1、第第2章章 電力電子器件電力電子器件 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.2 不可控器件不可控器件電力二極電力二極管管 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 2.6 功率集成電路與集成電力功率集成電路與集成電力電子模塊電子模塊 本章小結(jié)本章小結(jié) 引言引言模擬和數(shù)字電子電路的根底模擬和數(shù)字電子電路的根底 晶體管和集成電晶體管和集成電路等電子器件路等電子器件 電力電子電路的根底電力電子電路的根底 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 對電力電子器件的概念、特點和分類等問題對電力電子

2、器件的概念、特點和分類等問題作了簡要概述作了簡要概述 。 分別引見各種常用電力電子器件的任務(wù)原理、分別引見各種常用電力電子器件的任務(wù)原理、根本特性、主要參數(shù)以及選擇和運用中應(yīng)留意的根本特性、主要參數(shù)以及選擇和運用中應(yīng)留意的一些問題。一些問題。 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 2.1.2 運用電力電子器件的系統(tǒng)組成運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電力電子器件的分類 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念電

3、力電子器件的概念 電力電子器件電力電子器件Power Electronic Device是是指可直接用于處置電能的主電路中，實現(xiàn)電能的指可直接用于處置電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。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，直接主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承當(dāng)電能的變換或控制義務(wù)的電路。承當(dāng)電能的變換或控制義務(wù)的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和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。半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的特征

4、電力電子器件的特征 所能處置電功率的大小，也就是其接受電壓和所能處置電功率的大小，也就是其接受電壓和電流的才干，是其最重要的參數(shù)，普通都遠(yuǎn)大于電流的才干，是其最重要的參數(shù)，普通都遠(yuǎn)大于處置信息的電子器件。處置信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，普通都任務(wù)為了減小本身的損耗，提高效率，普通都任務(wù)在開關(guān)形狀。在開關(guān)形狀。 由信息電子電路來控制由信息電子電路來控制 ,而且需求驅(qū)動電路。而且需求驅(qū)動電路。 本身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，本身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其任務(wù)時普通都需求安裝散熱器。在其任務(wù)時普通都需求安裝散熱器。 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力

5、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。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，開關(guān)損耗會隨之增當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而能夠成為器件功率損耗的主要要素。大而能夠成為器件功率損耗的主要要素。 通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開關(guān)損耗開通損耗開通損耗關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗電力電子器件的功率損耗2.1.2 運用電力電子器件的系統(tǒng)組成運用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子器件在實踐運用中，普通是由控制電路、驅(qū)動電力電子器件在實踐運用中，普通是由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為中心的主電路組成一個系統(tǒng)。電路和以電

6、力電子器件為中心的主電路組成一個系統(tǒng)。 電氣隔離圖圖2-1 電力電子器件在實踐運用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實踐運用中的系統(tǒng)組成2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照可以被控制電路信號所控制的程度按照可以被控制電路信號所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指晶閘管主要是指晶閘管Thyristor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接受的電壓和電器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中接受的電壓和電流決議的。流決議的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 經(jīng)過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其

7、關(guān)經(jīng)過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。斷。 不可控器件不可控器件 電力二極管電力二極管Power Diode 不能用控制信號來控制其通斷。不能用控制信號來控制其通斷。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì)按照驅(qū)動信號的性質(zhì) 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 經(jīng)過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。經(jīng)過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 僅經(jīng)過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)僅經(jīng)過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。通或者關(guān)斷的控制。按照驅(qū)動信號的波形電力二極管除外按照驅(qū)

8、動信號的波形電力二極管除外 脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 經(jīng)過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開經(jīng)過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型電平控制型 必需經(jīng)過繼續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電必需經(jīng)過繼續(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來使器件開通并維持在導(dǎo)通形狀或者關(guān)斷并維持在阻斷形狀。流信號來使器件開通并維持在導(dǎo)通形狀或者關(guān)斷并維持在阻斷形狀。 2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。由一種載流

9、子參與導(dǎo)電。 雙極型器件雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，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。也稱混合型器件。 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點本章內(nèi)容本章內(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，分別引見各種電力電子器件的任務(wù)它新型器件的順序，分別引見各種電力電子器件的任務(wù)原理、根本特性、主要參數(shù)以及選擇和運用中應(yīng)留意的原理、根本特性、主要參數(shù)以及選擇和運用中應(yīng)留意的一些問題。一些

