ch電力電子器件PPT課件

1、南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院第1頁/共101頁1.2電力電子器件電力電子器件1.1 電力電子器件概述1.2 不可控器件電力二極管1.3 半控型器件晶閘管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型電力電子器件 1.6 電力電子器件的驅(qū)動 1.7 電力電子器件的保護 1.8 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用 本章小結(jié) 第1章第2頁/共101頁 電子技術(shù)的基礎(chǔ) 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 簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等問題本章主要內(nèi)容： 電力電子器件 電力電子電路的基礎(chǔ)電子器件：晶體管和集成電路 引言引言電力電子器件第1章第3頁/共101頁電

2、力電子器件的概述 電力電子器件的概念和特征 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子器件的分類 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點 第4頁/共101頁電力電子器件的概念和特征 電力電子電路的基礎(chǔ) 電力電子器件1.概念:電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件主電路（main power circuit）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.廣義上分為兩類: 電真空器件 (汞弧整流器、閘流管等電真空器件) 半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料仍然是硅)第5頁/共101頁3. 同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特

3、征：能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。 電力電子器件的概念和特征第6頁/共101頁主要損耗通態(tài)損耗：斷態(tài)損耗：開關(guān)損耗：開通損耗：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗關(guān)斷損耗：在器件關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(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，開關(guān)損耗會隨之增大而

4、可能成為器件功率損耗的主要因素 電力電子器件的概念和特征導(dǎo)通時器件上有一定的通態(tài)壓降阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過第7頁/共101頁應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子系統(tǒng)：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控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2圖1-1 電力電子器件在實際應(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系統(tǒng)正?？煽窟\行電氣隔離保護電路第8頁/共101頁控制電路按系統(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通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。 有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅(qū)動電路等主

5、電路之外的電路都歸為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。 主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行電氣隔離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成第9頁/共101頁由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\行

6、，也往往是非常必要的。 器件一般有三個端子（或稱極或管角），其中兩個聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅(qū)動電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成第10頁/共101頁電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下三類：1)半控型器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）3)不可控器件電力二極管（Power Diode）只

7、有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。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。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定2)全控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。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。第11頁/共101頁 按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，分為兩類： 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類： 1) 電流驅(qū)動型 1) 單極型器件電力電子器件的分類2) 電壓驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制僅通過在控制

8、端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 2) 雙極型器件3) 復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 第12頁/共101頁本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點 本章內(nèi)容: 介紹各種器件的工作原理、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。 然后集中講述電力電子器件的驅(qū)動、保護和串、并聯(lián)使用這三個問題。 學(xué)習(xí)要點: 最重要的是掌握其基本特性 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，這是在實際中正確應(yīng)用電力電子器件的兩個基本要求 由于電力電子電路的工作特點和具體情況的不同，可能會對與電力電

9、子器件用于同一主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求第13頁/共101頁不可控器件電力二極管 PN結(jié)與電力二極管的工作原理 電力二極管的基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型第14頁/共101頁 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用。 快恢復(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。不可控器件電力二極管第15頁/共101頁PN結(jié)與電力二極管的工作原理 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

10、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1-2 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) 電氣圖形符號第16頁/共101頁N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。圖1-3 PN結(jié)的形成 擴散運動和漂移運動最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(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)，按所強調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。 空間電荷建立的電場被稱為內(nèi)電場或自建電場，其方向是阻止擴散運動的，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)運動，即漂移運動。 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)的擴散運

11、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、負電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷。PN結(jié)與電力二極管的工作原理 第17頁/共101頁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)的反向截止狀態(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?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)生機制和作用的差別分為勢壘電容C

12、B和擴散電容CD 。PN結(jié)與電力二極管的工作原理 第18頁/共101頁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。PN結(jié)與電力二極管的工作原理 擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴散電容為結(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?，甚至不能工作，?yīng)用時應(yīng)加以注意。第19頁/共101頁造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： 正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注

13、入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。 引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。 承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大影響。 為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。PN結(jié)與電力二極管的工作原理 第20頁/共101頁電力二極管的基本特性1. 靜態(tài)特性主要指其伏安特性 圖1-4 電力二極管的伏安特性 當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。第21頁/共101頁2. 動態(tài)

14、特性電力二極管的基本特性動態(tài)特性關(guān)斷過程：開關(guān)特性須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(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。 反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程 因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的。第22頁/共101頁開通過程： 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

15、大，UFP越高 。2. 動態(tài)特性（續(xù)）電力二極管的基本特性第23頁/共101頁 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1-5 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的基本特性第24頁/共101頁電力二極管的主要參數(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正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因

