第2章電力電子器件1ppt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 2章章 電力電子器件電力電子器件引言引言模擬和數(shù)字電子電路的根底模擬和數(shù)字電子電路的根底 晶體管和集成晶體管和集成 電路等電子器件電路等電子器件 電力電子電路的根底電力電子電路的根底 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)

2、容： 電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類 常用電力電子器件的任務(wù)原理、根本特性、常用電力電子器件的任務(wù)原理、根本特性、 主要參數(shù)主要參數(shù) 選擇和運(yùn)用中應(yīng)留意的一些問(wèn)題。選擇和運(yùn)用中應(yīng)留意的一些問(wèn)題。2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 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 運(yùn)用電力電子器件的系統(tǒng)組成運(yùn)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)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的概念 電力電子器件電力電子器件P

3、ower Electronic Device是指是指可直接用于處置電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或可直接用于處置電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。控制的電子器件。 主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承當(dāng)電能主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承當(dāng)電能的變換或控制義務(wù)的電路。的變換或控制義務(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。件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。 電力電子器件的特征電力電子器件的特征 電功率電功率-接受電壓和電流的才干接受電壓和電流的才干-最重要的參數(shù)。最重要的參數(shù)。

4、 開(kāi)關(guān)形狀開(kāi)關(guān)形狀-減小本身的損耗，提高減小本身的損耗，提高效率。效率。 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路-由信息電子電路來(lái)控制。由信息電子電路來(lái)控制。 功率損耗功率損耗-遠(yuǎn)大于信息電子器件遠(yuǎn)大于信息電子器件-安裝散熱器。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)斷損耗電力電子器件的功率損耗電力電子器件的功率損耗大??？大??？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。通態(tài)損耗：是電力電子器件功率損耗的主要成因。開(kāi)關(guān)損耗：當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，會(huì)隨之增開(kāi)關(guān)損耗：當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，會(huì)隨之增

5、 大而能夠成為器件功率損耗的主要要素。大而能夠成為器件功率損耗的主要要素。 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成-控制電路；驅(qū)動(dòng)電路；主控制電路；驅(qū)動(dòng)電路；主電路電路圖圖2-1 電力電子器件在實(shí)踐運(yùn)用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實(shí)踐運(yùn)用中的系統(tǒng)組成2.1.2 系統(tǒng)組成電氣隔離電氣隔離2.1.3 電力電子器件的分類按照可以被控制電路信號(hào)所控制的程度分類按照可以被控制電路信號(hào)所控制的程度分類 半控型器件半控型器件 晶閘管晶閘管Thyristor及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 關(guān)斷完全是由其接受的電壓和電流決議的。關(guān)斷完全是由其接受的電壓和電流決議的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGB

6、T和和Power MOSFET。 控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。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)控制其通斷。不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。 按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分類按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分類 電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 經(jīng)過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通經(jīng)過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通 或者關(guān)斷的控制?；蛘哧P(guān)斷的控制。2.1.3 電力電子器件的分類電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅經(jīng)過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的僅經(jīng)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。電壓信號(hào)就可實(shí)

7、現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。按照載流子參與導(dǎo)電的情況分類按照載流子參與導(dǎo)電的情況分類 單極型器件單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電。由一種載流子參與導(dǎo)電。 雙極型器件雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。由電子和空穴兩種載流子參與導(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。成，也稱混合型器件。 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)本章內(nèi)容本章內(nèi)容 引見(jiàn)各種電力電子器件的任務(wù)原理、根本特性、主要引見(jiàn)各種電力電子器件的任務(wù)原理、根本特性、主要參數(shù)以及選擇和運(yùn)用中應(yīng)留意的一些問(wèn)題。參數(shù)以及選擇和運(yùn)用中應(yīng)

8、留意的一些問(wèn)題。學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn) 最重要的是掌握其根本特性。最重要的是掌握其根本特性。 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)和特性曲線的運(yùn)用方法。曲線的運(yùn)用方法。 了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理構(gòu)造和根本任務(wù)原理。了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理構(gòu)造和根本任務(wù)原理。 了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。2.2 不可控器件電力二極管 2.2.1 PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理 2.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性 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)

