1、第一章第一章本本章章主主要要內(nèi)內(nèi)容容1.1電力電子器件的特點(diǎn)與分類1.2功率二極管1.3晶閘管及派生器件 1.4門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)1.5 功率晶體管(GTR)第1章 電力電子器件1.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.8 其他新型電力電子器件1.7絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)1.1電力電子器件的特點(diǎn) f(1) 電力電子器件往往工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài);f(2) 電力電子器件處理的功率較大，具有較高的導(dǎo)通電流和阻斷電壓;f(3) 電力電子器件的工作狀態(tài)通常由信息電子電路來(lái)控制;f(4) 需要緩沖和保護(hù)電路.1.1電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 半控型器件

2、半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（ThyristorThyristor）及其大部分派生器件。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。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。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBTIGBT和和Power MOSFETPower MOSFET。 通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件不可控器件 功率二極管（功率二極管（Power DiodePower Diode） 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。不能用控制信號(hào)來(lái)控制其

3、通斷。1.1電力電子器件的分類按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)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。根據(jù)器件內(nèi)部帶電粒子參與導(dǎo)電的種類不同根據(jù)器件內(nèi)部帶電粒子參與導(dǎo)電的種類不同 單極型單極型 器件內(nèi)部只有一種帶電粒子參與導(dǎo)電，如Power MOSFET。 雙極型雙極型 器件內(nèi)有電子和空穴兩種帶電粒子參與導(dǎo)電，如GTR和GTO。 復(fù)合型復(fù)合型 由雙極型器件與單極型器件復(fù)合而成的新器件，如IGBT。 1.2功率二極管1.2.1 功率二極管的主要類型 (1)普通

4、二極管 又稱為整流二極管，開(kāi)關(guān)頻率不高，反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，正向電流定額和反向電壓定額很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。 (2)快速恢復(fù)二極管 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。工藝上通常分為PN結(jié)構(gòu)和PIN結(jié)構(gòu)； 其反向恢復(fù)時(shí)間比較短，正向壓降很低。 (3)肖特基二極管 優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)時(shí)間很短，其正向壓降也很小(0.5V) ，開(kāi)關(guān)損耗小。 缺點(diǎn)：當(dāng)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。同時(shí)，由于反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，反向穩(wěn)態(tài)損耗不可忽略，而且必須嚴(yán)格限制其工作溫度。1

5、.2.2 PN結(jié)型功率二極管基本結(jié)構(gòu)圖1-1 功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)1.2.2 PN結(jié)型功率二極管基本特性 圖1-2 結(jié)型功率二極管的伏安特性 1.2.2 PN結(jié)型功率二極管基本特性 圖1-3 結(jié)型功率二極管的開(kāi)關(guān)過(guò)程1.2.4 功率二極管的主要參數(shù)(1) 額定電壓URR 反向不重復(fù)峰值電壓URSM是即將出現(xiàn)反向擊穿的臨界電壓，URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。(2) 額定電流IFR IFR定義為在環(huán)境溫度和規(guī)定的散熱條件下，其管芯PN結(jié)的溫升不超過(guò)允許值時(shí)，所允許流過(guò)的正弦半波電流平均值。(3) 最大允許的全周期均方根正向電流IFrms(4) 最大允許非重復(fù)浪涌電流

6、IFSM IFSM是二極管所允許的半周期峰值浪涌電流，它體現(xiàn)了功率二極管抗短路沖擊電流的能力，其值比額定電流要大得多。 FRmm011sin()2IItI2Frmsmm011(sin)()22IItdtI1.3晶閘管-結(jié)構(gòu) 圖圖1-5 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào) 晶閘管就是硅晶體閘管也稱為可控硅整流器。普通晶閘管是一種具有開(kāi)關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。1.3晶閘管-封裝 1.3晶閘管-螺栓式1.3晶閘管-平板式1.3晶閘管-模塊式模塊式模塊式1.3晶閘管-P1N1P2N2A陽(yáng)極（Anode）G門極（Gate）K陰極（Cathode）結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)AGK電氣符號(hào)電氣符號(hào)1.3晶閘