16、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)留有一定的裕量。當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/共101頁2. 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)的正向壓降有時參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降3. 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通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定 電力二極管的主要參數(shù)第26頁/共101頁4. 最高工作

17、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125175C范圍之內(nèi)。5. 反向恢復(fù)時間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時間。6. 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。 電力二極管的主要參數(shù)第27頁/共101頁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。在應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。1. 普通二極管（G

18、eneral Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）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5 s以上，這在開關(guān)頻率不高時并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。第28頁/共101頁2. 快恢復(fù)二極管（Fast Recovery DiodeFRD）電力二極管的主要類型恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5 s以下）的二極管，也簡稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進的PiN結(jié)構(gòu) 采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（Fast Recovery Epitax

19、ial DiodesFRED），其反向恢復(fù)時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（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，甚至達到2030ns。 第29頁/共101頁3. 肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡稱為肖特基二極管20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點 當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 反向漏電流較大且對

20、溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度肖特基二極管的優(yōu)點 反向恢復(fù)時間很短（1040ns） 正向恢復(fù)過程中也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 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 電力二極管的主要類型第30頁/共101頁半控器件晶閘管 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 晶閘管的基本特性 晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管的派生器件第31頁/共101頁晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶

21、閘管 1957年美國通用電氣公司（GE）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)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代 20世紀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，在大容量的場合具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 半控器件晶閘管第32頁/共101頁晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端對于螺栓型封裝，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封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)

22、構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號第33頁/共101頁1.34 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(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)第34頁/共101頁 Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1） Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2） IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4）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。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5）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) 工作原理晶閘管的

23、結(jié)構(gòu)與工作原理第35頁/共101頁晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(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，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理第36頁/共101頁其他幾種可能導(dǎo)通的情況： 陽極電壓升高至相當高的數(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 光直接照射硅片，即光觸發(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

24、，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實踐，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理第37頁/共101頁晶閘管的基本特性 1. 靜態(tài)特性 總結(jié)前面介紹的工作原理，可以簡單歸納晶閘管正常工作時的特性如下：1)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。2)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。3)晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。4)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 。第38頁/共101頁晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性

25、第III象限的是反向特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG晶閘管的基本特性第39頁/共101頁1) 正向特性 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。晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性第40頁/共101頁2) 反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似

26、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。晶閘管的伏安特性晶閘管的基本特性第41頁/共101頁2. 動態(tài)特性圖1-9 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的基本特性第42頁/共101頁1) 開通過程延遲時間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 （1-6）普通晶閘管延遲時為 s，上升時間為0.53 s。晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶

27、閘管的基本特性第43頁/共101頁2) 關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間tr r：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正向阻斷恢復(fù)時間tg r：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)ā?實際應(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+tgr （1-7)） 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的基本特性第44頁/共101頁1. 電壓定額晶閘管的主要參數(shù) 在門極斷路而結(jié)溫為額

28、定值時，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。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23倍。 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。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。1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM3) 通態(tài)（峰值）電壓UTM第45頁/共101頁2. 電流定額晶閘管的主要參數(shù) 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)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。使晶閘

29、管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)。結(jié)溫越高，則IH越小。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24倍。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 。 4) 浪涌電流ITSM 3) 擎住電流 IL 2) 維持電流 IH 使用時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管。應(yīng)留一定的裕量，一般取1.52倍。 1) 通態(tài)平均電流 IT(AV) 第46頁/共101頁3. 動態(tài)參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 指在額定結(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

30、率。指在規(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，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞 。 (2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當于一個電容的J2結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有： 第47頁/共101頁晶閘管的派生器件1. 1. 快速晶閘管（Fast Switchin

31、g ThyristorFST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進行了改進，開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管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)。第48頁/共101頁2.2.雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）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) 伏安特性晶閘管的派生器

32、件可認為是一對反并聯(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。第49頁/共101頁3 . 逆 導(dǎo) 晶 閘 管 （ R e v e r s e C o n d u c t i n g ThyristorRCT）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) 伏安特性晶閘管的派生器件將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制

33、作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流。第50頁/共101頁4 . 光 控 晶 閘 管 （ L i g h t T r i g g e r e d ThyristorLTT）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) 伏安特性晶閘管的派生器件又稱光觸發(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。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。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。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之

34、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。第51頁/共101頁典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 電力場效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極晶體管第52頁/共101頁門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個嶄新時代。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。典型全控型器件第53頁/共101頁門極可關(guān)斷晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-

