电子电气工程系课外任务学习情境课件

电子技术及应用学习情境6逆变电路的分析与测试知识目标1．掌握各种全控型器件的特性，理解全控型器件触发电路工作原理；

2．理解有源逆变电路的工作原理；3.理解无源逆变电路的工作原理。能力目标1．会正确使用常用的电子仪器仪表；2．会正确选用各种全控型器件和器件的测试；3．能正确分析、测试逆变电路

。

学习目标电子技术及应用学习情境6逆变电路的分析与测试知识目标1学习情境6逆变电路的分析与测试学习任务1全控型器件学习任务2有源逆变电路学习任务3无源逆变电路学习任务电子技术及应用学习情境6逆变电路的分析与测试学习任务1全控型2教学目标1．了解各种全控型电力电子器件的结构；

2．掌握各种全控型电力电子器件的工作原理、电气符号、特性及使用注意事项；学习任务1全控型器件

学习情境6--学习任务1电子技术及应用教学目标1．了解各种全控型电力电子器件31．各种全控型器件的工作原理；2．各种全控型器件的主要参数。教学重点教学难点1．各种全控型器件的工作原理；2．全控型器件触发电路的工作原理。学习任务1全控型器件

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1．各种全控型器件的工作原理；教学重点教4教学内容可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。1.1可关断晶闸管学习任务1全控型器件

学习情境6--学习任务1电子技术及应用教学内容可关断晶闸管(Ga5

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.1.1可关断晶闸管的结构

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。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。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)电气图形符号学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.1.1可6

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.1.2可关断晶闸管的工作原理

1.GTO的导通机理与SCR是相同的。GTO一旦导通之后，门极信号是可以撤除的,但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。2.在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.1.2可7

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.1.3可关断晶闸管的主要参数1.开通时间ton：延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2ms，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大；2.关断时间toff：一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2ms；3.最大可关断阳极电流IATO：它是GTO的额定电流；4.

电流关断增益βoff：GTO的门极可关断能力可用电流关断增益βoff来表征，最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益；通常大容量GTO的关断增益很小，不超过3~5。这正是GTO的缺点。一个1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.1.3可8

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.1.4可关断晶闸管的使用

用门极正脉冲可使GTO开通，用门极负脉冲可以使其关断，这是GTO最大的优点。但要使GTO关断的门极反向电流比较大，约为阳极电流的１/５左右。GTO的通态管压降比较大，一般为2～3V。GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型，在使用时要特别注意。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。学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.1.4可91.2电力晶体管

学习情境6--学习任务1电子技术及应用电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）是一种耐高电压、大电流的双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。电力晶体管是由基极电流控制其通断，属于全控型器件。可用于10kHz以下的大功率电力变换电路中。其缺点是耐冲击能力差，易受二次击穿而损坏。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。1.2电力晶体管学习情境6--学习任务1电子技术及10

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.2.1电力晶体管的结构

与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的有三层半导体、两个PN结组成。和小功率晶体管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。下图所示分别是NPN型电力晶体管的内部结构图和电气图形符号。多数情况下采用三重扩散制作电力晶体管，或是在集电区高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散高掺杂的N+发射区。

GTR的结构、电气图形符号a)b)内部结构断面示意图c)电气图形符号学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.2.1电11

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.2.2电力晶体管的工作原理电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态，通常接成共发射极电路。GTR通常工作在正偏（Ib>0）时大电流导通；反偏（Ib<0）时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作与导通和截止的开关状态。

β——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力

内部载流子的流动学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.2.2电12

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.2.3电力晶体管的特性

深饱和区：UBE>0,UBC>0，IB变化时IC不再改变，管压降UCES很小，类似于开关的通态。1.GTR共射电路输出特性输出特性：截止区(又叫阻断区)、线性放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。

截止区：IB<0(或IB=0)，UBE<0，UBC<0，GTR承受高电压，且有很小的穿透电流流过，类似于开关的断态；

线性放大区：UBE>0，UBC<0，IC=βIB，GTR应避免工作在线性区以防止大功耗损坏GTR；

准饱和区：随着IB的增大，此时UBE>0，UBC>0，但IC与IB之间不再呈线性关系，β开始下降，曲线开始弯曲；共发射极接法时GTR的输出特性学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.2.3电13

学习情境6--学习任务1电子技术及应用

1）延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。

2）td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。GTR的开通和关断过程电流波形2.GTR的开关特性（1）开通过程：学习情境6--学习任务1电子技术及应用1）延14

