第2章 電力電子器件概述

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——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本章小結(jié)及作業(yè)1精選ppt電子技術(shù)的根底———電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路的根底———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)和分類等問題。介紹常用電力電子器件的工作原理、根本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。第2章電力電子器件·引言2精選ppt2.1.1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)2.1電力電子器件概述3精選ppt1〕概念:電力電子器件〔PowerElectronicDevice〕——可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路〔MainPowerCircuit〕——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。2〕分類:電真空器件(汞弧整流器、閘流管)半導(dǎo)體器件(采用的主要材料硅〕仍然2.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件4精選ppt能處理電功率的能力，一般遠(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關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。2.1.1電力電子器件的概念和特征3〕同處理信息的電子器件相比的一般特征：5精選ppt通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗2.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件的損耗6精選ppt電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路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)正常可靠運(yùn)行2.1.2應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路7精選ppt主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制的電路。驅(qū)動電路：對控制信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆？刂齐娐罚河尚畔㈦娮与娐方M成，按照系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅(qū)動電路去控制主電路中電力電子器件的導(dǎo)通或關(guān)斷。檢測電路：檢測主電路中的信號，再根據(jù)這些信號和系統(tǒng)的工作要求形成控制信號。另外，強(qiáng)弱電系統(tǒng)之間通常需要電氣隔離〔光或磁〕，不共地，消除相互干擾，提高可靠性。2.1.2應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成8精選ppt半控型器件〔Thyristor〕——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。(晶閘管〕全控型器件〔IGBT,MOSFET)——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件?！睮GBT〕不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。〔電力二極管〕2.1.3電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：9精選ppt電流驅(qū)動型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型

——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。2.1.3電力電子器件的分類

按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：10精選ppt表2-1各種類型的電力電子器件類型代號名稱不可控器件D整流二極管半控器件Th,SCR普通晶閘管，硅可控整流器全控器件電流控制器件BJT(曾用GTR)雙極型晶體管曾用名：電力晶體管GTO門極關(guān)斷晶閘管場控器件P-MOSFET電力場效應(yīng)晶體管IGBT絕緣柵雙極晶體管MCT場控晶閘管SIT靜電感應(yīng)晶體管SITH靜電感應(yīng)晶閘管功率集成電路PIC功率集成電路11精選ppt本章內(nèi)容:介紹各種器件的工作原理、根本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。集中講述電力電子器件的驅(qū)動、保護(hù)和串、并聯(lián)使用這三個(gè)問題。學(xué)習(xí)要點(diǎn):最重要的是掌握其根本特性。掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法?？赡軙麟娐返钠渌娐吩刑厥獾囊蟆?.1.4本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)12精選ppt2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理2.2.2電力二極管的根本特性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2.2不可控器件—電力二極管13精選ppt

PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。2.2不可控器件—電力二極管·引言整流二極管及模塊14精選ppt根本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。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，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。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)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK15精選ppt16精選ppt狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

PN結(jié)的狀態(tài)二極管的根本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。17精選ppt電力二極管與信息電子電路二極管的區(qū)別：〔1〕電力二極管垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。使得硅片中通過電流的有效面積增大，可以顯著提高二極管的通流能力?！?〕低摻雜N區(qū)可以承受很高的電壓而不致被擊穿。2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理18精選ppt反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)施加的反向電壓過大時(shí)，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)為截止的工作狀態(tài)。PN結(jié)的反向擊穿〔兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿19精選pptPN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)制和作用的差異分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。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)：20精選ppt主要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。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(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電力二極管的伏安特性2.2.2電力二極管的根本特性1)靜態(tài)特性IOIFUTOUFU21精選ppt2)動態(tài)特性二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化的由于結(jié)電容的存在，電力二極管在零偏置〔外加電壓為零〕，正向偏置和反向偏置這三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的時(shí)候經(jīng)歷的過度過程。動態(tài)特性，專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性。2.2.2電力二極管的根本特性22精選ppt正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程開通過程：關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過程23精選ppt額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，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(shí)應(yīng)按有效值相等的原那么來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正弦半波的平均值與有效值之間的關(guān)系為1:1.57電力二極管允許流過的最大電流有效值為1.57IF(AV)2.2.3電力二極管的主要參數(shù)1)正向平均電流IF(AV)24精選ppt在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對應(yīng)的正向壓降。3〕反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最頂峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。4〕反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+tf2.2.3電力二極管的主要參數(shù)2〕正向壓降UF25精選ppt結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM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125~175

