第章電力電子器件ppt課件

1、第第1章章 電力電子器件電力電子器件1.1 概概 述述1.2 電力二極管電力二極管1.3 晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件1.4 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.5 電力晶體管電力晶體管1.6 功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管1.7 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.8 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征1.1.2 電力電子器件的基本類型電力電子器件的基本類型1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化電力電子器件的模塊化與集成化1.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域1.1.5 本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章

2、核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.1 概概 述述l電力電子器件：專指直接用于主電路，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的半導(dǎo)體器件。l主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能變換或控制的電路。RL主電路V1V2控制器驅(qū)動電路檢測電路保護(hù)電路控制電路電氣隔離（1）基本概念）基本概念1.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征l電力電子器件處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于信息處理中的電子器件。l電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。l電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制（或稱為驅(qū)動）。l電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都需要安裝散熱器（自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷等）。1.1.1 電力電子器件

3、的概念與特征電力電子器件的概念與特征（2）主要特征）主要特征1.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征（3）電力電子器件的功率損耗）電力電子器件的功率損耗l功率損耗主要包括：通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關(guān)損耗。l通態(tài)損耗是通態(tài)電流與通態(tài)（管）壓降作用的結(jié)果。l斷態(tài)損耗是斷態(tài)（漏）電流與斷態(tài)電壓作用的結(jié)果。l開關(guān)損耗又包括：開通損耗和關(guān)斷損耗，是開關(guān)過程中電壓與電流作用的結(jié)果。l因斷態(tài)漏電流極小，一般認(rèn)為通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要因素。l當(dāng)器件工作頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為電力電子器件功率損耗的主要因素。l不可控器件（如：電力二極管SR）不能用控制信號來控制其通斷, 因此

4、也就不需要驅(qū)動電路，外電路決定通斷。l半控型器件（如：晶閘管SCR）通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。l全控型器件（如：電力場效應(yīng)管，絕緣柵雙極晶體管）通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。1.1.2 電力電子器件的基本類型電力電子器件的基本類型（1）按照器件被控程度分為三類）按照器件被控程度分為三類l電流驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出一定的電流，實(shí)現(xiàn)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷控制。如SCR、GTO、GTR等。l電壓控制型僅通過在器件控制端和公共端之間施加一定的電壓信號，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷控制。如MOSFET、IGBT等。1.1.2 電力電子器件的基本類型電力電子器件的基本類

5、型（2）可控器件按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分為兩類）可控器件按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分為兩類l單極型器件只有一種載流子參與導(dǎo)電。如MOSFET。l雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。如GTO、GTRl混合型器件由單極型器件與雙極型器件通過集成而構(gòu)成的復(fù)合型器件。如IGBT。1.1.2 電力電子器件的基本類型電力電子器件的基本類型（3）按照器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電情況分為三類）按照器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電情況分為三類1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化電力電子器件的模塊化與集成化（1）電力電子器件模塊化與集成化的研發(fā)是目前電力電子器件模塊化與集成化的研發(fā)是目前重重要的發(fā)展方向要的發(fā)展方向。（2）模塊化與

6、集成化不僅可減小裝置尺寸，更重要模塊化與集成化不僅可減小裝置尺寸，更重要的是提高了裝置的的是提高了裝置的安全性安全性與與可靠性可靠性，縮短了裝，縮短了裝置的設(shè)計研發(fā)周期。置的設(shè)計研發(fā)周期。（3）特別值得一提的是特別值得一提的是智能功率模塊智能功率模塊（IPM），該），該功率模塊同時具有功率模塊同時具有驅(qū)動、控制、保護(hù)驅(qū)動、控制、保護(hù)等功能，等功能，整體性能大為提高。整體性能大為提高。（4）目前，在裝置研發(fā)中目前，在裝置研發(fā)中優(yōu)先選用模塊化器件優(yōu)先選用模塊化器件。1.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域詳見教材第詳見教材第9頁圖頁圖1-1l集中介紹典型器件的工作原理、基本特性、主

