《電力電子技術(shù)》西安交通大學(xué)_王兆安_第五版（講座教學(xué)）

1、第5版)第1章 緒論（第4版為“概述”，無章序號(hào),西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 王兆安 2009.11.28,第1章 緒論,1.1 什么是電力電子技術(shù) 1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史 1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 1.4 本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介,3,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)的概念 可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 電力電子技術(shù)中所變換的“電力” 有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力” ，后者特指電力網(wǎng)的“電力” ，前者則更一般些。 電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù),4,1.1 什么是電力電子技術(shù),具體

2、地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件 對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。 電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基 礎(chǔ)。 變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心,表1-1 電力變換的種類,5,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子學(xué) 美國(guó)學(xué)者W. Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的,圖1-1 描述電力電子學(xué)的倒三角形,6,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)和電子學(xué) 電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子 器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論） 是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。 電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也 是一致的。 電力電子技術(shù)和電力

3、學(xué) 電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電 子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系,7,1.1 什么是電力電子技術(shù),各種電力電子裝置廣泛 應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止 無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、 交直流電力傳動(dòng)、電解、勵(lì) 磁、電加熱、高性能交直流 電源等之中，因此，無論是 國(guó)內(nèi)國(guó)外，通常都把電力電 圖1-2 電氣工程的雙三角形描述 子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國(guó)，電力電子與電力傳 動(dòng)是電氣工程的一個(gè)二級(jí)學(xué)科。圖1-2用兩個(gè)三角形對(duì)電 氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級(jí)學(xué) 科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級(jí)學(xué) 科內(nèi)各二級(jí)學(xué)科的關(guān)系,8,1.1 什么是電力電子技術(shù),電力電子技術(shù)和控制理

4、論 控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電 子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的各種 需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技 術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實(shí) 現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。 另外，控制理論是自動(dòng)化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二 者密不可分，而電力電子裝置則是自動(dòng)化技術(shù)的基 礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù),9,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,電力電子技術(shù)的發(fā)展史,圖1-3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的,10,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎 明期。 19

5、04年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控 制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電 力領(lǐng)域的先河。 20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué) 工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳 動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變 電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在 這一時(shí)期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來變流。 1947年美國(guó)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了 電子技術(shù)的一場(chǎng)革命,11,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,晶閘管時(shí)代 晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使 之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且 其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子

6、技術(shù)的概念和基 礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立 的。 晶閘管是通過對(duì)門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不 能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對(duì)晶閘管電 路的控制方式主要是相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。 晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí) 現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限,12,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,全控型器件和電力電子集成電路（PIC） 70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管 （BJT）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器 件迅速發(fā)展。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對(duì)門極（基極、柵極）的控 制既可使其開通又可使其關(guān)斷。 采用全

7、控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM） 方式。相對(duì)于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡(jiǎn)稱斬控方式。 在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合 型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。 與此相對(duì)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT） 復(fù)合了MOSFET和GTO,13,1.2 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在 一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了 電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。電力電子集成 技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成 技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。 隨著全

8、控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子 電路的工作頻率也不斷提高。與此同時(shí)，軟開關(guān)技 術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗 降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度,14,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于 一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信 系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào) 等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。 一般工業(yè) 工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動(dòng)機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。 一些對(duì)調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的,15,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,圖1-4 AB變頻器,有些并不

9、特別要求調(diào)速的電機(jī)為 了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊而采用了 軟起動(dòng)裝置，這種軟起動(dòng)裝置也是 電力電子裝置。 電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源， 電解鋁、電解食鹽水等都需要大容 量整流電源。電鍍裝置也需要整流 電源。 電力電子技術(shù)還大量用于冶金工 業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、 淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合,16,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,交通運(yùn)輸 電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的 直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流 斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電 力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車輛 中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。 電動(dòng)汽車的電

10、機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū) 動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺(tái)高 級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器 驅(qū)動(dòng)并控制。 飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù),17,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電力系統(tǒng) 據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能 至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。 直流輸電在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整 流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主 要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS） 也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。 晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投

11、切電容器（TSC）、靜止 無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量 用于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置 還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì) 量控制，改善供電質(zhì)量。 在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池 充電等都需要電力電子裝置,18,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,圖1-5 中國(guó)南方電網(wǎng)公司安順換流站,圖1-6 靜止無功發(fā)生器（上）和 晶閘管投切電容器（下,19,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,電子裝置用電源 各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流 電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電 源以前用晶

12、閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型 器件的高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、 微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。 在大型計(jì)算機(jī)等場(chǎng)合，常常需要不間斷電源 （Uninterruptible Power Supply_ UPS）供電，不 間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置,20,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,家用電器 電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量 能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。 空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)， 不少洗衣機(jī)、 電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。 其它 航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器 也離不開各種電源，這些都必需

13、采用電力電子技術(shù)。 抽水儲(chǔ)能發(fā)電站的大型電動(dòng)機(jī)需要用電力電子技術(shù)來 起動(dòng)和調(diào)速。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng) 大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù),21,1.3 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng) 力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力 電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì) 量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng) 時(shí)，更 離不開電力電子技術(shù)。 核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和 注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電 源，這種電源就是電力電子裝置。 科學(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需 要一些特種電源，這也是電力電子 技術(shù)的用武之地,圖1-7 風(fēng)場(chǎng),22,1.4 本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介,本教材的內(nèi)容,第2章 電力電子器

14、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),24,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)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題作了簡(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)注意的一些問題,25,2.1 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.

