电力电子技术02

第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件——二极管2.3半控型器件——晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件1信息电子技术的根底———信息电子器件.电力电子电路的根底———电力电子器件.第2章电力电子器件·引言本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。引见常用电力电子器件的任务原理、根本特性、 主要参数以及选择和运用中应留意问题。2电力电子开关器件：普通专指以开关方式任务的电力半导体器件，它被直接运用在电力系统或电力设备的主电路中，实现电能的变换和控制义务。教学要求1.了解电力电子开关器件的构造和任务原理；2.掌握开关器件的根本特性和主要参数。第2章电力电子器件·引言32.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2运用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1电力电子器件概述前往42.1.1电力电子器件的概念和特征1〕概念:电力电子器件〔PowerElectronicDevice〕——功率半导体开关器件，在主电路中经过控制其开关形状，能实现电能变换和控制的电子器件。主电路〔MainPowerCircuit〕——电气设备或电力系统中，直接承当电能的变换或控制义务的电路。电力电子器件前往52.1.1电力电子器件的概念和特征图1-0电力电子器件的理想开关模型2〕电力电子器件根本模型它有三个电极：其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极；它只任务在“通态〞和“断态〞两种情况：通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。前往6电力电子器件普通都任务在开关形状。主要进展电功率的处置，其才干普通远大于信息电子器件。电力电子器件往往需求由信息电子电路来驱动控制。电力电子器件功率损耗较大，远大于信息电子器件，普通都要安装散热器。2.1.1电力电子器件的概念和特征3〕电力电子器件根本特征〔由模型分析出〕：前往7通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗能够成为器件功率损耗的主要要素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗2.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗前往8电力电子系统：由控制电路、驱动电路、维护电路和以电力电子器件为中心的主电路组成。图1-1电力电子器件在实践运用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2维护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运转2.1.2运用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路前往9按照器件可以被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：半控型器件绝缘栅双极晶体管〔Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT〕电力场效应晶体管〔电力MOSFET〕门极可关断晶闸管〔GTO〕不可控器件电力二极管〔PowerDiode〕只需两个端子，器件的通和断是由其在主电路中接受的电压和电流决议的。经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关断由其在主电路中接受的电压和电流决议全控型器件经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,因此也就不需求驱动电路。前往2.1.3电力电子器件的分类10电流驱动型——经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。电压驱动型——仅经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。2.1.3电力电子器件的分类按照驱动电路信号的性质，分为两类：前往11按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)单极型器件电力电子器件的分类2.1.32)双极型器件3)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的器件。前往122.1.4如何调查电力电子器件导通压将(损耗)运转频率(恢复时间/开通时间/关断时间)器件容量(电能处置、变换的才干)可靠性(半控<全控)耐冲压力(电流过冲、半控>全控)前往132.2.1PN结与电力二极管的任务原理2.2.2电力二极管的根本特性2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型2.2不可控器件—电力二极管〔PowerDiode〕前往14PowerDiode构造和原理简单，任务可靠，自20世纪50年代初期就获得运用。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所，具有不可替代的位置。2.2不可控器件—电力二极管·引言整流二极管及模块151617根本构造和任务原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。图1-2电力二极管的外形、构造和电气图形符号a)外形b)构造c)电气图形符号2.2.1PN结与电力二极管的任务原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK前往18正导游通形状即PN结外加正向电压时，处于导通形状，表现为低阻态。但维持有1V左右的压降。反向截止形状即PN结外加反向电压时，处于截止形状，表现为高阻态。但维持有微弱的漏电流流通，也称反向饱和电流，普通为微安级，几乎为零。电容效应PN结的电荷量随外加电压而变化，故呈现电容效应。2.2.1PN结与电力二极管的任务原理前往PN结特性：※电容效应PN结的任务频率，尤其是高速的开关形状。19主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开场明显添加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。接受反向电压时，只需微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4电力二极管的伏安特性2.2.2电力二极管的根本特性1)静态特性IOIFUTOUFU前往202)动态特性——二极管的电压-电流特性随时间变化的特性；——是由于有结电容的存在。