1電力電子器件ppt課件

1、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(dòng) 1.7 電力電子器件的維護(hù) 1.8 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)運(yùn)用小結(jié) 第1章 電子技術(shù)的根底 引見(jiàn)各種常用電力電子器件的任務(wù)原理、根本特性、主要參數(shù)以及選擇和運(yùn)用中應(yīng)留意的一些問(wèn)題 簡(jiǎn)要概述電力電子器件的概念、分類等問(wèn)題本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容： 電力電子器件電力電子器件 電力電子電路的根底電子器件：晶體管和集成電路電子器件：晶體管和集成電路 引言引言電力電子器件電力電子器件第1章電力電子器件的概述電力電子器件的

2、概述1.1.1 電力電子器件的概念與特征1.1.2 電力電子器件的分類 1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子電路的根底電力電子電路的根底 電力電子器件電力電子器件概念概念:電力電子器件電力電子器件power electronic device可直接用于處置電能的可直接用于處置電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件電子器件主電路主電路main power circuit電氣電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承當(dāng)電能的設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承當(dāng)電能的變換或控制義務(wù)的電路變換或控制義務(wù)的電路廣義上分為兩類廣義上分為兩類: 電真空器件電真空器

3、件 (汞弧整流器、閘流汞弧整流器、閘流管等電真空器件管等電真空器件) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 (采用的主要資料依采用的主要資料依然是硅然是硅)1.1.13. 同處置信息的電子器件相比，電力電子器件的普通特征： 能處置電功率的大小，即接受電壓和電流的才干，是最重要的參數(shù)。處置電功率的才干普通遠(yuǎn)大于用于信息處置的電子器件。 電力電子器件普通都任務(wù)在開(kāi)關(guān)形狀。 適用中，電力電子器件往往需求由信息電子電路來(lái)控制。 為保證不致于因損耗分發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其任務(wù)時(shí)普通都要安裝散熱器。 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征1.1.13. 同機(jī)械開(kāi)關(guān)相比

4、,電力電子器件的普通特征： 靜止,無(wú)噪音,運(yùn)用壽命長(zhǎng)。 單導(dǎo)游電。 接受過(guò)電壓和過(guò)電流強(qiáng)。 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征1.1.1電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件可以被控制電路信號(hào)所控制的程度，按照器件可以被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：分為以下三類：半控型器件半控型器件1.1.2絕緣柵雙極晶體管Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET門極可關(guān)斷晶閘管GTO不可控器件不可控器件電力二極管Power Diode只需兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中接受的電壓和電 流決議的。經(jīng)過(guò)控制信號(hào)

5、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)斷由其在主電路中接受的電壓和電流決議全控型器件全控型器件經(jīng)過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需求驅(qū)動(dòng)電路。 按照器件任務(wù)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：按照器件任務(wù)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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：情況分為三類： 1) 電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 1) 單極型器件單極型器件電力電子器件的分類電力電子器件的分類1.1.22) 電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型經(jīng)過(guò)從控制端注入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)

6、導(dǎo)通或者抽出電流實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，簡(jiǎn)稱流控。經(jīng)過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷，簡(jiǎn)稱壓控。 2) 雙極型器件雙極型器件3) 復(fù)合型器件復(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 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(dòng) 1.7 電力電子器件的維護(hù) 1.8 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)運(yùn)用 本章小結(jié) 第1章不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管1.2.1 PN結(jié)與電力二極

7、管的任務(wù)原理 1.2.2 電力二極管的根本特性 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1.2.4 電力二極管的主要類型1.2 Power Diode構(gòu)造和原理簡(jiǎn)單，任務(wù)可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得運(yùn)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(chǎng)所，具有不可替代的位置。不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管1.2PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理 根本構(gòu)造和任務(wù)原理與信息電子電路中的二極管一樣 以半導(dǎo)體PN結(jié)為根底 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AKAKa)IKAPNJb)c)圖1