9、2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.2 電力二極管引言電力二極管電力二極管Power Diode自自20世紀(jì)世紀(jì)50年代初期就年代初期就獲得運(yùn)用，但其構(gòu)造和原理簡(jiǎn)單，任務(wù)可靠，直到如今獲得運(yùn)用，但其構(gòu)造和原理簡(jiǎn)單，任務(wù)可靠，直到如今電力二極管依然大量運(yùn)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。電力二極管依然大量運(yùn)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二極管往往是不可短少在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可短少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的位置。基二極管，具有不可替代的位置。 整流二極管

10、及模塊整流二極管及模塊AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 電力二極管的任務(wù)原理電力二極管電力二極管-一個(gè)一個(gè)面積較大的面積較大的PNPN結(jié)和結(jié)和兩端引線以及封裝兩端引線以及封裝組成的。組成的。從外形上看，可以有從外形上看，可以有螺栓型、平板型等螺栓型、平板型等多種封裝。多種封裝。圖圖2-2 a) 外形外形 b) 根本構(gòu)造根本構(gòu)造 c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào)2.2.1電力二極管的任務(wù)原理二極管的根本原理二極管的根本原理PNPN結(jié)的單導(dǎo)游電性結(jié)的單導(dǎo)游電性 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)外加正向電壓正向偏置時(shí)，結(jié)外加正向電壓正向偏置時(shí)，在外電路上那么構(gòu)成自在外電路上那么構(gòu)成自P P區(qū)流入而從區(qū)流入

11、而從N N區(qū)流區(qū)流出的電流，稱為正向電流出的電流，稱為正向電流IFIF，這就是，這就是PNPN結(jié)結(jié)的正導(dǎo)游通形狀。的正導(dǎo)游通形狀。 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)外加反向電壓時(shí)反向偏置結(jié)外加反向電壓時(shí)反向偏置時(shí)，反向偏置的時(shí)，反向偏置的PNPN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱為反向截止形狀。沒(méi)有電流流過(guò)，被稱為反向截止形狀。 2.2.1電力二極管的任務(wù)原理 PN結(jié)結(jié)-反向耐壓才干：但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)反向耐壓才干：但當(dāng)施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞大，反向電流將會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為結(jié)反向偏置為截止的任務(wù)形狀，這就叫反向擊穿。截止的任務(wù)形狀，這就叫反向擊穿。

12、按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種方式按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種方式 。 反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在反向擊穿發(fā)生時(shí)，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的形狀。結(jié)仍可恢復(fù)原來(lái)的形狀。否那么否那么PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。2.2.1電力二極管的任務(wù)原理PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) 稱為結(jié)電容稱為結(jié)電容CJ ，又稱為微分電容，又稱為微分電容 按其產(chǎn)活力制和作用的差別分為勢(shì)壘電容按其產(chǎn)活力制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和分散和分散電容電容CD 勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電勢(shì)壘電容只在外加電

13、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)，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。當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主。 分散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高分散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。正向電壓較高時(shí)，分散電容為結(jié)電容主要成分。時(shí)，分散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響結(jié)電容影響PN結(jié)的任務(wù)頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的結(jié)的任務(wù)頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的形狀下，能夠使其單導(dǎo)游電性變差，甚至不能任務(wù)。形狀下，能夠使其單導(dǎo)游電性變差，甚至不能任務(wù)。2.2.2 2.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性-伏安特性伏

14、安特性正向電壓降正向電壓降UF-電壓大到一電壓大到一定值門(mén)檻定值門(mén)檻 電壓電壓UTO ，正，正向電流才開(kāi)場(chǎng)向電流才開(kāi)場(chǎng) 明顯添加，處明顯添加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通形狀。與于穩(wěn)定導(dǎo)通形狀。與IF對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓。電力二極管兩端的電壓。反向漏電流反向漏電流-接受反向電壓接受反向電壓時(shí)，只需少子引起的微小而數(shù)時(shí)，只需少子引起的微小而數(shù)值恒定的電流。值恒定的電流。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a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtu 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

15、向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性性-結(jié)電容的存在，電壓結(jié)電容的存在，電壓電流特性是電流特性是隨時(shí)間變化的。隨時(shí)間變化的。 由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立刻關(guān)斷，而電力二極管并不能立刻關(guān)斷，而是須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才干重新獲得是須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才干重新獲得反向阻斷才干，進(jìn)入截止形狀。反向阻斷才干，進(jìn)入截止形狀。 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出在關(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?，F(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

