电力电子器件及应用

1、业精于勤荒于嬉,行成于思毁于随！精品文档，欢迎你阅读并下载！电力电子器件及应用 .#; 电力电子技术 第一章电力电子器件及运用 1 .#; 1.1电力电子器件概述 一、电力电子器件的分类遵照器件的控制能力分为下列三类： 半控型器件：晶闸管（ThyristororSCR）及其大部分派生器件其特点是：操纵极只能操纵器件导通，不克不及操纵关断。 全控型器件：IGBT、MOSFET、GTO、GTR其特点是：操纵极能够操纵器件导通以及关断。 没有可控器件：二极管(PowerDiode) 2 .#; 1.1电力电子器件概述 遵照器件操纵旌旗灯号特点分为两类： 电流驱动型经过从操纵端注入或抽出电流来完成导通

2、或关断的操纵，如SCR、GTR、GTO 电压驱动型仅经过正在操纵端以及大众端之间施加未必的电压旌旗灯号就可完成导通或关断的操纵，其本质是经过加在操纵端上的电压正在器件的两个主电路端子之间发生可控的电场来改动流过器件的电流巨细以及通断形态，以是又称为场控器件，或者场效应器件，如IGBT、MOSFET 3 .#; 1.1电力电子器件概述 遵照器件外部载流子介入导电的状况分为三类： 单极型器件由一种载流子介入导电的器件，如MOSFET双极型器件由电子以及空穴两种载流子介入导电的器件， 如SCR、GTR、GTO复合型器件由单极型器件以及双极型器件集成混杂而成的器 件，如IGBT 4 .#; 1.1电力

3、电子器件概述 二、电力电子器件的正常任务特点：（1）电力电子器件正常都任务正在开关形态；（2）电力电子器件常常需求由信息电子电路来操纵 驱动电路、控制电路；（3）任务时因为通态消耗、开关损耗等引发发烧，正在 其任务时正常都要思索散热设想或者装置散热器。 5 .#; 1.1电力电子器件概述 三、本章重点 （）电力电子器件功率二极管（快规复管、肖特基管）晶闸管（SCR）电力晶体管（GTR）功率场效应晶体管（P-MOSFET）绝缘栅双极型复合晶体管（IGBT） （）电力电子器件的运用技巧典范器件的驱动特性及请求缓冲电路的构造与设想要领 6 .#; 1.1电力电子器件概述 器件学问重点： 认识器件动态

4、特征、静态特征，控制器件开关操纵的基础要领，竖立动态消耗、静态消耗、器件平安任务区的观点，开端控制器件的运用挑选 器件运用技巧重点： 明白配置驱动电路的缘由、罕用驱动电路技巧；配置缓冲汲取电路的缘由、缓冲汲取电路基础构造、运用设想要领。 7 .#; 1.2功率二极管 1.2.1功率二极管的重要范例1.2.2功率二极管的基础特征1.2.3功率二极管的主要参数 8 .#; 1.2.1功率二极管的重要范例 1.一般二极管（GeneralPurposeDiode） 又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频次不高（1kHz下列）的 整流电路中其反向恢复时候较长，正常正在5s以上，这正在

5、开关频次 不高时并没有主要正向电流定额以及反向电压定额能够到达很高，离别可达 数千安和数千伏以上 9 .#; 1.2.1功率二极管的重要范例 2.倏地规复二极管（FastRecoveryDiodeFRD） 从功能上可分为倏地规复以及超倏地规复两个品级。前者反向恢复时候为数百纳秒或者更长，后者则正在100ns下列，以至到达2030ns。 分为PN结型构造以及PIN构造两种。接纳内涵型PIN构造的的倏地规复内涵二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），其反向恢复时候对照短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V阁下），但其反向耐压多正在1200V下列。 10 .

6、#; 1.2.1功率二极管的重要范例 3.肖特基二极管 以金属以及半导体打仗构成的势垒为基本的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD），简称为肖特基二极管 20世纪80年月以来，因为工艺的开展得以正在电力电子电路中广泛应用 肖特基功率二极管结构图 11 .#; 1.2.1功率二极管的重要范例 肖特基二极管的长处 反向恢复时候很短（1040ns）正向规复历程中也不会有较着的电压过冲正在反向耐压较低的状况下其正向压降也很小（正常10.5V左 右），较着低于倏地规复二极管（正常1V阁下）其开关损耗以及正导游通消耗都比倏地二极管还要小，效率高 肖特基二极管的缺点 当

7、反向耐压普及时其正向压降也会高得不克不及满足要求，是以多用于200V下列 反向漏电流较大且对于温度敏感，是以反向稳态消耗不克不及疏忽，并且必需更严厉地制约其工作温度 12 .#; 1.2.1功率二极管的重要范例 功率二极管封装构造 从形状上看，重要有螺栓型以及平板型两种封装 AK A K PN I J b) A c) 电力二极管的形状、构造以及电气图形符号a)形状b)构造c)电气图形符号 K 13 .#; 1.2.2功率二极管的基础特征 1.动态伏安特征 拥有单向导电性 正偏时：二极管导通，通态压降1V阁下。 通态消耗：PFUFIF反偏时： （表现形式为发烧） 正在到达击穿电压前，仅有很小的反

