電力電子技術(shù)第二章 電力電子器件概述

第二章電力電子器件概述

2.6電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）

2.2功率二極管2.3晶閘管

2.4可控開關(guān)的理想特征

2.5雙極結(jié)型晶體管和達(dá)林頓管

2.1簡介2.7門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

2.8絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

2.9MOS控制晶閘管（MCT）

2.10可控開關(guān)的比較2.11驅(qū)動和吸收電路

2.12半導(dǎo)體功率器件的選擇

首頁2.1簡介第二章電力電子器件概述

功率半導(dǎo)體器件的分類功率二極管:導(dǎo)通和關(guān)斷均由電路潮流決定。晶閘管:當(dāng)器件在承受正向電壓時，由控制信號控制器件的導(dǎo)通，而關(guān)斷狀態(tài)由電路潮流決定?？煽亻_關(guān)

:由控制信號控制器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。不可控型半可控型全控型下頁返回下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

全控型電力電子器件電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）雙極結(jié)型晶體管（BJT）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）絕緣柵門極換流晶閘管（IGCT）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）下頁上頁返回2.2功率二極管第二章電力電子器件概述

2.2.1功率二極管的基本特性AK+UD

-iD當(dāng)功率二極管承受正向電壓時，它的正向?qū)▔航岛苄。蠹s在1V左右。當(dāng)功率二極管承受反向電壓時，只有極小的漏電流可通過該器件。反向截止區(qū)iDUD(I)URMUF下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

iDUD0反向偏置電壓超過某一規(guī)定值時，反向漏電流迅速增加。正常工作狀態(tài)下，反向電壓不允許達(dá)到或超過規(guī)定的截止電壓。由于關(guān)斷狀態(tài)下的漏電流和通態(tài)壓降都很小，因而，功率二極管的伏安特性可被理想化。AK+UD

-iD反向截止區(qū)iDUD(I)URMUF下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

trrIRMtiDQrr0功率二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，因其導(dǎo)通速度很快，故可當(dāng)作理想開關(guān)。反向恢復(fù)電流可消除功率二極管的過剩載流子，并在其后能阻斷反極性電壓。它還會使感應(yīng)電路產(chǎn)生一個反向過沖電壓。功率二極管處于關(guān)斷狀態(tài)時，它將在下降到零之前，有一個電流反向恢復(fù)時間trr，在此時間內(nèi)的電流是反方向流動的。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.2.2功率二極管的主要參數(shù)功率二極管長期運行時，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。正向平均電流設(shè)正弦半波電流的峰值為Im，則額定電流為:正向平均電流IF(AV)

1下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

額定電流有效值為：某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流的波形系數(shù):根據(jù)上式求出正弦半波的波形系數(shù)為:如額定電流IF(AV)=100A的電流功率二極管，其額定電流有效值IF=Kf

IF(AV)=157A。注：這里是正弦半波下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

有時候，其參數(shù)表中也給出在指定的溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時功率二極管的最大瞬時正向壓降。正向壓降越低，通態(tài)損耗越小。功率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。正向壓降正向壓降UF

2下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

反向重復(fù)峰值電壓URRM3功率二極管所能重復(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。反向重復(fù)峰值電壓具體使用時，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定此項參數(shù)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

反向電流IRR

4功率二極管對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時的反向電流。反向電流管芯PN結(jié)的平均溫度，而且是在PN結(jié)不至損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM5TJM通常在125~175℃范圍之內(nèi)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

在功率二極管從導(dǎo)通到阻斷的過程中，二極管會流過一定的負(fù)電流。從功率二極管電流下降到零開始，直至在此回到零所需時間。反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間

trr6下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

功率二極管所能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。浪涌電流浪涌電流IFSM

7該項參數(shù)反應(yīng)了二極管抵抗短路沖擊電流的能力。顯然，設(shè)計器件的保護(hù)電路時，保護(hù)電路的動作電流應(yīng)小于該參數(shù)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.2.3幾種常用的功率二極管肖特基二極管用于正向壓降較低(一般是0.3V)的低壓輸出電路?？旎謴?fù)二極管用于帶有可控開關(guān)且反向恢復(fù)時間較短的高頻電路中。工頻二極管

