第二章电力电子器件

1、电力电子器件电力电子器件第第2 2章章电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类分为以下三类： 1)1)半控型器件半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）不可控器件不可控器件电力二极管（Power Diode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的

2、关断由其在主电路中承受的电压和电流决定全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断, 不需要驱动电路。 按加在器件控制端和公共端之间的驱动信号性质：按加在器件控制端和公共端之间的驱动信号性质： 按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电情况：按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电情况： 1) 电流驱动型电流驱动型 1) 单极型器件单极型器件电力电子器件的分类电力电子器件的分类2) 电压驱动型电压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控制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 2) 双极型器件双极型器件3)

3、 复合型器件复合型器件由一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由单极型器件和双极型器件集成混合而成 功率电力二极管功率电力二极管1.1.1 工作原理及结构工作原理及结构1.1.2 功率二极管的基本特征功率二极管的基本特征1.1.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.1.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 2.1外形、结构图外形、结构图 2.1.1AKAKa)IKAPNJb)c)N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结结图1-3 PN结的形成PNPN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 2.1.1 扩散运动和漂移运动

4、最终达到动态平衡，正、负扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为电荷构成的范围，被称为空间电荷区空间电荷区，按所强调的，按所强调的角度不同也被称为角度不同也被称为耗尽层、阻挡层耗尽层、阻挡层或或势垒区势垒区。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场 交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带，

5、到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为负电荷称为空间电荷空间电荷。 空间电荷建立的电场被称为空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场内电场或自建电场，其方向是阻止，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。 扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定

6、的由空间电荷构成的范围，被称达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层耗尽层、阻挡层或势垒区或势垒区。 PN结外加正向电压（正偏），即正接结外加正向电压（正偏），即正接P区，负接区，负接N区，外加电场与区，外加电场与PN结自建电场方向相反，使得多结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上形成自在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上形成自P区流入区流入N区的电流，称为正向电流区的

7、电流，称为正向电流IF。 当外加电压升高时自建电场进一步被削弱，扩散当外加电压升高时自建电场进一步被削弱，扩散电流进一步增加。这就是电流进一步增加。这就是PN结的正向导通，当流过结的正向导通，当流过正向电流较小时，二极管的电阻主要是低掺杂正向电流较小时，二极管的电阻主要是低掺杂N 区区的欧姆电阻，其阻值较高且为常数。的欧姆电阻，其阻值较高且为常数。 工作原理及结构工作原理及结构2.1.1 电导调制效应电导调制效应当当PN结上流过的正向电流较大时，注入并结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大。为了维持半导体的区的少子空穴浓度将很大。为了维持半导体的中性条

8、件，其多子浓度（即电子浓度）也相应大幅度增加，中性条件，其多子浓度（即电子浓度）也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加。使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加。 电导调制效应电导调制效应使得使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，约结在正向电流较大时压降仍然很低，约0.71V左右。即流过二极管的电流增大时，其内阻由于电导左右。即流过二极管的电流增大时，其内阻由于电导调制效应，反而减小，从而维持端电压基本不变。调制效应，反而减小，从而维持端电压基本不变。 当当PN 结外加反向电压时外加电场与结外加反向电压时外加电场与PN结自建电场方向相同，结自建电场方向相同，使少子的漂

9、移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，但使少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，但由于少子的浓度很低，故反向电流很小，一般只为微安数量由于少子的浓度很低，故反向电流很小，一般只为微安数量级。故反向偏置时，级。故反向偏置时，PN结呈现高阻态，几乎无电流流过，称结呈现高阻态，几乎无电流流过，称为截止状态。为截止状态。正向偏置反向偏置电导调制效应不符合欧姆定律 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（伏安特性）静态特性（伏安特性）工作原理及结构工作原理及结构2.1.1电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU 当正向电压大到一定值（当正向电压大到一定值（门槛电门槛电压压U

10、 UTOTO），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。 与正向电流与正向电流I IF F对应的电力二极管对应的电力二极管两端的电压两端的电压U UF F即为其正向电压降。即为其正向电压降。 当承受反向电压时，只有少子引当承受反向电压时，只有少子引起的微小的反向（漂移）漏电流起的微小的反向（漂移）漏电流。2. 2. 动态特性动态特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.2.2动态特性动态特性开关特性开关特性 反映通态和断态之间的转换过程 因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置、反向偏置这三种状态之间的转换必然有一个过渡过程， PN结的

