第一章晶閘管

電力電子技術(shù)—器件與保護(hù)

PowerElectronics1.1電力電子器件概述

1.概念電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指可以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。2.特征處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件；電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；需要驅(qū)動(dòng)電路；電力電子器件自身的功率損耗通常遠(yuǎn)大于信息電子器件

1.1.1電力電子器件的概念與特征

2電力電子器件的分類受控程度不控型半控型全控型控制方式電壓控制型(場(chǎng)控器件or場(chǎng)效應(yīng)器件)

電流控制型31.2不可控器件—電力二極管1.2.1電力二極管的工作原理當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓（P極加正、N極加負(fù)）時(shí)，有從P到N的正向電流流過(guò)，此時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)為低阻，電力二極管電壓降維持在1V左右，稱為正向?qū)?。?dāng)PN結(jié)加反向電壓（P負(fù)N正）時(shí)，只有極小的反向漏電流流過(guò)PN結(jié)，此時(shí)PN結(jié)表現(xiàn)為高阻，稱為反向截止。二極管的基本原理：PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1.2.1電力二極管的工作原理反向擊穿施加的反向電壓過(guò)大，反向電流將會(huì)急劇增大，從而破壞PN結(jié)反向?yàn)榻刂沟墓ぷ鳡顟B(tài)，這就叫做反向擊穿。

熱擊穿當(dāng)發(fā)生反向擊穿時(shí)，如果反向電流未被限制住，使得反向電流和反向電壓的乘積超過(guò)了PN結(jié)所容許的耗散功率，就會(huì)因大量的熱量散發(fā)不出去而導(dǎo)致PN結(jié)結(jié)溫快速上升，直至過(guò)熱而燒毀，這就是熱擊穿。

51.2.2電力二極管的基本特性與參數(shù)

1.電力二極管的伏安特性外加電壓大于二極管的門檻電壓UTO時(shí)正向電流開(kāi)始迅速增加，二極管即開(kāi)始導(dǎo)通。功率二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。

當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有很小的反向漏電流IRR流過(guò)，器件處于反向截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)反向電壓增大到UB時(shí)，PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生雪崩擊穿，反向電流急劇增大，這將導(dǎo)致二極管發(fā)生擊穿損壞。

61.2.2電力二極管的基本特性與參數(shù)2.電力二極管的開(kāi)關(guān)特性a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置7開(kāi)關(guān)特性——因結(jié)電容的存在，狀態(tài)轉(zhuǎn)換有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，此過(guò)程中的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的，開(kāi)關(guān)特性即反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程開(kāi)通過(guò)程：二極管的正向壓降先出現(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。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。**

達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大**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越高關(guān)斷過(guò)程：

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2.電力二極管的開(kāi)關(guān)特性1.2.2電力二極管的基本特性與參數(shù)8①普通二極管普通二極管又稱為整流二極管（RectifierDiode）常用于開(kāi)關(guān)頻率在1KH以下的整流電路中，其反向恢復(fù)時(shí)間在5μs以上，額定電流可達(dá)數(shù)千安培，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。②快恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間在5μs以下的稱為快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode簡(jiǎn)稱為FRD）。快恢復(fù)二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百ns以上，后者的反向恢復(fù)時(shí)間則在100ns以下，多用于高頻整流和逆變電路中。③肖特基二極管反向恢復(fù)時(shí)間為10～40ns，反向耐壓在200V以下。多用于高頻小功率整流或高頻控制電路。結(jié)構(gòu)特殊:金屬層+N,不是完整的PN結(jié)，利用接觸勢(shì)壘的單向?qū)щ娮饔?/p>

二極管的幾種類型9肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)**

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**

其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高肖特基二極管的弱點(diǎn)：當(dāng)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；**

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。

肖特基二極管10應(yīng)用于高頻/低壓場(chǎng)合高頻:因?yàn)槠鋞rr小低壓:壓降小,器件損耗小耐壓等級(jí)低限制其在高輸出電壓的應(yīng)用場(chǎng)合肖特基應(yīng)用場(chǎng)合113.電力二極管的主要參數(shù)1.2.2電力二極管的基本特性與參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)額定電流——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（與SCR相同）

正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此使用時(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。

