《電力電子器件》課件

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1、1第第1章章電力電子器件電力電子器件1.1 概概述述1.2 電力二極管電力二極管1.3 晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件1.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.5 電力晶體管電力晶體管1.6 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.7 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.8 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1第第1章章 電力電子器件電力電子器件1.1 概概 述述21.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征1.1.2 電力電子器件的基本類型電力電子器件的基本類型1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化電力電子器件的模塊化與集成化1.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域電力

2、電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域1.1.5 本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.1 概概述述21.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征1.1 概概 3l電力電子器件：專指直接用于主電路，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的半導(dǎo)體器件。l主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能變換或控制的電路。RL主電路V1V2控制器驅(qū)動(dòng)電路檢測(cè)電路保護(hù)電路控制電路電氣隔離（1）基本概念）基本概念1.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征3電力電子器件：主電路：電力電子器件：主電路：RL主電路主電路V1V2控驅(qū)動(dòng)檢測(cè)保護(hù)控制控驅(qū)動(dòng)檢測(cè)保護(hù)控制4l電力電子器件處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于

3、信息處理中的電子器件。l電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。l電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制（或稱為驅(qū)動(dòng)）。l電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都需要安裝散熱器（自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、水冷等）。1.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征（2）主要特征）主要特征4電力電子器件處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于信息處理中的電子器電力電子器件處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于信息處理中的電子器51.1.1 電力電子器件的概念與特征電力電子器件的概念與特征（3）電力電子器件的功率損耗）電力電子器件的功率損耗l功率損耗主要包括：通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。l通態(tài)損耗是通態(tài)電

4、流與通態(tài)（管）壓降作用的結(jié)果。l斷態(tài)損耗是斷態(tài)（漏）電流與斷態(tài)電壓作用的結(jié)果。l開(kāi)關(guān)損耗又包括：開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，是開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓與電流作用的結(jié)果。l因斷態(tài)漏電流極小，一般認(rèn)為通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要因素。l當(dāng)器件工作頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可能成為電力電子器件功率損耗的主要因素。51.1.1 電力電子器件的概念與特征（電力電子器件的概念與特征（3）電力電子器件的）電力電子器件的6l不可控器件（如：電力二極管SR）不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路，外電路決定通斷。l半控型器件（如：晶閘管SCR）通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。l全控型器件（如：電力場(chǎng)效應(yīng)

5、管，絕緣柵雙極晶體管）通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。1.1.2 電力電子器件的基本類型電力電子器件的基本類型（1）按照器件被控程度分為三類）按照器件被控程度分為三類6不可控器件（如：電力二極管不可控器件（如：電力二極管SR）1.1.2 電力電子器件電力電子器件7l電流驅(qū)動(dòng)型通過(guò)從控制端注入或者抽出一定的電流，實(shí)現(xiàn)器件的導(dǎo)通或關(guān)斷控制。如SCR、GTO、GTR等。l電壓控制型僅通過(guò)在器件控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷控制。如MOSFET、IGBT等。1.1.2 電力電子器件的基本類型電力電子器件的基本類型（2）可控器件按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分為兩類

6、）可控器件按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分為兩類7電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型1.1.2 電力電子器件的基本類型（電力電子器件的基本類型（2）可控器）可控器8l單極型器件只有一種載流子參與導(dǎo)電。如MOSFET。l雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。如GTO、GTRl混合型器件由單極型器件與雙極型器件通過(guò)集成而構(gòu)成的復(fù)合型器件。如IGBT。1.1.2 電力電子器件的基本類型電力電子器件的基本類型（3）按照器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電情況分為三類）按照器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電情況分為三類8單極型器件單極型器件1.1.2 電力電子器件的基本類型（電力電子器件的基本類型（3）按照器）按照器91.1.3 電力電子器件的模塊化

7、與集成化電力電子器件的模塊化與集成化（1）電力電子器件模塊化與集成化的研發(fā)是目前電力電子器件模塊化與集成化的研發(fā)是目前重重要的發(fā)展方向要的發(fā)展方向。（2）模塊化與集成化不僅可減小裝置尺寸，更重要模塊化與集成化不僅可減小裝置尺寸，更重要的是提高了裝置的的是提高了裝置的安全性安全性與與可靠性可靠性，縮短了裝，縮短了裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)周期。置的設(shè)計(jì)研發(fā)周期。（3）特別值得一提的是特別值得一提的是智能功率模塊智能功率模塊（IPM），該），該功率模塊同時(shí)具有功率模塊同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)等功能，等功能，整體性能大為提高。整體性能大為提高。（4）目前，在裝置研發(fā)中目前，在裝置研發(fā)中優(yōu)先選用模

8、塊化器件優(yōu)先選用模塊化器件。91.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化（電力電子器件的模塊化與集成化（1）電力電子器）電力電子器101.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域詳見(jiàn)教材第詳見(jiàn)教材第9頁(yè)圖頁(yè)圖1-1101.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域詳見(jiàn)教材第電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域詳見(jiàn)教材第9頁(yè)圖頁(yè)圖1-11l集中介紹典型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇和使用中應(yīng)注意的一般問(wèn)題。l簡(jiǎn)單介紹電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)以及串、并聯(lián)使用等特殊問(wèn)題。1.1.5 本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)本章核心內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)（1）核心內(nèi)容）核心內(nèi)容l了解典型器件的基本特性曲線。l掌握典型器件主要參數(shù)的含