11、一些区域需要一定的时间调整其带电状态，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。 这就是功率二极管的动态特征。电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 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： 下降时间与延迟时间下降时间与延迟时间 的比值的比值Sr tf /td，（恢复系数），（恢复系数）2.2.2a)正向偏转换为反偏正向偏转换为反偏 当原处于正向导通状态的电当原处于正向导通状态的电力二极管外加电压突然由正向力二极管外加电压突然由正向变为反向时，并不能及时关断，

12、变为反向时，并不能及时关断，须经过一段短暂的时间才能重须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截新获得反向阻断能力，进入截止状态。止状态。 在关断之前有较大的反向电在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。电压过冲。关断过程关断过程：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：电力二极管的正向压降先出现一个过电力二极管的正向压降先出现一个过冲冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。这一动态过程时间被压降的某个值。这一动态过程时间被称为正向恢复时间称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需

13、一定的时间来电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感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，而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高越高 。2.2.2b) 零偏转换为正向偏置零偏转换为正向偏置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(A V) 额定电流额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电最大工频正弦半波电流的平均值流的平均值正向平均电流是按照电流的发热效应来定义，因此使用时应按

14、有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 2.1.32. 正向压降正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3. 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通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定 电力二极管的主要参数电力二极管的主要

15、参数2.1.34. 最高工作结温最高工作结温TJM结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。5. 反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= （延迟时间）（延迟时间）td+ （电流下降时间）（电流下降时间）tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。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的过电流。 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.1.3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、反向漏电流等性能。

16、在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。普通二极管普通二极管（General Purpose Diode） 如： IN4007 IN5408 又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2.1.42. 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.1.4恢复过程很短特别是反

17、向恢复过程很短（5 s以下）的二极管，也简称快速二极管。 如：FR107 MUR840工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构 采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。 如HFA25TB60 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 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

18、础的二极管称为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（肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 20世纪世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路 中广泛应用中广泛应用肖特基二极管的弱点肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此 多用于多用于200V以下以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略， 而且必须更严格地限制其工作温度而且必须更严格地

19、限制其工作温度电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.1.4肖特基二极管的肖特基二极管的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在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 如： IPS59SB20 40V/0.5A IPS74SB23 40V/1A PBYL1025 25V/10A 1N5819 40V/1A 2.1.4电力二

20、极管的主要类型电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 例1 设流过电力二级管的电设流过电力二级管的电流波形如图流波形如图11所示，所示，其最大值为其最大值为Im，试求各，试求各流形的电流平均值流形的电流平均值Id，有效值有效值I和波形系数和波形系数KF.2.1.42.1.4Id= I= 波形系数KF=I/Id=2.221222pwwpppItdtImmsin() =122 222pwwpp(sin)()ItdtImm=100A的二级管所能送出的平均电流 ID=157707KAFa=.半控器件半控器件晶闸管晶闸管 2.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2

21、.2.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.2.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.2.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.2半控器件半控器件晶闸管晶闸管图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2.2晶闸管晶闸管（Thyristor）、可控硅整流器（SCR）外形有螺栓型和平板型两种封装快速晶闸管，逆导晶闸管，门极可关断晶闸管，双 向晶闸管，光控晶闸管等，下面我们讨论普通晶闸 管BT151，MCR100-6.AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 Ic1=1 IA + ICBO1 Ic2=2 IK + ICBO2

22、 IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2 式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。 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) 工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2.2.1)(121CBO2CBO1G2A+-+=IIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 晶闸管可以用正反馈下的PNP和NPN晶体管表示。 门极电流IG被注入晶体管T2的基极，则产生放大集电极电流IC2，IC2成为T1的基极电流，放大了IC1，从而使IB2IGI

23、C1增大，导致IC2进一步增加，ICC1也进一步增加，形成了正反馈，最后T1和T2完全饱和，晶闸管仍能维持导通。普通晶闸管即使加负的门极电流也不能使其关断。 晶闸管可以通过门极使其开通，而不能使其关断，是半控型器件。2.2.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的特性是：晶闸管的特性是：在低发射极电流下 很小，当发射极电流建立起来之后， 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大于两个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）：开通（门极触发）：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1，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）趋近于无穷大，实现

