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电力半导体器件电力半导体器件你现在浏览的是第一页，共96页电力电子器件的基本模型l定义：定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。）。l在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图所示的理想开关模型，它有三个电极，其中图所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和和B代表开代表开关的两个主电极，关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只工作是控制开关通断的控制极。它只工作在在“通态通态”和和“断态断态”两种情况，在通态时其电阻为零，两种情况，在通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。断态时其电阻无穷大。你现在浏览的是第二页，共96页电力电子器件的基本特性（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电电力力电电子子器器件件的的开开关关状状态态由由（驱驱动动电电路路）外电路来控制。外电路来控制。（3）在在工工作作中中器器件件的的功功率率损损耗耗（通通态态、断断态态、开开关关损损耗耗）很很大大。为为保保证证不不至至因因损损耗耗散散发发的的热热量量导导致致器器件件温温度度过过高高而而损损坏坏，在在其其工工作作时时一一般般都要安装散热器。都要安装散热器。注：很重要，一定记住。注：很重要，一定记住。你现在浏览的是第三页，共96页电力电子器件的分类按器件的开关控制特性可以分为以下三类：按器件的开关控制特性可以分为以下三类：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管（如：电力二极管（Power Diode）；）；半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。断的电力电子器件称为半控型器件。如：晶闸管（如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；）及其大部分派生器件等；全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。的器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor）、）、功率场效应管（功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型）和绝缘栅双极型 晶体管（晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。）等。你现在浏览的是第四页，共96页电力电子器件的分类前前面面已已经经将将电电力力电电子子器器件件分分为为不不可可控控型型、半半控控型型和和全全控控型型。按按控制信号的性质不同又可分为两种：控制信号的性质不同又可分为两种：电流控制型器件：电流控制型器件：此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；等；电压控制半导体器件：电压控制半导体器件：这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。如：代表性器件为驱动它工作。如：代表性器件为MOSFET管和管和IGBT管。管。你现在浏览的是第五页，共96页功率二极管 功率二极管（功率二极管（Power Diode）也称为半导体整）也称为半导体整流器（流器（Semiconductor Rectifier，简称，简称SR），），属不可控电力电子器件，是属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应世纪最早获得应用的电力电子器件。在中、高频整流和逆变以及用的电力电子器件。在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用低压高频整流的场合发挥着积极的作用,具有不具有不可替代的地位。可替代的地位。基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。极管一样。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。你现在浏览的是第六页，共96页功率二极管 a）结构）结构 b）外形）外形 c）电气图形）电气图形l伏安特性曲线伏安特性曲线你现在浏览的是第七页，共96页功率二极管的开关特性 （1）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。）关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。