電力電子器件(132)課件

1、電力電子器件(132)課件1 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 2.6 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結(jié)本章小結(jié) 第第2章章 電力電子器件電力電子器件電力電子器件(132)課件2引言引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)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)電力電子電路的基礎(chǔ)

2、 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 對(duì)電力電子器件的對(duì)電力電子器件的概念概念、特點(diǎn)特點(diǎn)和和分類(lèi)分類(lèi)等問(wèn)題作了等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述簡(jiǎn)要概述 。 分別介紹各種常用電力電子器件的分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理工作原理、基基本特性本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。問(wèn)題。 電力電子器件(132)課件32.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.1.1 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 2.1.2 2.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 2.1.3 2.1.3 電力

3、電子器件的分類(lèi)電力電子器件的分類(lèi) 2.1.4 2.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)電力電子器件(132)課件42.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念電力電子器件的概念 電力電子器件（電力電子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于處理電能的是指可直接用于處理電能的主電路主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的變換或控制的電子器件電子器件。 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承主電路：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。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

4、和半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(lèi)，目前往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。導(dǎo)體器件兩類(lèi)，目前往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。 電力電子器件(132)課件52.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的特征電力電子器件的特征 所能處理所能處理電功率電功率的大小，也就是其承受電壓和電的大小，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。信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在在開(kāi)關(guān)狀態(tài)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 由信息電子電路來(lái)控制由信息電子電路來(lái)

5、控制 ,而且需要而且需要驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路。 自身的自身的功率損耗功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器散熱器。 電力電子器件(132)課件62.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征通態(tài)損耗通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。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)，當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗電力電

6、子器電力電子器件的功率損耗件的功率損耗電力電子器件(132)課件72.1.2 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電氣隔離電氣隔離電力電子器件(132)課件82.1.3 電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件的分類(lèi)按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器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。流決定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOS

7、FET。通。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。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。 不可控器件不可控器件 電力二極管（電力二極管（Power Diode）不能用控制信號(hào)來(lái)不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷?？刂破渫〝?。電力電子器件(132)課件92.1.3 電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件的分類(lèi)按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出通過(guò)從控制端注入或者抽出電流電流來(lái)實(shí)現(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的的電壓電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或

8、者關(guān)斷的控制。信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電力電子器件(132)課件102.1.3 電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件的分類(lèi)按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖脈沖信號(hào)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。 電平控制型電平控制型 必須通過(guò)必須通過(guò)持續(xù)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定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)通并電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持維持在導(dǎo)通狀在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。態(tài)或者關(guān)斷并

9、維持在阻斷狀態(tài)。 電力電子器件(132)課件112.1.3 電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件的分類(lèi)按照載流子參與導(dǎo)電的情況按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件單極型器件 由一種由一種載流子載流子參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電。 雙極型器件雙極型器件 由由電子電子和和空穴空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱(chēng)混合型器件。也稱(chēng)混合型器件。 電力電子器件(132)課件122.1.4 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章內(nèi)容本章內(nèi)容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其按照不可控器件、半控型

10、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它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工工作原理作原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。意的一些問(wèn)題。學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn) 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掌握電力電子器件的型號(hào)命名法型號(hào)命名法，以及其，以及其參數(shù)參數(shù)和和特性特性曲線曲線的使用方法。的使用方法。 了解電力電子器件的了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和和基本工作原理基本工作原理電力電子器件(132)課件132.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管

11、2.2.1 PN2.2.1 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 2.2.2 2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 2.2.3 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) 2.2.4 2.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型電力二極管的主要類(lèi)型電力電子器件(132)課件142.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言電力二極管（電力二極管（Power Diode）自自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作用，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)

12、中。大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。在采用全控型器件的電路中電力在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別二極管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)快恢復(fù)二極管二極管和和肖特基二極管肖特基二極管，具有不，具有不可替代的地位。可替代的地位。整流二極管及模塊整流二極管及模塊電力電子器件(132)課件15AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 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電力二極管是以半電力二極管是以半導(dǎo)體導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的, ,實(shí)際上是由一個(gè)面積實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的較大的PN結(jié)結(jié)和和兩端引兩端引線線以及以及

