第1章 電力電子器件(定稿)

第1章電力電子器件

1.1電力二極管1.2晶閘管1.1電力二極管1.1.1功率二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理1、元件結(jié)構(gòu)

圖1-1圖1-2■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴舢擯N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。導通時，管子壓降維持在1V左右。不隨電流而變。

◆當PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。反向阻斷時，有極小的漏電流，平時可忽略不計，但溫度升高時漏電流會增大，須引起注意。

◆PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。1.1.2功率二極管的伏安特性IOIFUTOUFU電力二極管的伏安特性整流二極管、快速恢復(fù)二極管、肖特基二極管見教材P4。1.1.3功率二極管的主要參數(shù)1.2晶閘管晶閘管（又稱可控硅[SCR]）是一種能夠用控制信號控制其導通，但不能控制其關(guān)斷的半控型器件。晶閘管也有許多派生器件，如快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導晶閘管（RCT）和光控晶閘管（LATT）等。1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)

1、晶閘管的結(jié)構(gòu)

圖1-4常見的外形有兩種：螺栓型和平板型。具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)圖1-41.2.2晶閘管的工作原理

1、晶閘管的導通、關(guān)斷實驗由電源、晶閘管的陽極和陰極、白熾燈組成晶閘管主電路；由電源、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路（觸發(fā)電路）。

（a）(b)(c)圖1-5

圖1-52、實驗說明3、實驗結(jié)論通過上述實驗可知，晶閘管導通必須同時具備兩個條件:

（1）晶閘管陽極和陰極之間加正向電壓。（2）晶閘管門極和陰極之間加正向電壓。

晶閘管一旦導通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。

4、晶閘管的導通關(guān)斷原理

當晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時，形成了強烈的正反饋，正反饋過程如下：IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

圖1-6

晶閘管導通之后，它的導通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋作用來維持。門極失去控制作用。那怎樣才能關(guān)斷管子呢？關(guān)斷條件：必須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，也就是減小到維持電流?？刹捎玫姆椒ㄓ?將陽極電源斷開；改變晶閘管的陽極電壓的方向，即在陽極和陰極間加反向電壓。14

1、晶閘管的伏安特性

晶閘管的伏安特性是晶閘管陽極與陰極間電壓UAK和晶閘管陽極電流IA之間的關(guān)系特性。IG

=0圖1-5晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向?qū)?gt;>UBO正向特性反向特性雪崩擊穿1.2.3晶閘管的特性

2、晶閘管的開關(guān)特性(簡介)

晶閘管的開關(guān)特性如圖所示。圖1-8

晶閘管開關(guān)特性的說明通常定義器件的開通時間ton為延遲時間td與上升時間tr之和。即ton=td+tr電源電壓反向后，從正向電流降為零起到能重新施加正向電壓為止定義為器件的電路換向關(guān)斷時間toff。反向阻斷恢復(fù)時間trr與正向阻斷恢復(fù)時間tgr之和。toff=trr+tgr

1.2.4晶閘管的主要參數(shù)(簡介)1、額定電壓UTn(重點)

（1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM在控制極斷路和正向阻斷條件下，可重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。規(guī)定此電壓為正向不重復(fù)峰值電壓UDSM的80%。（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM在控制極斷路時，以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。此電壓取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80%。晶閘管的額定電壓則取UDRM和URRM的較小值且靠近標準電壓等級所對應(yīng)的電壓值。選擇管子的額定電壓UTn應(yīng)為晶閘管在電路中可能承受的最大峰值電壓的2~3倍。2、額定電流IT(AV)(重點)是指：在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負載時的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導通角不小于170度）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125度時所允許的通態(tài)平均電流。注意：晶閘管是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額，這是因為晶閘管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來計算。實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進行換算，通常選用晶閘管時，電流選擇應(yīng)取(1.5～2)倍的安全裕量。

3、維持電流IH

在室溫和門極斷路時，晶閘管已經(jīng)處于通態(tài)后，從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必須的最小陽極電流。

4、擎住電流IL

晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)時移去觸發(fā)信號之后，要器件維持通態(tài)所需要的最小陽極電流。對于同一個晶閘管來說，通常擎住電流IL約為維持電流IH的(2～4)倍。5、門極觸發(fā)電流IGT在室溫且陽極電壓為6V直流電壓時，使晶閘管從阻斷到完全開通所必需的最小門極直流電流。6、門極觸發(fā)電壓UGT