9、義。l學(xué)會(huì)典型器件的合理選用。（2）學(xué)習(xí)要點(diǎn)）學(xué)習(xí)要點(diǎn)11集中介紹典型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇和使集中介紹典型器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)及選擇和使121.2.1 PN結(jié)的工作原理結(jié)的工作原理1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型1.2 電力二極管電力二極管121.2.1 PN結(jié)的工作原理結(jié)的工作原理1.2 電力二極管電力二極管13 狀態(tài)狀態(tài)參數(shù)參數(shù)正向?qū)ㄕ驅(qū)ǚ聪蚪刂狗聪蚪刂狗聪驌舸┓聪驌舸╇婋?壓壓維持維持1V左右左右反向高反向高反向太

10、高反向太高電電 流流正向大正向大幾乎為零幾乎為零反向很大反向很大電電 阻阻呈低阻態(tài)呈低阻態(tài)呈高阻態(tài)呈高阻態(tài)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1.2.1 PN結(jié)的工作原理結(jié)的工作原理（1）PN結(jié)的狀態(tài)結(jié)的狀態(tài)（2）PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿l 包括雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。包括雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。l均可能導(dǎo)致均可能導(dǎo)致PN結(jié)熱擊穿，造成二極管永久損壞。熱擊穿，造成二極管永久損壞。13 狀態(tài)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇姞顟B(tài)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇?壓維持壓維持1V141.2.1 PN結(jié)的工作原理結(jié)的工作原理（3）PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)lPN結(jié)的電荷量隨外加電壓的

11、變化而變化，呈現(xiàn)出電容效應(yīng)，稱之為結(jié)電容，又稱為微分電容。l結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的不同又分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。l結(jié)電容的存在主要影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)其影響顯得更為突出。141.2.1 PN結(jié)的工作原理（結(jié)的工作原理（3）PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)PN15l基本結(jié)構(gòu)和基本特性與信息電子中討論的二極管相同。l內(nèi)部由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及外部封裝組成。l外型主要有螺栓型、平板型和模塊型三種封裝形式。1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性15基本結(jié)構(gòu)和基本特性與信息電子中討論的二極管相同?；窘Y(jié)構(gòu)和基本特性與信息電子中討論的二

12、極管相同。1.2.161.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性l電力二極管原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就得到了廣泛的應(yīng)用。161.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管原理和電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管原理和17主要指伏安特性l門(mén)檻電壓UTO：正向電流IF開(kāi)始明顯增加時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓。l正向管壓降UF：與IF對(duì)應(yīng)的二極管兩端電壓。l承受反向電壓時(shí)，正常情況下只有微小且數(shù)值基本恒定的反向漏電流。l當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)（UBR），則會(huì)造成反向擊穿。1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的伏安特性（1）靜

13、態(tài)特性靜態(tài)特性17主要指伏安特性主要指伏安特性1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電181.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性（2）動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程l正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨近于某一穩(wěn)態(tài)壓降值（12V）。l正向恢復(fù)時(shí)間tfr。l電流上升率越大，UFP過(guò)沖越高。UFPuiiFuFtF rt02V電力二極管開(kāi)通過(guò)程181.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性（電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性（2）動(dòng)態(tài)特性開(kāi)）動(dòng)態(tài)特性開(kāi)191.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性（2）動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過(guò)程l須經(jīng)

14、過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。l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(guò)沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt電力二極管關(guān)斷過(guò)程延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tfl影響開(kāi)關(guān)速度的主要因素是反向恢復(fù)時(shí)間。191.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性（電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性（2）動(dòng)態(tài)特性關(guān)）動(dòng)態(tài)特性關(guān)20l為電力二極管的電流定額。l定義為：在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，允許長(zhǎng)期流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。lIF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用

15、時(shí)應(yīng)根據(jù)有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并考慮留有一定的裕量。計(jì)算方法在SCR時(shí)再說(shuō)明。l舉例：計(jì)算正弦半波電流有效值與平均值的比值。1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)（1）正向平均電流）正向平均電流 IF(AV)20為電力二極管的電流定額。為電力二極管的電流定額。1.2.3 電力二極管的主要參電力二極管的主要參211.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)例：計(jì)算正弦半波電流有效值與平均值的比值。解：即：211.2.3 電力二極管的主要參數(shù)例：計(jì)算正弦半波電流有電力二極管的主要參數(shù)例：計(jì)算正弦半波電流有22（2）正向通態(tài)管壓降）正向通態(tài)管壓降 UF在規(guī)定溫度下，流

16、過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。顯然，UF 越小越好。（3）反向重復(fù)峰值電壓）反向重復(fù)峰值電壓 URRMl為電力二極管的電壓定額。l定義為：電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。l使用時(shí)為安全起見(jiàn)應(yīng)當(dāng)留有23倍的裕量。（4）反向恢復(fù)時(shí)間）反向恢復(fù)時(shí)間 trr=td+tf1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)22（2）正向通態(tài)管壓降）正向通態(tài)管壓降 UF1.2.3 電力二極管的主要電力二極管的主要23（5）最高工作結(jié)溫）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。TJM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，通常在125175C范圍之內(nèi)。

17、（6）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(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)231.2.3 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)24（1）普通二極管）普通二極管l又稱整流二極管，多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（一般在1kHz以下）的整流電路。l其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（一般為幾十微秒）。l正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高（一般達(dá)數(shù)千安培、數(shù)千伏特以上）。1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型24（1）普通二極管）普通二極管1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型25（2）快恢復(fù)二極管）快恢復(fù)二極管 l簡(jiǎn)稱快速二

