第1章電力電子器件

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1、第2章 電力電子器件 2.1 2.1 電力電子器件分類電力電子器件分類2.2 2.2 晶閘管原理與特性晶閘管原理與特性 2.3 2.3 特殊用途晶閘管特殊用途晶閘管2.4 2.4 常用全控型器件常用全控型器件第2章 電力電子器件電力電子器件是構(gòu)成電力電子設(shè)備的基本元器件，是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，其原理、特性和應(yīng)用方法及典型電路決定著電力電子電路及應(yīng)用系統(tǒng)的性能、價格和可靠性。本章介紹電力電子器件的概念、分類、特點(diǎn)，以及各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)及其選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。本章要求掌握電力電子器件的分類、基本電力電子器件的結(jié)構(gòu)、原理、特性，以及使用方法。2.1 電力電

2、子器件分類2.1.1 2.1.1 按受控方式分按受控方式分2.1.2 2.1.2 按載流子類型分按載流子類型分2.1.3 2.1.3 按控制信號性質(zhì)分按控制信號性質(zhì)分2.1.1 按受控方式分1.1.不可控器件不可控器件器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制能力，需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)。這類器件包括普通整流二極管，肖特基(Schottky)整流二極管等。2.2.半可控器件半可控器件通過控制信號只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷。這類器件包括普通晶閘管，快速、光控、逆導(dǎo)、雙向晶閘管等。3.3.全控器件全控器件通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷。GTO、GTR、功率MOSFET、IGBT等均屬于

3、全控型器件。2.1.2 按載流子類型分1.1.單極型器件單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件，稱為單極型器件，如功率MOSFET、靜電感應(yīng)晶體管SIT等。2.2.雙極型器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件，稱為雙極型器件，如PN結(jié)整流管、普通晶閘管、電力晶體管等。3.3.混合型器件混合型器件由單極型和雙極型兩種器件組成的復(fù)合型器件，稱為混合型器件，如IGBT、MCT等。2.1.3 按控制信號性質(zhì)分1.1.電流控制型器件電流控制型器件此類器件采用電流信號來實現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制，代表器件如晶閘管、電力晶體管等。電流控制型器件的特點(diǎn)是：在器件體內(nèi)有電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電，由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向阻斷

4、時，兩種載流子在復(fù)合過程中產(chǎn)生熱量，使器件結(jié)溫升高。過高的結(jié)溫限制了工作頻率的提高，因此，電流控制型器件比電壓控制型器件的工作頻率低。電流控制型器件具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，使其導(dǎo)通壓降很低，導(dǎo)通損耗較小。電流控制型器件的控制極輸入阻抗低，控制電流和控制功率較大，電路也比較復(fù)雜。2.2.電壓控制型器件電壓控制型器件此類器件采用場控原理對其通/斷狀態(tài)進(jìn)行控制，代表器件如功率MOSFET、IGBT等。電壓控制型器件的特點(diǎn)是：輸入阻抗高，控制功率小，控制線路簡單。工作頻率高。工作溫度高，抗輻射能力強(qiáng)。2.2 晶閘管原理與特性2.2.1 2.2.1 晶閘管基本結(jié)構(gòu)晶閘管基本結(jié)構(gòu)2.2.2 2.2.2 晶閘管工

5、作原理晶閘管工作原理2.2.3 2.2.3 晶閘管基本特性晶閘管基本特性2.2.4 2.2.4 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2.2.1 晶閘管基本結(jié)構(gòu)(a)螺栓形螺栓形 (b)平板形平板形 (c)塑封形塑封形 (d)集成封裝形集成封裝形 (e)模塊形模塊形 (f)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) (g)電氣圖形符號電氣圖形符號圖圖2.1 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號2.2.2 晶閘管工作原理1.1.導(dǎo)通導(dǎo)通/關(guān)斷實驗關(guān)斷實驗圖圖2.2 晶閘管導(dǎo)通晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實驗電路關(guān)斷實驗電路2.2.2 晶閘管工作原理歸納以上實驗結(jié)果，可見：1)1)晶閘管導(dǎo)通的條件晶閘管導(dǎo)通的條件陽極加正

