1、1黑龍江大學(xué)機電學(xué)院黑龍江大學(xué)機電學(xué)院2009年8月2本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容學(xué)點什么哪學(xué)點什么哪? ?1 電力電子器件的電力電子器件的概念概念、特點特點和和分類分類等問題。等問題。2 介紹常用電力電子器件的介紹常用電力電子器件的工作工作原理原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。及選擇和使用中應(yīng)注意問題。3本章的學(xué)習(xí)重點1 掌握半控型器件、全掌握半控型器件、全 控型器件的工作原理、控型器件的工作原理、 基本特性、主要參數(shù)；基本特性、主要參數(shù)；2 掌握電力電子器件的串并聯(lián)；掌握電力電子器件的串并聯(lián)；3 掌握電力電子器件的保護(hù)；掌握電力電子器件的保護(hù)；4 掌握電力電子器件的驅(qū)

2、動電路。掌握電力電子器件的驅(qū)動電路。 4第第1章章 電力電子器件電力電子器件5電子技術(shù)的基礎(chǔ)電子技術(shù)的基礎(chǔ) 電子器件：晶體管和集成電路電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路的基礎(chǔ)電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件電力電子器件第第1章章 電力電子器件電力電子器件引言引言61.1 電力電子器件概述電力電子器件概述71 1）概念）概念: :電力電子器件電力電子器件（Power Electronic DevicePower Electronic Device） 可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。子器件。主電路（主電路（Main Power C

3、ircuit） 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控電氣設(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。制任務(wù)的電路。2 2）分類）分類: : 電真空器件電真空器件 ( (汞弧整流器、閘流管汞弧整流器、閘流管) ) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 ( (采用的主要材料硅）采用的主要材料硅）仍然仍然1.1.1 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電力電子器件8能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電

4、力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件盡管工作在開關(guān)狀態(tài)，但是自身的功電力電子器件盡管工作在開關(guān)狀態(tài)，但是自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，為了保證不至率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，為了保證不至于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上考慮散熱設(shè)計，而且在其工作時一僅在器件封裝上考慮散熱設(shè)計，而且在其工作時一般都還需要設(shè)計安裝散熱器。般都還需要設(shè)計安裝散熱器。1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：9通態(tài)損耗通態(tài)損耗

5、是器件功率損耗的主要成因。是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗開關(guān)損耗可能成為器件可能成為器件功率損耗的主要因素功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗10電力電子系統(tǒng)：由電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動電路驅(qū)動電路、保護(hù)電路保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成組成。圖圖1-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控控制制電電路路檢測檢測電路電路驅(qū)動驅(qū)動電路

6、電路RL主電路主電路V1V2保護(hù)保護(hù)電路電路在主電路在主電路和控制電和控制電路中附加路中附加一些電路，一些電路，以保證電以保證電力電子器力電子器件和整個件和整個系統(tǒng)正常系統(tǒng)正?？煽窟\行可靠運行1.1.2 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路控制電路11導(dǎo)通導(dǎo)通主電路中主電路中電力電子器件電力電子器件關(guān)斷關(guān)斷檢測電路、驅(qū)動電路以外的電路檢測電路、驅(qū)動電路以外的電路控制電路控制電路由信息電路組成由信息電路組成控制電控制電路路主電路主電路電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)檢測電路檢測電路檢測主電路或應(yīng)用現(xiàn)場信號檢測主電路或應(yīng)用現(xiàn)場信號通過驅(qū)動電路通過驅(qū)動電路控制控制 保護(hù)電路保護(hù)電

7、路 保證電力電子器件和整個電力電子保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\行系統(tǒng)正?？煽窟\行12半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。其關(guān)斷。全控型器件全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件不可控器件( (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, , 因此也就不因此也就不需要驅(qū)動電路。需要驅(qū)動電路。1.1.3 電力電子器件的分類電力

8、電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：13電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的通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。控制。電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可僅通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。實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅(qū)動電路加在按照驅(qū)動電路加在電力電子電力電子器件控制端和公共端器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)分為兩類之間信號的性質(zhì)分為兩類電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型電壓驅(qū)動