18、極管l從性能上又可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒至幾微秒，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。l管壓降較低（約為0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下，低于普通二極管。1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型25（2）快恢復(fù)二極管）快恢復(fù)二極管 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型26（3）肖特基二極管）肖特基二極管l肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)n反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns）。n正向恢復(fù)過(guò)程中沒(méi)有明顯的電壓過(guò)沖。n正向壓降為0.30.6V，明顯低于快恢復(fù)二極管，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。l肖特基二極管的弱點(diǎn)n反向

19、耐壓偏低，多用于200V以下場(chǎng)合。n反向漏電流的溫度敏感性很強(qiáng)，使用中必須嚴(yán)格限制其工作溫度。1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型26（3）肖特基二極管）肖特基二極管1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型271.3 晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件1.3.1 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介1.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件271.3 晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件1.3.1 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介281.3.1 簡(jiǎn)簡(jiǎn)介介l又稱為可控硅整流器（Silicon Contro

20、lled Rectifier）l簡(jiǎn)稱為可控硅（縮寫(xiě)為SCR）l1956年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明。l1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品，且于1958年商業(yè)化。l晶閘管的誕生，開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。l20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始部分被全控型器件所取代。l晶閘管受壓和通流的能力最高，工作可靠，應(yīng)用成熟，在大容量的場(chǎng)合仍占有重要的不可替代的地位。晶閘管是晶體閘流管（Thyristor）的簡(jiǎn)稱281.3.1 簡(jiǎn)簡(jiǎn) 介又稱為可控硅整流器（介又稱為可控硅整流器（Sil291.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理l螺栓型封裝，通常螺栓一端是陽(yáng)極，能與

21、散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。l平板型晶閘管使用時(shí)是由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。l模塊使用時(shí)，金屬底面（一般為銅質(zhì)）要與散熱器緊密接觸，使元件內(nèi)部的熱量有效導(dǎo)出。（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形l為三端四層元件，三端分別為陽(yáng)極A、陰極K 和控制極G。l外形有螺栓型、平板型和模塊型三種封裝形式。圖形符號(hào)四層結(jié)構(gòu)291.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理螺栓型封裝，通常螺栓晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理螺栓型封裝，通常螺栓301.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形301.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形311.3.2 晶閘管

22、的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形311.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形321.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形321.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形331.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形331.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形341.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形

23、341.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）符號(hào)及外形）符號(hào)及外形351.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中：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。按晶體管工作原理，可得：整理得：（2）工作原理分析）工作原理分析而且：晶閘管的雙晶體管模型及其工晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理作原理a)雙晶體管模型雙晶體管模型 b)工作原理工作原理351.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中：晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理式中：1和和2分別分別361.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 1 與2數(shù)

24、值與發(fā)射極電流有關(guān)，當(dāng)發(fā)射極電流很小時(shí)，其數(shù)值小于0.1；當(dāng)發(fā)射極電流上升時(shí)，（1+2）近似等于1；共基極漏電流很小，有時(shí)可以忽略不計(jì)；當(dāng)IG=0，陽(yáng)極電流近似為0，處于阻斷狀態(tài)；當(dāng)控制極注入觸發(fā)電流，正反饋?zhàn)饔檬咕чl管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，陽(yáng)極電流由外電路決定，此時(shí)控制極電流失去作用。器件關(guān)斷需依靠外電路的輔助作用，使陽(yáng)極電流減小到一定數(shù)值。（3）原理說(shuō)明）原理說(shuō)明361.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 1 與與 2數(shù)數(shù)371.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理l陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值，造成雪崩效應(yīng)l陽(yáng)極電壓上升率du/dt 過(guò)高l結(jié)溫較高l反向電壓過(guò)

25、高l只有門(mén)極觸發(fā)才是精確、迅速而可靠的控制手段。（4）晶閘管其他幾種非正常導(dǎo)通的情況）晶閘管其他幾種非正常導(dǎo)通的情況371.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高381.3.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理l晶閘管在承受反向電壓時(shí)，不論控制極是否有觸發(fā)電流都不會(huì)導(dǎo)通。l晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在控制極有觸發(fā)電流的情況下才能開(kāi)通。l晶閘管一旦導(dǎo)通控制極就失去控制作用。l要使晶閘管關(guān)斷，只能使流過(guò)晶閘管的電流減小到接近于零的某一數(shù)值。l顯然，晶閘管為電流控制型器件。（5）晶閘管開(kāi)通及關(guān)斷條件）晶閘管開(kāi)通及關(guān)斷條件381.3.2

26、晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管在承受反向電壓晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管在承受反向電壓391.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)正向特性正向特性lIG=0時(shí)，當(dāng)器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，此為正向阻斷狀態(tài)。l正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓UDB，則漏電流急劇增大，器件非正常開(kāi)通。l隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓相應(yīng)降低。l晶閘管一旦導(dǎo)通，其正向?qū)▔航岛苄。s為1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡UAKURBIAIHIG2IG1IG0=0UDBUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2IG1IG0（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性391.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)

27、正向特性正向?qū)ㄑ┍谰чl管的特性及主要參數(shù)正向特性正向?qū)ㄑ┍?01.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)反向特性反向特性l反向特性類似于二極管的反向特性。l反向呈阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反向漏電流。l當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，電流急劇增加，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱而永久損壞。（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡UAKURBIAIHIG2IG1IG0=0UDBUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2IG1IG0401.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)反向特性（晶閘管的特性及主要參數(shù)反向特性（1）靜態(tài)特）靜態(tài)特411.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要