8、-2 電力二極管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 構(gòu)造 c) 電氣圖形符號(hào)1.2.1N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)的構(gòu)成 分散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量到達(dá)穩(wěn)定值，構(gòu)成了一個(gè)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、阻撓層或勢(shì)壘區(qū)。 空間電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是阻止分散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子對(duì)本區(qū)而言那么為多子向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。 交界處電子和空穴的濃度差別，呵斥了各區(qū)的多子向另一區(qū)的分散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能恣意挪

9、動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能挪動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷。PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理 1.2.1 PN結(jié)的正導(dǎo)游通形狀結(jié)的正導(dǎo)游通形狀 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降依然結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降依然很低，維持在很低，維持在1V左右，所以正向偏置的左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。阻態(tài)。 PN結(jié)的反向截止形狀結(jié)的反向截止形狀 PN結(jié)的單導(dǎo)游電性。結(jié)的單導(dǎo)游電性。 二極管的根本原理就在于二極管的根本原理就在于PN結(jié)的單導(dǎo)游電性這一主結(jié)的單導(dǎo)游電性這一主要特征。要特征。 PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種方式，能夠?qū)е?/p>

10、熱擊穿。有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種方式，能夠?qū)е聼釗舸?PN結(jié)的電容效應(yīng)：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)，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)電容稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。，又稱為微分電容。 結(jié)電容按其產(chǎn)活力制和作用的差別分為勢(shì)壘電容結(jié)電容按其產(chǎn)活力制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和分散電容和分散電容CD 。PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理 1.2.1呵斥電力二極管和信息電子電路中的普通二極呵斥電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些要素：管區(qū)別的一些要素：正導(dǎo)游通時(shí)要流過(guò)很大的電流，其電流密度較正導(dǎo)游通時(shí)要流過(guò)很大的電

11、流，其電流密度較大，因此額外載流子的注入程度較高，電導(dǎo)調(diào)大，因此額外載流子的注入程度較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略。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。引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。接受的電流變化率接受的電流變化率di/dt較大，因此其引線和器較大，因此其引線和器件本身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響。件本身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響。為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也呵斥正向?yàn)榱颂岣叻聪蚰蛪?，其摻雜濃度低也呵斥正向壓降較大。壓降較大。PN結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理結(jié)與電力二極管的任務(wù)原理 1.2.1電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指其伏安特性主要指其

12、伏安特性 IOIFUTOUFU圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 當(dāng)電力二極管接受的正向電壓大到一定值門檻電壓UTO，正向電流才開(kāi)場(chǎng)明顯添加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通形狀。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管接受反向電壓時(shí)，只需少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性1.2.2動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過(guò)程：關(guān)斷過(guò)程：開(kāi)關(guān)特性開(kāi)關(guān)特性須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才干重新獲得反向阻斷才干，進(jìn)入截止形狀。 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。 反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程 因結(jié)電容的存在，三種形狀

13、之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(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。 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：下降時(shí)間與延遲時(shí)間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 圖1-5 電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)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根本特性電力二極管的根本特性1.2.2開(kāi)經(jīng)過(guò)程：開(kāi)經(jīng)過(guò)程：電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一

14、個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值如段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值如 2V。這一。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，到達(dá)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。到達(dá)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。正向電流的上升會(huì)因器件本身的電感而產(chǎn)生較大壓降。正向電流的上升會(huì)因器件本身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，電流上升率越大，UFP越高越高 。2. 動(dòng)態(tài)特性續(xù)動(dòng)態(tài)特性續(xù)電力二極管的根本特性電力二極管的根本特性1.2.2電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1. 正向平

15、均電流正向平均電流IF(AV) 額定電流額定電流在指定的管殼溫度簡(jiǎn)稱殼溫，在指定的管殼溫度簡(jiǎn)稱殼溫，用用TC表示和散熱條件下，其允許流過(guò)的最表示和散熱條件下，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(lái)定義的，正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此運(yùn)用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原那么來(lái)選取因此運(yùn)用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原那么來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)所時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗呵斥的發(fā)當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)所時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗呵斥的發(fā)熱往往不能忽略熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷當(dāng)采用反