15、1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn),26,2.1.1 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)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件,27,2.1.1 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，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 由信息

16、電子電路來控制 ,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,28,2.1.1 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)器件的開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(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,開關(guān)損耗,開通損耗,關(guān)斷損耗,電力電子器件的功率損耗,29,2.1.2 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,30,2.1.3 電力電子器件的分類,按照能夠被控

17、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)來控制其通斷,31,2.1.3 電力電子器件的分類,按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過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。 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） 脈沖

18、觸發(fā)型 通過在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型 必須通過持續(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)來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài),32,2.1.3 電力電子器件的分類,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。 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 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,33,2.1.4 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

19、用中應(yīng)注意的一些問題。 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)其它電路元件的特殊要求,34,2.2 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,35,2.2 不可控器件電力二極管引言,電力二極管（Power Diode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得 應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二 極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。 在采用

20、全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 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 二極管，具有不可替代的地位,整流二極管及模塊,36,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,電力二極管是以半 導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的, 實(shí)際上是由一個(gè)面積 較大的PN結(jié)和兩端引 線以及封裝組成的。 從外形上看，可以有 螺栓型、平板型等多 種封裝,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) 基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào),37,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,二極管的基本原理PN結(jié)的單向?qū)щ娦?當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流

21、，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止?fàn)顟B(tài)。 PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，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形式 。 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。 否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿,38,2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理,PN結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容 按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電

22、容CD 勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響PN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娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?39,2.2.2 電力二極管的基本特性,靜態(tài)特性 主要是指其伏安特性 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(dǎo)通狀態(tài)。 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。 承受反向電壓時(shí)，只有少子 引起的微小而數(shù)值恒定的反向 漏電流,圖2-5 電力二極管的伏安

23、特性,40,2.2.2 電力二極管的基本特性,u,圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,動(dòng)態(tài)特性 因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)態(tài)特性，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。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。 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。 延遲時(shí)間：td=t1-t0 電流下降時(shí)間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱恢復(fù)系 數(shù)，用S

24、r表示,t0:正向電流降為零的時(shí)刻,t1:反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻,t2:電流變化率接近于零的時(shí)刻,41,2.2.2 電力二極管的基本特性,由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過 一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降 的某個(gè)值（如2V）。 正向恢復(fù)時(shí)間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因:電 導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量 少子需要一定的時(shí)間來儲(chǔ)存， 在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較 大；正向電流的上升會(huì)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,圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置,42,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)

25、行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)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。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 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(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。 使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量,43,2.2.3 電力二極管的主要參數(shù),最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。 最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)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

26、內(nèi)。 反向恢復(fù)時(shí)間trr 浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流,44,2.2.4 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(fù)特性的不同，介紹幾種常用 的電力二極管。 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。 其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上 。 其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高,45,2.2.4 電力二極管的主要類型,快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復(fù)過程很短，特

27、別是反向恢復(fù)過程很短（一 般在5s以下） 。 快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu) ，其 反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很 低（0.9V左右）。 從性能上可分為快速恢復(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,46,2.2.4 電力二極管的主要類型,肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于多子器件 優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns），正向恢 復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖；在反向耐壓較低的情 況

28、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)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率 高。 弱點(diǎn)在于：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時(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；反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不 能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度,47,2.3 半控型器件晶閘管,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件,48,2.3 半控器件晶閘管引言,晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱作可控硅整流器 （Silicon Controlled

29、 RectifierSCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到 1957年美國(guó)通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第一只 晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。 由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地 位,晶閘管及模塊,49,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。 內(nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),圖2-7

30、晶閘管的外形、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),50,2.3.1 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,晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可列出如下方程,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,51,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng) 發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式 可看出，此時(shí)流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管 漏電

31、流之和。 如果注入觸發(fā)電流使各個(gè)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，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通。 由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持有限值,由以上式（2-1）（2-4）可得,2-5,52,2.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理,除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率du/dt過高 結(jié)溫較高 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 主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中 之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只 有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段,53,2.3.2 晶

32、閘管的基本特性,靜態(tài)特性 正常工作時(shí)的特性 當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通 。 若要使已導(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一數(shù)值以下,54,2.3.2 晶閘管的基本特性,晶閘管的伏安特性 正向特性 當(dāng)IG=0時(shí)，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。 如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件

33、開通 。 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。 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,圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG,55,2.3.2 晶閘管的基本特性,反向特性 其伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流通過。 當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞,圖2-9 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG,56,2.3.2 晶閘管的基本特性,動(dòng)態(tài)特性 開通過程 由于晶閘管內(nèi)部

