1、電力電子技術(shù)電子教案第2章 電力電子器件第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) 第2章 電力電子器件 2.1 電力電子器件概述 5-10分 2.2 不可控器件電力二極管 30-35 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) 第1章第4頁(yè)2.2 不可控器件電力二極管2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 10分鐘 提問(wèn)1：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng) 2.2

2、.2 電力二極管的基本特性 5-10 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 52.2.4 電力二極管的主要類型 5 提問(wèn)2：整流電路用的二極管，電壓參數(shù) 第1章第5頁(yè)2.3 半控器件晶閘管內(nèi)容較多，分兩次課講；第二次課要5-10分鐘回顧，加上附錄及例題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 10 2.3.2 晶閘管的基本特性 10 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 5-10 2.3.4 相關(guān)器件 5 附錄：1 晶閘管額定電流參數(shù)詳解 及例題 2 晶閘管的測(cè)試與使用 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

3、件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)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(wèn)題。 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)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（Power Electronic Device）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)

4、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(kāi)關(guān)狀態(tài)。 由信息電子電路來(lái)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。 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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗電力電子器件的功率損耗2.1.

5、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Power 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。 不可控器件 電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。2.1.3 電力電子器件的分類按照

6、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 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)通或關(guān)斷的控制。GTR,GTO 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。 IGBT和Power MOSFET 2.1.3 電力電子器件的分類按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型 通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。 GTO,晶閘管 電平控制型 必須通過(guò)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(lái)使器件開(kāi)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)。 IGBT和Power MOSFET等電壓型器件，GTR2.1.3 電力電子器件的分

7、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。 Power MOSFET 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 GTR,GTO 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。 IGBT2.1.4 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(wèn)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

8、件的特殊要求。第1章第17頁(yè)第1章 電力電子器件1.1不可控器件電力二極管1.2半控型器件晶閘管1.2.1 晶閘管結(jié)構(gòu)與工作原理1.2.2 伏安特性及主要參數(shù)1.2.3 晶閘管的測(cè)試與使用 第1章第18頁(yè)2.2 不可控器件電力二極管 2.2.1 PN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第1章第19頁(yè)2.2電力二極管Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用快恢復(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(chǎng)合，具有不可替代的地位圖2-1整流二極管

9、及模塊第1章第20頁(yè)基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。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) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)第1章第21頁(yè)2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體基本概念N(Negative)型半導(dǎo)體：簡(jiǎn)單講就是電子容易被激發(fā)的半導(dǎo)體，此時(shí)電子是多子。電子帶負(fù)電。P(Positive)型半導(dǎo)體：含有可以接收多余電子的空穴的半導(dǎo)體，此時(shí)空穴是多子?？昭ǎ簬в姓姟型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。第1章第22頁(yè)交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的

10、多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷?？臻g電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是一對(duì)矛盾，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，也被稱為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。第1章第23頁(yè)2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 圖2-3 PN結(jié)的形成動(dòng)畫演示第1章第24頁(yè)P(yáng)N結(jié)的正向?qū)顟B(tài)PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降維

11、持在1V左右，正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦远O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 承受電壓超過(guò)反向擊穿電壓時(shí) 狀態(tài) 參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂闺娏髡?大幾乎為零電壓維持1V反向 大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)表1 PN結(jié)的狀態(tài)動(dòng)畫動(dòng)畫動(dòng)畫動(dòng)畫第1章第25頁(yè)P(yáng)N結(jié)的正向?qū)顟B(tài)PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降維持在1V左右，正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)返回第1章第26頁(yè)P(yáng)N結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦远O管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征返回動(dòng)畫第1章第27頁(yè)2.2.2 電力二極管的基本特性門檻電壓UT0，正向電流IF開(kāi)始明顯

12、增加所對(duì)應(yīng)的電壓。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 。UB 反向擊穿電壓承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流IRR，少子漂移引起圖2-5 電力二極管的伏安特性1) 靜態(tài)特性（Static State Characteristic ） ：主要指其伏安特性IOIFUT0UFUUB第1章第28頁(yè)2.2.2 電力二極管的基本特性2）動(dòng)態(tài)特性(Dynamic Characteristic)PN結(jié)中的電荷量隨著外加電壓而變化，呈電容效應(yīng)因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工?/p>

