第1章 電力電子器件

《第1章 電力電子器件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《第1章 電力電子器件（202頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、電力電子技術電子教案第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件第1章第2頁第第1章章 電力電子器件電力電子器件 引言引言1.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述1.21.2不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管1.31.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 1.6 1.6 電力電子器件的驅動電力電子器件的驅動 1.7 1.7 電力電子器件的保護電力電子器件的保護 1.8 1.8 電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用 小結小結 第1章第3頁引引 言言 電子技術的基礎電子技術

2、的基礎 電子器件：晶體管和電子器件：晶體管和 集成電路集成電路 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 本章主要內容：本章主要內容：簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等簡要概述電力電子器件的概念、特點和分類等 問題問題介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特 性性,主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題 第1章第4頁1.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述1.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述 1.1.1 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 1.

3、1.2 1.1.2 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 1.1.3 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 1.1.4 1.1.4 本章內容和學習要點本章內容和學習要點第1章第5頁1.11.1電力電子器件概述電力電子器件概述1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征主電路主電路（main power circuit）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電力電子器件電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件 第1章第6頁1.1.1 1.1.1 電力電子

4、器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征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。兩類中，自20世紀50年代以來，真空管僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導體器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導體器件。電力半導體器件所采用的主要材料仍然是硅。 第1章第7頁1.1.1 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征： (1) 能處理電功率的大小，即承受電壓和電流 的能力，是

5、最重要的參數(shù)其處理電功率的能力小至毫瓦級，大至兆瓦級, 大多都遠大于處理信息的電子器件。 第1章第8頁1.1.1 1.1.1 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) 電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)導通時（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動態(tài)特性（也就是開關特性）和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關來代替 第1章第9頁1.1.1 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的

6、概念和特征 (3) 實用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對控制電路的信號進行放大，這就是電力電子器件的驅動電路驅動電路。(4)為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫 度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。導通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗 第1章第10頁1.1.1 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗在器件開通或關斷的轉換過程中產(chǎn)生開通損耗和關斷損耗，總稱開關損耗對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之

7、一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開關頻率較高時，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 第1章第11頁1.1.2 1.1.2 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1.1.2 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)組成電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：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 圖1-1 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能 控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2 第1章第12頁1.1.2

8、 1.1.2 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)組成有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測電路。廣義上往往其和驅動電路等主電路之外的電路都歸為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅動電路與主電路的連接處，或者驅動電路與控制信號的連接處，以及主電路與檢測電路的連接處，一般需要進行電氣隔電氣隔離離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號。 第1章第13頁1.1.2 1.1.2 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)組成由于主電路中往往有電壓和電流

9、的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護電路，以保證電力電子器件和整個電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\行，也往往是非常必要的。器件一般有三個端子（或稱極或管角），其中兩個聯(lián)結在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。器件通斷是通過在其控制端和一個主電路端子之間加一定的信號來控制的，這個主電路端子是驅動電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。 第1章第14頁1.1.3 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的

10、程度，分為以下三類： (1) 半控型器件通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 第1章第15頁1.1.3 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 (2) 全控型器件通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應晶體管（Power MOSFET，簡稱為電力MOSFET）門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 第1章第16頁1.1.3 1.1.3

11、電力電子器件的分類電力電子器件的分類(3) 不可控器件不可控器件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， 因此也就不需要驅動電路因此也就不需要驅動電路電力二極管（Power Diode） 只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的 按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號按照驅動電路加在器件控制端和公共端之間信號的的 性質，分為兩類：性質，分為兩類：電流驅動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)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(xiàn)導通或者關斷的控制 第1章第17頁1.1.3 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子

12、器件的分類電壓驅動型器件實際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應器件 按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類：情況分為三類：單極型器件由一種載流子參與導電的器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的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的器件 第1章第18頁1.1.4 1.1.4 本章內容和學習要點本章內容和學習要點介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應注意的一些問題，然后集中講述電力電子器件的驅動、保護和

13、串、并聯(lián)使用這三個問題。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，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法，這是在實際中正確應用電力電子器件的兩個基本要求由于電力電子電路的工作特點和具體情況的不同，可能會對與電力電子器件用于同一主電路的其它電路元件，如變壓器、電感、電容、電阻等，有不同于普通電路的要求 第1章第19頁1.2 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管1.21.2不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 1.2.1 PN1.2.1 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 1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 1.2.3 1.2.3

14、 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 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型第1章第20頁1.21.2不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用快恢復二極管和肖特基二極管，分別 在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位 第1章第21頁1.2.1 PN1.2.1 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基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導體PN結為基礎由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝

15、 圖1-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號AKAKa)IKAPNJb)c) 第1章第22頁1.2.1 PN1.2.1 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N型半導體和P型半導體結合后構成PN結。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)的擴散運動擴散運動，到對方區(qū)內成為少子，在界面兩側分別留下了帶正、負電荷但不能任意移動的雜質離子。這些不能移動的正、負電荷稱為空間電荷空間電荷?？臻g電荷建立的電場被稱為內電場內電場或自建電場自建電場，其方向是阻止擴散運動的，另一方面又吸引對方區(qū)內的少子（對本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運動，即

16、漂移運動漂移運動。擴散運動和漂移運動既相互聯(lián)系又是一對矛盾，最終達到動態(tài)平衡，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層耗盡層、阻擋層阻擋層或勢壘區(qū)勢壘區(qū)。 第1章第23頁1.2.1 PN1.2.1 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結的正向導通狀態(tài)結的正向導通狀態(tài) 電導調制效應使得PN結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結表現(xiàn)為低阻態(tài)圖1-3 PN結的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內電場 第

17、1章第24頁 1.2.1 PN1.2.1 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結的反向截止狀態(tài)結的反向截止狀態(tài) PN結的單向導電性 二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性這一 主 要特征PN結的反向擊穿結的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導致熱擊穿PN結的電容效應：結的電容效應： PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應電容效應，稱 為結電容結電容CJ，又稱為微分電容微分電容。結電容按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電容CB和擴散電容擴散電容CD 第1章第25頁1.2.1 PN1.2.1 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勢壘電容只

18、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。勢壘電容的大小與PN結截面積成正比，與阻擋層厚度成反比而擴散電容僅在正向偏置時起作用。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主；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，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作，應用時應加以注意。 第1章第26頁1.2.1 PN1.2.1 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造成電力二極管和信息電子電路中的普通造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：二極管區(qū)別的一些因素：正向導通時要流過很大的電流，其電流密度較大

19、，因而額外載流子的注入水平較高，電導調制效應不能忽略引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應也會有較大影響為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大 第1章第27頁 1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性圖1-4 電力二極管的伏安特性 IOIFUTOUFU第1章第28頁1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1. 靜態(tài)特性（靜態(tài)特性（電力二極管伏安特性圖電力二極管伏安特性圖）主要指其伏安特性 當電力二極管承受的正向電壓大到一定值（

20、門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當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。2. 動態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)特性動態(tài)特性因結電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流特性是隨時間變化的 第1章第29頁1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性開關特性開關特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程關斷過程關斷過程：須經(jīng)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(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖 圖1-5 電力二極

21、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 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt第1章第30頁1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復時間：trr= td+ tf 恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示正向偏置轉換為反向偏置

22、 零偏置轉換為正向偏置第1章第31頁1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性開通過程開通過程： 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時間tfr。電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導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 第1章第32頁1.2.3 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) 額定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

23、大工頻正弦半波電流的平均值正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。當用在頻率較高的場合時，開關損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當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)熱效應也不小 第1章第33頁1.2.3 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)2. 正向壓降正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降有時參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降3. 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通常是

24、其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定 第1章第34頁1.2.3 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)4. 最高工作結溫最高工作結溫TJM結溫結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示最高工作結溫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TJM通常在125175C范圍之內5. 反向恢復時間反向恢復時間trrtrr= td+ tf ，關斷過程中，電流降到0起到恢復反響阻斷能力止的時間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)一個或幾個工頻周期的過電流。 第1章第35頁1.2.4 1.2.

25、4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型1.2.4 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、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹在應用時，應根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的 第1章第36頁1.2.4 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型1. 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode）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 s以上，這在開關頻率不高時并不重要正向電流定額和反

26、向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上 第1章第37頁1.2.4 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型2. 快恢復二極管快恢復二極管（Fast Recovery Diode FRD）恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5 s以下）的二極管，也簡稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結型結構有的采用改進的PiN結構 第1章第38頁1.2.4 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復時間更短（可低于50ns），正

27、向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下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(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。 第1章第39頁1.2.4 1.2.4 電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡稱為肖特基二極管20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應用肖特基二極管的弱點肖特基二極管的弱點當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以下反

28、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 第1章第40頁1.2.4 1.2.4 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的優(yōu)點肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短（1040ns）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其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高 第1章第41頁1.3 1.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管1.31.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管 1.3.1 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管

29、的基本特性 1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件第1章第42頁1.31.3半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管 1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 1958年商業(yè)化 開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代 20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合

30、具有重要地位晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型普通晶閘管廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 第1章第43頁1.3.1 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯(lián)接端對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間圖1-6 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 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3第1章第44頁1.3.1 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 R

31、NPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 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Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）第1章第45頁1.3.1 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4）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。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5）晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，

32、而當發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 )(121CBO2CBO1G2AIIII第1章第46頁1.3.1 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和開通（門極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導通。IA實際由外電路決定。 第1章第47頁1.3.1 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理其他幾種可能導通的情況其他幾種可能導通的情況：陽極電壓升高至相當高的數(shù)值造成雪崩效應 陽極電壓上升率du/dt過高