用于工頻交流電路之中，其通態(tài)電壓被限定得盡可能低，將產(chǎn)生一個較大的可適用于工頻交流電路的反向恢復(fù)時間trr。下頁上頁返回2.3晶閘管第二章電力電子器件概述

2.3.1晶閘管的基本特性AK+UAK

-iGiAG反向擊穿區(qū)反向截止區(qū)反向截止電壓正向截止電壓截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)UAKiA0主電流由陽極流向陰極。晶閘管處于斷態(tài)時可阻斷正向偏置電壓而不導(dǎo)通。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

反向擊穿區(qū)反向截止區(qū)反向截止電壓正向截止電壓截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)UAKiA0晶閘管承受正向電壓時，在門極注入正向脈沖電流可將它觸發(fā)導(dǎo)通。晶閘管一旦開始導(dǎo)通，門極就失去控制作用。不論門極觸發(fā)電流是否存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。通過外電路使陽極電流反向，并且降到接近于零的某一數(shù)值，可使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，門極觸發(fā)電流才能在某個時間再一次控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通。反向擊穿區(qū)反向截止區(qū)反向截止電壓正向截止電壓截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)UAKiA0通常狀態(tài)下，晶閘管的正、反向阻斷電壓的額定值相等。當(dāng)反向偏壓低于反向擊穿電壓時，只有極小的漏電流流過晶閘管。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

iA導(dǎo)通狀態(tài)反向截止正向截止0UAK從截止到導(dǎo)通分析變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，同二極管相似，晶閘管可由上圖所示的理想化特性曲線表示。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

晶閘管通過電源電壓的正半波控制其導(dǎo)通。當(dāng)晶閘管電流開始反向時，電源電壓變負(fù)，晶閘管所承受的電壓也同時反向。理想晶閘管將會使其電流在t=T/2后立即變?yōu)?。波形如圖所示。tT0T/2USUAKiA+UAK

-iA+US

-R下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

trrtqt00t關(guān)斷時間在tq內(nèi)，必須給晶閘管加一個反向電壓。在tq之后，器件恢復(fù)對正向電壓的阻斷能力。換向恢復(fù)時間關(guān)斷時間下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

如果在tq時間段內(nèi)再次對晶閘管施加正向電壓，因器件還沒有恢復(fù)到原來的阻斷狀態(tài)，可能使它再次導(dǎo)通。這樣不僅會損壞器件本身，而且還會導(dǎo)致所在電路不能正常工作，甚至破壞整個電路。trrtqt00tUAKIA下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.3.2晶閘管的主要參數(shù)2.3.2.1晶閘管的電壓參數(shù)UDSM是一個不能重復(fù)，且每次持續(xù)時間不大于10ms的斷態(tài)最大脈沖電壓。UDSM值應(yīng)小于正向轉(zhuǎn)折電壓Ub0，所留裕量的大小由生產(chǎn)廠家自行規(guī)定。晶閘管在門極開路時，施加于晶閘管的正向陽極電壓上升到正向伏安特性曲線急劇轉(zhuǎn)折處對應(yīng)的電壓值。斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM1下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM2晶閘管在門極開路且結(jié)溫為額定值時，允許每秒50次、每次持續(xù)時間不大于10ms，重復(fù)加于晶閘管上的正向斷態(tài)最大脈沖電壓。規(guī)定UDRM為UDSM的90%。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

反向不重復(fù)峰值電壓URSM3晶閘管門極開路，晶閘管承受反向電壓時，對應(yīng)于反向伏安特性曲線急劇轉(zhuǎn)折處的反向峰值電壓。URSM是一個不能重復(fù)施加，且持續(xù)時間不大于10ms的反向脈沖電壓。反向不重復(fù)峰值電壓URSM應(yīng)小于反向擊穿電壓，所留裕量大小由生產(chǎn)廠家自行規(guī)定。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

反向重復(fù)峰值電壓URRM4晶閘管在門極開路且結(jié)溫為額定值時，允許每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms，重復(fù)加于晶閘管上的反向最大脈沖電壓。規(guī)定URRM為URSM的90%。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

額定電壓UR5斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM兩者中，較小的一個電壓值。選用晶閘管時，應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值Um的2~3倍，以作為安全裕量。