24、饱和导通。IA实际由外电路决定。晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2.2.1晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1. 静态特性静态特性晶闸管正常工作时的特性如下： 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。 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。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。1) 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 。2.2.2晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 第第I象限的是正向特性象限的是正向特性 第第III象限的是反向特性象限的是反向特性图2-9 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2

25、.2.2正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1) 1) 正向阻断状态：正向阻断状态：Uak加正压，门极电流为零时，加正压，门极电流为零时，J2结反向偏置，承受电压（结反向偏置，承受电压（Uak ），器件），器件不导通。不导通。如果门极电流为零，且阳极电压如果门极电流为零，且阳极电压Uak上升速度较小，在最大转折电压以下上升速度较小，在最大转折电压以下时晶闸管处于正向阻断状态。当时晶闸管处于正向阻断状态。当Uak达到达到相应转折电压时，使相应转折电压时，使J2结击穿，晶闸管结击穿，晶闸管进入导通状态。这种击穿具有破坏性。进入导通状

26、态。这种击穿具有破坏性。随着门极电流的增大，正向电随着门极电流的增大，正向电压减小，最后在压减小，最后在IG处，器件相当于二极处，器件相当于二极管导通特性。压降为管导通特性。压降为1V。晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.2.2正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2) 反向阻断状态反向阻断状态 当当Uak为负电压时同为负电压时同J1，J3结反向结反向偏置，主要由偏置，主要由J1结承受反压，器件不结承受反压，器件不导通。当导通。当Uak超过反向击穿。超过反向击穿。晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性晶闸

27、管的基本特性2.2.2正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM3）触发导通）触发导通如果晶闸管阳极电压如果晶闸管阳极电压Uak为正值，为正值，且注入足够的门极电流，从而使器且注入足够的门极电流，从而使器件进入饱和导通，称为晶闸管的触件进入饱和导通，称为晶闸管的触发导通。发导通。（4）关断）关断 维持电流维持电流IH：是指晶闸管稳定导通之后，逐渐减小通：是指晶闸管稳定导通之后，逐渐减小通过器件的阳极电流过器件的阳极电流IA，仍能维持住导通状态不变的最小阳，仍能维持住导通状态不变的最小阳极电流。维持电流大小为接近于零。当极电流。维持电流

28、大小为接近于零。当IA减小到减小到IH以下时，以下时，晶闸管就维持不住导通，而进入阻断状态。晶闸管就维持不住导通，而进入阻断状态。 在导通期间，如果要求器件返回到正阻断状态必须使在导通期间，如果要求器件返回到正阻断状态必须使门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下，并保持一段时间。称为自然关断。临界极限值以下，并保持一段时间。称为自然关断。也可以通过加一反向电压，即也可以通过加一反向电压，即Uak 0, 并保持一段时并保持一段时间使其关断，称为强迫关断。在实际电路中是采用阳极电间使其关断，称为强迫关断。在实际电路中是采用

29、阳极电压反向，减小阳极电压或增大电路阻抗等方式，使阳极电压反向，减小阳极电压或增大电路阻抗等方式，使阳极电流小于维持电流，晶闸管关断。流小于维持电流，晶闸管关断。2. 动态特性动态特性图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.2.3100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 由于晶闸管的内部由于晶闸管的内部正反馈过程需要时间，正反馈过程需要时间，再加上外电路电感限制。再加上外电路电感限制。晶闸管受到触发后，其晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能阳极电流的增长不可能瞬时的。瞬时的。晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性晶闸管的

30、基本特性2.2.3100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA （1）开通过程）开通过程:延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%的时间。开通时间开通时间tgt: tgt=td+ tr普通晶闸管延迟时间为普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为，上升时间为0.53.0S。 延迟时间随门极电流的增大而减小。延迟时间随门极电流的增大而减小。 和阳极电压的大小有关。提高阳极电压可以增大晶体管和阳极电压的大小有关。提高阳极电压可以增大晶体管T2 的电流增益。加速正反馈、