7、要參數(shù)及選擇和使用中應(yīng)注意的一般問題。l簡單介紹電力電子器件的驅(qū)動、保護(hù)以及串、并聯(lián)使用等特殊問題。1.1.5 本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)（1）核心內(nèi)容）核心內(nèi)容l了解典型器件的基本特性曲線。l掌握典型器件主要參數(shù)的含義。l學(xué)會典型器件的合理選用。（2）學(xué)習(xí)要點(diǎn)）學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.2.1 PN結(jié)的工作原理結(jié)的工作原理1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型1.2 電力二極管電力二極管 狀態(tài)狀態(tài)參數(shù)參數(shù)正向?qū)ㄕ驅(qū)ǚ聪蚪刂狗聪蚪刂狗聪驌舸┓聪驌舸╇婋?壓

8、壓維持維持1V左右左右反向高反向高反向太高反向太高電電 流流正向大正向大幾乎為零幾乎為零反向很大反向很大電電 阻阻呈低阻態(tài)呈低阻態(tài)呈高阻態(tài)呈高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征1.2.1 PN結(jié)的工作原理結(jié)的工作原理（1）PN結(jié)的狀態(tài)結(jié)的狀態(tài)（2）PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿l 包括雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。包括雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。l 均可能導(dǎo)致均可能導(dǎo)致PN結(jié)熱擊穿，造成二極管永久損壞。熱擊穿，造成二極管永久損壞。1.2.1 PN結(jié)的工作原理結(jié)的工作原理（3）PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)lPN結(jié)的電荷量隨外加電壓的變化而變化，呈現(xiàn)出電容效應(yīng)，稱之為結(jié)電容，又稱

9、為微分電容。l結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的不同又分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。l結(jié)電容的存在主要影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速開關(guān)狀態(tài)時其影響顯得更為突出。l基本結(jié)構(gòu)和基本特性與信息電子中討論的二極管相同。l內(nèi)部由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及外部封裝組成。l外型主要有螺栓型、平板型和模塊型三種封裝形式。1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性l電力二極管原理和結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就得到了廣泛的應(yīng)用。主要指伏安特性l門檻電壓UTO：正向電流IF開始明顯增加時所對應(yīng)的電壓。l正向管

10、壓降UF ：與IF對應(yīng)的二極管兩端電壓。l承受反向電壓時，正常情況下只有微小且數(shù)值基本恒定的反向漏電流。l當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時（ UBR ），則會造成反向擊穿。1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的伏安特性（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性（2）動態(tài)特性）動態(tài)特性開通過程l正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨 近 于 某 一 穩(wěn) 態(tài) 壓 降 值（ 12V）。 l正向恢復(fù)時間tfr。l電流上升率越大，UFP過沖越高。UFPuiiFuFtF rt02V電力二極管開通過程1.2.2 電力二極管的

11、結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性（2）動態(tài)特性）動態(tài)特性關(guān)斷過程l須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。l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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt電力二極管關(guān)斷過程l 延遲時間：td= t1- t0, l 電流下降時間：tf= t2- t1l 反向恢復(fù)時間：trr= td+ tfl影響開關(guān)速度的主要因素是反向恢復(fù)時間。l為電力二極管的電流定額。l定義為：在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，允許長期流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。lIF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使

12、用時應(yīng)根據(jù)有效值相等的原則來選取電流定額，并考慮留有一定的裕量。計算方法在SCR時再說明。l舉例：計算正弦半波電流有效值與平均值的比值。1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)（1）正向平均電流）正向平均電流 IF(A V)1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)例：計算正弦半波電流有效值與 平均值的比值。解：220sin()()2mItdt2201sin()()2mIItdt有效值2011 ()sin(2)2242mmIItt2001sin() ()sin() ()22mmIIIt dtt dt平均值21.57082mmIIII有效值平均值即：1.5708II有效值平

13、均值0 cos()2mmIIt（2）正向通態(tài)管壓降）正向通態(tài)管壓降 UF在規(guī)定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。顯然，UF 越小越好。（3）反向重復(fù)峰值電壓）反向重復(fù)峰值電壓 URRMl為電力二極管的電壓定額。l定義為：電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。l使用時為安全起見應(yīng)當(dāng)留有23倍的裕量。 （4）反向恢復(fù)時間）反向恢復(fù)時間 trr= td+ tf1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)（5）最高工作結(jié)溫）最高工作結(jié)溫 TJMl結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。lTJM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，通常在125175C范圍之

14、內(nèi)。（6） 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)一個或幾個工頻周期的過電流。 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)（1）普通二極管）普通二極管l 又稱整流二極管，多用于開關(guān)頻率不高（一般在1kHz以下）的整流電路。l 其反向恢復(fù)時間較長（一般為幾十微秒）。l 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高（一般達(dá)數(shù)千安培、數(shù)千伏特以上）。1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型（2）快恢復(fù)二極管）快恢復(fù)二極管 l 簡稱快速二極管l 從性能上又可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒至幾微秒，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。l