UR=(2~3)Um額定電壓的選擇：額定電壓在1000V以下時，每100V為一個電壓等級；在1000~3000V時，則每200V為一個電壓等級。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

通態(tài)峰值電壓UTM6額定電流時晶閘管導(dǎo)通時的管壓降峰值，一般為1.5~2.5V，且隨陽極電流的增加而略微增加。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.3.2.2晶閘管的電流參數(shù)在環(huán)境溫度為+40C和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在導(dǎo)通角不小于170電阻性負(fù)載的單相、工頻半波導(dǎo)電，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125C時，所允許通過的電流平均值，將該電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取整數(shù)值。1通態(tài)平均電流IT(AV)晶閘管的額定電流下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

正弦半波電流有效值為：在選用晶閘管時，應(yīng)根據(jù)具體電流波形來計算出允許的電流平均值。設(shè)有一三相工頻半波電流峰值為Im的波形，則通態(tài)平均電流為：下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

晶閘管有效值與通態(tài)平均電流的比值為：有效值與平均值的比為：波形系數(shù)由上式可知，額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為157A。這個結(jié)果與二極管是相同的。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

實際電路中，由于晶閘管的熱容量小，過載能力低，因此在實際選擇時，一般取1.5~2倍的安全系數(shù)。當(dāng)在給定晶閘管的額定電流后，可計算出該晶閘管在任意波形時所允許的電流平均值為：下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2維持電流IH

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。維持電流與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。3擎住電流IL晶閘管由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)、并除掉門極觸發(fā)信號后，能維持器件導(dǎo)通所需要的最小電流。一般而言，擎住電流比維持電流大2~4倍。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

4浪涌電流ITSM

指在規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內(nèi)所允許的最大過載峰值電流。晶閘管所承受的浪涌過載能力是有限的，在設(shè)計晶閘管電路時，必須考慮到電路中電流產(chǎn)生的波動。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.3.2.3晶閘管的動態(tài)參數(shù)1斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt在結(jié)溫為額定值和門極開路的情況下，不會導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)所允許的最大正向電壓上升速度。實際應(yīng)用中，實際電壓上升率必須小于此臨界值。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規(guī)定條件下，晶閘管從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)時，晶閘管所能承受的通態(tài)電流上升率的最大值。晶閘管剛導(dǎo)通時，電流主要分布在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，電流上升過快，有可能造成局部過熱而損壞器件。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

3開通時間ton從阻斷到正常導(dǎo)通的時間。普通晶閘管的開通時間ton約為6s。開通時間與觸發(fā)脈沖的陡度、電壓高低、結(jié)溫以及主回路中的電感量有關(guān)。4關(guān)斷時間toff從導(dǎo)通到截止的時間。普通晶閘管的關(guān)斷時間toff約為幾十到幾百微秒。關(guān)斷時間與器件結(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)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.3.2.4門極額定參數(shù)1門極觸發(fā)電流IGTIGT是在室溫下，陽極電壓為直流6V時使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所需的最小門極電流。2門極觸發(fā)電壓UGTUGT是產(chǎn)生門極觸發(fā)電流所需的最小門極電壓。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.3.2.5溫度特性1結(jié)溫TJM晶閘管正常工作時所能允許的最高結(jié)溫。晶閘管的額定結(jié)溫通常為125C或150C。2結(jié)殼熱阻RJC晶閘管每瓦功率損耗導(dǎo)致的內(nèi)部PN結(jié)與晶閘管外殼之間的溫差。該參數(shù)可用于晶閘管的散熱系統(tǒng)設(shè)計。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.3.3幾種常用的晶閘管1相控晶閘管換流晶閘管相控晶閘管主要用于工頻交流輸入的電壓和電流整流方面，以及高壓直流輸電?？沙惺茌^高的電壓和電流，通態(tài)壓降較小。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