9、型電壓驅(qū)動型控控制制端端通通 斷斷注注入入電電流流 抽抽出出電電流流電壓信號電壓信號公公共共端端控控制制端端14 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：分為三類：單極型器件單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件(MOSFET)(MOSFET)雙極型器雙極型器件件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件(SCR)(SCR)復(fù)合型器復(fù)合型器件件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件（單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件（IGBTIGBT） 1.1.3 電力電子器件的分類電力

10、電子器件的分類15本章內(nèi)容本章內(nèi)容: :介紹各種器件的介紹各種器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。集中講述電力電子器件的集中講述電力電子器件的驅(qū)動驅(qū)動、保護(hù)和串保護(hù)和串、并聯(lián)使并聯(lián)使用用這三個問題。這三個問題。學(xué)習(xí)要點學(xué)習(xí)要點: :最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握電力電子器件的型號掌握電力電子器件的型號命名法命名法，以及其，以及其參數(shù)和特參數(shù)和特性曲線的使用方法性曲線的使用方法?？赡軙χ麟娐返钠渌娐吩锌赡軙χ麟娐返钠渌娐吩刑厥獾囊筇厥獾囊?。1.1.4 本章學(xué)習(xí)內(nèi)容

11、與學(xué)習(xí)要點本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點161.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管17 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。有不可替代的地位。1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言整流二極管及模塊18基本結(jié)構(gòu)和工作原基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路理與信息電子電路中的二極管一樣。中的二極管一樣。由一個面

12、積較大的由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。以及封裝組成的。從外形上看，主要從外形上看，主要有螺栓型和平板型有螺栓型和平板型兩種封裝。兩種封裝。圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK19 狀態(tài) 參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿1.2.1 PN結(jié)與電

13、力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài)201.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理PNPN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿施加PN結(jié)反向電壓過大反向電流急劇增大破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)雪崩擊穿雪崩擊穿齊納擊穿齊納擊穿熱擊熱擊穿穿因熱量散發(fā)不出PN結(jié)溫度上升過熱燒壞211.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)電容結(jié)電容C C J J( (微分電容微分電容) )PN結(jié)中電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)勢壘電容勢壘電容C CB B擴散電容擴散電容CDPN結(jié)截面成正比阻擋層成反比大小正正向向電電壓壓較較高高僅在正向偏置時起作用外

14、加電壓變化時起作用結(jié)電容影響結(jié)電容影響PNPN結(jié)的工作頻率，特別是在結(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姼咚匍_關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?。性變差，甚至不能工作。正向電壓較低結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為結(jié)電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為擴散電容擴散電容C CD D和和勢壘電容勢壘電容C CB B 。 PN結(jié)的電容效應(yīng)：22主要指其主要指其伏安特性伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。電壓。與與IF對應(yīng)的電力二極管兩對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其端的電壓即為其正向電正向電壓降壓降UF 。

15、承受反向電壓時，只有承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU231.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性零偏置正向偏置反向偏置2) 2) 動態(tài)特性動態(tài)特性結(jié)電容的存在結(jié)電容的存在電力二極管的電力二極管的 動態(tài)狀態(tài)動態(tài)狀態(tài)反映通態(tài)和斷態(tài)之間過程的開關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間過程的開關(guān)特性過渡過程中過渡過程中電壓電壓電流特性隨時間變化電流特性隨時間變化242) 動態(tài)特性動態(tài)特性 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性

16、b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置25正向壓降先出現(xiàn)一個過沖正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如某個值（如 2V）。

17、）。正向恢復(fù)時間正向恢復(fù)時間tfr。電流上升率越大電流上升率越大，UFP越高越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 開通過程開通過程： 關(guān)斷過程關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過程26 注意：電流、電壓反向問題注意：電流、電壓反向問題 正偏壓時，正向偏壓降約為正偏壓時，正向偏壓降約為1V1V左右；左右；導(dǎo)通時，二極管看成是理想開關(guān)元件

18、，導(dǎo)通時，二極管看成是理想開關(guān)元件，因為它的過渡時間與電路的瞬時過程相因為它的過渡時間與電路的瞬時過程相比要小的得多；比要小的得多； 但在關(guān)斷時，它需要一個反向恢復(fù)但在關(guān)斷時，它需要一個反向恢復(fù)的時間（的時間（reverser-recovery timereverser-recovery time）以）以清除過剩載流子。清除過剩載流子。1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性27額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流工頻正弦半波電流的的平均值平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用是

