電力電子技術：第2章 電力電子器件 (4)

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1、第第2章章 電力電子器件電力電子器件 2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 2.6 2.6 功率集成電路與集成電力電子模塊功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結本章小結 引言引言模擬和數(shù)字電子電路的基礎模擬和數(shù)字電子電路的基礎 晶體管和集成電路等電子器件晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎電力電子電路的基礎 電力電子器件電力電子器件本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：對

2、電力電子器件的對電力電子器件的概念概念、特點特點和和分類分類等問題作等問題作了簡要概述了簡要概述。分別介紹各種常用電力電子器件的分別介紹各種常用電力電子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的以及選擇和使用中應注意的一些問題。一些問題。2.1 2.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 2.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成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電力電子器件的分類 2.1.4 本章內(nèi)容和學習要點本章內(nèi)容和學習要點2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器

3、件的概念和特征電力電子器件的概念電力電子器件的概念 電力電子器件（電力電子器件（Power Electronic Device）是是指可直接用于處理電能的指可直接用于處理電能的主電路主電路中，實現(xiàn)電能的中，實現(xiàn)電能的變換或控制的變換或控制的電子器件電子器件。主電路：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接主電路：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的電路。承擔電能的變換或控制任務的電路。廣義上電力電子器件可分為電真空器件和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。半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。2.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器

4、件的概念和特征電力電子器件的特征電力電子器件的特征 所能處理所能處理電功率電功率的大小，也就是其承受電壓和的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠大于電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠大于處理信息的電子器件。處理信息的電子器件。為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在在開關狀態(tài)開關狀態(tài)。由信息電子電路來控制由信息電子電路來控制,而且需要而且需要驅(qū)動電路驅(qū)動電路。自身的自身的功率損耗功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝在其工作時一般都需要安裝散熱器散熱器。2.1.1 電力電子器件

5、的概念和特征電力電子器件的概念和特征通態(tài)損耗通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。是電力電子器件功率損耗的主要成因。當器件的開關頻率較高時，當器件的開關頻率較高時，開關損耗開關損耗會隨之增會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。大而可能成為器件功率損耗的主要因素。通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關損耗開關損耗開通損耗開通損耗關斷損耗關斷損耗電力電子器件的功率損耗電力電子器件的功率損耗2.1.2 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成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，一般是由電力電子器件在實際應用中，一般是由控制電路控制電路、驅(qū)動驅(qū)動電路電路和以電力電子器件為核心的和以電力電子器

6、件為核心的主電路主電路組成一個系統(tǒng)。組成一個系統(tǒng)。電氣隔離電氣隔離圖圖2-1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成2.1.3 電力電子器件的分類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按照能夠被控制電路信號所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。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。流決定的。全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。通過控制信號既可以控制其

7、導通，又可以控制其關通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。斷。不可控器件不可控器件 電力二極管（電力二極管（Power Diode）不能用控制信號來控制其通斷。不能用控制信號來控制其通斷。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照驅(qū)動信號的性質(zhì)按照驅(qū)動信號的性質(zhì) 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出通過從控制端注入或者抽出電流電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓電壓信號就可實現(xiàn)導信號就可實現(xiàn)導通或者關斷的控制。通或者關斷的控制。按照驅(qū)動信號的波形（

8、電力二極管除外按照驅(qū)動信號的波形（電力二極管除外）脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過在控制端施加一個電壓或電流的通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖脈沖信號來實現(xiàn)器件的開信號來實現(xiàn)器件的開通或者關斷的控制。通或者關斷的控制。電平控制型電平控制型 必須通過必須通過持續(xù)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電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流信號來使器件開通并維持維持在導通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。在導通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。2.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照載流子參與導電的情況按照載流子參與導電的情況 單極型器件單極型器件 由一種由一種載

9、流子載流子參與導電。參與導電。雙極型器件雙極型器件 由由電子電子和和空穴空穴兩種載流子參與導電。兩種載流子參與導電。復合型器件復合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，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。也稱混合型器件。2.1.4 本章內(nèi)容和學習要點本章內(nèi)容和學習要點本章內(nèi)容本章內(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它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作工作原理原理、基本特性基本特性、主要參數(shù)主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的以及選擇和使用中應注意的一些問題