13、封裝封裝組成的。組成的。從外形上看，可以有從外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多種封裝。種封裝。圖圖2-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形外形 b) 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào)電力電子器件(132)課件162.2.1 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二極管的基本原理二極管的基本原理PN結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自上則形成自P區(qū)流入而從區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱(chēng)為區(qū)流出的電流，稱(chēng)為正向正向電

14、流電流IF，這就是，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的置的PN結(jié)表現(xiàn)為結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱(chēng)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱(chēng)為反向截止?fàn)顟B(tài)。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)施加的反向結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿反向擊穿。電力電子器件(132)課件172.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特

15、性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向電壓大到一定值（正向電壓大到一定值（門(mén)檻門(mén)檻 電壓電壓UTO ），正向電流才開(kāi)始），正向電流才開(kāi)始 明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。 與與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的 電壓即為其電壓即為其正向電壓降正向電壓降UF。 承受反向電壓時(shí)，只有承受反向電壓時(shí)，只有少子少子 引起的微小而數(shù)值恒定的引起的微小而數(shù)值恒定的反向反向 漏電流漏電流。IOIFUTOUFU圖圖2-5 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性電力電子器件(132)課件182.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性a)I

16、FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtu 圖圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形（電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形（ 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 ）t0:正向電流降正向電流降為零的時(shí)刻為零的時(shí)刻t1:反向電流達(dá)反向電流達(dá)最大值的時(shí)刻最大值的時(shí)刻t2:電流變化率接電流變化率接近于零的時(shí)刻近于零的時(shí)刻動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性電力電子器件(132)課件192.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd t正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置由正

17、向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立即關(guān)斷，電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新而是須經(jīng)過(guò)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)。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(guò)沖。出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。 延遲時(shí)間延遲時(shí)間：td=t1-t0 電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間：tf =t2- t1 反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+ tf 恢復(fù)特性的軟度恢復(fù)特性的軟度： tf /td，或稱(chēng)恢，或稱(chēng)恢復(fù)系復(fù)系 數(shù)，用數(shù)，用Sr表示。表示。電力電子器件(132)課件202.2.2 電

18、力二極管的基本特性電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個(gè)先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖過(guò)沖UFP，經(jīng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如壓降的某個(gè)值（如2V）。）。 正向恢復(fù)時(shí)間正向恢復(fù)時(shí)間tfr 出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因出現(xiàn)電壓過(guò)沖的原因:電電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量起作用所需的大量少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，少子需要一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較在達(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)因器件大；正向電流的上升會(huì)因器件自身的自身的電感電感而產(chǎn)生較大壓降。而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率電流

19、上升率越大，越大，UFP越高。越高。 圖圖2-6 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 電力電子器件(132)課件212.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用用TC表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大表示）和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波工頻正弦半波電流電流的平均值。的平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有

20、效有效值相等值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正向壓降正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電穩(wěn)態(tài)正向電流流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(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)留有時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍兩倍的裕量。的裕量。 電力電子器件(132)課件222.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯結(jié)溫是指管芯PN結(jié)

21、的平均溫度，用結(jié)的平均溫度，用TJ表示。表示。 最高工作結(jié)溫是指在最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的能承受的最高平均溫度最高平均溫度。 TJM通常在通常在125175 C范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trr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(gè)或幾個(gè)指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工工頻周期的過(guò)電流頻周期的過(guò)電流。電力電子器件(132)課件232.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型電力二極管的主要類(lèi)型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用能，

22、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。的電力二極管。 普通二極管（普通二極管（General Purpose Diode） 又稱(chēng)又稱(chēng)整流二極管（整流二極管（Rectifier Diode），多，多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。以下）的整流電路中。 其其反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在較長(zhǎng)，一般在5 s以上以上 。 其其正向電流定額正向電流定額和和反向電壓定額反向電壓定額可以達(dá)到很高?？梢赃_(dá)到很高。 電力電子器件(132)課件242.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型電力二極管的主要類(lèi)型快恢復(fù)二極管（快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diod

