電力電子技術(shù)(第版)【王兆安】課件

第1章

緒論1.1

什么是電力電子技術(shù)1.2

電力電子技術(shù)的發(fā)展史1.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.4

本教材的內(nèi)容簡介2/211.1

什么是電力電子技術(shù)■電力電子技術(shù)的概念◆可以認(rèn)為，所謂電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。

?電力電子技術(shù)中所變換的“電力”

有區(qū)別于“電力系統(tǒng)”所指的“電力”

，后者特指電力網(wǎng)的“電力”

，前者則更一般些。

?電子技術(shù)包括信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)兩大分支。通常所說的模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)都屬于信息電子技術(shù)。輸入輸出交流（AC）直流（DC）直流（DC）整流直流斬波交流（AC）交流電力控制變頻、變相逆變3/211.1

什么是電力電子技術(shù)◆具體地說，電力電子技術(shù)就是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。?電力電子器件的制造技術(shù)是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。?變流技術(shù)則是電力電子技術(shù)的核心。表1-1

電力變換的種類4/211.1

什么是電力電子技術(shù)■電力電子學(xué)◆美國學(xué)者W.

Newell認(rèn)為電力電子學(xué)是由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個學(xué)科交叉而形成的。圖1-1

描述電力電子學(xué)的倒三角形5/211.1

什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和電子學(xué)

電力電子器件的制造技術(shù)和用于信息變換的電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)（都是基于半導(dǎo)體理論）是一樣的，其大多數(shù)工藝也是相同的。電力電子電路和信息電子電路的許多分析方法也是一致的。?電力電子技術(shù)和電力學(xué)電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中，這是電力電子學(xué)和電力學(xué)的主要關(guān)系。

1.1

什么是電力電子技術(shù)

各種電力電子裝置廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流電源等之中，因此，無論是國內(nèi)國外，通常都把電力電圖1-2

電氣工程的雙三角形描述子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。在我國，電力電子與電力傳動是電氣工程的一個二級學(xué)科。圖1-2用兩個三角形對電氣工程進(jìn)行了描述。其中大三角形描述了電氣工程一級學(xué)科和其他學(xué)科的關(guān)系，小三角形則描述了電氣工程一級學(xué)科內(nèi)各二級學(xué)科的關(guān)系。

6/217/211.1

什么是電力電子技術(shù)?電力電子技術(shù)和控制理論

控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能不斷滿足人們?nèi)找嬖鲩L的各種需求。電力電子技術(shù)可以看成是弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。而控制理論則是實現(xiàn)這種接口的一條強(qiáng)有力的紐帶。

另外，控制理論是自動化技術(shù)的理論基礎(chǔ)，二者密不可分，而電力電子裝置則是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)。8/211.2

電力電子技術(shù)的發(fā)展史■電力電子技術(shù)的發(fā)展史圖1-3

電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標(biāo)志的。9/211.2

電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管出現(xiàn)前的時期可稱為電力電子技術(shù)的史前期或黎明期。

?1904年出現(xiàn)了電子管，它能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。

?20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電。這一時期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時期，也應(yīng)用直流發(fā)電機(jī)組來變流。?1947年美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命。10/211.2

電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆晶閘管時代

?晶閘管由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。

?晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實現(xiàn)。這就使得晶閘管的應(yīng)用受到了很大的局限。11/211.2

電力電子技術(shù)的發(fā)展史◆全控型器件和電力電子集成電路（PIC）

?70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)晶體管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷。

?采用全控型器件的電路的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式。相對于相位控制方式，可稱之為斬波控制方式，簡稱斬控方式。

?在80年代后期，以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。它是MOSFET和BJT的復(fù)合，綜合了兩者的優(yōu)點。與此相對，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）復(fù)合了MOSFET和GTO。12/211.2

