电力电子技术教案

谕《注2人孝教案用纸

教师教案

课程名称：电力电子技术

教案内容：第二章/电力电子器件

本章节理论学时：6学时

本章节实验学时：0学时

理论任课教师：孙金根

实验任课教师：__________________

使用教材：王兆安、刘进军主编，电力电子技术（第5版）

沈阳理工大学教务处制

主要内容：电力电子器件的基本特征；电力电子器件的分类；不

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同电力电子器件的结构及原理；电力电子器件的静态特性

和动态特性；电力电子器件的参数。

重点：电力二极管、晶闸管及IGBT。

难点：电力二极管、晶闸管及典型全控器件静态特性和动态特性。

基本要求：基本掌握电力二极管、晶闸管及典型全控器件的结构

和原理；掌握电力二极管、晶闸管及典型全控器件的静态

特性和动态特性。掌握电力二极管、晶闸管及典型全控器

件的参数。尤其掌握全控器件IGBT的特性及参数；了解

功率集成电路、智能功率模块的基本概念，了解电力电子

器件的发展趋势。

实验内容及要求：不同的电力电子器件应用嵌入到相应的电力变

换实验中。

2.1电力电子器件概述

2.1.1电力电子器件的概念和特征

变换或控制

主电路---直接承担电能的变换或控制任务的电路(powercircuit)o

谕债和/人濠教案用纸

电力电子器件(powerelectronicdevice)----是指可直接用于处理电能

的主电路中，实现电能变换或控制的电子器件。

电力电子器件一般具有如下的特征：

⑴承受电压和电流的能力，该参数是最重要的参数。其处理能力小至毫

瓦级，大至兆瓦级。

⑵动态特性(也叫开关特性)和参数。

⑶电力电子器件一般由驱动电路进行驱动。

⑷开关损耗(包括开通损耗和关断损耗)。

2.1.2应用电力电子器件的系统组成

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电

子器件为核心的主电路组成一个系统。

控

制

电

路

图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成

2.1.3电力电丁砥忏刑刀■尖

一、按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力

电子器件分三类：

a)不可控器件：如电力二极管(Power-Diode)

b)半控型器件：如晶闸管/可控硅(SCR)o

谕《彳£J人孝教案用纸

c）全控型器件：绝缘栅极双极晶体管（IGBT）、门极可关断的闸（GT-

0）电力双极型晶体管（BJT）、电力场效应晶体管（Power—MOSFET）等。

二、按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共之间信号的性质可分

为：

a）电流驱动型：如SCR、GTOo

b）电压驱动型：如场控器件、Power-MOSET、IGBT等。

三、按照器件内部电子和空穴两种载流了参与导电的情况分：

1、单极型器件：如MOSFET。

2、双极型器件：如电力二极管、SCR、GTO、GTRo

3、复合型器件：如IGBT、MCTo

2.2不可控器件——电力二极管

2.2.1PN结与电力二极管的工作原理

电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的,

都是以半导体PN结为基础。

a)

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图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号

a）外形b）基本结构c）电气图形符号

2.2.2电力二极管的基本特性

1.静态特性

电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性：正向电压大到一定值（门

槛电压Um），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流

小对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。当电力二极管承受反

向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。

UTO为Il槛电压

IF为正向电流

UF为正向电压降

图2-3电力二极管的伏安特性

2.动态特性

电力二极管的动态特性是指电力二极管各个状态（零偏置、正向偏置、

反向偏置）之间转换时的过渡过程。

⑴正向偏置转换为反向偏置的动态过程：

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图24电力二极管的动态过程波形

a）正向偏置转换为反向偏置b）零偏置转换为正向偏置

IF：正向电流。UF：正向压降。

IRP：反向电流峰值。URP：反向过冲电压峰值室。

UR:反向压降。tF:外加电压正向变反向时刻

to：正向电流降为零时刻。ti：为反向电流最大值时刻。

t2：电流变化率di/dt接近零时刻或25%IRP时刻。

td：延迟时间，td=t|-1（）tf：电流下降时间tf=t2—t]