16、向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗呵斥的發(fā)熱效應(yīng)也不小態(tài)損耗呵斥的發(fā)熱效應(yīng)也不小 1.2.300.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040102030405060708090100()02202200()1ImIm sin20.240.2411Im(Im sin)221.572FA VTTFFFA VItdti R tIR TIi dttdtTIIIF(AV)電力二級(jí)管電流電力二級(jí)管電流平均值平均值發(fā)熱量發(fā)熱量有效值有效值2. 正向壓降正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降態(tài)正

17、向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降3. 反向反復(fù)峰值電壓反向反復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能反復(fù)施加的反向最頂峰值電指對(duì)電力二極管所能反復(fù)施加的反向最頂峰值電壓壓通常是其雪崩擊穿電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的的2/3運(yùn)用時(shí)，往往按照電路中電力二極管能夠接受的運(yùn)用時(shí)，往往按照電路中電力二極管能夠接受的反向最頂峰值電壓的兩倍來(lái)選定反向最頂峰值電壓的兩倍來(lái)選定 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1.2.34. 最高任務(wù)結(jié)溫最高任務(wù)結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管

18、芯結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用結(jié)的平均溫度，用TJ表示。表示。最高任務(wù)結(jié)溫是指在最高任務(wù)結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能接受的最高平均溫度。能接受的最高平均溫度。TJM通常在通常在125175C范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。5. 反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr= td+ tf ，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到零起到恢，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷才干止的時(shí)間。復(fù)反響阻斷才干止的時(shí)間。6. 浪涌電流浪涌電流IFSM指電力二極管所能接受最大的延續(xù)一個(gè)或幾個(gè)指電力二極管所能接受最大的延續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。工頻周期的過(guò)電流。 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1

19、.2.3電力二極管的主要類型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)特性的不同引見(jiàn)。在運(yùn)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)所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)體物理構(gòu)造和工藝上的差別呵斥的。1. 普通二極管General Purpose Diode又稱整流二極管Rectifier Diode多用于開(kāi)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)，普通在5s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。1.2.42. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管Fast Recovery DiodeFRD電力二極

20、管的主要類型電力二極管的主要類型1.2.4恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短5s以下的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型構(gòu)造有的采用改良的PiN構(gòu)造 采用外延型PiN構(gòu)造的的快恢復(fù)外延二極管Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED，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，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(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者那么在100ns以下，甚至到達(dá)2030ns。 3. 肖特基二極管肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸構(gòu)成的勢(shì)壘為根底的二極管稱以金屬和半導(dǎo)體接觸

21、構(gòu)成的勢(shì)壘為根底的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管為肖特基勢(shì)壘二極管Schottky Barrier DiodeSBD，簡(jiǎn)稱為肖特基二極管，簡(jiǎn)稱為肖特基二極管肖特基二極管的弱點(diǎn)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，因此多用于求，因此多用于200V以下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，而且必需更嚴(yán)厲地限制其任務(wù)溫度不能忽略，而且必需更嚴(yán)厲地限制其任務(wù)溫度肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短反向恢復(fù)時(shí)間很短1040ns正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓

22、過(guò)沖正向恢復(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)二極管低于快恢復(fù)二極管其開(kāi)關(guān)損耗和正導(dǎo)游通損耗都比快速二極管還要小，其開(kāi)關(guān)損耗和正導(dǎo)游通損耗都比快速二極管還要小，效率高效率高 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型1.2.4半控器件半控器件晶閘管晶閘管 1.3.1 晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理 1.3.2 晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件1.3 晶閘管晶閘管Thyristor：晶體閘流管，可控硅整