反向恢复时间：反向恢复时间：trr=td+tf（2）开通特性：）开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管的正向电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管的正向压降先出现一个过冲压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。你现在浏览的是第八页，共96页功率二极管的主要参数 （1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(AV)：在指定的管壳温（简称壳温，用：在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）和散表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。（2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压RRM：l指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压），此电压通常为击穿电压指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压），此电压通常为击穿电压U的的2/3。l（3）正向压降正向压降F：l指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端l的正向平均电压的正向平均电压(又称管压降又称管压降)。l（4）反向漏电流反向漏电流RR：l 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。l最高工作结温最高工作结温jM：l指指器器件件中中结结不不至至于于损损坏坏的的前前提提下下所所能能承承受受的的最最高高平平均均温温度度。jM通通常常在在125175范围内。范围内。你现在浏览的是第九页，共96页功率二极管的主要类型 （1）普通二极管：普通二极管又称整流管（）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），），多用于开关频率在多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时以下的整流电路中，其反向恢复时间在间在us以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在）快恢复二极管：反向恢复时间在us以下的称为快恢复二极以下的称为快恢复二极管（管（Fast Recovery Diode简称简称FDR）。快恢复二极管从性能上）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达以下，其容量可达1200V/200A的水平的水平,多用于高频整流和逆变电路中。多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。路中。你现在浏览的是第十页，共96页晶闸管 晶晶闸闸管管(Thyristor)包包括括：普普通通晶晶闸闸管管(SCR)、快快速速晶晶闸闸管管(FST)、双双向向晶晶闸闸管管(TRIAC)、逆逆导导晶晶闸闸管管(RCT)、可可关关断断晶晶闸闸管管(GTO)和和光光控控晶晶闸闸管管等等。普普通通晶晶闸闸管管面面世世早早，应应用用极极为为广广泛泛,在在无无特特别别说说明明的的情情况况下下,本本书书所所说说的的晶晶闸闸管管都都为普通晶闸管。为普通晶闸管。普普 通通 晶晶 闸闸 管管：也也 称称 可可 控控 硅硅 整整 流流 管管(Silicon Controlled Rectifier),简称简称SCR。它它电电流流容容量量大大,电电压压耐耐量量高高以以及及开开通通的的可可控控性性(目目前前生生产产水水平平：4500A/8000V)已已被被广广泛泛应应用用于于相相控控整整流流、逆逆变变、交交流流调调压压、直直流流变变换换等等领领域域,成成为为特特大大功功率率低低频频(200Hz以以下下)装置中的主要器件。装置中的主要器件。你现在浏览的是第十一页，共96页晶闸管的外形、结构和符号 (a)外形；(b)结构；(c)图形符号你现在浏览的是第十二页，共96页晶闸管的工作原理 IA=Ic1+Ic2+ICO=1 IA+2 IK+ICO （2-1）IK=IA+IG （2-2）l式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICO是流过J2结的反向漏电流。由以上两式可得l（2-3）你现在浏览的是第十三页，共96页晶闸管的阻断状态与正向转折 阻断状态：阻断状态：IG=0，1+2很小。正向阳极电压uAK在一定范围内可视为IA=IK=IC0。正向转折：若增大uAK电流IC0随之增加，导致1、2上升。当（1+2）1时，IA急剧上升，晶闸管由阻断状态转为正向导通状态，称为正向转折。晶闸管发生正向转折后，阳极电流IA决定于外电路参数，属于失控状态，应于避免。