7、管-EgSAGKEAR晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)驗(yàn)電路晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)驗(yàn)電路1.3晶閘管-AGKEgSEAR門極加負(fù)電壓門極加負(fù)電壓1.3晶閘管-門極加正電壓門極加正電壓AGKEgSEARIgIA1.3晶閘管-導(dǎo)通后門極加負(fù)電壓導(dǎo)通后門極加負(fù)電壓AGKEgSEARIA1.3晶閘管-導(dǎo)通后撤除門極電壓導(dǎo)通后撤除門極電壓SAGKEgEARIA1.3晶閘管-導(dǎo)通后減小陽(yáng)極電流導(dǎo)通后減小陽(yáng)極電流AGKEgSEAnRIAR1.3晶閘管-AGKEgSR導(dǎo)通后減小陽(yáng)極電壓或去除陽(yáng)極電壓導(dǎo)通后減小陽(yáng)極電壓或去除陽(yáng)極電壓EA1.3晶閘管-AGKEgSEAR導(dǎo)通后陽(yáng)極加反壓導(dǎo)通后陽(yáng)極加反壓1.3晶閘管-1.3晶閘管-導(dǎo)

8、通和關(guān)斷條件 1、欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件： 應(yīng)在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上正向電壓； 應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。2、晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。3、為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽(yáng)極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽(yáng)極電壓減小到零或反向的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。1.3晶閘管-工作原理圖圖1-6 晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖晶閘管的雙晶體管模型與工作電路圖b2C2C22b211C111=(=)(=)GbCbIIIIIIIIIN2N1P2AKGP1N1P21.3晶閘管-靜態(tài)伏安特性圖圖1-7 1-7 晶閘管伏安特性曲線晶閘管伏安特性曲線 1.3晶閘管-

9、基本工作特性歸納(1)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極有否觸發(fā)電流，晶閘管都不導(dǎo)通，反向伏安特性類似于二極管。(2)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅門極有正向觸發(fā)電流的情況下才能導(dǎo)通。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿，壓降在1V左右；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。(3)要使晶閘管關(guān)斷，必須使晶閘管的電流下降到某一數(shù)值以下。(4)晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出；為保證可靠、安全地觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)，既保證有足夠的觸發(fā)功率，又確保不損壞門極和陰極之間的PN結(jié)。1.3晶閘管-動(dòng)態(tài)特性圖圖1-8 1-8 晶閘管開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管開(kāi)通

10、和關(guān)斷過(guò)程波形1.3晶閘管-電壓參數(shù)(6)通態(tài)平均電壓UT(AV) 晶閘管陽(yáng)極與陰極間電壓降的平均值,管壓降。 級(jí)別12345678910正反向重復(fù)峰值電 壓(V) 1002003004005006007008009001000級(jí)別12141618202224262830正反向重復(fù)峰值電壓(V)1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000表1-1 晶閘管正、反向重復(fù)峰值電壓等級(jí)1.3晶閘管-電流參數(shù)(1) 通態(tài)平均電流IT(Av) 在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管在導(dǎo)通角不小于170o的電阻性負(fù)載電路中，在額定結(jié)溫時(shí)，所允許通過(guò)

11、的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取整數(shù)值，稱為該晶閘管的通態(tài)平均電流，定義為該元件的額定電流。（2）波形系數(shù) 各種有直流分量的電流波形都有一個(gè)電流平均值(一個(gè)周期內(nèi)電流波形面積的平均)，也就是直流電流表的讀數(shù)值；也都有一個(gè)有效值(均方根值)。現(xiàn)定義電流波形的有效值與平均值之比稱為該波形的波形系數(shù)，用Kf表示。如整流電路直流輸出負(fù)載電流id的波形系數(shù)為fd=IKI式中，I負(fù)載電流有效值； Id負(fù)載電流平均值。1.3晶閘管-電流參數(shù)根據(jù)規(guī)定條件，流過(guò)晶閘管為工頻正弦半波電流波形。設(shè)電流峰值為Im，則通態(tài)平均電流 該電流波形的有效值mmTavm1sin()( cos)22oo

12、IIIItdtt2mTmm111cos2sind()()d()22222ooItIIttIt正弦半波電流波形系數(shù)Kf應(yīng)有 TmfTavm/ 21.57/IIKII額定電流為100A的晶閘管，其允許通過(guò)電流有效值為1.57100=157 1.3晶閘管-電流參數(shù) 在實(shí)際電路中，流過(guò)晶閘管的波形可能是任意的非正弦波形，如何去計(jì)算和選擇晶閘管的額定電流值，應(yīng)根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則，將非正弦半波電流的有效值IT或平均值Id折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值，即TTavTavdTfdf1.571.57IIIIIK IK實(shí)際選用時(shí)，一般考慮1.52倍的安全裕量 Tavdf1.57(