8、向漏电流流过。 正在到达击穿电压后，反向电流急剧增长。 14 .#; 1.2.2功率二极管的基础特征 功率二极管的动态伏安特征 15 .#; 1.2.2功率二极管的基础特征 2.功率二极管的静态特征 因结电容的存在，开与关形态之间的转换幸免有一个过渡历程，此历程中的电压电流特征是随时候变更的。静态特征（开关特征）反应通态以及断态之间的转换历程。 注明：功率二极管守旧时候很短，正常能够忽略不计，但二极管的关断历程较庞杂，对于电路的影响不克不及无视。 16 .#; 1.2.2功率二极管的基础特征 关断历程：导通形态的二极管关断须通过一个 长久的反向恢复历程能力进入停止 形态；正在规复历程中有较大的

9、反向 电流涌现，并随同有较着的反向电 压过冲，如左图。 延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf=t2-t1 反向恢复时候：trr=td+tf 规复特征的软度：下降时间与延迟时间的比值 tf美丽美丽td，或称恢复系数，用Sr默示。关断消耗：一个开关周期内关断历程发生的 消耗： Poff 1T t2tF uFiF dt 正向偏置转换为反向偏置 个中：T为开关周期 17 .#; 1.2.2功率二极管的基础特征 守旧历程：功率二极管的正向压降先涌现一个过冲UFP，通过一段时间才趋于亲近稳态压降的某个值（如2V）。这一静态历程时候被称为正向规复时候tfr，守旧历程电压与电流的乘积构成守旧消耗：

10、Pon 1T tfr0 uFiFdt 个中：T为开关周期 零偏置转换为正向偏置 18 .#; 1.2.2功率二极管的基础特征 注重： 二极管守旧、关断均有个历程，需求未必的时候，正在此静态历程中二极管的单向导电性能没有典范，正向显示高阻（稳态时显示为低阻），反向显现低阻（稳态时显示为高阻）,开关静态历程发生静态消耗，当静态时候与工作频率决意的开关周期附近时，二极管不克不及一般整流，消耗很大。 19 .#; 1.2.3功率二极管的主要参数 1.正向均匀电流IF(AV) 额定电流正在指定的管壳温度（简称壳温，用TC默示）以及散热前提下，其同意流过的最大工频正弦半波电流的平均值 正向均匀电流是遵照电

11、流的发热效应来界说的，是以运用时应按有效值相称的准绳来拔取电流定额，并应留有未必的裕量。 当用正在频次较高的场所时，开关损耗形成的发烧常常不克不及疏忽 当接纳反向漏电流较大的功率二极管时，其断态消耗形成的发热效应也不小 20 .#; 1.2.3功率二极管的主要参数 对正弦半波电流，假设其电流峰值为IM，则其平均值 为 IAV 1 2 0 IM sintd(t) IM 其正弦半波电流的有效值为 Irms 1 I2sint2d(t) IM 20M 2 界说某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用默示，即 电流有效值Kf电流平均值 21 .#; 1.2.3功率二极管的主要参数 正弦半波

12、电流的波形系数 Kf IrmsIAV 2 1.57 实践运用中，流过二极管的电流波形形态并不是未必的， 种种周期性的电流波形都有一个电流有效值，根据有效值 相称的准绳，要是功率二极管所流过的最大电流有效值为I， 则其二极管额定电流正常挑选为 IF(AV) (1.5 2)I1.57 式中的系数是安全系数，系数1.57为正弦半波的波形系数。 22 .#; 1.2.3功率二极管的主要参数 2.正向压降UF 指功率二极管正在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降 偶然参数表中也给出正在指定温度下游过某一瞬态正向年夜电流时器件的最大刹时正向压降 3.反向反复峰值电压URRM 指对功率二极

13、管所能反复施加的反向最高峰值电压一般是其雪崩击穿电压UB的2美丽美丽3运用时，常常遵照电路中功率二极管能够蒙受的反向最高 峰值电压的2倍阁下来选定 23 .#; 1.2.3功率二极管的主要参数 4.最高任务结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ默示最高任务结温是指正在PN结不致破坏的条件下所能蒙受的最 高平均温度TJM一般正在125175C局限以内 5.反向恢复时候trr trr=td+tf，关断历程中，电流降到10起到规复反向阻断威力为止的时候 6.浪涌电流IDSM 指功率二极管所能蒙受最大的接连一个或者几个工频周期的过电流。 24 .#; 教室思虑： 半波整流电路，输出正弦电压值

14、100V，频次10kHz，电流有效值10A，怎样挑选二极管？ 25 .#; 挑选要点： 耐压挑选：击穿电压大于280V 正向守旧时候、反向恢复时候：远小于100s 通态均匀电流：按有效值相称准绳，挑选电流值并留有未必余量。 IF(AV) (1.5 2)101.57 9.6A 26 .#; 1.3半控型器件晶闸管 1.3.1晶闸管的构造与任务道理1.3.2晶闸管的基础特征1.3.3晶闸管的主要参数1.3.4晶闸管的派生器件 27 .#; 1.3.1晶闸管的构造与任务道理 一、晶闸管简介 晶闸管（Thyristor）：又称晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifie

15、rSCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发现了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开辟出第一只晶闸管产物1958年商业化，拓荒了电力电子技术疾速开展以及广泛应用的斩新时期20世纪80年月以来，起头被功能更好的全控型器件庖代能蒙受的电压以及电流容量最高，任务牢靠，正在大容量的场所拥有主要职位晶闸管常常专指晶闸管的一种基础范例一般晶闸管狭义上讲，晶闸管还包孕其很多范例的派生器件（如：双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等） 28 .#; 1.3.1晶闸管的构造与任务道理 二、晶闸管的构造与封装 形状有螺栓型以及平板型两种封装引出阳极A、阴极K以及门极（操纵端）G三个连接端对螺栓型封装

16、，一般螺栓是其阳极，能与散热器严密连接且装置轻易平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹正在中央 A G KK AA G G P1N1P2N2 J1J2J3 K KG A a) 晶闸管的形状、构造以及电气图形符号 29 a)形状b)构造c)电气图形符号 .#; 1.3.1晶闸管的构造与任务道理 三、晶闸管基础工 作特征 当SCR的阳极以及阴极电压UAK0，即EA下正上负(与图示偏向相同)时，不管门极G能否有电流，白炽灯不亮，注明SCR一直处于关断形态； 当UAK0时，即EA上正下负(与图示偏向相反)，只要IG0时，白炽灯能力点亮。注明SCR不门极电流触发时，拥有正向阻断威力；当知足UAK0，IG

17、0前提时能够导通。 SCR一旦导通，此时去掉EG（即再令IG0），白炽灯仍维持点亮，注明SCR仍维持导通形态。导通后SCR的管压降为1V阁下，主电路中的电流IA由白炽灯内阻、RW以及EA的巨细决意。 正在IA逐步下降（经过调剂RW）至某一个小数值时，方才可以保持SCR导通；此时要是连续下降IA，则SCR会关断，该小电流称为SCR的保持电流。 30 .#; 1.3.1晶闸管的构造与任务道理 晶闸管基础任务特征归结： 蒙受反向电压时(UAK0，IGK0能力守旧)； 晶闸管一旦导通，门极就落空操纵感化；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 值下列。 从这个角度能够看出，SCR是一种

18、电流操纵型的电力电子器件。 31 .#; 1.3.1晶闸管的构造与任务道理 四、晶闸管的任务机理 正在剖析SCR的任务道理时，常将其等效为两个晶体管V1以及V2串级而成。 其任务历程以下： UGK0发生IGV2通发生IC2V1通IC1IC2涌现激烈的正反馈，G极落空操纵感化，V1以及V2完整饱和，SCR饱和导通。 晶闸管导通后，纵然去掉门极电流，仍能保持导通。 A P1 N1N1 G P2P2 N2 Ka) A IAPNP V1GIGIc1 Ic2R NPNV2 S EG IK EA K b) 晶闸管的双晶体管模子及其任务道理a)双晶体管模子b)任务道理 32 .#; 1.3.2晶闸管的基础特

19、征 1、晶闸管的动态伏安特征 第I象限的是正向特征 有阻断形态以及导通形态之分。 正在正向阻断形态时，晶闸管 的伏安特征是一组随门极电流的增长而分歧的曲线簇。当IG充足大时，晶闸管的正向转机电压很小，能够算作 URSMURRM-UA 与正常二极管同样 雪崩 击穿 第III象限的是反向特征 晶闸管的反向特征与正常二 极管的反向特征类似。 IA正导游通 IH IG2 IG1IG=0 O UDRMUbo+UA UDSM 晶闸管的伏安特征 -IA IG2IG1IG 33 .#; 1.3.2晶闸管的基础特征 IG=0时，器件两头施加正向电压，为正向阻断形态，只要很小的正向漏电流流过，正向电压超越临界极限

20、即正向转机电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件守旧 跟着门极电流幅值的增大，正向转机电压下降导通后的晶闸管特征以及二极管的正向特征相仿晶闸管本 身的压降很小，正在1V阁下导通时期，要是门极电流为零，而且阳极电流降至接近于零 的某一数值IH下列，则晶闸管又回到正向阻断形态。IH称为保持电流。 34 .#; 1.3.2晶闸管的基础特征 晶闸管上施加反向电压时，伏安特征近似二极管的反向特征晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的大众端门极触发电流也常常是经过触发电路正在门极以及阴极之间施加触 发电压而发生的晶闸管的门极以及阴极之间是PN结J3，其伏安特征称为门极伏

21、安 特征。为保障牢靠、平安的触发，触发电路所供应的触发电压、电流以及功率应制约正在牢靠触发区。 35 .#; 1.3.2晶闸管的基础特征 2.静态特征 iA 100% 与二极管类90% 似，守旧、关断历程发生静态消耗 10%0tdtr uAK IRM O 晶闸管的守旧以及关断历程波形 trr URRMtgr tt 36 .#; 1.3.2晶闸管的基础特征 1)守旧历程 延迟时间td：门极电流阶跃时辰起头，到阳极电流回升到稳态值的10%的时候 上升时间tr：阳极电流从10%回升到稳态值的90%所需的时候 守旧时候tgt：以上二者之以及，tgt=td+tr 一般晶闸管延迟时间为10.51.5s，上

