電工學(xué)第2章 電力電子器件課件

第2章電力電子器件

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)

1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(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述?！舴謩e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(wèn)題。

22.1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

2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)32.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件同信息電子器件相比，具有如下特征的特征：

◆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?！魹榱藴p小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)?！綦娏﹄娮悠骷尚畔㈦娮与娐穪?lái)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。

52.1.1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(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過(guò)

在器件開(kāi)通的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的損耗6

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)組成在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行驅(qū)動(dòng)電路主電路控制電路7有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路這些主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說(shuō)電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的?？刂齐娐窓z測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路控制電路

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

9主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離，通過(guò)其它手段如光、磁等來(lái)傳遞信號(hào)?？刂齐娐窓z測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路電氣隔離控制電路

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

10由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行控制電路

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

112.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號(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。?其特征是：控制極只能控制器件導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷。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PowerMOSFET。

?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。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。132.1.3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(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。

◆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的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制?！霭凑镇?qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外）◆脈沖觸發(fā)型

?通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)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

?必須通過(guò)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(lái)使器件開(kāi)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)。

142.1.3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?！綦p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。

152.2不可控器件——電力二極管

2.2.1PN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172.2不可控器件——電力二極管·引言■電力二極管（PowerDiode）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?！鲈诓捎萌匦推骷碾娐分须娏ΧO管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。

整流二極管及模塊18AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1PN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)19

◆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(guò)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)，只要外電路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(lái)的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。

21電力二極管的結(jié)構(gòu)不同于信息電子電路二極管的特征：

–垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)

–漂移區(qū)(p-i-n二極管)

–電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)250μm此厚度決定擊穿電壓10μm-陽(yáng)極陰極（漂移區(qū)）（襯底）22正向偏置時(shí)的電力二極管電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)少子注入232.2.1PN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?！艚Y(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?52.2.2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(mén)檻電壓UTO

），正向電流才開(kāi)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。IOIFUTOUFU圖2-5電力二極管的伏安特性26

■靜態(tài)特性具有單向?qū)щ娦哉珪r(shí)：二極管導(dǎo)通，通態(tài)壓降1V左右。通態(tài)損耗：（表現(xiàn)形式為發(fā)熱）反偏時(shí)：在達(dá)到擊穿電壓前，僅有很小的反向漏電流流過(guò)。在達(dá)到擊穿電壓后，反向電流急劇增加。2.2.2電力二極管的基本特性272.2.2電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V圖2-6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

零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

■動(dòng)態(tài)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(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)。

?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。?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Sr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?關(guān)斷損耗：一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的損耗T為開(kāi)關(guān)周期292.2.2電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

?先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)程波形b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

30?開(kāi)通過(guò)程電壓與電流的乘積形成開(kāi)通損耗：其中：T為開(kāi)關(guān)周期2.2.2電力二極管的基本特性312.2.3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)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(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，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。32對(duì)于正弦半波電流，假定其電流峰值為IM，則其平均值為

其正弦半波電流的有效值為定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用表示，即2.2.3電力二極管的主要參數(shù)33正弦半波電流的波形系數(shù)實(shí)際使用中，流過(guò)二極管的電流波形形狀并不是一定的，各種周期性的電流波形都有一個(gè)電流有效值，依據(jù)有效值相等的原則，如果功率二極管所流過(guò)的最大電流有效值為I，則其二極管額定電流一般選擇為

式中的系數(shù)是安全系數(shù)，系數(shù)1.57為正弦半波的波形系數(shù)。

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)34■正向壓降UF◆指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降?！龇聪蛑貜?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。

◆通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3◆使用時(shí)，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的2倍左右來(lái)選定

。

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)352.2.3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125～175C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴?fù)時(shí)間trr

◆反向恢復(fù)時(shí)間是指功率二極管從正向電流降至零起到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時(shí)間?！隼擞侩娏鱅FSM

◆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(guò)電流。36

電力二極管的選擇原則

在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于管子在電路中實(shí)際可能通過(guò)的最大電流有效值即可。考慮元件的過(guò)載能力，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計(jì)算公式為：■選擇額定正向平均電流的原則37選擇功率二極管的反向重復(fù)峰值電壓等級(jí)（額定電壓）的原則應(yīng)為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時(shí)值電壓的2~3倍，即■選擇額定電壓的原則