23、流器：晶體閘流管，可控硅整流器Silicon Controlled RectifierSCR 1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室Bell Lab發(fā)明了晶閘管發(fā)明了晶閘管 1957年美國(guó)通用電氣公司年美國(guó)通用電氣公司GE開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品產(chǎn)品 1958年商業(yè)化年商業(yè)化 開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速開(kāi)展和廣泛運(yùn)用的嶄新時(shí)代開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速開(kāi)展和廣泛運(yùn)用的嶄新時(shí)代 20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)場(chǎng)被性能更好的全控型器件取年代以來(lái)，開(kāi)場(chǎng)被性能更好的全控型器件取代代 能接受的電壓和電流容量最高，任務(wù)可靠，在大容量的能接受的電壓和電流容量最高，任務(wù)可靠，在大容量的場(chǎng)所具有重要位置

24、場(chǎng)所具有重要位置 晶閘管往往專指晶閘管的一種根本類型晶閘管往往專指晶閘管的一種根本類型普通晶閘管，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廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 半控器件半控器件晶閘管晶閘管1.3晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝 引出陽(yáng)極A、陰極K和門極控制端G三個(gè)聯(lián)接端 對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器嚴(yán)密聯(lián)接且安裝方便 平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3圖1-6 晶閘管的外形、構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)a) 外形 b) 構(gòu)造 c) 電氣圖

25、形符號(hào)1.3.1 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1-11-4可得 1-5RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其任務(wù)原理a) 雙晶體管模型 b) 任務(wù)原理)(121CBO2CBO1G2AIIII晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理1.3.1 晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下晶體

26、管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。迅速增大。 阻斷形狀：阻斷形狀：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 開(kāi)通門極觸發(fā)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極開(kāi)通門極觸發(fā)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致電流增大以致1+2趨近于趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電的話，流過(guò)晶閘管的電流流IA陽(yáng)極電流將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。陽(yáng)極電流將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)踐由外電路決議。實(shí)踐由外電路決議。晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與

27、任務(wù)原理1.3.1 其他幾種能夠?qū)ǖ那闆r：其他幾種能夠?qū)ǖ那闆r： 陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值呵斥雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值呵斥雪崩效應(yīng) 陽(yáng)極電壓上升率陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高過(guò)高 結(jié)溫較高結(jié)溫較高 光直接照射硅片，即光觸發(fā)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光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而運(yùn)用于高壓電力設(shè)備中，其它都因不易控制而難以運(yùn)運(yùn)用于高壓電力設(shè)備中，其它都因不易控制而難以運(yùn)用于實(shí)際，稱為光控晶閘管用于實(shí)際，稱為光控晶閘管Light Triggered ThyristorLTT。 只需門極觸發(fā)包括光觸發(fā)是最準(zhǔn)確、迅速而可靠只

28、需門極觸發(fā)包括光觸發(fā)是最準(zhǔn)確、迅速而可靠的控制手段的控制手段晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理晶閘管的構(gòu)造與任務(wù)原理1.3.1晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性 1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 總結(jié)前面引見(jiàn)的任務(wù)原理，可以簡(jiǎn)單歸納晶總結(jié)前面引見(jiàn)的任務(wù)原理，可以簡(jiǎn)單歸納晶閘管正常任務(wù)時(shí)的特性如下：閘管正常任務(wù)時(shí)的特性如下：接受反向電壓時(shí)，不論門極能否有觸發(fā)電流，晶接受反向電壓時(shí)，不論門極能否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。閘管都不會(huì)導(dǎo)通。接受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下接受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才干開(kāi)通。晶閘管才干開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制造用。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制造

29、用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下于零的某一數(shù)值以下 。1.3.2晶閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性1.3.21) 正向特性正向特性 IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷形狀，只需很小的正正向阻斷形狀，只需很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超越向漏電流流過(guò)，正向電壓超越臨界極限即正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓臨

30、界極限即正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓Ubo，那么漏電流急劇增大，器件開(kāi)那么漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。通。隨著門極電流幅值的增大，正向隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)機(jī)電壓降低。轉(zhuǎn)機(jī)電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在晶閘管本身的壓降很小，在1V左左右。右。導(dǎo)通期間，假設(shè)門極電流為零，導(dǎo)通期間，假設(shè)門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值某一數(shù)值IH以下，那么晶閘管以下，那么晶閘管又回到正向阻斷形狀。又回到正向阻斷形狀。IH稱為稱為維持電流。維持電流。晶閘管的伏安特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-