10、問題。學(xué)習(xí)要點學(xué)習(xí)要點 最重要的是掌握其根本特性。最重要的是掌握其根本特性。 掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的運用方法。曲線的運用方法。 了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理構(gòu)造和根本任務(wù)原理。了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理構(gòu)造和根本任務(wù)原理。 了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理 2.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的

11、主要參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言電力二極管電力二極管Power Diode自自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期就獲得年代初期就獲得運用，但其構(gòu)造和原理簡單，任務(wù)可靠，直到如今電力二運用，但其構(gòu)造和原理簡單，任務(wù)可靠，直到如今電力二極管依然大量運用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。極管依然大量運用于許多電氣設(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短少在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可短少的，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，具有不可替代的位

12、置。二極管，具有不可替代的位置。 整流二極管及模塊整流二極管及模塊AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理電力二極管是以半電力二極管是以半導(dǎo)體導(dǎo)體PNPN結(jié)為根底的結(jié)為根底的, ,實踐上是由一個面積實踐上是由一個面積較大的較大的PNPN結(jié)和兩端引結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。線以及封裝組成的。從外形上看，可以有從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多螺栓型、平板型等多種封裝。種封裝。圖圖2-2 電力二極管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號電力二極管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 根本構(gòu)造根本構(gòu)造 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號2.

13、2.1 PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理二極管的根本原理二極管的根本原理PN結(jié)的單導(dǎo)游電性結(jié)的單導(dǎo)游電性 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓正向偏置時，在外電路上那結(jié)外加正向電壓正向偏置時，在外電路上那么構(gòu)成自么構(gòu)成自P區(qū)流入而從區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是這就是PN結(jié)的正導(dǎo)游通形狀。結(jié)的正導(dǎo)游通形狀。 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時反向偏置時，反向偏置的結(jié)外加反向電壓時反向偏置時，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，被稱為反向截止形狀。止形狀。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓才干，但當(dāng)施加的

14、反向電壓結(jié)具有一定的反向耐壓才干，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截結(jié)反向偏置為截止的任務(wù)形狀，這就叫反向擊穿。止的任務(wù)形狀，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方式按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種方式 。 反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的形狀。結(jié)仍可恢復(fù)原來的形狀。 否那么否那么PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理PN

15、結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容，又稱為微分電容 按其產(chǎn)活力制和作用的差別分為勢壘電容按其產(chǎn)活力制和作用的差別分為勢壘電容CB和分散電和分散電容容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。向電壓較低時，勢壘電容為主。 分散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，分散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，分散電容為結(jié)電容主要成分。分散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響結(jié)電容影響PN結(jié)

16、的任務(wù)頻率，特別是在高速開關(guān)的形結(jié)的任務(wù)頻率，特別是在高速開關(guān)的形狀下，能夠使其單導(dǎo)游電性變差，甚至不能任務(wù)。狀下，能夠使其單導(dǎo)游電性變差，甚至不能任務(wù)。2.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要是指其伏安特性主要是指其伏安特性 正向電壓大到一定值門檻正向電壓大到一定值門檻 電壓電壓UTO ，正向電流才開場，正向電流才開場 明顯添加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通形狀。明顯添加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通形狀。 與與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的對應(yīng)的電力二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降電壓即為其正向電壓降UF。 接受反向電壓時，只需少子接受反向電壓時，只需少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向引起的

17、微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流。漏電流。IOIFUTOUFU圖圖2-5 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性2.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 動態(tài)特性動態(tài)特性 由于結(jié)電容的存在，電壓由于結(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且

18、往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的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。開關(guān)特性。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立刻關(guān)斷，而是須經(jīng)電力二極管并不能立刻關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才干重新獲得反向阻斷才干，過一段短暫的時間才干重新獲得反向阻斷才干，進(jìn)入截止形狀。進(jìn)入截止形狀。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并在關(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。伴隨有明顯的反向電壓過沖。 延遲時間：延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間：電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時間：反向恢復(fù)時間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的

