第2章電力電子器件2.1電力電子器件概述2.2不可控器件電力二極管2.3半控型器件晶閘管2.4典型全控型器件2.5其他新型電力電子器件2.6功率集成電路與集成電力電子模塊本章小結(jié),2/89,引言,模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)晶體管和集成電路等電子器件電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子器件本章主要內(nèi)容：對(duì)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題作了簡(jiǎn)要概述。分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。,3/89,2.1電力電子器件概述,2.1.1電力電子器件的概念和特征2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子器件的分類2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),4/89,2.1.1電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的概念電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。,5/89,2.1.1電力電子器件的概念和特征,電力電子器件的特征所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。由信息電子電路來控制,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。,6/89,2.1.1電力電子器件的概念和特征,通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。,通態(tài)損耗,斷態(tài)損耗,開關(guān)損耗,開通損耗,關(guān)斷損耗,電力電子器件的功率損耗,7/89,2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成,電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。,電氣隔離,圖2-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成,8/89,2.1.3電力電子器件的分類,按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度半控型器件主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。全控型器件目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。不可控器件電力二極管（PowerDiode）不能用控制信號(hào)來控制其通斷。,9/89,2.1.3電力電子器件的分類,按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)電流驅(qū)動(dòng)型通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外）脈沖觸發(fā)型通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。電平控制型必須通過持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。,10/89,2.1.3電力電子器件的分類,按照載流子參與導(dǎo)電的情況單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電。雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。復(fù)合型器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。,11/89,2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),本章內(nèi)容按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。學(xué)習(xí)要點(diǎn)最重要的是掌握其基本特性。掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。,12/89,2.2不可控器件電力二極管,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理2.2.2電力二極管的基本特性2.2.3電力二極管的主要參數(shù)2.2.4電力二極管的主要類型,13/89,2.2不可控器件電力二極管引言,電力二極管（PowerDiode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。,整流二極管及模塊,14/89,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理,電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。,圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào),15/89,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理,二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。,16/89,2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理,PN結(jié)的電容效應(yīng)稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?17/89,2.2.2電力二極管的基本特性,靜態(tài)特性主要是指其伏安特性正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。,圖2-5電力二極管的伏安特性,18/89,2.2.2電力二極管的基本特性,u,圖2-6電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,動(dòng)態(tài)特性因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。延遲時(shí)間：td=t1-t0電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。,t0:正向電流降為零的時(shí)刻,t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻,t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻,19/89,2.2.2電力二極管的基本特性,由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。正向恢復(fù)時(shí)間tfr出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。,圖2-6電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,20/89,2.2.3電力二極管的主要參數(shù),正向平均電流IF(AV)指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。,21/89,2.2.3電力二極管的主要參數(shù),最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。反向恢復(fù)時(shí)間trr浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。,22/89,2.2.4電力二極管的主要類型,按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上。其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。,23/89,2.2.4電力二極管的主要類型,快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiodeFRD）恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5s以下）?？旎謴?fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右）。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。,24/89,2.2.4電力二極管的主要類型,肖特基二極管（SchottkyBarrierDiodeSBD）屬于多子器件優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns），正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高。弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。,25/89,2.3半控型器件晶閘管,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.3.2晶閘管的基本特性2.3.3晶閘管的主要參數(shù)2.3.4晶閘管的派生器件,26/89,2.3半控器件晶閘管引言,晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。,晶閘管及模塊,27/89,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管的結(jié)構(gòu)從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)。引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。,圖2-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào),28/89,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理,晶閘管的工作原理按照晶體管工作原理，可列出如下方程：,式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。,29/89,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值。,由以上式（2-1）（2-4）可得,(2-5),30/89,2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光觸發(fā)這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,31/89,2.3.2晶閘管的基本特性,靜態(tài)特性正常工作時(shí)的特性當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。,32/89,2.3.2晶閘管的基本特性,晶閘管的伏安特性正向特性當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。,圖2-9晶閘管的伏安特性IG2IG1IG,33/89,2.3.2晶閘管的基本特性,反向特性其伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過。當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。,圖2-9晶閘管的伏安特性IG2IG1IG,34/89,2.3.2晶閘管的基本特性,動(dòng)態(tài)特性開通過程由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。延遲時(shí)間td(0.51.5s)上升時(shí)間tr(0.53s)開通時(shí)間tgt=td+tr延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。,圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,35/89,2.3.2晶閘管的基本特性,關(guān)斷過程由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽極電流在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。,圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,100%,36/89,2.3.3晶閘管的主要參數(shù),電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見圖2-9）。