電力二極管的選擇原則

38課堂思考：半波整流電路，輸入正弦電壓值100V，頻率

10kHz，電流有效值10A，如何選擇二極管？39選擇要點(diǎn)：耐壓選擇：擊穿電壓大于280V正向開(kāi)通時(shí)間、反向恢復(fù)時(shí)間：遠(yuǎn)小于100μs通態(tài)平均電流：按有效值相等原則，選擇電流值并留有一定余量。402.2.4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（GeneralPurposeDiode）

?又稱整流二極管（RectifierDiode），多用于開(kāi)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，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。

412.2.4電力二極管的主要類型◆快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）?恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（一般在5s以下）。

?快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），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20~30ns。422.2.4電力二極管的主要類型◆肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）

?優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖；在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管；因此，其開(kāi)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。432.3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442.3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（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡(jiǎn)稱為可控硅。

■1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectric）開(kāi)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?！鲇捎谄淠艹惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡叩?，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452.3.1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(lái)看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)?！粢鲫?yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端?！魞?nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2-7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)

46■晶閘管基本工作特性◆當(dāng)SCR的陽(yáng)極和陰極電壓，即EA下正上負(fù)(與圖示方向相反)時(shí)，無(wú)論門(mén)極G是否有電流，白熾燈不亮，說(shuō)明SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)；◆當(dāng)時(shí)，即EA上正下負(fù)(與圖示方向相同)，只有時(shí)，白熾燈才能點(diǎn)亮。說(shuō)明SCR沒(méi)有門(mén)極電流觸發(fā)時(shí)，具有正向阻斷能力；當(dāng)滿足，條件時(shí)可以導(dǎo)通。◆SCR一旦導(dǎo)通，此時(shí)去掉EG（即再令），白熾燈仍保持點(diǎn)亮，說(shuō)明SCR仍保持導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后SCR的管壓降為1V左右，主電路中的電流IA由白熾燈內(nèi)阻、RW和EA的大小決定?！粼贗A逐漸降低（通過(guò)調(diào)整RW）至某一個(gè)小數(shù)值時(shí)，剛剛能夠維持SCR導(dǎo)通；此時(shí)如果繼續(xù)降低IA，則SCR會(huì)關(guān)斷，該小電流稱為SCR的維持電流。動(dòng)畫(huà)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理47■晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(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)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(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。從這個(gè)角度可以看出，SCR是一種電流控制型的電力電子器件。48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)工作原理在分析SCR的工作原理時(shí)，常將其等效為兩個(gè)晶體管V1和V2串級(jí)而成。其工作過(guò)程如下：

UGK>0→產(chǎn)生IG→V2通→產(chǎn)生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出現(xiàn)強(qiáng)烈的正反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，即使去掉門(mén)極電流，仍能維持導(dǎo)通。■晶閘管工作機(jī)理的等效電路說(shuō)明動(dòng)畫(huà)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理49

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。由以上式可得：圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理按晶體管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）50

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，迅速增大。

阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA，將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。512.3.1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◆陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

◆陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)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(mén)極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

522.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

晶閘管的伏安特性是晶閘管陽(yáng)極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽(yáng)極電流IA之間的關(guān)系特性。532.3.2晶閘管的基本特性?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(guò)。

√如果正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。√隨著門(mén)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(mén)極電流為零，并且陽(yáng)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

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+542.3.2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(guò)。

√當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)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 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+552.3.2晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性◆開(kāi)通過(guò)程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)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(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td

(0.5~1.5s)上升時(shí)間tr(0.5~3s)開(kāi)通時(shí)間tgt=td+tr?延遲時(shí)間隨門(mén)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(yáng)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(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽(yáng)極電流穩(wěn)態(tài)值的10%562.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過(guò)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(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr?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(mén)極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA57?實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。?關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即

tq=trr+tgr

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒，這是設(shè)計(jì)反向電壓設(shè)計(jì)時(shí)間的依據(jù)。2.3.2晶閘管的基本特性58◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