trr：电力二极管反向的恢复时间5=td+tf

Sr：恢复系数Sftf/td，Sr越大，则恢复性越软。

⑵零偏置转换正向偏置动态过程：

UFP：正向过冲电压峰值。

ip：正向电流。

tfr：正向恢复间。

2.2.3电力二极管的主要参数

1、正向平均电流IFAV。即额定电流参数。

指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度Tc和散热条件下，其允许

流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

2、正向压降小

3、反向重复峰电压URRM

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4、最高工作结温TJM

5、反向恢复时间3

6、浪涌电流IFSM

浪涌电流指电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过

电流。

2.2.4电力二极管的主要类型

1.普通二极管：又称整流二极管(RectifierDiode),多用于开关频率不

高(1kHz以下)的整流电路中。

2.快恢复二极管：恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短(一般在

5/JS以下)。

3.肖特基二极管：属于多子器件，反向恢复时间很短(10~40〃s)。

2.3半控型器件——晶闸管

晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器(Silicon

ControlledRectifier——SCR),以前被简称为可控硅。

1956年美国贝尔实验室(BellLaboratories)发明了晶闸管,到1957年

美国通用电气公司(GeneralElectric)开发出了世界上第一只晶闸管产品，

并于1958年使其商业化。

由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而

且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。

2.3.1晶闸管的结构和工作原理

从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。引出阳

极A、阴极K和门极(控制端)G三个联接端。内部是PNPN四层半导体结

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构。

图2-5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

晶闸管可以按双晶体管模型，分析其工作原理。

A

a)b)

图2-6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

按照晶体管工作原理，可列出如下方程:

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=%么+ICBO1

(2-1)

1c2=a21K

+【CBO2

(2-2)

1KIG

二乙+(2-3)

式中aj和a?分别是晶体管V］和V2的共基极电流增益；和/cso2分

别是V1和V2的共基极漏电流。山以上式（2・1）~（24）可得:

1_%,G+/CB01+/CB02°u、

/A-（2-5）

如果注入触发电流使各个晶在管俯:由奶0%增大以致a/+3趋近于1

的话，流过晶闸管的电流以（阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱

和导通。由于外电路负载的限制，心实际上会维持有限值。

2.3.2晶闸管的基本特性

I.静态特性

⑴当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会

导通。

⑵当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下，晶闸管才

能导通。

⑶晶闸管一旦导通，门极就失去控制，不论门极触发电流是否还存在，

晶闸管都保持导通

⑷要想晶闸管关断，只能利用外加电压和电路使流过晶闸管的电流降到

某一数值以下。

Ubo：正向转折电压（临界极限）。

IH：维持电流。

URRM：反向重复峰值电压。

URSM：反向击穿电压。

UDRM：断态重复峰值电压。

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图2-7晶闸管的伏安特性

IG2>1G1>IG

2.动态特性

td：延迟时间。

tr：上升时间。

tgt：开同时间tg,=td+to

trr:反向阻断恢复时间。

tgr:正向阻断恢复时间。

tq：晶闸管电路换向关断

时间tq=tIT+tgro

图2-8晶闸管的开通和关断过程波形

开通过程

由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶

闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。从门极电流阶跃时刻

开始，到阳极电流上升到稳态值的10%,这段时间称为延迟时间打(0.5-1.5

M)。与此同时晶闸管的正向压降也在减小。阳极电流从10%上升到稳态值的

谪6K》欠渗教案用纸

90%所需的时间称为上升时间（O.5~3ps）,开通时间为％=/,/+%

关断过程

由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正

向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。从正向电流降

为零，到反向恢复电流衰减至接近于零的时间就是晶闸管的反向阻断恢复时

间5。反向过程恢复结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管恢复其对正向电压

的阻断能力还需要段时间，这叫做正向阻断恢复时间如。关断时间tp定义

为%=trr+tgr。

2.3.3晶闸管的主要参数

1.电压额定：a.断态重复峰值电压（UDRM）。

b.反向重逢值电压（URRM）。

c.通态（峰值电压）UTM取.UDR和URRM中较小的值。

2.电流额定：a.通态平均值电流IT<AV>，也是额定电流数。国标规定通

态平均电流为晶闸管在环境温度40°C和规定的冷却状态下，

稳定结温不起过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波

电流的平均值。

b.维持电流IH

C.擎住电流II：断态一一通态维持导通最小电流。

d.浪涌电流ITSM

3.动态参数：a.开通时间tgt、关断时间tg。

b.断态电压临界上升率du/dt（防止误导通）。

c.通态电流临界上升率di/dt,（防止晶闸管损坏）。

2.3.4晶闸管派生器件

1、快速晶闸管（FastSwitchingThyristor----FST）

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2、双向晶闸管

(TriodeACSwitch------TRIAC,Bi-DirectionalTriodeThyristor)