反向阳极电压uAK在一定范围内时，晶闸管处于反向阻断状态。反向阳极电压超限会导致晶闸管反向击穿，造成永久损坏。你现在浏览的是第十四页，共96页晶闸管的门极开通原理 晶闸管阳极施加正向电压时晶闸管阳极施加正向电压时,若给门极若给门极G也也加正向电压加正向电压UG,门极电流门极电流IG经三极管经三极管V2放大后成放大后成为集电极电流为集电极电流IC2，IC2又是三极管又是三极管V1的基极电流的基极电流,放大后的集电极电流放大后的集电极电流IC1进一步使进一步使IG增大且又作增大且又作为为V2的基极电流流入。重复上述正反馈过程，的基极电流流入。重复上述正反馈过程，两个三极管两个三极管V1、V2都快速进入饱和状态都快速进入饱和状态,使晶使晶闸管阳极闸管阳极A与阴极与阴极K之间导通。此时若撤除之间导通。此时若撤除UG,V1、V2内部电流仍维持原来的方向内部电流仍维持原来的方向,只要满足只要满足阳极正偏的条件阳极正偏的条件,晶闸管就一直晶闸管就一直导通导通。你现在浏览的是第十五页，共96页晶闸管的关断在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的方法有：将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。你现在浏览的是第十六页，共96页几点结论（非常重要）1.晶闸管具有单向导电和可控开通的开关特性。2.晶闸管由阻断状态转为导通状态时，应具备两个条件：从主电路看，晶闸管应承受正向阳极电压；从控制回路看，应有符合要求的正向门极电流。3.晶闸管导通后，只要具备维持导通的主回路条件，晶闸管就维持导通状态，门极便失去控制作用，其阳极电流由外电路决定。4.欲使晶闸管关断，必须从主电路采取措施，使晶闸管阳极电流下降至维持电流之下，通常还要施加一定时间的反向阳极电压。你现在浏览的是第十七页，共96页晶闸管的阳极伏安特性第I象限的是正向特性第 III象 限 的是 反 向 特性IG2IG1IG你现在浏览的是第十八页，共96页晶闸管的正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。你现在浏览的是第十九页，共96页晶闸管的反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。你现在浏览的是第二十页，共96页晶闸管的动态特性你现在浏览的是第二十一页，共96页晶闸管的开通过程延延迟迟时时间间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上上升升时时间间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr普通晶闸管延迟时为0.51.5 s，上升时间为0.53 s。你现在浏览的是第二十二页，共96页晶闸管的关断过程反反向向阻阻断断恢恢复复时时间间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正正向向阻阻断断恢恢复复时时间间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。关断时间关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒。你现在浏览的是第二十三页，共96页晶闸管的电压额定参数1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UDRM:门门极极断断开开(Ig=0),元元件件处处在在额额定定结结温温时时,正正向向阳阳极极电电压压为为正正向向阻阻断断不不重重复复峰峰值值电电压压UDSM(此此电电压压不不可可连连续续施施加加)的的80%所所对对应应的的电电压压(此此电电压压可可重重复复施施加加,其其重重复复频频率率为为50HZ，每每次次持续时间不大于持续时间不大于10ms)。2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM:元元件件承承受受反反向向电电压压时时,阳阳极极电电压压为为反反向向不不重重复复峰峰值值电电压压URRM的的80%所对应的电压。所对应的电压。3）晶晶闸闸管管铭铭牌牌标标注注的的额额定定电电压压Ue通通常常取取UDRM与与URRM中中的的最最小小值值,选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电电压压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。倍。即即 Ue=（23）UM （2-7）UM为晶闸管实际承受的最大重复电压。为晶闸管实际承受的最大重复电压。你现在浏览的是第二十四页，共96页晶闸管的电流额定参数l1 1）维持电流）维持电流：l在在室室温温下下门门极极断断开开时时，元元件件从从较较大大的的通通态态电电流流降降至至刚刚好好能能保保持持导通的最小阳极电流为维持电流导通的最小阳极电流为维持电流H。