122.反向重復(fù)峰值電壓URRM

對(duì)功率二極管所能重復(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兩倍來(lái)選定。

3.正向壓降UF

指功率二極管在指定溫度下，流過(guò)穩(wěn)定的正向額定電流時(shí)，器件兩端的正向平均電壓，（又稱管壓降）。

4.反向漏電流IRR指器件對(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時(shí)的反向電流。

3.電力二極管的主要參數(shù)135.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)

6.反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+tf

，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時(shí)間

3.電力二極管的主要參數(shù)141.3半控型器件－晶閘管

引言1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectricCompany）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化(16A/300V)。開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）151.3半控型器件－晶閘管功率等級(jí):幾KA/幾KV新品種:快速,雙向,逆導(dǎo),可關(guān)斷,光激發(fā)特點(diǎn):體小,輕重,效率高,反應(yīng)快,高壓大容量,

弱電控制強(qiáng)電(幾十毫安控制幾百幾千安)應(yīng)用:整流,逆變(尤其在大功率場(chǎng)合)，

161.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理符號(hào)：陽(yáng)極A，陰極K，門極G（控制極）17晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓形：螺栓—陽(yáng)極A，粗引線–

陰極K

細(xì)引線---門極G

特點(diǎn)：安裝方便K

AGG

K18晶閘管的結(jié)構(gòu)平板形：兩面分別為陽(yáng)極A和陰極K

中間引出線---門極G

特點(diǎn)：散熱效果好，容量大19晶閘管的結(jié)構(gòu)常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)20晶閘管的工作原理晶閘管的內(nèi)部管芯結(jié)構(gòu)：基本材料:硅單晶體四層三端器件(P1N1P2N2）鉬片：導(dǎo)電材料，用于減小/緩沖相鄰兩種材料的熱膨脹系數(shù)的差別，以保證在各種溫度下接觸可靠KGAP1N1P2N2N221晶閘管的工作原理從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析單向?qū)ǖ墓ぷ髟硭膶尤似骷≒1N1P2N2）三個(gè)PN結(jié)J1,J2,J3:

22晶閘管的工作原理晶閘管內(nèi)部管芯結(jié)構(gòu)圖23晶閘管的工作原理導(dǎo)通的正反饋過(guò)程：IgIb2Ic2(Ib1)Ic1半控特性：一旦導(dǎo)通，UGK可有可無(wú)241導(dǎo)通條件：UAK>0ANDUGK>0(iG>0適當(dāng)值)關(guān)斷條件：IA減小至維持電流以下。UAK減小到零或加反壓來(lái)達(dá)到一旦導(dǎo)通，門極失去控制，故可用脈沖信號(hào)結(jié)論：25承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管的導(dǎo)通判斷條件！261.3.2晶閘管的基本特性與主要參數(shù)

晶閘管的伏安特性

第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性圖1-8晶閘管的伏安特性27

晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。(雪崩擊穿/非正常導(dǎo)通)隨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。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG28晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性29晶閘管的主要參數(shù)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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許不重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM

——在門極斷路而結(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。反向不重復(fù)峰值電壓URSM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許不重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。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：(1)電壓定額30晶閘管的主要參數(shù)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(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。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。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，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL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。2）電流定額31晶閘管－－－電流參數(shù)！ITav—通態(tài)平均電流（額定電流）：

允許通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值（按系列取整）（環(huán)境溫度+40度和規(guī)定的冷卻條件下導(dǎo)通角不小于170度阻性負(fù)載電路）之所以通態(tài)平均電流來(lái)標(biāo)定是因?yàn)檎麟娐份敵龆说碾娏鞒Ｓ闷骄娏鱽?lái)表征決定晶閘管的最大電流->管芯半導(dǎo)體結(jié)溫->流過(guò)電流的有效值（相同的電流有效值條件下，其發(fā)熱情況相同，選取型號(hào)相同）32有效值與平均值的定義可根據(jù)平均值、有效值的定義來(lái)求出。設(shè)f(θ)為表示電壓或電流的周期函數(shù)，則它在θ