國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。反向重復(fù)峰值電壓URRM是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見圖2-8）。規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。,37/89,2.3.3晶閘管的主要參數(shù),通態(tài)（峰值）電壓UT晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。電流定額通態(tài)平均電流IT(AV）國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。,38/89,2.3.3晶閘管的主要參數(shù),維持電流IH維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。結(jié)溫越高，則IH越小。擎住電流IL擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。約為IH的24倍浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。,39/89,2.3.3晶閘管的主要參數(shù),動(dòng)態(tài)參數(shù)開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。,40/89,2.3.4晶閘管的派生器件,快速晶閘管（FastSwitchingThyristorFST）有快速晶閘管和高頻晶閘管?？焖倬чl管的開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。從關(guān)斷時(shí)間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。,41/89,2.3.4晶閘管的派生器件,雙向晶閘管（TriodeACSwitchTRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。,圖2-11雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性,42/89,2.3.4晶閘管的派生器件,a),K,G,A,逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristorRCT）是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。,圖2-12逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性,43/89,2.3.4晶閘管的派生器件,A,G,K,a),AK,光控晶閘管（LightTriggeredThyristorLTT）是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。,圖2-13光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性,44/89,2.4典型全控型器件,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管2.4.2電力晶體管2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.4.4絕緣柵雙極晶體管,45/89,2.4典型全控型器件引言,門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。,電力MOSFET,IGBT單管及模塊,46/89,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管,晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理GTO的結(jié)構(gòu)是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。,圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào),47/89,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管,圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理,GTO的工作原理仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。GTO與普通晶閘管的不同設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。,48/89,2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+220V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。極間電容CGS、CGD和CDS。漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。,68/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。,69/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT的結(jié)構(gòu)是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。,圖2-23IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào),RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。,70/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,IGBT的工作原理IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。,71/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,IGBT的基本特性靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系。開啟電壓UGE(th)是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。,（a）,圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性,72/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,輸出特性（伏安特性）描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。當(dāng)UCE0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。,(b),圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性,73/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,動(dòng)態(tài)特性開通過程開通延遲時(shí)間td(on)電流上升時(shí)間tr電壓下降時(shí)間tfv開通時(shí)間ton=td(on)+tr+tfvtfv分為tfv1和tfv2兩段。關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)電壓上升時(shí)間trv電流下降時(shí)間tfi關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfitfi分為tfi1和tfi2兩段引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于電力MOSFET。,圖2-25IGBT的開關(guān)過程,74/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,IGBT的主要參數(shù)前面提到的各參數(shù)。最大集射極間電壓UCES由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。,75/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。,76/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)IGBT的擎住效應(yīng)在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加一個(gè)正向偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt過大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），或溫度升高。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。,77/89,2.4.4絕緣柵雙極晶體管,IGBT的安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)（ForwardBiasedSafeOperatingAreaFBSOA）根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。反向偏置安全工作區(qū)（ReverseBiasedSafeOperatingAreaRBSOA）根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt。,78/89,2.5其他新型電力電子器件,2.5.1MOS控制晶閘管MCT2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT2.5.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件,79/89,2.5.1MOS控制晶閘管MCT,MCT（MOSControlledThyristor）是將MOSFET與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。結(jié)合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)。由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用。,80/89,2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT,是一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過電力MOSFET，而功率容量也比電力MOSFET大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。柵極不加任何信號(hào)時(shí)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,81/89,2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH,可以看作是SIT與GTO復(fù)合而成。又被稱為場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristorFCT），本質(zhì)上是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。,82/89,2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT,是將一個(gè)平板型的GTO與由很多個(gè)并聯(lián)的電力MOSFET器件和其它輔助元件組成的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路采用精心設(shè)計(jì)的互聯(lián)結(jié)構(gòu)和封裝工藝集成在一起。容量與普通GTO相當(dāng)，但開關(guān)速度比普通的GTO快10倍，而且可以簡(jiǎn)化普通GTO應(yīng)用時(shí)龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過其所需的驅(qū)動(dòng)功率仍然很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)。,83/89,2.5.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力電子器件,硅的禁帶寬度為1.12電子伏特（eV），而寬禁帶半導(dǎo)體材料是指禁帶寬度在3.0電子伏特左右及以上的半導(dǎo)體材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、金剛石等材料。基于寬禁