31、IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性1.3.22) 反向特性反向特性晶閘管上施加反向電壓時(shí)，晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反伏安特性類似二極管的反向特性。向特性。 晶閘管處于反向阻斷形狀時(shí)，晶閘管處于反向阻斷形狀時(shí)，只需極小的反相漏電流流只需極小的反相漏電流流過(guò)。過(guò)。當(dāng)反向電壓超越一定限制，當(dāng)反向電壓超越一定限制，到反向擊穿電壓后，外電到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，那么反路如無(wú)限制措施，那么反向漏電流急劇添加，導(dǎo)致向漏電流急劇添加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管發(fā)熱損壞。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIA

32、IHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性1.3.22. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA圖1-9 晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性1.3.21) 開(kāi)經(jīng)過(guò)程開(kāi)經(jīng)過(guò)程延遲時(shí)間延遲時(shí)間td：門極電流階躍：門極電流階躍時(shí)辰開(kāi)場(chǎng)，到陽(yáng)極電流上時(shí)辰開(kāi)場(chǎng)，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。的時(shí)間。上升時(shí)間上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。所需的時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt以上兩者之和，以上

33、兩者之和，tgt=td+ tr 1-6普 通 晶 閘 管 延 遲 時(shí) 為普 通 晶 閘 管 延 遲 時(shí) 為0.51.5s，上升時(shí)間為，上升時(shí)間為0.53s。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性1.3.22) 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷才干還需求一段時(shí)間才干還需求一段時(shí)間在正向

34、阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)假設(shè)重在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)假設(shè)重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正導(dǎo)游通。晶閘管會(huì)重新正導(dǎo)游通。實(shí)踐運(yùn)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加實(shí)踐運(yùn)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷才干，電路才干可壓的阻斷才干，電路才干可靠任務(wù)?？咳蝿?wù)。 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq：trr與與tgr之和，之和，即即 tq=trr+tgr 1-7) 普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。百微秒。100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波

35、形晶閘管的根本特性晶閘管的根本特性1.3.21)外形上判別極性外形上判別極性 螺栓型螺栓為陽(yáng)極，粗辮子為陰極，細(xì)辮子為門極螺栓型螺栓為陽(yáng)極，粗辮子為陰極，細(xì)辮子為門極 平板型接近門極的為陰極平板型接近門極的為陰極2)萬(wàn)用表丈量極性和好壞萬(wàn)用表丈量極性和好壞 AK正反向電阻正反向電阻RAK/RKA：數(shù)百：數(shù)百K AG正反向電阻正反向電阻RAG/RGA：數(shù)百：數(shù)百K GK正反向電阻正反向電阻RGK/RKG：數(shù)十：數(shù)十?dāng)?shù)百數(shù)百 但但RGK1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng) 1+ 21時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。 由P1N1P

36、2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。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 GTO可以經(jīng)過(guò)門極關(guān)斷的緣由是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 1設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO關(guān)斷。 2導(dǎo)通時(shí)1+2更接近11.05，普通晶閘管1+21.15導(dǎo)通時(shí)飽和不深，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。 3多元集成構(gòu)造使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 。RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖1-7 晶閘管的任務(wù)

37、原理 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論： GTO導(dǎo)經(jīng)過(guò)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(guò)程：劇烈正反響門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，那么Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使 IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+21時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。 多元集成構(gòu)造還使GTO比普通晶閘管開(kāi)經(jīng)過(guò)程快，接受di/dt才干強(qiáng) 。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.4.12. GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)經(jīng)過(guò)程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr。Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t