22、升时间为10.53s 37 .#; 1.3.2晶闸管的基础特征 2)关断历程 反向阻断规复时候trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至近于零的时候 正向阻断规复时候tgr：晶闸管要规复其对于正向电压的阻断威力还需求一段时间 正在正向阻断规复时候内要是从新对于晶闸管施加正向电压，晶闸管会从新正导游通 实践运用中，应答晶闸管施加充足长期的反向电压，使晶闸管充裕规复其对于正向电压的阻断威力，电路能力牢靠任务 关断时候tq：trr与tgr之以及，即tq=trr+tgr一般晶闸管的关断时候约几百微秒，这是设想反向电压设想时候的根据。 38 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 1.电压额外 1)断态反复

23、峰值电压UDRM正在门极断路而结温为额定值时，同意反复加在器件上的正向峰值电压,正常为正向转机电压的80。 2)反向反复峰值电压URRM正在门极断路而结温为额定值时，同意反复加在器件上的反向峰值电压，正常为反向击穿电压的80。 3)通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规则倍数的额外通态均匀电流时的瞬态峰值电压（正常为2V）。 一般取晶闸管的UDRM以及URRM中较小的标值作为该器件的额外电压。选用时，额外电压要留有未必裕量,正常取额外电压为一般任务时晶闸管所蒙受峰值电压23倍。 39 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 2.额定电流 1)通态均匀电流（额定电流）IT(AV) 晶闸管正在环境温度

24、为40C以及规则的冷却形态下，波动结温没有超越 额 定结温时所同意连续流过的单相工频正弦半波电流的最大平均值。运用时应按实践电流与通态均匀电流有效值相称的准绳来拔取晶闸管额定电流。实践运用时应留未必的裕量，正常取1.52倍。 40 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 对一只额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，同意的电流有效值该当为157A（思索正弦半波波形系数）。 对特定电流波形，其有效值以及平均值的比值成为波形系数Kf=Irms美丽美丽IAV，按有效值相称准绳挑选晶闸管时遵守： KfIAV1.57IT(AV) 例：当三个分歧的电流波形，离别流经额定电流为IT(AV)=100A的晶闸管时，

25、其同意的电流平均值为IAV分歧。 41 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 （1）正弦半波整流电流波形形态 42 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 实践波形的平均值: IAV 1 2 2 Im sin td(t) Im 2 实践波形的有效值:Irms 1 2 2 (Im sin t)2d(t) Im22 波形系数: Kf IrmsIAV 2.22 100A的器件同意的电流平均值: IAV 1572.22 70.7A 这时候100A的器件只能看成70A(平均值)运用. 43 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 （2）正弦全波整流电流波形形态 44 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 实践波形的

26、平均值: IAV 1 0 Im sin td(t) 2Im 实践波形的有效值:Irms 1 0 (Im sin t)2d(t) Im2 实践波形的波形系数: Kf IrmsIAV 1.11 100A的器件同意的电流平均值: IAV 1571.11 141A 这时候100A的器件可看成140A(平均值)运用 45 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 （3）方波半波整流电流波形形态 46 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 实践波形的平均值: IAV 1 2 230 Imd(t) Im3 实践波形的有效值: Irms 1 2 2 30 (Im)2d(t) Im3 实践波形的波形系数: Kf Irm

27、sIAV 1.73 100A的器件同意的电流平均值: IAV 1571.73 90.7A 这时候100A的器件只能看成90A(平均值)运用. 47 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 2)保持电流IH 晶闸管处于通态时，使晶闸管保持导通所必须的最小电流正常为几十到几百毫安，与结温无关，结温越高，则IH越小 3)擎住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发旌旗灯号后，能保持导通所需的最小电流 对于统一晶闸管来讲，一般IL约为IH的24倍 4)浪涌电流ITSM 指因为电路异常情况引发的并使结温超越额外结温的没有重复性最大正向过载电流 48 .#; 1.3.3晶闸管的主要参数 3、静态参数 （1）

28、晶闸管的守旧时候tgt与关断时候tq守旧与关断时候的寄义如前所述 （2）断态电压临界上升率du美丽美丽dt指在额外结温文门极开路的状况下，没有招致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。（2）通态电流临界上升率di美丽美丽dt指在 规则前提下，晶闸管能蒙受而无无害影响的最大通态电流上升率。要是电流回升太快，则晶闸管刚一守旧，便会有很大的电流集合正在门极左近的小地区内，从而形成全部过热而使晶闸管破坏。 49 .#; 守旧前提与关断前提举例一 50 .#; 守旧前提与关断前提举例二 51 .#; 晶闸管运用要点： 1、触发导通前提：UAK0，UGK0（或者IGK0），并有充足的触发功率。 一旦

29、器件导通，门极电流就再也不拥有操纵感化。是以，门极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。 2、晶闸管的关断要领： 做作关断：正在导通时期，要是请求器件前往到正向阻断形态，必需令门极电流为零，且将阳极电流下降到一个称为保持电流的临界极限值下列，并维持一段时间。 自愿关断：经过加一反向电压UAK0，并维持一段时间使其关断。正在实践电路中是接纳阳极电压反向、减小阳极电压、增大回路阻 抗等体例，使阳极电流小于保持电流，使晶闸管关断。 52 .#; 晶闸管运用要点： 3、晶闸管牢靠关断的前提： 关断时候tq：规复晶闸管电压阻断威力所需的最小电路换流反压时候。 电路换流反压时候t：正向电流过零点与从新施加正向

