螺栓型和平板型两种封装。平板型两种封装。第第1313页页u额定电流在指定的管壳温度和散热在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。波电流的平均值。uIF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。定额，并应留有一定的裕量。1.2.2 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)第第1414页页在指定温度下，流过某一指定

11、的稳态正向电流时对应在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。的正向压降。3） 反向重复峰值电压URRMu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。u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trrtrr= td+ tf1.2.2 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UF第第1515页页u结温是指管是指管芯芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。uTJM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。uTJM通常

12、在通常在125175 C范围之内。范围之内。6) 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。期的过电流。 1.2.2 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TJM第第1616页页1.2.2 电力二极管的品种电力二极管的品种1.标准工频型（普通型）标准工频型（普通型）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其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高正向电流

13、定额和反向电压定额可以达到很高, ,可可以达到数千安或数千伏以上以达到数千安或数千伏以上第第1717页页 2.快速恢复二极管（快速恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）简称快速二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复简称快速二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在过程很短（一般在5 5 s s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。两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns100ns以下，甚至达到以下，甚至达到202030ns30ns。1.2.2 电力

14、二极管的品种电力二极管的品种第第1818页页 3.肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD） (a)(a)反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（101040ns40ns）。）。 (b) (b)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。 (c)(c)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。 (d)(d)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。 (a) (a)反向耐压提高时正向压降会提高，多用于反向耐压提高

15、时正向压降会提高，多用于200V200V以下。以下。 (b)(b)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。 (c)(c)容量小、漏电流大。容量小、漏电流大。肖特基二极管的缺点肖特基二极管的缺点肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点1.2.2 电力二极管的品种电力二极管的品种第第1919页页1.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件晶闸管晶闸管（ThyristorThyristor）：晶体闸流管，可控硅整流：晶体闸流管，可控硅整流器器（Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled Rectif

16、ierSCRSCR） 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，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。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。第第2020页页AAGGKKa)G图图1. 5晶闸管的外形、结构和电气图形

17、符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的结构晶闸管的结构 外形外形螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装。两种封装。 联接端联接端三个。三个。 螺栓型螺栓型螺栓是阳极，与散热器紧密联接且安装方便。螺栓是阳极，与散热器紧密联接且安装方便。 平板型平板型由两个散热器将其夹在中间。由两个散热器将其夹在中间。第第2121页页螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理第第2222页页2.晶闸管的工作原理 图图1.6 晶闸管的工作条件的实验电路

18、晶闸管的工作条件的实验电路 承受反向阳极电压时承受反向阳极电压时, ,处于处于关断状态，与门极无关。关断状态，与门极无关。 承受正向阳极电压时承受正向阳极电压时, ,若门若门极不施加电压极不施加电压, ,晶闸管也处于晶闸管也处于关断状态关断状态. . 承受正向阳极电压承受正向阳极电压, ,同时在同时在门极施加正向电压，晶闸管由门极施加正向电压，晶闸管由阻断变为导通。晶闸管一旦导阻断变为导通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。有通，门极就失去控制作用。有正向阻断能力和单向导电性。正向阻断能力和单向导电性。 1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理要使晶闸管关断要使晶闸管关断,

19、,必须去掉阳极正向电压必须去掉阳极正向电压, ,或给阳极加反向或给阳极加反向电压电压, ,或降低正向阳极电压或降低正向阳极电压, ,使通过晶闸管的电流小于使通过晶闸管的电流小于维持电维持电流流( (即保持晶闸管导通的最小阳极电流即保持晶闸管导通的最小阳极电流) )。第第2323页页晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 图图1.7 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理i GIC2IAKAGT2T1IKIC1第第2424页页（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

20、电压上升率率d du u/d/dt t过高，中间结电容产生位移电流。过高，中间结电容产生位移电流。（3 3）结温较高，漏电流增大。）结温较高，漏电流增大。（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，称为良好绝缘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 ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）。其。其它它几种情几种情况要尽量防止。况要尽量防止。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

21、它几种可能导通的情况：其它几种可能导通的情况：1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理第第2525页页1.3.2 晶闸管的特性晶闸管的特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图1.8 晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性（晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性（P17）1. 静态特性静态特性第第2626页页2. 动态特性图图1.9 晶闸管的动态过程（晶闸管的动态过程（P18）延迟时间延迟时间T Td d(0.51.5 s)上升时间上升时间T Tr r (0.53 s)开通时间开通时间T Tonon为以上两为以上两者之