13、1.5 2)IIK1.3晶閘管-電流參數(shù)例例1.1： 實(shí)際流過(guò)晶閘管的電流波形i1和i2如圖，其峰值分別為Im1和Im2。計(jì)算結(jié)果如下：i10 /2 2 5/2 tIm1i2Im20 2/3 2 8/3 t 若不考慮安全裕量，求KP100型晶閘管中流過(guò)i1和i2電流時(shí)所能承受的最大平均電流值。1.3晶閘管-電流參數(shù)（1）實(shí)際電流波形i1的平均值、有效值和波形系數(shù)i10 /2 2 5/2 tIm1平均值m1m1d122)d(sin21IttII有效值2221111111(sin)sin222242mmmItIItd( ttI2波形系數(shù)1fd12.222IKI1.3晶閘管-電流參數(shù)（1）若不考慮安

14、全裕量，求KP100型晶閘管中流過(guò)i1電流時(shí)所能承受的最大平均電流值。i10 /2 2 5/2 tIm1TavTd1ff1.571.57 10070.7A2.22IIIKK考慮安全裕量Id1=70.7/(1.52)=35.3547.13A1.3晶閘管-電流參數(shù)（2）實(shí)際電流波形i2的平均值、有效值和波形系數(shù)320m2m2d23)d(21ItII平均值有效值22m22m220112() d()22323mIIItI3波形系數(shù)2fd231.73IKI1.3晶閘管-電流參數(shù)TavTd2ff1.571.57 10090.7A1.73IIIKK（2）若不考慮安全裕量，求KP100型晶閘管中流過(guò)i2電流時(shí)

15、所能承受的最大平均電流值?？紤]安全裕量Id2=90.7/(1.52)=45.3560.46A1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計(jì)算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量時(shí)，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？d1m1m1012sind()127.3AIIttI21m1m1011sind()141.4A2IIttI有效值f11=1.112 2K波形系數(shù)波形系數(shù)平均值1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計(jì)算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200

16、A，不考慮安全裕量，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？f11.11KTavd1f1d1Tavf1.57127.2 1.1190A1.571.57II KIIK（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）d1127.3AId1f1Tav127.2 1.11(1.52)(1.52)135180A1.571.57I KI1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計(jì)算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量時(shí)，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？d2m2m2m2/313s

17、ind()0.47895.6A2IIttII22m2m2m2/3113sind()0.634126.8A38IIttII2f2d2=1.326IKI波形系數(shù)平均值有效值1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計(jì)算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？f21.326Kd2f 2Tav95.6 1.32680.76A1.571.57IKI（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）d295.6AId2f 2Tav95.6 1

18、.326(1.52)(1.52)121.1161.5A1.571.57IKI1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計(jì)算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量時(shí)，各應(yīng)選擇額定電流為多大的晶閘管？/2m3d3m301d()50A24IIIt2/2m33m301d()100A22IIIt3f3d3=2IKI波形系數(shù)平均值有效值1.3晶閘管-電流參數(shù)例1.2： 圖中波形的陰影部分為晶閘管中的電流波形，其最大值為Im，計(jì)算各波形電流平均值、有效值與波形系數(shù)。若設(shè)Im均為200A，不考慮安全裕量，各應(yīng)選擇額定電流為多大的

19、晶閘管？f32Kd2f 2Tav50263.7A1.571.57IKI（5，10，20，30，50，80，100，200，300，400，500，600，800，1000）d350AId3f 3Tav502(1.52)(1.52)95.55127.4A1.571.57IKI1.3晶閘管-電流參數(shù)(2) 維持電流IH晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通以后，在室溫和門極開(kāi)路的條件下，減小陽(yáng)極電流，使晶閘管維持通態(tài)所必需的最小陽(yáng)極電流。(3) 掣住電流IL晶閘管一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通就去掉觸發(fā)信號(hào)，能使晶閘管保持導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極電流。(4) 斷態(tài)重復(fù)平均電流IDR和反向重復(fù)平均電流IRR額定結(jié)溫和門極開(kāi)路時(shí)，對(duì)應(yīng)于斷態(tài)重復(fù)