23、eFRD） 恢復(fù)過(guò)程恢復(fù)過(guò)程很短，特別是很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程反向恢復(fù)過(guò)程很短（一很短（一般在般在5 s以下）以下） 。 快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用，采用外延型外延型P-i-N結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) ，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于，其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（），正向壓降也很低（0.9V左右）。左右）。 從性能上可分為從性能上可分為快速恢復(fù)快速恢復(fù)和和超快速恢復(fù)超快速恢復(fù)兩個(gè)等兩個(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)，后者則在在100ns以下，甚至達(dá)

24、到以下，甚至達(dá)到2030ns。電力電子器件(132)課件252.2.4 電力二極管的主要類(lèi)型電力二極管的主要類(lèi)型肖特基二極管（肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于屬于多子多子器件器件 優(yōu)點(diǎn)在于：優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間很短（很短（1040ns），正向），正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖電壓過(guò)沖；在反向耐壓較低；在反向耐壓較低的情況下其的情況下其正向壓降正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其因此，其開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗和和正向?qū)〒p耗正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要都比快速二極管還要小，效率

25、高。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)其正向壓降正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓以下的低壓場(chǎng)合；場(chǎng)合；反向漏電流反向漏電流較大且對(duì)較大且對(duì)溫度溫度敏感，因此敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損反向穩(wěn)態(tài)損耗耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度。電力電子器件(132)課件262.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.3.1 2.3.1 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 2.3.2 2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2.3.3 2

26、.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件電力電子器件(132)課件272.3 2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言晶閘管（晶閘管（Thyristor）是）是晶體閘流管晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作可可控硅整流器（控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅。，以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅。 由于其能承受的由于其能承受的電壓和電流容量電壓和電流容量仍然是目前電力電子器仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的應(yīng)用場(chǎng)合的應(yīng)用場(chǎng)

27、合仍然具有比較重要的地位。仍然具有比較重要的地位。電力電子器件(132)課件282.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) 從外形上來(lái)看，晶閘從外形上來(lái)看，晶閘管也主要有管也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)兩種封裝結(jié)構(gòu) 。 引出引出陽(yáng)極陽(yáng)極A、陰極陰極K和和門(mén)極（控制端）門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。三個(gè)聯(lián)接端。 內(nèi)部是內(nèi)部是PNPN四層半四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 圖圖2-7 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形外形 b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) 電力電子器件(132)課件292.3.

28、1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，可按照晶體管工作原理，可列出如下方程：列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）電力電子器件(132)課件302.3.1 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特性是：在低發(fā)射極電流下晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。迅速增大。在晶體管

29、在晶體管阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)下，下，IG=0，而，而 1+ 2是很小的。由是很小的。由上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩上式可看出，此時(shí)流過(guò)晶閘管的漏電流只是稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。個(gè)晶體管漏電流之和。 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)射極電流增大以致致 1+ 2趨近于趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極（陽(yáng)極電流）電流）將趨近于將趨近于無(wú)窮大無(wú)窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通。由于外電路負(fù)載的限制，由于外電路負(fù)載的限制，IA實(shí)際上會(huì)維持實(shí)際上會(huì)維持有限值有限值。 )(121CBO2CBO1G2

30、AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)電力電子器件(132)課件312.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理除門(mén)極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況除門(mén)極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)雪崩效應(yīng) 陽(yáng)極電壓上升率陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高過(guò)高 結(jié)溫結(jié)溫較高較高 光觸發(fā)光觸發(fā)這些情況除了這些情況除了光觸發(fā)光觸發(fā)由于可以保證控制電路與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。只之外，其它都