16、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 2.2.2 2.2.2 電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性t1:反向電流反向電流達(dá)最大值的達(dá)最大值的時(shí)辰時(shí)辰t0:正向電流正向電流降為零的時(shí)降為零的時(shí)辰辰t2:電流變化電流變化率接近于零率接近于零的時(shí)辰的時(shí)辰2.2.2 電力二極管的根本特性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)過(guò)沖先出現(xiàn)一個(gè)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)沖的緣由出現(xiàn)電壓

17、過(guò)沖的緣由:電電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需求一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，少子需求一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存，在到達(dá)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通之前管壓降較在到達(dá)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)因器件本身的電感而產(chǎn)生較大壓降。本身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，電流上升率越大，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 2.2.3 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)轉(zhuǎn)時(shí)，在指定的管殼溫指電力二極管長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在指定的管殼溫度簡(jiǎn)稱殼溫，用度簡(jiǎn)

18、稱殼溫，用TC表示和散熱條件下，其表示和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。允許流過(guò)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(lái)定義的，是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，運(yùn)用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原那么來(lái)選取電流運(yùn)用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原那么來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。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)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。反向反復(fù)峰值電壓反向反復(fù)峰值電壓URRM 指對(duì)電力二極管所能反復(fù)施加的反向指對(duì)電力二極管所能反復(fù)施加的

19、反向最頂峰值電壓。最頂峰值電壓。 運(yùn)用時(shí)，該當(dāng)留有兩倍的裕量。運(yùn)用時(shí)，該當(dāng)留有兩倍的裕量。2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)最高任務(wù)結(jié)溫最高任務(wù)結(jié)溫TJM 結(jié)溫是指管芯結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用結(jié)的平均溫度，用TJ表示。表示。 最高任務(wù)結(jié)溫是指在最高任務(wù)結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能接受的最高平均溫度。下所能接受的最高平均溫度。 TJM通常在通常在125175C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 指電力二極管所能接受最大的延續(xù)一個(gè)或幾指電力二極管所能接受最大的延續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。個(gè)工頻

20、周期的過(guò)電流。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，引見(jiàn)幾種常用能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，引見(jiàn)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 整流二極管整流二極管-1kHz以下整流電路中。以下整流電路中。 反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，普通在反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，普通在5s以上以上 。 正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)很高。正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)很高。 2.2.4 電力二極管的主要類型快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管Fast Recovery Di

21、odeFRDFast Recovery DiodeFRD 反向恢復(fù)過(guò)程很短反向恢復(fù)過(guò)程很短5 5s s以下以下 快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管 - -采用外延型采用外延型P-i-NP-i-N構(gòu)造，構(gòu)造， 可低于可低于50ns50ns，正向壓降也很低，正向壓降也很低0.9V0.9V左右。左右。 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等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)，后者那級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者那么么在在100ns100ns以下，甚至到達(dá)以下，甚至到達(dá)2030ns2030ns。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型肖

22、特基二極管肖特基二極管Schottky Barrier DiodeSchottky Barrier DiodeSBDSBD 屬于多子器件屬于多子器件 反向恢復(fù)時(shí)間很短反向恢復(fù)時(shí)間很短1040ns1040ns 正向壓降很小正向壓降很小 開(kāi)關(guān)損耗和正導(dǎo)游通損耗小，效率高。開(kāi)關(guān)損耗和正導(dǎo)游通損耗小，效率高。 弱點(diǎn)在于：耐壓低弱點(diǎn)在于：耐壓低200V200V2.3 半控型器件晶閘管 2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理 2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2.3 半控器件晶閘管引言晶

23、閘管晶閘管ThyristorThyristor 可控硅整流器可控硅整流器(SCR)(SCR)(可控硅可控硅) )Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled Rectifier。 19561956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Bell LaboratoriesBell Laboratories發(fā)明了晶閘管，到發(fā)明了晶閘管，到19571957年美國(guó)通用電氣公司年美國(guó)通用電氣公司General ElectricGeneral Electric開(kāi)發(fā)出了世界上第一只開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于晶閘管產(chǎn)品，并于19581958年使其商業(yè)化。年使其