6、向電壓，同時門極加合適的正向觸發(fā)電壓。2)2)晶閘管關(guān)斷的條件晶閘管關(guān)斷的條件使流過晶閘管的陽極電流小于維持電流或突加反向電壓。3)3)晶閘管的特點(diǎn)晶閘管的特點(diǎn) 單向?qū)щ娦?；屬半控型半?dǎo)體器件；屬電流控制器件。2.2.2 晶閘管工作原理2.2.晶閘管的基本工作原理晶閘管的基本工作原理1)1)阻斷狀態(tài)分析阻斷狀態(tài)分析當(dāng)門極開路、給晶閘管加正向陽極電壓(陽極電位高于陰極電位)時，則J1和J3結(jié)承受正向電壓；而J2結(jié)承受反向電壓、處于反向偏置狀態(tài)，器件A、K兩端之間處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流，稱為晶閘管的正向阻斷狀態(tài)正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)給晶閘管加反向電壓(陰極電位高于陽極電位)時，J1和J3結(jié)反

7、偏，雖然J2結(jié)承受正向電壓，但晶閘管也不能導(dǎo)通，稱為反向阻斷狀態(tài)反向阻斷狀態(tài)，也僅有極小的反向漏電流通過。當(dāng)門極G開路時，無論在A、K間加正向電壓還是反向電壓，均至少有一個PN結(jié)處于反偏，故其不會導(dǎo)通(正、反向均處于阻斷狀態(tài))，此時晶閘管具有正向和反向阻斷能力。2.2.2 晶閘管工作原理2)導(dǎo)通狀態(tài)分析導(dǎo)通狀態(tài)分析晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖2.3所示。(a)雙晶體管模型 (b)工作原理圖圖2.3 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理2.2.2 晶閘管工作原理S閉合前：IG=0Ib2=0Ic2=0Ib1=0Ic1=0，三極管V1和V2均處于截止

8、狀態(tài)，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。開關(guān)S閉合，則外電路向門極注入電流IG，也就是注入驅(qū)動電流，該電流最初就是晶體管V2的基極電流Ib2，即產(chǎn)生集電極電流Ic2，它又是晶體管Vl的基極電流，經(jīng)V1放大后產(chǎn)生集電極電流Ic1，而Ic1此時等于12Ib2，比最初的驅(qū)動電流IG大了許多。使V2的基極電流進(jìn)一步增大，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，最后V1和V2完全進(jìn)入飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。2.2.3 晶閘管基本特性1.1.晶閘管靜態(tài)伏安特性晶閘管靜態(tài)伏安特性圖圖2.4 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性2.2.3 晶閘管基本特性1)1)正向伏安特性正向伏安特性晶閘管在門極開路(IG=0)的情況下，在陽極與陰極間施加

9、一定的正向陽極電壓，器件也仍處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。外加的陽極正向電壓在其轉(zhuǎn)折電壓以下時，只要在門極注入適當(dāng)?shù)碾娏?一般為毫安級)，器件也會立即進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)。2)2)反向伏安特性反向伏安特性 晶閘管承受反向陽極電壓時，由于J1、J3結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，晶閘管流過的電流僅由各區(qū)少數(shù)載流子形成，只有極小的反向漏電流通過，這就是器件的反向阻斷狀態(tài)。隨著反向電壓的增加，穿過J2結(jié)的少數(shù)載流子稍有增加，反向漏電流逐漸增大。2.2.3 晶閘管基本特性3)晶閘管的門極特性晶閘管的門極特性該門極伏安特性被劃分為三個區(qū)域，一個是不觸發(fā)區(qū)，一個是不可靠觸發(fā)區(qū)，一個是可靠觸發(fā)區(qū)。不觸發(fā)區(qū)是為