33、結溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)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，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段 第1章第48頁1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通承受正向電壓時，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要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 第1章第49

34、頁1.3.2 1.3.2 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閘管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性 正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG第1章第50頁1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性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，正向轉折電壓降低導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

35、1V左右導通期間，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。（伏安特性圖） 第1章第51頁1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性 晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門極和陰極之間是PN結J3，其伏安特性稱為門極伏安特性門極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應限制在可靠觸發(fā)區(qū)。（伏安特性圖伏安特性圖）

36、第1章第52頁1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2. 動態(tài)特性動態(tài)特性 圖1-9 晶閘管的開通和關斷過程波形 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第1章第53頁1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開通過程（開通過程（特性圖特性圖)延遲時間延遲時間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開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6） 普通晶閘管延遲時間為0.51.5 s，上升時間為0.53 s 第1

37、章第54頁1.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性2) 關斷過程關斷過程反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復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實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作 關斷時間關斷時間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7)） 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。 第1章第55頁1.3.3 1.3.3 晶閘管

38、的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)1. 電壓定額電壓定額1) 斷態(tài)重復峰值電壓斷態(tài)重復峰值電壓UDRM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。2) 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 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。3) 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM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。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量裕量,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 第1章第56頁1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主

39、要參數(shù)2. 電流定額電流定額 1) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(A V) 額定電流- 晶閘管在環(huán)境溫度為40C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。使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管應留一定的裕量，一般取1.52倍 第1章第57頁1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)2) 維持電流維持電流 IH 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，與結溫有關，結溫越高，則IH越小3) 擎住電流擎住電流 IL 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 對同一晶閘管來說，

40、通常IL約為IH的24倍4) 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 額定結溫的不重復性最大正向過載電流 第1章第58頁1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)3. 動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù) 除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有： (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指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在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當于一個電容的J2結會有充電電流流過，被稱為位移電流位移電流。此電流流經(jīng)J3結時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大

41、，就會使晶閘管誤導通 第1章第59頁1.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù)(2) 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dt 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，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞 第1章第60頁1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件1. 快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及du/dt和di/d

42、t耐量都有明顯改善普通晶閘管關斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10 s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，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應 第1章第61頁1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2. 雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）圖1-10 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 a)b)IOUIG=0GT1T2第1章第62頁1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件可認為是

43、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)濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（Solid State RelaySSR）和交流電機調速等領域應用較多通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。 第1章第63頁1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3. 逆導晶閘管（逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）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具有正向壓降小、關斷時間短、高溫

44、特性好、額定結溫高等優(yōu)點逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流圖1-11 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 b)a)UOIKGAIG=0第1章第64頁1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件4 . 光 控 晶 閘 管 （光 控 晶 閘 管 （ L i g h t Tr i g g e r e d ThyristorLTT）圖1-12 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 光強度強弱b)AGKa)OUAKIA第1章第65頁1.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件又稱

45、光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子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)光二極管或半導體激光器光觸發(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 第1章第66頁1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 1.4.4 1.4.4 絕緣

46、柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管第1章第67頁1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn)20世紀80年代以來，信息電子技術與電力電子技術在各自發(fā)展的基礎上相結合高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術又帶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 第1章第68頁1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘

47、管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用 第1章第69頁1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管1. GTO的結構和工作原理的結構和工作原理結構：結構：與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內部包含數(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部并聯(lián)在一起圖1-13 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c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK 第1章第70頁

48、1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 工作原理：工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析 1+ 2=1是器件臨界導通的條件。當1+21時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+21時，不能維持飽和導通而關斷RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 第1章第71頁1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管GTO能夠通過門極關斷的原因能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：（1）設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于 GTO關

49、斷（2）導通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15） 導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極 控制關斷，但導通時管壓降增大（3）多元集成結構使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流 第1章第72頁1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 導通過程導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程 度較淺 關斷過程：關斷過程：強烈正反饋門極加負脈沖即從門 極抽出電流，則Ib2減小，使IK和和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和和Ic1減小，又進一步減小V2的基極電流當IA和和IK的減小使 1+ 21時，器件退出飽和而關斷多元

50、集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 第1章第73頁1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管2. GTO的動態(tài)特性的動態(tài)特性開通過程：開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr Ot0t圖1-14iGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關斷過程電流波形 第1章第74頁1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管關斷過程：關斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導通時儲存的大量載流子儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽極電流逐

51、漸減小下降時間tf殘存載流子復合尾部時間tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要長門極負脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲存載流子的速度越快，ts越短門極負脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當負電壓，則可縮短尾部時間 第1章第75頁1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 3. GTO的主要參數(shù)的主要參數(shù)(顯示圖顯示圖） 許多參數(shù)和普通晶閘管相應的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)1)開通時間開通時間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)關斷時間關斷時間toff 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GT