10、。一些問題。學習要點學習要點 最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握電力電子器件的掌握電力電子器件的型號命名法型號命名法，以及其，以及其參數(shù)參數(shù)和和特性特性曲線曲線的使用方法。的使用方法。了解電力電子器件的了解電力電子器件的半導體物理結構半導體物理結構和和基本工作原理基本工作原理。了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理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電力二極管的基本特性 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要

11、參數(shù) 2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言電力二極管（電力二極管（Power Diode）自自20世紀世紀50年代初期就獲得年代初期就獲得應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。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的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管快恢復二極管和和肖特基肖特基二極管二極管，具有不可

12、替代的地位。，具有不可替代的地位。整流二極管及模塊整流二極管及模塊AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理電力二極管是以半電力二極管是以半導體導體PN結結為基礎的為基礎的,實際上是由一個面積實際上是由一個面積較大的較大的PN結結和和兩端引兩端引線線以及以及封裝封裝組成的。組成的。從外形上看，可以有從外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多種封裝。種封裝。圖圖2-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a)外形外形 b)基本結構基本結構 c)電氣圖形符號電氣圖形符號2.2.1 PN結與電力

13、二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理二極管的基本原理二極管的基本原理PN結的結的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦?當當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自形成自P區(qū)流入而從區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為區(qū)流出的電流，稱為正向電流正向電流IF，這就是這就是PN結的正向?qū)顟B(tài)。結的正向?qū)顟B(tài)。當當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現(xiàn)為結表現(xiàn)為高阻態(tài)高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。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結具

14、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，破壞過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截結反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿反向擊穿。按照機理不同有按照機理不同有雪崩擊穿雪崩擊穿和和齊納擊穿齊納擊穿兩種形式兩種形式。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)，定范圍內(nèi)，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。結仍可恢復原來的狀態(tài)。否則否則PN結因過熱而燒毀，這就是結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿熱擊穿。2.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理PN結的電容效應結的電容效應 稱為

15、稱為結電容結電容CJ，又稱為，又稱為微分電容微分電容 按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電容CB和和擴散電擴散電容容CD 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓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。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。擴散電容為結電容主要成分。結電容影響結電容影響PN結的結的工作頻率工作頻率，特別是在高

16、速開關的狀，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作。態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向電壓大到一定值（正向電壓大到一定值（門檻門檻 電壓電壓UTO），正向電流才開始），正向電流才開始 明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與與IF對應的電力二極管兩端的對應的電力二極管兩端的 電壓即為其電壓即為其正向電壓降正向電壓降UF。承受反向電壓時，只有承受反向電壓時，只有少子少子 引起的微小而數(shù)值恒定的引起的微小而數(shù)值恒定的反向反向 漏電流漏電

17、流。IOIFUTOUFU圖圖2-5 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 動態(tài)特性動態(tài)特性 因為因為結電容結電容的存在，電壓的存在，電壓電流特性是隨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，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)

18、換過程的并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關特性開關特性。由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置由正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 電力二極管并不能立即關斷，而是須經(jīng)電力二極管并不能立即關斷，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，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)。進入截止狀態(tài)。在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并在關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。伴隨有明顯的反向電壓過沖。延遲時間延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間電流下降時間：tf=t2-t1 反向恢復時間反向恢復時間：trr=td+tf 恢復特性的軟度恢復特性的軟度：tf/td，或稱恢復系，或稱

19、恢復系 數(shù)，數(shù)，用用Sr表示。表示。t0:正向正向電流降電流降為零的為零的時刻時刻t1:反向電反向電流達最大流達最大值的時刻值的時刻t2:電流變電流變化率接近化率接近于零的時于零的時刻刻2.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 先出現(xiàn)一個先出現(xiàn)一個過沖過沖UFP，經(jīng)，經(jīng)過過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如的某個值（如2V）。）。正向恢復時間正向恢復時間tfr 出現(xiàn)電壓過沖的原因出現(xiàn)電壓過沖的原因:電電導調(diào)制效應導調(diào)制效應起作用所需的大量起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存