28、參數(shù)開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程l延遲時(shí)間td：(約為0.51.5s)l上升時(shí)間tr：(約為0.53s)l開(kāi)通時(shí)間ton為以上兩者之和：ton=td+tr（2）動(dòng)態(tài)特性）動(dòng)態(tài)特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形411.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)開(kāi)通過(guò)程（晶閘管的特性及主要參數(shù)開(kāi)通過(guò)程（2）動(dòng)態(tài)特）動(dòng)態(tài)特421.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程l反向恢復(fù)時(shí)間trrl門(mén)極恢復(fù)時(shí)間tgrl關(guān)斷時(shí)間toff 為以上兩者之和：toff=trr+tgrl普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約為幾百微秒。（2）動(dòng)態(tài)特性）動(dòng)態(tài)特性1

29、00%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURPIRMiA晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形421.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)關(guān)斷過(guò)程（晶閘管的特性及主要參數(shù)關(guān)斷過(guò)程（2）動(dòng)態(tài)特）動(dòng)態(tài)特43選用注意選用注意1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)l正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。l反向重復(fù)峰值電壓URRM在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。取 UDRM與 URRM中較小值作為晶閘管的電壓定額。選用時(shí)應(yīng)留有裕度，一般取正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍。（3）電壓定額）電壓定額l通態(tài)（峰

30、值）電壓UT（簡(jiǎn)稱管壓降）晶閘管通以額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。43選用注意選用注意1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)正向斷態(tài)重復(fù)晶閘管的特性及主要參數(shù)正向斷態(tài)重復(fù)44選用注意選用注意1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)l通態(tài)平均電流IT(AV）：在環(huán)境溫度為40C 和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，將所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值，標(biāo)稱為晶閘管的額定電流。（4）電流定額）電流定額使用時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際通過(guò)電流的波形，按有效值相等（即等效發(fā)熱）的原則來(lái)選取。并需留有一定的裕量。44選用注意選用注意1.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)通態(tài)平均電流晶閘管的特

31、性及主要參數(shù)通態(tài)平均電流451.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)（4）電流定額）電流定額l維持電流IH：能使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小陽(yáng)極電流。l擎（掣）住電流IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持繼續(xù)導(dǎo)通所需的最小電流。通常I L=（24）I H（5）門(mén)極定額）門(mén)極定額l包括門(mén)極觸發(fā)電壓U GT 與門(mén)極觸發(fā)電流I GT。l注意同一型號(hào)的器件存在較大的離散性。451.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)（晶閘管的特性及主要參數(shù)（4）電流定額維持電）電流定額維持電461.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)（6）動(dòng)態(tài)參數(shù)）動(dòng)態(tài)參數(shù)l斷態(tài)電壓臨界上升率d

32、u/dt：指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不會(huì)導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)換為通態(tài)的外加電壓最大上升率。由于結(jié)電容的存在，當(dāng)電壓上升率過(guò)大使充電電流足夠大時(shí)，將會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。除了開(kāi)通時(shí)間ton 和關(guān)斷時(shí)間toff 外，動(dòng)態(tài)參數(shù)還包括：461.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)（晶閘管的特性及主要參數(shù)（6）動(dòng)態(tài)參數(shù)斷態(tài)電）動(dòng)態(tài)參數(shù)斷態(tài)電471.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)（6）動(dòng)態(tài)參數(shù)）動(dòng)態(tài)參數(shù)l通態(tài)電流臨界上升率di/dt：指在規(guī)定條件下，晶閘管所能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。晶閘管導(dǎo)通時(shí)，電流在管芯硅片上有一個(gè)從門(mén)極向外擴(kuò)散的過(guò)程，如果電流上升太快，可能造成門(mén)極附近局

33、部電流密度過(guò)大，使晶閘管過(guò)熱而損壞。471.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)（晶閘管的特性及主要參數(shù)（6）動(dòng)態(tài)參數(shù)通態(tài)電）動(dòng)態(tài)參數(shù)通態(tài)電481.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)晶閘管的特性及主要參數(shù)設(shè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的電流波形如下圖所示，試問(wèn)：額定電流為100A的晶閘管所能提供的平均電流Id 及相應(yīng)的電流最大值Im 分別為多少安？（暫不考慮安全裕度）（7）有關(guān)晶閘管電流定額的舉例）有關(guān)晶閘管電流定額的舉例481.3.3 晶閘管的特性及主要參數(shù)設(shè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的晶閘管的特性及主要參數(shù)設(shè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)流過(guò)的49解：解：因?yàn)轭~定電流為100A的晶閘管允許通過(guò)電流的有效值為157A，按有效值相等的原則，可

34、得：即：而：思考：若考慮2倍的電流安全裕度情況又如何？49解：因?yàn)轭~定電流為解：因?yàn)轭~定電流為100A的晶閘管允許通過(guò)電流的有效值為的晶閘管允許通過(guò)電流的有效值為50（1）快速晶閘管（）快速晶閘管（Fast Switching Thyristor）1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件l又 分 常 規(guī) 快 速 晶 閘 管（400Hz）和 高 頻 晶 閘 管（10kHz）。l開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt 和di/dt 承受能力都有明顯改善。l普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間約在幾百微秒，常規(guī)快速晶閘管為幾十微秒，高頻晶閘管為10s左右。l快速晶閘管的缺點(diǎn)在于其電壓和電流定額均較普通晶閘管低。l由于工作頻率較高