19、按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電流定額，來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。并應(yīng)留有一定的裕量。1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)28在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。應(yīng)的正向壓降。3） 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。 4）反向恢復(fù)時間）反向恢復(fù)時間trr trr=

20、 td+ tf1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降正向壓降UF29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。TJM是指在是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。平均溫度。TJM通常在通常在125175 C范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。6) 浪涌電流浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。周期的過電流。 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫）最高工作結(jié)溫TJM301.2.4 電力二極管的主要類

21、型電力二極管的主要類型1) 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode）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。普通二極管普通二極管( (整流二極管）整流二極管）多用于開關(guān)頻率多用于開關(guān)頻率不高（不高（1 1kHz以下）以下）的整流電路中的整流電路中 反向恢復(fù)時間長反向恢復(fù)時間長一般在一般在5s以上以上正向電流定額和反正向電流定額和反向電壓定額很高，向電壓定額很高，分別可達(dá)數(shù)千安和分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上數(shù)千伏以上 31 2) 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（

22、恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（ 5s5s以下）的以下）的二極管，簡稱快速二極管二極管，簡稱快速二極管 。結(jié)構(gòu)上采用PN結(jié)構(gòu) 也有采用加以改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu) 快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管其反向恢復(fù)時間更短（可低于其反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns50ns），正向壓降也很低（），正向壓降也很低（0.9V0.9V左右），左右），反向耐壓多在反向耐壓多在1200V1200V以下。以下?？焖倩謴?fù)二極管快速恢復(fù)二極管超快速恢復(fù)二極管超快速恢復(fù)二極管 反向恢復(fù)時間數(shù)百納秒或更長100ns以下，甚至達(dá)2030ns快恢復(fù)二極管從性能上分為兩種 工藝多采用摻金措施采用外延型PiN結(jié)構(gòu)32肖特基二極管的肖

23、特基二極管的弱點弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的肖特基二極管的優(yōu)點優(yōu)點反向恢復(fù)時間很短（反向恢復(fù)時間很短（1040ns）。）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。1.2.4 電力二極管的主要

24、類型電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管肖特基二極管(DATASHEET) ) 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。331.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管341.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來，

25、開始被全控型器件取代。年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。的場合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）35AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號外形有外形有螺栓型螺栓型和和平板型平板型兩種封裝。兩種封裝。有三個聯(lián)接端。

26、有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。361.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)371.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的導(dǎo)通條件：晶體管的導(dǎo)通條件： 晶體管的關(guān)斷條件：晶體管的關(guān)斷條件： A AK KG承受正向陽極電壓時，正向門極承受正向陽極電壓時，正向門極電壓時，門極有觸發(fā)電流的情況電壓時，門極有觸發(fā)電流的情況下晶

27、閘管才能開通。下晶閘管才能開通。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。數(shù)值以下。381.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 晶體管的工作原理晶體管的工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2b)c)P1 N1P2N2J1J2J3AGKa)I IG I Ib2b2 I Ic2c2 (= I Ib2b2)= I Ib1 I Ic1c1(= (= I Ib1 ) )391.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中式中 1和和 2分別是

28、晶體管分別是晶體管V1和和V2的共基極電流增益的共基極電流增益；ICBO1和和ICBO2分別是分別是V1和和V2的共基極漏電流。的共基極漏電流。由以上式可得由以上式可得 ：圖1-7 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 按晶體管的工作原理按晶體管的工作原理 ，得：，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）401.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立是很小的，而當(dāng)發(fā)

29、射極電流建立起來之后，起來之后， 迅速增大。迅速增大。 阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)：IG=0， 1+ 2很小。流過晶閘管的漏電流稍很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致以致 1+ 2趨近于趨近于1 1的話，流過晶閘管的話，流過晶閘管的電流的電流IA，將趨，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。導(dǎo)通。IA實際由外電路實際由外電路決定決定。411.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值

30、造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升陽極電壓上升率率du/dt過高過高結(jié)溫較高結(jié)溫較高光觸發(fā)光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣光觸發(fā)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，稱為而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：421.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。閘管都不

