第二章 電力電子器件.ppt

1、第二章、電力電子器件,2.1 、 電力電子器件的基本模型 2.2 、電力二極管 2.3 、晶閘管 2.4 、可關(guān)斷晶閘管 2.5 、 電力晶體管 2.6 、電力場效應(yīng)晶體管 2.7 、 絕緣柵雙極型晶體管 2.8 、其它新型電力電子器件 2.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù),熟悉和掌握各種電力電子器件的結(jié)構(gòu)、原理、特性 主要參數(shù)和使用方法，是學(xué)好電力電子技術(shù)的前提。 常用電力電子器件電力二極管(PD)、晶閘管 （SCR）及其派生器件、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、 功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（P-MOS)、 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、集成門極換流晶閘管 （IGCT）和功率集成電路(P

2、IC)。 晶閘管（SCR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、集成門極 換流晶閘管（IGCT）是當(dāng)今電力電子技術(shù)中關(guān)鍵的應(yīng) 用器件。,2.1、電力電子器件的基本模型,電力半導(dǎo)體器件是電力電子技術(shù)及其應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)。電力電子技術(shù)的發(fā)展取決于電力電子器件的研制與應(yīng)用。 定義：電力電子電路中能實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制的半導(dǎo)體電子器件稱為電力電子器件（Power Electronic Device）。 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，本書涉及的器件都是指半導(dǎo)體電力電子器件。,2.1.1 電力電子器件的基本模型與特性,在對電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽象成下圖2.1.1所示的理想開關(guān)模

3、型，它有三個電極，其中A和B代表開關(guān)的兩個主電極，K是控制開關(guān)通斷的控制極。它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況，在通態(tài)時其電阻為零，斷態(tài)時其電阻無窮大。導(dǎo)通、截止兩種瞬態(tài)。,圖2.1.1 電力電子器件的理想開關(guān)模型,一、基本模型：,2.1.1 電力電子器件的基本模型與特性,二、基本特性： （1）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 （2）電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)由外電路（驅(qū)動電路）來控制。 （3）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)開關(guān)損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，在其工作時一般都要安裝散熱器。,2.1.2 電力電子器件的種類,一、按器件的開關(guān)控制特性可以分為以下三

4、類： 不可控器件：器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。 如：電力二極管（Power Diode）； 半控型器件：通過控制信號只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的電力電子器件稱為半控型器件。 如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等； 全控型器件：通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷的器件，稱為全控型器件。 如：門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、 功率場效應(yīng)管（Power MOSFET）和絕緣柵雙極型 晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。,二、電力電

5、子器件按門極控制信號 的性質(zhì)不同又可分為兩種：, 電流控制型器件： 此類器件采用電流信號來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制。 如：晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等；, 電壓控制型器件： 這類器件采用電壓控制（場控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號，用小功率信號就可驅(qū)動它工作。 如：代表性器件為 P-MOSFET管和IGBT管。,附表2.1.1:主要電力半導(dǎo)體器件 的特性及其應(yīng)用領(lǐng)域,第二章、電力電子器件,2.1 、電力電子器件的基本模型 2.2 、電力二極管 2.3 、晶閘管 2.4 、可關(guān)斷晶閘管 2.5 、 電力晶體管 2.6 、電力場效應(yīng)晶體管 2.7 、 絕緣柵

6、雙極型晶體管 2.8 、其它新型電力電子器件 2.9 、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù),1、結(jié)構(gòu) 2、工作原理 3、特性 4、參數(shù),2.2 電力二極管,2.2.1 電力二極管及其工作原理 2.2.2 電力二極管的特性與參數(shù),2.2.1 電力二極管及其工作原理,一、電力二極管： 1、電力二極管（Power Diode）也稱為半導(dǎo)體整流器（Semiconductor Rectifier，簡稱SR），屬不可控電力電子器件，是20世紀(jì)最早獲得應(yīng)用的電力電子器件。 2、在中、高頻整流和逆變以及低壓高頻整流的場合發(fā)揮著積極的作用, 具有不可替代的地位。,二、PN結(jié)與電力二極管工作原理：,基本結(jié)構(gòu)和工作、原理與信

7、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)和兩端引線以及封裝組成。 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。,圖2.2.1電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符 a）結(jié)構(gòu) b）外形 c）電氣圖形,二、 PN結(jié)與電力二極管工作原理：,N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié): 空間電荷: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(kuò)散運(yùn)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(fù)電荷但不能任意移動的雜質(zhì)離子。這些不能移動的正、負(fù)電荷稱為空間電荷。 空間電荷區(qū):擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，正、負(fù)空