35、，其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)不容忽視。50（1）快速晶閘管（）快速晶閘管（Fast Switching Thyr51（2）逆導(dǎo)晶閘管（）逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor）1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件l將晶閘管反并聯(lián)一只二極管制作在同一個(gè)管芯上的功率集成器件。l具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。l僅應(yīng)用于某些特殊場(chǎng)合，如電壓型串聯(lián)諧振逆變電路。等效圖伏安特性圖形符號(hào)51（2）逆導(dǎo)晶閘管（）逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting52（3）雙向晶閘管（）雙向晶閘管（Bidirectional triode thyrist

36、or）1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件l可認(rèn)為是由兩只普通晶閘管反并聯(lián)集成。l也是三端元件，有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極（控制極）G。等效圖圖形符號(hào)l在第象限和第III象限具有對(duì)稱的伏安特性。l因用于交流控制場(chǎng)合，故額定電流不用平均值而用有效值來(lái)標(biāo)定。伏安特性52（3）雙向晶閘管（）雙向晶閘管（Bidirectional trio 皮肌炎是一種引起皮膚、肌肉、心、肺、腎等多臟器嚴(yán)重?fù)p害的，全身性疾病，而且不少患者同時(shí)伴有惡性腫瘤。它的1癥狀表現(xiàn)如下：1、早期皮肌炎患者，還往往伴有全身不適癥狀，如-全身肌肉酸痛，軟弱無(wú)力，上樓梯時(shí)感覺(jué)兩腿費(fèi)力；舉手梳理頭發(fā)時(shí)，舉高手臂很吃力；抬頭

37、轉(zhuǎn)頭緩慢而費(fèi)力。皮肌炎圖片皮肌炎的癥狀表現(xiàn) 皮肌炎是一種引起皮膚、肌肉、心、肺、腎等多臟器嚴(yán)重皮肌炎是一種引起皮膚、肌肉、心、肺、腎等多臟器嚴(yán)重54（4）光控晶閘管（）光控晶閘管（Light Triggered Thyristor）1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件l又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光信號(hào)照射觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。l光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的電氣絕緣，并且可有效地避免電磁干擾的影響。l應(yīng)用于高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電。圖形符號(hào)伏安特性AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱OUIA54（4）光控晶閘管（）光控晶閘管（Light Triggered Th55典型全控器件介紹典型全控器

38、件介紹1.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.5 電力晶體管電力晶體管1.6 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.7 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管55典型全控器件介紹典型全控器件介紹1.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管561.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介1.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理1.4.3 GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)1.4.4 GTO的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)561.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管571.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GT

39、O)簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介l英文名稱：Gate-Turn-Off Thyristorl簡(jiǎn)稱：GTOl實(shí)際上是晶閘管的一種派生器件l在門(mén)極施加正的脈沖電流可以使其開(kāi)通，在門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流可以使其關(guān)斷（即：門(mén)極可關(guān)斷）。lGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管相近，因此在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合應(yīng)用較多。571.4.1 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)簡(jiǎn)介英文名稱：簡(jiǎn)介英文名稱：G581.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)l與普通晶閘管的相同點(diǎn)：同為P-N-P-N四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。l和普通晶閘管的不同點(diǎn)：nGTO是一種多元化的功率集成器件

40、，其內(nèi)部可看成由多個(gè)小晶閘管并聯(lián)而成。n這些小晶閘管陽(yáng)極共用，而門(mén)極和陰極獨(dú)立，單獨(dú)引線后在器件內(nèi)部并聯(lián)再引出。（見(jiàn)下頁(yè)圖）581.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理（的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）GTO的結(jié)構(gòu)與的結(jié)構(gòu)與591.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖圖形符號(hào)591.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理（的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）GTO的結(jié)構(gòu)各的結(jié)構(gòu)各601.4.2 GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（2）GTO的工作原理的工作原理l與普通晶閘管一樣，GTO仍可用雙晶體管模型來(lái)分析。晶閘管的雙晶體管模型及其工晶閘

41、管的雙晶體管模型及其工作原理作原理a)雙晶體管模型雙晶體管模型 b)工作原理工作原理l1+2=1 是器件的臨界導(dǎo)通條件n1+2 1，飽和導(dǎo)通n1+2 BUCEX BUCES BUCER BUCEO。實(shí)際使用時(shí)最高工作電壓UCEM比BUCEO還要低。（1）最高工作電壓（）最高工作電壓（額定電壓額定電壓）671.5.3 GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)將上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)將681.5.3 GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)（2）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流 ICM（額定電流額定電流）l通常規(guī)定為直流電流放大系數(shù)hFE（或稱為）下降到規(guī)定值的（1/21/3）時(shí)所對(duì)應(yīng)的IC值。l實(shí)

42、際使用時(shí)還要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一點(diǎn)。（3）集電極最大耗散功率）集電極最大耗散功率 PCMl指最高工作溫度下允許的耗散功率。l因耗散功率等于集電極電流與飽和導(dǎo)通壓降的乘積，當(dāng)最大耗散功率及飽和壓降一定時(shí)，也就確定了集電極最大允許電流。681.5.3 GTR的主要參數(shù)（的主要參數(shù)（2）集電極最大允許電流）集電極最大允許電流 691.5.4 GTR的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)l為電流控制型器件，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。l開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較低，一般低于100kHz，但高于GTO（一般低于2kHz）和普通晶閘管（一般低于400Hz）。l存在二次擊穿現(xiàn)象，一旦發(fā)生將使器件永久損壞。（1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn)l耐

