第二章電力電子器件教材

Chapter2電力電子器件概述2.1電力電子器件概述2.2不控型器件—電力二極管2.3半控型器件—晶閘管2.4典型全控型器件2.1電力電子器件概述概念和特點(diǎn);

應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成;分類;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。廣義: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。

通常:

電力電子器件=電力半導(dǎo)體器件電力半導(dǎo)體器件的主要材料是——Silicon（硅）特點(diǎn)功率大小——larger開關(guān)狀態(tài)——toreducepowerlosses驅(qū)動(dòng)——byinformationelectroniccircuits.功率損耗——特殊封裝和加散熱器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(shí)，開關(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)損耗開關(guān)損耗開通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗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)行分類IntegratedGate-CommutatedThyristor不控型——電力二極管半控型——晶閘管全控型——P-MOSFET，IGBT，IGCT，GTR2.1.3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。?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)來控制其通斷。其他分類Findajob:IGBT2.1.3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(dòng)型

?僅通過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

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

◆電平控制型

?必須通過持續(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)來使器件開通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)和原理與信息電子電路二極管一樣。一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成。外形：螺栓型和平板型。圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)AKAKa)IKAPNJb)c)AKStructureSymbolAnodeCathodeAppearance2.2不控型器件—電力二極管PNJunctionPN結(jié)：N型半導(dǎo)體(N-typesemiconductor)和P型半導(dǎo)體結(jié)合成擴(kuò)散(diffusion)

空間電荷建立內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，阻止擴(kuò)散漂移(drifting)穩(wěn)定的空間電荷區(qū)或耗盡層，阻擋層，勢(shì)壘區(qū)。簡(jiǎn)單講，具體自學(xué)2.2不控型器件—電力二極管電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)ConductivityModulationＰＮ結(jié)導(dǎo)通，流過較小電流時(shí)，電阻主要為基底低摻雜Ｎ區(qū)的歐姆電阻，為常量，此時(shí)管壓降隨電流上升增加。ＰＮ結(jié)流過較大電流時(shí)，注入并積累在低摻雜區(qū)的少子空穴濃度很大，為維持半導(dǎo)體中性，多子濃度也增大，電阻率下降，即電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。此時(shí)壓降１Ｖ左右，低阻狀態(tài)。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的存在，可允許器件流過較大電流。

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持約1V反向大反向小阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——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（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿

PN結(jié)的狀態(tài)電力二極管的工作原理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(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(dòng)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(dòng)態(tài)特性

◆因?yàn)榻Y(jié)電容的存在，電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的，這就是電力二極管的動(dòng)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。

◆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(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（如2V）。

?正向恢復(fù)時(shí)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(shí)間來儲(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)過程波形

b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

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(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)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量?！稣驂航礥F◆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(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?！羰褂脮r(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

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125～175

C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴?fù)時(shí)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(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。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(shí)間較長(zhǎng)，一般在5

s以上。

?其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。

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5

s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。2.2.4電力二極管的主要類型◆肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode—SBD）?屬于多子器件

?優(yōu)點(diǎn)在于：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），正向恢復(fù)過程中也不會(huì)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)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。2.3半控型器件---晶閘管Thyristor硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，俗稱可控硅（SiliconControlledRectifier—SCR）。1956年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管；1957年，通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只產(chǎn)品；1958年商業(yè)化；開辟了電力電子技術(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，開始被性能更好的全控型器件取代；能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，大容量場(chǎng)合有重要地位。晶閘管一般指普通晶閘管，實(shí)際還包括其派生器件。晶閘管的結(jié)構(gòu)Appearanceofthyristor螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)封裝形式：螺栓式和平板式螺栓式：螺栓陽極，粗辮子為陰極，細(xì)辮子為門極。安裝和更換方便，散熱效果較差。平板式：兩個(gè)平面分別是陽極和陰極，細(xì)辮子線為門極。散熱效果好，但安裝和更換較麻煩。冷卻方式：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷和水冷。

晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的開通和關(guān)斷條件晶閘管加正向陽極電壓，門極斷開或接反向電壓，燈泡不亮。晶閘管加反向陽極電壓，不論門極電源開關(guān)閉合與否，燈泡均不亮。晶閘管加正向陽極電壓，門極接正向電壓，燈泡亮。晶閘管導(dǎo)通后，門極開關(guān)Ｓ2打開或接反向電壓，燈泡仍亮。晶閘管的開通和關(guān)斷條件主電路中接電流表，減小晶閘管正向陽極電壓，電流表讀數(shù)↓；電流減小到某一值，燈泡熄滅。結(jié)構(gòu)和等效電路2.3半控型器件—晶閘管工作原理2.3半控型器件—晶閘管一個(gè)三極管集電極同另一足夠門極電流Ig流入，形成強(qiáng)烈正反饋，兩個(gè)晶體管飽和導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通。IG

Ib2

α2

Ic2=Ib1

α1

Ic1

的正反饋過程發(fā)生。2.3.2晶閘管的開通和關(guān)斷?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(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，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。

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。

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(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。

√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。

√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。

√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+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(shí)，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+2.3.2晶閘管的基本特性■動(dòng)態(tài)特性◆開通過程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td

(0.5~1.5

s)

上升時(shí)間tr(0.5~3

s)

開通時(shí)間tgt=td+tr

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%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(shí)，其陽極電流在衰減時(shí)必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr

關(guān)斷時(shí)間tq=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

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%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA?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)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓

?國(guó)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(shí)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(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。?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?！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。

◆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。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

■電流定額◆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40

C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。

?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。

通態(tài)平均電流（額定值）有效值2.3半控型器件—晶閘管實(shí)際中，波形系數(shù)是不同的，如：?jiǎn)蜗?，三相波形系?shù)實(shí)際電流平均值2.3半控型器件—晶閘管波形實(shí)際波形的平均值和有效值波形系數(shù)允許的電流平均值這時(shí)，100A的晶閘管只能當(dāng)70A使用額定100Ａ的晶閘管所允許的電流平均值2.3半控型器件—晶閘管

流經(jīng)晶閘管的電流波形如圖所示。試計(jì)算該電流波形的平均值、有效值及波形系數(shù)。若取安全裕量為２，問額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流平均值和最大值是多少？例題2-1解：電流平均值：

電流有效值：例題2-1

波形系數(shù)：

100A的晶閘管允許通過的電流平均值：

電流最大值：

注：kf=I/Id

1.57IT=kfId2.3.3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)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。2.3.3晶閘管的主要參數(shù)■動(dòng)態(tài)參數(shù)

◆開通時(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(huì)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。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(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10

s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)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

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(duì)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(duì)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(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

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(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。

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

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(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

概述1.1電力電子器件概述1.2不控型器件—電力二極管1.3半控型器件—晶閘管1.4典型全控型器件

2.4.1Gate-turn-offthyristor—GTO門極可關(guān)斷晶閘管2.4.2Gianttransistor—GTR（BJT-BipolarJunctionTransistor）巨型晶體管2.4.3Powermetal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor—PowerMOSFET電力場(chǎng)效應(yīng)管2.4.4Insulated-gatebipolartransistor—IGBT絕緣柵雙極型晶體管2.3典型全控型器件

門極可關(guān)斷晶閘管GTO晶閘管的一種派生器件；可通過在門極施加負(fù)脈沖電流關(guān)斷；電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管GTO的結(jié)構(gòu)四層三端，陽極、陰極和門極三個(gè)電極。多元集成器件，由數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO單元組成，為便于實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷特殊設(shè)計(jì)。

AGK門極可關(guān)斷晶閘管GTO的工作原理

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。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

