電力電子技術教學課件第2章 電力電子器件

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1、suct-kyzl預祝你考研成功! 第2章電力電孑器＜斗 2.1 電力電子器件概述 2.2不可控器件一一電力二極管 2.3半控型器件一一晶閘管 2.4典型全控型器件 2.5其他新型電力電子器件 2.6功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 引言 ■模擬和數字電子電路的基礎 一一晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎 一一電力電子器件 ■本章主要內容： ?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、主要參數以及選擇和使用中應注意的 一

2、些問題。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- #/89 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.1.1電力電子器枠_概念和特征 2.1.1 電力電子器件的概念-口特征 2丄2應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本章內容和學習要點 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- ■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，實現電能的 變換或控制的電子器件。 @主電路：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接 承擔電能的變換或控制任務

3、的電路。 @廣義上電力電子器件可分為電真空器件和 半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。 #/89 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.1.1電力電子器枠_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，一般都遠大于 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 在開關狀態(tài)。 ?由信息電子電路來控制，而且需要驅動電路。 ?自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件， 在其工作時一般都需要安裝散熱器。 華南理工考研資料聯(lián)盟

4、（每年更新）:http://suct- @電力電子器件的功率損耗 通態(tài)損耗 -斷態(tài)損耗 開關損耗｛ 開通損耗 關斷損耗 因增 成之 要隨 ±-會。 的輪素 耗損因 損關要 率Jl:±- 功，的 件時耗 器高損 子較率 力頻件 電關器 是開為 耗的成 損件能 態(tài)器可 通當而 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 5/89 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.1.2應用電力電子器件的系統(tǒng)組成 電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路、驅動 電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個系統(tǒng)。 控制電路 圖2-1電力電子器件

5、在實際應用中的系統(tǒng)組成 7/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.1.3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 貧主要是指晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件。 @器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。 ?全控型器件 目前最常用的是IGBT和Power MOSFET。 @通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關 斷。 ?不可控器件 貧電力二極管(PowerDiode) @不能用控制信號來控制其通斷。 華南理工考研

6、資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- ■按照驅動信號的性質 ?電流驅動型 @通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制。 ?電壓驅動型 @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導 通或者關斷的控制。 ■按照驅動信號的波形（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器件的開 通或者關斷的控制。 ?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通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- ■按照載流子參與

7、導電的情況 ?單極型器件 由一種載流子參與導電。 ?雙極型器件 @由電子和空穴兩種載流子參與導電。 ?復合型器件 @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。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 11/89 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.2不可控器件——電力二極管 ■本章內容 ?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、主要參數以及選擇和使用中應注意的 一些問題。 ■學習要點 ?最重要的是掌握其基本特性。 ?掌握電力電子器件的型號命名法，以

8、及其參數和特性 曲線的使用方法。 ?了解電力電子器件的半導體物理結構和基本工作原理。 ?了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 2.2.1 PN結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 2.2.4電力二極管的主要類型 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 13/89 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.2不可控器件——電力二極管?引言 ■電力二極管(PowerDiode)自20世紀50年代初期就獲得 應用，但其結構和原理簡單，工作可

9、靠，直到現在電力二 極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。 ■在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少 的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管和肖特基 二極管，具有不可替代的地位。 整流二極管及模塊 #/89 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理 a) c) 圖2-2電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a）外形b）基本結構c）電氣圖形符號 ■電力二極管是以半 導體PN結為基礎的， 實際上是由一個面積 較大的PN結和兩端引 線以及封裝組成的。 從外形

10、上看，可以有 螺栓型、平板型等多 種封裝。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 17/89 ■二極管的基本原理一PN結的單向導電性 ?當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則 杉成ip區(qū)流入而從N區(qū)流出的黽流，稱為正尚黽流/F， 這就是PN結的正向導通狀態(tài)。 ?當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的 PN結表現為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截 止狀態(tài)。 ? PN結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結反向偏置為截 止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。 @按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種