31、缩短开通时间。的电流增益。加速正反馈、缩短开通时间。 还受到外电路电感的严重影响。还受到外电路电感的严重影响。（2）关断过程）关断过程 处于导通状态的晶闸管处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为当外加电压突然由正向变为反向时，由于外电路电感的反向时，由于外电路电感的存在，其阳极电流衰减必然存在，其阳极电流衰减必然也是有过渡过程的。也是有过渡过程的。 阳极电流将逐步衰减到阳极电流将逐步衰减到零，然后同二极管的关断过零，然后同二极管的关断过程类似，在反方向会流过反程类似，在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值向恢复电流，经过最大值IRM后，再反方向衰减。后，再反方向衰减。晶闸管的开通和关断过

32、程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。 应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力。 关断时间关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr 约几百微秒约几百微秒普通晶闸管的关断时间约为几百S。所以在开关在开关损耗中，损耗中，关断损耗占主要部分关断损耗占主要部分

33、。1. 电压定额电压定额晶闸管的主要技术参数晶闸管的主要技术参数 2.2.4 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。 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。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。1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM3) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM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，额定电压要留有一定裕量裕量,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。2. 电流定额电流定额晶闸管的主要

34、参数晶闸管的主要参数 2.2.4 晶闸管在环境温度为40C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最大工频正弦半波电最大工频正弦半波电流的平均值流的平均值。标称其额定电流的参数。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。结温越高，则IH越小。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对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。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 。 4) 浪涌电流浪涌电流ITSM 3) 擎住电流擎住电流 IL 2) 维持电流维持电流 IH 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值

35、相等的原有效值相等的原则则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.52倍。 1) 通态平均电流通态平均电流 IT(AV) 3. 动态参数动态参数晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.2.4 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，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 。 (2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/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换的外加电压最大上升率。在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位

36、移电位移电流流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 双向可控晶闸管： 用于电阻炉调功 MOS管： 用于开关电源 IGBT： 用于UPS和变换器功率晶体管GTR： 用于电子镇流器2.2.5双向晶闸管双向晶闸管2.2.6 双向晶闸管 把两个并联的晶闸管集成在同一硅片上，同一个门极控制触发的组件，这种结构使它能在电路中双方向导通，可替代交流接触器在电气领域用于交流调压，交流调功，成为无触点开关。 如BTA204C 4A/600V双向晶闸管

37、双向晶闸管 双向晶闸管是单端控制双向工作（工作在1、3象限）器件。 （具体原理在T2和T1之间加高电压，控制电压加在T2和G间）2.2.6 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典型全控型器件典型全控型器件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。 典型全控型器件典型全控型器件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2.2.7 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。 可以通过在门极施加负的脉冲电流

38、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）2.2.7 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管结构结构： 与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 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。图2-14 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c)图1-13AGKGGKN1P1

39、N2N2P2b)a)AGK2.2.7 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 工作原理工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 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 。2.2.7 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如下区别区别： 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏

40、，使GTO易于关断。 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，能从门极反向抽出较大电流。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )图 晶闸管的工作原理2.2.7 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 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。多元集成结构有利于关断，还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。 由上述分析我们可以得到以下结论结论：2.2.7 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管开通过程开通过

41、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 GTO的动态特性的动态特性2.2.7 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 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

42、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。2.2.7 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（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）GMATOof

43、fII=电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR） 2.3.1 GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 2.3.2 GTR的基本特性的基本特性 2.3.3 GTR的主要参数的主要参数2.3术语：术语： 电力晶体管（Giant TransistorGTR，巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） 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2.31. 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)

44、 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动电力晶体管电力晶体管2.3.1图1-15a)基极 bP基区N漂移区N+衬底基极 b 发射极 e集电极 cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib 双极型功率晶体管简称为功率晶体管，也称电力晶体管， 是由三层半导体（两个PN结）构成的，一般为NPN结构（PNP耐压低些）。2. GTR的基本特性的基本特性 (1) 静态特性静态特性截止区截止区：又称阻断区，特征类：又称阻断区，特征类似于开关处于断态的情况，似于开关处于断态的情况，该区对应于该区对应于Ib=0的条件，的条件，GTR承受高电压而仅有极