3、逆导晶闸管(ReverseConductingThyristor-----RCT)

4、光控晶闸管(LightTriggedThyristor——ETT)

2.4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(GTO)、

电力晶体管(GTR)、电力场效应晶体管(Power-MOSFET),绝缘栅双极晶

体管(IGBT)o

2.4.1门极可关断晶闸管(GTO)(Gate-Turn—OffThyristor)

可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲

电流使其关断，因而属于全控型器件。

1.GTO的结构和工作原理

GTO的结构是PNPN四层半导体结构。是一种多元的功率集成器件，虽

然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，

这GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

图2-9GTO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

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2.GT0的动态特性:

td：延迟时间。

tr：上升时间。

ts：储存时间。

tf：下降时间。

tt：尾部时间。

图2-10GTO的开通和关断过程电流波形

开通过程与普通晶闸管类似。

关断过程

a）储存时间G

b）下降时间"

c）尾部时间“

通常%比心小得多，而。比心要长。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越

陡，。，就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在〃阶段仍能保持适当的负

电压，则可以缩短尾部时间。

3.GTO的主要参数

GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。

①最大可关断阳极电流IATO,也是额定电流参数。

②电流关断增益尸。ff,£on=lATo/lGM，IGM门极负脉冲最大电流值。

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③开通时间ton=td+tr

④关断时间toff=ts+tf

2.4.2电力晶体管

耐压向、电

电力晶体管(GiantTransistor—GTR)也叫巨型晶体管或称Power-BJT流大、开关

(BipolarJunctionTransistor—BJT),故在电力电子技术领域中，GTR和BJT特性好

是一样的含义。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。最主要的特性

是耐压高、电流大、开关特性好。

图2-11GTR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

1、GTR的基本特性

①静态特性，就典型输出特性

GTR在共发射极接法时的典型输出特性分为截止区、放大区和饱和区三

个区域。

在电力电子电路中，GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。

在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。

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图2-12共发射极接法时GTR的输出特性

②动态特性

ta：延时时间。

tr：上升时间。

ts：储存时间。

ton：关断时间ton=ts+tf

tf:下降时间。

toff：关断时间t0ft=ts+tf

图2-13GTR的开通和关断过程电流波形

开通过程：需要经过延迟时间以和上升时间。，二者之和为开通时间

ton.增大基极驱动电流"，的幅值并增大d%d3可以缩短延迟时间，同时也

可以缩短上升时间，从而加快开通过程。

关断过程：需要经过储存时间乙和下降时间tf,二者之和为关断时间

toffo减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流

的幅值和负偏压，可以缩短储存时间，从而加快关断速度。GTR的开关

时间在儿微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。

2、GTR的主要参数

除夕、hfE、IcEO、Uces、t(>n、toff外，还有以下面参数

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a)最高工作电压、BUcbO>BUcex>BUccs>BCer>BUCeo

b)集电极最大允许电流ICM

c)集电极最大耗散功率PCM

3、GTR的二次击穿现象与安全工作区

当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种

首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为•次击穿。发现一次击穿发生时如不有

效地限制电流，增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的

陡然下降，这种现象称为二次击穿。出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，

二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或工作特性明显衰变，因而对GTR

危害极大。

图2-14GTR的安全工作区

2.4.3电力场效应晶体管

场效应晶体管(FieldEffectTransistor——FET)分为结型和绝缘栅型，

电力场效应晶体管也有这两种类型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS(M-

etalOxideSemiconductorFET),简称电力场效应晶体管(PowerMOSFET)。

电力MOSFET：

优点：①驱动电路简单，驱动功率小。

②开关速度快，工作频率高。

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缺点：①容量小。②耐压低。

a)b)