11、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，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。 @否則PN結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- ■PN結的電容效應 ?稱為結電容C/，又稱為微分電容 ?按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容么和擴散電 容G @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，當正 向電壓較低時，勢壘電容為主。 @擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時， 擴散電容為結電容主要成分。 ?結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀 態(tài)下，可能使其單向導

12、電性變差，甚至不能工作。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.2.2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），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。 與/f對應的電力二極管兩端的 電壓即為其正向電壓降 ?承受反向電壓時，只^^少子 引起的微小而數值恒定的反向 圖2-5電力二極管的伏安特性 漏電流。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 19/89 rr UF t 1 *1 ?

13、 直的時刻 ti:反向電 流達最大 向降的> 正流零刻 to:電為M ^ 變近時 流接的 電率零_ t2:化于刻 2V up b) 圖2-6電力二極管的動態(tài)過程波形 a） 正向偏置轉換為反向偏置 b） 零偏置轉換為正向偏置 ■動態(tài)特性 ?因為結電容的存在，電壓一電流特性是隨 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)之間轉換過程的 開關特性。 ?由正向偏置轉換為反向偏置 ^電力二極管并不能立即關斷，而是須經 過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力， 進入截止狀態(tài)。 @在關斷之前有較大的反向電流出現，并

14、 伴隨有明顯的反向電壓過沖。 @延遲時間：tm-t。 電流下降時|免：tf=t2-12 反向恢復時間：+ tf 恢復特性的軟度：或稱恢復系數， 用&表示。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 圖2-6電力二極管的動態(tài)過程波形 b）零偏置轉換為正向偏置 ?由零偏置轉換為正向偏置 ^先出現一個過沖經 過 一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降 的某個值（如2V） o @正向恢復時間卜 @出現電壓過沖原因:電 導調制效應起作用所需的大量 少子需要一定的時間來儲

15、存， 在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較 大；正向電流的上升會因器件 自身的電感而產生較大壓降。 電流上升率越大，&越高。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.2.3電力二極管的主要參數 ■正向平均電'^iF(AV) ?指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度(簡稱 殼溫，用t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。 c0^ ^iF(AV)^按照電流的發(fā)0效應來定義的，使用時應按有 效值相弩的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。 ■正向壓降 ?指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正

16、 向電流時對應的正向壓降。 ■反向重復峰值電壓 ?指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。 ?使用時，應當留有兩倍的裕量。 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- ■最高工作結溫 ?結溫是指管芯pn結的平均溫度，用77表示。 ?最高工作結溫是指在pn結不致?lián)p壞的前提下 所能承受的最高平均溫度。 ? 通常在125?175°C范圍之內。 ■反向恢復時間^ ■浪涌電流 ?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。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 21/89 suct-kyzl預祝你考研成功！

17、 2.2.3電力二極管的主要參數 ■按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性 能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用 的電力二極管。 ?普通二極管(General Purpose Diode) 1^又稱整流二極管(Rectifier Diode)，多 用于開關頻率不高(1kHz以下)的整流電路中。 @其反向恢復時間較長，一般在5)is以上。 @其正向電流定額和反向電壓定額可以達到 很局。 ?快恢復二極管（Fast Recovery Diode FRD） @恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短（一 般在5//S1以下）。 @快恢復外延二極管（Fast Recovery Epit

18、axial Diodes——FRED），采用外延型P-i-N結構，其 反向恢復時間更短（可低于50^），正向壓降也很 低（0.9V左右）。 @從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等 級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則 在100則以下，甚至達到20~30wso 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- ?肖特基二極管（Scho ttky Barrie r Dio de SBD ） @屬于多子器件 @優(yōu)點在于：反向恢復時間很短（10?40fm），正向恢 復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，明顯低于快恢復二極管；因此， 其