43、壓高，通流能力強(qiáng)，適于大功率場(chǎng)合。l開(kāi)關(guān)特性好，飽和壓降低。（2）缺點(diǎn)）缺點(diǎn)691.5.4 GTR的優(yōu)缺點(diǎn)為電流控制型器件，驅(qū)動(dòng)功率大的優(yōu)缺點(diǎn)為電流控制型器件，驅(qū)動(dòng)功率大701.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū)的二次擊穿與安全工作區(qū)（1）一次擊穿）一次擊穿l集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大出現(xiàn)的雪崩擊穿稱為一次擊穿。l此時(shí)只要集電極電流不超過(guò)與最大允許耗散功率相對(duì)應(yīng)的限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不會(huì)明顯改變。（2）二次擊穿）二次擊穿l一次擊穿發(fā)生后，集電極電流增加達(dá)到一定程度后會(huì)突然急劇上升，電壓陡然下降，出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，這一現(xiàn)象稱為二次擊穿。l二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件

44、的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。701.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū)（的二次擊穿與安全工作區(qū)（1）一次擊穿）一次擊穿711.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū)的二次擊穿與安全工作區(qū)（3）安全工作區(qū)（）安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）l由集電極最大電流 ICM、最高工作電壓UCEM、集電極最大耗散功率PCM 線和二次擊穿臨界線四者限定。l器件生產(chǎn)廠家應(yīng)以圖形方式向用戶提供GTR的安全工作區(qū)。GTR正向偏置的安全工作區(qū)集電極最大電流最高工作電壓集電極最大耗散功率線二次擊穿臨界線711.5.5 GTR的二次擊穿與安全工作區(qū)（的二次擊穿與安全工作區(qū)（3）安全工作）

45、安全工作721.6 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.6.1 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）簡(jiǎn)）簡(jiǎn)介介1.6.2 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理1.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性1.6.4 功率功率MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)1.6.5 功率功率MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)721.6 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.6.1 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管731.6.1 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介l場(chǎng)效應(yīng)管（Field Effect Transistor）分為結(jié)型和絕緣柵型。l功率場(chǎng)效應(yīng)管通常主要指

46、絕緣柵型中的金屬氧化物半導(dǎo)體型（Metal Oxide Semiconductor）。l簡(jiǎn)稱功率MOSFET（Power MOSFET）l功率MOSFET又分N溝道和P溝道兩種類型。l其中每一類型又分增強(qiáng)型與耗盡型。l功率MOSFET主要為N溝道增強(qiáng)型。l為單極型電壓控制器件，且具有自關(guān)斷能力。731.6.1 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）簡(jiǎn)介場(chǎng)）簡(jiǎn)介場(chǎng)741.6.2 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）功率）功率M0SFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)功率功率MOSFETMOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)l導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較

47、大區(qū)別。l采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同生產(chǎn)廠家采用的設(shè)計(jì)不同。l為三端元件：分別為柵極G、漏極D和源極S。741.6.2 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理（的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）功率）功率751.6.2 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理l導(dǎo)通：漏極與源極之間加正向電壓，柵極與源極之間加正電壓UGS，當(dāng)UGS大于開(kāi)啟電壓UT 時(shí)，漏極與源極之間導(dǎo)通。l截止：漏極與源極之間加正向電壓，柵極與源極之間電壓為零時(shí)，漏極與源極之間無(wú)電流流過(guò)，此時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。（2）功率）功率M0SFET的工作原理的工作原理751.6.2 功率功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理導(dǎo)通：（的結(jié)構(gòu)與工作原理導(dǎo)通

48、：（2761.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性l轉(zhuǎn)移特性n漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。n當(dāng)ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)gm。（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性761.6.3 功率功率MOSFET的特性轉(zhuǎn)移特性（的特性轉(zhuǎn)移特性（1）靜態(tài)特）靜態(tài)特771.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性l輸出特性n在柵源間電壓UGS一定時(shí)，漏極電流ID與漏源電壓間的關(guān)系稱為輸出特性。n管子工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)（線性導(dǎo)電區(qū)）之間來(lái)回跳轉(zhuǎn)。（1）靜態(tài)特性）靜態(tài)特性功率MOSFET的輸出特性771.6.3 功率功率MO

49、SFET的特性輸出特性（的特性輸出特性（1）靜態(tài)特）靜態(tài)特781.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性lMOSFET開(kāi)關(guān)速度與輸入電容Ciss充放電有很大關(guān)系。l輸入電容又與極間分布電容有關(guān)，由產(chǎn)品手冊(cè)提供。l為提高開(kāi)關(guān)速度，可降低驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs以減小時(shí)間常數(shù)。l雖然導(dǎo)通與截至要跨越飽和區(qū)，使漏極電流增加或減少需要延時(shí)，但其開(kāi)關(guān)速度在目前主要電力電子器件中是最高的，約在10100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上。l場(chǎng)控器件靜態(tài)時(shí)輸入電流幾乎為零，但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容進(jìn)行充放電，因此仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率，而且開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率相應(yīng)增大。（2）動(dòng)態(tài)特性）動(dòng)態(tài)特性78