8、間電荷量達(dá)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(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區(qū)。 內(nèi)電場:空間電荷建立的電場,也稱自建電場，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)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(yùn)動，即漂移運(yùn)動。,二、 PN結(jié)與電力二極管工作原理：,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?fàn)顟B(tài)： 流過反向飽和漏電流，為高阻狀態(tài)。 PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?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

9、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(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD 。,圖2.2.2 電力二極管的伏安特性曲線,勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用,空間電荷變化引起。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。（反向電壓及較小的正向電壓時電容效應(yīng)明顯） 擴(kuò)散電容僅在正向偏置時起作用，多數(shù)載流子運(yùn)動引起。 在正向偏置時，當(dāng)正向電壓較低時，勢壘電容為主；正向電壓較高時，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。 結(jié)電容影響PN結(jié)

10、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。,二、 PN結(jié)與電力二極管工作原理：,勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。 當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子 薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié) 中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。 勢壘電容的示意圖如下。,擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累 而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子， 與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散 過來的電子就堆積在 P 區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成 一定的多子濃度梯度分布曲線。,擴(kuò)散電容示意圖,2.2 電力二極管,2.2

11、.1 電力二極管及其工作原理 2.2.2 電力二極管的特性與參數(shù),2.2.2 電力二極管的特性與參數(shù),1、電力二極管的伏安特性 2、電力二極管的開關(guān)特性 3、電力二極管的主要參數(shù),1、電力二極管的伏安特性,當(dāng)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(dāng)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。,圖2.2.2 電力二極管的 伏安特性曲線,特性曲線:,2.2.2 電力二極管的特性與參數(shù),1、電力二極管的伏安特性 2、電力二極管的開關(guān)特性 3 、電力二極管的

12、主要參數(shù),開關(guān)過程，由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)為阻斷狀態(tài)并不是立即完成，它要經(jīng)歷一個短時的過渡過程； 此過程的長短、過渡過程的波形對不同性能的二極管有很大差異； 理解開關(guān)過程對今后選用電力電子器件，理解電力電子電路的運(yùn)行是很有幫助的，因此應(yīng)對二極管的開關(guān)特性有較清晰的了解。,狀態(tài)：,過程：,導(dǎo)通、阻斷,開通、關(guān)斷,2、電力二極管的開關(guān)特性,定義：反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程（關(guān)斷過程、開通過程）。,（1）關(guān)斷特性：電力二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)過程。如圖（a）所示。電源電壓從正向突然轉(zhuǎn)為反向。 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

13、隨有明顯的反向電壓過沖。（出現(xiàn)時間段不同，電流先出現(xiàn)電壓后出現(xiàn)）,圖2.2.3 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形,二極管反向恢復(fù)過程示意圖,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非平衡少子，達(dá)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。電流上升率越大，UFP越高 。,（2）開通特性：如圖（b）所示 電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)過程。,圖2.2.3 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形,延遲時間：td= t1- t0

14、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。 Tf大， Sr越大，反向電流變化慢，反向尖峰電壓越小。,圖2.2.3 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形,2.2.2 電力二極管的特性與參數(shù),（1）普通二極管：普通二極管又稱整流管（Rectifier Diode），多用于開關(guān)頻率在KHZ以下的整流電路中，其反向恢復(fù)時間在us以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。 （2）快恢復(fù)二極管：反向恢復(fù)時間在us以下的稱為快恢復(fù)二極管（Fast Recovery Diode簡稱FDR）?？旎謴?fù)

15、二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒以上，后者則在100ns以下，其容量可達(dá)1200V/200A的水平, 多用于高頻整流和逆變電路中。 （3）肖特基二極管：肖特基二極管是一種金屬同半導(dǎo)體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為0.40.6V，而且它的反向恢復(fù)時間短，為幾十納秒（10-40ns） 。但反向耐壓在200以下。它常被用于高頻低壓開關(guān)電路或高頻低壓整流電路中。,電力二極管的主要類型：,2.2.2 電力二極管的特性與參數(shù),1、電力二極管的伏安特性 2、電力二極管的開關(guān)特性 3、電力二極管的主要參數(shù),3、電力二極管的主要參數(shù) （選擇二極管依

