電力電子技術(shù)第五王兆安

1.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子技術(shù)的概念◆電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。

?電力電子技術(shù)中所變換的“電力”有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力”，后者特指電力網(wǎng)的“電力”。

?電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)(模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù))和電力電子技術(shù)兩大分支。1當(dāng)前第1頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.1什么是電力電子技術(shù)◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。?電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。

輸入輸出

交流（AC）

直流（DC）

直流（DC）整流

直流斬波

交流（AC）交流電力控制變頻、變相逆變

表1-1電力變換的種類2當(dāng)前第2頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.1什么是電力電子技術(shù)■電力電子學(xué)◆美國學(xué)者W.Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。圖1-1描述電力電子學(xué)的倒三角形3當(dāng)前第3頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和電子學(xué)

電力電子器件的制造技術(shù)的理論和工藝與用于信息變換的電子器件制造技術(shù)相同。?電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。4當(dāng)前第4頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.1什么是電力電子技術(shù)

?

電力電子技術(shù)與電氣工程學(xué)科的關(guān)系

隸屬于電氣工程一級學(xué)科

電力電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展必須依賴其它學(xué)科

電力電子技術(shù)促進(jìn)了其他學(xué)科的發(fā)展

圖1-2電氣工程的雙三角形描述5當(dāng)前第5頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.1什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和控制理論控制理論使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。電力電子技術(shù)是弱電和強(qiáng)電之間的接口而控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶?？刂评碚撌亲詣踊夹g(shù)的理論基礎(chǔ)，而電力電子裝置則是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。

6當(dāng)前第6頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史■電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖1-3電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標(biāo)志。7當(dāng)前第7頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。?電子管(1904)，在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。?水銀整流器(1930s-1950s)，廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來變流。

?1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。

8當(dāng)前第8頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管時代?晶閘管憑借其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。?晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。?晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。9當(dāng)前第9頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）?70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。

全控型器件的特點(diǎn)是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷。?采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。10當(dāng)前第10頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史?把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。?隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。

11當(dāng)前第11頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍

◆一般工業(yè)

?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。避免調(diào)速電機(jī)起動時的電流沖擊的軟起動裝置。?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源淬火電源及直流電弧爐電源等場合。12當(dāng)前第12頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆交通運(yùn)輸?電氣化鐵道：電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。?電動汽車：電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。

?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。13當(dāng)前第13頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆電力系統(tǒng)?用戶終端：發(fā)達(dá)國家在用戶使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。?直流輸電：其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。?電能質(zhì)量提高：晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償或諧波抑制。

?

在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等。

?在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。

14當(dāng)前第14頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖1-5中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6靜止無功發(fā)生器（上）和晶閘管投切電容器（下）15當(dāng)前第15頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆電子裝置用電源

?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。?在大型計(jì)算機(jī)等場合，常常需要不間斷電源（UninterruptiblePowerSupply__UPS）供電，不間斷電源實(shí)際就是典型的電力電子裝置。16當(dāng)前第16頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆家用電器

?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。?空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)，不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)?！羝渌?/p>

?航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。?抽水儲能發(fā)電站的大型電動機(jī)需要用電力電子技術(shù)來起動和調(diào)速。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)。17當(dāng)前第17頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要。

?新能源、可再生能源發(fā)電需要用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，更離不開電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場合，常需要一些特種電源。圖1-7風(fēng)場18當(dāng)前第18頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)1.4本教材的內(nèi)容簡介■本教材的內(nèi)容19當(dāng)前第19頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)■參考書目?趙良炳.現(xiàn)代電力電子器件基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,1995.?丁道宏.電力電子技術(shù).北京:航空工業(yè)出版社,1992.?張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì).北京:電子工業(yè)出版社,1998.?李先允,陳剛.電力電子技術(shù)習(xí)題集.北京:中國電力出版社,2008.■網(wǎng)絡(luò)資源?20當(dāng)前第20頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)學(xué)習(xí)目標(biāo)初級目標(biāo)：掌握常用電力電子器件工作原理、基本電路及控制方法。中級目標(biāo)：能利用上述知識進(jìn)行簡單電力電子裝置設(shè)計(jì)與開發(fā)。高級目標(biāo)：綜合利用所學(xué)知識，設(shè)計(jì)滿足生產(chǎn)實(shí)際需要的電力電子裝置。學(xué)習(xí)方法在掌握電力電子器件和基本電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用分段線性分析方法，熟悉電路中主要器件工作波形。充分利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證電路工作原理和相關(guān)器件工作波形。發(fā)揮現(xiàn)代電力電子仿真軟件的作用，加強(qiáng)對本課程的感性認(rèn)識。21當(dāng)前第21頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)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)