13、。第1章第29頁(yè)圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置關(guān)斷特性（反向恢復(fù)）電力二極管的關(guān)斷經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。IRM反向電流最大值 MaximumURM反向電壓過(guò)沖最大值td= t1-t0延遲時(shí)間 Delaytf= t2-t1電流下降時(shí)間 Falltrr=td+tf反向恢復(fù)時(shí)間 Reverse Recoverytf /td 恢復(fù)特性的軟度，用Sr表示a)IFtdtrrtfIRMt1 t2UFURttF t0 URM在關(guān)斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過(guò)沖。 - 清除大量存儲(chǔ)的少子返回第1章第31頁(yè)圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形b)

14、 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的開(kāi)通2V0tb)正向恢復(fù)時(shí)間tfr (Forward Recovery Time) 電力二極管的正向壓降出現(xiàn)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間 接近穩(wěn)態(tài)降壓的某個(gè)值，這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間：正向恢復(fù)時(shí)間tfr 。 通常tfr Ib2 Ic2 (=2 Ib2) = Ib1 Ic1 (=1 Ib1)c1e1b1/c2b2e2動(dòng)畫演示第1章第47頁(yè)2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理開(kāi)通（門極觸發(fā)）：當(dāng)注入觸發(fā)電流后，會(huì)使晶閘管的陽(yáng)極電流IA迅速增大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA此時(shí)由外電路電源電壓Ea和負(fù)載電阻Rd決定。由于正反饋的作用，導(dǎo)通的管子即使門極電流降為零或者負(fù)值，也不能夠關(guān)斷管子

15、。只有設(shè)法使管子的陽(yáng)極電流IA減小到維持電流IH以下，導(dǎo)致內(nèi)部正反饋無(wú)法維持時(shí)，晶閘管才能夠恢復(fù)阻斷。第1章第48頁(yè)2.3.2 晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；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可能導(dǎo)通；-導(dǎo)通條件晶閘管一旦導(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于零的某一數(shù)值以下。 -關(guān)斷條件第1章第49頁(yè)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Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=

16、IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 （1-4）1和2分別是晶體管V1和V2的電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的漏電流。第1章第50頁(yè)2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理由以上式（2-1）（2-4）可得 （2-5） Ic0流過(guò)J2結(jié)的反向漏電流。與P11公式(1-3)一致。第1章第51頁(yè)2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性圖2-9 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG返回靜態(tài)特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；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可能導(dǎo)通；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控

17、制作用；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。 圖2-9 晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ǚ聪驌舸㊣H-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2URRMURSMIG2IG1 IG IG=0時(shí)，器件兩端加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流；正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。稱“硬開(kāi)通”，一般不允許硬開(kāi)通； 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。正向特性圖2-9 晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ǚ聪驌舸㊣H-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2URRMURSMIG2IG1 IG 導(dǎo)通后的晶閘

18、管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，且陽(yáng)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。正向特性圖2-9 晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ǚ聪驌舸㊣H-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2URRMURSMIG2IG1 IG 晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似電力二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，達(dá)到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 反向特性第1章第55頁(yè)1. 額定電壓UTN通

19、常取晶閘管正反向重復(fù)峰值電壓中較小的值作為該器件的額定電壓UTN。峰值電壓UTM電路中晶閘管的瞬態(tài)峰值電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,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UTN =（ 23 ）UTM思考：?jiǎn)蜗嗾?.3.3 晶閘管的主要參數(shù)第1章第56頁(yè)2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)2. 額定電流IT(AV) 1)額定通態(tài)平均電流 IT(AV) 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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍第1章第57頁(yè)2.3.3 晶閘

20、管的主要參數(shù)2) 維持電流 IH 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，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小3)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(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小陽(yáng)極電流 對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的24倍要求晶閘管的觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度第1章第58頁(yè)2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)4)門極觸發(fā)電流IGT關(guān)于觸發(fā)信號(hào)：門極觸發(fā)電流 mA級(jí) 控制 主電路電流 KA級(jí)；典型的以弱控強(qiáng)。5)浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。59/1202.3.4 晶閘管的派生器件快速晶閘管（Fast Switchin

21、g ThyristorFST） 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 快速晶閘管的開(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。 60/1202.3.4 晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián) 接的普通晶閘管的集

22、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(lái)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 61/1202.3.4 晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 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(kāi)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-

23、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 62/1202.3.4 晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 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 額定電流相關(guān)計(jì)算晶閘管額定電流定義：一定條件下，器件在電阻負(fù)載流過(guò)正弦半波電流的電路中，最大通態(tài)平均電流IT（AV）一個(gè)周期內(nèi)電流

24、波形面積的平均原因：整流后直流電路測(cè)量出的是平均值。直流電表測(cè)量起來(lái)方便。不便之處：電路中涉及的計(jì)算，大多是有效值。因此需要轉(zhuǎn)換。額定電流相關(guān)計(jì)算*理解轉(zhuǎn)換過(guò)程： 根據(jù)管子額定(平均)電流 IT(AV) (廠家給出)換算出相對(duì)應(yīng)的額定有效電流ITn。(廠家未給出)流過(guò)管子的最大 電流有效值 ITm ITn，管子理論上就可以正常工作。為了安全起見(jiàn)：留有兩倍左右的裕量。（1.52）ITm ITn實(shí)際應(yīng)用中：已知電路工作情況，確定所需的晶閘管，即晶閘管選型。下節(jié)例題中有體現(xiàn)。 IT（AV）與ITn的關(guān)系：與實(shí)際的電流波形有關(guān)IT（AV）：一個(gè)周期內(nèi)電流波形面積的平均ITn：有效值，均方根值波形系數(shù)：

25、電流波形的有效值與平均值之比Kf = I/Id額定電流相關(guān)計(jì)算 以正弦半波為例例如：額定電流為100A的晶閘管，流過(guò)正弦半波電流時(shí)，指的是 IT（AV）=100A，電流峰值為：Im= IT（AV） A=314A，額定有效電流值為ITn=Im / 2 =157A 。非正弦半波當(dāng)波形不是正弦半波時(shí)，比如正弦半波的一半： 此時(shí)波形的平均值如果Id=100A的話，有效值 I 是多少？ 可以直接利用波形系數(shù)求出，I =222A。大于100A管子對(duì)應(yīng)的最大額定電流有效值ITn，所以不可以使用上面的管子了。（此時(shí)，應(yīng)該用多大等級(jí)的管子？按有效值相等的原則：將非正弦半波等效成正弦半波。IT（AV）= ITn

26、/1.57 =222/1.57=141.4A）（再考慮安全裕量的話，管子的等級(jí)應(yīng)該是：IT（AV）= 2* ITn /1.57，大約為300A。而正弦半波的考慮裕量才200A）如果使用100A管子的話，最大的平均電流應(yīng)該是多少？按照有效值相等的原則來(lái)選，所以這種波形允許的電流有效值最大為157A，即ITn= 157A ，求 IT（AV）。 利用波形系數(shù)，可以得到IT（AV）=157A/2.22=70.7A 同樣可以求出不同波形時(shí)，允許流過(guò)的最大平均電流。練習(xí)：推導(dǎo)觸發(fā)角為時(shí)的平均電流、有效電流的表達(dá)式，得出波形系數(shù)統(tǒng)一的表達(dá)式。 課后作業(yè)晶閘管的判別1、三端的識(shí)別 導(dǎo)線粗細(xì)不同，識(shí)別出門極 通