——在門(mén)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，一般為正向轉(zhuǎn)折電壓的80％◆反向重復(fù)峰值電壓URRM

——在門(mén)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，一般為反向擊穿電壓的80％?！敉☉B(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（一般為2V）。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2~3倍。使用注意：■電壓定額(重點(diǎn))2.3.3晶閘管的主要參數(shù)592.3.3晶閘管的主要參數(shù)

■電流定額(重點(diǎn))

◆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(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。

?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)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）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。

60對(duì)于一只額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，允許的電流有效值應(yīng)該為157A（考慮正弦半波波形系數(shù)）。對(duì)于特定電流波形，其有效值和平均值的比值為波形系數(shù)Kf=Irms/IAV，按有效值相等原則選擇晶閘管時(shí)遵循：例：當(dāng)三個(gè)不同的電流波形，分別流經(jīng)額定電流為IT(AV)=100A的晶閘管時(shí)，其允許的電流平均值為IAV不同。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)61（1）正弦半波整流電流波形狀態(tài)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)62實(shí)際波形的平均值:實(shí)際波形的有效值:波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:這時(shí)100A的器件只能當(dāng)作70A(平均值)使用.2.3.3晶閘管的主要參數(shù)63（2）正弦全波整流電流波形狀態(tài)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)64實(shí)際波形的平均值:實(shí)際波形的有效值:實(shí)際波形的波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:

這時(shí)100A的器件可當(dāng)作140A(平均值)使用2.3.3晶閘管的主要參數(shù)65（3）方波半波整流電流波形狀態(tài)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)66實(shí)際波形的平均值:實(shí)際波形的有效值:實(shí)際波形的波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:這時(shí)100A的器件只能當(dāng)作90A(平均值)使用.2.3.3晶閘管的主要參數(shù)672.3.3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2~4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(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。682.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)

◆開(kāi)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(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。

?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。使用中實(shí)際電壓上升率必須低于此臨界值。

◆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)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

?如果電流上升太快，則晶閘管剛一開(kāi)通便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。69開(kāi)通條件與關(guān)斷條件舉例一70開(kāi)通條件與關(guān)斷條件舉例二71晶閘管應(yīng)用要點(diǎn)：1、觸發(fā)導(dǎo)通條件：

UAK>0，UGK>0（或IGK>0），并有足夠的觸發(fā)功率。

一旦器件導(dǎo)通，門(mén)極電流就不再具有控制作用。因此，門(mén)極觸發(fā)電流可用脈沖電流，無(wú)需用直流。2、晶閘管的關(guān)斷方法：

自然關(guān)斷：在導(dǎo)通期間，如果要求器件返回到正向阻斷狀態(tài)，必須令門(mén)極電流為零，且將陽(yáng)極電流降低到一個(gè)稱為維持電流的臨界極限值以下，并保持一段時(shí)間。

強(qiáng)迫關(guān)斷：通過(guò)加一反向電壓UAK<0，并保持一段時(shí)間使其關(guān)斷。在實(shí)際電路中是采用陽(yáng)極電壓反向、增大回路阻抗等方式，使陽(yáng)極電流小于維持電流，使晶閘管關(guān)斷。72晶閘管應(yīng)用要點(diǎn)：3、晶閘管可靠關(guān)斷的條件：關(guān)斷時(shí)間tq：恢復(fù)晶閘管電壓阻斷能力所需的最小電路換流反壓時(shí)間?？煽筷P(guān)斷的條件：

UAK<0(或IA<IH)，并保持一段時(shí)間（t>

tq）。

由于在觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)積累的非平衡載流子需要恢復(fù)時(shí)間，使其可靠關(guān)斷，因此需要在t>

tq之后再施加正向電壓而不會(huì)導(dǎo)通。73

普通晶閘管的選擇原則

（1）選擇額定電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于等于管子在電路中實(shí)際可能通過(guò)的最大電流有效值即可?？紤]元件的過(guò)載能力，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計(jì)算公式為：然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。74（2）選擇額定電壓的原則選擇普通晶閘管額定電壓的原則應(yīng)為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時(shí)值電壓的2~3倍，即然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。752.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開(kāi)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(lái)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(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

762.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆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(mén)極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性?！襞c一對(duì)