當(dāng)前第22頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)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：

◆概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類?！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)注意的一些問題。

23當(dāng)前第23頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.1電力電子器件概述

2.1.1電力電子器件的概念和特征

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

2.1.3電力電子器件的分類

2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)24當(dāng)前第24頁\共有438頁\編于星期六\8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（PowerElectronicDevice）是指可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。?主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。

?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。

25當(dāng)前第25頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.1.1電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征

◆處理電功率的大小（承受電壓和電流的能力）一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件，是其最重要的參數(shù)，◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)?！粲尚畔㈦娮与娐穪砜刂?/p>

,而且需要驅(qū)動電路。◆自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。

26當(dāng)前第26頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.1.1電力電子器件的概念和特征?通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當(dāng)器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。

通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗27當(dāng)前第27頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

■電力電子器件實(shí)際應(yīng)用：由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(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28當(dāng)前第28頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆半控型器件?器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定

?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件?！羧匦推骷?通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通、關(guān)斷。

?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。29當(dāng)前第29頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.1.3電力電子器件的分類■按照驅(qū)動信號的性質(zhì)

◆電流驅(qū)動型

?從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通、關(guān)斷?！綦妷候?qū)動型

?在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制?！霭凑镇?qū)動信號的波形（電力二極管除外

）

◆脈沖觸發(fā)型

?在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實(shí)現(xiàn)器件的開通或者關(guān)斷的控制。

◆電平控制型

?通過持續(xù)在控制端施加一定電平的電壓或電流信號使器件開通并維持導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持阻斷狀態(tài)。

30當(dāng)前第30頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.1.3電力電子器件的分類■按照載流子參與導(dǎo)電的情況◆單極型器件

?由一種載流子參與導(dǎo)電。◆雙極型器件?由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。◆復(fù)合型器件

?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。

31當(dāng)前第31頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)■本章內(nèi)容◆介紹不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題?！鰧W(xué)習(xí)要點(diǎn)◆掌握其基本特性（重點(diǎn)）?！粽莆针娏﹄娮悠骷男吞柮?，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。

◆了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。

◆了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。32當(dāng)前第32頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2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33當(dāng)前第33頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2不可控器件——電力二極管·引言■電力二極管（PowerDiode）

?自1950s初期就獲得應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在仍然大量應(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二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管。

整流二極管及模塊34當(dāng)前第34頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)AKAKa)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

a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號35當(dāng)前第35頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴粽驅(qū)ǎ篜N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF。

◆反向截止：當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過?！舴聪驌舸篜N結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)。

?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，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

36當(dāng)前第36頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.1PN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壘電容CB和擴(kuò)散電容CD

?勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。

?擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。◆結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ鳌?7當(dāng)前第37頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.2電力二極管的基本特性■靜態(tài)特性

◆主要是指其伏安特性

◆正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO

），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與IF對應(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，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38當(dāng)前第38頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.2電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V

圖2-6電力二極管的動態(tài)過程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

■動態(tài)特性◆因?yàn)榻Y(jié)電容的導(dǎo)致電壓-電流隨時間變化，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性?！粲烧蚱棉D(zhuǎn)換為反向偏置?電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。?在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。?延遲時間：td=t1-t0

電流下降時間：tf=t2-t1

反向恢復(fù)時間：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刻t1:反向電流達(dá)最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻39當(dāng)前第39頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.2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)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。?正向恢復(fù)時間tfr

?出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，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電力二極管的動態(tài)過程波形

b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

40當(dāng)前第40頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.3電力二極管的主要參數(shù)■正向平均電流IF(AV)◆指電力二極管長期運(yùn)行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

◆IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。■正向壓降UF◆指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。■反向重復(fù)峰值電壓URRM

◆指對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。◆使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

41當(dāng)前第41頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.3電力二極管的主要參數(shù)■最高工作結(jié)溫TJM

◆結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。◆最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。◆TJM通常在125～175C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴?fù)時間trr■浪涌電流IFSM

指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。42當(dāng)前第42頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.4電力二極管的主要類型■按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。

◆普通二極管（GeneralPurposeDiode）

?又稱整流二極管（RectifierDiode），多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。

?其反向恢復(fù)時間較長，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。

43當(dāng)前第43頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.4電力二極管的主要類型◆快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）?恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（一般在5s以下）。?快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)，其反向恢復(fù)時間更短（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)兩個等級。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。44當(dāng)前第44頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.2.4電力二極管的主要類型◆肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode—SBD）