30、电压的终点之间的时候距离。 牢靠关断的前提：UAK0(或者IAtq。 因为正在触发导通时积存的非失调载流子需求规复时候，使其牢靠关断，是以需求正在ttq以后再施加正向电压而不会导通。 53 .#; 1.3.4晶闸管的派生器件 1.倏地晶闸管（FastSwitchingThyristorFST） 包孕一切专为倏地运用而设想的晶闸管，有倏地晶闸管以及高频晶闸管 管芯构造以及制作工艺停止了革新，开关时间和du美丽美丽dt以及di美丽美丽dt耐量都有明显改善 一般晶闸管关断时候数百微秒，倏地晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s阁下 高频晶闸管的缺乏在于其电压以及电流定额都不容易做高因为工作频率较高，挑选通

31、态均匀电流时不克不及疏忽其开 关消耗的发热效应 54 .#; 1.3.4晶闸管的派生器件 2.双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或者Bidirectionaltriodethyristor） I T1 G T2 IG=0 O U a) 双向晶闸管的电气图形符号以及伏安特征 a)电气图形符号b)伏安特征 55 .#; 1.3.4晶闸管的派生器件 可以为是一对反并联连接的一般晶闸管的集成有两个主电极T1以及T2，一个门极G正、反两偏向均可触发导通，以是双向晶闸管正在第以及第III象 限有对称的伏安特征；门极正、负脉冲电流均可触发导通TRIAC与一对反并联晶闸管比拟是经济的，且控制电

32、路复杂，正在交换调压电路、固态继电器（SolidStateRelaySSR）以及交换机电调速等畛域运用较多一般用正在交流电路中，因 此不消平均值而用有效值来默示其额定电流值。 56 .#; 1.3.4晶闸管的派生器件 3.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT） 将晶闸管反并联一个二极管制造正在统一管芯上的功率集成器件 拥有正向压降小、关断时候短、低温特征好、额外结温初等长处 逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管 的电流 常运用于各种逆变器以及斩波器的运用中。 I KG A IG=0 O U a) 逆导晶闸管的电气图形符号以及伏安特征

33、a)电气图形符号b)伏安特征 57 .#; 1.3.4晶闸管的派生器件 4.光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT） IA A GK 光强度 强 弱 O UAK a) 光控晶闸管的电气图形符号以及伏安特征a)电气图形符号b)伏安特征 58 .#; 1.3.4晶闸管的派生器件 又称光触发晶闸管，是应用未必波长的光照旌旗灯号触发导通的晶闸管 小功率光控晶闸管只要阳极以及阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发 光源的发光二极管或者半导体激光器光触发保障了主电路与控制电路之间的绝缘，且可幸免 电磁干扰的影响，是以现在正在低压大功率的场所，如低压直流输电以

34、及低压核聚变装配中，占有主要的职位 59 .#; 1.3.4晶闸管的派生器件 5、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO） 晶闸管的一种派生器件，当UAK0，UGK0（或者IGK0），能够触发导通能够经过正在门极施加负的脉冲电流（IGK0）使其关断，属于全控型器件 （经过操纵极能够操纵守旧、也能够操纵关断）GTO的电压、电流容量较大，与一般晶闸管亲近，于是正在兆瓦级以上的年夜 功率场所仍有较多的运用 GK GK G a) GTO的内部结构以及电气图形符号 N2 P2 N2 N1 P1A b) A GKc) 60 .#; 典范全控型器件 1.4电力晶体管（GTR）

35、61 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 术语用法： 电力晶体管（GiantTransistorGTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、年夜电流的双极结型晶体管（BipolarJunction TransistorBJT），英文有时候也称为PowerBJT正在电力电子技术的局限内，GTR与BJT这两个称号等效 运用 20世纪80年月以来，正在中、小功率局限内庖代晶闸管，但现在又大多被IGBT以及功率MOSFET庖代 62 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 1.GTR的构造以及任务道理 基本原理与一般的双极结型晶体管是同样的 重要特征是耐压高、电流年夜、开关特征好 一般接纳最少由两个晶体管按达林顿

36、接法构成的单位构造 接纳集成电路工艺将很多这类单位并联而身分为NPN以及PNP两种构造，正常为NPN构造，PNP构造耐 抬高， 63 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 64 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 2.GTR的基 本特征 （1）动态特征共发射极接法时的典范输出特性分为：停止区、有源区（放 大区）以及饱和区电力电子电路中GTR任务正在开关形态，即任务正在停止区或者饱 以及区。正在停止区以及饱和区之间过渡时，要通过有源区UCEO为基极开路时集、射极之间的击穿电压；UCES为基极以及 发射极短接时集、射极之间的击穿电压；UCEX为发射极反偏时集、射极之间的击穿电压；UCBO为发射极开路