16、據(jù)）,額定正向平均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。設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im, 則額定電流(平均電流)為:,（2.2.5）,（2.2.4）,（2.2.6）,（2.2.7）,可求出正弦半波電流的波形系數(shù):,定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的 波形系數(shù)（脈動系數(shù)），用Kf表示：,額定電流有效值為:,（1）額定正向平均電流IF(AV),正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時應(yīng)按流過二極管實(shí)際波形電流與工頻正弦半波平均電流熱效應(yīng)相等（即有效值相等）的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有1.52倍的裕量。 當(dāng)用在

17、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(dāng)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 。,選擇二極管電流定額的過程：,求出電路中流過二極管電流的有效值IF ； 求二極管電流定額IFAV，等于有效值IF 除以1.57； 將選定的定額放大1.5到2倍以保證安全。,IF(AV)=(1.52) IF /1.57,如手冊上某電力二極管的額定電流為100A，說明： 允許通過平均值為100A的正弦半波電流； 允許通過正弦半波電流的幅值為314A； 允許通過任意波形的有效值為157A的電流； 在以上所有情況下其功耗發(fā)熱不超過允許值。,指器件中結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高

18、平均溫度。jM通常在125175范圍內(nèi)。,3、電力二極管的主要參數(shù),（2）反向重復(fù)峰值電壓RRM：,指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓） 此電壓通常為擊穿電壓U的2/3。,（3） 正向壓降F：,指規(guī)定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時，器件兩端 的正向平均電壓(又稱管壓降)。,（4） 反向漏電流RR：,指器件對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時的反向電流。,（5）最高工作結(jié)溫jM：,2.1.4 二極管的基本應(yīng)用,整流 續(xù)流,第二章、電力電子器件,2.1 、 電力電子器件的基本模型 2.2 、 電力二極管 2.3 、 晶閘管 2.4 、 可關(guān)斷晶閘管 2.5 、 電力晶體管 2.6 、 電力場效應(yīng)晶體管

19、 2.7 、 絕緣柵雙極型晶體管 2.8 、 其它新型電力電子器件 2.9 、 電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù),2.3 、晶閘管,2.3.1 晶閘管及其工作原理 2.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù) 2.3.3 晶閘管的派生器件,2.3 、晶閘管,晶閘管(Thirsted)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導(dǎo)晶閘管(RCT) 、可關(guān)斷晶閘管(GTO) 和光控晶閘管等。 由于普通晶閘管面世早，應(yīng)用極為廣泛, 因此在無特別說明的情況下,本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。 普通晶閘管：也稱可控硅整流管(Silicon Controlled Rectifier), 簡

20、稱SCR。 由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產(chǎn)水平：4500A/8000V)已被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域, 成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。,2.3.1 晶閘管及其工作原理,（1）外形封裝形式:可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上), 分別由圖2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。 （2）晶閘管有三個電極, 它們是陽極A, 陰極K和門極(或稱柵極)G, 它的電氣符號如圖2.3.1(e)所示。,圖2.3.1 晶閘管的外型 及符號,1、晶閘管的結(jié)構(gòu)：,常用晶閘管的結(jié)構(gòu),螺栓型晶

21、閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu),晶閘管是大功率器件, 工作時產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。 螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上, 采用自然散熱冷卻方式, 如圖2.3.2(a)所示。 平板式晶閘管由兩個彼此絕緣的散熱器緊夾在中間, 散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷, 以獲得較好的散熱效果,如圖2.3.2 (b)、(c)所示。,圖2.3.2 晶閘管的散熱器,逆阻型晶閘管SCR兩個三極管正反饋,晶閘管的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模型,螺栓型,晶閘管型號及其含義,導(dǎo)通時平均電壓組別 共九級, 用字母AI表示0.41.2V,額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者。正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓,額定正向平

22、均電流(IF),如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。,2、晶閘管的工作原理,圖2.3.3 晶閘管的結(jié)構(gòu)模型和等效電路,1）導(dǎo)通：晶閘管陽極施加正向電壓時, 若給門極G也加正向電壓Ug,門極電流Ig經(jīng)三極管T2放大后成為集電極電流Ic2，Ic2又是三極管T1的基極電流, 放大后的集電極電流Ic1進(jìn)一步使Ig增大且又作為T2的基極電流流入。重復(fù)上述正反饋過程，兩個三極管T1、T2都快速進(jìn)入飽和狀態(tài),使晶閘管陽極A與陰極K之間導(dǎo)通。此時若撤除Ug, T1、T2內(nèi)部電流仍維持原來的方向,只要滿足陽極正偏的條件,晶閘管就一直導(dǎo)通。,晶閘管(單向?qū)щ娦?,導(dǎo)通條件為陽極正偏和門極正