相控晶閘管是以直徑為10cm左右的圓形晶片制作而成的，平均電流大約是4000A，阻斷電壓為5~7kV。若器件為1000V的電壓時，通態(tài)電壓一般為1.5V；電壓為5000~7000V的器件，通態(tài)電壓一般為3V。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2逆變晶閘管一般情況下，器件的通態(tài)電壓較高，則關(guān)斷時間tq較短。但逆變晶閘管的通態(tài)電壓較低并且關(guān)斷時間tq也較短。關(guān)斷時間tq通常是在幾微秒到100s的范圍內(nèi)。通常，不同型號晶閘管的截止電壓和通態(tài)壓降不同，因而關(guān)斷時間也不相同。具體應(yīng)用時，應(yīng)參看廠家給出的有關(guān)參數(shù)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

3光控晶閘管

通過一定波長的光照信號觸發(fā)晶閘管。主要用于高壓線路中。光控晶閘管的額定電壓和額定電流值分別是4000A和3000A。通態(tài)壓降大約是2V，光觸發(fā)功率大約為5mW。下頁上頁返回2.4可控開關(guān)的理想特性第二章電力電子器件概述

BJTMOSFETGTOIGBT其它可控開關(guān)通過控制端的控制信號來控制其導(dǎo)通和關(guān)斷+UT-iT開關(guān)打開時，沒有電流流過開關(guān)閉合時，電流能按箭頭所指方向流過下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

理想可控開關(guān)的特性關(guān)斷時，不論正、反向阻斷電壓有多高，都沒有電流流過該器件。導(dǎo)通時，壓降為零，此時可傳導(dǎo)任意大的電流。該器件一旦被觸發(fā)，立即從導(dǎo)通狀態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)；反之，能立即由關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通。該器件只需很小的電流就能觸發(fā)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

理想二極管iT+UT-+-UdI0二極管導(dǎo)通路徑中總會有電感，因而可用恒流源表示。當(dāng)開關(guān)閉合，電流全部流過開關(guān)，二極管反向偏置。當(dāng)開關(guān)斷開時，I0流過二極管，有一個等同于輸入電壓Ud的電壓加在開關(guān)上。

理想二極管被認(rèn)為是零壓降。

實際可控開關(guān)器件的等效模型下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

0開關(guān)控制信號toffton導(dǎo)通關(guān)斷Ts=1/fstUdtI0Uontd(on)td(off)tfitc(off)trvtfvtritc(on)iT00UdI0Pr(T)Wc(on)=UdI0tc(on)/2Wc(off)=UdI0tc(off)/2Wont設(shè)可控開關(guān)在一個工作周期內(nèi)的開關(guān)頻率為:fs=1/TsTs

：開關(guān)時間周期當(dāng)開關(guān)處于斷態(tài)時，正向控制信號將使其導(dǎo)通，導(dǎo)通過程中，電流上升包括一個較短的延遲時間td(on)和電流上升時間tri。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

0開關(guān)控制信號toffton導(dǎo)通關(guān)斷Ts=1/fstUdtI0Uontd(on)td(off)tfitc(off)trvtfvtritc(on)iT00UdI0Pr(T)Wc(on)=UdI0tc(on)/2Wc(off)=UdI0tc(off)/2Wont電流I0全部通過開關(guān)后，開關(guān)反向偏置，其電壓在電壓下降時間tfv內(nèi)下降到通態(tài)電壓Uon。導(dǎo)通交叉時間段tc(on)內(nèi)開關(guān)電壓和電流值較大。

tc(on)=tri+tfv

導(dǎo)通過程中器件的能量損耗:

Wc(on)=1/2UdI0tc(on)下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

0開關(guān)控制信號toffton導(dǎo)通關(guān)斷Ts=1/fstUdtI0Uontd(on)td(off)tfitc(off)trvtfvtritc(on)iT00UdI0Pr(T)Wc(on)=UdI0tc(on)/2Wc(off)=UdI0tc(off)/2Wont開關(guān)完全導(dǎo)通，通態(tài)電壓Uon使電流I0導(dǎo)通，并將在開通時間ton內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通。開關(guān)通態(tài)能量消耗Won可近似為:Won=UonI0ton

式中

ton大于tc(on)和tc(off)

下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

0開關(guān)控制信號toffton導(dǎo)通關(guān)斷Ts=1/fstUdtI0Uontd(on)td(off)tfitc(off)trvtfvtritc(on)iT00UdI0Pr(T)Wc(on)=UdI0tc(on)/2Wc(off)=UdI0tc(off)/2Wont用反向控制信號使開關(guān)關(guān)斷。在開關(guān)關(guān)斷期間，電壓上升過程包括關(guān)斷延遲時間td(off)