?優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)時間很短（10~40ns），正向恢復(fù)過程中不會有明顯的電壓過沖；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)：當(dāng)所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，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。45當(dāng)前第45頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3半控型器件——晶閘管

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.3.2晶閘管的基本特性

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

2.3.4晶閘管的派生器件46當(dāng)前第46頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。

■1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。■其承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊47當(dāng)前第47頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)

◆從外形上來看，晶閘管也主要有螺栓型和平板型兩種封裝結(jié)構(gòu)。◆引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端。◆內(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

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號

48當(dāng)前第48頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理

■晶閘管的工作原理

◆按照晶體管工作原理，可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）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。49當(dāng)前第49頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下

是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，

迅速增大。◆在晶體管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和。

◆如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，從而實(shí)現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA實(shí)際上會維持有限值。

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2-5)50當(dāng)前第50頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■除門極觸發(fā)外其他幾種可能導(dǎo)通的情況

◆陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

◆陽極電壓上升率du/dt過高

◆結(jié)溫較高◆光觸發(fā)■這些情況除了光觸發(fā)由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。

51當(dāng)前第51頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.2晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性

◆正常工作時的特性

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

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

52當(dāng)前第52頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.2晶閘管的基本特性◆晶閘管的伏安特性?正向特性

√當(dāng)IG=0時，在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。

√如果正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通?！屉S著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低，晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。

√如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)，IH稱為維持電流。

圖2-9晶閘管的伏安特性

IG2>IG1>IG

正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+53當(dāng)前第53頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.2晶閘管的基本特性?反向特性

√其伏安特性類似二極管的反向特性。

√晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反向漏電流通過。

√當(dāng)反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

圖2-9晶閘管的伏安特性 IG2>IG1>IG正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+54當(dāng)前第54頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.2晶閘管的基本特性■動態(tài)特性◆開通過程?陽極電流的增長不可能是瞬時：晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時間；外電路電感的限制?延遲時間td(0.5~1.5s)

上升時間tr(0.5~3s)

開通時間tgt=td+tr?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮短。

圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)態(tài)值的10%55當(dāng)前第55頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.2晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復(fù)時間trr

正向阻斷恢復(fù)時間tgr

關(guān)斷時間tq=trr+tgr?關(guān)斷時間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA56當(dāng)前第56頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■電壓定額◆斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見圖2-9）。?國標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。?斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo?！舴聪蛑貜?fù)峰值電壓URRM

?是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見圖2-8）。?規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。?反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。57當(dāng)前第57頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

◆通態(tài)（峰值）電壓UT：晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。

◆額定電壓：通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍?！鲭娏鞫~

◆通態(tài)平均電流IT(AV）?國標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。?按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。?一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則所得計(jì)算結(jié)果的1.5~2倍。

58當(dāng)前第58頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)◆維持電流IH

?維持電流是指使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。?結(jié)溫越高，則IH越小。

◆擎住電流IL?擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。59當(dāng)前第59頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動態(tài)參數(shù)

◆開通時間tgt和關(guān)斷時間tq

◆斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

?在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

?電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。

◆通態(tài)電流臨界上升率di/dt

?在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

?如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。60當(dāng)前第60頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.4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。

◆快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為10s左右。

◆高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。

◆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)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

61當(dāng)前第61頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.4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)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。

◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖2-11雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性

62當(dāng)前第62頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.3.4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)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。

◆具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。

圖2-12逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性

a)電氣圖形符號b)伏安特性

63當(dāng)前第63頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)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（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長的光照信號觸發(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合。圖2-13光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性

a)電氣圖形符號b)伏安特性

64當(dāng)前第64頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4典型全控型器件

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管

2.4.2電力晶體管

2.4.3電力場效應(yīng)晶體管

2.4.4絕緣柵雙極晶體管65當(dāng)前第65頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4典型全控型器件·引言■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。■20世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個嶄新時代?！龅湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊66當(dāng)前第66頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO單元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號

67當(dāng)前第67頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管

圖2-8晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理

a)雙晶體管模型b)工作原理◆GTO的工作原理?V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。?GTO與普通晶閘管的不同√設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷?！虒?dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大?！潭嘣山Y(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。68當(dāng)前第68頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

69當(dāng)前第69頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動態(tài)特性

◆開通過程與普通晶閘管類似。

◆關(guān)斷過程?儲存時間ts

下降時間tf

尾部時間tt?通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。?門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時間。圖2-15GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間

