電力電子器件

電力電子器件第1頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件的基本模型電力半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)的發(fā)展取決于電力電子器件的研制與應(yīng)用。定義：電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的半導(dǎo)體電子器件稱為電力電子器件（PowerElectronicDevice）。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，本書涉及的器件都是指半導(dǎo)體電力電子器件。第2頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件的

基本模型與特性

在對電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽象成下圖2.1.1所示的理想開關(guān)模型，它有三個電極，其中A和B代表開關(guān)的兩個主電極，K是控制開關(guān)通斷的控制極。它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況，在通態(tài)時其電阻為零，斷態(tài)時其電阻無窮大。

圖2.1.1電力電子器件的理想開關(guān)模型一、基本模型：第3頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件的

基本模型與特性二、基本特性：（1）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。（2）電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)由（驅(qū)動電路）外電路來控制。（3）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開關(guān)損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，在其工作時一般都要安裝散熱器。第4頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電力電子器件的種類

一、按器件的開關(guān)控制特性可以分為以下三類：

①不可控器件：器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。

如：電力二極管（PowerDiode）；②半控型器件：通過控制信號只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱為半控型器件。

如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等；③全控型器件：通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷的器件，稱為全控型器件。

如：門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor）、功率場效應(yīng)管（PowerMOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor）等。

第5頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月二、電力電子器件按控制信號

的性質(zhì)不同又可分為兩種：

①

電流控制型器件：此類器件采用電流信號來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。

如：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等；

②

電壓控制半導(dǎo)體器件：這類器件采用電壓控制（場控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號，用小功率信號就可驅(qū)動它工作。

如：代表性器件為MOSFET管和IGBT管。第6頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月附表:主要電力半導(dǎo)體器件的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域器件種類開關(guān)功能器件特性概略應(yīng)用領(lǐng)域電力二極管不可控5kV/3kA—400Hz各種整流裝置晶閘管可控導(dǎo)通6kV/6kA—400Hz8kV/3.5kA—光控SCR煉鋼廠、軋鋼機(jī)、直流輸電、電解用整流器可關(guān)斷晶閘管自關(guān)斷型6kV/6kA—500Hz工業(yè)逆變器、電力機(jī)車用逆變器、無功補(bǔ)償器MOSFET600V/70A—100kHz開關(guān)電源、小功率UPS、小功率逆變器IGBT1200V/1200A—20kHz4.5kV/1.2kA—2kHz各種整流/逆變器（UPS、變頻器、家電）、電力機(jī)車用逆變器、中壓變頻器第7頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月**、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

可關(guān)斷晶閘管

1.4、電力晶體管

1.5、電力場效應(yīng)晶體管1.6、絕緣柵雙極型晶體管

1.7、其它新型電力電子器件第一章、電力電子器件第8頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2電力二極管P41.2.1電力二極管及其工作原理1.2.2電力二極管的特性與參數(shù)

第9頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.1電力二極管及其工作原理一、電力二極管：

1、電力二極管（PowerDiode）也稱為半導(dǎo)體整流器（SemiconductorRectifier，簡稱SR），屬不可控電力電子器件，是20世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力電子器件。2、在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合發(fā)揮著積極的作用,具有不可替代的地位。

第10頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PN結(jié)與電力二極管工作原理：基本結(jié)構(gòu)和工作、原理與信息電子電路中的二極管一樣。以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。

圖2.2.1電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符

a）結(jié)構(gòu)b）外形c）電氣圖形第11頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月二、PN結(jié)與電力二極管工作原理：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié):

內(nèi)電場:空間電荷建立的電場,也稱自建電場，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動的，另一方面又吸引對方區(qū)內(nèi)的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動，即漂移運(yùn)動?？臻g電荷:交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動，到對方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負(fù)電荷稱為空間電荷?？臻g電荷區(qū):擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。第12頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月二、

PN結(jié)與電力二極管工作原理：PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)：

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)：

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?。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。PN結(jié)的反向擊穿：

有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿。PN結(jié)的電容效應(yīng)：

PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)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。圖2.2.2電力二極管的伏安特性曲線第13頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月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。勢壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主；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?，?yīng)用時應(yīng)加以注意。二、PN結(jié)與電力二極管工作原理：第14頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2電力二極管1.2.1電力二極管及其工作原理1.2.2電力二極管的特性與參數(shù)

第15頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2電力二極管的特性與參數(shù)1、電力二極管的伏安特性2、電力二極管的開關(guān)特性3、電力二極管的主要參數(shù)

第16頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1、電力二極管的伏安特性

當(dāng)電力二極管承受的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)。與正向電流IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖2.2.2電力二極管的伏安特性曲線

特性曲線:第17頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2電力二極管的特性與參數(shù)1、電力二極管的伏安特性2、電力二極管的開關(guān)特性3、電力二極管的主要參數(shù)

第18頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電力二極管的開關(guān)特性（1）關(guān)斷特性：電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)過程。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。定義：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程（關(guān)斷過程、開通過程）。圖2.2.3電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形第19頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