34、的正反饋 過程需要時(shí)間，再加上外電路 電感的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長(zhǎng)不可能 是瞬時(shí)的。 延遲時(shí)間td (0.51.5s) 上升時(shí)間tr (0.53s) 開通時(shí)間tgt=td+tr 延遲時(shí)間隨門極電流的增 大而減小,上升時(shí)間除反映晶 閘管本身特性外，還受到外電 路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極 電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都 可顯著縮短,圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,57,2.3.2 晶閘管的基本特性,關(guān)斷過程 由于外電路電感的存在，原處 于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突 然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽極電流 在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tg

35、r 關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重 新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管 會(huì)重新正向?qū)?，而不是受門極電 流控制而導(dǎo)通,圖2-10 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,100,58,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),電壓定額 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向 峰值電壓（見圖2-9）。 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向 峰值電壓（見

36、圖2-8）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓,59,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),通態(tài)（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)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。 選用時(shí)，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。 電流定額 通態(tài)平均電流 IT(AV） 國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷 卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半 波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的

37、通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。 一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的 原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍,60,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),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， 一般為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫越高，則IH越小。 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(hào) 后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。 約為IH的24倍 浪涌電流ITSM 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,61,2.3.3 晶閘管的主要參數(shù),動(dòng)態(tài)參數(shù) 開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門極開路的情況

38、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。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 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，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞,62,2.3.4 晶閘管的派生器件,快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶閘管和高頻晶閘管。 快速晶閘管的開關(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

39、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)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng),63,2.3.4 晶閘管的派生器件,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,64,2.3.4 晶閘管的派生器件,a,K,G,A,逆

40、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2-12 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,65,2.3.4 晶閘管的派生器件,A,G,K,a,AK,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

41、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,66,2.4 典型全控型器件,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,67,2.4 典型全控型器件引言,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)80年代以來，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MOSFET,IGBT單管及模塊,68,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,晶閘管的一種派生器件，但 可以通過

42、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)。 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個(gè) 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚 至數(shù)百個(gè)共陽極的小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),69,2.4.1 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分析，V1、V2的共基極電流

43、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，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,70,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的， 只不過導(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 開通過程更快，承受di/dt的能

44、力增強(qiáng),71,2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管,GTO的動(dòng)態(tài)特性 開通過程與普通晶閘管類似。 關(guān)斷過程 儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間tt 通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡， ts就越短。使門極負(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,圖2-15 GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形,72,2.4.1 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)斷陽極電流IATO 用來標(biāo)稱GTO額定電流。 電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。 o

45、ff一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。 開通時(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,73,2.4.2 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 TransistorBJT） GTR的

46、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、開關(guān) 特性好,74,GTR的結(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。 GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成 的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu),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,75,2.4.2 電力晶體管,圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng),在應(yīng)用中，GTR一

47、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,2-9,2-10,76,2.4.2 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。 在電力電子電路中， GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工 作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 在開關(guān)過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)， 一般要經(jīng)過放大區(qū),圖2-17 共發(fā)射極接法時(shí)

48、 GTR的輸出特性,77,2.4.2 電力晶體管,動(dòng)態(tài)特性 開通過程 需要經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí) 間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。 增大基極驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并 增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間， 同時(shí)也可以縮短上升時(shí)間，從而 加快開通過程。 關(guān)斷過程 需要經(jīng)過儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí) 間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。 減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減 小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極 抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓， 可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān) 斷速度。 GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)， 比晶閘管和GTO都短很多,圖2-18 GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形,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

49、電產(chǎn)生的,是用來除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分,78,2.4.2 電力晶體管,GTR的主要參數(shù) 電流放大倍數(shù)、直流電流增益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)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo 基極開路時(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

50、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,79,2.4.2 電力晶體管,集電極最大允許電流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,80,2.4.2 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。

51、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，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,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，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 GTR工作時(shí)不僅不能超過最高電壓 UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線,81,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常

52、主要指絕緣柵型中 的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡(jiǎn) 稱電力MOSFET（Power MOSFET）。 電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，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 10kW的電力電子裝置,82,2.4.3 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

53、增強(qiáng)型。 在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型,83,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,電力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?，?目前電力MOSFET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）。

54、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 b) 電氣圖形符號(hào),84,2.4.3 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 無電流流過。 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，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稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，

55、導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大,85,電力MOSFET的基本特性 靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性 指漏極電流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,86,2.4.3 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

56、，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。 工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(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,87,動(dòng)態(tài)特性 開通過程 開通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間tr 電壓下降時(shí)間tfv 開通時(shí)間ton= td(on)+tr+ tfv 關(guān)斷過程 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

57、MOSFET的開關(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，從而減 小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加 快開關(guān)速度,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,信號(hào),圖2-22 電力MOSFET的開關(guān)過程 a)測(cè)試電路 b) 開關(guān)過程波形,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,88,2.4.3 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)斷過程是 非常迅速的。 開關(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。 在開關(guān)過程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍 需要一定的驅(qū)動(dòng)功

58、率，開關(guān)頻率越高，所需 要的驅(qū)動(dòng)功率越大,89,2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管,電力MOSFET的主要參數(shù) 跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時(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),90,2.4.4 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)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)

59、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-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）綜合了GTR 和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性,91,2.4.4 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,92,2.4.4 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)射極間施加反向電壓或