23、偏。,雙晶體管模型： T2的集電極與T1基極連 T2的基極與T1集電極連,2. 工作原理,在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。,形成正反饋過程,EA 0、EG 0,A,K,G,晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG ， 依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。,2. 工作原理,EA 0、EG 0,G,2）阻斷：當(dāng)晶閘管A 、K間承受正向電壓，而門極電流Ig=0時, 上述T1和T2之間的正反饋不能建立起來,晶閘管A 、K間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻斷狀態(tài)。,2、晶閘管的工作原理,圖2.3.3 晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和等效電路,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

24、高 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，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。 只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。,其他幾種可能導(dǎo)通的情況：,晶閘管導(dǎo)通的條件：,(1)晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。 (2)晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。,晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。,晶閘管關(guān)斷的條件：,(1)必須使可控硅陽極電流減小，直到正反饋效應(yīng)不能維持。 (2)將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反向電壓。（過零或

25、變負(fù)）,可控開通,關(guān)斷時：,強(qiáng)迫其電流 下降到維持電流以下,通態(tài)時,晶閘管的等值電路,2.3 、晶閘管,2.3.1 晶閘管及其工作原理 2.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù) 2.3.3 晶閘管的派生器件,2.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù),定義：晶閘管陽極與陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關(guān)系曲線稱為晶閘管的伏安特性。 第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。,圖2.3.4 晶閘管陽極伏安特性,UDRM、URRM正、反向斷 態(tài)重復(fù)峰值電壓； UDSM、URSM正、反向斷態(tài) 不重復(fù)峰值電壓； UBO正向轉(zhuǎn)折電壓； URO反向擊穿電壓。,. 晶閘管的伏安特性 ：,正向特性,反向特性,IG2 IG1

26、 IG0,正向轉(zhuǎn)折電壓,反向轉(zhuǎn)折電壓,正向平均電流,維持電流,伏安特性,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稱為維持電流在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。,圖2.3.4 晶閘管陽極伏安特性,（1）晶閘管的正向特性：,晶閘管上施加反向

27、電壓時，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流過。 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加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。,圖2.3.4 晶閘管陽極伏安特性,（2）晶閘管的反向特性：,2. 晶閘管的開關(guān)特性,晶閘管的開通和關(guān)斷過程電壓和電流波形。,2.3.5 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,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 普通晶閘管延遲時間為0.51.5s，上升時間為

28、0.53s。,2.3.5 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,1) 開通過程：,正向阻斷恢復(fù)時間tgr：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(shí)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，電路才可靠“關(guān)斷”。 關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq =trr+tgr,2.3.5 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形,2) 關(guān)斷過程,（1-7),普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。,反向阻斷恢復(fù)時間trr：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,延遲時間：td= t1- t0

29、 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。 Tf大， Sr越大，反向電流變化慢，反向尖峰電壓越小。,圖2.2.3 電力二極管開關(guān)過程中電壓、電流波形,比較二極管：,（3）晶閘管的開通與關(guān)斷時間,1）開通時間tgt： 普通晶閘管的開通時間tgt 約為6s。 開通時間與觸發(fā)脈沖的陡度與觸發(fā)電壓（觸發(fā)電流）大小、結(jié)溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。 2）關(guān)斷時間tq ： 普通晶閘管的tq 約為幾十到幾百微秒。 關(guān)斷時間與元件結(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)。,3. 晶閘管的

30、主要特性參數(shù),1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM : 門極斷開(Ig=0), 元件處在額定結(jié)溫時,正向陽極電壓為正向阻斷不重復(fù)峰值電壓UDSM (此電壓不可連續(xù)施加)的80%所對應(yīng)的電壓(此電壓可重復(fù)施加,其重復(fù)頻率為50HZ，每次持續(xù)時間不大于10ms)。 2）反向重復(fù)峰值電壓URRM : 元件承受反向電壓時,陽極電壓為反向不重復(fù)峰值電壓URRM的80%所對應(yīng)的電壓。 3）晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓通常取UDRM與URRM中的最小值, 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。,（1）晶閘管的重復(fù)峰值電壓額定電壓Ute,（2）晶閘管的額定通態(tài)平均電流額定電

31、流IT(AV),在選用晶閘管額定電流時，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少還要乘以1.52的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。,1）定義：在環(huán)境溫度為40和規(guī)定的冷卻條件下, 晶 閘管在電阻性負(fù)載導(dǎo)通角不小于170的單相工頻正弦 半波電路中, 當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時所允許的 最大通態(tài)平均電流。,這說明額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，其額定有效值為IT = Kf IT(AV) = 157A。,2） IT(AV)計(jì)算方法：,（2.3.3）,（2.3.4）,（2.3.5）,（2.3.4）,根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦波電流時的允許最大平均電流。設(shè)該正弦半波電流

