常用电力电子器件分析与实践.ppt

电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章 本章学习目标 了解电力二极管及晶闸管的结构、符号与类型，掌握晶闸管的工作原理和主要参数；熟悉晶闸管的导通条件和关断机理，掌握晶闸管的门极触发方式；熟悉常见全控型电力电子器件的结构、符号及其工作原理，掌握其根本特性与参数计算方法；熟悉全控型器件的驱动及保护电路设置的目的与要求，掌握驱动与保护电路的分类与实现方法；熟悉电力电子器件的缓冲电路结构与类型，掌握三种根本缓冲电路的工作原理；知识目标技能目标 学会用万用表判别电力二极管和晶闸管引脚极性以及质量状态的根本方法，掌握晶闸管通断状态检测的根本步骤；掌握构建全控型器件状态检测电路的根本要求与实现方法，并具备能根据器件参数手册进行参数测定的能力；正确理解电力电子器件驱动电路的作用，掌握驱动电路的设置要求并学会进行电路测试与故障排除；掌握电力电子器件保护电路的根本检测方法。第1章 常用电力电子器件分析与实践电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.1 电力二极管和晶闸管分析与实践n1.1.1 电力二极管n1.1.2 晶闸管n1.1.3 双向晶闸管及其他派生器件电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章一、结构和伏安特性一、结构和伏安特性1 1、电力二极管结构与符号、电力二极管结构与符号 图1-1-1 电力二极管的外形、结构与符号1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管一结两层两端封装器件。一结两层两端封装器件。PN结面积较大。结面积较大。功耗较大需考虑散热外形主要有螺栓型和平板型两种。外形主要有螺栓型和平板型两种。阳极阳极阴极阴极电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2 2、电力二极管伏安特性、电力二极管伏安特性-I-ID D=f(U=f(UD D)图1-1-2 电力二极管的伏安特性图1 1正向特性正向特性2 2反向特性反向特性 开启电压一般在0.5V左右，当电压大于0.5V时，正向阳极电流就急剧上升。起始阶段二极管的反向电流很小，当反向电压加至某一值时，反向电流急剧增加二极管发生了反向击穿。1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章二、主要参数二、主要参数1、额定电流正向平均值电流2、反向重复峰值电压3、正向平均电压4、最高工作结温1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1、额定电流正向平均值电流定义：在规定的环境温度为40和标准散热条件下，元件PN结温度稳定且不超过140时，所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章定义：在额定的结温条件下，取元件反向伏安特性不反向伏安特性不重复峰值电压值重复峰值电压值 的80称为反向重复峰值电压 。2、反向重复峰值电压1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章3、正向平均电压 定义：在规定的环境温度为40和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均值电流时，元件阳极和阴极之间的电压平均值。正向平均电压一般在0.451V范围。1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章4、最高工作结温 结温是指管芯PN结的平均温度。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM一般在125175之内。1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2、额定电压 的选择1、额定正向平均电流 的选择三、电力二极管的参数选择及使用本卷须知三、电力二极管的参数选择及使用本卷须知 式中：-流过二极管的最大电流有效值1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管注意：计算后取相应标准系列值 式中：-二极管的最大反向瞬时电压 注意：计算后取相应标准系列值电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章四、电力二极管的主要类型1、普通二极管2、快恢复二极管3、肖特基二极管1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1、普通二极管(整流二极管)开关频率不高1KHz以下；反向恢复时间较长5 以上；管子的正向电流定额和方向电压定额可以很高；主要用在开关频率不高的电路中。1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2、快恢复二极管简称FRD具有开关特性好反向恢复时间短正向压降较低反向击穿电压耐压值较高主要作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管a)塑封快恢复二极管c)超快恢复二极管b)普通快恢复二极管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章3、肖特基二极管(简称SBD)-金属半导体结原理制成反向恢复时间很短开关损耗及导通损耗更小，效率高反向漏电流较大，需限制工作温度用于200V以下的低压场合1.1.1 1.1.1 电力二极管电力二极管实物图形电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章一、晶闸管的结构二、晶闸管的导通与关断条件三、晶闸管的工作原理四、晶闸管的阳极伏安特性五、晶闸管主要参数六、晶闸管的门极伏安特性及主要参数1.1.2 晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章一、晶闸管的结构1、晶闸管的外形2、晶闸管的内部结构1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章螺栓型：螺栓型：额额定定电电流一般介于流一般介于10A10A至至200A200A。平板型：平板型：额额定定电电流一般流一般大于大于200A200A以上。以上。塑封型：小容量，一般额定塑封型：小容量，一般额定电流电流10A10A以下。以下。注意：晶闸管工作时由于器件损耗而产生热量，需要通过散热器降低管芯温度，器件外形是为了便于安装散热器而设计的。1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管1 1、晶闸管的外形、晶闸管的外形图1-1-3 常见晶闸管的外形结构电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2、晶闸管的内部结构 四层半导体P1N1P2N2、三端电极阳极A、阴极K、门极G组成。图1-1-4 晶闸管的结构和电气图形符号1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管二极管等效电路阳极阳极阴极阴极门极门极电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章二、晶闸管的导通与关断条件图1-1-5 晶闸管的导通关断实验电路1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管晶闸管导通与关断的实验电路。