22、和，者之和， Ton=Td+ Tr 开通过程开通过程1.3.2 晶闸管的特性晶闸管的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第第2727页页反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间T Trrrr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间T Tgrgr电路换向关断时间电路换向关断时间T Toffoff为为以上两者之和以上两者之和T Tq q=T=Trrrr+T+Tgrgr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图图1.9 晶闸管的动态过程（晶闸管的动态过程（P18）关断过程关断过程100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1.3

23、.2 晶闸管的特性晶闸管的特性第第2828页页通态损耗通态损耗 断态损耗断态损耗开通损耗开通损耗 关断损耗关断损耗图图1.10 晶闸管的动态过程及相应损耗晶闸管的动态过程及相应损耗晶闸管的损耗晶闸管的损耗静态损耗静态损耗动态损耗动态损耗1.3.2 晶闸管的特性晶闸管的特性第第2929页页1.额定电压UTN正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器件的额定电中较小的标值作为该器件的额定电压。压。 实际选用

24、时，额定电压要留有一定裕量实际选用时，额定电压要留有一定裕量, ,一般取额定电压为一般取额定电压为实际工作电路中可能承受到的正向阻断重复峰值电压实际工作电路中可能承受到的正向阻断重复峰值电压U UDRMDRM和反向和反向重复峰值电压重复峰值电压U URRMRRM的最大峰值电压的最大峰值电压, ,再取再取2 23 3倍的安全裕量倍的安全裕量. .第第3030页页 晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。工频正弦半波电流的最大平均值。2.

25、额定电流额定电流IT(A V)（P19）额定电流的计算方额定电流的计算方法法1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数t02Ti图图1.11 单相工频正弦半波单相工频正弦半波第第3131页页3.维持电流维持电流 IH 在室温与门极开路时在室温与门极开路时,使晶闸管维持导通所必需使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则结温越高，则IH越小。越小。4. 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，能维持导通所需的最小电流。后，能维持导通所需的最小电流。 对

26、同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍。倍。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数第第3232页页5.通态平均电压通态平均电压UT(A V) 当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均值。值。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数6.断态电压临界上升率断态电压临界上升率dudt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断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。电压上升率过大，使

27、充态到通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电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 第第3333页页7.通态电流临界上升率通态电流临界上升率didt 8.门极触发电流门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态指在规定条件下，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。管损坏。IGT是指在室温且阳极电压为是指在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通

28、所必需的最小门极电流。断到完全开通所必需的最小门极电流。 UGT是对应于门极触发是对应于门极触发电流时的门极触发电压。电流时的门极触发电压。 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数9.额定结温额定结温Tjm晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（器件内晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（器件内部）。部）。 第第3434页页1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFST)v包括快速晶闸管包括快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管，分别应用于，分别应用于400Hz400Hz和和10kHz10kHz以上的斩波或逆变电路中。以

29、上的斩波或逆变电路中。v开关时间以及开关时间以及d du u/d/dt t和和d di i/d/dt t耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。v普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管频晶闸管1010 s s左右左右。v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。v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。第第3535页页2. 双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional

30、triode thyristor）a)b)IOUIG=0GT1T2图图1.12 a) 1.12 a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性v可认为是一对反并联的可认为是一对反并联的普通晶闸管的集成。普通晶闸管的集成。v两个主电极两个主电极T T1 1和和T T2 2，一，一个门极个门极G G。v在第和第在第和第IIIIII象限有对象限有对称的伏安特性。称的伏安特性。v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。1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第第3636页页3. 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting Th

31、yristor RCT）b)a)UOIKGAIG=0图图1.13 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性v将晶闸管反并联一个将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。芯上的功率集成器件。v正向压降小、关断时正向压降小、关断时间短、高温特性好、间短、高温特性好、额定结温高等优点。额定结温高等优点。1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第第3737页页4. 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered Thyristor LTT）光强度强弱b)AGKa)OUAKIA图图1.14 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性v

32、又称光触发晶闸管，是又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。号触发导通的晶闸管。v光触发保证了主电路与光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大响。因此目前在高压大功率的场合。功率的场合。1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第第3838页页1.4 典型全控型器件典型全控型器件u门极可关断晶闸管门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。u2020世纪世纪8080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。u典型

33、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。第第3939页页1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGiant TransistorGTRGTR，Bipolar Bipolar Junction TransistorJunction TransistorBJTBJT），也称为），也称为Power BJTPower BJT。优点优点耐高压、大电流、耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等。和安全工作区宽等。