15、 管壓降較低（約為0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下，低于普通二極管。1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型（3）肖特基二極管）肖特基二極管l 肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)n 反向恢復(fù)時間很短（1040ns）。n 正向恢復(fù)過程中沒有明顯的電壓過沖。n 正向壓降為0.30.6V，明顯低于快恢復(fù)二極管，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。l 肖特基二極管的弱點(diǎn)n 反向耐壓偏低，多用于200V以下場合。n 反向漏電流的溫度敏感性很強(qiáng)，使用中必須嚴(yán)格限制其工作溫度。1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型1.3 晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件1.3.1 簡介簡

16、介1.3.2 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1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件1.3.1 簡簡 介介l又稱為可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier）l簡稱為可控硅（縮寫為SCR）l1956年由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明。l1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，且于1958年商業(yè)化。l晶閘管的誕生，開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。l20世紀(jì)80年代以來，開始部分被全控型器件所取代。l晶閘管受壓和通流的能力最高，工作可靠，應(yīng)用成熟，在大容量的場合仍占有重要的不

17、可替代的地位。晶閘管是晶體閘流管（Thyristor）的簡稱1.3.2 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l螺栓型封裝，通常螺栓一端是陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。l平板型晶閘管使用時是由兩個散熱器將其夾在中間。l模塊使用時，金屬底面（一般為銅質(zhì)）要與散熱器緊密接觸，使元件內(nèi)部的熱量有效導(dǎo)出。（1）符號及外形）符號及外形l為三端四層元件，三端分別為陽極 A、陰極 K 和控制極 G。l外形有螺栓型、平板型和模塊型三種封裝形式。圖形符號四層結(jié)構(gòu)1.3.2 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（1）符號及外形）符號及外形1.3.2 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

18、（1）符號及外形）符號及外形1.3.2 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（1）符號及外形）符號及外形1.3.2 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（1）符號及外形）符號及外形1.3.2 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（1）符號及外形）符號及外形1.3.2 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。 按晶體管工作原理 ，可得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII212121 ()GCBOCBOAIIII整理得 ：（2

19、）工作原理分析）工作原理分析而且：晶閘管的雙晶體管模型及其工晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理作原理a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理1.3.2 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 1 與 2數(shù)值與發(fā)射極電流有關(guān)，當(dāng)發(fā)射極電流很小時，其數(shù)值小于0.1；當(dāng)發(fā)射極電流上升時，（ 1+ 2）近似等于1； 共基極漏電流很小，有時可以忽略不計； 當(dāng)IG = 0，陽極電流近似為0，處于阻斷狀態(tài)；當(dāng)控制極注入觸發(fā)電流，正反饋?zhàn)饔檬咕чl管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，陽極電流由外電路決定，此時控制極電流失去作用。器件關(guān)斷需依靠外電路的輔助作用，使陽極電流減小到一定數(shù)值。212121 ()GCB

20、OCBOAIIII（3）原理說明）原理說明1.3.2 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l陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值，造成雪崩效應(yīng)l陽極電壓上升率du/dt 過高l結(jié)溫較高l反向電壓過高l只有門極觸發(fā)才是精確、迅速而可靠的控制手段 。（4）晶閘管其他幾種非正常導(dǎo)通的情況晶閘管其他幾種非正常導(dǎo)通的情況1.3.2 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l晶閘管在承受反向電壓時，不論控制極是否有觸發(fā)電流都不會導(dǎo)通。l晶閘管承受正向電壓時，僅在控制極有觸發(fā)電流的情況下才能開通。l晶閘管一旦導(dǎo)通控制極就失去控制作用。l要使晶閘管關(guān)斷，只能使流過晶閘管的電流減小到接近于零的某一數(shù)值 。l顯

21、然，晶閘管為電流控制型器件。（5）晶閘管開通及關(guān)斷條件晶閘管開通及關(guān)斷條件1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)正向特性正向特性lIG=0時，當(dāng)器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，此為正向阻斷狀態(tài)。l正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓UDB，則漏電流急劇增大，器件非正常開通。l隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓相應(yīng)降低。l晶閘管一旦導(dǎo)通，其正向?qū)▔航岛苄。s為1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡UAKURBIAIHIG2IG1IG0=0UDBUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2IG1IG0（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要