52、O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不少GTO都制造成逆導型，類似于逆導晶閘管，需承受反壓時，應和電力二極管串聯(lián) 第1章第76頁1.4.1 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管3) 最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO GTO額定電流4) 電流關斷增益電流關斷增益 off 最大可關斷陽極電流與門極負脈 沖電流最大值IGM之比稱為電流關斷增益 （1-8） off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要200A GMATOoffII 第1章第77頁1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管術語用法：術語用法：

53、電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT在電力電子技術的范圍內，GTR與BJT這兩個名稱等效 應用應用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代 第1章第78頁1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管1. GTR的結構和工作原理的結構和工作原理(圖圖-15）與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結

54、構采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 第1章第79頁1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 圖1-15 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) 內部載流子的流動一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為 （1-9） 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 圖1-15a)基極bP基區(qū)N漂移區(qū)N+襯底基極b 發(fā)射極c集電極cP+P+N+b)bec空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ibbcii 第1章第80頁1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 當考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電

55、流Iceo時，ic和ib的關系為 ic= ib +Iceo （1-10）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。一般可認為 hFE單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可有效增大電流增益 第1章第81頁1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管2. GTR的基本特性的基本特性(1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū) 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) 在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū) 圖1-16 共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性截止區(qū)放大

56、區(qū)飽和區(qū)圖1-16OIcib3ib2ib1ib1 ib2 BUcex BUces BUcer Buceo實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多 第1章第85頁1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/21/3時所對應的Ic實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點3) 集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率產(chǎn)品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 第1章第86頁1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象

57、與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，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 二次擊穿二次擊穿一次擊穿發(fā)生時Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 第1章第87頁1.4.2 1.4.2 電力晶體管電力晶體管 安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線限定圖1-18 GTR的安全工作區(qū)SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM 第1章第88頁

58、1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管也分為結型結型和絕緣柵型絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力MOSFET（Power MOSFET）結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點特點用柵極電壓來控制漏極電流 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，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 第1章第8

59、9頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管1. 電力電力MOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理 電力電力MOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道增強型增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道 電力MOSFET主要是N溝道增強型溝道增強型 第1章第90頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 電力電力MOSFET的結構（的結構（顯示圖顯示圖）導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管導電機理與小功率MOS管相同，但結構上有較大區(qū)別電力M

60、OSFET的多元集成結構國際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 第1章第91頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 小功率MOS管是橫向導電器件 電力MOSFET大都采用垂直導電結構，又稱為 VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了 MOSFET器件的耐壓和耐電流能力 按垂直導電結構的差異，又分為利用V型槽實現(xiàn)垂 直導電的VVMOSFET和具有垂直導電雙擴散MO 結構

61、的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET） 這里主要以VDMOS器件為例進行討論 第1章第92頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 電力電力MOSFET的工作原理的工作原理圖1-19 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 截止：截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19 第1章第93頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管導電：導電

62、：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面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)表面當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電 第1章第94頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管2. 電力電力MOSFET的基本特性的基本特性1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 圖1-20 電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性轉移特性 b) 輸出特性輸出特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系

63、稱為MOSFET的轉移特性轉移特性ID較大時，ID與與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導跨導Gfs01020305040圖1-202468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 第1章第95頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 MOSFET的漏極伏安特性（的漏極伏安特性（輸出特性輸出特性）：截止區(qū)（對應于GTR的截止區(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)）電力MOSFET工作在開關狀態(tài)，即在

64、截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利 第1章第96頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管2) 動態(tài)特性動態(tài)特性圖1-21 電力MOSFET的開關過程a) 測試電路 b) 開關過程波形up脈沖信號源，Rs信號源內阻，RG柵極電阻，RL負載電阻，RF檢測漏極電流 a）b)圖1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf 第1章第97頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場

65、效應晶體管開通過程（開通過程（開關過程圖開關過程圖）開通延遲時間開通延遲時間td(on) up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段上升時間上升時間tr uGS從從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變 開通時間開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和 第1章第98頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 開通過程開通過程 關斷延遲時間td(off) up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按

66、指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段下降時間tf uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS20V將導致絕緣層擊穿4) 極間電容極間電容 極間電容CGS、CGD和CDS 廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共 源極輸出電容Coss和反向轉移電容Crss 第1章第101頁1.4.3 1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管Ciss= CGS+ CGD （1-14）Crss= CGD （1-15）Coss= CDS+ CGD （1-16） 輸入電容可近似用Ciss代替 這些電容都是非線性的 漏源間的耐壓、漏極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) 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題， 這是它的一大優(yōu)點 實際使用中仍應注意留適當?shù)脑Ａ?第1章第102頁1.4.4 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅 動功率大，驅動電路復雜 MOSFET的優(yōu)點單極型，電壓驅動，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 兩類器件取