1~θ

2期間的平均值和有效值用如下公式：33正弦半波的電流平均值與有效值34正弦半波的波形系數(shù)由于有效值與平均值的特定含義，這里定義兩者之間的比例關(guān)系為波形系數(shù)：如果額定電流為100A的晶閘管，其允許通過(guò)的電流有效值為1.57×100＝157A35非正弦波形的電流額定值計(jì)算！在實(shí)際電路中，流過(guò)晶閘管的波形可能是任意的非正弦半波波形對(duì)于這些波形，應(yīng)根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則將非正弦半波電流的有效值IT折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值由于晶閘管元件的熱容量小，過(guò)載能力低，故在實(shí)際選用時(shí)，一般取1．5—2倍的安全裕量36公式折算含義！IT為應(yīng)用電流的有效值；Id為應(yīng)用電流的平均值；Kf為應(yīng)用電流的波形系統(tǒng)；ITav為額定電流用法一：對(duì)于任意波形應(yīng)用，在知道具體電流大小，求解其額定電流取值用法二：對(duì)于任意波形應(yīng)用，給定晶閘管的額定電流后，求解任意波形的平均值最大允許值37晶閘管的選取方法！主要包括額定電壓、額定電流參數(shù)兩部分。額定電壓參數(shù)的選取主要是根據(jù)晶閘管所承受的最大電壓，再根據(jù)要求乘以電壓安全裕量系數(shù)；額定電流參數(shù)的選取主要是根據(jù)晶閘管電流的通態(tài)平均值，再根據(jù)要求乘以電流安全裕量系數(shù)即可。根據(jù)計(jì)算的電壓和電流的數(shù)值，及生產(chǎn)廠家提供的晶閘管的參數(shù)表，就可確定所選晶聞管的型號(hào)。38

門極伏安特性：UGK--Ig關(guān)系。與二極管相似三個(gè)區(qū)：不觸發(fā)區(qū)：0---UGD—IGDUGD—不觸發(fā)電壓IGD—不觸發(fā)電流可靠觸發(fā)區(qū)：ABCGFEDUGT—觸發(fā)電壓IGT—觸發(fā)電流不可靠觸發(fā)區(qū)：ABCJIH干擾信號(hào)應(yīng)限制在該區(qū)域內(nèi)G晶閘管的門極伏安特性和參數(shù)定額39UGFM—門極的正向峰值電壓IGFM—門極的正向峰值電流PGav—門極的平均功率PGM—門極的峰值功率晶閘管的門極伏安特性和參數(shù)定額40

（1）du/dt---斷態(tài)電壓臨界上升率條件：額定結(jié)溫，門極開(kāi)路使SCR保持?jǐn)鄳B(tài)所能承受的最大電壓上升率晶閘管－－動(dòng)態(tài)參數(shù)41

超過(guò)會(huì)誤導(dǎo)通的原因：J2結(jié)電容效應(yīng)---位移電流限制方法：在SCRA-K兩端并RC晶閘管－－動(dòng)態(tài)參數(shù)42（2）di/dt---通態(tài)電流臨界上升率在規(guī)定條件下，SCR門極觸發(fā)開(kāi)通時(shí)，SCR能承受的不會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率晶閘管－－動(dòng)態(tài)參數(shù)43di/dt超過(guò)會(huì)誤導(dǎo)通的原因：限制方法：在陽(yáng)極電路串一小電感；快速上升的強(qiáng)觸發(fā)脈沖可提高di/dt承受能力A晶閘管－－動(dòng)態(tài)參數(shù)44

（3）tON---門極控制開(kāi)通時(shí)間tON=td(延時(shí))+tr(上升)晶閘管－－動(dòng)態(tài)參數(shù)45（4）tOF---電路換向關(guān)斷時(shí)間：

tOF=trr(反向恢復(fù))+tgr(門極恢復(fù)) SCR承受反壓時(shí)間必須大于Tof晶閘管--動(dòng)態(tài)參數(shù)462.動(dòng)態(tài)特性晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的基本特性471.4全控型電力電子器件

全控型器件的分類：

根據(jù)器件控制方式分為：電壓控制型電流控制型根據(jù)內(nèi)部載流子分為：?jiǎn)螛O型雙極型復(fù)合型481.4.1門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

門極可關(guān)斷晶閘管（PowerTurnoffThyristor）簡(jiǎn)稱GTO。特點(diǎn)：具有普通晶閘管的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，如耐壓高、電流大等；是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下器件導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下器件關(guān)斷。應(yīng)用：電力機(jī)車的逆變、大功率遠(yuǎn)程直流送電、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和大功率直流斬波調(diào)速裝置。49GTO的工作原理50由普通晶閘管的分析可以看出，α1＋α2＝1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)α1＋α2>1時(shí)，兩個(gè)互補(bǔ)晶體管V1、V2進(jìn)入過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)α1＋α2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。GTO與普通晶閘管不同的是：1.