22、參數(shù)反向特性反向特性l反向特性類似于二極管的反向特性。l反向呈阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流。l當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，電流急劇增加，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱而永久損壞。（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡UAKURBIAIHIG2IG1IG0=0UDBUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2IG1IG01.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)開通過程開通過程l延遲時間td ：(約為0.51.5s)l上升時間tr ：(約為0.53s)l開通時間ton為以上兩者之和： ton=td+tr（2）動態(tài)特性）動態(tài)特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrr

23、tgrURRMIRMiA晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)關(guān)斷過程關(guān)斷過程l反向恢復(fù)時間trrl門極恢復(fù)時間tgrl關(guān)斷時間toff 為以上兩者之和：toff =trr+tgrl普通晶閘管的關(guān)斷時間約為幾百微秒。（2）動態(tài)特性）動態(tài)特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURPIRMiA晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形選用注意選用注意1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)l正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。l反向重復(fù)峰值電壓URRM在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允

24、許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。 取UDRM與URRM中較小值作為晶閘管的電壓定額。 選用時應(yīng)留有裕度，一般取正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。（3）電壓定額）電壓定額l通態(tài)（峰值）電壓UT（簡稱管壓降）晶閘管通以額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。選用注意選用注意1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)l通態(tài)平均電流 IT(AV）：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，將所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值，標(biāo)稱為晶閘管的額定電流。（4）電流定額）電流定額使用時應(yīng)根據(jù)實(shí)際通過電流的波形，按有效值相等（即等效發(fā)熱）的原則來選取。并需留有一定

25、的裕量。1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)（4）電流定額）電流定額l維持電流 IH ：能使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小陽極電流。l擎（掣）住電流 IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持繼續(xù)導(dǎo)通所需的最小電流。 通常I L=（ 24 ）I H（5）門極定額）門極定額l包括門極觸發(fā)電壓 U GT 與門極觸發(fā)電流 I GT。l注意同一型號的器件存在較大的離散性。1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)（6）動態(tài)參數(shù)）動態(tài)參數(shù)l斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt ：指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不會導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換為通態(tài)的外加電壓最大上升率。由于結(jié)電容

26、的存在，當(dāng)電壓上升率過大使充電電流足夠大時，將會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 除了開通時間 ton 和關(guān)斷時間 toff 外，動態(tài)參數(shù)還包括：1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)（6）動態(tài)參數(shù)）動態(tài)參數(shù)l通態(tài)電流臨界上升率di/dt ：指在規(guī)定條件下，晶閘管所能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。晶閘管導(dǎo)通時，電流在管芯硅片上有一個從門極向外擴(kuò)散的過程，如果電流上升太快，可能造成門極附近局部電流密度過大，使晶閘管過熱而損壞。1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)設(shè)晶閘管導(dǎo)通時流過的電流波形如下圖所示，試問：額定電流為100A的晶閘管所能提供的平均電流 Id 及相應(yīng)

27、的電流最大值 Im 分別為多少安？（暫不考慮安全裕度）（7）有關(guān)晶閘管電流定額的舉例有關(guān)晶閘管電流定額的舉例解：解：412sin() ()(1)0.2717222mdmmIIIt dtI241sin()()2mIItdt有效值1 31()0.47674 42mmII因?yàn)轭~定電流為100A的晶閘管允許通過電流的有效值為157A，按有效值相等的原則，可得：0.47671.57mTII即：1.57 100329.3476( )0.4767mIA而：0.27170.2717 329.347689.4837( )dmIIA思考：若考慮2倍的電流安全裕度情況又如何？（1）快速晶閘管（快速晶閘管（Fast

28、Switching Thyristor）1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件l又分常規(guī)快速晶閘管（400Hz）和高頻晶閘管（10kHz）。l開關(guān)時間以及du/dt 和di/dt 承受能力都有明顯改善。l普通晶閘管關(guān)斷時間約在幾百微秒，常規(guī)快速晶閘管為幾十微秒，高頻晶閘管為10s左右。l快速晶閘管的缺點(diǎn)在于其電壓和電流定額均較普通晶閘管低。l由于工作頻率較高，其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)不容忽視。（2）逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（ Reverse Conducting Thyristor ）1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件l將晶閘管反并聯(lián)一只二極管制作在同一個管芯上的功率集成器件。l具有