35、Off Thyristor GTO） 晶閘管的一種派生器件 可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(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)用第54頁/共101頁1. GTO1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)： 與普通晶閘管的相同點： 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：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1-13 GTO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

36、氣圖形符號門極可關(guān)斷晶閘管第55頁/共101頁門極可關(guān)斷晶閘管工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 1圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當 1+ 21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當 1+ 21時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。 由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 和 。12第56頁/共101頁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：門極可關(guān)斷晶閘管 （1）設(shè)計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關(guān)斷。 （2）導(dǎo)通時1+2更接近1（，普通晶閘管1+2）

37、導(dǎo)通時飽和不深，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。 （3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流 。圖1-7 晶閘管的工作原理第57頁/共101頁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)通時飽和程度較淺。 GTO關(guān)斷過程：強烈正反饋門極加負脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使 IA和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流。當IA和IK的減小使1+2 BUcex BUces BUcer Buceo實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo

38、低得多。電力晶體管第69頁/共101頁 2) 集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應(yīng)的Ic實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。 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時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。電力晶體管第70頁/共101頁4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)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

39、件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。電力晶體管第71頁/共101頁安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 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。圖1-18 GTR的安全工作區(qū)電力晶體管第72頁/共101頁也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT

40、）電力場效應(yīng)晶體管 特點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 。第73頁/共101頁1. 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 耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道 電力MOSFET主要是N溝道增強型電力場效應(yīng)晶體管第74頁/共101頁電力MOSFET的結(jié)構(gòu)電力場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通時只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。

41、導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。 國際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元 西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元 摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號第75頁/共101頁小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）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

42、差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論電力場效應(yīng)晶體管第76頁/共101頁電力MOSFET的工作原理 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 柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面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UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子

43、濃度將超過空穴濃度，使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 。圖1-19 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力場效應(yīng)晶體管第77頁/共101頁1) 靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UG S的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。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2. 電力MOSFET的基本特性電力場效應(yīng)晶體管第78頁/共101頁MOSFET的漏極伏安特性： 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)

44、于GTR的飽和區(qū)） 電力MOSFET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。 電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。 電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性電力場效應(yīng)晶體管第79頁/共101頁2) 動態(tài)特性開通過程 開通延遲時間td ( o n ) up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段。 上升時間tr uG S從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段。 iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。 UG S P的大

45、小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān) UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。 開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和。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負載電阻，RF檢測漏極電流電力場效應(yīng)晶體管第80頁/共101頁關(guān)斷過程 關(guān)斷延遲時間td(off) up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段。 下降時間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uG S20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、

46、td(off)和tf之外還有： 第83頁/共101頁4) 極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss= CGS+ CGD （1-14）Crss= CGD （1-15）Coss= CDS+ CGD （1-16） 輸入電容可近似用Ciss代替。 這些電容都是非線性的。 漏源間的耐壓、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)。 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點。 實際使用中仍應(yīng)注意留適當?shù)脑Ａ?。電力場效?yīng)晶體管第84頁/共101頁絕緣柵雙極晶體管GTR和

47、GTO的特點雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，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。兩類器件取長補短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點，具有好的特性。 1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場,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。第85頁/共101頁1. IG

48、BT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1-22 IGBT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) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管第86頁/共101頁IGBT的結(jié)構(gòu) 圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT） IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結(jié)J1。使IGBT導(dǎo)通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)制，使得IGBT具有很強的通流能力。 簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。

49、RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。圖1-22 IGBT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) 電氣圖形符號絕緣柵雙極晶體管第87頁/共101頁IGBT的原理 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，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，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。絕緣柵雙極晶體管第88頁/共101頁2. IGBT的基本特性 1)

50、 IGBT的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性絕緣柵雙極晶體管第89頁/共101頁轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。 開啟電壓UGE(th)IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。 UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值一般為26V。輸出特性（伏安特性）以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關(guān)系。 分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。 uCE0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性

51、絕緣柵雙極晶體管第90頁/共101頁 2) IGBT的動態(tài)特性圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM絕緣柵雙極晶體管第91頁/共101頁 IGBT的開通過程 與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大 部 分 時 間 作 為MOSFET運行。 開通延遲時間td(on) 從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10% ICM 。 電 流 上 升 時 間 tr iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。 開通時間to n開通延遲時間與電流上升時間之和。 uCE的下降過程分為tfv1和tf v 2兩 段 。 tf v 1 I G B T 中MOSFET單獨工作的電壓下降過 程 ；tf v 2 M O S F E T 和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。圖1-24 IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv