1、電力電子技術電子教案,第1章 電力電子器件,第1章第2頁,第1章 電力電子器件,引言 1.1電力電子器件概述 1.2不可控器件電力二極管 1.3半控型器件晶閘管 1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型電力電子器件 1.6 電力電子器件的驅動 1.7 電力電子器件的保護 1.8 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用 小結,第1章第3頁,引 言,電子技術的基礎 電子器件：晶體管和 集成電路 電力電子電路的基礎 電力電子器件 本章主要內容： 簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等 問題 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注意的一些問題,第1章第4頁,1.1電力電子

2、器件概述,1.1電力電子器件概述 1.1.1 電力電子器件的概念和特征 1.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成 1.1.3 電力電子器件的分類 1.1.4 本章內容和學習要點,第1章第5頁,1.1電力電子器件概述,1.1.1 電力電子器件的概念和特征 主電路（main power circuit）電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路 電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件,第1章第6頁,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類。 兩類中，自20

3、世紀50年代以來，真空管僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導體器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導體器件。 電力半導體器件所采用的主要材料仍然是硅。,第1章第7頁,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征： (1) 能處理電功率的大小，即承受電壓和電流 的能力，是最重要的參數(shù) 其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級, 大多都遠大于處理信息的電子器件。,第1章第8頁,1.1.1 電力電子器件的概念

4、和特征,(2) 電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài) 導通時（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定 阻斷時（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定 電力電子器件的動態(tài)特性（也就是開關特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。 作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替,第1章第9頁,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,(3) 實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。 在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是電力電子器件的驅動電路。 (4)為保證不致于因損

5、耗散發(fā)的熱量導致器件溫 度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。 導通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗,第1章第10頁,1.1.1 電力電子器件的概念和特征,阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗 在器件開通或關斷的轉換過程中產(chǎn)生開通損耗和關斷損耗，總稱開關損耗 對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一 通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因 器件開關頻率較高時，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素,第1章第11頁,1.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成,1.1.2 應用電力

6、電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成 圖1-1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成 控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能,第1章第12頁,1.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成,有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅動電路等主電路之外的電路都歸為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。 主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅動電路與主電路的連接處，或者驅動電路

7、與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行電氣隔離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號。,第1章第13頁,1.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成,由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正常可靠運行，也往往是非常必要的。 器件一般有三個端子（或稱極或管角），其中兩個聯(lián)結在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅動電路和主電路的公

8、共端，一般是主電路電流流出器件的端子。,第1章第14頁,1.1.3 電力電子器件的分類,1.1.3 電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類： (1)半控型器件通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷 晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定,第1章第15頁,1.1.3 電力電子器件的分類,(2)全控型器件通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 電力場效應晶體管（Power MOSFET，簡稱為電

9、力MOSFET） 門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,第1章第16頁,1.1.3 電力電子器件的分類,(3) 不可控器件不能用控制信號來控制其通斷， 因此也就不需要驅動電路 電力二極管（Power Diode） 只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的 按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的 性質，分為兩類： 電流驅動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制 電壓驅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實現(xiàn)導通或者關斷的控制,第1章第17頁,1.1.3 電力電子器件的分類,電壓驅動型器件實際上是通

10、過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應器件 按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類： 單極型器件由一種載流子參與導電的器件 雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件 復合型器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件,第1章第18頁,1.1.4 本章內容和學習要點,介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題，然后集中講述電力電子器件的驅動、保護和串、并聯(lián)使用這三個問題。 最重要的是掌握其基本特性 掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方

11、法，這是在實際中正確應用電力電子器件的兩個基本要求 由于電力電子電路的工作特點和具體情況的不同，可能會對與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求,第1章第19頁,1.2 不可控器件電力二極管,1.2不可控器件電力二極管 1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理 1.2.2 電力二極管的基本特性 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1.2.4 電力二極管的主要類型,第1章第20頁,1.2不可控器件電力二極管,Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用 快恢復二極管和肖特基二極管，分別 在中、高頻整流和逆變

12、，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位,第1章第21頁,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理,基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣 以半導體PN結為基礎 由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝 圖1-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號,第1章第22頁,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理,N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴散運動，到對方區(qū)內成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質離子。這些

13、不能移動的正、負電荷稱為空間電荷?？臻g電荷建立的電場被稱為內電場或自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即漂移運動。擴散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又是一對矛盾，最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。,第1章第23頁,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理,PN結的正向導通狀態(tài) 電導調制效應使得PN結在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結表現(xiàn)為低阻態(tài),圖1-3 PN結的形成,第1章第24頁,1.2.

14、1 PN結與電力二極管的工作原理,PN結的反向截止狀態(tài) PN結的單向導電性 二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一 主 要特征 PN結的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿,PN結的電容效應： PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱 為結電容CJ，又稱為微分電容。結電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD,第1章第25頁,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理,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。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比 而擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向

15、電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分 結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作，應用時應加以注意。,第1章第26頁,1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理,造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： 正向導通時要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導調制效應不能忽略 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應也會有較大影響 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大,第1章第27頁,1.2.2 電力二極管的

16、基本特性,1.2.2 電力二極管的基本特性 圖1-4 電力二極管的伏安特性,第1章第28頁,1.2.2 電力二極管的基本特性,1. 靜態(tài)特性（電力二極管伏安特性圖） 主要指其伏安特性 當電力二極管承受的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)定導通狀態(tài)。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。 2. 動態(tài)特性 動態(tài)特性因結電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的,第1章第29頁,1.2.2 電力二極管的基本特性,開關特性反映通態(tài)和

17、斷態(tài)之間的轉換過程 關斷過程： 須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài) 在關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 圖1-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉換為反向偏置 b) 零偏置轉換為正向偏置,第1章第30頁,1.2.2 電力二極管的基本特性,延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復時間：trr= td+ tf 恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示,正向偏置轉換為反向偏置,零偏置轉換為正向偏置,第1章第31頁,1.2.2 電力二極管的基本特性,開通過程： 電力二

18、極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。 電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大 正向電流的上升會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,第1章第32頁,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),1. 正向平均電流IF(AV) 額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，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 正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。 當用在頻率較高的場合時，

19、開關損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略 當采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應也不小,第1章第33頁,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),2. 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)正向電流時對應的正向壓降 有時參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降 3. 反向重復峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3 使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定,第1章第34頁,1.2.3 電力二極管的主要參數(shù),4. 最高工作結溫TJM 結溫是指管芯PN結的平

20、均溫度，用TJ表示 最高工作結溫是指在PN結不致?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 5. 反向恢復時間trr trr= td+ tf ，關斷過程中，電流降到0起到恢復反響阻斷能力止的時間 6. 浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。,第1章第35頁,1.2.4 電力二極管的主要類型,1.2.4 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，特別是反向恢復特性的不同介紹 在應用時，應根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管 性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的,第1章第36頁,1.2.

21、4 電力二極管的主要類型,1. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關頻率不高時并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上,第1章第37頁,1.2.4 電力二極管的主要類型,2. 快恢復二極管（Fast Recovery Diode FRD） 恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管 工藝上多采用了摻金措施 有的采用PN結型結構 有的采用改進的PiN結構,第1章第38頁

22、,1.2.4 電力二極管的主要類型,采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下 從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。,第1章第39頁,1.2.4 電力二極管的主要類型,3. 肖特基二極管 以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡稱為肖特基二極管 20世紀80年代

23、以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應用 肖特基二極管的弱點 當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200V以下 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，而且必須更嚴格地限制其工作溫度,第1章第40頁,1.2.4 電力二極管的主要類型,肖特基二極管的優(yōu)點 反向恢復時間很短（1040ns） 正向恢復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，明顯低于快恢復二極管 其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高,第1章第41頁,1.3 半控器件晶閘管,1.3半控型器件晶閘管 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理 1.3.2 晶

24、閘管的基本特性 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 1.3.4 晶閘管的派生器件,第1章第42頁,1.3半控型器件晶閘管,晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管 1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 1958年商業(yè)化 開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代 20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位 晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管廣義上講，晶閘管

25、還包括其許多類型的派生器件,第1章第43頁,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,外形有螺栓型和平板型兩種封裝 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端 對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間 圖1-6 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號,第1章第44頁,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,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,Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）,第1章第45頁,1.

26、3.1 晶閘管的結構與工作原理,IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4） 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。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5） 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。,第1章第46頁,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和 開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(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，實現(xiàn)飽和導通

27、。IA實際由外電路決定。,第1章第47頁,1.3.1 晶閘管的結構與工作原理,其他幾種可能導通的情況： 陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高 結溫較高 光直接照射硅片，即光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段,第1章第48頁,1.3.2 晶閘管的基本特性,1. 靜態(tài)特性 承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)

28、電流的情況下晶閘管才能開通 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用 要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下,第1章第49頁,1.3.2 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1-8 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG,第1章第50頁,1.3.2 晶閘管的基本特性,IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通 隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低 導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右 導通期間

29、，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。（伏安特性圖）,第1章第51頁,1.3.2 晶閘管的基本特性,晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性 晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出 陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端 門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的 晶閘管的門極和陰極之間是PN結J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應限制在可靠觸發(fā)區(qū)。（伏安特性圖）,第1章第52頁,1.3.2 晶閘管的基本特性,2. 動態(tài)

30、特性 圖1-9 晶閘管的開通和關斷過程波形,第1章第53頁,1.3.2 晶閘管的基本特性,1) 開通過程（特性圖) 延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間 上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間 開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6） 普通晶閘管延遲時間為0.51.5s，上升時間為0.53s,第1章第54頁,1.3.2 晶閘管的基本特性,2) 關斷過程 反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間 正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間 在正向阻斷恢復時

31、間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通 實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作 關斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)） 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。,第1章第55頁,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),1. 電壓定額 1)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的 正向峰值電壓。 2)反向重復峰值電壓URRM 在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。 3)通態(tài)（峰值）電壓UTM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

32、電壓。 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量,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,第1章第56頁,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),2. 電流定額 1)通態(tài)平均電流 IT(AV) 額定電流- 晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài) 下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管 應留一定的裕量，一般取1.52倍,第1章第57頁,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),2) 維持電流 IH 使晶閘管維持導通所必需的最小電流 一般為幾十到幾百毫安，

33、與結溫有關，結溫越高，則IH越小 3) 擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信 號后， 能維持導通所需的最小電流 對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍 4) 浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結溫超過 額定結溫的不重復性最大正向過載電流,第1章第58頁,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),3. 動態(tài)參數(shù) 除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有： (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘 管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當于一個電容的J2結會有充電電流流過，被稱為位移電流。此

34、電流流經(jīng)J3結時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通,第1章第59頁,1.3.3 晶閘管的主要參數(shù),(2) 通態(tài)電流臨界上升率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)電流上升率 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞,第1章第60頁,1.3.4 晶閘管的派生器件,1. 快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST) 包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管 管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及du/dt和

35、di/dt耐量都有明顯改善 普通晶閘管關斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管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，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應,第1章第61頁,1.3.4 晶閘管的派生器件,2. 雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC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,第1章第62頁,1.3.4 晶閘管的派生器件,可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成 有兩個主電極T1和T2，一個門極G 正反兩方

36、向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性 與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State RelaySSR）和交流電機調速等領域應用較多 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。,第1章第63頁,1.3.4 晶閘管的派生器件,3. 逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件 具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點 逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流 圖1

37、-11 逆導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,第1章第64頁,1.3.4 晶閘管的派生器件,4. 光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 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,第1章第65頁,1.3.4 晶閘管的派生器件,又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管 小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子 大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導體激光器 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

38、場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位,第1章第66頁,1.4 典型全控型器件,1.4 典型全控型器件 1.4.1 門極可關斷晶閘管 1.4.2 電力晶體管 1.4.3 電力場效應晶體管 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管,第1章第67頁,1.4 典型全控型器件,門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn) 20世紀80年代以來，信息電子技術與電力電子技術在各自發(fā)展的基礎上相結合高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術又帶入了一個嶄新時代 典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管,第1章第68頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,門

39、極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 晶閘管的一種派生器件 可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷 GTO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用,第1章第69頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,1. GTO的結構和工作原理 結構：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極 和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內部并聯(lián)在一起 圖1-13 GTO的內部結構和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排

40、列的圖形 b) 并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號,第1章第70頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析 1+2=1是器件臨界導通的條件。當1+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+21時，不能維持飽和導通而關斷,圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理,第1章第71頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別： （1）設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于 GTO關斷 （2）導通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15） 導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利

41、門極 控制關斷，但導通時管壓降增大 （3）多元集成結構使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流,第1章第72頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程 度較淺 關斷過程：強烈正反饋門極加負脈沖即從門 極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流 當IA和IK的減小使1+21時，器件退出飽和而關斷 多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強,第1章第73頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,2. GTO的動態(tài)特性 開通過程：與普通

42、晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr,圖1-14 GTO的開通和關斷過程電流波形,第1章第74頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,關斷過程：與普通晶閘管有所不同 抽取飽和導通時儲存的大量載流子儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小下降時間tf 殘存載流子復合尾部時間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長 門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短 門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當負電壓，則可縮短尾部時間,第1章第75頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,3. GTO的主要參數(shù)(顯示圖） 許多參數(shù)和普通晶

43、閘管相應的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù) 1)開通時間ton 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大 2)關斷時間toff 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s 不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯(lián),第1章第76頁,1.4.1 門極可關斷晶閘管,3)最大可關斷陽極電流IATO GTO額定電流 4) 電流關斷增益off 最大可關斷陽極電流與門極負脈 沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益 （1-8） off一般很小，只有5左右，這是G

44、TO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A,第1章第77頁,1.4.2 電力晶體管,術語用法： 電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT 在電力電子技術的范圍內，GTR與BJT這兩個名稱等效 應用 20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代,第1章第78頁,1.4.2 電力晶體管,1. GTR的結構和工作原理(圖-15） 與普通的雙極結型晶體管基本原

45、理是一樣的 主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好 通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成,第1章第79頁,1.4.2 電力晶體管,圖1-15 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動 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 （1-9） GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力,第1章第80頁,1.4.2 電力晶體管,當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為 ic= ib +Iceo （1-10） 產(chǎn)品說明書中通常

46、給直流電流增益hFE在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認為hFE 單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益,第1章第81頁,1.4.2 電力晶體管,2. GTR的基本特性 (1) 靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū) 在電力電子電路中GTR工作在開關狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū) 在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū) 圖1-16 共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性,第1章第82頁,1.4.2 電力晶體管,(1) 動態(tài)特性 圖1-17 GTR的開通和關斷過程電流波形 開通過程 延遲時間td和上升

47、時間tr，二者之和為開通時間ton td主要是由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程,第1章第83頁,1.4.2 電力晶體管,關斷過程（顯示圖） 儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff ts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關斷時間的主要部分 減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關斷速度 負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗 GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GT

48、O都短很多,第1章第84頁,1.4.2 電力晶體管,3. GTR的主要參數(shù) 前已述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、 集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、 開通時間ton和關斷時間toff (此外還有)： 1)最高工作電壓 GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿 擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關，還與外電路接法有關 BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo 實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多,第1章第85頁,1.4.2 電力晶體管,2)集電極最大允許電流IcM 通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應的Ic 實際使用時要留有裕量，

49、只能用到IcM的一半或稍多一點 3) 集電極最大耗散功率PcM 最高工作溫度下允許的耗散功率 產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度,第1章第86頁,1.4.2 電力晶體管,4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū) 一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿 只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變 二次擊穿 一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降 常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變,第1章第87頁,1.4.2 電力晶體管,安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 最高電

50、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1-18 GTR的安全工作區(qū),第1章第88頁,1.4.3 電力場效應晶體管,也分為結型和絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET） 但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點用柵極電壓來控制漏極電流 驅動電路簡單，需要的驅動功率小 開關速度快，工作頻率高 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR

51、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,第1章第89頁,1.4.3 電力場效應晶體管,1. 電力MOSFET的結構和工作原理 電力MOSFET的種類 按導電溝道可分為P溝道和N溝道 耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道 增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道 電力MOSFET主要是N溝道增強型,第1章第90頁,1.4.3 電力場效應晶體管,電力MOSFET的結構（顯示圖） 導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管 導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別 電力MOSFET的多元集成結構 國際整流器公司（I

52、nternational Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元 西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元 摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列,第1章第91頁,1.4.3 電力場效應晶體管,小功率MOS管是橫向導電器件 電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為 VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了 MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂 直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MO 結構的VDMOSFET（Vertical Double-diffus

53、ed MOSFET） 這里主要以VDMOS器件為例進行討論,第1章第92頁,1.4.3 電力場效應晶體管,電力MOSFET的工作原理 圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零 P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過,第1章第93頁,1.4.3 電力場效應晶體管,導電：在柵源極間加正電壓UGS 柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，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UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電

54、子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電,第1章第94頁,1.4.3 電力場效應晶體管,2. 電力MOSFET的基本特性 1)靜態(tài)特性 圖1-20 電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性 ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs,第1章第95頁,1.4.3 電力場效應晶體管,MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）： 截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)） 飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)） 非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和

55、區(qū)） 電力MOSFET工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換 電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通 電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利,第1章第96頁,1.4.3 電力場效應晶體管,2)動態(tài)特性 圖1-21 電力MOSFET的開關過程 a) 測試電路 b) 開關過程波形 up脈沖信號源，Rs信號源內阻，RG柵極電阻， RL負載電阻，RF檢測漏極電流,第1章第97頁,1.4.3 電力場效應晶體管,開通過程（開關過程圖） 開通延遲時間td(on) up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段 上升時間tr uGS從

56、uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段 iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定 UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關 UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變 開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和,第1章第98頁,1.4.3 電力場效應晶體管,開通過程 關斷延遲時間td(off) up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段 下降時間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGSUT時溝道消失，iD下降到零為止的時間段 關斷時間toff關斷延遲時間和下降時間之和,圖1-21 電力M

57、OSFET的開關過程 a) 測試電路 b) 開關過程波形 up脈沖信號源，Rs信號源內阻，RG柵極電阻，RL負載電阻， RF檢測漏極電流,第1章第99頁,1.4.3 電力場效應晶體管,MOSFET的開關速度 MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系 使用者無法降低Cin，但可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關速度 MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速 開關時間在10100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的 場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。,第1章第100頁,1.4.3 電力場效應晶體管,3. 電力MOSFET的主要參數(shù) 跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之還有 1)漏極電壓UDS 電力MOSFET電壓定額 2) 漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM 電力 MOSFET電流定額 3) 柵源電壓UGS 柵源之間的絕緣層很薄， UGS20V將導致絕緣層擊穿 4)極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共 源極輸出電容Coss和反向轉移電容Crss,第1章第101頁,1.4.3 電力場效應晶體管,Ciss= CGS+ CGD （1-14）