29、正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。l僅應(yīng)用于某些特殊場合，如電壓型串聯(lián)諧振逆變電路。等效圖伏安特性圖形符號（3）雙向晶閘管（雙向晶閘管（ Bidirectional triode thyristor ）1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件l可認(rèn)為是由兩只普通晶閘管反并聯(lián)集成。l也是三端元件，有兩個主電極T1和T2，一個門極（控制極）G。等效圖圖形符號l在第象限和第III象限具有對稱的伏安特性。l因用于交流控制場合，故額定電流不用平均值而用有效值來標(biāo)定。伏安特性（4）光控晶閘管（光控晶閘管（ Light Triggered Thyristor ）1.3.4 晶閘管的派

30、生器件晶閘管的派生器件l又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光信號照射觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。l光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的電氣絕緣，并且可有效地避免電磁干擾的影響。l應(yīng)用于高壓大功率的場合，如高壓直流輸電。圖形符號伏安特性AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱OUIA典型全控器件介紹典型全控器件介紹1.4 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.5 電力晶體管電力晶體管1.6 功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管1.7 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.4 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)簡介簡介1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理1.4.3 GTO的主要

31、參數(shù)的主要參數(shù)1.4.4 GTO的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)簡介簡介l 英文名稱：Gate-Turn-Off Thyristorl 簡 稱：GTOl 實(shí)際上是晶閘管的一種派生器件l 在門極施加正的脈沖電流可以使其開通，在門極施加負(fù)的脈沖電流可以使其關(guān)斷（即：門極可關(guān)斷）。l GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管相近，因此在兆瓦級以上的大功率場合應(yīng)用較多。1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)l與普通晶閘管的相同點(diǎn)：同為P-N-P-N四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。l和普通晶閘管的不同點(diǎn)：n GTO是一種

32、多元化的功率集成器件，其內(nèi)部可看成由多個小晶閘管并聯(lián)而成。n 這些小晶閘管陽極共用，而門極和陰極獨(dú)立，單獨(dú)引線后在器件內(nèi)部并聯(lián)再引出。（見下頁圖）1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖圖形符號1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（2）GTO的工作原理的工作原理l與普通晶閘管一樣，GTO仍可用雙晶體管模型來分析。 晶閘管的雙晶體管模型及其工晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理作原理a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) 工作原理工作原理l1+2=1 是器件的臨界導(dǎo)通條件n1+2 1，飽和導(dǎo)通n1+2

33、 BUCEX BUCES BUCER BUCEO。l實(shí)際使用時最高工作電壓UCEM比BUCEO還要低。（1）最高工作電壓（）最高工作電壓（額定電壓額定電壓）1.5.3 GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)（2）集電極最大允許電流集電極最大允許電流 I ICM CM （額定電流額定電流）l通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)hFE （或稱為）下降到規(guī)定值的（1/21/3）時所對應(yīng)的IC值。l實(shí)際使用時還要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一點(diǎn)。（3）集電極最大耗散功率）集電極最大耗散功率 PCMl指最高工作溫度下允許的耗散功率。l因耗散功率等于集電極電流與飽和導(dǎo)通壓降的乘積，當(dāng)最大耗散功率及飽和壓降一定時，也就確

34、定了集電極最大允許電流。1.5.4 GTR的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)l為電流控制型器件，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。l開關(guān)頻率相對較低，一般低于100kHz，但高于GTO（一般低于2kHz）和普通晶閘管（一般低于400Hz）。l存在二次擊穿現(xiàn)象，一旦發(fā)生將使器件永久損壞。（1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn)l耐壓高，通流能力強(qiáng)，適于大功率場合。l開關(guān)特性好，飽和壓降低。（2）缺點(diǎn)）缺點(diǎn)1.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū)的二次擊穿與安全工作區(qū)（1）一次擊穿）一次擊穿l集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大出現(xiàn)的雪崩擊穿稱為一次擊穿。l此時只要集電極電流不超過與最大允許耗散功率相對應(yīng)的限度，GTR一般不會損壞，工作