灯亮后，断开G极，RP调大会使灯灭uAK大于0，uGK大于0，灯亮电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章二、晶闸管的导通与关断条件1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管1、晶闸管导通条件。2、晶闸管关断条件。-阳极与阴极加正向电压、阳极与阴极加正向电压、同时门极与阴极加适当正向电压。同时门极与阴极加适当正向电压。-流过晶闸管的阳极电流减少到小于维持电流。流过晶闸管的阳极电流减少到小于维持电流。注意：晶闸管导通后门极对管子不再具有控制作用。注意：晶闸管导通后门极对管子不再具有控制作用。晶闸管关断的具体做法：晶闸管阳极电压减小到零或晶闸管关断的具体做法：晶闸管阳极电压减小到零或者加反向阳极电压。者加反向阳极电压。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章三、晶闸管的工作原理 当晶闸管加正向阳极电压，门极也加足够的正向电压时，电路将发当晶闸管加正向阳极电压，门极也加足够的正向电压时，电路将发生以下过程：生以下过程：图1-1-6 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管 与与 之间的循环过程使两个晶体管很快饱和导通，从而使晶之间的循环过程使两个晶体管很快饱和导通，从而使晶闸管由阻断迅速地变为导通。注意：这是一个增强式正反响过程。闸管由阻断迅速地变为导通。注意：这是一个增强式正反响过程。三极管等效电路电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章四、晶闸管的阳极伏安特性图1-1-7 晶闸管的阳极伏安特性曲线 正向转折电压正向转折电压正向阻断正向阻断反向阻断反向阻断反向击穿电压反向击穿电压1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管 晶闸管的正向伏安特性曲线如图1-1-7中第一象限所示，当IG0时，如果在晶闸管两端所加正向电压UA未增到正向转折电压UBO时，器件都处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流。晶闸管的反向伏安特性曲线如图1-1-7第三象限所示，它与整流二极管的反向伏安特性相似。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章五、晶闸管主要参数1、额定电压UTn2、额定电流IT(VA)3、通态平均电压UT(VA)4、其他参数1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1 1、额定电压、额定电压U UTnTn厂家选择额定电压的方法：厂家选择额定电压的方法：将UDRM=0.9 UDSM和URRM=0.9 URSM中较小的那个值按百位数取整后作为该晶闸管的额定电压值。1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管实际应用选择额定电压的方法：实际应用选择额定电压的方法：一般应按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压一般应按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压UTmUTm的的2 23 3倍来选择晶闸管的额定电压的。倍来选择晶闸管的额定电压的。UTn UTn2 23 3UTMUTM注：注：UTMUTM为管子实际承受的最大瞬时电压为管子实际承受的最大瞬时电压 电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2 2、额定电流、额定电流-用通态平均电流用通态平均电流I IT(AV)T(AV)表示表示 定义：晶闸管的额定电流也称为额定通态平均电流，即在环境温度为40和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170度的电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。图1-1-8 流过晶闸管的工频正弦半波电流波形1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管电流最电流最大值大值通态平通态平均电流均电流电流有电流有效值效值电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章3 3、通态平均电压、通态平均电压U UT(VA)T(VA)当晶闸管中流过额定电流并到达稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管-在在室室温温和和门门极极断断开开时时，器器件件从从较较大大的的通通态态电电流流降降至至维维持持导导通所必需的最小电流称为维持电流。通所必需的最小电流称为维持电流。4 4、维持电流、维持电流I IH H -晶晶闸闸管管刚刚从从断断态态转转入入通通态态就就去去掉掉触触发发信信号号，能能使使器器件件保保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流。一一般般擎擎住住电电流流为为维维持持电电流流I IH H 的的2 24 4倍。倍。5 5、擎住电流、擎住电流I IL L电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管-在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。-在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路情情况况下下，不不使使器器件件从从断断态态到到通态转换的阳极电压最大上升率称为断态电压临界上升率。通态转换的阳极电压最大上升率称为断态电压临界上升率。6 6、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率7 7、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管晶闸管的型号晶闸管的型号例如晶闸管型号KP50-12。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章例题分析例题分析例：例：一晶闸管接在220V交流回路中，通过器件的电流有效值为100A，问选择什么型号的晶闸管？解：晶闸管额定电压：按晶闸管参数系列取800V，即8级。晶闸管额定电流：按晶闸管的参数系列取100A，所以选取晶闸管型号KP100-8。1.1.2 1.1.2 晶闸管晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管一、双向晶闸管二、快速晶闸管三、逆导晶闸管四、光控晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章一、双向晶闸管一、双向晶闸管1 1、双向晶闸管的外形与结构、双向晶闸管的外形与结构图1-1-11 双向晶闸管外形、结构与符号三端五层的NPNPN结构 1.1.3 1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管第一主第一主电极电极第二主第二主电极电极门极门极电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2 2、双向晶闸管的特性与参数、双向晶闸管的特性与参数 在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170时，允许流过器件的最大交流正弦电流的有效值。