19、軟度：恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用數(shù)，用Sr表示。表示。t0:正向正向電流降電流降為零的為零的時辰時辰t1:反向電反向電流達(dá)最大流達(dá)最大值的時辰值的時辰t2:電流變電流變化率接近化率接近于零的時于零的時辰辰2.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個過沖先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)，經(jīng)過過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值如的某個值如2V。 正向恢復(fù)時間正向恢復(fù)時間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的緣由出現(xiàn)電壓過沖的緣由:電電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量導(dǎo)調(diào)

20、制效應(yīng)起作用所需的大量少子需求一定的時間來儲存，少子需求一定的時間來儲存，在到達(dá)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較在到達(dá)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件大；正向電流的上升會因器件本身的電感而產(chǎn)生較大壓降。本身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，電流上升率越大，UFP越高。越高。 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長期運轉(zhuǎn)時，在指定的管殼溫度簡稱指電力二極管長期運轉(zhuǎn)時，在指定的管殼溫度簡稱殼溫，用殼溫，用TC表示和散熱

21、條件下，其允許流過的最大工表示和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。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，運用時應(yīng)按是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，運用時應(yīng)按有效值相等的原那么來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的有效值相等的原那么來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。裕量。正向壓降正向壓降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)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。向電流時對應(yīng)的正向壓降。反向反復(fù)峰值電壓反向反復(fù)峰值電壓URRM 指對電力二極管所能反復(fù)施加的反向最頂峰值電壓。指對電力二極管所能反復(fù)施加的反向最頂峰

22、值電壓。 運用時，該當(dāng)留有兩倍的裕量。運用時，該當(dāng)留有兩倍的裕量。 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)最高任務(wù)結(jié)溫最高任務(wù)結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用結(jié)的平均溫度，用TJ表示。表示。 最高任務(wù)結(jié)溫是指在最高任務(wù)結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能接受的最高平均溫度。所能接受的最高平均溫度。 TJM通常在通常在125175C范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間trr浪涌電流浪涌電流IFSM 指電力二極管所能接受最大的延續(xù)一個或幾個指電力二極管所能接受最大的延續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。工頻周期的過電流。2.2.4 電力二極

23、管的主要類型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，引見幾種常用能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，引見幾種常用的電力二極管。的電力二極管。 普通二極管普通二極管General Purpose Diode 又稱整流二極管又稱整流二極管Rectifier Diode，多，多用于開關(guān)頻率不高用于開關(guān)頻率不高1kHz以下的整流電路中。以下的整流電路中。 其反向恢復(fù)時間較長，普通在其反向恢復(fù)時間較長，普通在5s以上以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)其正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)很高。很高。 2.2.4 電

24、力二極管的主要類型電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管Fast Recovery DiodeFRD 恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短一恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短一般在般在5s以下以下 。 快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管 Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED ，采用外延型，采用外延型P-i-N構(gòu)造構(gòu)造 ，其，其反向恢復(fù)時間更短可低于反向恢復(fù)時間更短可低于50ns，正向壓降也很，正向壓降也很低低0.9V左右。左右。 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者那級。

25、前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者那么么在在100ns以下，甚至到達(dá)以下，甚至到達(dá)2030ns。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型肖特基二極管肖特基二極管Schottky Barrier DiodeSBD 屬于多子器件屬于多子器件 優(yōu)點在于：反向恢復(fù)時間很短優(yōu)點在于：反向恢復(fù)時間很短1040ns，正向恢，正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖；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，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)損耗和正導(dǎo)游通損耗都比快速二極管還要小，效率其開關(guān)損耗和正導(dǎo)

26、游通損耗都比快速二極管還要小，效率高。高。 弱點在于：當(dāng)所能接受的反向耐壓提高時其正向壓降弱點在于：當(dāng)所能接受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不合；反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必需更嚴(yán)厲地限制其任務(wù)溫度。能忽略，而且必需更嚴(yán)厲地限制其任務(wù)溫度。2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理 2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參

27、數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2.3 2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言晶閘管晶閘管Thyristor是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器Silicon Controlled RectifierSCR，以前被簡稱為可控硅。，以前被簡稱為可控硅。 1956年美國貝爾實驗室年美國貝爾實驗室Bell Laboratories發(fā)明了晶閘管，到發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司年美國通用電氣公司General Electric開發(fā)出了世界上第一只開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。年使其商業(yè)