10、了使晶閘管具有一定的抗干擾能力。不可靠觸發(fā)區(qū)觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)信號值若在此范圍時，該批晶閘管不會全部都被觸發(fā)導(dǎo)通?？煽坑|發(fā)區(qū)則是為了保證晶閘管可靠安全的觸發(fā)，門極觸發(fā)電路應(yīng)提供的觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流和功率及應(yīng)受到限制的區(qū)域。圖圖2.5 晶閘管門極伏安特性晶閘管門極伏安特性2.2.3 晶閘管基本特性2.2.晶閘管動態(tài)特性晶閘管動態(tài)特性1)晶閘管開通過程第一階段：延遲階段。所需時間為延遲時間td。從門極電流iG階躍時刻開始，到陽極電流iA上升到穩(wěn)態(tài)電流的10所需的時間。在這一期間，晶閘管的正向壓降略有減小。第二階段：上升階段。此階段所需時間為上升時間tr。陽極電流從穩(wěn)態(tài)值的10上升到90所需的時間

11、。在該階段，伴隨著陽極電流迅速增加，器件兩端的壓降uAK也迅速下降。第三階段：擴(kuò)散階段。所需時間為擴(kuò)散時間tex。它是陽極電流上升到90%之后載流子在整個芯片面積上分布的過程，最終使iA上升到100%穩(wěn)態(tài)值，器件壓降達(dá)到穩(wěn)定值。2.2.3 晶閘管基本特性圖圖2.6 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 2.2.3 晶閘管基本特性2)2)晶閘管關(guān)斷過程晶閘管關(guān)斷過程晶閘管的關(guān)斷有三種情況：一種是晶閘管處在正向陽極電壓下，設(shè)法使流過它的電流減小到零，使其關(guān)斷；另一種是使晶閘管的陽極電壓減小到零，迫使流過它的電流減小到零而使其關(guān)斷；第三種情況是給原來處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管兩端加一強(qiáng)制反

12、偏電壓，使其陽極電壓突然由正向變?yōu)榉聪?，迫使電流迅速減小到零而關(guān)斷。2.2.3 晶閘管基本特性3)3)通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率d di i/d/dt t 門極觸發(fā)方式 利用強(qiáng)觸發(fā)來加速初期載流面積擴(kuò)展速度，要求門極脈沖前沿的電流大、上升速度快。但過大的門極電流又會使門極功率超過允許值。因此對大功率晶閘管，門極信號希望具有很陡的脈沖前沿(前沿上升時間 1)，并有幅值是門極電流額定值56倍的強(qiáng)觸發(fā)部分。波形如圖2.7所示。工作頻率 工作頻率越高，開通損耗影響越大，結(jié)溫越高，這就限制了器件的每次開通能量。因此不僅是陽極電流幅值減小，也降低了di/dt承受能力。開通前電壓 元件開通前承受的

13、正向電壓越高，開通過程中的各種損耗相應(yīng)增加。這樣，為了限制晶閘管結(jié)溫，di/dt承受能力就必須加以限制。2.2.3 晶閘管基本特性4)4)斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率d du u/d/dt t因此過高的du/dt，會產(chǎn)生對J2結(jié)過大的充電電流，可能造成晶閘管的誤導(dǎo)通。圖圖2.8 位移電流產(chǎn)生示意圖位移電流產(chǎn)生示意圖2.2.3 晶閘管基本特性5)晶閘管的動態(tài)損耗晶閘管在低頻運(yùn)行時，由于主要工作于穩(wěn)定阻斷或?qū)顟B(tài)，其開、關(guān)過程時間相對較短，該階段產(chǎn)生的損耗可以忽略。該階段的損耗主要是由通態(tài)壓降與陽極電流，以及阻斷電壓和斷態(tài)漏電流產(chǎn)生的靜態(tài)損耗。這種損耗是晶閘管低頻運(yùn)行時結(jié)溫升高的主要因素

14、。然而，晶閘管在高頻運(yùn)行時，晶閘管開關(guān)過程時間占了很大成分，開關(guān)過程中晶閘管的壓降和電流值都較大，產(chǎn)生的損耗更是不容忽略的，這部分損耗稱作動態(tài)損耗。2.2.4 晶閘管的主要參數(shù)1.晶閘管的電壓參數(shù)1)斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM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彎曲處所對應(yīng)的電壓值。它是一個不能重復(fù)且每次持續(xù)時間不大于10ms的斷態(tài)最大峰值電壓。UDSM值小于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，所留裕量大小由生產(chǎn)廠家自行規(guī)定。2)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM晶閘管在門極開路及額定結(jié)溫下，允許每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms，重復(fù)加在晶閘管上的正向峰值電壓。UDRM=0.9