20、，少子需要一定的時間來儲存，在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件大；正向電流的上升會因器件自身的自身的電感電感而產(chǎn)生較大壓降。而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率電流上升率越大，越大，UFP越高。越高。圖圖2-6 電力二極管的動態(tài)過程波形電力二極管的動態(tài)過程波形 b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置 2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流正向平均電流IF(AV)指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大表示）和散熱條件下，其

21、允許流過的最大工工頻正弦半波電流頻正弦半波電流的平均值。的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有有效值相等效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。正向壓降正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正穩(wěn)態(tài)正向電流向電流時對應的正向壓降。時對應的正向壓降。反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。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，應當留有使用時，應當留有兩倍兩倍的

22、裕量。的裕量。2.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)最高工作結溫最高工作結溫TJM 結溫是指管芯結溫是指管芯PN結的平均溫度，用結的平均溫度，用TJ表示。表示。最高工作結溫是指在最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下結不致?lián)p壞的前提下所能承受的所能承受的最高平均溫度最高平均溫度。TJM通常在通常在125175 C范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。反向恢復時間反向恢復時間trr浪涌電流浪涌電流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工頻周期的過電流。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向

23、漏電流等性按照正向壓降、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。的電力二極管。普通二極管（普通二極管（General Purpose Diode）又稱又稱整流二極管（整流二極管（Rectifier Diode），多，多用于開關頻率不高（用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。以下）的整流電路中。其其反向恢復時間反向恢復時間較長，一般在較長，一般在5 s以上以上。其其正向電流定額正向電流定額和和反向電壓定額反向電壓定額可以達到可以達到很高。很高。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型快恢復二極管

24、（快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD）恢復過程恢復過程很短，特別是很短，特別是反向恢復過程反向恢復過程很短（一很短（一般在般在5 s以下）以下）?？旎謴屯庋佣O管快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），采用，采用外延型外延型P-i-N結構結構，其，其反向恢復時間更短（可低于反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很），正向壓降也很低（低（0.9V左右）。左右）。從性能上可分為從性能上可分為快速恢復快速恢復和和超快速恢復超快速恢復兩個等兩個等級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或更長，后者則級。前者反向恢復時間為數(shù)百納秒或

25、更長，后者則在在100ns以下，甚至達到以下，甚至達到2030ns。2.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型肖特基二極管（肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD）屬于屬于多子多子器件器件 優(yōu)點在于：優(yōu)點在于：反向恢復時間反向恢復時間很短（很短（1040ns），正向恢），正向恢復過程中也不會有明顯的復過程中也不會有明顯的電壓過沖電壓過沖；在反向耐壓較低的情；在反向耐壓較低的情況下其況下其正向壓降正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其其開關損耗開關損耗和和正向?qū)〒p耗正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率都比快速二極

26、管還要小，效率高。高。弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場以下的低壓場合；合；反向漏電流反向漏電流較大且對較大且對溫度溫度敏感，因此敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗反向穩(wěn)態(tài)損耗不不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。2.3 半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 2.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 2.3.4 晶閘管

27、的派生器件晶閘管的派生器件2.3 2.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言晶閘管（晶閘管（Thyristor）是）是晶體閘流管晶體閘流管的簡稱，又稱作的簡稱，又稱作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被簡稱為可控硅。，以前被簡稱為可控硅。1956年美國貝爾實驗室（年美國貝爾實驗室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（年美國通用電氣公司（General Electric）開發(fā)出了世界上第一只）開發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化。年使其

28、商業(yè)化。由于其能承受的由于其能承受的電壓和電流容量電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的應用場合仍然具有比較重要的地的應用場合仍然具有比較重要的地位。位。晶閘管及模塊晶閘管及模塊2.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構晶閘管的結構 從外形上來看，晶從外形上來看，晶閘管也主要有閘管也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型兩種封裝結兩種封裝結構構。引出引出陽極陽極A、陰極陰極K和和門極（控制端）門極（控制端）G三個聯(lián)接端。三個聯(lián)接端。內(nèi)部是內(nèi)部是PNPN四層四層半導體結構。半導體結