24、商業(yè)化。2.3 半控器件晶閘管引言晶閘管及模塊晶閘管及模塊由于其能接受的電壓和電流容量依然是目前由于其能接受的電壓和電流容量依然是目前電力電子器件中最高的，而且任務(wù)可靠，因電力電子器件中最高的，而且任務(wù)可靠，因此在大容量的運(yùn)用場(chǎng)所依然具有比較重要的此在大容量的運(yùn)用場(chǎng)所依然具有比較重要的位置。位置。2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造晶閘管的構(gòu)造 外形外形-主要有螺栓主要有螺栓型和平板型封裝構(gòu)型和平板型封裝構(gòu)造造 。引出陽(yáng)極引出陽(yáng)極A、陰極、陰極K和門(mén)極控制端和門(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)體構(gòu)造。導(dǎo)體構(gòu)造。 圖圖2-7 晶閘管的外形、構(gòu)造和電

25、氣晶閘管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)圖形符號(hào) a) 外形外形 b) 構(gòu)造構(gòu)造 c) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) 2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型及其任務(wù)原理晶閘管的雙晶體管模型及其任務(wù)原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 任務(wù)原理任務(wù)原理 晶閘管的任務(wù)原理晶閘管的任務(wù)原理 按照晶體管任務(wù)原理，按照晶體管任務(wù)原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII2-22-12-32-4式中式中1和和2分別是晶體管分別是晶體管V1和和V2的共基極電流增益；的共基極電流增益；ICBO1和和ICBO2分別是分別

26、是V1和和V2的共基極漏電流。的共基極漏電流。2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理 由以上式由以上式2-12-4可得可得(2-5)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 是是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。迅速增大。)(121CBO2CBO1G2AIIII111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理阻斷形狀阻斷形狀I(lǐng)G=0 1+ 2很小很小漏電流漏電流IG0 1+ 2 IA陽(yáng)極電流陽(yáng)極電流飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通外電路負(fù)載的限制外電路負(fù)載的限制)(121CBO2CB

27、O1G2AIIII2.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理除門(mén)極觸發(fā)外其他能夠?qū)ǖ那闆r除門(mén)極觸發(fā)外其他能夠?qū)ǖ那闆r 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值呵斥雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值呵斥雪崩效應(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)溫較高結(jié)溫較高 光觸發(fā)光觸發(fā)光觸發(fā)光觸發(fā)-良好絕緣良好絕緣-運(yùn)用于高壓電力設(shè)備中運(yùn)用于高壓電力設(shè)備中2.3.2 晶閘管的根本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性正常任務(wù)時(shí)的特性正常任務(wù)時(shí)的特性 當(dāng)晶閘管接受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是當(dāng)晶閘管接受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是 否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通 。 當(dāng)晶閘管接受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有當(dāng)晶閘管接

28、受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有 觸發(fā)電流的情況下晶閘管才干開(kāi)通觸發(fā)電流的情況下晶閘管才干開(kāi)通 。 導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制造晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制造用，晶閘管堅(jiān)持導(dǎo)通用，晶閘管堅(jiān)持導(dǎo)通 。假設(shè)要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能假設(shè)要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加反向電壓和外電路的作用使流利用外加反向電壓和外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。值以下。 關(guān)斷條件關(guān)斷條件2.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 正向特性正向特性 IG=0-正向阻斷形狀正向阻斷形狀-漏電流漏電

29、流 正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓Ubo-那那么漏電流急劇增大么漏電流急劇增大-開(kāi)通開(kāi)通 門(mén)極電流增大門(mén)極電流增大-正向轉(zhuǎn)機(jī)正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓降低電壓降低 門(mén)極電流為零；陽(yáng)極電流門(mén)極電流為零；陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值降至接近于零的某一數(shù)值IH以下以下-又回到正向阻斷又回到正向阻斷形狀，形狀，IH稱為維持電流。稱為維持電流。 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)正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓機(jī)電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶閘管的根本特性反向特性反向特性 類似二極管的反向特性。類似二極管