学习情境6--学习任务1电子技术及应用关断时间toff为：存储时间ts和与下降时间tf之和。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。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Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。GTR的开通和关断过程电流波形（2）关断过程：学习情境6--学习任务1电子技术及应用关断时间toff15

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.2.4电力晶体管的主要参数

集电极电流最大值ICM：一般以β值下降到额定值的1／2～1／3时的IC值定为ICM；

基极电流最大值IBM：规定为内引线允许通过的最大电流，通常取IBM≈(1/2～1/6)ICM；

1.电压定额2.电流定额

集基极击穿电压BUCBO：发射极开路时，集射极能承受的最高电压；

集射极击穿电压BUCEO：基极开路时，集射极能承受的最高电压；

3.最高结温TjM：

GTR的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管TjM为125～150℃，金封硅管TjM为150～170℃，高可靠平面管TjM为175～200℃。

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.2.4电16

学习情境6--学习任务1电子技术及应用4.最大耗散功率PCM：

即GTR在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热，如果散热条件不好，GTR会因温度过高而迅速损坏。5.饱和压降UCES：

为GTR工作在深饱和区时，集射极间的电压值。由图可知，UCES随IC增加而增加。在IC不变时，UCES随管壳温度TC的增加而增加。

6.共射直流电流增益β：表示GTR的电流放大能力。高压大功率GTR(单管)一般β＜10；β=IC／IB饱和压降特性曲线学习情境6--学习任务1电子技术及应用4.最大耗散功17

学习情境6--学习任务1电子技术及应用

一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。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：

一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变

。1.二次击穿一次击穿、二次击穿原理二次击穿临界线1.2.5二次击穿和安全工作区

2.安全工作区

安全工作区SOA(SafeOperationArea)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。

按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。学习情境6--学习任务1电子技术及应用181.3电力场效应管

学习情境6--学习任务1电子技术及应用分为结型场效应管简称JFET）和绝缘栅金属-氧化物-半导体场效应管（简称MOSFET）。通常指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。N沟道P沟道电力MOSFET耗尽型：增强型:耗尽型增强型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道；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特点：输入阻抗高(可达40MΩ以上)、开关速度快，工作频率高(开关频率可达1000kHz)、驱动电路简单，需要的驱动功率小、热稳定性好、无二次击穿问题、安全工作区(SOA)宽；电流容量小，耐压低，一般只适用功率不超过10kW的电力电子装置。1.3电力场效应管学习情境6--学习任务1电子技术19

学习情境6--学习任务1电子技术及应用特点：

(1)垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；(2)设置了高电阻率的N－区以提高电压容量；(3)短沟道(1～2μm)降低了栅极下端SiO2层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；(4)载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。VDMOS的典型结构N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号1.3.1电力场效应管的结构学习情境6--学习任务1电子技术及应用特点：VDMOS20

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.3.2电力场效应管的工作原理

VDMOS的漏极电流ID受控于栅压UGS；1.截止：栅源电压UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT为开启电压，又叫阈值电压)；2.导通：UGS＞UT时，加至漏极电压UDS＞0；3.漏极电流ID：N沟道VDMOS管元胞结构与电气符号

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.3.2电21

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.3.3电力场效应管的特性

在不同的UGS下，漏极电流ID与漏极电压UDS间的关系曲线族称为VDMOS的输出特性曲线。如图所示，它可以分为四个区域：1.截止区：当UGS＜UT(UT的典型值为2~4V)时；

2.线性(导通)区：当UGS＞UT且UDS很小时，ID和UGS几乎成线性关系。又叫欧姆工作区；3.饱和区(又叫有源区)：在UGS＞UT时，且随着UDS的增大，ID几乎不变;4.雪崩区：当UGS＞UT，且UDS增大到一定值时；VDMOS管的输出特性学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.3.3电22

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.3.4电力场效应管的主要参数

1.漏极电压UDS

即电力MOSFET的额定电压，选用时必须留有较大安全裕量。

即电力MOSFET的额定电流，其大小主要受管子的温升限制。2.漏极最大允许电流IDM3.栅源电压UGS

栅极与源极之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。4.极间电容输入电容：输出电容：反馈电容：VDMOS极间电容等效电路

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.3.4电231.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT)