19、開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率 局。 @弱點在于：當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，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 25/89 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.3半控器件一晶閘管?引言 2.3.1晶閘管的結構與工作原理 2.3.2晶閘管的基本特性 2.3.3晶閘管的主要參數 2.3.4晶閘管的派生器件 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct-

20、■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。 ■ 1956年美國貝爾實驗室(Bell Laboratories)發(fā)明了晶閘管，至lj 1957年美國通用電氣公司(General Electric)開發(fā)出了世界上第一只 晶閘管產品，并于1958年使其商業(yè)化。 ■由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地 位。 晶閘管及模塊 27/89 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct-

21、 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.3.1晶閘管的結構與工作原理 ■晶閘管的結構 ?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 構。 ?引出陽極A、陰極K 和門極（控制端）G Go— 三個聯(lián)接端。 #/89 ?內部是PNPN四層 半導體結構。 圖2-7晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a）外形b）結構c）電氣圖形符號 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.3.1晶閘管的結構與工作原理 29/89 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http:/

22、/suct- ?! ■晶閘管的工作原理 ?按照晶體管工作原理， 可列出如下方程： (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) I cl = + ^CBOl T = n T -k T ± cl A7 t i CBO2 =IA+IG 人4 =Icl+Ic2 a) b) 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  式中七和^分別是晶體管 vjav2的共基極電流增益; 和分別是 Vi 和 V2 的共基極漏電流。 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.3.1晶閘管

23、的結構與工作原理 由以上式（2-1）?（2-4）可得 _ a2/G + ’CBO1 + ’CBO2 門;、 A C _‘） 1 + 6/2 ） ?晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下是很小的，而當 發(fā)射極電流建立起來之后，a迅速增大。 ?在晶體管阻斷狀態(tài)下，么=0,而七+a，是很小的。由上式 可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是軸大于兩個晶體管 漏電流之和。 ?如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致 a7+a2趨近于1的話，流過晶閘管的電流/4 （陽極電流）將 趨近手無窮大，從而實現器件飽和導通。 ?由于外電路負載的限制，人實際上會維持有限值。 華南理工考研資料

24、聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- ■除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況 ?陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應 ?陽極電壓上升率dw/ck過高 ?結溫較高 ?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用于高壓電力設備中 之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只 有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 31/89 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.3.2晶閘管的基本特性 ■靜態(tài)特性 ?正常工作時的特性 @當晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電

25、 流，晶閘管都不會導通。 @當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，晶閘管都保持導通。 @若要使己導通的晶閘管關斷，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 數值以下。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- ?晶閘管的伏安特性 逆正向特性 4當/ =訓寸，如果在器件 兩端彘加正向電壓，則晶 閘管處于正向阻斷狀態(tài)， 只有很小的正向漏電流流 \'如果正向電壓超過臨界 極限即正向轉折電壓 則漏電流急劇增大，器ft 開通。 V隨著門極電

26、流幅值的增 大，正向轉折電歷降低， 晶閘管本身的壓降很小， 在IV左右。 乂如果門極電流為零，并 且陽極電流降至接近于零 的某一數值&以下，則晶 閘管又回到向阻斷狀態(tài)， 稱為維持電流。 圖2-9晶閘管的伏安特性 Ig2 >Igi >Ig 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 37/89 圖2-9晶閘管的伏安特性 \其伏安特性類似二極管的 反向特性。 V晶閘管處于反向阻斷狀態(tài) 時，只有極小的反向漏電流通 ilo V當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，導致晶閘管發(fā)熱損壞。 華南理工考研資料聯(lián)

27、盟（每年更新）:http://suct- 圖2-10晶閘管的開通和關斷過程波形 ■動態(tài)特性 ?開通過程 @由于晶閘管內部的正反饋 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。 牙延遲時間(0.5-1.5p.s) 上升時間今(0.5-3(is) 開通時間 @延遲時間ft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 路電感的嚴重影響。提高陽極 電壓，延遲時間和上升時間都 可顯著縮短。 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- ?關斷過程 @由于外電路電感的存在，原處