38、6 圖1-14 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同不同 抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子流子儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效，使等效晶體管退出飽和。晶體管退出飽和。 等效晶體管從飽和區(qū)退至放大等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小下下降時(shí)間降時(shí)間tf 。 殘存載流子復(fù)合殘存載流子復(fù)合尾部時(shí)間尾部時(shí)間tt 。 通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要要長(zhǎng)。長(zhǎng)。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速沿

39、越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，度越快，ts越短。越短。 門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在在tt階段仍堅(jiān)持適當(dāng)負(fù)電壓，階段仍堅(jiān)持適當(dāng)負(fù)電壓，那么可縮短尾部時(shí)間那么可縮短尾部時(shí)間 。Ot0t圖1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.4.13. GTO3. GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間普通約12s，上升時(shí)間那么隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。 普通指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。G

40、TO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間普通小于2s。 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff 開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton 不少GTO都制呵斥逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需接受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。 許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義一樣，以下只引見(jiàn)意義不同的參數(shù)。最 大 可 關(guān) 斷 陽(yáng) 極 電 流最 大 可 關(guān) 斷 陽(yáng) 極 電 流IATO門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益offGMATOoffIIb1-8 boff普通很小，只需5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺陷。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(yáng)極電流與門極負(fù)脈

41、沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。術(shù)語(yǔ)用法：術(shù)語(yǔ)用法：電力晶體管電力晶體管Giant TransistorGTR，直，直譯為巨型晶體管譯為巨型晶體管耐 高 電 壓 、 大 電 流 的 雙 極 結(jié) 型 晶 體 管耐 高 電 壓 、 大 電 流 的 雙 極 結(jié) 型 晶 體 管Bipolar Junction TransistorBJT，英文有時(shí)候也稱為英文有時(shí)候也稱為Power BJT。在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與與BJT這兩個(gè)這兩個(gè)稱號(hào)等效。稱號(hào)等效。 運(yùn)用運(yùn)用20世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶 閘 管 ， 但 目

42、 前 又 大 多 被晶 閘 管 ， 但 目 前 又 大 多 被 I G B T 和 電 力和 電 力MOSFET取代。取代。電力晶體管電力晶體管1.4.21. GTR的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理圖1-15a)基極bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極b 發(fā)射極c集電極cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+bib圖1-15 GTR的構(gòu)造、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)電力晶體管電力晶體管1.4.2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(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體

43、管按達(dá)林頓接法組成的單元構(gòu)造。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。 在運(yùn)用中，GTR普通采用共發(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(duì)集電極電流的控制才干 當(dāng)思索到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo 1-10 產(chǎn)品闡明書中通常給直流電流增益hFE在直流任務(wù)情況下集電極電流與基極電流之比。普通可以為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。bciib電力晶體管電力晶體管1.4.22. GTR的根本特性的根本特性 (1) 靜態(tài)特性靜

44、態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。區(qū)。在 電 力 電 子 電 路 中在 電 力 電 子 電 路 中GTR任務(wù)在開(kāi)關(guān)形任務(wù)在開(kāi)關(guān)形狀，即任務(wù)在截止?fàn)?，即任?wù)在截止區(qū)或飽和區(qū)區(qū)或飽和區(qū)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)放大區(qū)截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo實(shí)踐運(yùn)用時(shí)，為確保平安，最高任務(wù)電壓要比實(shí)踐運(yùn)用時(shí)，為確保平安，最高任務(wù)電壓要比BUceo低得多。低得多。電力晶體管電力

45、晶體管1.4.2 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的下降到規(guī)定值的1/21/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)踐運(yùn)用時(shí)要留有裕量，只能用到實(shí)踐運(yùn)用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。的一半或稍多一點(diǎn)。 3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM最高任務(wù)溫度下允許的耗散功率最高任務(wù)溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品闡明書中給產(chǎn)品闡明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最，間接表示了最高任務(wù)溫度高任務(wù)溫度 。電力晶體管電力晶體管1.4.24. GTR的二次擊穿景象與平安任務(wù)區(qū)的二次擊穿景象與平安任務(wù)區(qū)一次擊穿一次擊穿集電極電