学习情境6--学习任务1电子技术及应用IGBT：绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。IGBT于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。目前IGBT产品已系列化，最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50kHZ。在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市场。1.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT)学习情境6--24

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.4.1绝缘栅双极型晶体管的结构绝缘栅双极晶体管也是一种多元结构的器件，如所示为其中一个小元结构的剖面图。与功率MOSFET相比，在漏极N+区下面多了个P+层，形成一个新的PN结J1，器件集电极即从这个P+层引出。栅极和发射极结构则类似于功率MOSFET。因此从电路来看，IGBT相当于一个N沟道MOSFET驱动的PNP型GTR。其等效电路和电路符号如图所示。IGBT的结构、简化等效电路

与电气符号

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.4.1绝25

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.4.2绝缘栅双极型晶体管的工作原理

IGBT也属场控器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种由栅极电压UGE控制集电极电流的栅控自关断器件。

导通：UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，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不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT伏安特性学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.4.2绝26

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.4.3绝缘栅双极型晶体管的特性1.IGBT的伏安特性反映在一定的栅极一发射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流Ic的关系。IGBT的伏安特性分为:截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。IGBT的伏安特性曲线学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.4.3绝27

学习情境6--学习任务1电子技术及应用

UGE>UGE(TH)(开启电压,一般为3～6V)；其输出电流Ic与驱动电压UGE基本呈线性关系；IGBT的转移特性曲线IGBT关断：IGBT开通：UGE<UGE(TH)；2.IGBT的转移特性学习情境6--学习任务1电子技术及应用UGE>28

学习情境6--学习任务1电子技术及应用（1）IGBT的开通过程：

从正向阻断状态转换到正向导通的过程。开通延迟时间td(on)：IC从10%UCEM到10%ICM所需时间。电流上升时间tr：IC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间ton：ton=td(on)+trIGBT的开关特性

3.IGBT的开关特性学习情境6--学习任务1电子技术及应用（1）IGBT的29

学习情境6--学习任务1电子技术及应用（2）IGBT的关断过程关断延迟时间td(off)：从UGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到ic下降至90%ICM

电流下降时间：ic从90%ICM下降至10%ICM。关断时间toff：关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2tfi1——IGBT内部的MOSFET的关断过程，ic下降较快；tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，ic下降较慢。图1.7.3IGBT的开关特性

学习情境6--学习任务1电子技术及应用（2）IGBT的30

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.4.4绝缘栅双极型晶体管的主要参数1.最大集射极间电压UCEM：

IGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。

2.栅射极额定电压UGEM：

IGBT是电压控制器件，靠加到栅极的电压信号控制IGBT的导通和关断，而UGEM就是栅极控制信号的电压额定值。3.集电极电流最大值ICM：

IGBT的IC增大，可至器件发生擎住效应，此时为防止发生擎住效应，规定的集电极电流最大值ICM。

4.最大集电极功耗PCM：

正常工作温度下允许的最大功耗。

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.4.4绝缘311.5全控型器件的驱动电路

学习情境6--学习任务1电子技术及应用

将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。驱动电路的基本任务：1.5全控型器件的驱动电路学习情境6--学习任务132

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.5.1GTO的驱动电路

开通：在门极加正驱动电流。GTO的几种基本驱动电路：关断：在门极加很大的负电流。学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.5.1G33

学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.图(a)晶体管Ｔ导通、关断过程：

电源Ｅ经Ｔ使GTO触发导通，电容Ｃ充电，电压极性如图示。当Ｔ关断时，电容Ｃ放电，反向电流使GTO关断。Ｒ起开通限流作用，Ｌ在SCR阳极电流下降期间释放出储能，补偿GTO的门极关断电流，提高了关断能力。

该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电源，其关断能力有限且不易控制。另一方面，电容Ｃ上必须有一定的能量才能使GTO关断，故触发Ｔ的脉冲必须有一定的宽度。学习情境6--学习任务1电子技术及应用1.图(a34

学习情境6--学习任务1电子技术及应用导通：Ｔ1、Ｔ2导通时GTO被触发；关断：Ｔ1、Ｔ2关断和SCR１、SCR２

导通时GTO门极与阴极间流过负电流而被关断；

由于GTO的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲。2.图(b)晶体管Ｔ导通、关断过程：学习情境6--学习任务1电子技术及应用导通：Ｔ1、Ｔ235

学习情境6--学习任务1电子技术及应用

图(c)中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电路简单。

图(d)，对于300A以上的GTO，