20、峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓下的平均漏電流。(5) 浪涌電流ITSM在規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內(nèi)所允許的最大過(guò)載峰值電流。 1.3晶閘管-動(dòng)態(tài)參數(shù)(1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路下，使晶閘管保持?jǐn)鄳B(tài)所能承受的最大電壓上升率。(2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規(guī)定條件下，晶閘管用門極觸發(fā)信號(hào)開(kāi)通時(shí)，晶閘管能夠承受而不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率。 (3)開(kāi)通時(shí)間tON 開(kāi)通時(shí)間tON由延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr組成。圖1-9 門極控制開(kāi)通時(shí)間1.3晶閘管-動(dòng)態(tài)參數(shù)(4) 關(guān)斷時(shí)間方tOFF 關(guān)斷時(shí)間包括反向恢復(fù)時(shí)間trr和門極恢復(fù)時(shí)間tgr兩部分。從通態(tài)電流降至零瞬

21、間起，到晶閘管開(kāi)始能承受規(guī)定的斷態(tài)電壓瞬間止的時(shí)間間隔。圖1-10 晶閘管電路換向關(guān)斷時(shí)間 1.3晶閘管-派生器件1、快速晶閘管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。與普通晶閘管相比，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(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。2、雙向晶閘管雙向晶閘管與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，而且控制電路比較簡(jiǎn)單，所以在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器和交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。 1.3晶閘管-派生器件3、逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等

22、優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。4、光控晶閘管光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。1.3晶閘管-型號(hào)例如，KP20015G的型號(hào)，具體表示為額定電流200A，額定電壓為1500V，G表示通態(tài)平均電壓(管壓降)為lV的普通型晶閘管，共有從A-I九級(jí)，對(duì)應(yīng)0.4-1.2V管壓降。 KK快速晶閘管KS雙向晶閘管KA高頻晶閘管1.4門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)圖圖1-15 GTO1-15 GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號(hào)的結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號(hào) b2C2C22b211C111=(=)(=)GbCbIIIIIIIII1.4 GTO-開(kāi)通機(jī)理GTO導(dǎo)

23、通的必要條件是： 121aa此時(shí)注入門極的電流IG為： 12GA21 ()aaIIa1.4 GTO-開(kāi)通機(jī)理12GA21 ()aaIIaKAGAc1c21 A2 KIIIIIIII因1.4 GTO-關(guān)斷機(jī)理12GMATO2() 1aaIIaGTO關(guān)斷條件： 1.4 GTO-失效機(jī)理產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因:(1)但由于制造工藝、材料質(zhì)量等問(wèn)題，很難保證一個(gè)大功率GTO內(nèi)部所有小元的特性完全相同;(2)若這些小元性能不一致，就可能造成穩(wěn)態(tài)工作時(shí)電流分配不均，開(kāi)關(guān)時(shí)間不同;(3)造成部分先開(kāi)通小元局部電流過(guò)大而燒壞，使器件永久失效。 解決方法解決方法:(1)一方面在工藝上應(yīng)改善內(nèi)部大面積擴(kuò)散及載流子壽命的

24、均勻性，以保證內(nèi)部小元性能的一致； (2)另一方面，從電路上則應(yīng)提高門極觸發(fā)電流的強(qiáng)度和上升率，以改善內(nèi)部小GTO元的開(kāi)通一致性。1.4 GTO-靜態(tài)特性當(dāng)外加電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓BUFO時(shí)，GTO即正向開(kāi)通，這種現(xiàn)象稱為電壓觸發(fā)。用90%BUFO值定義為正向額定電壓，用90%BUR值定義為反向額定電壓。1.4 GTO-通態(tài)壓降特性圖1-18 GTO的通態(tài)壓降特性圖1-19 GTO的安全工作區(qū)1.4 GTO-動(dòng)態(tài)特性(開(kāi)通)(1) 延遲時(shí)間td：從門極電流iG上升開(kāi)始,到陽(yáng)極電流iA上升到10%的時(shí)間。(2) 上升時(shí)間tr：陽(yáng)極可關(guān)斷電流iA從10%上升到90%所需的時(shí)間。(1) 存貯時(shí)間ts