2.2.2电力二极管的根本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5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延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向〔阻断〕恢复时间：trr=td+tf。前往21——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波电流的平均值。在此电流下，因管子的正向压降引起的损耗呵斥的结温升高不会超越所允许的最高任务结温。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，运用时应按有效值相等的原那么来选取电流定额，并应留有一定的裕量。2.2.3电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)-------额定电流前往222.2.3电力二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)前往23例如:某电力二极管的额定电流是100A，那么可求得允许经过正弦半波的幅值电流Im＝314A,允许经过恣意波形的的有效值为I=157A,即阐明额定电流为100A的二极管可经过幅值为314A的正弦半波电流,可以全周期内经过恣意波形的有效值为157A电流,其功耗不超越允许值。引入波形系数2.2.3电力二极管的主要参数前往242.2.3电力二极管的主要参数3〕正向压降UF前往在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时，对应的正导游通压降。选择UF小的管子可以降低损耗。2〕反向反复峰值电压URRM对电力二极管所能反复施加的反向最顶峰值电压。运用时，该当留有两倍的裕量。4〕反向恢复时间trrtrr=td+tf25结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能接受的最高平均温度。TJM通常在125~175C范围之内。6)浪涌电流IFSM指电力二极管所能接受最大的延续一个或几个工频周期的过电流。1.2.3电力二极管的主要参数5〕最高任务结温TJM前往261)普通二极管〔GeneralPurposeDiode〕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;其反向恢复时间较长〔5US以上〕;正向电流定额和反向电压定额可以到达很高;2.2.4电力二极管的主要类型前往27从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者那么在100ns以下，甚至到达20~30ns。快恢复外延二极管〔FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED〕，其trr更短〔可低于50ns〕，UF也很低〔0.9V左右〕，但其反向耐压多在1200V以下。2.2.4电力二极管的主要类型2)快恢复二极管(快速二极管)〔FastRecoveryDiode——FRD〕前往2829肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高很多，多用于200V以下场所。反向稳态损耗不能忽略，必需严厉地限制其任务温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短〔可小于10ns〕。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降〔0.4-0.5V〕明显低于快恢复二极管(0.8-1V)。效率高，其开关损耗和正导游通损耗都比快速二极管还小。2.2.4电力二极管的主要类型3.肖特基二极管以金属和半导体接触构成的势垒为根底的二极管称为肖特基势垒二极管〔SchottkyBarrierDiode——SBD〕。前往30二极管的典型运用312.3半控器件—晶闸管2.3.1晶闸管的构造与任务原理2.3.2晶闸管的根本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件前往322.3半控器件—晶闸管·引言1956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。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速开展和广泛运用的崭新时代。20世纪80年代以来，开场被全控型器件取代。能接受的电压和电流容量最高，任务可靠，在大容量的场所具有重要位置。电力电子技术诞生的标志性器件。晶闸管〔Thyristor〕：晶体闸流管、可控硅整流器〔SiliconControlledRectifier——SCR〕33图1-6晶闸管的外形、构造和电气图形符号a)外形b)构造c)电气图形符号2.3.1晶闸管的构造与任务原理外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器严密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。前往342.3.1晶闸管的构造与任务原理常用晶闸管的构造螺栓型晶闸管前往351〕平板型2〕螺栓型)前往363〕SL16螺栓型散热器4〕模块散热器2〕SS11型水冷散热器1〕SF11型风冷散热器前往37如何控制灯泡亮、灭〔暗〕？晶闸管导通关断实验原理图2.3.1晶闸管的构造与任务原理前往38实验顺序实验前灯的情况实验时晶闸管情况实验后灯的情况阳极电压门极电压导通实验123暗暗暗反向反向反向反向零正向暗暗暗123暗暗暗正向正向正向反向零正向暗暗亮关断实验123亮亮亮正向正向正向正向零反向亮亮亮4亮正向减小到零(任意)暗39实验结论：晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何种电压，都处于关断形状；晶闸管仅在正向阳极电压与正向门极电压同时作用下，才干导通；已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，门极失去控制造用；晶闸管在导通形状时，当Ea(正向阳极电压)减小到接近零时，晶闸管关断。2.3.1晶闸管的构造与任务原理前往402.3.2晶闸管的根本特性接受反向电压时，不论门极能否有触发电流，晶闸管都不会导通。接受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才干开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制造用。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〔IH〕以下。晶闸管正常任务时的特性总结如下：前往41晶闸管关断条件：使流过晶闸管的阳极电流〔IA〕 小于晶闸管规定的维持电流。实现关断的详细措施？？？？⒈去掉阳极所加的正向电压；⒉给阳极加反向电压；⒊增大回路阻抗，使流过阳极电流〔IA〕小于维持电流IH；2.3.1晶闸管的构造与任务原理前往42任务原理与特性