28、于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突90% 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。 0 @反向阻斷恢復時間& 正向阻斷恢復時間& 關斷時間&=&+& @關斷時間約幾百微秒。 - ^在正向阻斷恢復時間內如果重 新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管 會重新正向導通，而不是受門極電（ 流控制而導通。 尖峰電壓 II_|— 反向恢復電 流最大值 ZIT gr 圖2-10晶閘管的開通和關斷過程波形 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suc

29、t-kyzl預祝你考研成功！ 2.3.3晶閘管的主要參數 ■電壓定額 ?斷態(tài)重復峰值電壓％胃 @是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向 峰值電壓（見圖2-9）。 @國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓為斷態(tài)不重復峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）1^>^的90%。 @斷態(tài)不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓乙^。 ?反向重復峰值電壓 @是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向 峰值電壓（見圖2-8）。 @規(guī)定反向重復峰值電壓為反向不重復峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）％_的90%。 @反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）

30、:http://suct- ?通態(tài)（峰值）電壓 @晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電 壓。 ?通常取晶閘管的中較小的標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 @國標規(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)定結溫不超過額定結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)熱效應來定義的。 @一般取其通態(tài)平均電流為按發(fā)熱效應相等（即有效值相等）的 原則所得計算結果的1.5-2倍。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:

31、http://suct- ?維持電流7^ @維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小電流， 一般為幾十到幾百毫安。 1^結溫越高，則越小。 ?擎住電流么 @擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號 后，能維持導通所需的最小電流。 貧約為么的2~4倍 ?浪涌電 @指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的 不重復性最大正向過載電流。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- ■動態(tài)參數 ?開通時間&和關斷時間~ ?斷態(tài)電壓ifc界上升率dM/d/ @在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從 斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。 @電壓

32、上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘 管誤導通。 ?通態(tài)電流臨界上升率d//d/ @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。 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 41/89 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.3.4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。 ?快速晶閘管的開關時間以及da/df和的耐量都有了 明顯改善。 ?從關斷時間來看，普通晶閘管一般為數百微秒，快速 晶閘管為數

33、十微秒，而高頻晶閘管則為10戶左右。 ?高頻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損耗的發(fā)熱效應。 a) b) 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 ■雙向晶閘管(TriodeAC Switch TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor) ?可以認為是一對反并聯(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)導通，在第 I和第III象限有對稱的伏安特 十生。 ?雙向晶閘管通常用在交流 電路

34、中，因此不用平均值而用 有效值來表示其額定電流值。 43/89 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.3.4晶閘管的派生器件 I逆導晶閘管（Reverse Conducting Thyristor RCT） 圖2-12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 ?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， 旦承受反向電壓即開通。 ?具有正向壓降小、關斷 時間短、高溫特性好、額 定結溫高等優(yōu)點，可用于 不需要阻斷反向電壓的電 路中。

35、 45/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- ■光控晶閘管（Light Triggered Thyristor LTT） A ?是利用一定波長的光 照信號觸發(fā)導通的晶閘管。G< K ?由于采用光觸發(fā)保證 了主電路與控制電路之間 a） 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。 1 / w光強度aa /強 弱 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 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.4典型全控型器件?引言 2.4.1

36、門極可關斷晶閘管 2.4.2電力晶體管 2.4.3電力場效應晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管 ■門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現。 ■ 20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個 嶄新時代。 ■典型代表——門極可關斷晶閘管、電力晶體管、 電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。 電力MOSFET IGBT單管及模塊 47/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.4.1門極可關斷晶閘管 ■晶閘管的一種派生器件，但 可以通過在門極施加負的脈沖 電流使其關斷，因而屬于全控 型器件。 IG