1.在設(shè)計(jì)器件時(shí)使得α2較大，這樣晶體管V2的控制靈敏，使GTO容易關(guān)斷。2.使導(dǎo)通時(shí)的α1＋α2更接近于1。普通晶閘管設(shè)計(jì)為α1＋α2≥1.15，而GTO設(shè)計(jì)為α1＋α2≈1.05。這樣使GTO導(dǎo)通時(shí)飽和程度不深，更接近于臨界飽和，從而為門極控制關(guān)斷提供了有利條件。當(dāng)然，負(fù)面的影響是，器件導(dǎo)通時(shí)的管壓降加大了。多元集成結(jié)構(gòu)使每個(gè)GTO單元的陰極面積很小，門極和陰極間的距離大為縮短，使得P2基區(qū)所謂的橫向電阻很小，從而使得從門極快速抽出較大的電流成為可能。

GTO的工作原理51GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，有同樣的正反饋過(guò)程，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)的飽和程度較淺。因而器件退出飽和實(shí)現(xiàn)關(guān)斷。

GTO與SCR的不同之處52GTO的主要參數(shù)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO：用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流的參數(shù)。這一點(diǎn)與普通晶閘管用通態(tài)平均電流作為額定電流是不同的。電流關(guān)斷增益βoff：最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。即GTO的關(guān)斷電流增益βoff一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。例如一個(gè)1000A的GTO，需要控制關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流的峰值將達(dá)200A，這是一個(gè)相當(dāng)大的數(shù)值。開(kāi)通時(shí)間ton：開(kāi)通時(shí)間是指延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。GTO的延遲時(shí)間一般約1～2μs，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。關(guān)斷時(shí)間toff：關(guān)斷時(shí)間一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。GTO的儲(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2μs。

另外需要指出的是，不少GTO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。

53電力晶體管（GTR）

電力晶體管（GTR---巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管英文有時(shí)候也稱為PowerBJT(在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。)優(yōu)點(diǎn)：具有自關(guān)斷能力、控制方便、開(kāi)關(guān)時(shí)間短、高頻特性好、價(jià)格低廉?，F(xiàn)狀：目前GTR的容量已達(dá)400A/1200V、1000A/400V，工作頻率可達(dá)5kHZ。應(yīng)用：不停電電源、中頻電源和交/直流電機(jī)調(diào)速等電力變流裝置中。54電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

電力晶體管是由三層半導(dǎo)體（兩個(gè)PN結(jié)）組成單管GTR的典型結(jié)構(gòu)：NPN三層擴(kuò)散臺(tái)面型結(jié)構(gòu)為了提高GTR的耐壓能力，在集電區(qū)中設(shè)置了輕摻雜的N—區(qū)

55(1)

GTR共射極電路輸出特性

共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)

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)

電力晶體管的特性與參數(shù)56(2)GTR的主要參數(shù)

電力晶體管的特性與參數(shù)①電壓定額集電極、基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集基極所能承受的最高電壓。集電極、發(fā)射極擊穿電壓BUCEO：基極開(kāi)路時(shí)，集射極所能承受的最高電壓。②電流定額集電極電流最大值ICM：一般以β值下降到額定值的1／2～1／3時(shí)的IC值定為ICM?；鶚O電流最大值IBM：規(guī)定為內(nèi)引線允許通過(guò)的最大電流，通常取IBM≈（1/2~1/6）ICM。③最高結(jié)溫TjM：GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管TjM為125—150℃，金封硅管TjM為150～170℃，高可靠平面管TjM為175～200℃。

57④最大耗散功率PCM：即GTR在最高結(jié)溫時(shí)所對(duì)應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意GTR的散熱。如果散熱條件不好，GTR會(huì)因溫度過(guò)高而迅速損壞。⑤飽和壓降UCES：GTR工作在深飽和區(qū)時(shí)，集射極間的電壓值。圖1－15為GTR的飽和壓降特性曲線。由圖可知，UCES隨IC增加而增加，在IC不變時(shí)，UCES隨管殼溫度Tc的增加而增加。⑥共射直流電流增益β：β=IC/IB表示GTR的電流放大能力。高壓大功率GTR(單管)一般β<10。

⑦動(dòng)態(tài)參數(shù)：開(kāi)通時(shí)間ton=td+tr

關(guān)斷時(shí)間toff=ts+tf

電力晶體管的特性與參數(shù)(2)GTR的主要參數(shù)

58二次擊穿一次擊穿：處于工作狀態(tài)的GTR，當(dāng)其集電極反偏電壓UCE逐漸增大到最大電壓定額BUCEO時(shí)，集電極電流IC急劇增大(雪崩擊穿)二次擊穿：發(fā)生一次擊穿時(shí)，集電結(jié)的電壓基本保持不變，如果有外接電阻限制電流IC的增大，一般不會(huì)引起GTR的特性變壞。如果繼續(xù)增大UCE，又不限制IC的增長(zhǎng)，當(dāng)IC上升到A點(diǎn)(臨界值)時(shí)，UCE突然下降，而IC繼續(xù)增大(負(fù)阻效應(yīng))，這個(gè)現(xiàn)象稱為二次擊穿。

A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓USB和電流ISB稱為二次擊穿的臨界電壓和臨界電流，其乘積

PSB=USBISB稱為二次擊穿的臨界功率

59二次擊穿二次擊穿發(fā)生的條件：高電壓、大電流和持續(xù)時(shí)間。

危害：二次擊穿一般發(fā)生在納秒甚至微秒數(shù)量級(jí)內(nèi)，在這樣短的時(shí)間內(nèi)如果不采取有效保護(hù)措施，就會(huì)使GTR內(nèi)出現(xiàn)明顯的電流集中和過(guò)熱點(diǎn)，輕者使器件耐壓降低，特性變差；重者使器件集電結(jié)和發(fā)射結(jié)熔通，造成GTR永久性損壞。

二次擊穿臨界線

60安全工作區(qū)

安全工作區(qū)SOA(SafeOperationArea)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流電壓的極限范圍。

①正偏安全工作區(qū)FBSOA正偏安全工作區(qū)又叫開(kāi)通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域

61②反偏安全工作區(qū)RBSOA反偏安全工作區(qū)又稱為GTR的關(guān)斷安全工作區(qū)。它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR關(guān)斷過(guò)程中電壓UCE、電流Ic限制界線所圍成的區(qū)域

安全工作區(qū)62絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor）簡(jiǎn)稱為IGBT特點(diǎn)：IGBT綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格MOSFET的1/10，開(kāi)關(guān)時(shí)間是同容量GTR的1/10。

現(xiàn)狀：最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級(jí)達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50KHz。

應(yīng)用：在電機(jī)拖動(dòng)控制、中頻電源、各種開(kāi)關(guān)電源以及其他高速低耗的中、小功率領(lǐng)域

63IGBT的工作原理

IGBT的結(jié)構(gòu)和等效電路：原理：在實(shí)際應(yīng)用電路中IGBT的集電極C接電源正極，發(fā)射極E接電源負(fù)極，它的導(dǎo)通和關(guān)斷由柵極電壓來(lái)控制。當(dāng)柵極加上正電壓時(shí)，VD-MOSFET內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，為PNP型GTR提供基極電流，則IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，從P+區(qū)注入到N—區(qū)的空穴（少子）對(duì)N—區(qū)進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制，減少了N—區(qū)的電阻，因此IGBT的通態(tài)壓降低；在柵極上加負(fù)電壓時(shí)VD-MOSFET的導(dǎo)電溝道消失，GTR的基極電流被切斷，則IGBT被關(guān)斷。很顯然IGBT的導(dǎo)通原理和VD-MOSFET相同