28、化。由于其能接受的電壓和電流容量依然是目前電力電子器件中最高由于其能接受的電壓和電流容量依然是目前電力電子器件中最高的，而且任務(wù)可靠，因此在大容量的運用場所依然具有比較重要的地的，而且任務(wù)可靠，因此在大容量的運用場所依然具有比較重要的地位。位。晶閘管及模塊晶閘管及模塊2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造晶閘管的構(gòu)造 從外形上來看，晶閘從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝構(gòu)造平板型兩種封裝構(gòu)造 。 引出陽極引出陽極A、陰極、陰極K和門極控制端和門極控制端G三個聯(lián)接端。三個聯(lián)接端。 內(nèi)部是內(nèi)部是PNPN四層半四層半導(dǎo)體構(gòu)造。導(dǎo)體構(gòu)造。

29、 圖圖2-7 晶閘管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號晶閘管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 構(gòu)造構(gòu)造 c) 電氣圖形符號電氣圖形符號 2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其任務(wù)原理晶閘管的雙晶體管模型及其任務(wù)原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 任務(wù)原理任務(wù)原理 晶閘管的任務(wù)原理晶閘管的任務(wù)原理 按照晶體管任務(wù)原理，按照晶體管任務(wù)原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII2-22-12-32-4式中式中1和和2分別是晶體分別是晶體管管V1和和V2的共基極電流

30、增的共基極電流增益；益；ICBO1和和ICBO2分別分別是是V1和和V2的共基極漏電流。的共基極漏電流。2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。迅速增大。在晶體管阻斷形狀下，在晶體管阻斷形狀下，IG=0，而，而1+2是很小的。由是很小的。由上式上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。漏電流之和。 假設(shè)注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致假設(shè)注入

31、觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于趨近于1的話，流過晶閘管的電流的話，流過晶閘管的電流IA陽極電流陽極電流將將趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。趨近于無窮大，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，由于外電路負(fù)載的限制，IA實踐上會維持有限值。實踐上會維持有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式由以上式2-12-4可得可得(2-5)2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理除門極觸發(fā)外其他幾種能夠?qū)ǖ那闆r除門極觸發(fā)外其他幾種能夠?qū)ǖ那闆r 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值呵斥雪崩效應(yīng)陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值呵斥雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率陽極

32、電壓上升率du/dt過高過高 結(jié)溫較高結(jié)溫較高 光觸發(fā)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運用于高壓電力設(shè)備中主電路之間的良好絕緣而運用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以運用于實際。只之外，其它都因不易控制而難以運用于實際。只有門極觸發(fā)是最準(zhǔn)確、迅速而可靠的控制手段。有門極觸發(fā)是最準(zhǔn)確、迅速而可靠的控制手段。 2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 正常任務(wù)時的特性正常任務(wù)時的特性 當(dāng)晶閘管接受反向電壓時，不論門極能否有觸發(fā)電當(dāng)晶閘管接受反向電壓時，不論門極能否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通流

33、，晶閘管都不會導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管接受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的當(dāng)晶閘管接受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才干開通情況下晶閘管才干開通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制造用，不論門極晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制造用，不論門極觸發(fā)電流能否還存在，晶閘管都堅持導(dǎo)通觸發(fā)電流能否還存在，晶閘管都堅持導(dǎo)通 。 假設(shè)要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓假設(shè)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。一數(shù)值以下。 2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性晶閘管的伏安特性晶閘管

34、的伏安特性 正向特性正向特性 當(dāng)當(dāng)IG=0時，假設(shè)在器件時，假設(shè)在器件兩端施加正向電壓，那么兩端施加正向電壓，那么晶閘管處于正向阻斷形狀，晶閘管處于正向阻斷形狀，只需很小的正向漏電流流只需很小的正向漏電流流過。過。 假設(shè)正向電壓超越臨界假設(shè)正向電壓超越臨界極限即正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓極限即正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓Ubo，那么漏電流急劇增大，器那么漏電流急劇增大，器件開通件開通 。 隨著門極電流幅值的增隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓降低，大，正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，晶閘管本身的壓降很小，在在1V左右。左右。 假設(shè)門極電流為零，并假設(shè)門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零且陽極電流降至接近于零的某