34、缺点缺点二次击穿、驱动功率大等。二次击穿、驱动功率大等。应用应用2020世纪世纪8080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IGBTIGBT和电力和电力MOSFETMOSFET取代。取代。第第4040页页1. 基本工作原理基本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。2. 结构结构 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单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元结构，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。1.4.1 电

35、力晶体管电力晶体管(GTR)第第4141页页图图1.15 GTR1.15 GTR内部结构和电气符号内部结构和电气符号 共发射极接法时共发射极接法时GTRGTR的静态特性的静态特性 截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer BUceo。 实际使用时，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。低得多。 通常规定为直流电流放大系数通常规定为直流电流放大系数hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对时所对应的应的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

36、多一点。 1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)第第4444页页6. 二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区(1) (1) 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，I Ic c迅速增大，出现雪崩击穿；迅速增大，出现雪崩击穿；只要只要I Ic c不超过限度，不超过限度，GTRGTR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。(2)(2)二次击穿二次击穿一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则I Ic c继续增大，继续增大，当达到某个临界点时，当达到某个临界点时，U Ucece会突然降低至一个小值

37、，同时导致会突然降低至一个小值，同时导致I Ic c急剧上升，这种现象称为二次击穿。急剧上升，这种现象称为二次击穿。二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏，必需避免。即导致器件的永久损坏，必需避免。1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)第第4545页页SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图1.17 的安全工作区的安全工作区(3) (3) 安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSafe Operating AreaSOASOA） 最高电压最高电压U UceMceM、集电、集

38、电极最大电流极最大电流I IcMcM、最大、最大耗散功率耗散功率P PcMcM、二次击、二次击穿临界线穿临界线P PSBSB限定。限定。1.4.1 电力晶体管电力晶体管(GTR)第第4646页页1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管特点特点用栅源电压来控制漏极电流用栅源电压来控制漏极电流u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。u开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。u热稳定性优于热稳定性优于GTRGTR。u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10kW10kW的电力电子装置的电力电子装置 。电力场效应晶体管

39、电力场效应晶体管(Power MOSFET)(Power MOSFET)分为结型和分为结型和绝缘栅型。通常主要指绝缘栅型场效应晶体管。结绝缘栅型。通常主要指绝缘栅型场效应晶体管。结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorStatic Induction TransistorSITSIT）第第4747页页主要用主要用N N沟道沟道、增强型增强型、绝缘栅型绝缘栅型。和微电子里的和微电子里的MOSMOS管管导电机理导电机理相同。相同。和微电子里的和微电子里的区别区别：前者是：前者是一次扩散一次扩散而成，后

40、者是而成，后者是二次二次扩散扩散而成，前者是而成，前者是横向导电型横向导电型，后者是，后者是垂直导电型垂直导电型。 1. 结构和工作原理结构和工作原理图图1.18 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N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-191.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管第第4848页页 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P P沟道沟道和和N N沟道。沟道。 按源漏极存在导电沟道时的栅极电压类型分为按源漏极存在导电沟道时的栅极电压类型分为耗尽型耗尽型和和增增强型。强型。 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之

41、间就存在导电沟道。当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型增强型对于对于N N（P P）沟道器件，栅极电压大于（小于）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。零时才存在导电沟道。 电力电力MOSFETMOSFET主要是主要是N N沟道增强型沟道增强型。MOSFETMOSFET的种类的种类1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管第第4949页页2.静态特性静态特性(注意和注意和GTR的区别，特别是饱和区的的区别，特别是饱和区的位置不同位置不同)图图1.19 a) 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性010203050402468a)10203050400b)1020

42、305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A漏极电流漏极电流I ID D和栅源间和栅源间电压电压U UGSGS的关系称为的关系称为MOSFETMOSFET的的转移特性转移特性。I ID D较大较大时，时，I ID D与与U UGSGS的的关系近似线性，曲线的关系近似线性，曲线的斜率定义为斜率定义为跨导跨导G Gfsfs。1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管第第5050页页截止区截止区（GTRGTR的截止区）的截止区）饱和区饱和区（GTRGTR的放大区）的放大区）非饱和区非饱和区（G