30、的反向特性。 反向阻斷形狀反向阻斷形狀-極小的反極小的反向漏電流經(jīng)過(guò)。向漏電流經(jīng)過(guò)。 反向擊穿電壓后，外電路反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，那么反向漏電如無(wú)限制措施，那么反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。損壞。 圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)機(jī)電壓電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶閘管的根本特性 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 開(kāi)經(jīng)過(guò)程開(kāi)經(jīng)過(guò)程 正反響過(guò)程需求時(shí)間；正反響過(guò)程需求時(shí)間； 外電路電感的限制外電路電感的限制 -陽(yáng)極電流不能

31、突變。陽(yáng)極電流不能突變。 延遲時(shí)間延遲時(shí)間td (0.51.5s) 上升時(shí)間上升時(shí)間tr (0.53s) 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr td與門(mén)極電流、外電路與門(mén)極電流、外電路電感、陽(yáng)極電壓關(guān)系？電感、陽(yáng)極電壓關(guān)系？ 圖2-10 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的態(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%2.3.2 晶閘管的根本特性關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 電感存在電感存在-晶閘管由導(dǎo)通變晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂褂羞^(guò)渡過(guò)程為截止有過(guò)渡過(guò)程 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

32、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。 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)假設(shè)重正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)假設(shè)重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正導(dǎo)游通，而不是閘管會(huì)重新正導(dǎo)游通，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%反向恢復(fù)反向恢復(fù)電流最大電流最大值值尖峰電壓尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3 晶閘管的主要參數(shù) 電壓定額電壓定額 斷態(tài)反復(fù)峰值電壓斷態(tài)反復(fù)峰值電壓UDRM 允許反復(fù)加在器件上的正向峰值

33、電壓允許反復(fù)加在器件上的正向峰值電壓 反向反復(fù)峰值電壓反向反復(fù)峰值電壓URRM 允許反復(fù)加在器件上的反向峰值電壓允許反復(fù)加在器件上的反向峰值電壓 取取UDRM和和URRM中較小的標(biāo)值作為額定電壓。中較小的標(biāo)值作為額定電壓。 通態(tài)峰值電壓通態(tài)峰值電壓UT 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的 瞬態(tài)峰值電壓瞬態(tài)峰值電壓 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)電流定額電流定額 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV 允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 按照正向電流呵斥的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效按照正向電流呵斥的器

34、件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的。應(yīng)來(lái)定義的。 普通取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等即有效普通取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等即有效值相等的原那么所得計(jì)算結(jié)果的值相等的原那么所得計(jì)算結(jié)果的1.52倍。倍。 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)維持電流維持電流IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，普通為幾十到使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，普通為幾十到幾百毫安。幾百毫安。擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持晶閘管剛從斷態(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。約為導(dǎo)通所需的最小電流。約為IH的的24倍倍 浪涌電流浪涌電流ITSM 不反復(fù)性最大正向過(guò)載電

35、流。不反復(fù)性最大正向過(guò)載電流。2.3.3 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)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫暖門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷在額定結(jié)溫暖門(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)換的外加電壓最大上升率。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(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管電壓上升率過(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，晶閘管能接受而無(wú)有害影響的最大在規(guī)定條件下，晶閘管能接受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。通態(tài)

36、電流上升率。 假設(shè)電流上升太快，能夠呵斥部分過(guò)熱而使晶閘管假設(shè)電流上升太快，能夠呵斥部分過(guò)熱而使晶閘管損壞。損壞。2.3.4 晶閘管的派生器件快速晶閘管快速晶閘管Fast Switching ThyristorFSTFast Switching ThyristorFST 有快速晶閘管和高頻晶閘管。有快速晶閘管和高頻晶閘管。開(kāi)關(guān)時(shí)間以及開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt的耐量都有了明顯改善。的耐量都有了明顯改善。 從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管普通為數(shù)百微秒，快速晶從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管普通為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管那么為閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管那么

37、為1010s s左右。左右。 高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。 由于任務(wù)頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的由于任務(wù)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)。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)。 2.3.4 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 一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。閘管的集成。 門(mén)極使器件在主電極的正門(mén)極使器件

38、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，在第和第和第III象限有對(duì)稱的伏安特象限有對(duì)稱的伏安特性。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來(lái)表示其額定電流值。有效值來(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 2.3.4 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 是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極控制造