一、晶闸管触发导通原理：晶闸管的三个PN结可等效看成由两个晶体管V1(P1-N1-P2)与V2(N1-P2-N2)组成。AGKP1N1J1P2N2J2J3P1N1N1P2P2N22.3.1晶闸管的构造与任务原理前往43AGKRdEaEgIaIkIgIcov1v2由图可知，v1的集电极电流同时又是v2的基极电流，v2的集电极电流同时又是v1的基极电流，当晶闸管阳极加正向电压，一旦有足够的门极电流流入时，就构成剧烈的正反响。使两晶体管饱和导通即晶闸管导通IgIb2Ic2=Ib1Ic12.3.1晶闸管的构造与任务原理电流驱动型前往442.3.1晶闸管的构造与任务原理1-----------------V1管电流增益；2-----------------V2管电流增益；ICBO1------------V1管漏电流；ICBO2-------------V2管漏电流。图1-7晶闸管的双晶体管模型及其任务原理a)双晶体管模型b)任务原理〔1-2〕〔1-1〕〔1-3〕〔1-4〕前往452.3.1晶闸管的构造与任务原理图1-7晶闸管的双晶体管模型及其任务原理a)双晶体管模型b)任务原理〔1-2〕〔1-1〕〔1-3〕〔1-4〕〔1-5〕由以上式可得：前往462.3.1晶闸管的构造与任务原理在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断形状：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。开通形状：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的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实践由外电路决议。不能够无穷大〔1-5〕前往472.3.1晶闸管的构造与任务原理阳极电压升高至相当高的数值呵斥雪崩效应；阳极电压上升率du/dt过高；结温较高；光触发。光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而运用于高压电力设备中，称为光控晶闸管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕。只需门极触发是最准确、迅速而可靠的控制手段。其他几种能够导通的情况：非正常控制正常控制前往48⒈Ig=0时，当阳极电压足够大时，晶闸管会“硬开通〞，此电压称为正向转机电压UbO。正导游通Ig0=0IaUaABIHURO⒉Ig添加时，正向转机电压减小.3.晶闸管一旦导通，门极失去控制造用.4.当晶闸管加反向电压而且此电压足够大时，晶闸管反向击穿。UbOIg1Ig2Ig2>Ig1>Ig02.3.2晶闸管的根本特性1〕静态特性前往492.3.2晶闸管的根本特性1)开经过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt：tgt=td+tr〔1-6〕100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq：tq=trr+tgr〔1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2〕动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形前往502.3.3晶闸管的主要参数断态反复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许反复加在器件上的正向峰值电压。反向反复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许反复加在器件上的反向峰值电压。通态〔峰值〕电压UT——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。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。选用时，普通取额定电压为正常任务时晶闸管所接受峰值电压2~3倍。运用留意：1〕电压定额前往512.3.2晶闸管的根本特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM前往522.3.3晶闸管的主要参数通态平均电流IT(AV〕——在环境温度为40C和规定的冷却形状下，稳定结温不超越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。标称其额定电流的参数。——运用时应按有效值相等的原那么来选取晶闸管。