2 2）掣住电流）掣住电流L：l给给晶晶闸闸管管门门极极加加上上触触发发电电压压，当当元元件件刚刚从从阻阻断断状状态态转转为为导导通通状状态态就就撤撤除除触触发发电电压压，此此时时元元件件维维持持导导通通所所需需要要的的最最小小阳阳极极电电流称掣住电流流称掣住电流L。v对同一晶闸管来说，掣住电流对同一晶闸管来说，掣住电流L 要比维持电流要比维持电流vH 大大24倍。倍。你现在浏览的是第二十五页，共96页晶闸管的电流额定参数l3 3）通态平均电流）通态平均电流额定电流额定电流ITal在环境温度为在环境温度为40和规定的冷却条件下和规定的冷却条件下,晶晶l闸管在电阻性负载导通角不小于闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工的单相工频正弦半波电路中频正弦半波电路中,当结温稳定且不超过额定当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。结温时所允许的最大通态平均电流。l在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以流计算后至少还要乘以1.51.52 2的安全系数，使的安全系数，使其有一定的电流裕量。其有一定的电流裕量。你现在浏览的是第二十六页，共96页晶闸管的电流额定参数l4 4）通态平均电流）通态平均电流额定电流额定电流ITa的计算方法的计算方法l根据平均值、有效值的定义对正弦半波电流有如下根据平均值、有效值的定义对正弦半波电流有如下关系：关系：l从上两式有：从上两式有：I=1.57ITa (2-10)l晶闸管电流定额可按下式选择，晶闸管电流定额可按下式选择，IVT为晶闸管实际通为晶闸管实际通过电流的有效值。过电流的有效值。（2-11）你现在浏览的是第二十七页，共96页晶闸管的动态参数通态电流临界上升率通态电流临界上升率 di/dt定定义义：晶晶闸闸管管能能承承受受而而没没有有损损害害影影响响的的最最大大通通态态电流上升率称通态电流临界上升率电流上升率称通态电流临界上升率 di/dt。影影响响：门门极极流流入入触触发发电电流流后后，晶晶闸闸管管开开始始只只在在靠靠近近门门极极附附近近的的小小区区域域内内导导通通，随随着着时时间间的的推推移移，导导通通区区才才逐逐渐渐扩扩大大到到PN结结的的全全部部面面积积。如如果果阳阳极极电电流流上上升升得得太太快快，则则会会导导致致门门极极附附近近的的结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。你现在浏览的是第二十八页，共96页晶闸管的动态参数断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt。影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的结时，产生相当于触发电流的作用，如的结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误果这个电流过大，将会使元件误触发导通触发导通。你现在浏览的是第二十九页，共96页晶闸管的型号你现在浏览的是第三十页，共96页晶闸管的主要派生器件1.快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFSTl可可允允许许开开关关频频率率在在400HZ以以上上工工作作的的晶晶闸闸管管称称为为快快速速晶晶闸闸管管(Fast Switching Thyrister，简简称称FST)，开开关关频频率率在在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。以上的称为高频晶闸管。l 快快速速晶晶闸闸管管为为了了提提高高开开关关速速度度，其其硅硅片片厚厚度度做做得得比比普普通通晶晶闸闸管管薄薄，因因此此承承受受正正反反向向阻阻断断重重复复峰峰值值电电压压较较低低，一一般般在在2000V以下。以下。快快速速晶晶闸闸管管du/dt的的耐耐量量较较差差，使使用用时时必必须须注注意意产产品品铭铭牌牌上上规规定定的的额额定定开开关关频频率率下下的的du/dt，当当开开关关频频率率升升高高时时，du/dt 耐量会下降。耐量会下降。你现在浏览的是第三十一页，共96页晶闸管的主要派生器件2.逆导晶闸管逆导晶闸管(RCT)l将晶闸管反并联一个二极管制将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器作在同一管芯上的功率集成器件。件。l 与普通晶闸管相比，逆导晶闸管与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温具有正压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点；特性好、额定结温高等优点；l 根据逆导晶闸管的伏安特性可知，根据逆导晶闸管的伏安特性可知，它的反向击穿电压很低；因此只能适它的反向击穿电压很低；因此只能适用于反向不需承受电压的场合；用于反向不需承受电压的场合；l 逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流管区之间的隔离区；管区之间的隔离区；l 逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管和整流管的额定电流表示。