39、在同一管芯上二極控制造在同一管芯上的功率集成器件的功率集成器件 具有正向壓降小、關(guān)斷具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需求阻斷反向電壓的電不需求阻斷反向電壓的電路中。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 2.3.4 晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA 光控晶閘管光控晶閘管Light Triggered ThyristorLTT 是利用一定波長(zhǎng)的光是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。照信號(hào)

40、觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。 由于采用光觸發(fā)保證由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以防止電的絕緣，而且可以防止電磁干擾的影響，因此光控磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)所。的場(chǎng)所。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 2.4 典型全控型器件 2.4.1 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2.4 典型全控

41、型器件引言門(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單管及模塊單管及模塊2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理 GTO的構(gòu)造的構(gòu)造 是是PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)造。四層半導(dǎo)體構(gòu)造。 是一種多元的功率集成器件，是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部那么包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百內(nèi)

42、部那么包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些元，這些GTO元的陰極和門(mén)極那么在器元的陰極和門(mén)極那么在器件內(nèi)部并聯(lián)在一同。件內(nèi)部并聯(lián)在一同。 圖圖2-14 GTO的內(nèi)部構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)的內(nèi)部構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門(mén)極間隔陳列的圖形各單元的陰極、門(mén)極間隔陳列的圖形 并聯(lián)單元構(gòu)造斷面表示圖并聯(lián)單元構(gòu)造斷面表示圖 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) 晶閘管的一種派生器晶閘管的一種派生器件，在門(mén)極施加負(fù)的脈件，在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因此沖電流使其關(guān)斷，因此屬于全控型器件屬于全控型器件2.4.1 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 及其任務(wù)

43、原理及其任務(wù)原理 a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 任務(wù)原理任務(wù)原理GTOGTO的任務(wù)原理的任務(wù)原理 雙晶體管模雙晶體管模型型 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那么關(guān)斷。那么關(guān)斷。2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管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控制靈敏，易于控制靈敏，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)通時(shí)接近臨界飽，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，和， 有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。 多元集成構(gòu)造，使得多元集成構(gòu)造，使得P2

44、基區(qū)橫向電阻很小，能基區(qū)橫向電阻很小，能 從門(mén)極抽出較大電流。從門(mén)極抽出較大電流。2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO的導(dǎo)經(jīng)過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，的導(dǎo)經(jīng)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。只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。而關(guān)斷時(shí)，給門(mén)極加負(fù)脈沖，即從門(mén)極抽出而關(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)，器件退出飽和而關(guān)時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。斷。GTO的多元集成構(gòu)造使得其比普通晶閘管的多元集成構(gòu)造使得其比普通晶閘管開(kāi)經(jīng)過(guò)程更快，接受開(kāi)經(jīng)過(guò)程更快，接受di/dt的才干加強(qiáng)。的才干加強(qiáng)。 2.4.1

45、 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)經(jīng)過(guò)程與晶閘管類似。開(kāi)經(jīng)過(guò)程與晶閘管類似。 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門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，前沿越陡，ts就越短。使就越短。使門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在減，在tt階段仍能堅(jiān)持適階段仍能堅(jiān)持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，那么可以縮當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，那么可以縮短尾部時(shí)間。短尾部時(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

46、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 殘存殘存載流載流子復(fù)子復(fù)合所合所需時(shí)需時(shí)間間 2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) GTOGTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義一樣。一樣。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATOIATO 用來(lái)標(biāo)稱用來(lái)標(biāo)稱GTOGTO額定電流。額定電流。 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益offoff IATOIATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGMIGM之比。之比。 off

47、off普通很小，只需普通很小，只需5 5左右，這是左右，這是GTOGTO的一的一個(gè)主要缺陷。個(gè)主要缺陷。 2.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tonton 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和1212s s 。隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tofftoff 普通指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾普通指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。部時(shí)間。不少不少GTOGTO都制呵斥逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)都制呵斥逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需求接受反向電壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)運(yùn)用。需求接受反向電壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)運(yùn)用。

48、2.4.2 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、大電流的雙極結(jié)型晶體管大電流的雙極結(jié)型晶體管Bipolar Junction TransistorBJT GTR的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理 與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一樣的。與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一樣的。 最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。 2.4.2 電力晶體管圖圖2-16 GTR的構(gòu)造、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)的構(gòu)造、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a) 內(nèi)