37、TO的結構和工作原理 ? GTO的結構 @是PNPN四層半導體結 構。 圖2-14 GTO的內部結構和電氣圖形符號 a） 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b） 并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c） 電氣圖形符號 @是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個 極，但內部則包含數十個甚 至數百個共陽極的小GTO 元，這些GTO元的陰極和門 極則在器件內部并聯(lián)在一起。 A?— ^Ea a） b） 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 ? 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，Vp V2的共基極電流 增益分別是

38、cq、《2。?7+?2=1是器件臨 界導通的條件，大于1導通，小于1則 關斷。 @GTO與普通晶閘管的不同 乂設計較大，使晶體管乂2控制靈 敏，易于gYo關斷。 V導通時更接近1，導通時接 近臨界飽和，有和門極控制關斷，但 導通時管壓降增大。 乂多元集成結構，使得？2基區(qū)橫向 電阻很小，能從門極抽出較大電流。 ^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。 &而關斷時，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&和么的 減小使a^a2

39、 GTO的動態(tài)特性 ?開通過程與普通晶閘管 類似。 ?關斷過程 @儲存時間4 下降時間9 尾部時間 貧通常~比^小得多，而 比么要長， 載復需 存子所間 殘流合時 圖2-15 GTO的開通和關斷過程電流波形 @門＜負脈沖電流幅值 越大，前沿越fe，△減錘 短。使門極負脈沖的號沿 緩慢衰減，在卻介段仍能 保持適當的負電壓，則可 以縮短尾部時間。 「IGTO的主要參數 ? GTO的許多參數都和普通晶閘管相應的參數意義相同。 ?最大可關斷陽極電流 @用來標稱GTO額定電流。 ?電流關斷增益成ff @最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值之比。 ^一般很小，只有5

40、左右，這是GTO的一個主要缺點。 ?開通時間& @延遲時間與上升時間之和。 @延遲時間一般約1?2戸，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而 增大。 ?關斷時間^ @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^。 ■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，應和電力二極管串聯(lián)使用。 51/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.4.2電力晶體管 ■電力晶體管(Giant Transistor GTR) 按英文直譯為巨

41、型晶體管，是一種耐高電壓、 大電流的雙極結型晶體管(Bipolar Junction Transistor BJT) ■ GTR的結構和工作原理 ?與普通的雙極結型晶體管基本原理是一 樣的。 ?最主要的特性是耐壓高、電流大、開關 特性好。 基極b發(fā)射極e基極b C 空穴流 /x 電 子 流 -7(1+wb b) ) 圖2-16 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動 a）內部結構斷面示意圖b）電氣圖形符號c）內部載流子的流動 ? GTR白勺結構 @采用g少由兩個晶

42、體管按達林頓接法組成的單元結構，并采用集 成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。 ^GTR是由三層半導體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成 的兩個PN結（集電結和發(fā)射結）構成，多采用NPN結構。 @在應用中，GTR—般采用共發(fā)射極接 法。集電極電流與基極電流么之比為 ic 哨 b+I ⑽ (2_9) 所爾為GTR的電流放大系數，它反映 了基極電流對集電極電流的控制能力。 當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流/_ 時，4和4的關系為 C） 圖2-16 c）內部載流子的流動 @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 達林頓接法可以有效地增大電流增益。 GT

43、R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。 牙在電力電子電路中， GTR工作在開關狀態(tài)，即工 作在截止區(qū)或飽和區(qū)。 U （ 圖2-17共發(fā)射極接法時 GTR的輸出特性 @在開關過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時， 一般要經過放大區(qū)。 ?動態(tài)特性 @開通過程 V需要經過延遲時間~和上升時 間&二者之和為開通時間 必曾大基極驅動電流&的幅值并 增大dijdt，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。 @關斷過程 V需要經過儲存時間~和下降時 間&二者之和為關斷時間 乂減小導通時的飽和深度