29、構。圖圖2-7 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號 a)外形外形 b)結構結構 c)電氣圖形符號電氣圖形符號 2.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理圖圖2-8 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 a)雙晶體管模型雙晶體管模型 b)工作原理工作原理 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 按照晶體管工作原理，按照晶體管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分別是晶體管分別是晶體管V1和和V2

30、的共基極電流增益；的共基極電流增益；ICBO1和和ICBO2分別是分別是V1和和V2的共基極漏電流。的共基極漏電流。2.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。迅速增大。在晶體管在晶體管阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)下，下，IG=0，而，而 1+2是很小的。由上式是很小的。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。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

31、致如果注入觸發(fā)電流使各個晶體管的發(fā)射極電流增大以致 1+2趨近于趨近于1的話，流過晶閘管的電流的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）（陽極電流）將將趨近于趨近于無窮大無窮大，從而實現(xiàn)器件，從而實現(xiàn)器件飽和導通飽和導通。由于外電路負載的限制，由于外電路負載的限制，IA實際上會維持實際上會維持有限值有限值。)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)2.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理除門極觸發(fā)外其他幾種可能導通的情況除門極觸發(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(shù)值造成陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應雪

32、崩效應 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結溫結溫較高較高 光觸發(fā)光觸發(fā)這些情況除了這些情況除了光觸發(fā)光觸發(fā)由于可以保證控制電路與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。只之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只有有門極觸發(fā)門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。是最精確、迅速而可靠的控制手段。2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性 正常工作時的特性正常工作時的特性 當晶閘管承受當晶閘管承受反向電壓反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電時，不論門極是否有觸發(fā)

33、電流，晶閘管都不會導通流，晶閘管都不會導通。當晶閘管承受當晶閘管承受正向電壓正向電壓時，僅在時，僅在門極門極有有觸發(fā)電流觸發(fā)電流的的情況下晶閘管才能開通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，晶閘管都保持導通觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導通。若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一電流降到接近于零的某一數(shù)值以下數(shù)值以下。2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性晶

34、閘管的伏安特性 正向特性正向特性 當當IG=0時，如果在器件時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向閘管處于正向阻斷狀態(tài)阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流只有很小的正向漏電流流過。過。如果正向電壓超過臨界如果正向電壓超過臨界極限即極限即正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件則漏電流急劇增大，器件開通開通。隨著隨著門極電流幅值門極電流幅值的增的增大，大，正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓降低，降低，晶閘管本身的壓降很小，晶閘管本身的壓降很小，在在1V左右。左右。如果門極電流為零，并如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值的某一數(shù)

35、值IH以下，則晶以下，則晶閘管又回到閘管又回到正向阻斷正向阻斷狀態(tài)，狀態(tài)，IH稱為稱為維持電流維持電流。圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向轉(zhuǎn)正向轉(zhuǎn)折電壓折電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性類似其伏安特性類似二極管二極管的的反向特性。反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的時，只有極小的反向漏電流反向漏電流通通過。過。當反向電壓超過一定限度，當反向電壓超過一定限度，到到反向擊穿電壓

36、反向擊穿電壓后，外電路如后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導致晶閘管發(fā)熱損壞。劇增大，導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖圖2-9 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折電壓電壓Ubo正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性動態(tài)特性動態(tài)特性 開通過程開通過程 由于晶閘管內(nèi)部的由于晶閘管內(nèi)部的正反饋正反饋 過程過程需要時間，再加上需要時間，再加上外電路外電路 電感電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不可能

37、后，其陽極電流的增長不可能 是是瞬時瞬時的。的。延遲時間延遲時間td(0.51.5 s)上升時間上升時間tr (0.53 s)開通時間開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨延遲時間隨門極電流門極電流的增的增 大而減小大而減小,上升時間除反映晶上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還受到閘管本身特性外，還受到外電外電 路電感路電感的嚴重影響。提高的嚴重影響。提高陽極陽極 電壓電壓,延遲時間和上升時間都延遲時間和上升時間都 可顯著縮短?？娠@著縮短。圖圖2-10 晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtg

38、rURRMIRMiA陽極電流穩(wěn)陽極電流穩(wěn)態(tài)值的態(tài)值的10%2.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性關斷過程關斷過程 由于由于外電路電感外電路電感的存在，原處的存在，原處于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突于導通狀態(tài)的晶閘管當外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流然由正向變?yōu)榉聪驎r，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。在衰減時必然也是有過渡過程的。反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr 正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr 關斷時間關斷時間tq=trr+tgr 關斷時間約幾百微秒。關斷時間約幾百微秒。在在正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間內(nèi)如果重內(nèi)如果重新對晶閘管施加新對晶閘管施加正向電壓正

39、向電壓，晶閘管，晶閘管會重新正向?qū)?，而不是受門極電會重新正向?qū)?，而不是受門極電流控制而導通。流控制而導通。圖圖2-10 晶閘管的開通和關斷過程波形晶閘管的開通和關斷過程波形100%反向恢復反向恢復電流最大電流最大值值尖峰電壓尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)電壓定額電壓定額 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖2-9）。）。國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓國標規(guī)定斷態(tài)重復峰值

40、電壓UDRM為斷態(tài)不重復峰值電壓（即為斷態(tài)不重復峰值電壓（即 斷態(tài)最大瞬時電壓）斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的的90%。斷態(tài)不重復峰值電壓應低于斷態(tài)不重復峰值電壓應低于正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖2-8）。）。規(guī)定反向重復峰值電壓規(guī)定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向為反向不重復峰值電壓（即反向 最大瞬態(tài)電壓）最大瞬態(tài)電壓）URSM的的90%。反向不重復峰值電壓應低于反向不重復峰值電壓應低于反向擊

41、穿電壓反向擊穿電壓。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)（峰值）電壓通態(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。壓。通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較小的標值作為該器件的中較小的標值作為該器件的額定電壓額定電壓。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23倍倍。電流定額電流定額 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV）國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40 C和

42、規(guī)定的和規(guī)定的冷冷 卻狀態(tài)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。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)熱效應發(fā)熱效應來定義的。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原則所得計算結果的1.52倍。倍。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)維持電流維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小最小電流，

43、電流，一般為幾十到幾百毫安。一般為幾十到幾百毫安。結溫結溫越高，則越高，則IH越小。越小。擎住電流擎住電流 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，能維持導通所需的后，能維持導通所需的最小最小電流。電流。約為約為IH的的24倍倍 浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的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不重復性最大正向過載電流最大正向過載電流。2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 開通時間開通時間tgt和關斷時間和關斷時間tq 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界

44、上升率du/dt 在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從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(zhuǎn)換的斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通管誤導通 。通態(tài)電流臨界上升率通態(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在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大最大通態(tài)電流上升率通態(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如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。損壞。2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件快速晶

45、閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST）有有快速晶閘管快速晶閘管和和高頻晶閘管高頻晶閘管?？焖倬чl管的快速晶閘管的開關時間開關時間以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明顯改善。明顯改善。從從關斷時間關斷時間來看，普通晶閘管一般為來看，普通晶閘管一般為數(shù)百數(shù)百微秒，快速微秒，快速晶閘管為晶閘管為數(shù)十數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為微秒，而高頻晶閘管則為10 s左右。左右。高頻晶閘管的不足在于其高頻晶閘管的不足在于其電壓電壓和和電流電流定額都不易做高。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由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻

46、晶閘管的通態(tài)平均電流時不能忽略其通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗開關損耗的發(fā)熱效應。的發(fā)熱效應。2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）可以認為是一對可以認為是一對反并聯(lián)聯(lián)反并聯(lián)聯(lián) 接接的普通晶閘管的集成的普通晶閘管的集成。門極使器件在主電極的正門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，在第反兩方向均可觸發(fā)導通，在第和第和第III象限有象限有對稱的伏安特對稱的伏安特性性。雙向晶閘管通常用在交流雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此