31、因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有有門(mén)極觸發(fā)門(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。是最精確、迅速而可靠的控制手段。 電力電子器件(132)課件322.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 正常工作時(shí)的特性正常工作時(shí)的特性 當(dāng)晶閘管承受當(dāng)晶閘管承受反向電壓反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管承受當(dāng)晶閘管承受正向電壓正向電壓時(shí)，僅在時(shí)，僅在門(mén)極門(mén)極有有觸發(fā)電流觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通的情況下晶閘管才能開(kāi)通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)極觸發(fā)

32、電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通極觸發(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(guò)晶閘管的和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下某一數(shù)值以下。 電力電子器件(132)課件332.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)折正向轉(zhuǎn)折電壓電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+ UA- UA- IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+電力電子器件(132)課件342.3

33、.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 圖圖2-10 晶閘管的開(kāi)晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%反向恢復(fù)電反向恢復(fù)電流最大值流最大值尖峰電壓尖峰電壓電力電子器件(132)課件352.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程 由于晶閘管內(nèi)部的由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上需要時(shí)間，再加上外電路電感外電路電感的限的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可

34、能是流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)瞬時(shí)的。的。 延遲時(shí)間延遲時(shí)間td (0.51.5 s) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr (0.53 s) 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr 延遲時(shí)間隨延遲時(shí)間隨門(mén)極電流門(mén)極電流的增大而的增大而減小減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到性外，還受到外電路電感外電路電感的嚴(yán)重影的嚴(yán)重影響。提高響。提高陽(yáng)極電壓陽(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。時(shí)間都可顯著縮短。 圖圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA電力電子器件(132)課件36

35、2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 由于由于外電路電感外電路電感的存在，原處的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電于導(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)，其壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。過(guò)渡過(guò)程的。 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr 關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。 在在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加新對(duì)晶閘管施加正向電壓正向電壓，晶，晶閘管會(huì)重新正向?qū)?，而不是閘管會(huì)重新正向

36、導(dǎo)通，而不是受門(mén)極電流控制而導(dǎo)通。受門(mén)極電流控制而導(dǎo)通。圖圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA電力電子器件(132)課件372.3.3 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 是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)重復(fù)加在器件上的加在器件上的正向峰值電壓正向峰值電壓（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖2-9）。）。 國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓國(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)峰值電壓為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓

37、）UDSM的的90%。 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許是在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)重復(fù)加在器件上的加在器件上的反向峰值電壓反向峰值電壓（見(jiàn)圖（見(jiàn)圖2-8）。）。 規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）向最大瞬態(tài)電壓）URSM的的90%。 反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓反向擊穿電壓。電壓定額電壓定額電力電子器件(132)課件382.3.3 晶閘管的主要參

38、數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓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。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。 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓額定電壓。 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倍倍。電流定額電流定額 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV） 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40 C和規(guī)定的和規(guī)定的冷冷卻狀態(tài)卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫

39、不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦下，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。半波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。來(lái)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)果的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。倍。 電力電子器件(132)課件392.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)維持電流維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小最小電流，電流，一般

40、為幾十到幾百毫安。一般為幾十到幾百毫安。 結(jié)溫結(jié)溫越高，則越高，則IH越小。越小。 擎住電流擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信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)通所需的號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小最小電流。電流。 約為約為IH的的24倍倍 浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫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)性的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流最大正向過(guò)載電流。電力電子器件(132)課件402.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù) 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間tq 斷態(tài)

41、電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率外加電壓最大上升率。 電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通管誤導(dǎo)通 。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大最大通態(tài)電流上升率通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。損壞。電力電子器件(13

42、2)課件412.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有有快速晶閘管快速晶閘管和和高頻晶閘管高頻晶閘管。 快速晶閘管的快速晶閘管的開(kāi)關(guān)時(shí)間開(kāi)關(guān)時(shí)間以及以及du/dt和和di/dt的耐量的耐量都有了明顯改善。都有了明顯改善。 從從關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百數(shù)百微秒，快微秒，快速晶閘管為速晶閘管為數(shù)十?dāng)?shù)十微秒，而高頻晶閘管則為微秒，而高頻晶閘管則為10 s左右。左右。 高頻晶閘管的不足在于其高頻晶閘管的不足在于其電壓電壓和和電流電流定額都不易做定額都不易做高。高。 由于工作頻率