44、以減 小儲存的載流子，或者增大基極 抽取負電流么2的幅值和負偏壓， 可以縮短儲#時間，從而加快關 斷速度。 90%/ V 1 J 10%/ 導的斷) 和區(qū)關分 飽基是部 去在.要 除存的i 來儲子的 用時流間 是通載時 ofl 圖2-18GTR的開通和關斷過程電流波形 ^GTR的開關時間在幾微秒以內 t匕晶閘管和GTO都短很多。 「IGTR的主要參數 ?電流放大倍數/?、直流電流增益么^、集電極與發(fā)射極間漏電流/eeQ、 集電極和發(fā)射極間飽和壓降開通時間Q和關斷時間^ ?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

45、本身的特性有關，還與外電路的接法有關。 @發(fā)射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓 基極開路時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 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 BUcJWBUces 發(fā)射結反向偏置時集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓 且存在以下關系： BUcb0 >BUcex>BUces>B Ucer > BUceo @實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比低得 多。 ?集電極最大允許電流 @規(guī)定直流電流放大系數/^￡下降到規(guī)定的 1/2?1/3時所對應的總。 @實際使用時要留有較大裕量，只能用到的 一半或稍多一點。 ?集電極最大耗散功率

46、 @指在最高工作溫度下允許的耗散功率。 @產品說明書中在給出時總是同時給出殼溫 Tc,間接表示了最高工作溫度。 口 GTR的二次擊穿現象與安全工作區(qū) ?當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大， 這種首先出現的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。 ?發(fā)現一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流，忍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，這種現象稱為二次擊 穿。 ^出現一次擊穿后，GTR—般不會損壞，二次擊穿常常立即導致器 件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對GTR危害極大。 ?安全工作區(qū)(Safe Operating Area SOA) 圖

47、2-19 GTR的安全工作區(qū) @將不同基極電流下二次擊穿的臨界點 連接起來，就構成了二次擊穿臨界線。 ?=GTR工作時不僅不能超過最高電壓 UceM，集電極最大電流和最大耗散功 率/^M,也不能超過二次擊穿臨界線。 59/89 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.4.3電力場效應晶體管 ■分為結型和絕緣柵型，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，

48、它的特點有： ?驅動電路簡單，需要的驅動功率小。 ?開關速度快，工作頻率高。 ?熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 ?電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過 10kW的電力電子裝置。 ■電力MOSFET的結構和工作原理 ?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。 @對于N （P）溝道器件，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。 ?電力MOSFET的結構 @是單極型晶體管。 @結構上與小功率MOS管有較大區(qū) 別，小功率MOS管是橫向導電器件，而

49、目前電力MOSFET大都采用了垂直導電 結構，所以又稱為VMOSFET (Vertical MOSFET)，這夬大提高了MOSFET器 件的耐壓和耐電流能力。 @按垂直導電結構的差異，分為利用 V型槽實現垂直導電的VVMOSFET N+ 溝道 N' D D S S N溝道 P溝道 圖2-20電力MOSFET的結構 和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 (Vertical V-groove MOSFET)和具有 垂直導電雙擴散MOS結構的DMOSFET (Vertical Double-difTused MOSFET) o @電力MOSFET

50、也是多元集成結構。 ?電力MOSFET的工作原理 @截止：當漏源極間接正電壓，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PNg/,反偏，漏源極之間 無電流流過。 貧導通 V在柵極和源極之間加一正電壓正電壓會將其下 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。 V當大于某一電壓值％時，使P型半導體反型成N型 半導體，該反型層形成N溝道而使PN結JJ消失，漏極和 源極導電。 介M爾為開啟電壓（或閾值電壓），超過％越多， 導電能力越強，漏極電流4越大。 63/89 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- suct-kyz