47、不用平均值而用電路中，因此不用平均值而用有效值有效值來表示其額定電流值。來表示其額定電流值。圖圖2-11 雙向晶閘管的電氣圖形雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性符號和伏安特性a)電氣圖形符號電氣圖形符號 b)伏安特性伏安特性 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆導晶閘管（逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）是將是將晶閘管反并聯(lián)一個晶閘管反并聯(lián)一個二極管二極管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向電壓反向電壓的能力，一的能力，一旦承受反向電壓即開通。旦承受反向電壓即開通

48、。具有正向壓降小、關斷具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點，可用于定結溫高等優(yōu)點，可用于不需要阻斷反向電壓的電不需要阻斷反向電壓的電路中。路中。圖圖2-12 逆導晶閘管的電氣圖形符號逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性 a)電氣圖形符號電氣圖形符號 b)伏安特性伏安特性 2.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件AGKa)AK光強度強弱b)OUIA光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）是利用一定波長的是利用一定波長的光光照信號照信號觸發(fā)導通的晶閘管。觸發(fā)導通的晶閘管。由于采用光觸發(fā)保證由于采用光觸發(fā)

49、保證了主電路與控制電路之間了主電路與控制電路之間的的絕緣絕緣，而且可以避免電，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在晶閘管目前在高壓大功率高壓大功率的場合的場合。圖圖2-13 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性號和伏安特性 a)電氣圖形符號電氣圖形符號 b)伏安特性伏安特性 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 2.4.2 電力晶體管電力晶體管 2.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關斷晶閘管

50、在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)。20世紀世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。嶄新時代。典型代表典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管、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。電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力電力MOSFETIGBT單管及模塊單管及模塊2.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但晶閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于電流使其關斷，因而屬于全控全控型器件型器件。GTO的結構和工作原理的結構和

51、工作原理 GTO的結構的結構 是是PNPN四層半導體結四層半導體結 構構。是一種多元的功率集成是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個器件，雖然外部同樣引出個 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚 至數(shù)百個共陽極的至數(shù)百個共陽極的小小GTO 元元，這些，這些GTO元的元的陰極陰極和和門門 極極則在器件內(nèi)部則在器件內(nèi)部并聯(lián)并聯(lián)在一起。在一起。圖圖2-14 GTO的內(nèi)部結構和電氣圖形符號的內(nèi)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并聯(lián)單元結構斷面示意圖 c)電氣圖形符號電氣圖形符號 2.4.1 門極可關斷

52、晶閘管門極可關斷晶閘管 圖圖2-8 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型 及其工作原理及其工作原理 a)雙晶體管模型雙晶體管模型 b)工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如圖仍然可以用如圖2-8所示的所示的雙晶體雙晶體管模型管模型來分析，來分析，V1、V2的共基極電流的共基極電流增益分別是增益分別是 1、2。1+2=1是器件臨是器件臨界導通的條件，大于界導通的條件，大于1導通，小于導通，小于1則則關斷。關斷。GTO與普通晶閘管的不同與普通晶閘管的不同 設計設計 2較大，使晶體管較大，使晶體管V2控制控制 靈靈敏，易于敏，易于GTO關斷。關斷。導通時導通時 1+2更接近更接

53、近1，導通時接，導通時接近近臨界飽和臨界飽和，有利門極控制關斷，但，有利門極控制關斷，但導通時管導通時管壓降壓降增大。增大。多元集成結構，使得多元集成結構，使得P2基區(qū)基區(qū)橫向橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。電阻很小，能從門極抽出較大電流。2.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時只不過導通時飽和程度飽和程度較淺。較淺。而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流出電流，當兩個晶體管發(fā)射極電流IA和和IK的的減小使減小使 1+21時，器件退出時，器件

54、退出飽和飽和而關斷。而關斷。GTO的的多元集成結構多元集成結構使得其比普通晶閘管使得其比普通晶閘管開通過程開通過程更快，承受更快，承受di/dt的能力增強。的能力增強。49/892.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性 開通過程與普通晶閘管開通過程與普通晶閘管類似。類似。關斷過程關斷過程 儲存時間儲存時間ts 下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要長。要長。門極負脈沖電流門極負脈沖電流幅值幅值越大，越大，前沿前沿越陡，越陡，ts就越就越短。使門極負脈沖的短。使門極負脈沖的后沿后沿緩慢衰減，在緩慢衰減，在t