35、特性也不會明顯改變。（2）二次擊穿）二次擊穿l一次擊穿發(fā)生后，集電極電流增加達(dá)到一定程度后會突然急劇上升，電壓陡然下降，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為二次擊穿。l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 。1.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū)的二次擊穿與安全工作區(qū)（3）安全工作區(qū)（）安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）l由集電極最大電流 ICM 、最高工作電壓UCEM、集電極最大耗散功率 PCM 線和二次擊穿臨界線四者限定。l器件生產(chǎn)廠家應(yīng)以圖形方式向用戶提供GTR的安全工作區(qū)。GTR正向偏置的安全工作區(qū)集電極最大電流最高工作電壓集電極最大耗散功率線二次擊

36、穿臨界線1.6 功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管1.6.1 功率場效應(yīng)晶體管（功率場效應(yīng)晶體管（ MOSFET ）簡介）簡介1.6.2 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理1.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性1.6.4 功率功率MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)1.6.5 功率功率MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)1.6.1 功率場效應(yīng)晶體管（功率場效應(yīng)晶體管（ MOSFET ）簡介）簡介l場效應(yīng)管（ Field Effect Transistor）分為結(jié)型和絕緣柵型。l功率場效應(yīng)管通常主要指絕緣柵型中的金屬氧化物半導(dǎo)體型（Metal Oxide Semiconductor ）

37、。l簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）l功率MOSFET又分N溝道和P溝道兩種類型。l其中每一類型又分增強(qiáng)型與耗盡型。l功率MOSFET主要為N溝道增強(qiáng)型。l為單極型電壓控制器件，且具有自關(guān)斷能力。1.6.2 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）功率）功率M0SFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)功率功率MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號l導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。l采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同生產(chǎn)廠家采用的設(shè)計不同。l為三端元件：分別為柵極G、漏極D和源極S 。1.6.2 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理l

38、導(dǎo)通：漏極與源極之間加正向電壓，柵極與源極之間加正電壓UGS，當(dāng)UGS大于開啟電壓UT 時，漏極與源極之間導(dǎo)通。l截止：漏極與源極之間加正向電壓，柵極與源極之間電壓為零時，漏極與源極之間無電流流過，此時處于截止?fàn)顟B(tài)。（2）功率）功率M0SFET的工作原理的工作原理1.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性l 轉(zhuǎn)移特性n 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。n 當(dāng)ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)gm。（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性1.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性l 輸出特性n 在柵源間電壓UGS一定時，漏極電流ID與漏源

39、電壓間的關(guān)系稱為輸出特性。n 管子工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)（線性導(dǎo)電區(qū)）之間來回跳轉(zhuǎn)。（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性功率MOSFET的輸出特性1.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性lMOSFET開關(guān)速度與輸入電容Ciss充放電有很大關(guān)系。l輸入電容又與極間分布電容有關(guān)，由產(chǎn)品手冊提供。l為提高開關(guān)速度，可降低驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs以減小時間常數(shù)。l雖然導(dǎo)通與截至要跨越飽和區(qū)，使漏極電流增加或減少需要延時，但其開關(guān)速度在目前主要電力電子器件中是最高的，約在10100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上。l場控器件靜態(tài)時輸入電流幾乎為零，但在開關(guān)過程中需對輸入電容進(jìn)行充放電，因此仍需一

40、定的驅(qū)動功率，而且開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率相應(yīng)增大。（2）動態(tài)特性）動態(tài)特性1.6.4 功率功率MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)（1）漏源擊穿電壓）漏源擊穿電壓 UBDS ：功率MOSFET的電壓定額。（2）柵源擊穿電壓）柵源擊穿電壓 UBGS ：UGS20V導(dǎo)致絕緣層擊穿。l存放：三端短接；l取用：手環(huán)接地；l焊接：烙鐵可靠接地或短時斷電利用余熱。 （3）漏極連續(xù)電流）漏極連續(xù)電流 ID 和漏極峰值電流幅值和漏極峰值電流幅值 IDM 功率MOSFET的電流定額，一般 IDM = (24) ID 。（4）極間電容）極間電容：決定了器件的開關(guān)速度。（5）正向通態(tài)電阻）正向通態(tài)電阻：決定了器

41、件的通態(tài)損耗。（6）最大功耗）最大功耗：與：與管殼溫度有關(guān)。1.6.5 功率功率MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)l耐壓低，通流能力弱。l僅適于功率不超過10kW的電力電子裝置。（1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn)（2）缺點(diǎn)）缺點(diǎn)l輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單。l開關(guān)速度快，工作頻率高，達(dá)100kHz以上。l不存在二次擊穿問題。1.7 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介）簡介1.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理1.7.3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)1.7.4 IGBT的特殊問題的特殊問題1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（