32、的峰值為Im, 則額定電流(平均電流)為：,額定電流有效值為：,現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流波形的波形系數(shù)，用Kf表示：,根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù)：,圖中畫斜線部分為一個2周期中晶閘管的電流波形。若各波形的最大值為Im=100A，試計(jì)算各波形電流的平均值Id1、Id2、Id3和電流有效值I1、I2、I3 。 若考慮2倍的電流安全裕量，選擇額定電流為100A的晶閘管能否滿足要求？,例題,答：,（3）門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓UGT,1）定義：在室溫下，晶閘管加6V正向陽極電壓時，使元件完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門

33、極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。 2）晶閘管由于門極特性的差異，其觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓也相差很大。所以對不同系列的元件只規(guī)定了觸發(fā)電流、電壓的上、下限值。 3）晶閘管的銘牌上都標(biāo)明了其觸發(fā)電流和電壓在常溫下的實(shí)測值，但觸發(fā)電流、電壓受溫度的影響很大，溫度升高，UGT 、IGT 值會顯著降低，溫度降低，UGT 、IGT 值又會增大。為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中，外加門極電壓的幅值應(yīng)比UGT 大幾倍。,（4）通態(tài)平均電壓UT(AV ),1）定義：在規(guī)定環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下， 元件通以正弦半波額定電流時，陽極與陰極間電壓降的平均值，稱通態(tài)平均電壓(又稱管壓降) 2）其數(shù)值按表2.3.3分組

34、在實(shí)際使用中，從減小損耗和元件發(fā)熱來看，應(yīng)選擇T(AV) 小的晶閘管。,表2.3.3 晶閘管通態(tài)平均電壓分組,（5）維持電流 和掣住電流L,1）維持電流： 在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通的最小陽極電流為維持電流H 。（晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。由通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)的臨界） 維持電流與元件容量 、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型號的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下IH 的實(shí)測值。 2）掣(che)住電流L ： 給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱掣住電流L。（由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)）

35、對同一晶閘管來說，掣住電流L 要比維持電流H 大24倍。 (易斷不易通。管子由通態(tài)轉(zhuǎn)為斷態(tài)在溫度較高情況下，故 維持電流H 較?。?（6）通態(tài)電流臨界上升率 di/dt,1、定義：晶閘管能承受而沒有受損害的最大通態(tài)電流上升率稱通態(tài)電流臨界上升率 di/dt。 2、影響：門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到PN結(jié)的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會導(dǎo)致門極附近的結(jié)因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。 晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率。,（7）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt,1）定義：把在規(guī)定條件下，不導(dǎo)致晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)通( 直接

36、從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài))的最大陽極電壓上升率，稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。 2）影響：晶閘管的結(jié)面在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個電容，若突然加一正向陽極電壓，便會有一個充電電流流過結(jié)面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的結(jié)時，產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，如果這個電流過大，將會使元件誤觸發(fā)導(dǎo)通。,2.3 、晶閘管,2.3.1 晶閘管及其工作原理 2.3.2 晶閘管的特性與主要參數(shù) 2.3.3 晶閘管的派生器件,2.3.3 晶閘管的派生器件,可允許開關(guān)頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(Fast Switching Thyrister，簡稱FST)，開關(guān)頻率在10KHZ 以上的稱為高頻晶閘管。 快速晶閘管

37、為了提高開關(guān)速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復(fù)峰值電壓較低，一般在2000V以下。 快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時必須注意產(chǎn)品銘牌上規(guī)定的額定開關(guān)頻率下的du/dt，當(dāng)開關(guān)頻率升高時，du/dt 耐量會下降。,1. 快速晶閘管(Fast Switching ThyristerFST,可認(rèn)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(jì)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(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多。 通常用在交

38、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。,2.3.3 晶閘管的派生器件,圖2.3.6 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,2. 雙向晶閘管(TRIAC),2.3.3 晶閘管的派生器件,1)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。 2)與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)晶閘管具有正壓降小、關(guān)斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)； 3)根據(jù)逆導(dǎo)晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；不具有承受反向電壓的能力，一旦承受即開通。因此只能適用于不需要阻斷反向電壓的電路中；故稱為逆導(dǎo)型。 4)逆導(dǎo)晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)； 5)