55、t階段仍能階段仍能保持適當?shù)谋３诌m當?shù)呢撾妷贺撾妷?，則可，則可以縮短以縮短尾部時間尾部時間。圖圖2-15 GTO的開通和關斷過程電流波形的開通和關斷過程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導通時抽取飽和導通時儲存的大量載流儲存的大量載流子的時間子的時間等效晶體管從飽等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐漸減陽極電流逐漸減小時間小時間 殘存殘存載流載流子復子復合所合所需時需時間間 2.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù) GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同。的許多參

56、數(shù)都和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同。最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO 用來標稱用來標稱GTO額定電流額定電流。電流關斷增益電流關斷增益 off 最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值與門極負脈沖電流最大值IGM之比。之比。off一般很小，只有一般很小，只有5左右，這是左右，這是GTO的一個主要缺點。的一個主要缺點。開通時間開通時間ton 延遲延遲時間與時間與上升上升時間之和。時間之和。延遲時間一般約延遲時間一般約12 s，上升時間則隨，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值通態(tài)陽極電流值的增大而的增大而 增大。增大。關斷時間關斷時間toff 一般指一般指儲存儲存時間

57、和時間和下降下降時間之和，而不包括時間之和，而不包括尾部尾部時間。時間。儲存時間隨儲存時間隨陽極電流陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于的增大而增大，下降時間一般小于2 s。不少不少GTO都制造成都制造成逆導型逆導型，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電壓時，應和壓時，應和電力二極管電力二極管串聯(lián)使用。串聯(lián)使用。2.4.2 電力晶體管電力晶體管電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的大電流的雙極結型晶體管（雙極結型晶體管（Bipolar Junct

58、ion TransistorBJT）GTR的結構和工作原理的結構和工作原理 與普通的雙極結型晶體管基本原理是一與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。樣的。最主要的特性是最主要的特性是耐壓高耐壓高、電流大電流大、開關開關特性好。特性好。GTR的結構的結構 采用至少由兩個晶體管按采用至少由兩個晶體管按達林頓接法達林頓接法組成的單元結構，并采用集組成的單元結構，并采用集成電路工藝將許多這種單元成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)并聯(lián)而成。而成。GTR是由是由三層半導體三層半導體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個的兩個PN結（集電結和發(fā)射結）構成，多采用結（集電結

59、和發(fā)射結）構成，多采用NPN結構。結構。2.4.2 電力晶體管電力晶體管圖圖2-16 GTR的結構、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動的結構、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動a)內(nèi)部結構斷面示意圖內(nèi)部結構斷面示意圖 b)電氣圖形符號電氣圖形符號 c)內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動+表示高表示高摻雜濃摻雜濃度，度，-表表示低摻示低摻雜濃度雜濃度 2.4.2 電力晶體管電力晶體管Iiiceobc空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+)ib圖圖2-16 c)內(nèi)部載流子的流動內(nèi)部載流子的流動 iibc在應用中，在應用中，GTR一般采用共發(fā)射極接一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流法。集電極電流ic

60、與基極電流與基極電流ib之比為之比為 稱為稱為GTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，它反映，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。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)射極間的漏電流當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，時，ic和和ib的關系為的關系為 單管單管GTR的的 值比處理信息用的小功值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為率晶體管小得多，通常為10左右，采用左右，采用達林頓接法達林頓接法可以有效地增大電流增益?？梢杂行У卦龃箅娏髟鲆妗?2-9)(2-10)2.4.2 電力晶體管電力晶體管GTR的基本特性的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 在在共發(fā)射極共發(fā)射極接法時的典