35、一數(shù)值的某一數(shù)值IH以下，那么以下，那么晶閘管又回到正向阻斷形晶閘管又回到正向阻斷形狀，狀，IH稱為維持電流。稱為維持電流。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓機(jī)電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性反向特性反向特性 其伏安特性類似二極管的其伏安特性類似二極管的反向特性。反向特性。 晶閘管處于反向阻斷形狀晶閘管處于反向阻斷形狀時，只需極小的反向漏電流經(jīng)時，只需極小的反向漏電流經(jīng)過。過。 當(dāng)反向電壓超越一定限制，當(dāng)反向電壓超越

36、一定限制，到反向擊穿電壓后，外電路如到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，那么反向漏電流無限制措施，那么反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。壞。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)機(jī)電壓電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性動態(tài)特性動態(tài)特性 開經(jīng)過程開經(jīng)過程 由于晶閘管內(nèi)部的正反響由于晶閘管內(nèi)部的正反響 過程需求時間，再加上外電路過程需求時間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管遭到觸發(fā)電感的限制，晶閘管遭到

37、觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不能夠后，其陽極電流的增長不能夠 是瞬時的。是瞬時的。 延遲時間延遲時間td (0.51.5s) 上升時間上升時間tr (0.53s) 開通時間開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨門極電流的增延遲時間隨門極電流的增 大而減小大而減小,上升時間除反映晶上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還遭到外電閘管本身特性外，還遭到外電 路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極 電壓電壓,延遲時間和上升時間都延遲時間和上升時間都 可顯著縮短?？娠@著縮短。 圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtr

38、trrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性關(guān)斷過程關(guān)斷過程 由于外電路電感的存在，原處由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通形狀的晶閘管當(dāng)外加電壓突于導(dǎo)通形狀的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。在衰減時必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間trr 正向阻斷恢復(fù)時間正向阻斷恢復(fù)時間tgr 關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq=trr+tgr 關(guān)斷時間約幾百微秒。關(guān)斷時間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)假設(shè)重在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)假設(shè)重新對晶閘管施加正向電壓，

39、晶閘管新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正導(dǎo)游通，而不是受門極電會重新正導(dǎo)游通，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。流控制而導(dǎo)通。圖圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)反向恢復(fù)電流最大電流最大值值尖峰電壓尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電壓定額電壓定額 斷態(tài)反復(fù)峰值電壓斷態(tài)反復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許反復(fù)加在器件上的正向是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許反復(fù)加在器件上的正向 峰值電壓見圖峰值電壓見圖2-9。 國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)反復(fù)峰值電壓國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)反

40、復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不反復(fù)峰值電壓即為斷態(tài)不反復(fù)峰值電壓即 斷態(tài)最大瞬時電壓斷態(tài)最大瞬時電壓UDSM的的90%。 斷態(tài)不反復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓斷態(tài)不反復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓Ubo。 反向反復(fù)峰值電壓反向反復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許反復(fù)加在器件上的反向是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許反復(fù)加在器件上的反向 峰值電壓見圖峰值電壓見圖2-8。 規(guī)定反向反復(fù)峰值電壓規(guī)定反向反復(fù)峰值電壓URRM為反向不反復(fù)峰值電壓即反向為反向不反復(fù)峰值電壓即反向 最大瞬態(tài)電壓最大瞬態(tài)電壓URSM的的90%。 反向不反復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。反向不反復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向

41、擊穿電壓。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)峰值電壓通態(tài)峰值電壓UTUT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電的瞬態(tài)峰值電 壓。壓。 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRMUDRM和和URRMURRM中較小的標(biāo)值作為該器件中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。的額定電壓。 選用時，普通取額定電壓為正常任務(wù)時晶閘管所接受峰選用時，普通取額定電壓為正常任務(wù)時晶閘管所接受峰值電壓值電壓2323倍。倍。電流定額電流定額 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV IT(AV 國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶

42、閘管在環(huán)境溫度為4040C C和規(guī)定的冷和規(guī)定的冷 卻形狀下，穩(wěn)定結(jié)溫不超越額定結(jié)溫時所允許流過的最卻形狀下，穩(wěn)定結(jié)溫不超越額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半大工頻正弦半 波電流的平均值。波電流的平均值。 按照正向電流呵斥的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)按照正向電流呵斥的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。熱效應(yīng)來定義的。 普通取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等即普通取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等即有效值相等的有效值相等的 原那么所得計算結(jié)果的原那么所得計算結(jié)果的1.521.52倍。倍。 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)維持電流維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流