對應(yīng)于門極觸發(fā)電流時的門極觸發(fā)電壓。觸發(fā)電路給門極的電壓和電流應(yīng)適當?shù)卮笥谒?guī)定的UGT和IGT上限，但不應(yīng)超過其峰值IGFM

和UGFM。

7、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，不導致器件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大電壓上升率。過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導通。

8、通態(tài)電流臨界上升率di/dt

在規(guī)定條件下，由門極觸發(fā)晶閘管使其導通時，晶閘管能夠承受而不導致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率。在晶閘管開通時，如果電流上升過快，會使門極電流密度過大，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。1.2.5晶閘管的型號、選擇原則

1、普通晶閘管的型號額定電壓以電壓等級給出，通常標準電壓等級規(guī)定為：電壓在1000V以下，每100V為一級；1000V到3000V，每200V為一級。

組別ABCDE通態(tài)平均電壓（V）UT≤0.40.4＜UT≤0.50.5＜UT≤0.60.6＜UT≤0.70.7＜UT≤0.8組別FGHI通態(tài)平均電壓（V）0.8＜UT≤0.90.9＜UT≤1.01.0＜UT≤1.11.1＜UT≤1.2晶閘管通態(tài)平均電壓分組

2、普通晶閘管的選擇原則

（1）選擇額定電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于等于管子在電路中實際可能通過的最大電流有效值即可?？紤]元件的過載能力，實際選擇時應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計算公式為：然后取相應(yīng)標準系列值。1.2.6晶閘管的其它派生元件(簡介)雙向晶閘管從結(jié)構(gòu)和特性來說，都可以看成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導通。圖1-12雙向晶閘管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有對稱的伏安特性。圖1-1431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（10kHz以上）；FST由于允許長期通過的電流有限，所以其不宜在低頻下工作?？焖倬чl管（FastSwitchingThyristor——FST)32

逆導晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種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。逆導晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）圖1-9逆導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33光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。圖1-10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)伏安特性通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當器件的開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。電氣隔離圖2-1電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成1.3門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

1.3.1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。GTO為四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端線（A、K、G）的器件。和晶閘管不同的是：GTO內(nèi)部是由許多四層結(jié)構(gòu)的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門極和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元圖1-15圖1-1539/89導通與關(guān)斷?GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時飽和程度較淺。晶閘管的回路增益α1+α2常為1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO處于臨界飽和狀態(tài)。

?而關(guān)斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使

1+

2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。而晶閘管導通之后，處于深度飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法不能使其關(guān)斷。?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。

■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同

◆電流關(guān)斷增益

off

?最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值IGM之比。

?

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。

■不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。

41/891.3.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTR和GTO一樣具有自關(guān)斷能力，屬于電流控制型自關(guān)斷器件。GTR可通過基極電流信號方便地對集電極-發(fā)射極的通斷進行控制，并具有飽和壓降低、開關(guān)性能好、電流較大、耐壓高等優(yōu)點?！鬐TR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多共射極電路的輸出特性曲線

圖1-19

2、GTR的動態(tài)（開關(guān)）特性

晶體管有線性和開關(guān)兩種工作方式。當只需要導通和關(guān)斷作用時采用開關(guān)工作方式。GTR主要應(yīng)用于開關(guān)工作方式。在開關(guān)工作方式下，用一定的正向基極電流IB1去驅(qū)動GTR導通，而用另一反向基極電流IB2迫使GTR關(guān)斷，由于GTR不是理想開關(guān)，故在開關(guān)過程中總存在著一定的延時和存儲時間。簡稱P-MOSFET（PowerMOSFET）。

是用柵極電壓來控制漏極電流的開關(guān)時間在10~100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。電力MOSFET的種類?按導電溝道可分為P溝道和N溝道。?當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道的稱為耗盡型柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為增強型。?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。

1.3.3電力場效應(yīng)晶體管45/89◆電力MOSFET的工作原理?截止

柵極和源極間電壓為零時，無漏極電流ID，截止?導通

在柵極和源極之間加一正電壓UGS，當UGS大于某一電壓值UT開啟電壓（或閾值電壓）時，導通。UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流ID越大。?本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個

與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。

■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，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。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具