殘存載流子復(fù)合所需時間

70當(dāng)前第70頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。

◆最大可關(guān)斷陽極電流IATO?用來標(biāo)稱GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off?最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點(diǎn)。

◆開通時間ton

?延遲時間與上升時間之和。?延遲時間一般約1~2s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。

◆關(guān)斷時間toff?一般指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。

?儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s。71當(dāng)前第71頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.2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。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。

72當(dāng)前第72頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)◆GTR的結(jié)構(gòu)?采用至少由兩個晶體管按達(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)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度73當(dāng)前第73頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.2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

?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，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)74當(dāng)前第74頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.2電力晶體管■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性?在共發(fā)射極接法時的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。

?在電力電子電路中，

GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng)過放大區(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GTR的輸出特性75當(dāng)前第75頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.2電力晶體管◆動態(tài)特性?開通過程√需要經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton?！淘龃蠡鶚O驅(qū)動電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間，同時也可以縮短上升時間，從而加快開通過程。?關(guān)斷過程√需要經(jīng)過儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff?！虦p小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。?GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。

76當(dāng)前第76頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.3電力場效應(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）,簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）。■電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點(diǎn)有：

◆驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。

◆開關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

77當(dāng)前第77頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.3電力場效應(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)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。?對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(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。

78當(dāng)前第78頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.3電力場效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)?是單極型晶體管。?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?，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)。圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號79當(dāng)前第79頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.3電力場效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的工作原理?截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。?導(dǎo)通√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。√當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電?！蘒T稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。

80當(dāng)前第80頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)■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?！蘄D較大時，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。81當(dāng)前第81頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.3電力場效應(yīng)晶體管?輸出特性√是MOSFET的漏極伏安特性?！探刂箙^(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應(yīng)增加?！坦ぷ髟陂_關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。?本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。

圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

b)輸出特性82當(dāng)前第82頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)◆動態(tài)特性?開通過程√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

電壓下降時間tfv

開通時間ton=td(on)+tr+

tfv

?關(guān)斷過程√關(guān)斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關(guān)斷時間toff=td(off)+trv+tfi?MOSFET的開關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系，可以降低柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。2.4.3電力場效應(yīng)晶體管信號iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22電力MOSFET的開關(guān)過程a)測試電路b)開關(guān)過程波形up為矩形脈沖電壓信號源，Rs為信號源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測漏極電流。

(a)(b)83當(dāng)前第83頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.3電力場效應(yīng)晶體管?不存在少子儲存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過程是非常迅速的。?開關(guān)時間在10~100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。

84當(dāng)前第84頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.3電力場效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)◆跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時間參數(shù)?！袈O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)?！魱旁措妷篣GS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿?！魳O間電容?CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g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)。

85當(dāng)前第85頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4絕緣柵雙極晶體管■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。

86當(dāng)前第86頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理◆IGBT的結(jié)構(gòu)?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。?由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對漂移區(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)于一個由

MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。

圖2-23IGBT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RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

87當(dāng)前第87頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理

?IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。

?其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的?！坍?dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，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時，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。

88當(dāng)前第88頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4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_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

89當(dāng)前第89頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4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，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系?！谭譃槿齻€區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)?！坍?dāng)UCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。√在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。

(b)圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

90當(dāng)前第90頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4絕緣柵雙極晶體管◆動態(tài)特性?開通過程√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

電壓下降時間tfv

開通時間ton=td(on)+tr+

tfv√tfv分為tfv1和tfv2兩段。?關(guān)斷過程√關(guān)斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關(guān)斷時間toff=td(off)+trv+tfi√tfi分為tfi1和tfi2兩段?引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于MOSFET。

圖2-25IGBT的開關(guān)過程91當(dāng)前第91頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的主要參數(shù)

◆前面提到的各參數(shù)。◆最大集射極間電壓UCES?由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的?！糇畲蠹姌O電流?包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP?！糇畲蠹姌O功耗PCM

?在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。

92當(dāng)前第92頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

?開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。?通態(tài)壓降比VDMOSFET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MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。

93當(dāng)前第93頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)◆IGBT的擎住效應(yīng)?在IGBT內(nèi)部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加一個正向偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。?引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt過大（動態(tài)擎住效應(yīng)），或溫度升高。?動態(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電極電流實(shí)際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。94當(dāng)前第94頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的安全工作區(qū)

?正向偏置安全工作區(qū)（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）√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。

?反向偏置安全工作區(qū)（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）√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dUCE/dt。

95當(dāng)前第95頁\共有438頁\編于星期六\8點(diǎn)2.5其他新型電力電子器件

2.5.1MOS控制晶閘管