25、：從門極關(guān)斷電流峰值10%到陽(yáng)極電流降至可關(guān)斷電流90%時(shí)間。(2)下降時(shí)間tf：陽(yáng)極可關(guān)斷電流從90%下降到10%所需的時(shí)間。 (3) 尾部時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%IA回升，后衰減至斷態(tài)漏電流的時(shí)間。 1.4 GTO-動(dòng)態(tài)特性(關(guān)斷)1.4 GTO-主要參數(shù)(3) 陽(yáng)極尖峰電壓UP：在GTO關(guān)斷過(guò)程下降時(shí)間末尾出現(xiàn)的極值電壓。(4) 關(guān)斷時(shí)間toff：toff定義為存貯時(shí)間和下降時(shí)間之和，即toff=ts+tf。1.4 GTO-主要參數(shù)(5) 陽(yáng)極電壓上升率du/dt：GTO的du/dt有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分。(6) 陽(yáng)極電流上升率di/dt：在陽(yáng)極電壓為額定電壓1/2時(shí)，陽(yáng)極電流為最大可關(guān)斷電

26、流條件下，開(kāi)通過(guò)程中陽(yáng)極電流從10到50的直線斜率。1.4 GTO IATO和off(1) 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO GTO的陽(yáng)極電流允許值受兩方面因素的影響：一是額定工作結(jié)溫，其決定了GTO的平均電流額定值；二是關(guān)斷失敗。所以GTO必須規(guī)定一個(gè)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO作為其容量，IATO即管子的銘牌。(2)電流關(guān)斷增益off 電流關(guān)斷增益off為最大關(guān)斷電流IATO與門極負(fù)電流最大值IGM之比ATO2offGM12() 1IaIaaoff表示GTO的關(guān)斷能力。當(dāng)門極負(fù)電流上升率一定時(shí)，off隨可關(guān)斷陽(yáng)極電流的增加而增加；當(dāng)可關(guān)斷陽(yáng)極電流一定時(shí)，off隨門極負(fù)電流上升率的增加而減小。 1.

27、5功率晶體管(GTR)功率晶體管又稱為電力晶體管（功率晶體管又稱為電力晶體管（GTR），它是一種耐高壓、大電），它是一種耐高壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管。流的雙極結(jié)型晶體管。GTR電氣符號(hào)與普通晶體管相同，它具有電氣符號(hào)與普通晶體管相同，它具有自關(guān)斷能力、控制方便。自自關(guān)斷能力、控制方便。自20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前大多又被圍內(nèi)取代晶閘管，但目前大多又被IGBT和功率和功率MOSFET取代。取代。1.5GTR-基本結(jié)構(gòu)cbCEOiiI1.5GTR-靜態(tài)工作特性圖1-26 GTR靜態(tài)工作特性1.5GTR-動(dòng)態(tài)工作特性GTR開(kāi)通時(shí)間ton為

28、延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr之和。td主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的，增大IB1的幅值并增大diB/dt，可縮短td和tr，從而加快開(kāi)通過(guò)程。 iBiB1.5GTR-動(dòng)態(tài)工作特性GTR關(guān)斷時(shí)間toff為儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf之和。ts是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子，是主要部分，減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或增大基極抽取負(fù)電流IB2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，加快關(guān)斷速度。GTR開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒。1.5 GTR-主要參數(shù)(1) 最高工作電壓最高工作電壓UCEMGTR電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿， 擊穿電壓跟晶體管本身特性和外電路接法有關(guān)。UCEM比UCE

29、O (基極開(kāi)路時(shí)集射極間的擊穿電壓)低得多。(2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICM電流放大倍數(shù)hFE降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的IC為集電極最大允許電流。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，一般只能用到ICM的一半或稍多一點(diǎn)。(3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PCM集電極最大耗散功率是指在最高工作溫度下允許的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。工作溫度每增加20，平均壽命大約下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，有時(shí)會(huì)因溫度過(guò)高而使GTR迅速損壞。(4) 最高結(jié)溫最高結(jié)溫TJMGTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料的性質(zhì)、器件制造工藝和封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管的TJM為125150，

30、金封硅管的TJM為150170，高可靠平面管的TJM為170200。1.5 GTR-二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)1、二次擊穿現(xiàn)象、二次擊穿現(xiàn)象 當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，IC迅速增大，這種擊穿首先出現(xiàn)的是雪崩擊穿，又稱為一次擊穿。在實(shí)際應(yīng)用中常常發(fā)現(xiàn)當(dāng)一次擊穿發(fā)生時(shí)，IC增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。二次擊穿是GTR特有的現(xiàn)象，持續(xù)時(shí)間很短，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，對(duì)GTR危害極大，必須避免。2、安全工作區(qū)、安全工作區(qū)對(duì)于GTR而言，把不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，構(gòu)成一條二次擊穿臨界線，臨界線上各點(diǎn)反