37、时集电极与基极之间的击穿电压 65 .#; 1.4电力晶体管（GTR） （a）GTR共射接法 （b）共射接法输出特性 66 .#; 1.4电力晶体管（GTR） （a）停止区（又称阻断区） iB0，开关处于断态GTR蒙受高电压而仅有极小的漏电流存在集电结反偏UBC0，发射结反偏UBE0；或者集电结反偏 UBC0，发射结偏压为零UBE=0 （b）有源区（又称缩小区或者线性区） iC与iB之间呈线性关系，特征曲线类似平直UBC0对任务于开关形态的GTR来讲，应该尽量避免任务于有源 区，不然功耗很大，要倏地经过有源区，完成停止与饱和之间的形态转换。 67 .#; 1.4电力晶体管（GTR） （c）饱和

38、区 开关处于通态，iB变更时，iC再也不随之变更导通电压以及电流增益均很小UBC0，UBE0 （d）准饱和区 指有源区与饱和区之间的一段地区，即特征曲线较着蜿蜒的全体 iC与iB之间再也不呈线性关系，UBC0 68 .#; 1.4电力晶体管（GTR） （e）失控区 当UCE超越未必值时，晶体管进入失控区，会招致雪崩击穿。UCEO：基极开路，对应的反向击穿电压；UCEs：基极以及发射极短路所对应的电压；UCEx:基极负偏所对应的电压。 69 .#; 1.4电力晶体管（GTR）（2）静态特征 守旧历程延迟时间td以及上升时间tr，两者之以及为守旧时候tontd重要是由发射结势垒电容以及集电结势垒电

39、容充电发生的。增大IB1的幅值并增大diB美丽美丽dt，可延长延迟时间，同时可延长上升时间，从而加速守旧历程 GTR的守旧以及关断历程电流波形 70 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 关断历程 贮存时候ts以及下降时间tf，两者之以及为关断时候toffts是用来撤除饱和导通时贮存正在基区的载流子的，是关断时 间的重要全体减小导通时的饱和深度以减小贮存的载流子，或增大基 极抽取负电流IB2的幅值以及负偏压，可延长贮存时候，从而加速关断速率减小导通时的饱和深度的负面感化是会使集电极以及发射极间的饱和导通压降UCES增长，从而增大通态消耗GTR的开关时间正在多少微秒之内，比晶闸管以及GTO都短许多

40、 71 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 3.GTR的主要参数电流缩小倍数、直流电流增益hFE（正常可以为hFE）、 集射极间漏电流ICEO、集射极 间饱和压降UCES、守旧时候ton以及关断时候toff;以外有：1）最高工作电压UCEMGTR上电压超越规定值时会发作击穿击穿电压不只以及晶体管自身特征无关，还与外电路接法有 关如图所示，有UCBOUCEXUCESUCEO，实践运用时，为 确保安全，最高工作电压要比UCEO低得多 72 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 2）集电极最大同意电流ICM 一般规则为hFE下落到规定值的1美丽美丽21美丽美丽3时所对应的IC实践运用时要留有裕量，只能

41、用到ICM的一半或者稍多一点 3）集电极最大耗散功率PCM 最高工作温度下同意的耗散功率产物仿单中给PCM时同时给出壳温TC，直接默示了最高 工作温度 73 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 4.GTR的二次击穿征象与平安任务区 一次击穿集电极电压降低至击穿电压时，IC疾速增大，涌现雪崩击穿特性：正在IC增大历程中，集电结电压基础稳定，只需IC没有超越限制，GTR正常不会破坏，任务特征也稳定； 二次击穿一次击穿发作时IC增大到某个临界点时会倏忽急剧回升，并随同集电极电压的蓦地下落，即涌现了负阻效应，这类征象称为二次击穿。 二次击穿的持续时间很短，正常正在纳秒至微秒局限，往往马上招致器件的永远

42、破坏，必须幸免。 74 .#; 1.4电力晶体管（GTR） 平安任务区（SafeOperatingAreaSOA） 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PSB限制（GTR特有） 电力电子器件都有平安 任务区，一般由最大工 作电流、最大耗散功率、 最高工作电压组成。实 际运用时器件必需任务 于平安任务区的局限内， 免得破坏。 GTR的平安任务区 75 .#; 典范全控型器件 1.5功率场效应晶体管（P-MOSFET) 76 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) 基础知识 分为结型以及绝缘栅型（近似小功率FieldEffectTransistor

43、FET）但一般重要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductor FET）简称功率MOSFET（PowerMOSFET）结型功率场效应晶体管正常称静电感应晶体管（StaticInduction TransistorSIT）特性用栅极电压来操纵漏极电流 驱动电路复杂，需求的驱动功率小开关速度快，工作频率高热稳定性优于GTR，无二次击穿征象电流容量小，耐压低，正常只实用于功率没有超越10kW的电力 电子装置 77 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) 1.功率MOSFET的构造以及任务道理 功率MOSFET的品种 按导电沟道可分为P沟道以及N沟道耗尽型当栅极电

44、压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型对N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于） 零时才存在导电沟道功率MOSFET重要是N沟道增强型 78 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) MOSFET的构造 图及电路标记(a)N沟道增强型结构图(b)N沟道增强型标记(c)P沟道增强型标记 79 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) N沟道增强型P-MOSFET的基础任务特征 停止：漏源极间加正电压偏置，栅源极间电压为零（UDS0，UGS=0) 导电：正在栅源极间加正电压UGS当UGSUT（开启电压或者阈值电压，典型值24V）时，漏极和源极导电 80 .#; 1.5功率场效应晶