43、較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。的發(fā)熱效應(yīng)。 電力電子器件(132)課件422.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以認(rèn)為是一對(duì)可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)反并聯(lián)聯(lián) 接接的普通晶閘管的集成的普通晶閘管的集成。 門(mén)極使器件在主電極的正門(mén)極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第和第

44、和第III象限有象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特對(duì)稱(chēng)的伏安特性性。 雙向晶閘管通常用在交流雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用電路中，因此不用平均值而用有效值有效值來(lái)表示其額定電流值。來(lái)表示其額定電流值。圖圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性 電力電子器件(132)課件432.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管極管制作在同一管芯上

45、的功制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受率集成器件，不具有承受反反向電壓向電壓的能力，一旦承受反的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。向電壓即開(kāi)通。 具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。阻斷反向電壓的電路中。 圖圖2-12 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性 電力電子器件(132)課件442.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)AGKAK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA光控晶閘管（光

46、控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長(zhǎng)的是利用一定波長(zhǎng)的光照光照信號(hào)信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證了由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的主電路與控制電路之間的絕絕緣緣，而且可以避免電磁干擾，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目的影響，因此光控晶閘管目前在前在高壓大功率高壓大功率的場(chǎng)合的場(chǎng)合。圖圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性伏安特性 電力電子器件(132)課件452.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.4.

47、1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管電力晶體管 2.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管電力電子器件(132)課件462.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門(mén)極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。門(mén)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)世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。嶄新時(shí)代。典型代表典型代表門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、門(mén)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。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力電力MOSFETIGBT單管及模

48、塊單管及模塊電力電子器件(132)課件472.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但可以晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于使其關(guān)斷，因而屬于全控型器全控型器件件。 GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 是是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 是一種多元的功率集成器是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出件，雖然外部同樣引出3個(gè)極，個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的個(gè)共陽(yáng)極的小小GTO元元，這些，這些GTO元的元的陰極陰極和和門(mén)極門(mén)極則在器件則在

49、器件內(nèi)部?jī)?nèi)部并聯(lián)并聯(lián)在一起。在一起。 圖圖2-14 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 a) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào)電力電子器件(132)課件482.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如圖仍然可以用如圖2-8所示的所示的雙晶體管模型雙晶體管模型來(lái)分析，來(lái)分析，V1、V2的共的共基極電流增

50、益分別是基極電流增益分別是 1、 2。 1+ 2=1是器件臨是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。則關(guān)斷。 電力電子器件(132)課件492.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理GTO與普通晶閘管的不同與普通晶閘管的不同 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控制控制 靈敏，易于靈敏，易于GTO關(guān)斷。關(guān)斷。 導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) 1+ 2更接近更接近1，導(dǎo)，導(dǎo)通時(shí)接近通時(shí)接近臨界飽和臨界飽和，有利門(mén)極，有利門(mén)極控制關(guān)斷，

51、但導(dǎo)通時(shí)管控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降壓降增增大。大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基基區(qū)區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。出較大電流。 電力電子器件(132)課件502.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)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，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)只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度飽和程度較淺。較淺。 而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和和IK的的減小使減小使 1+ 21時(shí)，器件退出時(shí)，器件退出飽和飽和而關(guān)斷。而關(guān)斷。 GTO

52、的的多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程更快，承受更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。的能力增強(qiáng)。 電力電子器件(132)課件512.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)似。開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類(lèi)似。 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts 下降時(shí)間下降時(shí)間tf 尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要長(zhǎng)。要長(zhǎng)。 門(mén)極負(fù)脈沖電流門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值幅值越越大，大，前沿前沿越陡，越陡， ts就越短。就越短。使門(mén)極負(fù)脈沖的使門(mén)極負(fù)脈沖的后沿后沿緩慢衰緩慢衰減，在減，在tt階段