42、IGBT）簡介）簡介l絕緣柵雙極晶體管的縮寫來歷（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）lGTR的優(yōu)點(diǎn)是：耐壓高，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低。lMOSFET的優(yōu)點(diǎn)是：輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快。lIGBT結(jié)合了GTR與MOSFET二者的優(yōu)點(diǎn)復(fù)合而成。l相當(dāng)于利用MOSFET來驅(qū)動GTR。l顯然屬于電壓控型自關(guān)斷器件。l1986年投放市場，目前是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介）簡介l塑料封裝適用于小功率器件。l小功率的晶閘管、MOSFET等往往也采用此種封裝形式。 1.7.1 絕緣柵雙極晶體

43、管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介）簡介模塊上面的螺絲用于固定主回路接線模塊右側(cè)的焊片為控制極1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介）簡介側(cè)面是模塊的型號、生產(chǎn)廠家及其內(nèi)部的接線圖注意此模塊為逆導(dǎo)型1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡介）簡介模塊使用時，金屬底面（一般材質(zhì)為導(dǎo)熱性能好的銅）要與散熱器緊密接觸，將元件工作時內(nèi)部產(chǎn)生的熱量有效導(dǎo)出。1.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)lIGBT為三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E。 l其內(nèi)部是由GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。l是一個由MOSFET驅(qū)

44、動的厚基區(qū)PNP晶體管。IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號1.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理l 導(dǎo)通：n柵極和發(fā)射極間uGE大于開啟電壓UT，IGBT導(dǎo)通。n開啟電壓與溫度有關(guān)，在25C時約為26V。n為了可靠開通，柵射極間的驅(qū)動電壓一般取+15+20V。l 關(guān)斷：n柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號，IGBT關(guān)斷。n為可靠關(guān)斷，并減少關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷時柵射極間一般施加5 15V的負(fù)驅(qū)動電壓。（2）IGBT的工作原理的工作原理1.7.3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)（1）集射極擊穿電壓）集射極擊穿電

45、壓UCES 為IGBT的最高工作電壓，由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。（2）最大柵射極電壓）最大柵射極電壓 一般20V，以15V左右為宜。（3）集電極連續(xù)電流和峰值電流）集電極連續(xù)電流和峰值電流 為IGBT的額定電流，包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。通常峰值電流為額定直流電流的2倍左右，主要受結(jié)溫的制約。（4）最大集電極功耗）最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大耗散功率。1.7.4 IGBT的特殊問題的特殊問題（1）掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)） 撤銷觸發(fā)信號后器件仍維持導(dǎo)通。（2）正向偏置安全工作區(qū)（）正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA） 由最大集

46、電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。（3）反向偏置安全工作區(qū)（）反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA） 由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。（4）制成逆導(dǎo)型器件）制成逆導(dǎo)型器件 IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起。1.8 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SIT） 1.8.2 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）1.8.3 集成門極換向型晶閘管（集成門極換向型晶閘管（IGCT）1.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢電力電子器件的發(fā)展趨勢1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SIT）l缺點(diǎn)：

47、n 柵極不加信號時導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。n 通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。lSIT（Static Induction Transistor）又稱結(jié)型場效應(yīng)晶體管l工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)（甚至更高），功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。1.8.2 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）l MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合l MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：n 承受極高di/dt和du/dt，開

48、關(guān)過程快速，開關(guān)損耗小。n 高電壓、大電流、高載流密度、低導(dǎo)通壓降。l 一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT單元組成。l 每個單元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。l 其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，因而未能投入實(shí)際應(yīng)用。1.8.3 集成門極換向型晶閘管（集成門極換向型晶閘管（IGCT）l IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）l 20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，其容量與GTO相當(dāng)，其開關(guān)速度比GTO快10倍。l可省去GTO復(fù)雜

49、的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。l目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。1.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢電力電子器件的發(fā)展趨勢l自20世紀(jì)80年代中后期開始，電力電子器件趨向于模塊化方向發(fā)展，即將多個器件封裝在一只模塊中，稱為功率模塊。l模塊化可縮小裝置體積，降低成本，提高運(yùn)行可靠性。l對工作頻率較高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。l將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。（1）基本概念）基本概念1.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢電力電子器件的發(fā)展趨勢l高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。l智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。l智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）專指IGBT及