電力二極管的正向壓降先出現(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）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時間來儲存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。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。（2）開通特性：

電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過程。圖2.2.3電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形第20頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電力二極管的開關(guān)特性：（續(xù)）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：下降時間與延遲時間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用sr表示。圖2.2.3電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形第21頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2電力二極管的特性與參數(shù)（1）普通二極管：普通二極管又稱整流管（RectifierDiode），多用于開關(guān)頻率在１KHZ以下的整流電路中，其反向恢復(fù)時間在５us以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，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)時間在５us以下的稱為快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode簡稱FDR）?？旎謴?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)時間為數(shù)百納秒以上，后者則在100ns以下，其容量可達(dá)1200V/200A的水平,多用于高頻整流和逆變電路中。

（3）肖特基二極管：肖特基二極管是一種金屬同半導(dǎo)體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為0.4～0.6V，而且它的反向恢復(fù)時間短，為幾十納秒。但反向耐壓在200Ｖ以下。它常被用于高頻低壓開關(guān)電路或高頻低壓整流電路中。電力二極管的主要類型：第22頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.2.2電力二極管的特性與參數(shù)1、電力二極管的伏安特性2、電力二極管的開關(guān)特性3、電力二極管的主要參數(shù)第23頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電力二極管的主要參數(shù)

額定正向平均電流——在指定的管殼溫（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。設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im,則額定電流(平均電流)為:

（2.2.5）（2.2.4）（2.2.6）（2.2.7）可求出正弦半波電流的波形系數(shù):

定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的波形系數(shù)，用Kf表示：額定電流有效值為:（1）額定正向平均電流IF(AV)第24頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）額定正向平均電流IF(AV)（續(xù)）

正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有1.5~2倍的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場合時，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略。當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。第25頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月指器件中ＰＮ結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。ＴjM通常在125～175℃范圍內(nèi)。

3、電力二極管的主要參數(shù)

（2）反向重復(fù)峰值電壓ＵRRM：

指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）此電壓通常為擊穿電壓UＢ的2/3。（3）正向壓降ＵF：

指規(guī)定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時，器件兩端的正向平均電壓(又稱管壓降)。（4）反向漏電流ＩRR：指器件對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時的反向電流。

（5）最高工作結(jié)溫ＴjM：

第26頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月**、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

可關(guān)斷晶閘管

1.4、電力晶體管

1.5、電力場效應(yīng)晶體管1.6、絕緣柵雙極型晶體管

1.7、其它新型電力電子器件第一章、電力電子器件第27頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3、晶閘管P81.3.1晶閘管及其工作原理1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

1.3.3晶閘管的派生器件

第28頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3、晶閘管

晶閘管(Thirsted)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)和光控晶閘管等。由于普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛,因此在無特別說明的情況下,本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。普通晶閘管：也稱可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),簡稱SCR。

由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域,成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。第29頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.1晶閘管及其工作原理（1）外形封裝形式:可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上),分別由圖2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。（2）晶閘管有三個電極,它們是陽極A,陰極K和門極(或稱柵極)G,它的電氣符號如圖2.3.1(e)所示。圖2.3.1晶閘管的外型及符號1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：第30頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1、晶閘管的結(jié)構(gòu)（續(xù)）晶閘管是大功率器件,工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上,采用自然散熱冷卻方式,如圖2.3.2(a)所示。平板式晶閘管由兩個彼此絕緣的散熱器緊夾在中間,散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷,以獲得較好的散熱效果,如圖2.3.2(b)、(c)所示。圖2.3.2晶閘管的散熱器第31頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月常用晶閘管的結(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)第32頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2、晶閘管的工作原理圖2.3.3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路1）導(dǎo)通：晶閘管陽極施加正向電壓時,若給門極G也加正向電壓Ug,門極電流Ig經(jīng)三極管T2放大后成為集電極電流Ic2，Ic2又是三極管T1的基極電流,放大后的集電極電流Ic1進(jìn)一步使Ig增大且又作為T2的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋過程，兩個三極管T1、T2都快速進(jìn)入飽和狀態(tài),使晶閘管陽極A與陰極K之間導(dǎo)通。此時若撤除Ug,T1、T2內(nèi)部電流仍維持原來的方向,只要滿足陽極正偏的條件,晶閘管就一直導(dǎo)通。晶閘管(單向?qū)щ娦?,導(dǎo)通條件為陽極正偏和門極正偏。第33頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2）阻斷：當(dāng)晶閘管A、K間承受正向電壓，而門極電流Ig=0時,上述T1和T2之間的正反饋不能建立起來,晶閘管A、K間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻斷狀態(tài)。2、晶閘管的工作原理圖2.3.3晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路第34頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3、晶閘管1.3.1晶閘管及其工作原理1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

1.3.3晶閘管的派生器件

第35頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)定義：晶閘管陽極與陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。圖2.3.4晶閘管陽極伏安特性