31、會導(dǎo)通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下于零的某一數(shù)值以下 。DATASHEET晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：431.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性（1）正向特性正向特性IG=0時，器件兩端施加正時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。漏電流，為正向阻

32、斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓壓Ubo，則漏電流急劇增大，則漏電流急劇增大，器件開通。器件開通。隨著門極電流幅值的增大，隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。正向轉(zhuǎn)折電壓降低。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。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG441.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反反向特性類似二極管的反向特性。向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏

33、電流流過。小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。發(fā)熱損壞。圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性451.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開通過程開通過程延遲時間延遲時間td (0.51.5 s)上升時間上升時間tr (0.53 s)開通時間開通時間tgt以上兩者之和，以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRM

34、IRMiA2) 關(guān)斷過程關(guān)斷過程反向阻斷恢復(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t tq以上兩者之以上兩者之和和tq=trr+tgr （1-7)1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時間普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒約幾百微秒2） 動態(tài)特性動態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形461.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允在

35、門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓通態(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)峰值電壓。態(tài)平均電流時的瞬態(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額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：使用注意：1）電壓定額電壓定額471.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度在環(huán)境溫度為為40 C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定和規(guī)定的冷

36、卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。電流的參數(shù)。使用時應(yīng)按使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。來選取晶閘管。維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，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)通所需能維持導(dǎo)通所需的最小電流。的最小電流。對同一晶閘管來說對同一晶閘管來說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流ITSM指由于

37、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最大正向過載電流 。2 2）電流定額電流定額481.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 除開通時間除開通時間tgt和關(guān)斷時間和關(guān)斷時間tq外，還有：外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升斷態(tài)電壓臨界上升率率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通指在額定結(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。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，就會使晶閘管誤導(dǎo)通電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)

38、通 。 通態(tài)電流臨界上升通態(tài)電流臨界上升率率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流指在規(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。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3 3）動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)491.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有有快速晶閘管快速晶閘管和和高頻晶閘管高頻晶閘管。開關(guān)時間以及開關(guān)時間以及du/dt和和di/dt耐量都有明顯改善。耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管高頻晶閘

39、管10 s左右。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。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，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。DATASHEET1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)501.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2）雙向晶雙向晶閘管閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性a)b)IOU

40、IG=0GT1T2可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)可認(rèn)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。有兩個主電極有兩個主電極T1和和T2，一個門極一個門極G。在第在第和第和第IIIIII象限有對象限有對稱的伏安特性。稱的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來表示其額定電流值來表示其額定電流值。DATASHEET511.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3) 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個二極管

41、制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。521.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件4) 光控晶閘光控晶閘管（管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強度強弱b)OUIA圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場合。531.4 典型全控型器件典型全控型器件541.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘管門

42、極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。出現(xiàn)。20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新時代。個嶄新時代。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。管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。551.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊561.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管晶閘管的一種派生器件。晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷?？梢酝ㄟ^在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)

43、斷。GTOGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。DATASHEET門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）571.4.1 門極可關(guān)斷晶門極可關(guān)斷晶閘管閘管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的與普通晶閘管的相同點相同點： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的和普通晶閘管的不同點不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。是一種多元的功率集成器件。c)圖1-13

44、AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖1-13 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理581.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來所示的雙晶體管模型來分析。分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。是器件臨

45、界導(dǎo)通的條件。由由P1N1P2和和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共分別具有共基極電流增益基極電流增益 1 1和和 2 2 。591.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下如下區(qū)別區(qū)別：設(shè)計設(shè)計 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控控 制靈敏，易于制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時導(dǎo)通時 1+ 2更接近更接近1，導(dǎo)通，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)基區(qū)橫向

46、電阻很小，能從門極抽橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。出較大電流。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖1-7 晶閘管的工作原理601.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)還使還使GTO比普通晶閘管開通過程快，比普通晶閘管開通過程快，承受承受di/dt能力強能力強 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：611.4.1 門極可關(guān)門極