反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單

◆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(lái)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

772.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0■逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）

◆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(kāi)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。

◆額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是與之反并聯(lián)的二極管的電流圖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

782.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆又稱光觸發(fā)晶閘管，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

792.4典型全控型器件

2.4.1門(mén)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802.4典型全控型器件·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)。■20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T(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MOSFETIGBT單管及模塊812.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）

■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3個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-14GTO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

并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào)

82◆晶閘管的一種派生器件，當(dāng)UAK>0，UGK>0（或IGK>0），可以觸發(fā)導(dǎo)通。◆可以通過(guò)在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流（IGK<0）使其關(guān)斷，屬于全控型器件（通過(guò)控制極可以控制開(kāi)通、也可以控制關(guān)斷）?！鬐TO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。2.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）83■結(jié)構(gòu)與普通晶閘管的相同點(diǎn)：

PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO內(nèi)部是由許多四層結(jié)構(gòu)的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門(mén)極和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元，而普通晶閘管是獨(dú)立元件結(jié)構(gòu)。圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)KGA2.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管84■工作原理與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來(lái)分析。

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理2.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管85

GTO也可等效成兩個(gè)晶體管P1N1P2和N1P2N2互連，GTO與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后回路增益α1+α2數(shù)值不同，其中α1和α2分別為P1N1P2和N1P2N2的共基極電流放大倍數(shù)。晶閘管的回路增益α1+α2常為1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1，因而GTO導(dǎo)通程度不深，處于臨界飽和狀態(tài)，這為門(mén)極負(fù)脈沖關(guān)斷陽(yáng)極電流提供有利條件?！龉ぷ髟怼糸_(kāi)通過(guò)程

2.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管86

當(dāng)GTO已處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，對(duì)門(mén)極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成－IG，相當(dāng)于將IC1的電流抽出，使晶體管N1P2N2的基極電流減小，使IC2和IK隨之減小，IC2減小又使IA和IC1減小，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。當(dāng)IC2和IC1的減小使α1+α2<1時(shí)，等效晶體管N1P2N2和P1N1P2退出飽和，GTO不滿足維持導(dǎo)通條件，陽(yáng)極電流下降到零而關(guān)斷。由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關(guān)斷。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽(yáng)極電流的方法不能使其關(guān)斷?！龉ぷ髟怼絷P(guān)斷過(guò)程

2.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管872.4.1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，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)極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1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(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

882.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動(dòng)態(tài)特性

◆開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類似。

◆關(guān)斷過(guò)程與普通晶閘管有所不同

?儲(chǔ)存時(shí)間ts—使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf—等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)尾部時(shí)間tt—?dú)埓孑d流子復(fù)合。?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。?門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越短。圖2-15GTO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)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間

殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間

892.4.1門(mén)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(yáng)極電流IATO?指用門(mén)極電流可以重復(fù)關(guān)斷的陽(yáng)極峰值電流，也稱可關(guān)斷陽(yáng)極峰值電流?用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off

?最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。

?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

◆開(kāi)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1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。

90

◆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(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s?！霾簧貵TO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。

2.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管912.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）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（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR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。也有三個(gè)電極，分別為B(基極)、C(集電極)、E(發(fā)射極)，有兩種基本類型，NPN型和PNP型，基本結(jié)構(gòu)及電氣符號(hào)如下圖所示。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。

92GTR和GTO一樣具有自關(guān)斷能力，屬于電流控制型自關(guān)斷器件。GTR可通過(guò)基極電流信號(hào)方便地對(duì)集電極-發(fā)射極的通斷進(jìn)行控制，并具有飽和壓降低、開(kāi)關(guān)性能好、電流較大、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)。GTR已實(shí)現(xiàn)了大功率、模塊化、廉價(jià)化。2.4.2電力晶體管93◆

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2-16GTR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942.4.2電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)

?在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為

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)952.4.2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(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?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)，一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性962.4.2電力晶體管◆動(dòng)態(tài)特性?開(kāi)通過(guò)程

√需要經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton?！淘龃蠡鶚O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(kāi)通過(guò)程。

ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)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)壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來(lái)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。

97ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)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)壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來(lái)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。