電力電子技術(shù)的發(fā)展史?把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和電力電子器件集成在一起，構(gòu)成電力電子集成電路（PIC），這代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。電力電子集成技術(shù)包括以PIC為代表的單片集成技術(shù)、混合集成技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)。?隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。與此同時，軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用在理論上可以使電力電子器件的開關(guān)損耗降為零，從而提高了電力電子裝置的功率密度。13/211.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用■電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。它不僅用于一般工業(yè)，也廣泛用于交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等，在照明、空調(diào)等家用電器及其他領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用?！粢话愎I(yè)?工業(yè)中大量應(yīng)用各種交直流電動機(jī)，都是用電力電子裝置進(jìn)行調(diào)速的。

?一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)等近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。圖1-4

AB變頻器

1.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用?有些并不特別要求調(diào)速的電機(jī)為了避免起動時的電流沖擊而采用了軟起動裝置，這種軟起動裝置也是電力電子裝置。?電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。?電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。

14/2115/211.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆交通運(yùn)輸

?電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。電氣機(jī)車中的直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在未來的磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動外，車輛中的各種輔助電源也都離不開電力電子技術(shù)。

?電動汽車的電機(jī)依靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換和驅(qū)動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子裝置。一臺高級汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)動并控制。?飛機(jī)、船舶和電梯都離不開電力電子技術(shù)。16/211.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆電力系統(tǒng)?據(jù)估計，發(fā)達(dá)國家在用戶最終使用的電能中，有60%以上的電能至少經(jīng)過一次以上電力電子變流裝置的處理。

?直流輸電在長距離、大容量輸電時有很大的優(yōu)勢，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置，而輕型直流輸電則主要采用全控型的IGBT器件。近年發(fā)展起來的柔性交流輸電（FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實現(xiàn)的。

?晶閘管控制電抗器（TCR）、晶閘管投切電容器（TSC）、靜止無功發(fā)生器（SVG）、有源電力濾波器（APF）等電力電子裝置大量用于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償或諧波抑制。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時停電、瞬時電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量。?在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置。17/211.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用圖1-5

中國南方電網(wǎng)公司安順換流站圖1-6

靜止無功發(fā)生器（上）和

晶閘管投切電容器（下）18/211.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆電子裝置用電源

?各種電子裝置一般都需要不同電壓等級的直流電源供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開關(guān)電源。大型計算機(jī)所需的工作電源、微型計算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開關(guān)電源。

?在大型計算機(jī)等場合，常常需要不間斷電源（Uninterruptible

Power

Supply__

UPS）供電，不間斷電源實際就是典型的電力電子裝置。19/211.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用◆家用電器?電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈。?空調(diào)、電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計算機(jī)，

不少洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)?！羝渌?/p>

?航天飛行器中的各種電子儀器需要電源，載人航天器也離不開各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)。

?抽水儲能發(fā)電站的大型電動機(jī)需要用電力電子技術(shù)來起動和調(diào)速。超導(dǎo)儲能是未來的一種儲能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開電力電子技術(shù)?？傊?，電力電子技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，其地位也越來越重要

。

20/21

1.3

電力電子技術(shù)的應(yīng)用?新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)

時，更離不開電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電源，這也是電力電子技術(shù)的用武之地。圖1-7

風(fēng)場21/211.4

本教材的內(nèi)容簡介■本教材的內(nèi)容第2章

電力電子器件2.12.22.32.42.52.6電力電子器件概述不可控器件——電力二極管半控型器件——晶閘管典型全控型器件其他新型電力電子器件功率集成電路與集成電力電子模塊本章小結(jié)2/89引言■模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)——晶體管和集成電路等電子器件電力電子電路的基礎(chǔ)

——電力電子器件■本章主要內(nèi)容：◆對電力電子器件的概念、特點和分類等問題作了簡要概述

。◆分別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。3/892.1

電力電子器件概述2.1.1

電力電子器件的概念和特征2.1.2

應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成2.1.3

電力電子器件的分類2.1.4

本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點4/892.1.1

電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的概念◆電力電子器件（Power

Electronic

Device）是指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：在電氣設(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。?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類，目前往往專指電力半導(dǎo)體器件。5/892.1.1