64IGBT的基本特性輸出特性：分為截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)，IGBT承受反向電壓的能力很差。轉(zhuǎn)移特性：當(dāng)UGE>UGE(TH)時(shí)，IGBT開(kāi)通，其輸出電流IC與驅(qū)動(dòng)電壓UGE 基本呈線形關(guān)系。當(dāng)UGE<UGE(TH)時(shí)，IGBT關(guān)斷。在實(shí)際應(yīng)用中UGE(TH)隨溫度的升高會(huì)略有下降，溫度每升高1℃，其值下降5mV左右。在25℃時(shí)，UGE(TH)的值一般為2～6V。

65IGBT的主要參數(shù)（1）集射極擊穿電壓UCES集射極擊穿電壓UCES即為IGBT的最高工作電壓，它取決于IGBT內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓的大小。擊穿電壓的大小與結(jié)溫呈正溫度系數(shù)關(guān)系，其值大約為0．63V／℃，即溫度每升高1℃，則擊穿電壓UCES隨之升高0．63V。（2）開(kāi)啟電壓UGE(TH)和最大柵射極電壓UGES開(kāi)啟電壓UGE(TH)是IGBT導(dǎo)通所需的最低柵射極電壓，即轉(zhuǎn)移特性與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)電壓。UGE(TH)具有負(fù)溫度系數(shù)，其值大約為5mV/℃。在25℃時(shí)，IGBT的開(kāi)啟電壓一般為2～6V。由于IGBT的驅(qū)動(dòng)為MOSFET，應(yīng)將最大柵射極電壓限制在20V以內(nèi)，其最佳值一般取15V左右。66（3）通態(tài)壓降UCE(ON)通態(tài)壓降UCE(ON)是指IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)集射極間的導(dǎo)通壓降。它決定了IGBT的通態(tài)損耗，此值越小，管子的功率損耗越小。富士公司IGBT模塊的UCE(ON)值約為2．5～3．5V。（4）集電極連續(xù)電流IC和峰值電流ICMIGBT集電極允許流過(guò)的最大連續(xù)電流IC為IGBT的額定電流。IC的大小主要取決于結(jié)溫的限制。為了防止電流鎖定效應(yīng)的出現(xiàn)，IGBT也規(guī)定了最大集電極電流峰值ICM。一般情況下峰值電流為額定電流的2倍左右。IGBT的主要參數(shù)671.4.4其他新型電力電子器件

681.5電力電子器件的驅(qū)動(dòng)

控制電路隔離/驅(qū)動(dòng)電路功率開(kāi)關(guān)變換器主電路PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路性能對(duì)變換器性能的影響:1.系統(tǒng)可靠性2.變換效率(開(kāi)關(guān)器件損耗)3.開(kāi)關(guān)器件應(yīng)力(開(kāi)/關(guān)過(guò)程中)4.EMI/EMC

ElectroMagneticInterference,電磁干擾/ElectroMagneticCompatibility電磁兼容性691.5.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述

驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù):就是將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按照其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為電力電子器件可以接受的信號(hào)加在控制端和公共端之間。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通信號(hào)，對(duì)全控型器件既要提供開(kāi)通信號(hào)，又要提供關(guān)斷信號(hào)，以保證器件按要求可靠導(dǎo)通或關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)。一般采用光－電耦合隔離或者磁－電耦合隔離技術(shù)。

按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩大類。

701.5.2典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路

1.電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

以雙極型功率晶體管(GTR)為例:1).Q開(kāi)始開(kāi)通時(shí),驅(qū)動(dòng)脈沖上升沿陡、有一定的過(guò)沖－開(kāi)通快2).Q導(dǎo)通期間，合適的飽和深度－導(dǎo)通壓降低，驅(qū)動(dòng)功率小，關(guān)斷快（存儲(chǔ)時(shí)間?。?).關(guān)斷瞬間反向驅(qū)動(dòng)（抽流能力強(qiáng)）－關(guān)斷快ibt71電力MOSFET的柵源極之間和IGBT的柵射極之間都有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。電力MOSFET的柵源極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取10～15V；IGBT的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取15～20V。

電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路2.電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路721.6電力電子器件的保護(hù)

1.6.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)

電力電子裝置中可能發(fā)生的過(guò)電壓分為外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓兩類。