15、UDSM。3)反向不重復(fù)峰值電壓URSM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彎曲處的反向峰值電壓值。它是一個不能重復(fù)施加且持續(xù)時間不大于10ms的反向最大峰值電壓。反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓，所留裕量大小由生產(chǎn)廠家自行規(guī)定。2.2.4 晶閘管的主要參數(shù)4)反向重復(fù)峰值電壓URRM晶閘管門極開路及額定結(jié)溫下，允許每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms，重復(fù)加在晶閘管上的反向最大峰值電壓。URRM=0.9URSM。5)額定電壓將斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM中較小的標(biāo)值作為該晶閘管的額定電壓值。選用晶閘管時，應(yīng)考慮瞬時過電壓等因素的影響，額

16、定電壓要留有一定的安全裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的23倍。6)通態(tài)(峰值)電壓UTM通態(tài)(峰值)電壓是晶閘管通過某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。2.2.4 晶閘管的主要參數(shù)2.2.晶閘管的電流參數(shù)晶閘管的電流參數(shù)1)額定通態(tài)平均電流IT(AV)在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻條件下，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。將該電流按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取整數(shù)值，稱為該晶閘管的通態(tài)平均電流，并定義為該元件的額定電流。2)維持電流I IH 維持電流是指在規(guī)定室溫和門極開路條件下，使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小陽極電流，一般為幾十到幾百毫

17、安。IH與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小。3)擎住電流I 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。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。4)浪涌電流I ITSM浪涌電流是指在規(guī)定條件下，工頻正弦半周期內(nèi)所允許的不重復(fù)性最大正向過載峰值電流。2.2.4 晶閘管的主要參數(shù)3.3.門極參數(shù)門極參數(shù)1)門極觸發(fā)電壓U UGTGT在規(guī)定室溫下，正向陽極電壓為6V，能使晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)所需的最小門極電壓。2)門極觸發(fā)電流I IGTGT在上述條件下，門極觸發(fā)電壓UGT所對應(yīng)的門極電流。4.4.動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)1)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt這是指在額定結(jié)溫

18、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。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。使用中實際電壓上升率必須低于此臨界值。2)通態(tài)電流臨界上升率di/dt這是指在規(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，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。2.2.4 晶閘管的主要參數(shù)5.5.晶閘管的型號表示晶閘管的型號表示2.3 特殊用途晶閘管2.3.1 2.3.1 快速晶閘管快速晶閘管2.3.2 2.3.2 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管2.3.3 2.3.3 雙向晶閘管雙向晶閘管2.

19、3.4 2.3.4 光控晶閘管光控晶閘管2.3.1 快速晶閘管快速晶閘管指所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計的晶閘管，包括常規(guī)工作在400Hz左右的快速晶閘管和工作在10kHz左右或更高頻率的高頻晶閘管，主要應(yīng)用于斬波或逆變電路中。由于快速性的要求，其管心結(jié)構(gòu)和制造工藝都與普通晶閘管有所不同，使得快速晶閘管的開關(guān)時間以及du/dt和di/dt的耐受能力都有了明顯的提高。以關(guān)斷時間為例，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左右。但快速晶閘管的電壓和電流定額受快速性指標(biāo)和制造工藝的限制，仍與普通晶閘管有很大差距。由上節(jié)對普通晶閘管的分析可知，當(dāng)工作頻率較高時，開關(guān)損耗是晶閘管發(fā)