UDRM、URRM──正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓；UDSM、URSM──正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；UBO──正向轉(zhuǎn)折電壓；URO──反向擊穿電壓。１.晶閘管的伏安特性：第36頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月１.晶閘管的伏安特性（續(xù)）：晶閘管上施加反向電壓時，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，只有極小的反相漏電流流過。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加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖2.3.4晶閘管陽極伏安特性（1）晶閘管的反向特性：第37頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月１.晶閘管的伏安特性（續(xù)）：IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，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。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，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2.3.4晶閘管陽極伏安特性（2）晶閘管的正向特性：第38頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2.晶閘管的開關(guān)特性晶閘管的開通和關(guān)斷過程電壓和電流波形。2.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形第39頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。開通時間tgt：以上兩者之和，tgt=td+tr普通晶閘管延遲時為0.5∽1.5s，上升時間為0.5∽3s。2.晶閘管的開關(guān)特性（續(xù)）2.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

1)開通過程：第40頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月正向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間在正向阻斷恢復(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)?。?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即

tq=trr+tgr2.晶閘管的開關(guān)特性（續(xù)）2.3.5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

2)關(guān)斷過程（1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。

反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間第41頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）晶閘管的開通與關(guān)斷時間1）開通時間tgt：普通晶閘管的開通時間tgt

約為6μs。開通時間與觸發(fā)脈沖的陡度與電壓大小、結(jié)溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。2）關(guān)斷時間tq

：普通晶閘管的tq

約為幾十到幾百微秒。關(guān)斷時間與元件結(jié)溫

、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。第42頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM:門極斷開(Ig=0),元件處在額定結(jié)溫時,正向陽極電壓為正向阻斷不重復(fù)峰值電壓UDSM(此電壓不可連續(xù)施加)的80%所對應(yīng)的電壓(此電壓可重復(fù)施加,其重復(fù)頻率為50HZ，每次持續(xù)時間不大于10ms)。2）反向重復(fù)峰值電壓URRM:元件承受反向電壓時,陽極電壓為反向不重復(fù)峰值電壓URRM的80%所對應(yīng)的電壓。3）晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓通常取UDRM與URRM中的最小值,選用時，額定電壓要留有一定裕量,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。（1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓─額定電壓Ute第43頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流

─額定電流IT(AV)

在選用晶閘管額定電流時，根據(jù)實(shí)際最大的電流計算后至少還要乘以1.5～2的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。1）定義：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻條件下,晶閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170°的單相工頻正弦半波電路中,當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時所允許的最大通態(tài)平均電流。第44頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

這說明額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，其額定有效值為IT=KfIT(AV)=157A。2）IT(AV)計算方法：（2.3.3）（2.3.4）（2.3.5）（2.3.4）

根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時的允許最大平均電流。設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im,則額定電流(平均電流)為：額定電流有效值為：

現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的波形系數(shù)，用Kf表示：根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：第45頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT

1）定義：在室溫下，晶閘管加6V正向陽極電壓時，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。2）晶閘管由于門極特性的差異，其觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓也相差很大。所以對不同系列的元件只規(guī)定了觸發(fā)電流、電壓的上、下限值。3）晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫下的實(shí)測值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響很大，溫度升高，UGT

、IGT

值會顯著降低，溫度降低，UGT

、IGT

值又會增大。為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，外加門極電壓的幅值應(yīng)比UGT

大幾倍。第46頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）通態(tài)平均電壓UT(AV)1）定義：在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，

元件通以正弦半波額定電流時，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降)2）其數(shù)值按表2.3.3分組．在實(shí)際使用中，從減小損耗和元件發(fā)熱來看，應(yīng)選擇ＵT(AV)

小的晶閘管。組別ABC通態(tài)平均電壓（V）ＵT≤0.40.4＜ＵT≤0.50.5＜ＵT≤0.6組別DEF通態(tài)平均電壓（V）0.6＜ＵT≤0.70.7＜ＵT≤0.80.8＜ＵT≤0.9組別GHI通態(tài)平均電壓（V）0.9＜ＵT≤1.01.0＜ＵT≤1.11.1＜ＵT≤1.2表2.3.3晶閘管通態(tài)平均電壓分組第47頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（5）維持電流ＩＨ

和掣住電流ＩL1）維持電流ＩＨ：在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽極電流為維持電流ＩH。維持電流與元件容量

、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型號的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下IH

的實(shí)測值。2）掣住電流ＩL：給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱掣住電流ＩL。對同一晶閘管來說，掣住電流ＩL

要比維持電流ＩH

大2~4倍。

第48頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）通態(tài)電流臨界上升率di/dt

1、定義：晶閘管能承受而沒有損害影響的最大通態(tài)電流上升率稱通態(tài)電流臨界上升率di/dt。2、影響：門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到PN結(jié)的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會導(dǎo)致門極附近的ＰＮ結(jié)因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率。第49頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