50、1.6.3 功率功率MOSFET的特性的特性MOSFET開(kāi)關(guān)速度開(kāi)關(guān)速度791.6.4 功率功率MOSFET的主要參數(shù)的主要參數(shù)（1）漏源擊穿電壓）漏源擊穿電壓 UBDS：功率MOSFET的電壓定額。（2）柵源擊穿電壓）柵源擊穿電壓 UBGS：UGS20V導(dǎo)致絕緣層擊穿。存放：三端短接；取用：手環(huán)接地；焊接：烙鐵可靠接地或短時(shí)斷電利用余熱。（3）漏極連續(xù)電流）漏極連續(xù)電流 ID 和漏極峰值電流幅值和漏極峰值電流幅值 IDM 功率MOSFET的電流定額，一般IDM=(24)ID。（4）極間電容）極間電容：決定了器件的開(kāi)關(guān)速度。（5）正向通態(tài)電阻）正向通態(tài)電阻：決定了器件的通態(tài)損耗。（6）最大功耗

51、）最大功耗：與：與管殼溫度有關(guān)。791.6.4 功率功率MOSFET的主要參數(shù)（的主要參數(shù)（1）漏源擊穿電）漏源擊穿電801.6.5 功率功率MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的優(yōu)缺點(diǎn)l耐壓低，通流能力弱。l僅適于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。（1）優(yōu)點(diǎn)）優(yōu)點(diǎn)（2）缺點(diǎn)）缺點(diǎn)輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高，達(dá)100kHz以上。不存在二次擊穿問(wèn)題。801.6.5 功率功率MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)耐壓低，通流能力弱的優(yōu)缺點(diǎn)耐壓低，通流能力弱811.7 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介1.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作

52、原理的結(jié)構(gòu)與工作原理1.7.3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)1.7.4 IGBT的特殊問(wèn)題的特殊問(wèn)題811.7 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1.7.1 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管821.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介l絕緣柵雙極晶體管的縮寫(xiě)來(lái)歷（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）lGTR的優(yōu)點(diǎn)是：耐壓高，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低。lMOSFET的優(yōu)點(diǎn)是：輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快。lIGBT結(jié)合了GTR與MOSFET二者的優(yōu)點(diǎn)復(fù)合而成。l相當(dāng)于利用MOSFET來(lái)驅(qū)動(dòng)GTR。l顯然屬于電壓控型自關(guān)斷器件。

53、l1986年投放市場(chǎng)，目前是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。821.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介絕緣柵雙極）簡(jiǎn)介絕緣柵雙極831.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介l塑料封裝適用于小功率器件。l小功率的晶閘管、MOSFET等往往也采用此種封裝形式。831.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介塑料封裝適）簡(jiǎn)介塑料封裝適841.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介模塊上面的螺絲用于固定主回路接線模塊右側(cè)的焊片為控制極841.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介模塊上面

54、的）簡(jiǎn)介模塊上面的851.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介側(cè)面是模塊的型號(hào)、生產(chǎn)廠家及其內(nèi)部的接線圖注意此模塊為逆導(dǎo)型851.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介側(cè)面是模塊）簡(jiǎn)介側(cè)面是模塊861.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介模塊使用時(shí)，金屬底面（一般材質(zhì)為導(dǎo)熱性能好的銅）要與散熱器緊密接觸，將元件工作時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量有效導(dǎo)出。861.7.1 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）簡(jiǎn)介模塊使用時(shí)）簡(jiǎn)介模塊使用時(shí)871.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)lIGB

55、T為三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E。l其內(nèi)部是由GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。l是一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b)簡(jiǎn)化等效電路 c)電氣圖形符號(hào)871.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理（的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）IGBT的結(jié)的結(jié)881.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理l導(dǎo)通：n柵極和發(fā)射極間uGE大于開(kāi)啟電壓UT，IGBT導(dǎo)通。n開(kāi)啟電壓與溫度有關(guān)，在25C時(shí)約為26V。n為了可靠開(kāi)通，柵射極間的驅(qū)動(dòng)電壓一般取+15+20V。l關(guān)斷：n柵極和發(fā)射極間施加反壓或不加信號(hào)，IGBT關(guān)斷。n為

56、可靠關(guān)斷，并減少關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷時(shí)柵射極間一般施加5 15V的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。（2）IGBT的工作原理的工作原理881.7.2 IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理導(dǎo)通：（的結(jié)構(gòu)與工作原理導(dǎo)通：（2）IGB891.7.3 IGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù)（1）集射極擊穿電壓集射極擊穿電壓UCES 為IGBT的最高工作電壓，由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。（2）最大柵射極電壓）最大柵射極電壓一般20V，以15V左右為宜。（3）集電極連續(xù)電流和峰值電流）集電極連續(xù)電流和峰值電流為IGBT的額定電流，包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。通常峰值電流為額定直流電流的2倍左右，主要受結(jié)溫的制約

57、。（4）最大集電極功耗）最大集電極功耗PCM 正常工作溫度下允許的最大耗散功率。891.7.3 IGBT的主要參數(shù)（的主要參數(shù)（1）集射極擊穿電壓）集射極擊穿電壓UC901.7.4 IGBT的特殊問(wèn)題的特殊問(wèn)題（1）掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）撤銷觸發(fā)信號(hào)后器件仍維持導(dǎo)通。（2）正向偏置安全工作區(qū)（）正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。（3）反向偏置安全工作區(qū)（）反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）由最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。（4）制成逆導(dǎo)型器件）制成逆導(dǎo)型器件IGBT往往與反并聯(lián)的快速二