20、熱的主要因素。所以，快速晶閘管開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)對其通態(tài)平均電流的計算有著很大的影響。2.3.2 逆導(dǎo)晶閘管圖圖2.11 逆導(dǎo)晶閘管及圖形符號逆導(dǎo)晶閘管及圖形符號 圖圖2.12 逆導(dǎo)晶閘管的優(yōu)安特性逆導(dǎo)晶閘管的優(yōu)安特性 2.3.3 雙向晶閘管(a)電氣圖形符號電氣圖形符號 (b)伏安特性伏安特性圖圖2.13 雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性2.3.3 雙向晶閘管觸發(fā)方式陽極電壓極性UT1T2門極觸發(fā)電壓UGT2觸發(fā)靈敏度使用情況I+00較高常用I-00較高常用III+0最低一般不用III-00稍低常用 雙向晶閘管的工作模式雙向晶閘管的工作模式 2.3.4 光

21、控晶閘管(a)圖形符號圖形符號 (b)伏安特性伏安特性圖圖2.14 光控晶閘管的圖形符號和伏安特性光控晶閘管的圖形符號和伏安特性 2.4 常用全控型器件2.4.1 2.4.1 功率晶體管功率晶體管GTRGTR2.4.2 2.4.2 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO2.4.3 2.4.3 功率場效應(yīng)晶體管功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)(P-MOSFET)2.4.4 2.4.4 絕緣柵雙極型晶體管絕緣柵雙極型晶體管IGBTIGBT2.4.5 2.4.5 功率集成電路功率集成電路PICPIC2.4 常用全控型器件當(dāng)晶閘管問世后不久，具有全控能力的門極可關(guān)斷晶閘管就已經(jīng)出現(xiàn)。之后，隨

22、著電力電子應(yīng)用技術(shù)的要求和半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了一批又一批、一代又一代全控型、高頻化、采用集成電路制造工藝的電力電子器件。尤其是全控型器件的出現(xiàn)和發(fā)展，給電力電子技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)出一個又一個新的空間。目前，常見的全控型電力電子器件主要有：門極門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應(yīng)晶體管、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、智能功率模塊絕緣柵雙極晶體管、智能功率模塊等。2.4.1 功率晶體管GTR1.1.GTRGTR的結(jié)構(gòu)和基本工作原理的結(jié)構(gòu)和基本工作原理1)1)單管單管GTRGTR(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 (b)圖形符號圖形符號 (c)內(nèi)部

23、載流子的流動內(nèi)部載流子的流動圖圖2.15 GTR的結(jié)構(gòu)、圖形符號和內(nèi)部載流子的流動的結(jié)構(gòu)、圖形符號和內(nèi)部載流子的流動2.4.1 功率晶體管GTR2)2)達(dá)林頓達(dá)林頓GTRGTR圖圖2.16 達(dá)林頓結(jié)構(gòu)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)GTR2.4.1 功率晶體管GTR3)GTR3)GTR模塊模塊為方便現(xiàn)場應(yīng)用，尤其是作為大功率開關(guān)應(yīng)用，生產(chǎn)廠商常根據(jù)不同用途將幾個達(dá)林頓單元電路組裝在一起構(gòu)成GTR模塊?；?qū)⑸鲜鰡卧娐芳芍谱髟谕还杵?，大大提高了器件的集成度，減少了GTR之間的連線，使其體積減小、重量減輕，提高了運(yùn)行可靠性，性能/價格比大大提高。2.4.1 功率晶體管GTR2.GTR2.GTR的基本特性的基本特性

24、1)靜態(tài)特性圖圖2.17 共發(fā)射極接法時共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性的輸出特性2.4.1 功率晶體管GTR2)2)動態(tài)特性動態(tài)特性(a)試驗電路試驗電路 (b)基極和集電極電流波形基極和集電極電流波形圖圖2.18 GTR動態(tài)特性實驗電路與開通和關(guān)斷過程電流波形動態(tài)特性實驗電路與開通和關(guān)斷過程電流波形2.4.1 功率晶體管GTR3.GTR3.GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)1)1)最高工作電壓額定值最高工作電壓額定值圖圖2.19 GTR的不同接線方式及其最高集電極電壓額定值的不同接線方式及其最高集電極電壓額定值 2.4.1 功率晶體管GTR2)2)最大集電極電流額定值最大集電極電流額定值I ICMC