管和整流管的额定电流表示。a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性你现在浏览的是第三十二页，共96页晶闸管的主要派生器件3.双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)可认为是一对反并联联接可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有的普通晶闸管的集成。有两个主电极两个主电极T1和和T2，一个，一个门极门极G。正反两方向均可。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸触发导通，所以双向晶闸管在第和第管在第和第III象限有对象限有对称的伏安特性。称的伏安特性。与一对反并联晶闸管相比与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固单，在交流调压电路、固态继电器态继电器（SSR）和交流和交流电机调速等领域应用多。电机调速等领域应用多。通常用在交流电路中，因通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性你现在浏览的是第三十三页，共96页可关断晶闸管结构与符号与普通晶闸管的相同点相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。你现在浏览的是第三十四页，共96页可关断晶闸管的开通过程与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。你现在浏览的是第三十五页，共96页可关断晶闸管的关断过程与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子储储存存时时间间ts，使等效晶体管退出饱和。等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间下降时间tf。残存载流子复合尾部时间尾部时间tt。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短。门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间。你现在浏览的是第三十六页，共96页可关断晶闸管的开关损耗GTO在通态和断态时损耗较小，在开通和关断的动态过程中损耗较大。在开通过程中，最大瞬时损耗功率出现在上升时间tr内，在不超过门极平均耗散功率的前提下，提高门极电流脉冲的幅值、宽度和前沿陡度可缩短开通时间，降低开通损耗。在关断过程中，出现两次峰值损耗功率。一次在下降时间tf内，一次在尾部时间tt内。提高门极关断电流脉冲的幅值和前沿陡度，尽可能使负电压脉冲后沿衰减缓慢，尽量减小主电路电感，合理设置吸收电路，可降低关断损耗。你现在浏览的是第三十七页，共96页GTO的主要技术参数1.断态不重复峰值电压Udsm。使用只绝对不允许超过。2.可关断峰值电流ITGQM。它是它是GTO的额定电流。的额定电流。3.维持电流IH。导通状态下的GTO阳极电流减小至开始出现部分GTO元不能再维持导通状态的阳极电流值。4.掣住电流IL。GTO经门极触发后，阳极电流上升到能够保持所有GTO元导通的最低值。你现在浏览的是第三十八页，共96页GTO的主要技术参数5.开开通通时时间间tgt。延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。6.关关断断时时间间tq。一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。7.电电流流关关断断增增益益 off。最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。你现在浏览的是第三十九页，共96页GTO的吸收电路l l设置吸收（缓冲）电路的目的是：设置吸收（缓冲）电路的目的是：设置吸收（缓冲）电路的目的是：设置吸收（缓冲）电路的目的是：l l (1)(1)减轻减轻减轻减轻GTOGTO在开关过程中的功耗。为了降低开通时在开关过程中的功耗。为了降低开通时在开关过程中的功耗。为了降低开通时在开关过程中的功耗。为了降低开通时的功耗，必须抑制的功耗，必须抑制的功耗，必须抑制的功耗，必须抑制GTOGTO开通时阳极电流上升率。开通时阳极电流上升率。开通时阳极电流上升率。开通时阳极电流上升率。GTOGTO关关关关断时会出现挤流现象，即局部地区因电流密度过高导致瞬时温断时会出现挤流现象，即局部地区因电流密度过高导致瞬时温断时会出现挤流现象，即局部地区因电流密度过高导致瞬时温断时会出现挤流现象，即局部地区因电流密度过高导致瞬时温度过高，度过高，度过高，度过高，甚至使甚至使甚至使甚至使GTOGTO无法关断。