45、体管(P-MOSFET) 2.P-MOSFET的动态任务特征1）输出特性 P-MOSFET的动态任务特征如图所示，漏极伏安特征又称输出特性，能够分为三个区：可变电阻区，饱和区，击穿区。 电力电子电路中P-MOSFET任务正在开关形态。P-MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时 器件导通。P-MOSFET的通态电阻拥有正温度系数，对于器件并联时的均流 有益。 81 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) （a） PMOSFET动态任务特征 （b） （a）漏极伏安特征（b）转移特征 82 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) 2）转移特征 漏极电流ID以

46、及栅源间电压UGS的瓜葛称为MOSFET的转移特征 ID较大时，ID与UGS的瓜葛类似线性，曲线的斜率界说为跨导 Gfs 图中所示的UGS(th)为开启电压，只要 UGS U 时才会涌现导 GS(th) 电沟道，发生漏极电流iD。 83 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) 3、P-MOSFET的静态任务特征1）输出等效电容模子 P-MOSFET是少数载流子器件，没有存在多数载流子特有的存储效应，是以开关时间很短，影响开关速率的重要是器件极间电容。 输出电容： CinCGSCGD 84 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) 2）P-MOSFET的开关波形 (a)测试

47、电路 (b)开关历程波形 85 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET)（1）守旧历程 守旧延迟时间td(on)Up前沿时辰到UGS=UGS(th)并起头涌现iD的时辰间的时间段 上升时间trUGS从UGS(th)回升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段 iD稳态值由漏极电源电压UE以及漏极负载电阻RL决意UGSP的巨细以及iD的稳态值无关UGS到达UGSP后，正在Up感化下连续降低直至到达稳态，但iD 已经稳定 守旧时候ton守旧延迟时间与上升时间之以及tontd(on)tr 86 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET)（2）关断历程 关断延迟时间td(of

48、f)Up下落到零起，Cin经过Rs以及RG放电，UGS按指数曲线下落到UGSP、iD起头减小时的时间段 下降时间tfUGS从UGSP连续下落起，iD减小，到UGS20V将招致绝缘层击穿 89 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET)（4）极间电容：P-MOSFET的三个极之间离别存在极间电容CGS、CGD以及 CDS，正常厂家供应的是漏源极短路时的输出电容Ciss、共源极输入电容Coss以及反向转移电容Crss，它们之间的瓜葛是： Ciss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD输出电容可类似用Ciss替代，但这些电容都是非线性的。 90 .#; 1.5功率场效应晶体

49、管(P-MOSFET) 5.P-MOSFET的平安任务区 P-MOSFET是少数载流子任务的器件，元件的通态电阻拥有正的温度系数，即温度降低通态电阻增大，使漏极电流能随温度降低而下落，于是没有存在电流集合以及二次击穿的制约，有较宽的平安任务区。其平安任务区由最大漏极电流制约线、最大功耗制约线、最大漏源电压制约线、守旧电阻制约线决意。 91 .#; 1.5功率场效应晶体管(P-MOSFET) GTR以及GTO的特性双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流威力很强，开关速率较低，所需驱动功率年夜，驱动电路庞杂 MOSFET的长处单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小并且

50、驱动电路复杂 两类器件扬长避短分离而成的复合器件Bi-MOS器件 92 .#; 典范全控型器件 1.6绝缘栅双极晶体管（IGBT) 93 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT 基础知识 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT）GTR以及MOSFET复合，分离两者的长处1986年投入市场后，庖代了GTR以及一部分MOSFET的市场， 中小功率电力电子设备的主导器件连续普及电压以及电流容量，以期再庖代GTO的职位 94 .#; 1.6绝缘栅双极晶体 管IGBT 1.IGBT的构造以及任务道理 三端器件：栅极G、集电极C以及发射极E IGBT的构造

51、、简化等效电路以及电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号 95 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT （1）IGBT的构造 如图所示，N沟道MOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT） IGBT比P-MOSFET多一层P+注入区，构成了一个大面积的P+N结J1 使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对于漂移区电导率停止调制，使得IGBT拥有很强的通流威力 简化等效电路注解，IGBT是GTR与MOSFET构成的达林顿构造，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管 RN为晶体管基区内的调制电阻 96 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT （2

52、）IGBT的任务道理 驱动道理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压UGE决意导通： UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内构成沟道，为晶体管供应基极电流，IGBT导通导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小关断：栅射极间施加反压或者不加旌旗灯号时，MOSFET内的沟道隐没，晶体管的基极电流被割断，IGBT关断 97 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT 2.IGBT的动态任务特征 IGBT的转移特征以及输出特性a)转移特征b)输出特性 98 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT （1）转移特征： IC与UGE间的瓜葛，与MOSFET转移特征近似。开启