49、部構(gòu)造斷面表示圖內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖 b) 電氣圖形符號(hào)電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的內(nèi)部載流子的流動(dòng)流動(dòng)+表示高表示高摻雜濃摻雜濃度，度，-表表示低摻示低摻雜濃度雜濃度 GTR GTR的構(gòu)造的構(gòu)造 采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元構(gòu)造，并采用集成電路工藝將許多這種的單元構(gòu)造，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。單元并聯(lián)而成。 GTR GTR是由三層半導(dǎo)體分別引出集電極、是由三層半導(dǎo)體分別引出集電極、基極和發(fā)射極構(gòu)成的兩個(gè)基極和發(fā)射極構(gòu)成的兩個(gè)PNPN結(jié)集電結(jié)和發(fā)結(jié)集電結(jié)和發(fā)射結(jié)構(gòu)成，多采用射結(jié)構(gòu)成，多采用NPNNPN構(gòu)造。構(gòu)造。2.4.2

50、電力晶體管2.4.2 電力晶體管ceocbiiI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) cbii單管單管GTR的的 值比處置信息用值比處置信息用的小功率晶體管小得多，通常為的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。效地增大電流增益。 稱為稱為GTR的電流放大系數(shù)的電流放大系數(shù)2.4.2 電力晶體管 GTR的根本特性的根本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。三個(gè)區(qū)域。 在電力電子電路中，任務(wù)在電力電子電路中，任務(wù)在開(kāi)關(guān)形狀，

51、即任務(wù)在截在開(kāi)關(guān)形狀，即任務(wù)在截止區(qū)或飽和區(qū)。止區(qū)或飽和區(qū)。 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止在開(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)，區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，普通要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。普通要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將將導(dǎo)致絕緣層擊穿。導(dǎo)致絕緣層擊穿。 極間電容極間電容 CGS、CGD和和CDS。 漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決議了電力耗散功率決議了電力MOSFET的平安任務(wù)區(qū)。的平安任務(wù)區(qū)。 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管GTR電流驅(qū)動(dòng)器件電流驅(qū)動(dòng)器件通流才干很強(qiáng)通流才干很強(qiáng)開(kāi)關(guān)速度較開(kāi)關(guān)速度較低低驅(qū)動(dòng)功率大驅(qū)動(dòng)

52、功率大MOSFET電壓驅(qū)動(dòng)器件電壓驅(qū)動(dòng)器件開(kāi)關(guān)速度快開(kāi)關(guān)速度快驅(qū)動(dòng)功率小驅(qū)動(dòng)功率小絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT或或IGT綜合了綜合了GTR和和MOSFET的的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)良好的特性良好的特性雙極型雙極型單極型單極型2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖圖2-23 簡(jiǎn)化等效電路和電氣簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)圖形符號(hào)a) 內(nèi)部構(gòu)造斷面表內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖示圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路簡(jiǎn)化等效電路 c) 電電氣圖形符號(hào)氣圖形符號(hào)IGBTIGBT的構(gòu)造的構(gòu)造是三端器件，具有柵極是三端器件，具有柵極G、集電極集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極E。由由N溝道溝道VDMOSFET與與雙極型晶體管雙極型晶體

53、管GTR組合而組合而成的達(dá)林頓構(gòu)造。成的達(dá)林頓構(gòu)造。相當(dāng)于一個(gè)由相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。晶體管。 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的任務(wù)原理的任務(wù)原理驅(qū)動(dòng)原理與電力驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET根本一樣根本一樣場(chǎng)控器件場(chǎng)控器件UGE開(kāi)通和關(guān)斷開(kāi)通和關(guān)斷UGE開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓UGE(th)MOSFET內(nèi)構(gòu)成溝道內(nèi)構(gòu)成溝道施加反向電壓或不加信號(hào)施加反向電壓或不加信號(hào)溝道消逝溝道消逝晶體管提供基極電流晶體管提供基極電流IGBT導(dǎo)通導(dǎo)通基極電流被切斷基極電流被切斷IGBT關(guān)斷關(guān)斷2.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBT的根本特性的根本特性 靜態(tài)