電力電子器件的概念和特征■電力電子器件的特征◆所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)?！粲尚畔㈦娮与娐穪砜刂?/p>

,而且需要驅(qū)動電路?！糇陨淼墓β蕮p耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。?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，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。

6/89開關(guān)損耗關(guān)斷損耗

2.1.1

電力電子器件的概念和特征?電力電子器件的功率損耗

通態(tài)損耗

斷態(tài)損耗

開通損耗7/892.1.2

應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成■電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。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8/892.1.3

電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆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?！羧匦推骷?目前最常用的是

IGBT和Power

MOSFET。?通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷?！舨豢煽仄骷?電力二極管（Power

Diode）?不能用控制信號來控制其通斷。9/892.1.3

電力電子器件的分類■按照驅(qū)動信號的性質(zhì)◆電流驅(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。◆電壓驅(qū)動型?僅通過在控制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。■按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外

）◆脈沖觸發(fā)型?通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖信號來實現(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)。10/892.1.3

電力電子器件的分類■按照載流子參與導(dǎo)電的情況◆單極型器件?由一種載流子參與導(dǎo)電?！綦p極型器件?由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。◆復(fù)合型器件?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。11/892.1.4

本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點■本章內(nèi)容

◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其

它新型器件的順序，分別介紹各種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?！鰧W(xué)習(xí)要點◆最重要的是掌握其基本特性?！粽莆针娏﹄娮悠骷男吞柮ǎ约捌鋮?shù)和特性曲線的使用方法。◆了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理?！袅私饽承┲麟娐分袑ζ渌娐吩奶厥庖?。12/892.2

不可控器件——電力二極管2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理2.2.2

電力二極管的基本特性2.2.3

電力二極管的主要參數(shù)2.2.4

電力二極管的主要類型13/892.2

不可控器件——電力二極管·引言■電力二極管（Power

Diode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中?！鲈诓捎萌匦推骷碾娐分须娏ΧO管往往是不可缺少的，特別是開通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。整流二極管及模塊AKAKa)P

N

J

b)c)

A

IAK

K

2.2.1

PN結(jié)與電力二極管的工作原理■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實際上是由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。圖2-2

電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

a)

外形

b)

基本結(jié)構(gòu)

c)

電氣圖形符號

14/8915/892.2.1

PN結(jié)與電力二極管的工作原理■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴舢?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。◆當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的

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?fàn)顟B(tài)?！?/p>

PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，但當(dāng)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。?按照機(jī)理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式

。?反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。?否則PN結(jié)因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。16/892.2.1

PN結(jié)與電力二極管的工作原理■PN結(jié)的電容效應(yīng)◆稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容◆按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD

?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。在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主。?擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分?！艚Y(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?7/892.2.2

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，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。

IIFU

OUTOUF圖2-5

電力二極管的伏安特性UP

RPtfrb)18/892.2.2

電力二極管的基本特性

IFUFtrrtdtftdiFdt

t1

t2

diR

dtIR

a)

iF

uF

2V

0

t

圖2-6

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■動態(tài)特性

◆因為結(jié)電容的存在，電壓—電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(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：

tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。

tF

t0t0:正向電流降為零的時刻

u

i

UFPt1:反向電流達(dá)最大值的時刻

URt2:電流變化率接近于零的時刻◆由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置19/892.2.2

電力二極管的基本特性iFuFt02V

u

?先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)

i

過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降

UFP的某個值（如2V）。

?正向恢復(fù)時間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間來儲存，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。

tfr圖2-6

電力二極管的動態(tài)過程波形

b)

零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置20/892.2.3

電力二極管的主要參數(shù)■正向平均電流IF(AV)◆指電力二極管長期運(yùn)行時，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?！?/p>

IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，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。■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?！龇聪蛑貜?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?！羰褂脮r，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。21/892.2.3

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?！糇罡吖ぷ鹘Y(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)。■反向恢復(fù)時間trr■浪涌電流IFSM◆指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。22/892.2.4