和電壓上升時間trv。電壓達(dá)到Ud時，開關(guān)器件正偏，并傳導(dǎo)電流。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

0開關(guān)控制信號toffton導(dǎo)通關(guān)斷Ts=1/fstUdtI0Uontd(on)td(off)tfitc(off)trvtfvtritc(on)iT00UdI0Pr(T)Wc(on)=UdI0tc(on)/2Wc(off)=UdI0tc(off)/2Wont開關(guān)電流在電流下降時間tfi內(nèi)下降到0，電流I0反向，并從二極管VD中流過。在轉(zhuǎn)換時段tc(off)內(nèi)，開關(guān)電壓和開關(guān)電流同時具有較大值。

tc(off)=trv+tfi

下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

0開關(guān)控制信號toffton導(dǎo)通關(guān)斷Ts=1/fstUdtI0Uontd(on)td(off)tfitc(off)trvtfvtritc(on)iT00UdI0Pr(T)Wc(on)=UdI0tc(on)/2Wc(off)=UdI0tc(off)/2Wont關(guān)斷過程中的開關(guān)能量損耗為：Wc(off)=1/2UdI0tc(off)瞬時能量損耗為：

PT(t)=uTiT導(dǎo)通和關(guān)斷期間的瞬時開關(guān)能量損耗大。瞬時能量損耗下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

開關(guān)開通、關(guān)斷的轉(zhuǎn)換所導(dǎo)致的能量損耗可由式Wc(on)=1/2UdI0tc(on)和式Wc(off)=1/2UdI0tc(off)表示為:

半導(dǎo)體開關(guān)能量損耗隨著開關(guān)頻率和開關(guān)時間增加呈線性增加的關(guān)系。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

導(dǎo)通時的平均能量損耗Pon也會導(dǎo)致開關(guān)能量損耗，它按比例隨著通態(tài)電壓而變化。其開通損耗為：

開關(guān)的通態(tài)壓降應(yīng)該盡可能小?？煽亻_關(guān)斷態(tài)時的漏電流比較小，可忽略不計，實際應(yīng)用中的斷態(tài)能量損耗也可忽略。開關(guān)的平均能量損耗為：

PT=Ps+Pon下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

可控開關(guān)的特性器件處于斷態(tài)時，漏電流很小。較低的通態(tài)壓降Uon可減少通態(tài)能量損耗。導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換時間較短，能夠使器件在較高的開關(guān)頻率下工作。較好的正、反向電壓阻斷能力使得器件不需要級聯(lián)許多器件。電流較大的電路中，可控開關(guān)通態(tài)電流額定值較高，無需并聯(lián)器件，避免了電流分配的問題。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

正的通態(tài)阻抗溫度系數(shù)能夠確保并聯(lián)元件平均分配總電流。只需要較小的電流來觸發(fā)可控開關(guān)，這將簡化控制電路的設(shè)計。開關(guān)動作期間，器件可同時承受額定電壓和額定電流的電壓和電流值，不需要外部保護(hù)電路?？煽亻_關(guān)可承受較大的電壓、電流變化率，因此可簡化外部保護(hù)電路的復(fù)雜性。下頁上頁返回2.5雙極結(jié)型晶體管和達(dá)林頓管第二章電力電子器件概述

2.5.1雙極結(jié)型晶體管和達(dá)林頓管的基本特性UCEUBE-ECBiBiC+-+iB1iB2iB3iB4iB5iB=0uceIiD0Uce(sat)伏安特性下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

iB1iB2iB3iB4iB5iB=0uceIiD0Uce(sat)伏安特性基極電流只有足夠大才可使得器件完全導(dǎo)通。控制電路必須提供足夠大的基極電流。兩者電流的關(guān)系為：

IB>IC/hFE式中，hFE是元件的直流電流增益。uCE截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)iC0BJT理想化伏安特性曲線下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

通態(tài)時，基極電流必須保持不變。大功率晶體管的直流電流增益hFE的值通常在5到10之間。雙極結(jié)型晶體管電流控制型元件UCEUBE-ECBiBiC+-+UCEUBE-ECBiBiC+-+得到更大的電流增益下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