39、逆導(dǎo)晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示；,圖2.3.7 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,3. 逆導(dǎo)晶閘管 (RCT),1)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。 2) 小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。 3）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。 4）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，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。,2.3.3 晶閘管的派生器件,圖2.3.8 控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性

40、a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性,4. 光控晶閘管(LTT),第二章、電力電子器件,2. 1、電力電子器件的基本模型 2. 2、電力二極管 2. 3、晶閘管 2. 4、可關(guān)斷晶閘管 2. 5、電力晶體管 2. 6、電力場效應(yīng)晶體管 2. 7、絕緣柵雙極型晶體管 2. 8、其它新型電力電子器件 2. 9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù),2.4 可關(guān)斷晶閘管,可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-Off Thyristor)簡稱GTO。 它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點(diǎn)，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導(dǎo)通，在負(fù)脈沖電流觸發(fā)下關(guān)斷。,2.4 可關(guān)斷晶閘管,2.4.1 可關(guān)斷晶閘

41、管及其工作原理 2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù),2.4.1 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理,與普通晶閘管的相同點(diǎn)： 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(diǎn)：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)部分別并聯(lián)在一起，以便于實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷。,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) 電氣圖形符號,1、可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu),2、可關(guān)斷晶閘管的工作原理 1）GTO的導(dǎo)通機(jī)理與SCR是相同的。GTO一旦導(dǎo)通之后，門極信號

42、是可以撤除的, 但在制作時采用特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷。 2）在關(guān)斷機(jī)理上與SCR是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子)，強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。,T2的電流分配系數(shù)2較大；T1、T2飽和深度較淺。,GTO （Gate Turn-Off Thyristor） 為什么能靠反向觸發(fā)電流關(guān)斷？,采用雙晶體管模型來分析： 分別具有共基電流增益1、2， 由普通晶閘管分析可知： 1+2=1是器件導(dǎo)通的臨界條件。 1+21兩個等效晶體管過飽和使器件導(dǎo)通。 1+21不能維

43、持器件飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。 與普通晶閘管不同的是：2較大，T2管易于控制；1+21更接近1，約為1.05，(而普通晶閘管1.15).飽和程度不深，接近臨界飽和，為門極控制關(guān)斷提供有利條件。,可控開通,關(guān)斷時：,強(qiáng)迫其電流 下降到維持電流以下,通態(tài)時,晶閘管的等值電路,GTO與普通晶閘管不同的是： 1.設(shè)計(jì)器件時使得2較大，晶體管T2控制靈敏。GTO易于關(guān)斷。 2.導(dǎo)通時1+2接近1，接近臨界飽和，為門極控制關(guān)斷提供有利條件，但導(dǎo)通時管壓降增大。 3.多元集成結(jié)構(gòu)使每個GTO元陰極面積很小，門極與陰極間距離大大縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，從而使門極抽出較大的電流。 4.GTO多元集成結(jié)構(gòu)對關(guān)斷有

44、利，更易于關(guān)斷；也比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。,2.4 可關(guān)斷晶閘管,2.4.1 可關(guān)斷晶閘管及其工作原理 2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù),2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù),導(dǎo)通過程與SCR一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr。1-2S。,圖2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的開關(guān)特性,1）開通過程：,1、可關(guān)斷晶閘管的特性,2）關(guān)斷過程：與普通晶閘管不同 儲存時間ts ：抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子，使等效晶體管退出飽和。 下降時間tf ：等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減小。 尾部時間tt ：殘存載流子復(fù)合。通常tf比t

45、s小得多，而tt比ts要長。 門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短。 門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時間。,圖2.4.2 可關(guān)斷晶閘管 的開關(guān)特性,2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù),1、可關(guān)斷晶閘管的特性,2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù),（1）開通時間ton:延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大； （2）關(guān)斷時間toff:一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2s； （3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO

46、:它是GTO的額定電流；,2、可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù),2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù),GTO的門極可關(guān)斷能力可用電流關(guān)斷增益off來表征，最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益； 通常大容量GTO的關(guān)斷增益很小，不超過35。這正是GTO的缺點(diǎn)。一個1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A 。,（2.4.3）,（4）電流關(guān)斷增益off ：,2.4.2 可關(guān)斷晶閘管的特性與主要參數(shù),2）使用時必須注意 ：,3、可關(guān)斷晶閘管的應(yīng)用,1）GTO主要用于直流變換和逆變等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，達(dá)到兆瓦級的數(shù)量