51、l預祝你考研成功！ 2.4.3電力場效應晶體管 ■電力MOSFET的基本特性 ?靜態(tài)特性 1^轉移特性 指漏極電流和柵源間電壓 的關系，反映了輸入電壓和輸 出電流的關系。 必D較大時，與的關系近似 線性，曲線的斜率被定義為 MOSFET的跨導％，即 a） 圖2-21電力MOSFET的 轉移特性和輸出特性 a）轉移特性 Gts=^t (211) W是電壓控制型器件，其輸入阻 抗極高，輸入電流非常小。 b) 圖2-21 電力 MOSFET 的轉移特性和輸出特性 b）輸出特性 @輸出特性 V是MOSFET的漏極伏安特性。 W截止區(qū)（對應于GTR的截止

52、區(qū)）、 飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）、非飽 和區(qū)（對應于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 電流相應增加。 W工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽 和區(qū)之間來回轉換。 @本身結構所致，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，對器件并 聯(lián)時的均流有利。 65/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.4.3電力場效應晶體管 0 □ O u u, 圖2-22電力MOSFET的開關過程

53、a)測試電路b＞開關過程波形 GS GSP O 3 J S ZD 側漏極電流。 ?動態(tài)特性 @開通過程 W開通延遲時間 電流上升時間冬 電壓下降時間~ 開通時間t0= ta(ol0 @關斷過程 々關斷延遲時間~_ 電壓上升時間fn， 電流下降時間& ^為矩形脈沖電壓 信號源，尺為信號 源內阻，為柵極 電阻，&為漏極負 戟電阻，用于檢 關斷時間 toff=td(OJJ)^tri 貧MOSFET的開關速度和其輸入 電容的充放電有很大關系，可以降 低柵極驅動電路的內阻盡，從而減 小柵極回路的充放電時間常數，加 快開關速度。 &不存在少子儲存效應，因而其

54、關斷過程是 非常迅速的。 @開關時間在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。 &在開關過程中需要對輸入電容充放電，仍 需要一定的驅動功率，開關頻率越高，所需 要的驅動功率越大。 ■電力MOSFET的主要參數 ?跨導開啟電壓％以及開關過程中的各時間參數。 ?漏-電壓 逆標稱電力MOSFET電壓定額的參數。 ?漏極直流電流4和漏極脈沖電流幅值 免標稱電力MOSFET電流定額的參數。 ?柵源電壓t/a @柵源之間的絕緣層很薄，|t/^|>20V將導致絕緣層 擊穿。 ?極間電容 Cgs、CGjD 和 Cds。 ?漏源間的耐壓、漏極

55、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)。 69/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.4.4絕緣柵雙棱晶#管 ■ GTR和GTO是雙極型電流驅動器件，由于具有 電導調制效應，其通流能力很強，但開關速度較 低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。而電力 MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關速度快， 輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅 動電路簡單。絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT)綜合了 GTR 和MOSFET

56、的優(yōu)點，因而具有良好的特性。 <| #/89 華南理工考研資料聯(lián)盟(每年更新):http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.4.4絕緣柵雙極晶體管 柵極 n ^1 | I 1ST KT /漂移區(qū) /緩沖區(qū) 區(qū) 管基區(qū)內的 十 調制電阻。 G-I E b) ■ IGBT的結構和工作原理 ? IGBT的結構 @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多一層注入 區(qū)，實現對漂移區(qū)電導率進行i 制，

57、使得IGBT具有很強的通流 能力。 @簡化等效電路表明，IGBT 是用GTR與MOSFET組成的達 林頓結構，相當于一個由 MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶 體管。 圖2-23 IGBT的結構、 簡化等效電路和電氣圖 形符號a）內部結構斷 面示意圖b）簡化等效 電路c）電氣圖形符號 71/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.4.4絕緣柵雙棱晶#管 ?IGBT的工作原理 ^IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一種場 控器件。 @其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓決定的。 W當