43、TRGTR的饱和区）的饱和区）工作在工作在开关状态开关状态，即在，即在截止区和非饱和区之间截止区和非饱和区之间来回转换。来回转换。漏源极之间有漏源极之间有寄生二极寄生二极管管，漏源极间加反向电，漏源极间加反向电压时器件导通。压时器件导通。通态电阻具有通态电阻具有正温度系正温度系数数，对器件并联时的均，对器件并联时的均流有利。流有利。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图图1.19 a) 转移特性转移特性 b) 输

44、出特性输出特性1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管第第5151页页3. 动态特性动态特性 图图1.20 1.20 a) a) 测试电路测试电路 b) b) 开关过程波形开关过程波形 RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfa) b)开通过程开通过程开通延迟开通延迟时间时间t td(on)d(on) 和上升时和上升时间间t tr r之和为之和为开通时间开通时间t tonon关断过程关断过程关断延迟关断延迟时间时间t td(off)d(off)和和下降时间下降时间t tf f之和为之和为关断时间关断时间t toff

45、off1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管第第5252页页 MOSFET MOSFET的开关速度和输入电容的开关速度和输入电容C Cinin的充放电有很大关系；的充放电有很大关系； 使用者无法降低使用者无法降低C Cinin，但可降低驱动电路内阻，但可降低驱动电路内阻R Rs s减小时间常减小时间常数，加快开关速度，所以选择数，加快开关速度，所以选择R RS S很关键（一般为几十欧姆）；很关键（一般为几十欧姆）； MOSFET MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速；程非常迅速； MOSFET MOSFET开关时间

46、在开关时间在1010100ns100ns之间，工作频率可达之间，工作频率可达100kHz100kHz以以上，是常用电力电子器件中最高的；上，是常用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。开关频率越高，对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。所需要的驱动功率越大。MOSFETMOSFET的开关特点：的开关特点：1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管第第5353页页4. 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数1)1) 漏源额定电压漏源额

47、定电压U UDSDS 电力电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额2) 2) 漏极额定电流漏极额定电流I ID D和漏极峰值电流和漏极峰值电流I IDMDM电力电力MOSFETMOSFET电流定额电流定额3) 3) 栅源电压栅源电压U UGSGS U UGSGS 20V20V将导致绝缘层击穿。将导致绝缘层击穿。 4) 4) 通态电阻通态电阻R Ron on 限制电力限制电力MOSFETMOSFET功率容量的主功率容量的主要因素。要因素。5) 5) 最大耗散功率最大耗散功率P PD D器件所能承受的最大发热功器件所能承受的最大发热功率。率。1.4.2 电力场效应晶体管电力场效应晶体管第第54

48、54页页1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 特点特点器件器件优点优点缺点缺点晶体管晶体管GTRGTR开关时间短、饱和压降低和开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽安全工作区宽 存在二次击穿、驱动功率较大、存在二次击穿、驱动功率较大、驱动电路复杂驱动电路复杂电力电力MOSFETMOSFET驱动电路简单、驱动功率小、驱动电路简单、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、输入阻抗高、热稳定性优良、输入阻抗高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽无二次击穿、安全工作区宽 电流容量小，耐压低，通态电阻电流容量小，耐压低，通态电阻大，只适用于中小功率电力电子大，只适用于中小功

49、率电力电子装置装置 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorInsulated-gate Bipolar TransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）集二者的优点于一身。集二者的优点于一身。19861986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导年投入市场，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，以期再取代器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。第第5555页页1. IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理图图1. 21 a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 简化等效电

50、路简化等效电路 c) 电气图形符号电气图形符号EGCN+N- -a)PN+N+PN+N+P+发发射射极极栅栅极极集集电电极极注注入入区区缓缓冲冲区区漂漂移移区区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb) )GCc) )三端器件：栅极三端器件：栅极G G、集电极、集电极C C和发射极和发射极E E1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第5656页页(1) (1) 结构结构vIGBTIGBT相当于一个由相当于一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区BJTBJT。vR RN N为晶体管基区内的为晶体管基区内的扩展电阻扩展电阻。vIGBTIGBT是以是以BJT

51、BJT为主导元件，为主导元件，MOSFETMOSFET为驱动元件的为驱动元件的达林顿结构器件达林顿结构器件。v图图1.22a1.22a是是N N沟道沟道MOSFETMOSFET与与BJTBJT组合组合N N沟道沟道IGBTIGBT。EGCN+N- -a)PN+N+PN+N+P+发发射射极极 栅栅极极集集电电极极注注入入区区缓缓冲冲区区漂漂移移区区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb) )GCc) )图图1. 21 a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 简化等效电路简化等效电路 c) 电气图形符号电气图形符号1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第575