達(dá)林頓晶體管對電壓非常敏感，輕微的過電壓uCE(sat)就會導(dǎo)致它的損壞，且整體開關(guān)速度較慢。不論是單個器件或單個芯片上的達(dá)林管結(jié)構(gòu)，BJT在關(guān)斷期間都有一個儲存時間。開關(guān)時間一般是在幾百納秒到幾微秒的范圍內(nèi)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.5.2BJT的主要參數(shù)1集電極額定值電壓VCEM

最高集電極電壓額定值是指集電極的擊穿電壓值，它不僅因器件不同而不同，即使是同一器件，也會由于基極電路條件的不同而不同。2集電極額定值電流ICM以b值下降到額定值的1/2至1/3時的IC值為ICM；以結(jié)溫和耗散功率為尺度來確定ICM值。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

最大脈沖電流的額定值內(nèi)部引線熔斷的集電極電流，或是引起集電結(jié)損壞的集電極電流，或1.5~3倍的ICM。3飽和壓降UCES

單個三極管一般不超過1~1.5V，其值隨集電極電流IC的上升而增大。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

4基極電流的最大允許值IBM內(nèi)引線允許流過的最大基極電流，通常取IBM≈（1/2~1/6）ICM。與ICM相比，其裕量通常很大。5最高結(jié)溫額定值TJM正常工作時不損壞器件所允許的最高結(jié)溫，由器件所用的半導(dǎo)體材料、制造工藝、封裝方式及可靠性要求決定。BJT使用時須選配合適的散熱器。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

6最大功耗額定值PCMBJT在最高允許結(jié)溫時所對應(yīng)的耗散功率，它受結(jié)溫的限制，其大小主要由集電極工作電壓和集電極電流的乘積決定。7開通和關(guān)斷時間ton、toff開通時間BJT從斷態(tài)施加驅(qū)動信號開始到等效電阻降為零的通態(tài)所經(jīng)歷的時間。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

ton、toff的值越小，BJT開關(guān)過程中的損耗也越小，且可在高頻率下工作。關(guān)斷時間BJT從通態(tài)撤除驅(qū)動信號到等效電阻為無限大的斷態(tài)所經(jīng)歷的時間。8熱阻RjcBJT的PN結(jié)與管殼之間的熱阻Rjc。下頁上頁返回2.6電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）第二章電力電子器件概述

2.6.1電力場效應(yīng)晶體管的基本特性電力場效應(yīng)晶體管(MOSFET)

是電壓控制型器件。UGSUDS-SDGiD+-+7V6V5VUGS=4VUDS0iD伏安特性uDS截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)iD0下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

7V6V5VUGS=4VUDS0iD伏安特性當(dāng)柵-源極電壓低于門檻電壓uGS(th)時，MOSFET像近似斷開的開關(guān)。MOSFET供給柵－源極大小合適的持續(xù)電壓才能導(dǎo)通。當(dāng)MOSFET處在從開到關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中，或反過來從關(guān)到開的轉(zhuǎn)換過程中，在柵溝道本征電容充、放電時，柵極才會出現(xiàn)電流。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

MOSFET的開關(guān)時間非常短，通常在幾十納秒到幾百納秒之間。正常運行范圍內(nèi)，MOSFET的漏極和源極之間的導(dǎo)通電阻隨著它承受的截止電壓的增加很快增加。在每單元面積的基礎(chǔ)上，其導(dǎo)通阻抗和所承受的額定截止電壓BUDSS的關(guān)系為:式中，k是一個取決于器件結(jié)構(gòu)的常數(shù)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

由式知，當(dāng)截止電壓較低時，器件的導(dǎo)通阻抗很小，開關(guān)損失可以很小，通過式Ps=1/2UdI0fs(tc(on)+tc(off))可知，此時可以具有很高的開關(guān)速度。300~400V等級的MOSFET僅僅當(dāng)開關(guān)頻率超出30~100kHZ時才與雙極晶體管差不多。低電壓時多選擇MOSFET。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