43、，維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，普通為幾十到幾百毫安。普通為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫越高，那么結(jié)溫越高，那么IH越小。越小。 擎住電流擎住電流 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)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。 約為約為IH的的24倍倍 浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超越額定結(jié)溫的指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超越額定結(jié)溫的不反復(fù)性最大正向過載電流。不反復(fù)性最大正向過載電流。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 開通時間開通時間tgt和

44、關(guān)斷時間和關(guān)斷時間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫暖門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從在額定結(jié)溫暖門極開路的情況下，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。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，就會使晶閘電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能接受而無有害影響的最大在規(guī)定條件下，晶閘管能接受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。通態(tài)電流上升率。 假設(shè)電流上升太快，能夠呵斥部分過熱而使晶閘管假設(shè)電流上升太快，能夠呵斥部分過熱而使晶閘

45、管損壞。損壞。2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件快速晶閘管快速晶閘管Fast Switching ThyristorFST 有快速晶閘管和高頻晶閘管。有快速晶閘管和高頻晶閘管。 快速晶閘管的開關(guān)時間以及快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明顯改善。明顯改善。 從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管普通為數(shù)百微秒，快速從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管普通為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管那么為晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管那么為10s左右。左右。 高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。 由于任務(wù)頻率

46、較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的由于任務(wù)頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管雙向晶閘管Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor 可以以為是一對反并聯(lián)聯(lián)可以以為是一對反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集成。接的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第和第III象限有對稱的伏安特象限有

47、對稱的伏安特性。性。 雙向晶閘管通常用在交流雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。有效值來表示其額定電流值。圖圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管Reverse Conducting ThyristorRCT 是將晶閘管反并聯(lián)一個是將晶閘管反并聯(lián)一個二極控制造在同一管芯上二極控制造在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有接受反向

48、電壓的才干，一接受反向電壓的才干，一旦接受反向電壓即開通。旦接受反向電壓即開通。 具有正向壓降小、關(guān)斷具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點，可用于定結(jié)溫高等優(yōu)點，可用于不需求阻斷反向電壓的電不需求阻斷反向電壓的電路中。路中。 圖圖2-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管光控晶閘管Light Triggered ThyristorLTT 是利用一定波長的光是利用一定波長的

49、光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以防止電的絕緣，而且可以防止電磁干擾的影響，因此光控磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率晶閘管目前在高壓大功率的場所。的場所。圖圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性號和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管電力晶體管 2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕

50、緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。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)世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新時代。嶄新時代。典型代表典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但晶閘管的一種派生器件，但可以經(jīng)過在門極施加負(fù)的脈沖可以經(jīng)過在門極施加負(fù)的脈沖電流使

51、其關(guān)斷，因此屬于全控電流使其關(guān)斷，因此屬于全控型器件。型器件。 GTO的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理 GTO的構(gòu)造的構(gòu)造 是是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)四層半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)。構(gòu)。 是一種多元的功率集成是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個器件，雖然外部同樣引出個 極，但內(nèi)部那么包含數(shù)十個極，但內(nèi)部那么包含數(shù)十個甚甚 至數(shù)百個共陽極的小至數(shù)百個共陽極的小GTO 元，這些元，這些GTO元的陰極和門元的陰極和門 極那么在器件內(nèi)部并聯(lián)在一極那么在器件內(nèi)部并聯(lián)在一同。同。 圖圖2-14 GTO的內(nèi)部構(gòu)造和電氣圖形符號的內(nèi)部構(gòu)造和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔陳列的圖形各單元的陰極、門極間隔陳列的圖形

52、 并聯(lián)單元構(gòu)造斷面表示圖并聯(lián)單元構(gòu)造斷面表示圖 電氣圖形符號電氣圖形符號 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其任務(wù)原理及其任務(wù)原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 任務(wù)原理任務(wù)原理GTO的任務(wù)原理的任務(wù)原理 依然可以用如圖依然可以用如圖2-8所示的雙晶體所示的雙晶體管模型來分析，管模型來分析，V1、V2的共基極電流的共基極電流增益分別是增益分別是1、2。1+2=1是是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，導(dǎo)通，小于小于1那么關(guān)斷。那么關(guān)斷。 GTO與普通晶閘管的不同與普通晶閘管的不同 設(shè)計設(shè)計2較大，使