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?！羝胀ǘO管（General

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

。?其正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高。23/892.2.4

電力二極管的主要類型◆快恢復(fù)二極管（Fast

Recovery

Diode——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

（Fast

Recovery

EpitaxialDiodes——FRED）

，采用外延型P-i-N結(jié)構(gòu)

，其反向恢復(fù)時間更短（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(dá)到20~30ns。24/892.2.4

電力二極管的主要類型◆肖特基二極管（Schottky

Barrier

Diode——SBD）?屬于多子器件

?優(yōu)點在于：反向恢復(fù)時間很短（10~40ns），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；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。

?弱點在于：當(dāng)所能承受的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以下的低壓場合；反向漏電流較大且對溫度敏感，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。25/892.3

半控型器件——晶閘管2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.3.2

晶閘管的基本特性2.3.3

晶閘管的主要參數(shù)2.3.4

晶閘管的派生器件26/892.3

半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（Silicon

Controlled

Rectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅?！?956年美國貝爾實驗室（Bell

Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（General

Electric）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！鲇捎谄淠艹惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡叩?，而且工作可靠，因此在大容量的應(yīng)用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊

2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理■晶閘管的結(jié)構(gòu)

◆從外形上來看，晶

閘管也主要有螺栓型

和平板型兩種封裝結(jié)

構(gòu)。

◆引出陽極A、陰極K

和門極（控制端）G

三個聯(lián)接端?！魞?nèi)部是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。圖2-7

晶閘管的外形、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

27/89圖2-8

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2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

■晶閘管的工作原理

◆按照晶體管工作原

理，可列出如下方程：I

c1

1I

A

I

CBO

1I

c2

2I

K

I

CBO

2

I

K

I

A

I

G

I

A

Ic1

Ic2（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）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。

28/89◆晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下

是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，

迅速增大?！粼诰w管阻斷狀態(tài)下，IG=0，而

1+

2是很小的。由上式可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管漏電流之和?！羧绻⑷胗|發(fā)電流使各個晶體管的發(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，從而實現(xiàn)器件飽和導(dǎo)通?！粲捎谕怆娐坟?fù)載的限制，IA實際上會維持有限值。

29/89

2I

G

I

CBO1

I

CBO2

1

(

1

2)I

A

2.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理由以上式（2-1）~（2-4）可得(2-5)30/892.3.1

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)用于實踐。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。31/892.3.2

晶閘管的基本特性■靜態(tài)特性◆正常工作時的特性?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通

。?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通

。?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。32/892.3.2

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，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?！倘绻T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。雪崩擊穿O-U

A

-IA圖2-9

晶閘管的伏安特性

IG2>IG1>IG正向?qū)?/p>

IG2IG1正向轉(zhuǎn)折電壓

Ubo

IG=0U

DRM

U

bo

+UA

U

DSMURSM

U

RRM+

IA

IH-UA2.3.2

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，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。

33/89正向轉(zhuǎn)折電壓

Ubo正向?qū)?/p>

雪崩

擊穿

-IA圖2-9

晶閘管的伏安特性

IG2>IG1>IGIHOIG2

IG1

IG=0UDRM

Ubo

+U

A

UDSMU

RSM

URR

M+IA2.3.2

晶閘管的基本特性■動態(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，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。

?延遲時間td(0.5~1.5

s)

上升時間tr

(0.5~3

s)

開通時間tgt=td+tr

?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮短。圖2-10

晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

34/89陽極電流穩(wěn)態(tài)值的90%100%

90%tt10%

0

td

uAK

OtrtrrtgrU

RRMiA

陽極電流穩(wěn)

態(tài)值的10%I

RM2.3.2

晶閘管的基本特性◆關(guān)斷過程于導(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，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復(fù)時間trr

正向阻斷恢復(fù)時間tgr

關(guān)斷時間tq=trr+tgr

?關(guān)斷時間約幾百微秒。

?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)?，而不是受門極電流控制而導(dǎo)通。圖2-10

晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形

35/89?由于外電路電感的存在，原處

100%反向恢復(fù)電流最大值尖峰電壓90%tt10%

0

td

uAK

OtrtrrtgrU

RRMI

RMiA36/892.3.3

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，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓（見圖2-9）。?國標(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，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓（見圖2-8）。?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。37/892.3.3

晶閘管的主要參數(shù)◆通態(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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓?！敉ǔＨ【чl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，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。■電流定額◆通態(tài)平均電流

IT(AV）?國標(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）的原則所得計算結(jié)果的1.5~2倍。38/892.3.3

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?！羟孀‰娏?/p>

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。39/892.3.3

晶閘管的主要參數(shù)■動態(tài)參數(shù)◆開通時間tgt和關(guān)斷時間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，就會使晶閘管誤導(dǎo)通

?！敉☉B(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。40/892.3.4

晶閘管的派生器件■快速晶閘管（Fast

Switching

Thyristor——FST）◆有快速晶閘管和高頻晶閘管?！艨焖倬чl管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。◆從關(guān)斷時間來看，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?！舾哳l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)IOIG

=0

UGT1T2■雙向晶閘管（Triode

ACSwitch——TRIAC或Bidirectional

triode

thyristor）

◆可以認(rèn)為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。

◆門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象限有對稱的伏安特性?！綦p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。

41/89圖2-11

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42/892.3.4

晶閘管的派生器件a)KGAb)OIIG=0

U■逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConducting

Thyristor——RCT）

◆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，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)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點，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

和伏安特性

a)

電氣圖形符號

b)

伏安特性43/89AGKa)光強(qiáng)度強(qiáng)弱OUAKIA

2.3.4

晶閘管的派生器件■光控晶閘管（LightTriggered

Thyristor——LTT）◆是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管?！粲捎诓捎霉庥|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合。

b)圖2-13

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44/892.4

典型全控型器件2.4.12.4.22.4.32.4.4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45/89

2.4

典型全控型器件·引言■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)?！?0世紀(jì)80年代以來，電力電子技術(shù)進(jìn)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。電力MOSFETIGBT單管及模塊

2.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件?！鯣TO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)

?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)

構(gòu)。

?是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個極，但內(nèi)部則包含數(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。

46/89圖2-14

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)電氣圖形符號圖2-8

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2.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管

◆GTO的工作原理

?仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體

管模型來分析，V1、V2的共基極電流

增益分別是

1、

2。

1+

2=1是器件臨

界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則

關(guān)斷。

?GTO與普通晶閘管的不同

√設(shè)計

2較大，使晶體管V2控制

靈敏，易于GTO關(guān)斷。

√導(dǎo)通時

1+

2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。

√多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

47/8948/892.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。?而關(guān)斷時，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)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。?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(qiáng)。?儲存時間ts下降時間tf尾部時間tt?通常tf比ts小得多，而ttdrsft比ts要長。?門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，

ts就越

10%I短。使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能ttttttt保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時間。49/892.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動態(tài)特性

◆開通過程與普通晶閘管

類似。

◆關(guān)斷過程tti

G

O

抽取飽和導(dǎo)通時

儲存的大量載流

子的時間

i

t

t

t

t

t

A

I

A90%I

A

A

0

0

1

2

3

4

5

6

圖2-15

GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小時間殘存載流子復(fù)合所需時間50/892.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管■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?！糇畲罂申P(guān)斷陽極電流IATO?用來標(biāo)稱GTO額定電流?！綦娏麝P(guān)斷增益

off?最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)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。◆開通時間ton?延遲時間與上升時間之和。?延遲時間一般約1~2

s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。◆關(guān)斷時間toff?一般指儲存時間和下降時間之和，而不包括尾部時間。?儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2

s?！霾簧貵TO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。51/892.4.2

電力晶體管■電力晶體管（Giant

Transistor——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（Bipolar

JunctionTransistor——BJT）■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的?！糇钪饕奶匦允悄蛪焊?、電流大、開關(guān)特性好。52/89◆

GTR的結(jié)構(gòu)?采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。?

GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。2.4.2

電力晶體管圖2-16

GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖

b)

電氣圖形符號

c)

內(nèi)部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度53/89ic

ib

I

ceo空穴流電子EbEcibi

=

i

cb

流i

=(1+

i

eb

c)圖2-16

c)

內(nèi)部載流子的流動

ic

ib

2.4.2

電力晶體管?在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為

稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為?單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)飽和區(qū)2.4.2

電力晶體管■GTR的基本特性

◆靜態(tài)特性

?在共發(fā)射極接法時的典

型輸出特性分為截止區(qū)、放

大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。

?在電力電子電路中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng)過放大區(qū)。OIc放大區(qū)

ib3

ib2

ib1

ib1<ib2<ib3

截止區(qū)

Uce圖2-17

共發(fā)射極接法時

GTR的輸出特性

54/89

2.4.2

電力晶體管◆動態(tài)特性

?開通過程

√需要經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。

√增大基極驅(qū)動電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時間，同時也可以縮短上升時間，從而加快開通過程。?關(guān)斷過程

√需要經(jīng)過儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff。

√減小導(dǎo)通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。?GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。

55/89Ib1Ics10%Ics

0t0

t1t2t3t4t5t

Ib2

tofftstf

tontd

tr圖2-18

GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形

ib90%Ib110%Ib1

0

主要是由發(fā)射結(jié)

勢壘電容和集電

結(jié)勢壘電容充電

產(chǎn)生的。

ic90%Ics

t是用來除去飽和導(dǎo)通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。

2.4.2

電力晶體管■GTR的主要參數(shù)

◆電流放大倍數(shù)

、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關(guān)斷時間toff

◆最高工作電壓

?GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。

?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo

發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時集電極和發(fā)射極間的擊

穿電壓BUcer和BUces

發(fā)射結(jié)反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。

56/89BUcbo

BUcex

BUces

BUcer

BUceo57/892.4.2

電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic。?實際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點?！艏姌O最大耗散功率PcM?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2.4.2

電力晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)

◆當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。

◆發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。

◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。SOAO

IcIcMPSB

UceM

Uce圖2-19

GTR的安全工作區(qū)

58/89二次擊穿功率

PcM

◆安全工作區(qū)（Safe

Operating

Area——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點

連接起來，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。

?GTR工作時不僅不能超過最高電壓UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過二次擊穿臨界線。59/892.4.3

電力場效應(yīng)晶體管■分為結(jié)型和絕緣柵型，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）。■電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，它的特點有：◆驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小?！糸_關(guān)速度快，工作頻率高?！魺岱€(wěn)定性優(yōu)于GTR?！綦娏魅萘啃?，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置。60/892.4.3

電力場效應(yīng)晶體管■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。?當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。?對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。

2.4.3

電力場效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

?是單極型晶體管。

?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷壳半娏OSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

?按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET（Vertical

V-groove

MOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（Vertical

Double-diffused

MOSFET）。

?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。GSD

P溝道b)N-SGDN+P

N+N+P

N+溝道

N+a)GSDN溝道圖2-20

電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

和電氣圖形符號a)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)

電氣圖形符號

61/8962/892.4.3

電力場效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的工作原理?截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，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)通√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，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(dāng)UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，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?！蘒T稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。Gfs

dID63/89

2.4.3

電力場效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性

√指漏極電流ID和柵源間電壓

UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸

出電流的關(guān)系

。

√ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似

線性，曲線的斜率被定義為

MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即圖2-21

電力MOSFET的

轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)

轉(zhuǎn)移特性

(2-11)

dUGS

√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。2.4.3

電力場效應(yīng)晶體管

?輸出特性

√是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)于GTR的飽和區(qū)）三個區(qū)

域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流

不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時

漏極電流相應(yīng)增加。

√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。

?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。?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。

64/89圖2-21

電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

b)