。當(dāng)，器件臨界導(dǎo)通，不能維持飽和導(dǎo)通關(guān)斷，兩個(gè)晶體管過飽和，器件導(dǎo)通普通晶閘管，兩互補(bǔ)的等效晶體管處于深度飽和狀態(tài)門極可關(guān)斷晶閘管GTO的特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：較大，NPN管控制靈敏，使GTO易關(guān)斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，使更接近于1，普通晶閘管一般為，GTO設(shè)計(jì)為，更接近于臨界飽和，為門極關(guān)斷提供有利條件。缺點(diǎn)：未進(jìn)入深飽和，器件導(dǎo)通壓降大。多元集成結(jié)構(gòu)，陰極面積小，門、陰極間距離短，P2基區(qū)橫向電阻小，從門極抽出較大電流成為可能。多元集成結(jié)構(gòu)使GTO開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。門極可關(guān)斷晶閘管GTO的動(dòng)態(tài)特性開通過程：與普通晶閘管相同。關(guān)斷過程：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尾部時(shí)間tt—?dú)埓孑d流子復(fù)合Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

圖1-14

GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。SpecificationsofGTO最大可關(guān)斷陽極電流IATO電流關(guān)斷增益

off

off一般很小，5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)?！狦TO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）SpecificationsofGTO延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2

s，上升時(shí)間隨通態(tài)陽極電流的增大而增大。一般指儲(chǔ)存時(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。關(guān)斷時(shí)間toff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)。2.4.2巨型晶體管—GTR2.4.2巨型晶體管—GTRGTR:

導(dǎo)通損耗低電流驅(qū)動(dòng)型開關(guān)時(shí)間長(zhǎng)2.4.2巨型晶體管—GTR2.4.3PowerMOSFET電力場(chǎng)效應(yīng)管N溝道P溝道P-MOSFET:

導(dǎo)通損耗高，電流小，耐壓低電壓驅(qū)動(dòng)型開關(guān)速度快驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小

反向并聯(lián)寄生二極管，反壓時(shí)器件導(dǎo)通柵源之間有數(shù)千皮法的極間電容驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻要求較小以便快速建立驅(qū)動(dòng)電壓驅(qū)動(dòng)電壓10-15V開通

-5-15V關(guān)斷2.4.3PowerMOSFET電力場(chǎng)效應(yīng)管IGBT等效電路和符號(hào)2.4.4絕緣柵雙極型晶體管—IGBTN溝道RN

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)2.4.4絕緣柵雙極型晶體管—IGBT2.4.4絕緣柵雙極型晶體管—IGBT電流拖尾現(xiàn)象柵漏電容放大至飽和2.4.4絕緣柵雙極型晶體管—IGBTGTR和MOSFET兩種器件結(jié)合GTR:

導(dǎo)通損耗低開關(guān)時(shí)間長(zhǎng),電流驅(qū)動(dòng)型MOSFET:

導(dǎo)通損耗高開關(guān)速度快,電壓驅(qū)動(dòng)型，易于驅(qū)動(dòng)IGBT特點(diǎn)通態(tài)損耗小于PMOSFET,與GTR相當(dāng)易于驅(qū)動(dòng)，與P-MOSFET相當(dāng)開關(guān)速度比GTR快，比P-MOSFET低應(yīng)用–20世紀(jì)80年代開始大量應(yīng)用–GTR

絕跡，GTO

很少應(yīng)用–IGBT和powerMOSFET

是目前2大主要電力電子器件2.4.4絕緣柵雙極型晶體管—IGBT2.5OthernewpowerelectronicdevicesMOS控制晶閘管（MOScontrolledthyristor）

MCT靜電感應(yīng)晶體管（Staticinductiontransistor）SIT靜電感應(yīng)晶閘管（Staticinductionthyristor）SITH

集成門極換流晶閘管（Integratedgate-commutatedthyristor）IGCT功率模塊與功率集成電路（Powerintegra