46、壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿?，F(xiàn)雪崩擊穿。只需只需Ic不超越限制，不超越限制，GTR普通不會(huì)損壞，任務(wù)特普通不會(huì)損壞，任務(wù)特性也不變。性也不變。 二次擊穿二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)忽然急增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)忽然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。經(jīng)常立刻導(dǎo)致器件的永久損壞，或者任務(wù)特性明經(jīng)常立刻導(dǎo)致器件的永久損壞，或者任務(wù)特性明顯衰變顯衰變 。電力晶體管電力晶體管1.4.2平安任務(wù)區(qū)平安任務(wù)區(qū)Safe Operating AreaSOA最高電壓最高電壓UceM、集電極最大電流、

47、集電極最大電流IcM、最大耗、最大耗散功率散功率PcM、二次擊穿臨界限限定。、二次擊穿臨界限限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的平安任務(wù)區(qū)電力晶體管電力晶體管1.4.2 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(jiǎn)稱電力MOSFETPower MOSFET 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管普通稱作靜電感應(yīng)晶體管Static Induction TransistorSIT電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路

48、簡(jiǎn)單，需求的驅(qū)動(dòng)功率小。 開(kāi)關(guān)速度快，任務(wù)頻率高。 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，普通只適用于功率不超越10kW的電力電子安裝 。1.4.31. 電力電力MOSFET的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理 電力電力MOSFET的種類的種類 按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和溝道和N溝道溝道 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道在導(dǎo)電溝道 加強(qiáng)型加強(qiáng)型對(duì)于對(duì)于NP溝道器件，柵極電壓溝道器件，柵極電壓大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道大于小于零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道 電力電力MOSFET主要是主要是N溝道加強(qiáng)型溝道加強(qiáng)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1

49、.4.3 電力電力MOSFET的構(gòu)造的構(gòu)造電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3導(dǎo)通時(shí)只需一種極性的載流子多子參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管一樣，但構(gòu)造上有較大區(qū)別。電力MOSFET的多元集成構(gòu)造，不同的消費(fèi)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。 國(guó)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“品字形陳列 N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的構(gòu)造和電氣圖形

50、符號(hào)小功率MOS管是橫導(dǎo)游電器件電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電構(gòu)造，又稱為VMOSFETVertical MOSFET大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流才干。按垂直導(dǎo)電構(gòu)造的差別，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙分散MOS構(gòu)造的VDMOSFETVertical Double-diffused MOSFET。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)展討論電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3 電力電力MOSFET的任務(wù)原理的任務(wù)原理 截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。 P基區(qū)與基區(qū)與N漂移區(qū)之間構(gòu)成的漂移區(qū)之間構(gòu)成

51、的PN結(jié)結(jié)J1反偏，漏源極之間反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。無(wú)電流流過(guò)。 導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的電子吸引到柵極下面的P區(qū)外表。區(qū)外表。 當(dāng)當(dāng)UGS大于大于UT開(kāi)啟電壓或閾值電壓時(shí)，柵極下開(kāi)啟電壓或閾值電壓時(shí)，柵極下P區(qū)區(qū)外表的電子濃度將超越空穴濃度，使外表的電子濃度將超越空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層構(gòu)成型而成為反型層，

52、該反型層構(gòu)成N溝道而使溝道而使PN結(jié)結(jié)J1消逝，消逝，漏極和源極導(dǎo)電漏極和源極導(dǎo)電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的構(gòu)造和電氣圖形符號(hào)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.31) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流漏極電流ID和柵源間和柵源間電壓電壓UGS的關(guān)系稱的關(guān)系稱為為MOSFET的轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移特性。特性。ID較大時(shí)，較大時(shí)，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。01020305040圖1-202468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非