为此必须在管子关断时抑制无法关断。为此必须在管子关断时抑制无法关断。为此必须在管子关断时抑制无法关断。为此必须在管子关断时抑制电压上升率。电压上升率。电压上升率。电压上升率。l l (2)(2)抑制静态电压上升率，过高的电压上升率会使抑制静态电压上升率，过高的电压上升率会使抑制静态电压上升率，过高的电压上升率会使抑制静态电压上升率，过高的电压上升率会使GTOGTO因位移电流产生误导通。下图因位移电流产生误导通。下图因位移电流产生误导通。下图因位移电流产生误导通。下图 为为为为GTOGTO的阻容吸收电路，的阻容吸收电路，的阻容吸收电路，的阻容吸收电路，其电路形式和工作原理与普通晶闸管电路基本相似。其电路形式和工作原理与普通晶闸管电路基本相似。其电路形式和工作原理与普通晶闸管电路基本相似。其电路形式和工作原理与普通晶闸管电路基本相似。图（图（图（图（a a）只能用于小电流电路；图（）只能用于小电流电路；图（）只能用于小电流电路；图（）只能用于小电流电路；图（b b）与图（）与图（）与图（）与图（c c）是较大）是较大）是较大）是较大容量容量容量容量GTOGTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量选用快电路中常见的缓冲器，其二极管尽量选用快电路中常见的缓冲器，其二极管尽量选用快电路中常见的缓冲器，其二极管尽量选用快速型、接线短的二极管，速型、接线短的二极管，速型、接线短的二极管，速型、接线短的二极管，这将使缓冲器阻容效果更显这将使缓冲器阻容效果更显这将使缓冲器阻容效果更显这将使缓冲器阻容效果更显著。著。著。著。你现在浏览的是第四十页，共96页GTO的吸收电路你现在浏览的是第四十一页，共96页电力晶体管的结构与符号lGTR与普通双极结型晶体管基本原理是一样的。l主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。l通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。l采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。你现在浏览的是第四十二页，共96页GTR的开关特性开开通通过过程程：延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开开通通时时间间ton。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。你现在浏览的是第四十三页，共96页GTR的开关特性关断过程关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间关断时间toff。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。你现在浏览的是第四十四页，共96页GTR的最大额定值1.最最高高工工作作电电压压UM。GTR上电压超过规定值时会发生击穿，击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。2.集集电电极极最最大大允允许许电电流流IcM。通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。3.最最高高结结温温TjM。一般情况下，塑封硅管的TjM为125150，金属封硅管的TjM为150170，高可靠平面管的TjM为175200。4.集集电电极极最最大大耗耗散散功功率率PcM。最高工作温度下允许的耗散功率。你现在浏览的是第四十五页，共96页GTR的二次击穿一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。你现在浏览的是第四十六页，共96页GTR的二次击穿一次击穿、二次击穿一次击穿、二次击穿原理原理二次击穿临界线二次击穿临界线你现在浏览的是第四十七页，共96页GTR的安全工作区l安全工作区安全工作区SOA(Safe Operation Area)是指是指在输出特性曲线图上在输出特性曲线图上GTR能够安全能够安全运行运行的电流、电压的极限范围。的电流、电压的极限范围。l按按基基极极偏偏置置分分类类可可分分为为正正偏偏安安全全工工作作区区FBSOA和和反偏安全工作区反偏安全工作区RBSOA。你现在浏览的是第四十八页，共96页GTR的正偏安全工作区FBSOA 正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条件下由件下由GTRGTR的最大允许集电极电流的最大允许集电极电流I ICMCM、最大允许集电极电压、最大允许集电极电压BUBUCEOCEO、最大允许集电极功耗、最大允许集电极功耗P PCMCM以及二次击穿功率以及二次击穿功率P PSBSB四条限制线四条限制线所围成的区域。所围成的区域。你现在浏览的是第四十九页，共96页GTR的反偏安全工作区RBSOA 反偏安全工作区又称反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区。