53、仍能保持適當(dāng)階段仍能保持適當(dāng)?shù)牡呢?fù)電壓負(fù)電壓，則可以縮短，則可以縮短尾部尾部時(shí)間時(shí)間。圖圖2-15 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形的開(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)抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間子的時(shí)間等效晶體管從飽等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間小時(shí)間 殘存載殘存載流子復(fù)流子復(fù)合所需合所需時(shí)間時(shí)間 電力電子器件(132)課件522.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)

54、的參數(shù)意義相的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。同。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO 用來(lái)標(biāo)稱(chēng)用來(lái)標(biāo)稱(chēng)GTO額定電流額定電流。 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值大值IGM之比。之比。 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(gè)主的一個(gè)主要缺點(diǎn)。要缺點(diǎn)。 電力電子器件(132)課件532.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton 延遲延遲時(shí)間與時(shí)間與上升上升時(shí)間之和。時(shí)間之和。 延遲時(shí)間一般約延遲時(shí)間一般約12 s

55、，上升時(shí)間則隨，上升時(shí)間則隨通態(tài)通態(tài)陽(yáng)極電流值陽(yáng)極電流值的增大而增大。的增大而增大。 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff 一般指一般指儲(chǔ)存儲(chǔ)存時(shí)間和時(shí)間和下降下降時(shí)間之和，而不包括時(shí)間之和，而不包括尾尾部部時(shí)間。時(shí)間。 儲(chǔ)存時(shí)間隨儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間的增大而增大，下降時(shí)間一般小于一般小于2 s。電力電子器件(132)課件542.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的大電流的雙極結(jié)型晶體管（雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction

56、 TransistorBJT） GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(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。與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。 最主要的特性是最主要的特性是耐壓高耐壓高、電流大電流大、開(kāi)關(guān)特性好。開(kāi)關(guān)特性好。電力電子器件(132)課件55 GTR的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 采用至少由兩個(gè)晶體管按采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)并聯(lián)而成。而成。 GTR是由是由三層半導(dǎo)體三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)形成的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)

57、和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。2.4.2 電力晶體管電力晶體管電力電子器件(132)課件562.4.2 電力晶體管電力晶體管Iiiceobc空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib圖圖2-16 c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)內(nèi)部載流子的流動(dòng) iibc在應(yīng)用中，在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流法。集電極電流ic與基極電流與基極電流ib之比為之比為 稱(chēng)為稱(chēng)為GTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，它反映，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。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)射極間的漏電流當(dāng)考慮到

58、集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，時(shí)，ic和和ib的關(guān)系為的關(guān)系為 單管單管GTR的的 值比處理信息用的小功值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為率晶體管小得多，通常為10左右，采用左右，采用達(dá)林頓接法達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益?？梢杂行У卦龃箅娏髟鲆?。電力電子器件(132)課件572.4.2 電力晶體管電力晶體管GTR的基本特性的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 在在共發(fā)射極共發(fā)射極接法時(shí)的典接法時(shí)的典 型輸出特性分為型輸出特性分為截止區(qū)截止區(qū)、放放 大區(qū)大區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。三個(gè)區(qū)域。 在電力電子電路中，在電力電子電路中， GTR工作在工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工，即工 作在

59、作在截止區(qū)截止區(qū)或或飽和區(qū)飽和區(qū)。 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截在開(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)，止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)， 一般要經(jīng)過(guò)一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導(dǎo)致絕將導(dǎo)致絕緣層擊穿。緣層擊穿。 極間電容極間電容 CGS、CGD和和CDS。 漏源間的漏源間的耐壓耐壓、漏極最大允許、漏極最大允許電流電流和最大和最大耗散功率耗散功率決定了電力決定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。的安全工作區(qū)。 電力電子器件(132)課件702.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管GTR和和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由

60、于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(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，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)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。動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或或IGT）綜合了綜合了GTR和和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。 電力電子器件(132)課件