54、特性靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 集電極電流集電極電流IC與柵射電壓與柵射電壓UGE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓UGE(th)-最低最低柵射電壓。柵射電壓。 a圖圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管分為三個(gè)區(qū)域：正向阻分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。(b)圖圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性和輸出特性 b) 輸出特性輸出特性 輸出特性伏安特性輸出特性伏安特性柵射電壓為參考變量柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流時(shí)，集電極電流IC與集與集射極間電壓射極間電壓UCE

55、之間的之間的關(guān)系。關(guān)系。 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管任務(wù)在開(kāi)關(guān)形狀，因任務(wù)在開(kāi)關(guān)形狀，因此是在正向阻斷區(qū)和飽此是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 當(dāng)當(dāng)UCE0時(shí)，時(shí)，IGBT為反向阻斷任務(wù)形狀。為反向阻斷任務(wù)形狀。2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 開(kāi)經(jīng)過(guò)程開(kāi)經(jīng)過(guò)程 開(kāi)通延遲時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) 電流上升時(shí)間電流上升時(shí)間tr 電壓下降時(shí)間電壓下降時(shí)間tfv 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間 ton= td(on)+tr+ tfv tfv分為分為tfv1和和tfv2兩段。兩段。圖圖2-25 IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程的開(kāi)關(guān)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) 電壓上升時(shí)間電

56、壓上升時(shí)間trv 電流下降時(shí)間電流下降時(shí)間tfi 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff = td(off) +trv+tfitfi分為分為tfi1和和tfi2兩段兩段關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程引入了少子儲(chǔ)存景象，引入了少子儲(chǔ)存景象，因此因此IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低的開(kāi)關(guān)速度要低于電力于電力MOSFET。2.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) 前面提到的各參數(shù)前面提到的各參數(shù)( (時(shí)間參數(shù)時(shí)間參數(shù)) )。 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES-UCES-接受的擊穿電壓接受的擊穿電壓 最大集電極電流最大集電極電流 包括額定直流電流包括額定直流電流ICIC和和1ms1ms脈寬最大電流脈寬最大電

57、流ICPICP。 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM PCM 在正常任務(wù)溫度下允許的最大耗散功率。在正常任務(wù)溫度下允許的最大耗散功率。 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)總結(jié)如下：的特性和參數(shù)特點(diǎn)總結(jié)如下： 開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。 平安任務(wù)區(qū)比平安任務(wù)區(qū)比GTRGTR大，耐脈沖電流沖擊才干。大，耐脈沖電流沖擊才干。 通態(tài)壓降比通態(tài)壓降比VDMOSFETVDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。低，特別是在電流較大的區(qū)域。 輸入阻抗高，其輸入特性與電力輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFETMOSFET類似。類似。 與電力與電力MOSFETM

58、OSFET和和GTRGTR相比，相比，IGBTIGBT的耐壓和通流才干還的耐壓和通流才干還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)堅(jiān)持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。可以進(jìn)一步提高，同時(shí)堅(jiān)持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 IGBT的擎住效應(yīng)的擎住效應(yīng) 在在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為晶體管和作為主開(kāi)主開(kāi)關(guān)器件的關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。晶體管組成的寄生晶閘管。 其中其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻形體區(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)上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)

59、施加一個(gè)正向偏壓，結(jié)施加一個(gè)正向偏壓，一旦一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制造用，電流失控，這種景象稱為擎住效應(yīng)或自鎖造用，電流失控，這種景象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。效應(yīng)。 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管引發(fā)擎住效應(yīng)的緣由，能夠是集電極電引發(fā)擎住效應(yīng)的緣由，能夠是集電極電流過(guò)大靜態(tài)擎住效應(yīng)，流過(guò)大靜態(tài)擎住效應(yīng)，dUCE/dt過(guò)過(guò)大動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)，或溫度升高。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集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)踐上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效

60、應(yīng)而確電極電流實(shí)踐上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。定的。2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 IGBT的平安任務(wù)區(qū)的平安任務(wù)區(qū) 正向偏置平安任務(wù)區(qū)正向偏置平安任務(wù)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。功耗確定。 反向偏置平安任務(wù)區(qū)反向偏置平安任務(wù)區(qū)Reverse Biased SafeOperating AreaRBSOA 根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率壓上升率dUCE/dt。 2.