27、過(guò)電阻阻值不同，確定出陰極 從結(jié)構(gòu)可以看出，陰極和陽(yáng)極之間，陽(yáng)極和門極之間，都有兩個(gè)PN結(jié)，所以電阻很高。而門極和陰極之間，電阻不大。注意：不可用萬(wàn)用表的高阻檔（10K），防止擊穿門極的PN結(jié)，電池一般為？V。P1N1P2N2J1J2J3AGK晶閘管的判別2、好壞的初步判別按照基本電路(圖1-12)，在直流電源（電壓不能夠太高）電路中串接電燈，此時(shí)是否亮？把門極和陽(yáng)極接觸一下（即相當(dāng)于觸發(fā)），此時(shí)燈是否點(diǎn)亮？門極信號(hào)去掉后，是否仍能夠繼續(xù)亮？晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)電路第1章第73頁(yè)圖 晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)電路動(dòng)畫演示導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)第1章第74頁(yè)表1 晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果晶閘管的型號(hào)及其含義p

28、15 K P 例如 ： KP 100-12A分五個(gè)部分：第一部分：K表示晶閘管；第二部分：P 普通反相阻斷型 K 快速型 S 雙向型 N 逆導(dǎo)型 G 可關(guān)斷型第三部分：額定通態(tài)平均電流系列（額定電流）第四部分：正反向重復(fù)峰值電壓等級(jí)（額定電壓） 電流系列：100A 、200A而非 165A； 電壓等級(jí)：顯示數(shù)值為額定電壓/100；因?yàn)橐话愣际菙?shù)百伏到幾千伏；或直接表示第五部分：通態(tài)平均電壓組別 （參見(jiàn)P12 表1-3）小結(jié)掌握：晶閘管端子、電氣符號(hào)導(dǎo)通、關(guān)斷條件額定電壓、額定電流的理解及計(jì)算了解型號(hào)表示方法理解應(yīng)用：判斷晶閘管端子的方法試驗(yàn)驗(yàn)證晶閘管的基本特性77/1202.4 典型全控型器件

29、 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78/1202.4 典型全控型器件引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，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MOSFETIGBT單管及模塊79/1202.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)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)。 雖然外部同樣引出3個(gè) 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)

30、百個(gè)共陽(yáng)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2-14 GTO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) 80/1202.4.1 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(lái)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，

31、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。 81/1202.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)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+21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。 GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。 82/1202.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類似 關(guān)斷過(guò)程 儲(chǔ)存時(shí)間 ts 下降時(shí)間 tf 尾部時(shí)間 tt 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。 使

32、門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間tt 。圖2-15 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間 殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間 83/1202.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管GTO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)意義相同。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO 用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流。 電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。 off一般很小，只有5左右

33、，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 84/1202.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管開(kāi)通時(shí)間ton 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。 延遲時(shí)間一般約12s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。 關(guān)斷時(shí)間toff 一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。 儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s。不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng) 和電力二極管串聯(lián)使用。 85/1202.4.2 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJ

34、T） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。屬電流控制型器件；86/120 GTR的結(jié)構(gòu) N-漂移區(qū)與電力二極管中作用一致； GTR多采用NPN結(jié)構(gòu)。 采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。2.4.2 電力晶體管圖2-16 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度 達(dá)林頓結(jié)構(gòu)GTR單管GTR的 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8

35、8/1202.4.2 電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) 在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為 稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 單管GTR的 值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)89/1202.4.2 電力晶體管GTR的基本特性 靜態(tài)特性 在共發(fā)射極接法時(shí)的典 型輸出特性分為截止區(qū)、放 大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。 在電力

36、電子電路中， GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工 作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)， 一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)Cut-off region放大區(qū)Amplifying region飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUces BUcer BUceo。GTR的不同接線方式及其最高集電極電壓值 BUcbo：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極和基極間的反向擊穿電壓。BUceo：基極開(kāi)路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUcer：實(shí)際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R，這時(shí)用BUcer表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUces：當(dāng)R為0，即發(fā)射極和基極短路，用BUce

37、s表示其擊穿電壓。BUcex：發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。 BUceo實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。2.4.2 電力晶體管 2)集電極最大允許電流 IcM通常規(guī)定為下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic 。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn) 3) 集電極最大耗散功率PcM最高允許工作溫度下對(duì)應(yīng)的耗散功率，用PcM表示。它是GTR容量的重要標(biāo)志。晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來(lái)決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會(huì)因溫度過(guò)高而損壞。實(shí)際使用時(shí)，集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關(guān)。所以在使用中應(yīng)特別注意值