58、極管封裝在一起。901.7.4 IGBT的特殊問(wèn)題（的特殊問(wèn)題（1）掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)911.8 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SIT）1.8.2 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）1.8.3 集成門(mén)極換向型晶閘管集成門(mén)極換向型晶閘管（IGCT）1.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)911.8 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1.8.1 靜電感應(yīng)晶體靜電感應(yīng)晶體921.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SIT）l缺點(diǎn)：n柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方

59、便。n通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。lSIT（Static Induction Transistor）又稱結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管l工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)（甚至更高），功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。921.8.1 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SIT）缺點(diǎn)：）缺點(diǎn)：SIT（St931.8.2 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）lMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET與晶閘管的復(fù)合lMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：n承受極高di/dt和du/

60、dt，開(kāi)關(guān)過(guò)程快速，開(kāi)關(guān)損耗小。n高電壓、大電流、高載流密度、低導(dǎo)通壓降。l一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT單元組成。l每個(gè)單元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。l其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，因而未能投入實(shí)際應(yīng)用。931.8.2 MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）MCT（MOS 941.8.3 集成門(mén)極換向型晶閘管（集成門(mén)極換向型晶閘管（IGCT）l IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor）l20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的

61、優(yōu)點(diǎn)，其容量與GTO相當(dāng)，其開(kāi)關(guān)速度比GTO快10倍。l可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。l目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。941.8.3 集成門(mén)極換向型晶閘管（集成門(mén)極換向型晶閘管（IGCT）IGCT951.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)l自20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，電力電子器件趨向于模塊化方向發(fā)展，即將多個(gè)器件封裝在一只模塊中，稱為功率模塊。l模塊化可縮小裝置體積，降低成本，提高運(yùn)行可靠性。l對(duì)工作頻率較高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。l將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷

62、等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）。（1）基本概念）基本概念951.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)自電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)自20世紀(jì)世紀(jì)80年代中年代中961.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)l高壓集成電路（High Voltage ICHVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。l智能功率集成電路（Smart Power ICSPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。l智能功率模塊（Intelligent Power ModuleIPM）專指IGBT及其輔助器件與其保

63、護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（Intelligent IGBT）。（2）實(shí)際應(yīng)用）實(shí)際應(yīng)用961.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)高壓集成電路（電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)高壓集成電路（Hig971.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)l早期功率集成電路的研究與開(kāi)發(fā)主要面向中小功率應(yīng)用場(chǎng)合，目前大容量的功率集成電路的研發(fā)已成為熱點(diǎn)。l功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)是高低壓電路之間的絕緣問(wèn)題以及溫升與散熱的有效處理。l智能功率模塊（IPM）在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn)，只是將保護(hù)、驅(qū)動(dòng)與IGBT器件封裝在一起。l功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口，具有

64、廣闊的應(yīng)用前景。（3）發(fā)展現(xiàn)狀）發(fā)展現(xiàn)狀971.8.4 電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)早期功率集成電路的研電力電子器件的發(fā)展趨勢(shì)早期功率集成電路的研98補(bǔ)充內(nèi)容：電力電子器件的保護(hù)補(bǔ)充內(nèi)容：電力電子器件的保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)過(guò)電流的產(chǎn)生及其保護(hù)過(guò)電流的產(chǎn)生及其保護(hù)98補(bǔ)充內(nèi)容：電力電子器件的保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)補(bǔ)充內(nèi)容：電力電子器件的保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)99過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)l外因過(guò)電壓：主要指雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外界因素。n雷擊過(guò)電壓：由雷電引起。n操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起。l內(nèi)因過(guò)電壓：主要指電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，電流

65、突變?cè)诰€路電感上感應(yīng)出的高電壓。n換相過(guò)電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會(huì)因線路電感的存在在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。n關(guān)斷過(guò)電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過(guò)電壓。（1）電力電子裝置可能遇到的過(guò)電壓）電力電子裝置可能遇到的過(guò)電壓99過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)外因過(guò)電壓：主要指雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)外因過(guò)電壓：主要指雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程100過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)（2）過(guò)電壓保護(hù)措施的配置）過(guò)電壓保護(hù)措施的配置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路R

66、C2閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過(guò)電壓抑制器RC3閥器件換相過(guò)電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過(guò)電壓抑制用RCD電路l電力電子裝置可視具體情況采用其中的幾種保護(hù)措施。l其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過(guò)電壓的措施，又屬于緩沖電路范疇。100過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)（過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)（2）過(guò)電壓保護(hù)措施的配置）過(guò)電壓保護(hù)措施的配置F避雷避雷101過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)附圖RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式l在抑制外因過(guò)電壓的措施中，采用RC過(guò)電壓抑制電路（又稱為阻容吸收電路）最為常見(jiàn)。101過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)附圖過(guò)電壓的產(chǎn)生及其保護(hù)附圖RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式在過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式在102過(guò)電流的產(chǎn)生及其保護(hù)過(guò)電流的產(chǎn)生及其保護(hù)（1）過(guò)電流的產(chǎn)生）過(guò)電流的產(chǎn)生分過(guò)載和短路兩種情況，均為故障狀態(tài)。負(fù)載觸發(fā)電路開(kāi)關(guān)電路過(guò)電流繼電器交流斷路器動(dòng)作電流整定值短路器電流檢測(cè)電子保護(hù)電路快速熔斷器 變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器附圖過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置（2）過(guò)電流保護(hù)措施的配置）過(guò)電流保護(hù)措施的配置102過(guò)電流的產(chǎn)生及其保護(hù)（過(guò)電