53、电压UGE(th)IGBT能完成电导调制而导通的最低栅射 电压UGE(th)随温度降低而略有下落，正在+25C时，UGE(th)的值正常为26V （2）输出特性（伏安特征）： 以UGE为参考变量时，IC与UCE间的瓜葛分为四个地区：正向阻断区、有源区、饱和区以及击穿区。UCE0时，IGBT为反向阻断任务形态 99 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT 3.IGBT的静态特征UGE 90%UGEM UGEM 10%UGEM 0 90% ICICM td(on) ICMtr td(off) ttf IGBT的开关历程 10%ICM0 UCE tonUCEM tfi1tfi2 toff t tfv

54、1tfv2UCE(on) O t 100 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT （1）IGBT的守旧历程 与MOSFET的类似，由于守旧历程中IGBT正在大部分时候作为MOSFET运转守旧延迟时间td(on)从UGE回升至其幅值10%的时辰， 到iC回升至10%ICM电流上升时间triC从10%ICM回升至90%ICM所需时候守旧时候ton守旧延迟时间与电流上升时间之以及UCE的下落历程分为tfv1以及tfv2两段。 tfv1IGBT中MOSFET零丁任务的电压下落历程；tfv2MOSFET以及PNP晶体管同时任务的电压下落历程 101 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT （2）IGBT

55、的关断历程 关断延迟时间td(off)从UGE后沿下落到其幅值90%的时辰起，到iC下落至90%ICM 电流下降时间iC从90%ICM下落至10%ICM关断时候toff关断延迟时间与电流下落之以及电流下降时间又可分为tfi1以及tfi2两 段。 tfi1IGBT外部的MOSFET的关断历程，iC下落较快；tfi2IGBT外部的PNP晶体管的关断历程，iC下落较慢IGBT中双极型PNP晶体管的存在，尽管带来了电导调制效应的优点，但也引入了少子贮存征象，于是IGBT的开关速率低于电力MOSFET 102 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT 4.IGBT的主要参数 除后面引见的td(on)、tr

56、、td(off)、tf、UGE(th)以外，还包孕：1）最大集射极间电压： 包孕栅射极短路时最大集射极间直流电压UCES；栅射极开路时最大集射极间直流电压UCEO；栅射极反偏压时最大集射极间直流电压UCEX。一般UCEXUCEOUCES，由外部PNP晶体管击穿 电压断定，与GTR分歧，三者区别较小，有UCEXUCEOUCES。 2）最大集电极电流：包孕额外直流电流IC以及1ms脉宽最大电流ICP 3）最大集电极功耗PCM：一般工作温度下同意的最大功耗 103 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT 4）最大栅极电压栅射极之间的电压由栅极氧化膜厚度以及特征所决意，正常应 制约正在20V之内，其最

57、佳值正常取15V阁下。 5.IGBT的特征以及参数特性 （1）开关速率高，开关损耗小。正在电压1000V以上时，开关损耗只要GTR的1美丽美丽10，与电力MOSFET至关 （2）相反电压以及电流定额时，平安任务区比GTR年夜，且拥有耐脉冲电流打击威力 （3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的地区（4）输入阻抗高，输出特征与MOSFET近似（5）与MOSFET以及GTR比拟，耐压以及通流威力还能够进一步提 高，同时维持开关频次高的特性 104 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT 6.IGBT的擎住效应以及平安任务区 发射极栅极 E G N+PN+ N+PN+ J3J2 N- J

58、1 P+ 漂移区缓冲区G 注入区 C IDRNV-J1+IC-+ -IDRon G C集电极 E a) IGBT的构造、简化等效电路以及电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号 C c) 105 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT （1）IGBT的平安任务区 正偏平安任务区（FBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压以及最大集电极功耗断定 反向偏置平安任务区（RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压以及最大同意电压上升率duCE美丽美丽dt断定 （2）IGBT的擎住效应 寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管以及作为主开关器件的P+N-P晶体管构成 106 .#;

59、 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT 擎住效应或者自锁效应： NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会正在该电阻上发生压降，相当于对于J3结施加正偏压，一旦J3守旧，栅极就会落空对于集电极电流的操纵感化，电流失控静态擎住效应比动态擎住效应所同意的集电极电流小擎住效应曾经制约IGBT电流容量普及，20世纪90年月中后期 起头逐 渐处理IGBT常常与反并联的倏地二极管封装正在一同，制成模块，成为 逆导器件 107 .#; 1.6绝缘栅双极晶体管IGBT 注：电导调制效应当PN结上流过的正向电流较小时，低搀杂N区的欧姆电 阻较高，当PN结上流过较大正向电流时，注入并积存正在

60、低搀杂N区的少子空穴浓度将很大，为了保持半导体电中性前提，其多子浓度也响应大幅度增长，从而使其电阻率较着下落，也便是电导率大幅增长，这便是电导调制效应。 108 .#; 1.7其余新型电力电子器件 109 .#; 1.7其余新型电力电子器件 一、MOS操纵晶闸管MCT MOSFET与晶闸管的复合，属于全控型器件，80年月以来一度成为钻研的热门，但通过十多年的勤奋，其关键技术成绩不年夜的打破，因为IGBT的倏地开展，现在处置MCT钻研的人不是很 多。二、静电感应晶体管SIT 降生于1970年，实际上是一种结型场效应晶体管，SIT属于多子导电的器件，工作频率与P-MOSFET至关，以至更高，功率容