38、IC不能過(guò)大，散熱條件要好。一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。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)（SOASafe Operating Area） 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。圖2-11 GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)二次擊穿臨界96/1202.4.2 電力晶體管GTR的主要參數(shù) 電流放大倍數(shù)、直流電

39、流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff 最高工作電壓 GTR上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。 擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。 發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo 基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo 發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces 發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex 且存在以下關(guān)系： 實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得 多。97/1202.4.2 電力晶體管集電

40、極最大允許電流IcM 規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。 實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。集電極最大耗散功率PcM 指在最高工作溫度下允許的耗散功率。 產(chǎn)品說(shuō)明書中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。 98/1202.4.2 電力晶體管GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。 發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。 出現(xiàn)一次擊穿后，

41、GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。 SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19 GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率 安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn) 連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓 UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超過(guò)二次擊穿臨界線。99/1202.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡(jiǎn)稱電力M

42、OSFET（Power MOSFET）。電力MOSFET是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，它的特點(diǎn)有： 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。 100/1202.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 電力MOSFET的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。 當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。 對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。 在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。 101/1202.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力

43、MOSFET的結(jié)構(gòu) 是單極型晶體管。 結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷壳半娏OSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用 V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET （Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。圖2-20 電力MOSFET的結(jié)構(gòu) 和電氣圖形符號(hào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖

44、b) 電氣圖形符號(hào)102/1202.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的工作原理 截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時(shí)，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。 導(dǎo)通 在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。 當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。 UT稱為開(kāi)啟電壓（或閾值電壓），UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。 103/120電力MOSFET的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 指漏極電流

45、ID和柵源間電壓 UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸 出電流的關(guān)系 。 ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似 線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖2-21 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性(2-11) 是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小。104/1202.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管輸出特性 是MOSFET的漏極伏安特性。 截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。 工作在

46、開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個(gè)與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。 圖2-21 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性105/120動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)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(kāi)通時(shí)間ton= td(on)+tr+ tfv 關(guān)斷過(guò)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+tfi MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系，可以降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs，從

47、而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管信號(hào)iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22 電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程 a)測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up為矩形脈沖電壓信號(hào)源，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測(cè)漏極電流。 (a)(b)106/1202.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過(guò)程是非常迅速的。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一

48、定的驅(qū)動(dòng)功率，開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。 107/1202.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的主要參數(shù) 跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的各時(shí)間參數(shù)。 漏極電壓UDS 標(biāo)稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)。 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 標(biāo)稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。 柵源電壓UGS 柵源之間的絕緣層很薄，UGS20V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)。 108/1202.4.4 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

49、通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)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(kāi)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-gateBipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 109/1202.4.4 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 區(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

50、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2-23 IGBT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。 110/1202.4.4 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(kāi)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(kāi)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)

51、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。 111/1202.4.4 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(kāi)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2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 112/1202.4.4 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

52、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(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 (b)圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 b) 輸出特性 113/1202.4.4 絕緣柵雙極晶體管動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)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(kāi)通時(shí)間ton= td(on)+tr+ tfv tfv分為tfv1和tfv2兩段。 關(guān)斷過(guò)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+tfi

53、tfi分為tfi1和tfi2兩段 引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低于電力MOSFET。 圖2-25 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程114/1202.4.4 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。 115/1202.4.4 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(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)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

54、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(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。 116/1202.4.4 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(kāi)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(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控

55、，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(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt過(guò)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。117/1202.4.4 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)（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA） 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)（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA） 根據(jù)最大集電極

56、電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt。 118/1202.5 其他新型電力電子器件 2.5.1 MOS控制晶閘管MCT 2.5.2 靜電感應(yīng)晶體管SIT 2.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管SITH 2.5.4 集成門極換流晶閘管IGCT 2.5.5 基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力 電子器件119/1202.5.1 MOS控制晶閘管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）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(kāi)關(guān)過(guò)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(wàn)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(kāi)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(wèn)題沒(méi)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。 120/1202.5.2 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(guò)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S