58、柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時， MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使 得IGBT關斷。 @電導調制效應使得電阻減小，這樣高耐壓的IGBT也 具有很小的通態(tài)壓降。 ■ IGBT的基本特性 ?靜態(tài)特性 @轉移特性 々描述的是集電極電流 &與柵射電壓之間的 關系。 移特性和輸出特性 a）轉移特性 々開啟電壓uGE⑽是 IGBT能實現電導調制而 導通的最低柵射電壓，隨 溫度升高而略有下降。 （b） 圖2-24 IGBT的轉 移特性和輸出特性 b）輸出特性 1^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 流乙與集射極間電壓

59、之間的關系。 V分為三個區(qū)域：正向 阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。 V 當 t7^<0 時，IGBT 為 反向阻斷工作狀態(tài)。 乂在電力電子電路中， IGBT工作在開關狀態(tài)， 因而是在正向阻斷區(qū)和飽 和區(qū)之間來回轉換。 77/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- 圖2-25 IGBT的開關過程 ?動態(tài)特性 @開通過程 W開通延遲時間 電流上升時間匕 電壓下降時間~ 開通時間~,,= t^+tr+ lfv 人分為和兩段。 ^關斷過程‘ W關斷延遲時間 電壓上升時間fn， 電流下降時間& 關斷時間 toff=td(oJJ)+t^tfi 人

60、分為知和知兩段 @引入了少子儲存現象，因而 IGBT的開關速度要低于電力 MOSFET o ■ IGBT的主要參數 ?前面提到的各參數。 ?最大集射極間電壓 @由器件內部的PNP晶體管所能承受的擊穿電 壓所確定的。 ?最大集電極電流 @包括額定直流電流T^dlms脈寬最大電流Tcp。 ?最大集電極功耗Pou @在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。 ? IGBT的特性和參數特點可以總結如下 @開關速度高，開關損耗小。 @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

61、。 @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 通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高 的特點。 ■ IGBT的擎住效應和安全工作區(qū) ?IGBT的擎住效應 內部寄生著一個N-PN+晶體管和作為主開 關器件的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生壓降，相當于對七結施加一 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，這種現象稱為擎住效應或自鎖效應。 @引發(fā)擎住效應的原因，可能是集電極電流過大（靜 態(tài)擎住效

62、應），dUCE/dt過大（動態(tài)擎住效應），或溫度 升高。 @動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應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動態(tài) 擎住效應而確定的。 suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.5其他新型電力電子器件 ? IGBT的安全工作區(qū) 氓正向偏H安全工作區(qū)(Forward Biased Safe Operating Area FBSOA) 々根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和 最大彙黽極功耗確定。 @反向偏H安全工作區(qū)(Reverse Biased Safe Operating Area RBSOA) 々根據最大集電極電流、最大集射極間

63、電壓和 最大允許黽壓上^^dUCEldt。 2.5.1 MOS控制晶閘管MCT 2.5.2靜電感應晶體管SIT 2.5.3靜電感應晶閘管SITH 2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT 2.5.5基于寬禁帶半導體材料的電力 電子器件 #/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct- suct-kyzl預祝你考研成功！ 2.5.2靜電感應晶體管SIT MCT (MOS Controlled Thyristor)是將 MOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。 ■結合了MOSFET的高輸入阻抗、低驅動功率、 快速的開關過程和晶閘管的高電壓大電流、低導通 壓

64、降的特點。 ■由數以萬計的MCT元組成，每個元的組成為： 一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的 MOSFET,和一個控制該晶閘管關斷的MOSFETo ■其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量 都遠未達到預期的數值，未能投入實際應用。 ■是一種結型場效應晶體管。 ■是一種多子導電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相 當，甚至超過電力MOSFET,而功率容量也比電力 MOSFET大，因而適用于高頻大功率場合。 ■柵極不加任何信號時是導通的，柵極加負偏壓時關斷， 這被稱為正常導通型器件，使用不太方便，此外SIT通態(tài)電 阻較大，使得通態(tài)損耗也大，因而SIT還未在大多數電力電 子設備中得到廣泛應用。 #/89 華南理工考研資料聯(lián)盟（每年更新）:http://suct-kyzl