61、接法時的典 型輸出特性分為型輸出特性分為截止區(qū)截止區(qū)、放放 大區(qū)大區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)三個區(qū)域。三個區(qū)域。在電力電子電路中，在電力電子電路中，GTR工作在工作在開關狀態(tài)開關狀態(tài)，即工，即工 作在作在截止區(qū)截止區(qū)或或飽和區(qū)飽和區(qū)。在開關過程中，即在截在開關過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng)過一般要經(jīng)過放大區(qū)放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib220V將導致絕緣層將導致絕緣層擊穿。擊穿。極間電容極間電容 CGS、CGD和和CDS。漏源間的漏源間的耐壓耐壓、漏極最大允許、漏極最大允許電流電流和最大和最大耗散功率耗散功率決決定了電力定了電力M

62、OSFET的安全工作區(qū)。的安全工作區(qū)。2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管GTR和和GTO是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有是雙極型電流驅(qū)動器件，由于具有電導調(diào)制效應，其通流能力很強，但開關速度較電導調(diào)制效應，其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。而電力低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動器件，開關速度快，是單極型電壓驅(qū)動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)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。動電路簡單。絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolar Tra

63、nsistorIGBT或或IGT）綜合了綜合了GTR和和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。的優(yōu)點，因而具有良好的特性。2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理 IGBT的結構的結構 是三端器件，具有是三端器件，具有柵極柵極G、集電極集電極C和和發(fā)射極發(fā)射極E。由由N溝道溝道VDMOSFET與與雙雙 極型晶體管極型晶體管組合而成的組合而成的IGBT，比比VDMOSFET多一層多一層P+注入注入 區(qū)，實現(xiàn)對漂移區(qū)電導率進行調(diào)區(qū)，實現(xiàn)對漂移區(qū)電導率進行調(diào) 制，使得制，使得IGBT具有很強的具有很強的通流通流 能力。能力。簡化等效電路表明，簡化等效電路

64、表明，IGBT 是用是用GTR與與MOSFET組成的組成的達達 林頓林頓結構，相當于一個由結構，相當于一個由 MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶晶 體管。體管。圖圖2-23 IGBT的結構、的結構、簡化等效電路和電氣簡化等效電路和電氣圖形符號圖形符號a)內(nèi)部結構內(nèi)部結構斷面示意圖斷面示意圖 b)簡化等簡化等效電路效電路 c)電氣圖形符電氣圖形符號號RN為晶體為晶體管基區(qū)內(nèi)的管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。調(diào)制電阻。2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的工作原理的工作原理 IGBT的驅(qū)動原理與電力的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種基本相同，是一種場場控控器件。器件。其開通

65、和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。決定的。當當UGE為正且大于開啟電壓為正且大于開啟電壓UGE(th)時，時，MOSFET內(nèi)形成內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。導通。當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，當柵極與發(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，使內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得得IGBT關斷。關斷。電導調(diào)制效應電導調(diào)制效應使得電阻使得電阻RN減小，這樣高耐壓的減小，這樣高耐壓的IGBT也也具有很小的具有很小的通態(tài)壓降通態(tài)壓降。2

66、.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性的基本特性 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 描述的是集電極電流描述的是集電極電流 IC與柵射電壓與柵射電壓UGE之間的之間的 關系。關系。開啟電壓開啟電壓UGE(th)是是 IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而能實現(xiàn)電導調(diào)制而 導通的最低柵射電壓，隨導通的最低柵射電壓，隨 溫度溫度升高而略有下降。升高而略有下降。（a）圖圖2-24 IGBT的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性移特性和輸出特性 a)轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 2.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管輸出特性（伏安特性）輸出特性（伏安特性）描述的是以柵射電壓描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電為參考變量時，集電極電流流IC與集射極間電壓與集射極間電壓UCE之間的關系。之間的關系。分為三個區(qū)域：分為三個區(qū)域：正向正向阻斷區(qū)阻斷區(qū)、有源區(qū)有源區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。當當UCE0時，時，IGBT為為反向阻斷工作狀態(tài)。反向阻斷工作狀態(tài)。在電力電子電路中，在電力電子電路中，IGBT工作在工作在開關狀態(tài)開關狀態(tài)，因而是在因而是在正向阻斷區(qū)正向阻斷區(qū)和和飽飽和區(qū)和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。之間來回轉(zhuǎn)換。(b)圖圖