1）定義：把在規(guī)定條件下，不導(dǎo)致晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大陽極電壓上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。

2）影響：晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個電容，若突然加一正向陽極電壓，便會有一個充電電流流過結(jié)面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的ＰＮ結(jié)時，產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，如果這個電流過大，將會使元件誤觸發(fā)導(dǎo)通。

第50頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3、晶閘管1.3.1晶閘管及其工作原理1.3.2晶閘管的特性與主要參數(shù)

1.3.3晶閘管的派生器件

第51頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶閘管的派生器件P18可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(FastSwitchingThyrister，簡稱FST)，開關(guān)頻率在10KHZ

以上的稱為高頻晶閘管?？焖倬чl管為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在2000V以下?？焖倬чl管du/dt的耐量較差，使用時必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開關(guān)頻率下的du/dt，當(dāng)開關(guān)頻率升高時，du/dt耐量會下降。1.快速晶閘管(FastSwitchingThyrister—FST第52頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

可認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。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。1.3.3晶閘管的派生器件

圖2.3.6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2.雙向晶閘管(TRIAC)第53頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.3.3晶閘管的派生器件1)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。2)與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘管具有正壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)；3)根據(jù)逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；因此只能適用于反向不需承受電壓的場合；4)逆導(dǎo)晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)；5)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示；圖2.3.7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3.逆導(dǎo)晶閘管(RCT)第54頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。2)小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。3）大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。4）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。1.3.3晶閘管的派生器件

圖2.3.8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4.光控晶閘管(LAT)第55頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月**、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

可關(guān)斷晶閘管

1.4、電力晶體管

1.5、電力場效應(yīng)晶體管

1.6、絕緣柵雙極型晶體管

1.7、其它新型電力電子器件第一章、電力電子器件第56頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月可關(guān)斷晶閘管P20可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor)簡稱GTO。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。第57頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月可關(guān)斷晶閘管1

可關(guān)斷晶閘管及其工作原理2可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)

第58頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1

可關(guān)斷晶閘管及其工作原理與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO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1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖

c)電氣圖形符號1、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)第59頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1

可關(guān)斷晶閘管及其工作原理2、可關(guān)斷晶閘管的工作原理

1）GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是相同的。GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的,但在制作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。2）在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。第60頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月可關(guān)斷晶閘管1

可關(guān)斷晶閘管及其工作原理2可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)第61頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)

導(dǎo)通過程與SCR一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr。

圖2.4.2可關(guān)斷晶閘管的開關(guān)特性

1）開通過程：1、可關(guān)斷晶閘管的特性第62頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2）關(guān)斷過程：與普通晶閘管不同儲存時間ts：抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf：等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小。尾部時間tt：殘存載流子復(fù)合。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，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短。門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時間。圖2.4.2可關(guān)斷晶閘管的開關(guān)特性

2可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)1、可關(guān)斷晶閘管的特性第63頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù)（1）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；（2）關(guān)斷時間toff:一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s；（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO:它是GTO的額定電流；2、可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)第64頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2可關(guān)斷晶閘管的

特性與主要參數(shù)GTO的門極可關(guān)斷能力可用電流關(guān)斷增益βoff來表征，最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益；通常大容量GTO的關(guān)斷增益很小，不超過3~5。這正是GTO的缺點(diǎn)。一個1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A。

（2.4.3）（4）電流關(guān)斷增益βoff

：第65頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2可關(guān)斷晶閘管的

特性與主要參數(shù)2）使用時必須注意：3、可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用

1）GTO主要用于直流變換和逆變等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達(dá)到兆瓦級的數(shù)量級。

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。

用門極正脈沖可使GTO開通，用門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷，這是GTO最大的優(yōu)點(diǎn)。但要使GTO關(guān)斷的門極反向電流比較大，約為陽極電流的１/５左右。

GTO的通態(tài)管壓降比較大，一般為2～3V。

GTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型，在使用時要特別注意。第66頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月**、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

可關(guān)斷晶閘管

1.4、電力晶體管

1.5、電力場效應(yīng)晶體管1.6、絕緣柵雙極型晶體管

1.7、其它新型電力電子器件第一章、電力電子器件第67頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4、電力晶體管P23

1)術(shù)語用法：電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效2）應(yīng)用：20世紀(jì)80年代以來，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。第68頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1電力晶體管及其工作原理1.4.2電力晶體管的特性與主要參數(shù)1.4、電力晶體管

第69頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1電力晶體管及其工作原理與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常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)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。圖2.5.2GTR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)部載流子的流動第70頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE——在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為?≈hFE。單管GTR的?值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。1.4.1電力晶體管及其工作原理（2.5.1）IC=βIB+ICEO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β——GTR的電流放大系數(shù)，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（2.5.2）第71頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4、電力晶體管1.4.1電力晶體管及其工作原理1.4.2電力晶體管的特性與主要參數(shù)第72頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.2電力晶體管的特性與主要參數(shù)深飽和區(qū)：UBE＞0,UBC＞0，IB變化時IC不再改變，管壓降UCES很小，類似于開關(guān)的通態(tài)。圖2.5.3共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性1、GTR共射電路輸出特性