因為MOSFET的導(dǎo)通阻抗有正的溫度系數(shù)，所以很容易并聯(lián)使用。并聯(lián)的MOSFET中若有某個器件的導(dǎo)通電流較大，則使導(dǎo)通阻抗也相應(yīng)增加，從而自動地起到平衡其它并聯(lián)MOSFET中電流的作用。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.6.2電力場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的主要參數(shù)2.6.2.1靜態(tài)特性參數(shù)場效應(yīng)管能承受的最高工作電壓，是標(biāo)稱MOSFET額定電壓的參數(shù)。漏極擊穿電壓UDS

1通常選UDS為實際工作電壓的2~3倍。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

在規(guī)定的測試條件下，最大漏極直流電流、漏極脈沖電流的幅值，是標(biāo)稱MOSFET額定電流的參數(shù)。漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM2在一定柵源電壓下，MOSFET從可變電阻區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)時的直流電阻值。通態(tài)電阻Ron3下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

由MOSFET輸出特性曲線可知，在一定范圍內(nèi)，Ron將隨著uGS的增加而減小。通態(tài)電阻Ron越小，通態(tài)損耗越小。7V6V5VUGS=4VUDS0iD伏安特性結(jié)溫升高時Ron增加，Ron的正溫度系數(shù)特性使得通過各MOSFET的電流趨于平均，便于MOSFET并聯(lián)應(yīng)用。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

漏、源極之間形成導(dǎo)電溝道所需的最小柵源電壓。開啟電壓UT4保證柵源絕緣不被擊穿的最高電壓。柵源擊穿電壓UGS

5多為5V左右。通常為±20V。柵源驅(qū)動電壓通常為12~15V。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

漏極電流對柵源電壓的導(dǎo)數(shù):跨導(dǎo)Gfs6在一定漏源電壓下，柵源電壓高低決定了漏極電流大小?？鐚?dǎo)反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

MOSFET的三個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS。極間電容7一般生產(chǎn)廠家提供的是漏源極短路的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Ccss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss。它們之間的關(guān)系是：

Ciss=CGS+CGDCrss=CGDCcss=CDS+CGD非線性電容下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定MOSFET的安全工作區(qū)。MOSFET不存在二次擊穿實際使用注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ肯马撋享摲祷氐诙码娏﹄娮悠骷攀?/p>

2.6.2.2動態(tài)特性參數(shù)1

開關(guān)時間2

duDS/dt限制MOSFET的開關(guān)過程所需要得時間。開通時間ton定義為：ton=td(on)+tr關(guān)斷時間toff定義為：toff=td(off)+tf過高的duDS/dt可能使MOSFET誤導(dǎo)通，易損壞器件。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.6.2.3功耗與溫度特性參數(shù)MOSFET工作指標(biāo)最大允許功耗PDmax最高工作結(jié)溫TJM殼溫TC結(jié)殼熱阻Rth(jc)下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

設(shè)MOSFET開關(guān)頻率為?，通過電流的有效值為ID，一次開通、關(guān)斷損耗分別為Pon、Poff，則有開關(guān)損耗：PS=(Pon+Poff)?通態(tài)損耗：PC=RonID2斷態(tài)損耗：PL=0MOSFET內(nèi)部發(fā)熱功率:PD≈PS+PC使用時應(yīng)限制器件的功耗，使PD>PDmax，并提供良好的散熱條件使器件溫升不超過額定溫升。應(yīng)用高頻開關(guān)注意開關(guān)損耗下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

MOSFET允許的最高結(jié)溫是確定的，殼溫與外部散熱條件密切相關(guān)。外部散熱條件決定了MOSFET器件的實際允許功耗。MOSFET容易受到靜電危害。通常使用時應(yīng)在柵、源極之間并聯(lián)電阻。MOSFET中寄生有一個反并聯(lián)二極管，使用中有時需要利用該管進(jìn)行續(xù)流。下頁上頁返回2.7門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）第二章電力電子器件概述

2.7.1門極可關(guān)斷晶閘管的基本特性AK+UAK

-iGiAGuDS0iD導(dǎo)通關(guān)斷uDS斷通iD下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

GTO與晶閘管相同之處GTO能夠通過施加短時的門極脈沖電流而觸發(fā)導(dǎo)通。一旦導(dǎo)通，就能維持這種導(dǎo)通狀態(tài)而不再需要門極電流。GTO與晶閘管不同之處GTO可通過施加負(fù)的門—陰極電壓而被關(guān)斷，并因此引起大的負(fù)門極電流。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