C范圍之內(nèi)。6)浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。2.2.3電力二極管的主要參數(shù)5〕最高工作結(jié)溫TJM26精選ppt1)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〕的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)很高按照正向壓降、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。2.2.4電力二極管的主要類型27精選ppt簡稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管〔FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED〕，其trr更短〔可低于50ns〕，UF也很低〔0.9V左右〕，但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者那么在100ns以下，甚至到達(dá)20~30ns。2.2.4電力二極管的主要類型2)快恢復(fù)二極管〔FastRecoveryDiode——FRD〕28精選ppt肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。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)過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。2.2.4電力二極管的主要類型3.肖特基二極管(DATASHEET)以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為根底的二極管稱為肖特基勢壘二極管〔SchottkyBarrierDiode——SBD〕。29精選ppt2.3半控器件—晶閘管2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.3.2晶閘管的根本特性2.3.3晶閘管的主要參數(shù)2.3.4晶閘管的派生器件30精選ppt2.3半控器件—晶閘管·引言1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速開展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，開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，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管〔Thyristor〕：晶體閘流管，可控硅整流器〔SiliconControlledRectifier——SCR〕31精選ppt2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。(陽極A，陰極K，門極G)螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。32精選ppt2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(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)33精選ppt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34精選ppt2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理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)光觸發(fā)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，稱為光控晶閘管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：35精選ppt2.3.2晶閘管的根本特性承受反向電壓時(shí)，不管門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(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：36精選ppt2.3.2晶閘管的根本特性〔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)。IH維持電流晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1〕靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG37精選ppt2.3.2晶閘管的根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。當(dāng)反向電壓到達(dá)反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM〔2〕反向特性38精選ppt2.3.3

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。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。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(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。1〕電壓定額39精選ppt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：40精選ppt通態(tài)平均電流IT(AV〕——在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過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)按有效值相等的原那么來選取晶閘管。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)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。2〕電流定額41精選ppt2.3.4晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的缺乏在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1〕快速晶閘管〔FastSwitchingThyristor——FST)42精選ppt2〕雙向晶閘管〔TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor〕圖1-10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a)b)IOUIG=0GT1T2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(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。43精選ppt2.3.4晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管〔ReverseConductingThyristor——RCT〕a)KGAb)UOIIG=0圖1-11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。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)。44精選ppt2.3.4晶閘管的派生器件光控晶閘管〔LightTriggeredThyristor——LTT〕AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12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。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可防止電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場合。45精選ppt1.使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？2.維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？3怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？思考題：46精選ppt晶閘管承受正向陽極電壓，并在門極施加觸發(fā)電流使晶閘管的電流大于能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流，即維持電流。要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，可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，即降到維持電流以下，便可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。1.使晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？2.維持晶閘管導(dǎo)通的條件是什么？3怎樣才能使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷？47精選ppt2.4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48精選ppt2.4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(gè)嶄新時(shí)代。典型代表——門極可關(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。49精選ppt2.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊50精選ppt2.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管〔Gate-Turn-OffThyristor—GTO〕51精選ppt

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。1〕GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理52精選ppt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分析。

53精選ppt由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益

1和

2

。

1+

2=1器件臨界導(dǎo)通的條件。

1+

2>1兩個(gè)晶體管過飽和導(dǎo)通

1+

2<1不能維持飽和而關(guān)斷GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：54精選ppt設(shè)計(jì)