52、7页页(2)(2)工作原理工作原理 驱动原理驱动原理与电力与电力MOSFETMOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射基本相同，场控器件，通断由栅射极间电压极间电压u uGEGE决定。决定。v导导通通：u uGEGE大于开启电压大于开启电压U UGE(thGE(th) )时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，为晶内形成沟道，为晶体管提供基极电流，体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。v通态压降通态压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻R RN N减小，使通态压降减小。减小，使通态压降减小。v关断：关断：栅射极间施加反压或不加信号时，栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET

53、MOSFET内的沟道消内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，失，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第5858页页静态特性静态特性2. 基本特性基本特性图图1. 22 a) 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性O有源区有源区正向阻断区正向阻断区饱饱和和区区反向阻断区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第5959页页动态特性动态特性开通过程开通过程与与MOSFETMOSFET相似相似开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on) 电

54、流上升时间电流上升时间t tr r 开通时间开通时间t tononu uCECE的下降过程分为的下降过程分为t tfu1fu1和和t tfu2fu2两段。两段。 t tfu1fu1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET单单独工作的电压下降过程；独工作的电压下降过程； t tfu2fu2MOSFETMOSFET和和PNPPNP晶体晶体管同时工作的电压下降过管同时工作的电压下降过程程。图图1. 23 IGBT的动态特性的动态特性ttt10%10%90%90%10%10%90%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfu1tfu2tofftontfi1tfi2td(off)tftd

55、(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第6060页页图图1. 23 IGBT的动态特性的动态特性ttt10%10%90%90%10%10%90%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM 关断延迟时间关断延迟时间t td(offd(off） 电流下降时间电流下降时间t tf f 关断时间关断时间t toffoff 电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为t tfi1fi1和和t tfi2fi2两段。两段。

56、t tfi1fi1IGBTIGBT器件内部的器件内部的MOSFETMOSFET的关断过程的关断过程，i iC C下降较快。下降较快。t tfi2fi2IGBTIGBT内部的内部的PNPPNP晶体管的关断过程晶体管的关断过程，i iC C下降较下降较慢。慢。IGBTIGBT的关断过程的关断过程1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第6161页页正常工作温度下允许的最大功耗 。(3) 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (2) 最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1) 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES3.

57、 主要参数主要参数1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第6262页页IGBTIGBT的特性和参数特点总结如下：的特性和参数特点总结如下：开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比相同电压和电流定额时，安全工作区比GTRGTR大，且具有耐大，且具有耐脉冲电流冲击能力。脉冲电流冲击能力。通态压降比电力通态压降比电力MOSFETMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似。类似。与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时

58、保持开关频率高的特点同时保持开关频率高的特点 。1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第6363页页4. 擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应动态擎住效应动态擎住效应比比静态擎住效应静态擎住效应所允许的集电极电流小。所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制擎住效应曾限制IGBTIGBT电流容量提高，电流容量提高，2020世纪世纪9090年代中后年代中后期开始逐渐解决。期开始逐渐解决。NPNNPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P P型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对对J J3 3

59、结施加正偏压，一旦结施加正偏压，一旦J J3 3开通，栅极就会失去对集电开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。极电流的控制作用，电流失控。1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第6464页页最大集电极电流最大集电极电流I Icpcp、最大集射极间电压、最大集射极间电压U UCESCES和最和最大允许电压上升率大允许电压上升率duduCECE/dt/dt确定。确定。反向偏置安全工作区（反向偏置安全工作区（RBSOARBSOA）最大集电极电流最大集电极电流I Icpcp、最大集射极间电压、最大集射极间电压U UCESCES和最大和最大集电极功耗集电极功耗P PCMCM确定。确

60、定。正向偏置安全工作区（正向偏置安全工作区（FBSOAFBSOA）5.安全工作区安全工作区1.4.3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管第第6565页页1.5 其他全控型电力电子器件简介其他全控型电力电子器件简介1.1.门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO 高电压、大电流双极全控型器件。高电压、大电流双极全控型器件。 反向电流大，控制复杂、控制功率较大。反向电流大，控制复杂、控制功率较大。 适用于大功率场合。适用于大功率场合。 2.2.静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT 多子导电，工作频率与电力多子导电，工作频率与电力MOSFETMOSFET相当，甚至更高，功率相当，甚至更高，功率