47、級。,不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時應(yīng)和電力二極管串聯(lián) 。,用門極正脈沖可使GTO開通， 用門極負(fù)脈沖可以使其關(guān)斷， 這是GTO最大的優(yōu)點(diǎn)。 但要使GTO關(guān)斷的門極反向電流比較大， 約為陽極電流的/左右。 GTO的通態(tài)管壓降比較大， 一般為23V。（臨界飽和狀態(tài)） GTO有能承受反壓和不能承受反壓兩種類型， 在使用時要特別注意。,2.1 、電力電子器件的基本模型 2.2 、電力二極管 2.3 、晶閘管 2.4 、可關(guān)斷晶閘管 2.5 、 電力晶體管 2.6 、電力場效應(yīng)晶體管 2.7 、絕緣柵雙極型晶體管 2.8 、其它新型電力電子器件 2.9 、電力電子器件的驅(qū)動與

48、保護(hù),第二章、電力電子器件,2.5、 電力晶體管,1) 術(shù)語用法： 電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管） 耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。 在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效 2）應(yīng)用： 20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。,2.5.1 電力晶體管及其工作原理 2.5.2 電力晶體管的特性與主要參數(shù),2.5、 電力晶體管,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,與普通的雙極結(jié)型晶體管基

49、本原理是一樣的。 主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。 通常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)。電流為12倍。 采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。,圖2.5.2 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,產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。 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。,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,（2.5.1）,IC=IB +ICEO,在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。 集電極電流I

50、c與基極電流Ib之比為,GTR的電流放大系數(shù)， 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,（2.5.2）,2.5、 電力晶體管,2.5.1 電力晶體管及其工作原理 2.5.2 電力晶體管的特性與主要參數(shù),2.5.2 電力晶體管的特性與主要參數(shù),深飽和區(qū)：UBE0, UBC0，IB變化時IC不再改變，管壓降UCES很小，類似于開關(guān)的通態(tài)。,圖2.5.3共發(fā)射極接法 時GTR的輸出特性,1、GTR共射電路輸出特性,輸出特性：截止區(qū)(又叫阻斷區(qū))、 線性放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和 區(qū)四個區(qū)域。,截止區(qū)：IB0(或IB=0)，UBE0，UBC

51、0，GTR承受高電壓，且有很小的穿透電流流過，類似于開關(guān)的斷態(tài)；,線性放大區(qū)：UBE0，UBC0， IC=IB，GTR 應(yīng)避免工作在線 性區(qū)以防止大功耗損壞GTR；,準(zhǔn)飽和區(qū)：隨著IB的增大，此時UBE0，UBC0，但I(xiàn)C與IB之間不再呈線性關(guān)系，開始下降，曲線開始彎曲；,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,1）延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。 2）td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。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程 。,圖2.5.4 GTR的開通和 關(guān)斷過程電流波形,2、GTR的開關(guān)特性,（1）開通

52、過程：,關(guān)斷時間tof 為：存儲時間ts和與下降時間tf之和。 ts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。 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，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。 負(fù)面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。 GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,圖2.5.4 GTR的開通和 關(guān)斷過程電流波形,2、GTR的開關(guān)特性,（1）關(guān)斷過程：,集電極電流最大值ICM：一般以值下降到額定值的1213時的IC值定為ICM； 基極電

53、流最大值IBM：規(guī)定為內(nèi)引線允許通過的最大電流，通常取IBM(1/21/6)ICM；,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,3、GTR的主要參數(shù),(1) 電壓定額,(2) 電流定額,集基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開路時，集射極能承受的最高電壓； 集射極擊穿電壓BUCEO：基極開路時，集射極能承受的最高電壓；,(3) 最高結(jié)溫TjM： GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量有關(guān)。 一般情況下，塑封硅管TjM為125150，金封硅管TjM為150170，高可靠平面管TjM為175200。 (4) 最大耗散功率PCM： 即GTR在最高結(jié)溫時所對應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集

54、電極工作電流的乘積。 這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意GTR的散熱，如果散熱條件不好，GTR會因溫度過高而迅速損壞。,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,3、GTR的主要參數(shù)（續(xù)）,(5) 飽和壓降UCES： 為GTR工作在深飽和區(qū)時，集射極間的電壓值。 由圖可知， UCES隨IC增加而增加。在IC不變時，UCES隨管殼溫度TC的增加而增加。,表示GTR的電流放大能力。 高壓大功率GTR (單管 )一般10；,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,圖2.5.5 飽和壓降特性曲線,3、GTR的主要參數(shù)（續(xù)）,(6) 共射直流電流 增益：,=ICIB,一次擊穿 集電極電壓升高至擊穿