◆動(dòng)態(tài)特性

?關(guān)斷過(guò)程

√需要經(jīng)過(guò)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。

√ts是用來(lái)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

√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?！虦p小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度的負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降UCES增加，從而增大通態(tài)損耗?GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。982.4.2電力晶體管■GTR的主要參數(shù)◆直流電流增益hFE

?在直流工作的情況下，集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為≈hFE

◆最高工作電壓

?GTR上所加的電壓超過(guò)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(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo基極開(kāi)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。992.4.2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1/2~1/3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(shuō)明書(shū)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。

1002.4.2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。◆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。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率

◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)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(guò)二次擊穿臨界線。101■應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。2.4.2電力晶體管

?

電力電子器件都有安全工作區(qū)，通常由最大工作電流、最大耗散功率、最高工作電壓構(gòu)成。實(shí)際應(yīng)用時(shí)器件必須工作于安全工作區(qū)的范圍內(nèi)，以免損壞。

1022.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）?！鲭娏OSFET是用柵極電壓來(lái)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(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，無(wú)二次擊穿現(xiàn)象。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。

1032.4.3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)電溝道的稱為增強(qiáng)型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。

1042.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

?導(dǎo)通時(shí)只有一種載流子參與導(dǎo)電，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?，而目前電力MOSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），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（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。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)105電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由許多個(gè)小MOSFET元組成。每個(gè)元的形狀和排列方法，不同廠家采用了不同的設(shè)計(jì)國(guó)際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門(mén)子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列不管名稱怎樣變，垂直導(dǎo)電的基本思想沒(méi)有變。2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1062.4.3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（UDS>0，UGS=0)時(shí)，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。

?導(dǎo)通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS

√當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，漏極和源極導(dǎo)電。

√UT稱為開(kāi)啟電壓（或閾值電壓），UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。

107■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。1082.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性?！探刂箙^(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，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(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)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。無(wú)反向阻斷能力，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通，可看作是逆導(dǎo)器件。?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109◆動(dòng)態(tài)特性

?開(kāi)通過(guò)程

√開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間ton=td(on)+tr

?關(guān)斷過(guò)程

√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

電流下降時(shí)間tfi

關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+tfi2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管信號(hào)iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)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)1102.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin電容的充放電有很大關(guān)系。使用者無(wú)法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。?不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過(guò)程是非常迅速的。?開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，其工作頻率可100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

1112.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)

◆漏極電壓UDS

??標(biāo)稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)?！袈O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)。

除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

在UGS＝0時(shí)漏極和源極所能承受的最高電壓——漏極直流電流ID是指在最大導(dǎo)通壓降UDS(on)時(shí)，產(chǎn)生的功率損耗使MOS管節(jié)點(diǎn)溫度上升到最大值150℃（外殼溫度為100℃）時(shí)的漏極直流電流?！O脈沖電流幅值IDM是脈沖運(yùn)行狀態(tài)下MOS管漏極最大允許峰值電流。112■電力MOSFET的主要參數(shù)

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

◆極間電容

?P-MOSFET的三個(gè)極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，一般廠家提供的是漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss，它們之間的關(guān)系是：Ciss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD

輸入電容可近似用Ciss代替，但這些電容都是非線性的。

2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管113■電力MOSFET的主要參數(shù)◆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)。

2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1142.4.4絕緣柵雙極晶體管■兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—IGBT■絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）◆GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)?！?986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。◆繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，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。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，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)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。1152.4.4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?yún)^(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2-23IGBT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。

1162.4.4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(kāi)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(kāi)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不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。

?電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。

1172.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性

√描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系?！涕_(kāi)啟電壓UGE(th)是IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。

（a）圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性

1182.4.4絕緣柵雙極晶體管?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

√分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。

√在電力電子電路中，IGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。

(b)圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

1192.4.4絕緣柵雙極晶體管◆動(dòng)態(tài)特性

?開(kāi)通過(guò)程√開(kāi)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(kāi)通時(shí)間ton=td(on)+tr+

tfv√tfv分為tfv1和tfv2兩段。

?關(guān)斷過(guò)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

√tfi分為tfi1和tfi2兩段

?引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低于電力MOSFET。

圖2-25IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程