25、M通常規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時，所對應(yīng)的IC為集電極最大允許電流。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(diǎn)。3)3)集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率P PCM CM 集電極最大耗散功率指GTR在最高允許結(jié)溫下對應(yīng)的耗散功率。其值一般都會在手冊上給出。4)4)最高結(jié)溫最高結(jié)溫T TJMJM GTR的最高結(jié)溫是指在正常工作時不損壞器件所允許的最高結(jié)溫。2.4.1 功率晶體管GTR5)飽和壓降飽和壓降UCES工作于深飽和區(qū)的集-射極電壓稱為飽和壓降。6)共射極直流電流增益共射極直流電流增益hFEGTR產(chǎn)品目錄中通常只給出直流電流增益hFE，它為直流工

26、作時的IC/IB。圖圖2.20 飽和壓降特性曲線飽和壓降特性曲線2.4.2 門極可關(guān)斷晶閘管GTO1.GTO1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1)GTO1)GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖圖2.21 GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路和圖形符號的結(jié)構(gòu)、等效電路和圖形符號 2.4.2 門極可關(guān)斷晶閘管GTO2)GTO2)GTO的工作原理的工作原理GTO的工作原理與普通晶閘管相似，也可以用雙晶體管等效模型進(jìn)行分析。其導(dǎo)通過程與普通晶閘管基本相同，有同樣的正反饋過程，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。GTO的關(guān)斷過程與普通晶閘管不同。GTO的關(guān)斷電路與關(guān)斷過程波形如圖2.22所示。關(guān)斷GTO時，給門極加負(fù)脈沖，產(chǎn)生門極電流

27、-IG，此電流使得V1管的集電極電流ICl被分流，V2管的基極電流IB2減小，從而使IC2和IK減小，IC2的減小進(jìn)一步引起IA和IC1減小，又進(jìn)一步使V2的基極電流減小，形成內(nèi)部強(qiáng)烈的正反饋，最終導(dǎo)致GTO陽極電流減小到維持電流以下，GTO由通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)。2.4.2 門極可關(guān)斷晶閘管GTO圖圖2.22 GTO的關(guān)斷電路與關(guān)斷過程波形的關(guān)斷電路與關(guān)斷過程波形2.4.2 門極可關(guān)斷晶閘管GTO2.GTO2.GTO的特性的特性圖圖2.23 GTO的陽極伏安特性的陽極伏安特性 圖圖2.24 GTO開通和關(guān)斷過程中門極電流開通和關(guān)斷過程中門極電流iE和和陽極電流陽極電流iA的電流波形的電流波形 2.4

28、.2 門極可關(guān)斷晶閘管GTO3.GTO3.GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) 1)最大可關(guān)斷陽極電流IATO 它是GTO的額定電流參數(shù)。而普通晶閘管是用通態(tài)平均電流作為額定電流的。2)電流關(guān)斷增益off 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM的絕對值之比稱為電流關(guān)斷增益。3)開通時間ton 開通時間指延遲時間與上升時間之和。GTO的延遲時間一般約12，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。2.4.2 門極可關(guān)斷晶閘管GTO4)關(guān)斷時間toff toff為存儲時間和下降時間之和。5)陽極電壓上升率du/dtGTO保持?jǐn)鄳B(tài)不轉(zhuǎn)向通態(tài)的最大電壓上升率，有靜態(tài)和動態(tài)之分。6)陽極電流上升率di/dt

29、 在陽極電壓為額定電壓1/2時，陽極電流為最大可關(guān)斷電流條件下，開通過程中陽極電流從10%到50間的直線斜率。2.4.3 功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)1.功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)和的結(jié)構(gòu)和基本工作原理基本工作原理MOSFET種類和結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電溝道極性可分為N溝道和P溝道，其圖形符號如圖2.25所示。(a)N溝道溝道 (b)P溝道溝道圖圖2.25 MOSFET的圖形符號的圖形符號2.4.3 功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，功率MOSFET又分為利用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M

30、OS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET)。圖2.26和圖2.27分別示出了它們的一個單元的截面圖。圖圖2.26 VVMOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 圖圖2.27 VDMOSFET的結(jié)構(gòu)及等效電路符號的結(jié)構(gòu)及等效電路符號 2.4.3 功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)2.2.功率功率MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性1)1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性圖圖2.28 功率功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性的轉(zhuǎn)移特性 圖圖2.29 功率功率MOSFET的輸出特性的輸出特性 2.4.3 功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)2)2)動態(tài)特性動態(tài)特性(a)測試電路測試