吸收電路門極驅(qū)動電路

ADKCRGTO0開關(guān)控制信號toffton導(dǎo)通關(guān)斷Ts=1/fstUdtI0Uontd(on)td(off)tfitc(off)trvtfvtritc(on)iT00UdI0Pr(T)Wc(on)=UdI0tc(on)/2Wc(off)=UdI0tc(off)/2WontGTO不能隨意使用，除非設(shè)計好一個吸收電路下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

iAuAKt0門極驅(qū)動電路

ADKCRGTO由電阻、電容、二極管組成的電路用在GTO電路中，使關(guān)斷時的du/dt減小。使用關(guān)斷吸收電路時可有效降低電壓變化率。GTO的通態(tài)壓降比晶閘管略高。

GTO能夠承受高電壓和大電流。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.7.2門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）的主要參數(shù)用來標(biāo)稱GTO額定電流的參數(shù)。使GTO從通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)所需的門極反向瞬時峰值電流的最小值。1最大可關(guān)斷陽極電流IATO2門極關(guān)斷電流IGM下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

陽極最大可關(guān)斷電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。3電流關(guān)斷增益boff缺點:GTO的boff很小，只有5左右。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

在規(guī)定使用條件下，GTO穩(wěn)定工作時不超過額定結(jié)溫的周期性（?<100Hz）方波電流的最大有效值。4額定通態(tài)電流有效值IT(rms)

延遲和上升時間之和。5開通時間ton上升時間隨陽極電流增大而增大。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

儲存時間和下降時間之和。5關(guān)斷時間ton關(guān)斷時間不包括掃尾時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增加而增大，下降時間一般小于2ms.下頁上頁返回2.8絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

第二章電力電子器件概述

2.8.1絕緣柵雙極晶體管的基本特性ECG+-uDSuGSiD0uDS斷通iD0下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

像MOSFET一樣，IGBT的輸入阻抗高，只需很小的能量來開關(guān)器件。如同BJT一樣，即使當(dāng)它承受較高電壓時，它的導(dǎo)通壓降也很小。與GTO類似，IGBT能夠被設(shè)計承受一定的反向壓降。較比下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

2.8.2絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的主要參數(shù)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。1最大集射極間電壓UCEMIGBT的耐壓可以做得較高，最大允許電壓UCEM可達(dá)4500V以上。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

導(dǎo)通狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的管壓降。2通態(tài)壓降

在小電流段的1/2額定電流以下通態(tài)壓降具有負(fù)溫度系數(shù)，在1/2額定電流以上通態(tài)壓降具有正溫度系數(shù)，因此IGBT在并聯(lián)使用時具有電流自動調(diào)節(jié)能力。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

擎住效應(yīng)IGBT管中由驅(qū)動電壓UGE控制IC大到一定的程度時，IGBT中寄生的NPN和PNP晶體管處于飽和狀態(tài)，柵極G失去對集電極電流IC的控制作用。集電極電流值超過ICM時，IGBT產(chǎn)生擎住效應(yīng)。IGBT在關(guān)斷時電壓上升率duCE/dt太大將產(chǎn)生擎住效應(yīng)。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

器件出廠時必須規(guī)定集電極電流值超過ICM，以及在此相應(yīng)的柵極-發(fā)射極最大電壓UCEM。3集電極電流最大值ICM在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。4最大集電極功耗PCM下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

IGBT在開通時為正向偏置，其安全工作區(qū)稱為正偏安全工作區(qū)FBSOA

。IGBT在關(guān)斷時為反向偏置，此時的安全工作區(qū)稱為反偏安全工作區(qū)RBSOA。5安全工作區(qū)

IGBT具有耐脈沖電流沖擊能力。導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。反偏安全工作區(qū)與電壓上升率duCE/dt有關(guān)，duCE/dt越大，反偏安全工作區(qū)越小。下頁上頁返回第二章電力電子器件概述

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。6輸入阻抗IGBT的最高允許結(jié)溫TJM為150℃。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。7最高允許結(jié)溫TJM下頁上頁返回2.9MOS控制晶閘管（MCT）第二章電力電子器