45、承受高电压而仅有极小的漏电流存在。此时集小的漏电流存在。此时集电结处于反偏状态，发射电结处于反偏状态，发射结偏压为结偏压为0。即：。即：VBE0，V B C 0 或或 V B C 0 ，VBE=0 图2-17 共发射极接法时GTR的输出特性电力晶体管电力晶体管2.3.2截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib20，VBE0）。）。失控区失控区：当当VCE超过一定值的时候，超过一定值的时候，ic会急剧上升，出会急剧上升，出现非线性，晶体管进入失控区。现非线性，晶体管进入失控区。VCE再进一步增加，会再进一步增加，会导致雪崩击穿，并产生二次击穿现象。导致雪崩击穿，并产生二次击穿现象。

46、GTRGTR为电流驱动型器件为电流驱动型器件，驱动功率较大，但饱和压，驱动功率较大，但饱和压降较小，一般应用在降较小，一般应用在30-40khz以下工作频率范围内。以下工作频率范围内。GTR器件具有器件具有电导调制效应电导调制效应。 功率晶体管在以往介绍的模拟电路中工作在放大区，但在电力电子线路中，主要工作在开关状态，即截止区和饱和区。这是主要区别。 2.3.1(2) 动态特性动态特性开通过程开通过程开通时间：加上开通信开通时间：加上开通信号时刻起到集电极电流号时刻起到集电极电流上升到最大值的上升到最大值的90%所所需要的时间。需要的时间。Ton=Td+Trtd主要是由发射结势垒主要是由发射结

47、势垒电容和集电结势垒电容电容和集电结势垒电容充电产生的。增大充电产生的。增大ib的的幅值并增大幅值并增大dib/dt，可，可缩短延迟时间，同时可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加缩短上升时间，从而加快开通过程快开通过程 。图2-18 GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管电力晶体管2.3.2ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd关断过程关断过程关断时间：关断时间： 从加关断信号从加关断信号 时刻区，时刻区，晶体管由饱和状态经放大状晶体管由饱和状态经放大状态再到截止状态所需时间称态再

48、到截止状态所需时间称为关断时间。关断时间为关断时间。关断时间toff由存储时间由存储时间ts和下降时间和下降时间tf两部分组成。即两部分组成。即 toff=ts+tf。 GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管电力晶体管2.3.2ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd 双极型晶体管的开通时间ton约为50-500ns，关断时间toff约为500-2000ns。 缩短存储时间ts是降低晶体管开关损耗的主要因素。 减小导通时的饱和深度可缩短存贮时间,但它同时会使集电极和发射极的饱和导通压降Uces增加

49、，从而增大通态损耗，这是一对矛盾。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多.2.3.2电力晶体管电力晶体管3. GTR的主要参数的主要参数 电流放大倍数电流放大倍数 、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、集射极间饱和压降和压降Uces、耐压、开通时间、耐压、开通时间ton和关断时间和关断时间toff 。 1) 最高工作电压最高工作电压 BUcbo-发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压。发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压。 BUceo-基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。基极开路时集电极和发射极间的击穿电压。 BUcer

50、 BUces 发射极与基极电阻连接或短路连接的击穿电压。发射极与基极电阻连接或短路连接的击穿电压。 BUcex-发射结反向偏置时集电极和发射极之间的击穿电压发射结反向偏置时集电极和发射极之间的击穿电压 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo 实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。低得多。2.3.3 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流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的一半以下。的一

51、半以下。 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中给产品说明书中给PcM时同时给出壳温时同时给出壳温TC，间接表示了最，间接表示了最高工作温度高工作温度 。 PcM跟散热条件和环境温度有关。跟散热条件和环境温度有关。 4）开通时间开通时间ton=td+tr 5）关断时间关断时间toff=ts+tf电力晶体管电力晶体管2.3.32.3.3 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，Ic迅速增大。 只要Ic不超过限度，GTR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，Ic突然急

52、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 。 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、二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图2-19 GTR的安全工作区 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电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFETMOSFET） 2.4.1 电力场效应晶体管结构特点电力场效应晶体管结构特点 2.4.2 电力电力MOSFET的基本特性的基本特性 2.4.3 主要工作参数及动

53、态特性主要工作参数及动态特性2.42.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型,主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOSMOS型型 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 按导电沟道可分为P沟道沟道和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电沟道。 增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。 特点特点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。 开关速度快，工作频率高。 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10kW的电力电子

54、装置 。 电力电力MOSFET的结构的结构电力场效应晶体管结构特点电力场效应晶体管结构特点2.4.1图2-20 电力MOSFET的结构和电气图形符号N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-1三端器件：栅极G、漏极D和源极Su小功率MOS管是横向导电器件。u电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。u按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。1功率功率MOSFET大多采用

55、竖直沟道双扩散型结构，在大多采用竖直沟道双扩散型结构，在N+衬衬底上的底上的N-型外延层中，用双扩散技术，先形成型外延层中，用双扩散技术，先形成P沟道区，再沟道区，再形成形成N型源区。型源区。2导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电。（如导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电。（如N型型MOS，多子是电子），多子是电子）3通常一个通常一个VDMOS管是由许多元细胞并联而成。（一个管是由许多元细胞并联而成。（一个40A的管子由上万个单元并联而成），它是一种功率集成器的管子由上万个单元并联而成），它是一种功率集成器件。件。结构特点结构特点2.4.14电力电力MOSFET也是多元集成结构，一

56、个器件由也是多元集成结构，一个器件由许多个小许多个小MOSFET元组成。元组成。 国际整流器公司（国际整流器公司（International Rectifier）的）的HEXFET采用采用了六边形单元了六边形单元 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 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“品品”字形排列字形排列 5栅极与基片之间隔者栅极与基片之间隔者SiO2薄层，因此它同其它薄层，因此它同其它两个极之间是绝缘的，只要两个极之间是绝缘的，只要SiO2层不被击穿，栅层不被击穿，栅极对

57、源极之间的阻抗是非常高的，因此驱动电流极对源极之间的阻抗是非常高的，因此驱动电流较小。较小。结构特点结构特点2.4.1 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理 N沟道沟道VDMOS在使用时，源极接负端，即在使用时，源极接负端，即VDS0。栅极。栅极相对源极接正电压时，相对源极接正电压时，VGS0,N+源区与源区与N-之间会将之间会将P型型区中线表层的空穴排出。而将电子吸引到此区域，当区中线表层的空穴排出。而将电子吸引到此区域，当VGS达到一定正电压时，此区域反型成为达到一定正电压时，此区域反型成为N型，形成型，形成N型型导电沟道，将源极与漏极连通，形成电子流。电子从源导电沟道，将源极与漏极连

58、通，形成电子流。电子从源区经此水平沟道流入区经此水平沟道流入N外延层后，即在漏外延层后，即在漏-源电压的驱使源电压的驱使下，向漏极竖直漂移，形成漏极电流。下，向漏极竖直漂移，形成漏极电流。图2-20 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.1N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图2-21 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2. 电力电力MOSFET的基本特性的基本特性电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.4.201020305040图1-202468a)10203050400b)10 20 3

59、05040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A1) 静态特性静态特性 1当栅极电压当栅极电压VGS小于小于阈值电压时，阈值电压时，VDMOS处于处于截止状态截止状态,阈值为阈值为2-4V。 2为保证器件导通进入欧为保证器件导通进入欧姆工作区，姆工作区，VGS要足够大。要足够大。当当VDMOS管充分导通进入管充分导通进入欧姆工作区时，它就象一欧姆工作区时，它就象一个电阻，输出电流个电阻，输出电流ID随电随电压压VDS线性改变。线性改变。 3功率功率MOSFET是电压型是电压型驱动器件，驱动功率小

60、，驱动器件，驱动功率小，开关速度快，导通时呈阻开关速度快，导通时呈阻性。故目前大量应用于性。故目前大量应用于20khz以上电路中。以上电路中。 4实际使用时，实际使用时，MOS管工管工作在截止区和欧姆工作区作在截止区和欧姆工作区(也称非饱和区也称非饱和区)两个状态。两个状态。主要工作参数及动态特性主要工作参数及动态特性1漏源电压漏源电压BVDS 漏极电压漏极电压VDS这是标称电力这是标称电力MOSFET电压额定的参数，它主要由电压额定的参数，它主要由VMOS管的漏极击穿电压管的漏极击穿电压BVDS决定，而决定，而BVDS又是又是J1结的反偏电压结的反偏电压极限值。极限值。BVDS随温度而变化，