维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。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2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超越额定结温的不反复性最大正向过载电流。2〕电流定额前往532.3.3晶闸管的主要参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt——指在额定结温暖门极开路的情况下，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，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt——指在规定条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最大通态电流上升率。——假设电流上升太快，能够呵斥部分过热而使晶闸管损坏。3〕动态参数前往542.3.4晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。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10s左右。高频晶闸管的缺乏在于其电压和电流定额都不易做高。由于任务频率较高，任务时不能忽略其开关损耗的发热效应。1〕快速晶闸管〔FastSwitchingThyristor——FST)前往552.3.4晶闸管的派生器件2〕双向晶闸管〔TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor〕图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可以为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。前往562.3.4晶闸管的派生器件逆导晶闸管〔ReverseConductingThyristor——RCT〕a)KGAb)UOIIG=0图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性将晶闸管反并联一个二极控制造在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。可用于不需求阻断反向电压的电路中。额定电流有两个：一个是晶闸管电流、一个是二极管电流。前往572.3.4晶闸管的派生器件光控晶闸管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕图1-12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)小功率外形b)电气图形符号c)伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可防止电磁干扰的影响。因此目前用在高压大功率的场所。光强度强弱c)OUIA前往58KK---快速晶闸管KP---普通晶闸管KA---高频晶闸管补充.晶闸管常见型号认识KS---双向晶闸管前往59KP□－□□表示晶闸管普通反向阻断型额定通态平均电流正反向反复峰值电压等级通态平均电压组别补充.晶闸管常见型号〔KP型〕认识前往601.型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管运用在以下图中电路里，问能否合理？为什么〔暂不思索电压电流裕量〕？补充.思索题前往612.电路如以下图所示，假设变压器T，晶闸管VT为理想元器件，如今电源的30相位处给晶闸管一个可靠触发脉冲信号，试画出负载电压R上的电压波形图？补充.思索题前往622.电路如以下图所示，假设变压器T，晶闸管VT为理想元器件，且在电源的30相位处给晶闸管一个可靠触发脉冲信号，试画出负载电压R上的电压波形图？补充.思索题前往633.用万用表怎样区分晶闸管阳极、阴极与门极？如何初步判别晶闸管的好坏？解：用万用表丈量晶闸管三个极间的电阻。阳极A与阴极K间的正反向电阻接近无穷大，门极与阴极间电阻约为几百欧，并且G-K间的阻值略小于K-G间的阻值。补充.思索题前往643.电路如以下图所示，假设变压器T，晶闸管VT为理想元器件，且在电源的30相位处给晶闸管一个可靠触发脉冲信号，试画出负载电压R上的电压波形图？补充.思索题前往651〕平板型2〕螺栓型)前往66螺栓式器件前往673〕SL16螺栓型散热器4〕模块散热器2〕SS11型水冷散热器1〕SF11型风冷散热器前往68平板式器件前往69三相桥前往70功率半导体模块前往71前往72