31、電路 (b)開關(guān)過程波形開關(guān)過程波形圖圖2.30 功率功率MOSFET的開關(guān)過程的開關(guān)過程2.4.3 功率場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)3.3.功率功率MOSFETMOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù) 漏極電壓UDS是標(biāo)稱功率MOSFET電壓定額的參數(shù)。漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM這是表征功率MOSFET電流定額的參數(shù)。柵極擊穿電壓U(BR)GS表征柵源間能承受的最高正反向電壓，一般為20V。漏源擊穿電壓U(BR)DS用于表征功率MOSFET的耐壓極限。極間電容功率MOSFET的三個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS。電壓上升率du/dt耐量有三種形式，即靜態(tài)du/dt、

32、動態(tài)du/dt和二極管恢復(fù)期du/dt。2.4.4 絕緣柵雙極型晶體管IGBT1.IGBT1.IGBT結(jié)構(gòu)和基本工作原理結(jié)構(gòu)和基本工作原理圖圖2.31 IGBT的結(jié)構(gòu)剖面圖的結(jié)構(gòu)剖面圖 (a)等效電路等效電路 (b)圖形符號圖形符號 圖圖2.32 IGBT等效電路與圖形符號等效電路與圖形符號 2.4.4 絕緣柵雙極型晶體管IGBT2.IGBT2.IGBT的基本特性的基本特性1)1)靜態(tài)特性靜態(tài)特性(a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 (b)伏安特性伏安特性圖圖2.33 IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性2.4.4 絕緣柵雙極型晶體管IGBT2)動態(tài)特性動態(tài)特性 IGBT的動態(tài)特性包括開通過程和關(guān)斷過程，如圖2.3

33、4所示。圖圖2.34 IGBT的開關(guān)過程的開關(guān)過程 2.4.4 絕緣柵雙極型晶體管IGBT3.IGBT3.IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)IGBT的主要參數(shù)包括：最大集-射極間電壓UCEM由IGBT內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。目前IGBT的耐壓可達(dá)4500V。最大集電極電流ICM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。2.4.5 功率集成電路PIC1.1.功率模塊功率模塊PMPM圖圖2.35 二極管和晶閘管模塊二極管和晶閘管模塊 2.4.5 功率集成電路PIC圖圖2.36 達(dá)林頓三極管功率模塊達(dá)林頓三極管功率模塊 2.4.5 功率

34、集成電路PIC圖圖2.37 MOSFET功率模塊功率模塊2.4.5 功率集成電路PIC圖圖2.38 AC-DC-AC變頻功率模塊變頻功率模塊2.4.5 功率集成電路PIC2.2.高壓集成電路高壓集成電路HVICHVIC圖圖2.39 300V全橋全橋HVIC 2.4.5 功率集成電路PIC3.3.智能功率集成電路智能功率集成電路SPICSPIC1)1)智能功率開關(guān)智能功率開關(guān)圖圖2.40 BTS-412A單片功率開關(guān)電路結(jié)構(gòu)框圖單片功率開關(guān)電路結(jié)構(gòu)框圖2.4.5 功率集成電路PIC2)2)單片三相逆變器單片三相逆變器圖圖2.41 單片三相逆變器單片三相逆變器2.4.5 功率集成電路PIC4.智能功率模塊智能功率模塊IPMIPM是一種混合集成電路，是IGBT智能化功率模塊的簡稱。它以IGBT為基本功率開關(guān)器件，將驅(qū)動、保護(hù)和控制電路的多個芯片通過焊絲(或銅帶)連接，封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能的、相對獨(dú)立的單元。如構(gòu)成一相或三相逆變器的專用模塊，用于電動機(jī)變頻調(diào)速裝置的需要。圖圖2.42 IPM系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖系列產(chǎn)品的內(nèi)部框圖2.4.5 功率集成電路PIC圖圖2.43 IPM模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)