47、可關(guān)斷晶閘管斷晶閘管開通過程開通過程：與普通晶閘管：與普通晶閘管相同相同關(guān)斷過程關(guān)斷過程：與普通晶閘管：與普通晶閘管有所不同有所不同儲存時間儲存時間ts，使等效晶，使等效晶體管退出飽和。體管退出飽和。下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 殘存載流殘存載流子復(fù)合。子復(fù)合。通常通常tf比比ts小得小得多，而多，而tt比比ts要長。要長。門極負(fù)脈沖電流幅值門極負(fù)脈沖電流幅值越越大，大，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形2) GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性621.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門

48、極可關(guān)斷晶閘管管3) GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12 s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于尾部時間。下降時間一般小于2 s。（2） 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toff（1）開通時間開通時間ton 不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。以

49、下只介紹意義不同的參數(shù)。631.4.1 門極可關(guān)斷門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off off一般很小，只有一般很小，只有5左右，這是左右，這是GTO的一個主要缺點。的一個主要缺點。1000A的的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。 GTO額定電流。額定電流。 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）GMATOoffII641.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管電力晶體管（Giant

50、 TransistorGTR，直譯為，直譯為巨型晶體管）巨型晶體管） 。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱），英文有時候也稱為為Power BJT。DATASHEET 1 2 應(yīng)用應(yīng)用20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被管，但目前又大多被IGBT和電力和電力MOSFET取代取代。術(shù)語用法術(shù)語用法：65與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成

51、的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。1.4.2 電力晶體管電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內(nèi)部載流子的流動661.4.2 電力晶體管電力晶體管在應(yīng)用中，在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流集電極電流ic與基極電流與基極電流ib之比為之比為（1-9） GTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流，反映了基極電流對集電極電流的控制能力的控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間

52、的漏電流流Iceo時，時，ic和和ib的的關(guān)系為關(guān)系為 ic= ib +Iceo （1-10）單管單管GTR的的 值比小功率的晶體管小得多，通常為值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理671.4.2 電力晶體管電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。在電力電子電路中在電力電子電路中GTR工工作在開關(guān)狀態(tài)。作在開關(guān)狀

53、態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實際使用時，最高工作電壓要實際使用時，最高工作電壓要比比BUceo低得低得多。多。3）GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)701.4.2 電力晶體管電力晶體管通常規(guī)定通常規(guī)定為為hFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應(yīng)時所對應(yīng)的的Ic 。實際使用時要留有裕量，只能用到實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。的一半或稍多一點。 3) 集電極最大耗散功率集電極

54、最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書產(chǎn)品說明書中給中給PcM時同時給出時同時給出殼溫殼溫TC，間接表示了最高，間接表示了最高工作溫度工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM711.4.2 電力晶體管電力晶體管一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。迅速增大。只要只要Ic不超過限度，不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生一次擊穿發(fā)生時，時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立

55、即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）最高電壓最高電壓UceM、集電極最大電、集電極最大電流流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次、二次擊穿臨界線限定。擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區(qū)4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)721.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管分為分為結(jié)型和絕緣柵型結(jié)型和絕緣柵型通常主要指通常主要指絕緣柵型中的絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal

56、Oxide Semiconductor FET）簡稱電力簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置的電力電子裝置 。電力場效應(yīng)晶體管電力場

57、效應(yīng)晶體管731.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。電溝道。 增強型增強型對于對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。 電力電力MOSFET主要主要是是N溝道增強型溝道增強型。DATASHEET1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理741.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是單極

58、型晶體管。導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號751.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管小功率小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷９苁菣M向?qū)щ娖骷?。電力電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）。）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴

59、散和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。）。這里主要以這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。器件為例進(jìn)行討論。電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)761.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管截止截止：漏源極間加正電源漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成漂移區(qū)之間形成的的PN結(jié)結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流反偏，漏源極之間無電流流過。流過。導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)當(dāng)UGS大于大于UT時，時，P型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體反型成N型而成為型而成

60、為反型層反型層，該反，該反型層形成型層形成N溝道而使溝道而使PN結(jié)結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電消失，漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力電力MOSFET的工作原理的工作原理771.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流漏極電流ID和柵源間電壓和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為的關(guān)系稱為MOSFET的的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。ID較大較大時，時，ID與與UGS的關(guān)系的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定近似線性，曲線的斜率定義為義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402