55、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(diǎn)時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,4、二次擊穿和安全工作區(qū),（1） 二次擊穿,圖2.5.6 一次擊穿、 二次擊穿原理,圖2.5.7 二次擊穿臨界線,按基極偏置分類可分為正偏安全工作 區(qū)FBSOA和反偏安全工作區(qū)RBSOA。,2.5.1 電力晶體管及其工作原理,4、二次擊穿和安全工作區(qū),（2）安全工作區(qū),安全工作區(qū)SOA(Safe Operation Area)

56、 是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行 的電流、電壓的極限范圍。,正偏安全工作區(qū)又叫開通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域。,反偏安全工作區(qū)又稱GTR的關(guān)斷安全工作區(qū)。它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR關(guān)斷過程中電壓UCE、電流 IC 限制界線所圍成的區(qū)域 。,2.5.1 電力晶體管及其工作原理 （2）、安全工作區(qū),圖2.5.9 GTR的反偏安全工作區(qū),圖2.5.8 GTR正偏安全工作區(qū),正偏安全工作區(qū)FBSOA, 反偏安全工作區(qū)RBSOA,導(dǎo)通時間越短，最大功耗

57、耐量越高。,基極反向電流越小，最大功耗耐量越高。,2.1、電力電子器件的基本模型 2.2、電力二極管 2.3、晶閘管 2.4、可關(guān)斷晶閘管 2.5、電力晶體管 2.6、電力場效應(yīng)晶體管 2.7、 絕緣柵雙極型晶體管 2.8、其它新型電力電子器件 2.9、電力電子器件的驅(qū)動與保護(hù),第二章、電力電子器件,2.6 電力場效應(yīng)晶體管,1）分為結(jié)型場效應(yīng)管簡稱JFET）和絕緣柵金屬-氧化物- 半導(dǎo)體場效應(yīng)管（簡稱MOSFET）。,2）通常指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET。,3）,4）特點(diǎn)：輸入阻抗高(可達(dá)40M以上)、開關(guān)速度快，工作頻率高(開關(guān)頻率可達(dá)1000kHz)、驅(qū)動電路簡單，需要的

58、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)(SOA)寬；電流容量小，耐壓低，一般只適用功率不超過10kW的電力電子裝置。,2.6 、電力場效應(yīng)晶體管,2.6.1 電力場效應(yīng)管及其工作原理 2.6.2電力場效應(yīng)晶體管的特性與主要參數(shù),2.6.1 電力場效應(yīng)管及其工作原理,早期的電力場效應(yīng)管采用水平結(jié)構(gòu)(PMOS)，器件的源極S、柵極G和漏極D均被置于硅片的一側(cè)(與小功率MOS管相似)。存在通態(tài)電阻大、頻率特性差和硅片利用率低等缺點(diǎn)。 20世紀(jì)70的代中期將LSIC垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)應(yīng)用到電力場效應(yīng)管的制作中，出現(xiàn)了VMOS結(jié)構(gòu)。大幅度提高了器件的電壓阻斷能力、載流能力和開關(guān)速度。 20世紀(jì)80

59、年代以來，采用二次擴(kuò)散形成的P形區(qū)和N+型區(qū)在硅片表面的結(jié)深之差來形成極短溝道長度(12m)，研制成了垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散場控晶體管，簡稱為VDMOS。 目前生產(chǎn)的VDMOS中絕大多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型，這是由于P溝道器件在相同硅片面積下，其通態(tài)電阻是N型器件的23倍。因此今后若無特別說明，均指N溝道增強(qiáng)型器件。,1、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu),特點(diǎn)： (1)垂直安裝漏極，實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電，這不僅使硅片面積得以充分利用，而且可獲得大的電流容量； (2)設(shè)置了高電阻率的N區(qū)以提高電壓容量； (3)短溝道(1 2m)降低了柵極下端SiO2層的柵溝本征電容和溝道電阻，提高了開關(guān)頻率； (4)載流子在溝道內(nèi)沿表面流動，然后垂直流向漏極。,2.6.1 電力場效應(yīng)管及其工作原理,VDMOS的典型結(jié)構(gòu),1、電力場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)（續(xù)）,圖2.6.1 N溝道VDMOS管元胞結(jié)構(gòu)與電氣符號,關(guān)斷,導(dǎo)通,導(dǎo)通和關(guān)斷載流子流向示意圖,VDMOS的漏極電流ID受控于柵壓UGS ；,2.6.1 電力場效應(yīng)管及其工作原理,圖2.6.1 N溝道VDMOS管元