图2-15电力MOSFET的结构和电气图形符号

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号

电力MOSFET的结构：是单极型晶体管。结构上与小功率MOS管有较

大区别，小功率MOS管是横向导电器件，而目前电力MOSFET大都采用了

垂直导电结构，所以又称为VMOSFET(VerticalMOSFET),这大大提高了

MOSFET器件的耐压和耐电流能力。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(VerticalV-grooveMOSFET)和具有垂直

导电双扩散MOS结构的DMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)□

电力MOSFET也是多元集成结构。一个器件由许多个小MOSFET元组

成。每个元的形状和排列方法，不同生产厂家采用了不同的设计，甚至因此

对其产品取了不同的名称。具体的单元形状有六边形、正方形等，也有矩行

单位按“品”字形排列。

1.电力MOSFET的基本特性

①静态特性

转移特性

指漏极电流和栅源间电压

UGS的关系，反映了输入电压和输

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出电流的关系。较大时，力与

UGS的关系近似线性，曲线的斜率被

定义为MOSFET的跨导6人，即

图2-16电力MOSFET的转移特性

（2-5）

电力MOSFET是电压控制型器件,其输入阻抗极高，输入电流非常小。

输出特性截止区、饱

%j=8V和区、非饱

是指MOSFET的漏极伏安特性。

和区

截止区（对应于GTR的截止区）、饱<3Of；饱和区，卢V

<1---------------------------------

和区（对应于GTR的放大区）、非饱2C«侬=6V

和区（对应于GTR的饱和区）三个IC-；

区域，饱和是指漏源电压增加时漏极

010/203040/50

电流不再增加，非饱和是指漏源电压截止区4三宁3V

49

增加时漏极电流相应增加。工作在开关

图2-17电力MOSFET的输出特性

回转换。本身结构所致，漏极和源极之关

的寄生二极管。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

②动态特性

(a)(b)

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图2-18电力MOSFET的开关过程

a)测试电路b)开关过程波形

开通过程：关断过程：

开通延迟时间tcl((m>关断延迟时间td(off)

电流上升时间tr电压上升时间trv

电压下降时间%电流下降时间tfl

=

开通D寸间t()n%关断时间td(off)+tn+tfi

MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，可以降低栅极

驱动电路的内阻R,从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。

2.电力MOSFET的主要参数

除跨导Gfs、UT、td<on»、％、t<]<off>、tf外，还有下列参数

①漏极电压UDS、也是额定电压参数。

②漏极直流电流I。和漏极脉冲电流幅值1叫，也是额定电流参数。

③栅源电压UGS

④极间电容，MOSFET的三个电极之间分别存在极间电容CGS.、CGD、CDS

2.4.4绝缘栅双极晶体管(IGBT)

GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流

能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOS

FET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需

驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTr­

ansistor,IGBT或IGT)综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的

特性。

b

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图2-19IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

a）内部结构断面示意图b）简化等效电路c）电气图形符号

1.IGBT的结构和工作原理

IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。由N沟道V

DMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT比VDMOSFET多一层p+注入

区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化

等效电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于•个

由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

2.IGBT的基本特性

⑴静态特性

IGBT的转移性

描述的是集电极电流/c与栅射电

压UGE之间的关系。开启电压

是IGBT能实现电导调制而导通的最

低栅射电压，随温度升高而略有下降。

IGBT的输出特性

描述的是以栅射电压为参考变量时，

UCE<0时，

集电极电流Ic与集射极间电压UCE之间

IGBT为反

的关系。分为三个区域：正向阻断区、向阻断工工

作状态作状

有源区和饱和区。当Uc£<0时，IGBT

态

为反向阻断工作状态。在电力电子电路

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中，IGBT工作在开关状态，因而是在

正向阻断区和饱和区之间来回转换。图2-21IGBT的输出特性

⑵动态特性

开通过程：开通延迟时间tdlon)

电流上升时间tr

电压下降时间琳

开通时间t„„=td(on)+tr+tfi,%，分为tfri和抑2两段。

关断过程：关断延迟时间如

电压上升时间trv

电流下降时间tfl

IGBT的开

美断时间=td((曲+trv+tfj十分为如和当2两段

关速度要

引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFETo低于电力

MOSFET

90%%EM

10%GEM

力

90%,CM

10%,CM-

0L

10%t7cEM

O

图2-22IGBT的开关过程