前往73前往74

前往75前往76KA型高频晶闸管参数表型号ITAVVDRMVTMVGTIGTtqtgtdi/dtdv/dtRjcfmSinewave10kHz

at3ITAV

(at10kHz)

SinewaveTc=65℃VRRM25℃25℃25℃125℃25℃25℃125℃

Tc=65℃（A）（V）（V）(V)(mA)(μs)(μs)(A/μs)(V/μs)(℃/W)kHzKA2020300︱1200

3.22120102.5605000.420KA353521202.5800.2KA505021502.5800.11KA10010021502.51000.08前往77KA型高频晶闸管参数表型号ITAVVDRMVTMVGTIGTtqtgtdi/dtdv/dtRjcfmSinewave10kHz

at3ITAV

(at10kHz)

SinewaveTc=65℃VRRM25℃25℃25℃125℃25℃25℃125℃

Tc=65℃（A）（V）（V）(V)(mA)(μs)(μs)(A/μs)(V/μs)(℃/W)kHzKA10001000

300︱16003.232502043008000.02010︱（6）KA12001200325043000.015KA16001600325043000.012KA20002000325043000.010前往78KA型高频晶闸管参数表1〕表中di/dt是在10kHz下测试的高频di/dt；

2〕表中fm为最高任务频率；3〕当fm为6kHz以下时，可以提供VDRM、VRRM高达1600V的元件；4〕以上为清华川普公司产品。前往79双向晶闸管〔KS〕系列参数

上海正力整流器前往80前往81前往822.4典型全控型器件2.4.1门极可关断晶闸管〔GTO〕2.4.2电力晶体管_(GTR/BJT)2.4.3电力场效应晶体管(P-MOSFET)2.4.4绝缘栅双极晶体管(IGBT)前往831.4典型全控型器件·引言门极可关断晶闸管——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。842.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块852.4.1门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件;可以经过在门极施加负的脉冲电流使其关断;GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因此在兆瓦级以上的大功率场所仍有较多的运用。门极可关断晶闸管〔Gate-Turn-OffThyristor—GTO〕前往862.4.1门极可关断晶闸管构造：与普通晶闸管的一样点：PNPN四层半导体构造，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。图1-13GTO的内部构造和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔陈列的图形b)并联单元构造断面表示图c)电气图形符号1〕GTO的构造和任务原理前往871.4.1门极可关断晶闸管任务原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。图1-7晶闸管的双晶体管模型及其任务原理1+2=1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和2。前往882.4.1门极可关断晶闸管GTO可以经过门极关断的缘由是其与普通晶闸管有如下区别：设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。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。多元集成构造，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。图1-7晶闸管的任务原理前往892.4.1门极可关断晶闸管GTO导经过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有剧烈正反响使器件退出饱和而关断。多元集成构造还使GTO比普通晶闸管开经过程快，接受di/dt才干强。由上述分析我们可以得到以下结论：前往902.4.1门极可关断晶闸管开经过程：与普通晶闸管一样关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf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1-14GTO的开通和关断过程电流波形GTO的动态特性前往912.4.1门极可关断晶闸管GTO的主要参数——延迟时间与上升时间之和。延迟时间普通约1~2s，上升时间那么随通态阳极电流的增大而增大。——普通指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间普通小于2s。〔2〕关断时间toff〔1〕开通时间ton不少GTO都制呵斥逆导型，类似于逆导晶闸管，需接受反压时，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一样，以下只引见意义不同的参数。前往922.4.1门极可关断晶闸管〔3〕最大可关断阳极电流IATO〔4〕电流关断增益offoff普通很小，只需5左右，这是GTO的一个主要缺陷。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。〔1-8〕前往932.4.2电力晶体管电力晶体管〔GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管〕。耐高电压、大电流的双极结型晶体管〔BipolarJunctionTransistor——BJT〕，英文有时候也称为PowerBJT。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。前往94与普通的双极结型晶体管根本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元构造。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。2.4.2电力晶体管1〕GTR的构造和任务原理图1-15GTR的构造、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部构造断面表示图b)电气图形符号c)内部载流子的流动前往952.4.2电力晶体管在运用中，GTR普通采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为〔1-9〕——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制才干。当思索到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo〔1-10〕单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1〕GTR的构造和任务原理前往962.4.2电力晶体管(1)

静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR任务在开关形状。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce图1-16共发射极接法时GTR的输出特性2〕GTR的根本特性前往972.4.2电力晶体管开经过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。加快开经过程的方法。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。加快关断速度的方法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图1-17GTR的开通和关断过程电流波形(2)

动态特性前往982.4.2电力晶体管前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff(此外还有)：1)

最高任务电压GTR上电压超越规定值时会发生击穿。击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。实践运用时，最高任务电压要比BUceo低得多。3〕GTR的主要参数前往992.4.2电力晶体管通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。实践运用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3)集电极最大耗散功率PcM最高任务温度下允许的耗散功率。产品阐明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高任务温度。2)