53、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2. 電力電力MOSFET的根本特性的根本特性電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3 MOSFET的漏極伏安特性：的漏極伏安特性： 截止區(qū)對(duì)應(yīng)于截止區(qū)對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)的截止區(qū) 飽和區(qū)對(duì)應(yīng)于飽和區(qū)對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)的放大區(qū) 非飽和區(qū)對(duì)應(yīng)于非飽和區(qū)對(duì)應(yīng)于GTR的飽和的飽和區(qū)區(qū) 電力電力MOSFET任務(wù)在開(kāi)關(guān)形狀，任務(wù)在開(kāi)關(guān)形狀，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回

54、轉(zhuǎn)換?；剞D(zhuǎn)換。 電力電力MOSFET漏源極之間有寄漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。壓時(shí)器件導(dǎo)通。 電力電力MOSFET的通態(tài)電阻具有的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。均流有利。01020305040圖1-202468a)10203050400b)10 20 305040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 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(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

55、1.4.32) 動(dòng)態(tài)特性開(kāi)經(jīng)過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td(on) up前沿時(shí)辰到uGS=UT并開(kāi)場(chǎng)出現(xiàn)iD的時(shí)辰間的時(shí)間段。上升時(shí)間tr uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段。iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決議。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS到達(dá)UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至到達(dá)穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。開(kāi)通時(shí)間ton開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。a）b)圖1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a) 測(cè)試電路 b) 開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up脈

56、沖信號(hào)源，Rs信號(hào)源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測(cè)漏極電流電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3 關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程 關(guān)斷延遲時(shí)間關(guān)斷延遲時(shí)間td(off) up下降下降到零起，到零起，Cin經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)Rs和和RG放電，放電，uGS按指數(shù)曲線下降到按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，時(shí)，iD開(kāi)場(chǎng)減小止的時(shí)間段。開(kāi)場(chǎng)減小止的時(shí)間段。 下降時(shí)間下降時(shí)間tf uGS從從UGSP繼續(xù)繼續(xù)下降起，下降起，iD減小，到減小，到uGS20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿 。 除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)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 極間電容CGS、CGD和CDS 廠家提

57、供：漏源極短路時(shí)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 1-14Crss= CGD 1-15Coss= CDS+ CGD 1-16 輸入電容可近似用Ciss替代。 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議了電力MOSFET的平安任務(wù)區(qū)。 普通來(lái)說(shuō)，電力MOSFET不存在二次擊穿問(wèn)題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)踐運(yùn)用中仍應(yīng)留意留適當(dāng)?shù)脑Ａ俊ｋ娏?chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.3絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流才干很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū) 動(dòng)功率大，驅(qū)

58、動(dòng)電路復(fù)雜。 MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。 兩類器件取長(zhǎng)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Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性。 1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),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的位置。1.4.41. IGBT的構(gòu)造和任務(wù)原理的構(gòu)造和任務(wù)原理三端器件：柵極三端器件：柵極G、集電極、集電極C和發(fā)射極和發(fā)射極EE

59、GCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的構(gòu)造、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部構(gòu)造斷面表示圖 b) 簡(jiǎn)化等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.4.4 IGBT的構(gòu)造的構(gòu)造 圖圖1-22aN溝道溝道VDMOSFET與與GTR組合組合N溝道溝道IGBTN-IGBT IGBT比比VDMOSFET多一層多一層P+注入?yún)^(qū)，構(gòu)成了一個(gè)大注入?yún)^(qū)，構(gòu)成了一個(gè)大面積的面積的P+N結(jié)結(jié)J1。使使IGBT導(dǎo)通時(shí)由導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而

60、對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)展調(diào)制，使得基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)展調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流才干。具有很強(qiáng)的通流才干。 簡(jiǎn)化等效電路闡明，簡(jiǎn)化等效電路闡明，IGBT是是GTR與與MOSFET組成的達(dá)組成的達(dá)林頓構(gòu)造，一個(gè)由林頓構(gòu)造，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。晶體管。 RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā) 射 極 柵 極集 電 極注 入 區(qū)緩 沖 區(qū)漂 移 區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的構(gòu)造、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部構(gòu)造斷面