輸出特性：截止區(qū)(又叫阻斷區(qū))、線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個區(qū)域。

截止區(qū)：IB＜0(或IB=0)，UBE＜0，UBC＜0，GTR承受高電壓，且有很小的穿透電流流過，類似于開關(guān)的斷態(tài)；

線性放大區(qū)：UBE＞0，UBC＜0，IC=βIB，GTR應(yīng)避免工作在線性區(qū)以防止大功耗損壞GTR；

準(zhǔn)飽和區(qū)：隨著IB的增大，此時UBE＞0，UBC＞0，但I(xiàn)C與IB之間不再呈線性關(guān)系，β開始下降，曲線開始彎曲；第73頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.4.1電力晶體管及其工作原理

1）延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。2）td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。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程。圖2.5.4GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形2、GTR的開關(guān)特性（1）開通過程：第74頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月關(guān)斷時間tof為：存儲時間ts和與下降時間tf之和。ts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。減小導(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，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。負(fù)面作用是會使集電極和發(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的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。1.4.1電力晶體管及其工作原理圖2.5.4GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形2、GTR的開關(guān)特性（1）關(guān)斷過程：第75頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

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時的IC值定為ICM；

基極電流最大值IBM：規(guī)定為內(nèi)引線允許通過的最大電流，通常取IBM≈(1/2～1/6)ICM；

1.4.1電力晶體管及其工作原理3、GTR的主要參數(shù)(1)電壓定額

(2)電流定額

集基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開路時，集射極能承受的最高電壓；

集射極擊穿電壓BUCEO：基極開路時，集射極能承受的最高電壓；第76頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月(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℃。(4)最大耗散功率PCM：即GTR在最高結(jié)溫時所對應(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會因溫度過高而迅速損壞。1.4.1電力晶體管及其工作原理3、GTR的主要參數(shù)（續(xù)）第77頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月(5)飽和壓降UCES：為GTR工作在深飽和區(qū)時，集射極間的電壓值。由圖可知，UCES隨IC增加而增加。在IC不變時，UCES隨管殼溫度TC的增加而增加。

表示GTR的電流放大能力。高壓大功率GTR(單管)一般β＜10；1.4.1電力晶體管及其工作原理圖2.5.5飽和壓降特性曲線3、GTR的主要參數(shù)（續(xù)）(6)共射直流電流增益β：β=IC／IB第78頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

二次擊穿

一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點(diǎn)時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。1.4.1電力晶體管及其工作原理4、二次擊穿和安全工作區(qū)（1）

二次擊穿圖2.5.6一次擊穿、二次擊穿原理圖2.5.7二次擊穿臨界線第79頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月按基極偏置分類可分為正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。1.4.1電力晶體管及其工作原理4、二次擊穿和安全工作區(qū)（2）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。第80頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

正偏安全工作區(qū)又叫開通安全工作區(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。

反偏安全工作區(qū)又稱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)斷過程中電壓UCE、電流IC限制界線所圍成的區(qū)域。1.4.1電力晶體管及其工作原理

（2）、安全工作區(qū)圖2.5.9GTR的反偏安全工作區(qū)圖2.5.8GTR正偏安全工作區(qū)①正偏安全工作區(qū)FBSOA②

反偏安全工作區(qū)RBSOA第81頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月**、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

可關(guān)斷晶閘管

1.4、電力晶體管

1.5、電力場效應(yīng)晶體管1.6、絕緣柵雙極型晶體管

1.7、其它新型電力電子器件第一章、電力電子器件第82頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5電力場效應(yīng)晶體管P281）分為結(jié)型場效應(yīng)管簡稱JFET）和絕緣柵金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOSFET）。2）通常指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET。3）4）特點(diǎn)：輸入阻抗高(可達(dá)40MΩ以上)、開關(guān)速度快，工作頻率高(開關(guān)頻率可達(dá)1000kHz)、驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)(SOA)寬；電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過10kW的電力電子裝置。N溝道P溝道電力MOSFET耗盡型：增強(qiáng)型:耗盡型增強(qiáng)型當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道；對于N（P）溝道器件,柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道第83頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.5、電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)管及其工作原理電力場效應(yīng)晶體管的特性與主要參數(shù)

第84頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電力場效應(yīng)管及其工作原理早期的電力場效應(yīng)管采用水平結(jié)構(gòu)(PMOS)，器件的源極S、柵極G和漏極D均被置于硅片的一側(cè)(與小功率MOS管相似)。存在通態(tài)電阻大、頻率特性差和硅片利用率低等缺點(diǎn)。20世紀(jì)70的代中期將LSIC垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)應(yīng)用到電力場效應(yīng)管的制作中，出現(xiàn)了VMOS結(jié)構(gòu)。大幅度提高了器件的電壓阻斷能力、載流能力和開關(guān)速度。20世紀(jì)80年代以來，采用二次擴(kuò)散形成的P形區(qū)和N+型區(qū)在硅片表面的結(jié)深之差來形成極短溝道長度(1～2μm)，研制成了垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散場控晶體管，簡稱為VDMOS。目前生產(chǎn)的VDMOS中絕大多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型，這是由于P溝道器件在相同硅片面積下，其通態(tài)電阻是N型器件的2～3倍。因此今后若無特別說明，均指N溝道增強(qiáng)型器件。1、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)第85頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月特點(diǎn)：(1)垂直安裝漏極，實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電，這不僅使硅片面積得以充分利用，而且可獲得大的電流容量；(2)設(shè)置了高電阻率的N－區(qū)以提高電壓容量；(3)短溝道(1～2μm)降低了柵極下端SiO2層的柵溝本征電容和溝道電阻，提高了開關(guān)頻率；(4)載流子在溝道內(nèi)沿表面流動，然后垂直流向漏極。電力場效應(yīng)管及其工作原理VDMOS的典型結(jié)構(gòu)1、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（續(xù)）圖2.6.1N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號第86頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月VDMOS的漏極電流ID受控于柵壓UGS；電力場效應(yīng)管及其工作原理圖2.6.1N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號

2、電力場效應(yīng)管的工作原理（1）截止：柵源電壓UGS≤0或0＜UGS≤UT(UT為開啟電壓，又叫閾值電壓)；（2）導(dǎo)通：UGS＞UT時，加至漏極電壓UDS＞0；（3）漏極電流ID

：第87頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電力場效應(yīng)晶體管的

特性與主要參數(shù)

在不同的UGS下，漏極電流ID與漏極電壓UDS間的關(guān)系曲線族稱為VDMOS的輸出特性曲線。如圖2.6.2所示，它可以分為四個區(qū)域：

1）截止區(qū)：當(dāng)UGS＜UT(UT的典型值為2~4V)時；

2）線性(導(dǎo)通)區(qū)：當(dāng)UGS＞UT且

UDS很小時，ID和UGS幾乎成線性關(guān)系。又叫歐姆工作區(qū)；

3）飽和區(qū)(又叫有源區(qū))：

在UGS＞UT時，且隨著UDS的增大，ID幾乎不變;

4）雪崩區(qū)：當(dāng)UGS＞UT，且

UDS增大到一定值時；1、靜態(tài)輸出特性

圖2.6.2VDMOS管的輸出特性第88頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月溝道體區(qū)表面發(fā)生強(qiáng)反型所需的最低柵極電壓稱為VDMOS管的閾值電壓。一般情況下將漏極短接條件下，ID=1mA時的柵極電壓定義為UT。實(shí)際應(yīng)用時，UGS=(1.5～2.5)UT，以利于獲得較小的溝道壓降。UT還與結(jié)溫Tj有關(guān)，Tj升高，UT將下降(大約Tj每增加45℃，UT下降10%，其溫度系數(shù)為-6.7mV／℃)。。電力場效應(yīng)晶體管的特性

與主要參數(shù)

2、主要參數(shù)(1)

通態(tài)電阻Ron

在確定的柵壓UGS下，VDMOS由可調(diào)電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時漏極至源極間的直流電阻稱為通態(tài)電阻Ron。Ron是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。在相同條件下，耐壓等級越高的器件其Ron值越大，另外Ron隨ID的增加而增加，隨UGS的升高而減小。(2)閾值電壓UT第89頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月IDM表征器件的電流容量。當(dāng)UGS=10V，UDS為某一數(shù)值時，漏源間允許通過的最大電流稱為最大漏極電流。（2.6.1）2、主要參數(shù)

（續(xù)）(3)跨導(dǎo)gm跨導(dǎo)gm定義

表示UGS對ID的控制能力的大小。實(shí)際中高跨導(dǎo)的管子具有更好的頻率響應(yīng)。(4)漏源擊穿電壓BUDS

BUDS決定了VDMOS的最高工作電壓，它是為了避免器件進(jìn)入雪崩區(qū)而設(shè)立的極限參數(shù)。(5)柵源擊穿電壓BUGSBUGS是為了防止絕緣柵層因柵源間電壓過高而發(fā)生介電擊穿而設(shè)立的參數(shù)。一般BUGS=±20V。(6)最大漏極電流IDM第90頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電力場效應(yīng)晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖2.6.3VDMOS極間電容等效電路

（2.6.2）2、主要參數(shù)(7)最高工作頻率fm定義；式中CIN為器件的輸入電容,一般說來，器件的極間電容如圖2.6.3所示。圖中輸入電容：輸出電容：反饋電容：（2.6.3）（2.6.4）（2.6.5）第91頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電力場效應(yīng)晶體管的特性與主要參數(shù)

圖2.6.4VDMOS開關(guān)過程電壓波形圖

（2.6.7）（2.6.6）(8)開關(guān)時間ton與toff開通時間：

延遲時間td：對應(yīng)輸入電壓信號上升沿幅度為10%Uim到輸出電壓信號下降沿幅度為10%Uom的時間間隔。

上升tr時間：對應(yīng)輸出電壓幅度由10%Uo變化到90%Uom的時間，這段時間對應(yīng)于Ui向器件輸入電容充電的過程。關(guān)斷時間:

存儲ts時間：對應(yīng)柵極電容存儲電荷的消失過程。

下降時間tf在VDMOS管中，ton和toff都可以控制得比較小，因此器件的開關(guān)速度相當(dāng)高。第92頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1）漏源通態(tài)電阻限制線I(由于通態(tài)電阻Ron大，因此器件在低壓段工作時要受自身功耗的限制)；2）最大漏極電流限制線Ⅱ；3）最大功耗限制線Ⅲ；4）最大漏源電壓限制線Ⅳ；電力場效應(yīng)晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖2.6.5VDMOS的

FBSOA曲線3、安全工作區(qū)VDMOS開關(guān)頻率高，常處于動態(tài)過程，它的安全工作區(qū)分為三種情況：①正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)：四條邊界極限：導(dǎo)通時間越短，最大功耗耐量越高。第93頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖2.6.6所示。曲線的應(yīng)用條件是：結(jié)溫TJ＜150℃，ton與toff均小于1μs。電力場效應(yīng)晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖2.6.6

VDMOS的

SSOA曲線

3、安全工作區(qū)②

開關(guān)安全工作區(qū)(SSOA)

開關(guān)安全工作區(qū)(SSOA)反應(yīng)VDMOS在關(guān)斷過程中的參數(shù)極限范圍；

由最大峰值漏極電流IDM、最小漏源擊穿電壓BUDS和最高結(jié)溫TJM所決定；第94頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月在換向速度(寄生二極管反向電流變化率)一定時，CSOA由漏極正向電壓UDS(即二極管反向電壓UR)和二極管的正向電流的安全運(yùn)行極限值IFM來決定。電力場效應(yīng)晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖2.6.7VDMOS的

CSOA曲線3、安全工作區(qū)③

換向安全工作區(qū)(CSOA)

換向安全工作區(qū)(CSOA)是器件寄生二極管或集成二極管反向恢復(fù)性能所決定的極限工作范圍。如圖2.6.7所示第95頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月**、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

可關(guān)斷晶閘管

1.4、電力晶體管

1.5、電力場效應(yīng)晶體管

1.6、絕緣柵雙極型晶體管

1.7、其它新型電力電子器件第一章、電力電子器件第96頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

1.6、絕緣柵雙極型晶體管P33

IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速開關(guān)特性和GTR的低導(dǎo)通壓降特性兩者優(yōu)點(diǎn)的一種復(fù)合器件。IGBT于1982年開始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量達(dá)1800A，最高電壓等級達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHZ。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其它高速低損耗的中小功率領(lǐng)域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場。第97頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6.1絕緣柵雙極型晶體管及其工作原理1.6.2緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)

1.6、絕緣柵雙極型晶體管

第98頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6.1絕緣柵雙極型晶體管

及其工作原理1.IGBT的結(jié)構(gòu)

IGBT的結(jié)構(gòu)如圖2.7.1(a)所示。簡化等效電路如圖2.7.1(b)所示。電氣符號如圖1.7.1（c）所示它是在VDMOS管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再增加一個P+層，形成了一個大面積的P+N結(jié)J1，和其它結(jié)J2、J3一起構(gòu)成了一個相當(dāng)于由VDMOS驅(qū)動的厚基區(qū)PNP型GTR;IGBT有三個電極:集電極Ｃ、發(fā)射極Ｅ和柵極Ｇ;圖2.7.1IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路

與電氣符號

第99頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月IGBT也屬場控器件，其驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。導(dǎo)通：UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。1.6.1絕緣柵雙極型晶體管

及其工作原理圖2.7.2IGBT伏安特性2.IGBT的工作原理第100頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6.1絕緣柵雙極型晶體管及其工作原理

1.6.2緣柵雙極型晶體管的特性與主要參數(shù)

1.6、絕緣柵雙極型晶體管

第101頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.6.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

（1）IGBT的伏安特性（如圖a)

反映在一定的柵極一發(fā)射極電壓UGE下器件的輸出端電壓UCE與電流Ic的關(guān)系。IGBT的伏安特性分為:截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。圖2.7.2IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性第102頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月UGE>UGE(TH)(開啟電壓,一般為3～6V)；其輸出電流Ic與驅(qū)動電壓UGE基本呈線性關(guān)系；圖2.7.2IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性1.6.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

1、IGBT的伏安特性和轉(zhuǎn)移特性（2）IGBT的轉(zhuǎn)移特性曲線（如圖b）IGBT關(guān)斷：IGBT開通：UGE<UGE(TH)；第103頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2、IGBT的開關(guān)特性