集电极最大允许电流IcM前往1002.4.2电力晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。只需Ic不超越限制，GTR普通不会损坏，任务特性也不变。二次击穿：一次击穿发生时，Ic忽然急剧上升，电压陡然下降。经常立刻导致器件的永久损坏，或者任务特性明显衰变。平安任务区〔SafeOperatingArea——SOA〕最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界限限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图1-18GTR的平安任务区GTR的二次击穿景象与平安任务区前往1012.4.3电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的MOS型〔MetalOxideSemiconductorFET〕简称电力MOSFET〔PowerMOSFET〕结型电力场效应晶体管普通称作静电感应晶体管〔StaticInductionTransistor——SIT〕

特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需求的驱动功率小。开关速度快，任务频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，普通只适用于功率不超越10kW的电力电子安装。电力场效应晶体管前往1022.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。加强型——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沟道加强型。1〕电力MOSFET的构造和任务原理前往1032.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET的构造是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管一样，但构造上有较大区别。采用多元集成构造，不同的消费厂家采用了不同设计。图1-19电力MOSFET的构造和电气图形符号前往1042.4.3电力场效应晶体管小功率MOS管是横导游电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电构造，又称为VMOSFET〔VerticalMOSFET〕。按垂直导电构造的差别，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双分散MOS构造的VDMOSFET〔VerticalDouble-diffusedMOSFET〕。这里主要以VDMOS器件为例进展讨论。电力MOSFET的构造前往1052.4.3电力场效应晶体管截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间构成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层构成N沟道而使PN结J1消逝，漏极和源极导电。图1-19电力MOSFET的构造和电气图形符号电力MOSFET的任务原理前往1062.4.3电力场效应晶体管

(1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20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MOSFET的根本特性前往1072.4.3电力场效应晶体管截止区〔对应于GTR的截止区〕饱和区〔对应于GTR的放大区〕非饱和区〔对应GTR的饱和区〕任务在开关形状，即在截止区和非饱和区之间来回转换。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。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A前往1082.4.3电力场效应晶体管开经过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a〕b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流(2)

动态特性前往1092.4.3电力场效应晶体管MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在10~100ns之间，任务频率可达100kHz以上，是主要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，所需求的驱动功率越大。MOSFET的开关速度前往1102.4.3电力场效应晶体管3)电力MOSFET的主要参数——电力MOSFET电压定额(1)

漏极电压UDS(2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额(3)栅源电压UGS——UGS>20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(4)

极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS前往1112.4.4绝缘栅双极晶体管两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管〔Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT〕GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986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GTO的位置。GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流才干很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。前往1122.4.4绝缘栅双极晶体管1)IGBT的构造和任务原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图1-22IGBT的构造、简化等效电路和电气图形符号a)内部构造断面表示图b)简化等效电路c)电气图形符号前往1132.4.4绝缘栅双极晶体管图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流才干。简化等效电路阐明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿构造，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。图1-22IGBT的构造、简化等效电路和电气图形符号a)内部构造断面表示图b)简化等效电路c)电气图形符号IGBT的构造前往1142.4.4绝缘栅双极晶体管

驱动原理与电力MOSFET根本一样，场控器件，通断由栅射极电压uGE决议。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内构成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消逝，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的原理前往115a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE添加2.4.4绝缘栅双极晶体管2)IGBT的根本特性(1)

IGBT的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。前往1162.4.4绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBT的开经过程

与MOSFET的类似开通延迟时间td(on)电流上升时间tr开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独任务的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时任务的电压下降过程。(2)

IGBT的动态特性前往1172.4.4绝缘栅双极晶体管图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间td(off〕电流下降时间关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的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。IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM前往1182.4.4绝缘栅双极晶体管3)IGBT的主要参数——正常任务温度下允许的最大功耗。(3)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——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压UCES前往1192.4.4绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。一样电压和电流定额时，平安任务区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击才干。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流才干还可以进一步提高，同时坚持开关频率高的特点。前往1202.4.4绝缘栅双极晶体管擎住效应或自锁效应：IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一同，制成模块，成为逆导器件。——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。反向偏置平安任务区〔RBSOA〕——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。正偏平安任务区〔FBSOA〕动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期