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時(shí)

1+

2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

多元集成結(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。

55精選ppt2.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反響使器件退出飽和而關(guān)斷。〔門極加負(fù)脈沖〕多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。56精選ppt開通過程：與普通晶閘管相同，需經(jīng)過延遲時(shí)間和上升時(shí)間。關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf

，陽極電流逐漸減小時(shí)間尾部時(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。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。GTO的動態(tài)特性57精選pptOt0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t658精選pptGTO的主要參數(shù)——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)間那么隨通態(tài)陽極電流的增大而增大?！话阒竷Υ鏁r(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2

s。〔2〕關(guān)斷時(shí)間toff〔1〕開通時(shí)間ton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(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)

。59精選ppt2.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管〔3〕最大可關(guān)斷陽極電流IATO〔4〕電流關(guān)斷增益off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A。

——GTO額定電流。

——最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）60精選ppt2.4.2電力晶體管1〕GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理61精選ppt與普通的雙極結(jié)型晶體管根本原理是一樣的。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(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。有效增大電流增益采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。62精選ppt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〔1-9〕

——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(shí)，ic和ib的關(guān)系為ic=ib+Iceo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。63精選ppt

(1)

靜態(tài)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工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2〕GTR的根本特性64精選ppt開通過程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。加快開通過程的方法。關(guān)斷過程儲存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。加快關(guān)斷速度的方法。GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd(2)

動態(tài)特性65精選ppt

前已述及：電流放大倍數(shù)

、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff(此外還有)：1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。3〕GTR的主要參數(shù)66精選ppt通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對應(yīng)的Ic。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。

3)

集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2)

集電極最大允許電流IcM67精選ppt一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。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(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。平安工作區(qū)最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceMGTR的二次擊穿現(xiàn)象與平安工作區(qū)68精選ppt2.4.3電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型〔MetalOxideSemiconductorFET〕簡稱電力MOSFET〔PowerMOSFET〕結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管〔StaticInductionTransistor——SIT〕電力場效應(yīng)晶體管69精選ppt

特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電流驅(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，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。70精選ppt電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。增強(qiáng)型——對于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。

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。1〕電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理71精選ppt2.4.3電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號72精選ppt截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。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)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，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。電力MOSFET的工作原理73精選ppt

(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。2〕電力MOSFET的根本特性74精選ppt010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性75精選ppt截止區(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)GTR的飽和區(qū)〕飽和：漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加。非飽和：漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。MOSFET的漏極伏安特性：76精選ppt開通過程開通延遲時(shí)間td(on)

上升時(shí)間tr開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a〕b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程a)測試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測漏極電流(2)

動態(tài)特性77精選ppt2.4.3電力場效應(yīng)晶體管

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)速度78精選ppt2.4.3電力場效應(yīng)晶體管3)電力MOSFET的主要參數(shù)

——電力MOSFET電壓定額(1)

漏極電壓UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額(3)柵源電壓UGS——

UGS

>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

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

(4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS79精選ppt2.4.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管〔GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場，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和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動，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。80精選ppt2.4.4絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E圖1-22IGBT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81精選ppt2.4.4絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動原理與電力MOSFET根本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。

IGBT的原理82精選ppta)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2)IGBT的根本特性(1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th))輸出特性，分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。83精選ppt2.4.4絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)

最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES84精選pptIGBT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。相同電壓和電流定額時(shí)，平安工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。85精選ppt2.4.4絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：

IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件?！畲蠹姌O電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。反向偏置平安工作區(qū)〔RBSOA〕——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。正偏平安工作區(qū)〔FBSOA〕——NPN晶體管基極與發(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)施加正偏壓，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。86精選ppt2.5其他新型電力電子器件2.5.1MOS控制晶閘管MCT2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT2.5.5功率模塊與功率集成電路87精選ppt2.5.1

MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該