它表的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压关断过程中电压UCE、电流电流 IC 限制界线所围成的区域限制界线所围成的区域。你现在浏览的是第五十页，共96页GTR的保护与基流控制lGTR的过电流保护只能采取快速封锁驱动的过电流保护只能采取快速封锁驱动电路的方式，快速检测和快速响应是影响保电路的方式，快速检测和快速响应是影响保护性能的主要因素。护性能的主要因素。l基极电流控制应从以下几个方面考虑：基极电流控制应从以下几个方面考虑：l1.开通时应保证有足够的峰值，缩短开通时间，开通时应保证有足够的峰值，缩短开通时间，降低开通损耗。降低开通损耗。l2.开通后要维持开通后要维持GTR工作在准饱和状态，避工作在准饱和状态，避免进入放大状态。免进入放大状态。l3.关断时尽量提供较大的电流，缩短关断时间，关断时尽量提供较大的电流，缩短关断时间，减小关断损耗。减小关断损耗。你现在浏览的是第五十一页，共96页功率场效应管MOSFETl结构与符号结构与符号l分为结结型型和绝绝缘缘栅栅型型（类似小功率FieldEffectTransistorFET）l但 通 常 主 要 指绝绝 缘缘 栅栅 型型中 的MOS型型（Metal Oxide SemiconductorFET）你现在浏览的是第五十二页，共96页MOSFET的工作原理（1）截止：）截止：l栅源电压栅源电压 UGS0 或或 0UGSUTl(UT为开启电压，又叫阈值电压为开启电压，又叫阈值电压)；l（2）导通：）导通：lUGSUT时，加至漏极电压时，加至漏极电压UDS0；l（3）漏极电流）漏极电流ID：lVDMOS的漏极电流的漏极电流ID受控于栅压受控于栅压UGS；你现在浏览的是第五十三页，共96页MOSFET的主要参数l1.漏源击穿电压漏源击穿电压BUDSSlBUDSS决定了决定了VDMOS的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪的最高工作电压，它是为了避免器件进入雪崩区而设立的极限参数。崩区而设立的极限参数。l2.最大漏极电流最大漏极电流IDMlIDM表表征征器器件件的的电电流流容容量量。当当UGS=10V，UDS为为某某一一数数值值时时，漏漏源源间间允许通过的最大电流称为最大漏极电流。允许通过的最大电流称为最大漏极电流。l3.栅源击穿电压栅源击穿电压BUGSlBUGS是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介电击穿而设立的是为了防止绝缘栅层因栅源间电压过高而发生介电击穿而设立的参数。一般参数。一般BUGS=20V。l4.通态电阻通态电阻Ronl在确定的栅压在确定的栅压UGS下，下，VDMOS由可调电阻区进入饱和区时漏极由可调电阻区进入饱和区时漏极至源极间的直流电阻称为通态电阻至源极间的直流电阻称为通态电阻Ron。Ron是影响最大输出功是影响最大输出功率的重要参数。率的重要参数。l 在相同条件下，耐压等级越高的器件其在相同条件下，耐压等级越高的器件其Ron值越大，另外值越大，另外Ron随随ID的增的增加而增加，随加而增加，随UGS的升高而减小。的升高而减小。你现在浏览的是第五十四页，共96页正偏安全工作区(FBSOA)：四条边界极限：四条边界极限：1 1）漏漏源源通通态态电电阻阻限限制制线线I I(由由于于通通态态电电阻阻R Ronon大大，因因此此器器件件在在低低压压段段工工作作时时要要受受自自身身功功耗耗的的限制限制)；2 2）最最大大漏漏极极电电流流限限制制线线；3 3）最大功耗限制线）最大功耗限制线；4 4）最最大大漏漏源源电电压压限限制制线线；你现在浏览的是第五十五页，共96页开关安全工作区(SSOA)l开关安全工作区开关安全工作区(SSOA)反应反应lVDMOS在关断过在关断过程中的参数极限程中的参数极限范围；范围；l由最大峰值漏极由最大峰值漏极电流电流IDM、最小漏、最小漏源击穿电压源击穿电压BUDSS和最高结温和最高结温TJM所所决定。决定。你现在浏览的是第五十六页，共96页换向安全工作区(CSOA)换向安全工作区换向安全工作区(CSOA)是器件寄生二极管或集是器件寄生二极管或集成二极管反向恢复性能所决定的极限工作范围。成二极管反向恢复性能所决定的极限工作范围。l在在换换向向速速度度(寄寄生生二二极极管管反反向向电电流流变变化化率率)一一定定时时，CSOA由由漏漏极极正正向向电电压压UDS(即即二二极极管管反反向向电电压压UR)和和二二极极管管的的正正向向电电流流的的安安全全运运行行极极限限值值IFM来决定。来决定。你现在浏览的是第五十七页，共96页MOSFET的特点l1.开关速度快，一般为开关速度快，一般为10ns100ns。l2.温度稳定性好，通态电阻具有正温度系温度稳定性好，通态电阻具有正温度系数，可实现自动均流。数，可实现自动均流。l3.输入阻抗大、驱动功率小，因此驱动电路输入阻抗大、驱动功率小，因此驱动电路也较简单。也较简单。l4.导通电阻大、通态压降大，因此在大电流导通电阻大、通态压降大，因此在大电流