（1）IGBT的開通過程：從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正向?qū)ǖ倪^程。開通延遲時間td(on)：IC從10%UCEM到10%ICM所需時間。電流上升時間tr：IC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間ton：ton=td(on)+tr1.6.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖2.7.3IGBT的開關(guān)特性

第104頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2、IGBT的開關(guān)特性（2）IGBT的關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)

：從UGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到ic下降至90%ICM

電流下降時間：ic從90%ICM下降至10%ICM。關(guān)斷時間toff：關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。

電流下降時間又可分為tfi1和tfi2tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，ic下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，ic下降較慢。1.6.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖2.7.3IGBT的開關(guān)特性

第105頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）最大集射極間電壓UCEM：

IGBT在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。（2）通態(tài)壓降：是指IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的管壓降。（3）集電極電流最大值ICM：IGBT的IC增大，可至器件發(fā)生擎住效應(yīng)，此時為防止發(fā)生擎住效應(yīng)，規(guī)定的集電極電流最大值ICM。（4）最大集電極功耗PCM：

正常工作溫度下允許的最大功耗。1.6.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

3、IGBT的主要參數(shù)第106頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月3、IGBT的主要參數(shù)(5)安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOA：IGBT在開通時為正向偏置時的安全工作區(qū)，如圖2.7.5(a)所示。反偏安全工作區(qū)RBSOA：IGBT在關(guān)斷時為反向偏置時的安全工作區(qū)，如圖2.7.5(b)IGBT的導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。在使用中一般通過選擇適當(dāng)?shù)腢CE和柵極驅(qū)動電阻控制，避免IGBT因過高而產(chǎn)生擎住效應(yīng)。1.6.2緣柵雙極型晶體管的特性

與主要參數(shù)

圖2.7.5IGBT的安全工作區(qū)

第107頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月(6)輸入阻抗：IGBT的輸入阻抗高，可達(dá)109~1011Ω數(shù)量級，呈純電容性，驅(qū)動功率小，這些與VDMOS相似。(7)最高允許結(jié)溫TjM：IGBT的最高允許結(jié)溫TjM為150℃。VDMOS的通態(tài)壓降隨結(jié)溫升高而顯著增加，而IGBT的通態(tài)壓降在室溫和最高結(jié)溫之間變化很小，具有良好的溫度特性。1.6.2緣柵雙極型晶體管

的特性與主要參數(shù)

3、IGBT的主要參數(shù)第108頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月**、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

可關(guān)斷晶閘管

1.4、電力晶體管

1.5、電力場效應(yīng)晶體管1.6、絕緣柵雙極型晶體管

1.7、其它新型電力電子器件第一章、電力電子器件第109頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.7、其它新型電力電子器件P361.7.1靜電感應(yīng)晶體管1.7.2靜電感應(yīng)晶閘管1.7.3MOS控制晶閘管1.7.4集成門極換流晶閘管1.7.5功率模塊與功率集成電路第110頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1.7.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

它是一種多子導(dǎo)電的單極型器件，具有輸出功率大、輸入阻抗高、開關(guān)特性好、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；

廣泛用于高頻感應(yīng)加熱設(shè)備(例如200kHz、200kW的高頻感應(yīng)加熱電源)。并適用于高音質(zhì)音頻放大器、大功率中頻廣播發(fā)射機(jī)、電視發(fā)射機(jī)、差轉(zhuǎn)機(jī)微波以及空間技術(shù)等領(lǐng)域。第111頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1、SIT的工作原理

1）結(jié)構(gòu)：SIT為三層結(jié)構(gòu)，其元胞結(jié)構(gòu)圖如圖2.8.1(a)所示，其三個電極分別為柵極G，漏極D和源極S。其表示符號如圖2.8.1(b)所示。

2）分類：SIT分N溝道、P溝道兩種，箭頭向外的為N─SIT，箭頭向內(nèi)的為P─SIT。

3）導(dǎo)通、關(guān)斷：SIT為常開器件，即柵源電壓為零時，兩柵極之間的導(dǎo)電溝道使漏極D-S之間的導(dǎo)通。則SIT導(dǎo)通；當(dāng)加上負(fù)柵源電壓UGS時，柵源間PN結(jié)產(chǎn)生耗盡層。隨著負(fù)偏壓UGS的增加，其耗盡層加寬，漏源間導(dǎo)電溝道變窄。當(dāng)UGS=UP(夾斷電壓)時，導(dǎo)電溝道被耗盡層所夾斷，SIT關(guān)斷。1.7.1靜電感應(yīng)晶體管（SIT）

SIT的漏極電流ID不但受柵極電壓UGS控制，同時還受漏極電壓UDS控制。

圖2.8.1SIT的結(jié)構(gòu)及其符號

第112頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月2、SIT的特性

靜態(tài)伏安特性曲線（N溝道SIT）：當(dāng)柵源電壓UGS一定時，隨著漏源電壓UDS的