31、映了二次擊穿功率PSB。為了保證GTR正常工作，GTR最大工作電流不能超過(guò)集電極的ICM，最大耗散功率不能超過(guò)集電極允許的PCM，工作電壓不能超過(guò)最高電壓UCEM，同時(shí)也不能超過(guò)二次擊穿臨界線。這些限制條件構(gòu)成了GTR的安全工作區(qū)。1.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)Power MOSFET是一種單極型電壓全控器件，具有輸入阻抗高、工作速度快、驅(qū)動(dòng)功率小且電路簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性好、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，在各類開(kāi)關(guān)電路中應(yīng)用極為廣泛。1.6 Power MOSFET-靜態(tài)特性(1)當(dāng)UGSUT， 當(dāng)器件工作在器件飽和區(qū)時(shí)，隨著UDS的增大，ID幾乎不變，只有改變UGS才能

32、使ID發(fā)生變化。(3)而在正向電阻區(qū)，功率MOSFET處于充分導(dǎo)通狀態(tài)，UGS和UDS的增加都可使ID增大，器件如同線性電阻。正常工作時(shí)，隨UGS的變化，功率MOSFET在截止區(qū)和正向電阻區(qū)間切 1.6 Power MOSFET-動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通時(shí)間ton是延遲時(shí)間、電流上升時(shí)間與電壓下降時(shí)間之和。延遲時(shí)間td(on)從驅(qū)動(dòng)電壓前沿時(shí)刻到iD達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流ID的10。 電流上升時(shí)間tri為漏極電流iD從10ID到90%ID的時(shí)間。電壓下降時(shí)間tfv為漏極電流iD從90到UDS(管壓降)降到0的時(shí)間。1.6 Power MOSFET-主要參數(shù)(1) 通態(tài)電阻Ron通態(tài)電阻Ron是影響最大輸出功率的重要

33、參數(shù)。功率MOSFET是單極性器件，沒(méi)有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，在相同條件下，耐壓等級(jí)越高的功率MOSFET其Ron越大，這是其耐壓難以提高的原因之一。另外Ron隨ID的增加而增加，隨UGS的升高而減小。(2) 漏極電壓最大值UDSM這是標(biāo)稱功率MOSFET額定電壓的參數(shù)，為避免功率MOSFET發(fā)生雪崩擊穿，實(shí)際工作中的漏極和源極兩端的電壓不允許超過(guò)漏極電壓最大值UDSM。(3) 漏極電流最大值IDMIDM是標(biāo)稱功率MOSFET電流額定的參數(shù)，實(shí)際工作中漏源極流過(guò)的電流應(yīng)低于額定電流IDM的50。1.6 Power MOSFET-防靜電擊穿保護(hù) 功率MOSFET最大優(yōu)點(diǎn)是具有極高的輸入阻抗，因此在靜電較

34、強(qiáng)的場(chǎng)合難于泄放電荷，易引起靜電擊穿。防靜電擊穿應(yīng)注意：(1) 在測(cè)試和接入電路之前器件應(yīng)存放在靜電包裝袋、導(dǎo)電材料或金屬容器中，不能放在塑料袋中。取用時(shí)應(yīng)拿管殼部分而不是引線部分。工作人員需通過(guò)挽帶良好接地；(2) 將器件接入電路時(shí),工作臺(tái)和烙鐵都必須良好接地，焊接時(shí)烙鐵應(yīng)斷電；(3) 在測(cè)試器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器和工作臺(tái)都必須良好接地。器件的三個(gè)電極未全部接入測(cè)試儀器或電路前不要施加電壓。改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓和電源都必須先恢復(fù)到零；(4) 注意柵極電壓不要過(guò)限。1.7 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)IGBT是20世紀(jì)80年代中期問(wèn)世的一種新型復(fù)合電力電子器件。由于它兼有MOSFET的快速響應(yīng)、高輸入阻抗和GTR的低通態(tài)壓降、高電流密度的特性，這些年發(fā)展十分迅速。IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR。1.7 IGBT-工作原理由柵極電壓來(lái)控制IGBT導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)IGBT柵極加上正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)IG