53、晶體管較大，使晶體管V2控制控制 靈敏，易于靈敏，易于GTO關(guān)斷。關(guān)斷。 導(dǎo)通時導(dǎo)通時1+2更接近更接近1，導(dǎo)通時，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。但導(dǎo)通時管壓降增大。 多元集成構(gòu)造，使得多元集成構(gòu)造，使得P2基區(qū)橫向基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。電阻很小，能從門極抽出較大電流。 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)經(jīng)過程與普通晶閘管是一樣的，的導(dǎo)經(jīng)過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。 而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)

54、兩個晶體管發(fā)射極電流出電流，當(dāng)兩個晶體管發(fā)射極電流IA和和IK的的減小使減小使1+21時，器件退出飽和而關(guān)斷。時，器件退出飽和而關(guān)斷。 GTO的多元集成構(gòu)造使得其比普通晶閘管的多元集成構(gòu)造使得其比普通晶閘管開經(jīng)過程更快，接受開經(jīng)過程更快，接受di/dt的才干加強(qiáng)。的才干加強(qiáng)。 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性 開經(jīng)過程與普通晶閘管開經(jīng)過程與普通晶閘管類似。類似。 關(guān)斷過程關(guān)斷過程 儲存時間儲存時間ts 下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要長。要長。 門極負(fù)脈沖電流幅值門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿

55、越陡，越大，前沿越陡， ts就越就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在緩慢衰減，在tt階段仍能階段仍能堅持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，那么堅持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，那么可以縮短尾部時間?？梢钥s短尾部時間。圖圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形的開通和關(guān)斷過程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流儲存的大量載流子的時間子的時間等效晶體管從飽等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減陽極電流逐漸減小時間小時間 殘存殘存載流載流子復(fù)子復(fù)合所合所需時需時間間 2.4.1 門極可

56、關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義一樣。的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義一樣。 最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO 用來標(biāo)稱用來標(biāo)稱GTO額定電流。額定電流。 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。之比。 off普通很小，只需普通很小，只需5左右，這是左右，這是GTO的一個主要缺陷。的一個主要缺陷。 開通時間開通時間ton 延遲時間與上升時間之和。延遲時間與上升時間之和。 延遲時間普通約延遲時間普通約12s，上升時間那么隨

57、通態(tài)陽極電流值的增大，上升時間那么隨通態(tài)陽極電流值的增大而而 增大。增大。 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff 普通指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。普通指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。 儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間普通小于儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間普通小于2s。不少不少GTO都制呵斥逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需求接受反向電都制呵斥逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需求接受反向電壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)運用。壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)運用。 2.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管電力晶體管Giant TransistorGTR按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐

58、高電壓、按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管大電流的雙極結(jié)型晶體管Bipolar Junction TransistorBJT GTR的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一樣的。樣的。 最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。特性好。 GTR的構(gòu)造的構(gòu)造 采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元構(gòu)造，并采用集采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元構(gòu)造，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。 GTR是由三層半導(dǎo)體分別引出集電極、

59、基極和發(fā)射極構(gòu)成是由三層半導(dǎo)體分別引出集電極、基極和發(fā)射極構(gòu)成的兩個的兩個PN結(jié)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)構(gòu)成，多采用結(jié)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)構(gòu)成，多采用NPN構(gòu)造。構(gòu)造。2.4.2 電力晶體管電力晶體管圖圖2-16 GTR的構(gòu)造、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動的構(gòu)造、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a) 內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖 b) 電氣圖形符號電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動+表示高表示高摻雜濃摻雜濃度，度，-表表示低摻示低摻雜濃度雜濃度 2.4.2 電力晶體管電力晶體管Iiiceobc空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib圖圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流

60、動內(nèi)部載流子的流動 iibc在運用中，在運用中，GTR普通采用共發(fā)射極接普通采用共發(fā)射極接法。集電極電流法。集電極電流ic與基極電流與基極電流ib之比為之比為 稱為稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對集電極電流的控制才干。當(dāng)基極電流對集電極電流的控制才干。當(dāng)思索到集電極和發(fā)射極間的漏電流思索到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，時，ic和和ib的關(guān)系為的關(guān)系為 單管單管GTR的的 值比處置信息用的小值比處置信息用的小功率晶體管小得多，通常為功率晶體管小得多，通常為10左右，采左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9