輸出特性◆動態(tài)特性√開通延遲時間td(on)電流上升時間tr

載電阻，RF用于檢R電壓下降時間tfv√關(guān)斷延遲時間td(off)u電壓上升時間trv關(guān)斷時間toff

=

td(off)

+trv+tfiuu?MOSFET的開關(guān)速度和其輸入i電容的充放電有很大關(guān)系，可以降i65/89低柵極驅(qū)動電路的內(nèi)阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。2.4.3

電力場效應(yīng)晶體管tttO

td(on)trtd

(off)tfRG

RRp

DD+U

E

LF

i?開通過程

信號源，Rs為信號

開通時間ton=

td(on)+tr+tfv?關(guān)斷過程

電流下降時間tfi

uup為矩形脈沖電壓源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)

s測漏極電流。

信號

u

p

O

GS

GSP

T

O

D

u

GS(a)

(b)圖2-22

電力MOSFET的開關(guān)過程

a)測試電路

b)

開關(guān)過程波形66/892.4.3

電力場效應(yīng)晶體管?不存在少子儲存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過程是非常迅速的。?開關(guān)時間在10~100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開關(guān)過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動功率，開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。67/892.4.3

電力場效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)◆跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時間參數(shù)?！袈O電壓UDS?標(biāo)稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)?！袈O直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM?標(biāo)稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。◆柵源電壓UGS?柵源之間的絕緣層很薄，

UGS

>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿?！魳O間電容?

CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g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)。68/892.4.4

絕緣柵雙極晶體管■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。而電力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-gateBipolar

Transistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。

2.4.4

絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆IGBT的結(jié)構(gòu)

?是三端器件，具有柵極G、

集電極C和發(fā)射極E。

?由N溝道VDMOSFET與雙

極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實現(xiàn)對漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。

?簡化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。

69/89圖2-23

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RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。70/892.4.4

絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理?IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場控器件。?其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。

√當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。

√當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。?電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。71/89

2.4.4

絕緣柵雙極晶體管■IGBT的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性

√描述的是集電極電流

IC與柵射電壓UGE之間的

關(guān)系。

√開啟電壓UGE(th)是IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。

（a）圖2-24

IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)

轉(zhuǎn)移特性2.4.4

絕緣柵雙極晶體管

?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓

為參考變量時，集電極電

流IC與集射極間電壓UCE

之間的關(guān)系。

√分為三個區(qū)域：正向

阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√當(dāng)UCE<0時，IGBT為

反向阻斷工作狀態(tài)。

√在電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。

72/89

(b)圖2-24

IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

b)

輸出特性73/89

2.4.4

絕緣柵雙極晶體管◆動態(tài)特性

?開通過程

√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

電壓下降時間tfv

開通時間ton=

td(on)+tr+tfv

√tfv分為tfv1和tfv2兩段。

?關(guān)斷過程

√關(guān)斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關(guān)斷時間toff

=

td(off)

+trv+tfi

√tfi分為tfi1和tfi2兩段

?引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度要低于電力MOSFET。圖2-25

IGBT的開關(guān)過程74/892.4.4

絕緣柵雙極晶體管■IGBT的主要參數(shù)◆前面提到的各參數(shù)。◆最大集射極間電壓UCES?由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的?！糇畲蠹姌O電流?包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP?！糇畲蠹姌O功耗PCM?在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。75/892.4.4

絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：?開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。?通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。

?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。76/892.4.4

絕緣柵雙極晶體管■IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)◆IGBT的擎住效應(yīng)?在IGBT內(nèi)部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加一個正向偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。?引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt過大（動態(tài)擎住效應(yīng)），或溫度升高。

?動態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實際上是根據(jù)動態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。77/892.4.4

絕緣柵雙極晶體管◆

IGBT的安全工作區(qū)?正向偏置安全工作區(qū)（Forward

Biased

SafeOperating

Area——FBSOA）√根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。?反向偏置安全工作區(qū)（Reverse

Biased

SafeOperating

Area——RBSOA）√根據(jù)最大集電極電流、最大集射極間電