1.1.3 1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管图1-1-12 双向晶闸管正反向伏安特性曲线 双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线，如下图。1双向晶闸管的额定电流是有效值而非平均值。1 1额定电流额定电流IT(RMSIT(RMS注意：2普通晶闸管与双向普通晶闸管的额定电流换算关系式：电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.1.3 1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管1 1 触发方式触发方式:uT1T2:uT1T2 0,uGT2 0,uGT2 0 0 3 3、双向晶闸管的四种触发方式、双向晶闸管的四种触发方式双向晶闸管经常采用的触发方式为 和 _ 方式。2 2 触发方式触发方式:uT1T2:uT1T2 0,uGT2 0,uGT2 0 0 4 4_ _ 触发方式：触发方式：uT1T2 uT1T2 0,uGT2 0,uGT2 0 0 3 3+触发方式：触发方式：uT1T2 uT1T2 0,uGT2 0,uGT2 0 0 电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章4 4、双向晶闸管的门极控制方式有两种、双向晶闸管的门极控制方式有两种 1移相触发 与普通晶闸管一样，是通过控制触发脉冲的相位来到达调压的目的。1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管2 2过零触发过零触发 这种触发方式主要用于双向晶闸管组成的交流开关电路。图1-1-13 本相电压的触发方式a a、本相电压强触发电路、本相电压强触发电路电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章b b、用程控管、用程控管PUTPUT组成的触发电路组成的触发电路 c c原理示意图原理示意图 a a结构结构 b b符号符号图1-1-14 程控单结管结构、符号及工作原理 1.1.3 1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管电容C充电，当UA UAG+UG时PUT管导通，电容C放电，当UA UAG+UG时PUT管关断，电容C交替充放电而形成震荡。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章二、快速晶闸管二、快速晶闸管 快速晶闸管根本与普通晶闸管一样。开通速度和导通扩展速度快，反向恢复电荷少,关断时间短，通态电流临界上升率(dI/dt)及断态电压临界上升率(dV/dt)高。1.1.3 1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管图1-1-15 快速晶闸管实物图 电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章三、光控晶闸管三、光控晶闸管 光控晶闸管是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。它主要适用于高压大功率的场合。如高压直流输电和高压核聚变装置。图1-1-16 光控晶闸管外形及电气符号1.1.3 1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章三、逆导晶闸管也称反向导通晶闸管三、逆导晶闸管也称反向导通晶闸管RCTRCT 逆导晶闸管是晶闸管反向并联一只二极管后集成在一芯片上的封装器件。具有耐高压、耐高温、关断时间短、通态电压低等优良性能。适用于开关电源、UPS不间断电源中，1.1.3 1.1.3 双向晶闸管及其他派生晶闸管双向晶闸管及其他派生晶闸管图1-1-17 逆导晶闸管的结构、符号和伏安特性电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.2 全控型电力电子器件分析与实践电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章门极可关断GTO晶闸管 通过门极来控制器件导通和关断。即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。GTO既具有普通晶闸管的优点(耐压高，电流大，耐浪涌,能力强，价格廉价)，同时又具有GTR的优点(自关断能力，无需辅助关断电路，使用方便)。GTO应用于高压、大容量场合中。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章一一GTOGTO的结构与工作原理的结构与工作原理 1、结构与普通晶闸管相同点：为PNPN四层三端半导体器件，和普通晶闸管的不同点：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元的阴极和门极那么在器件内部并联在一起。图1-2-1 GTO晶闸管的内部结构、等效电路及电气符号 aGTO内部结构 b等效电路 c电气符号 门极可关断GTO晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章门极可关断GTO晶闸管2 2、工作原理：、工作原理：与普通晶闸管一样，可以用个三极管模型来分析。1 1+2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益 1 1和 2 2。图1-2-2 开通过程1 1、开通原理、开通原理 GTO当阳极加正向电压，门极同时加正触发信号时，GTO导通。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2 2、关断原理关断原理 GTO开通后可在适当外部条件下关断，其关断电路原理与关断时的阳极和门极电流如图1-2-3所示。关断GTO时，将开关S闭合，门极就施以负偏置电压。晶体管的集电极电流被抽出形成门极负电流-，此时晶体管的基极电流减小，进而引起的进一步下降，如此循环不已，最终导致GTO的阳极电流消失而关断。a关断等效电路 b关断过程波形图1-2-3 关断过程等效电路及关断波形门极可关断GTO晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章结论结论1 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。2GTO关断过程中有强烈正反响使器件退出饱和而关断。3多元集成结构使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能 力强。门极可关断GTO晶闸管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章三特性与参数三特性与参数阳极伏安特性阳极伏安特性 GTO GTO的阳极伏安特性如图的阳极伏安特性如图 1-2-4 1-2-4所示。当外加电压超过所示。当外加电压超过正向转折电压正向转折电压UDRMUDRM时，时，GTOGTO即正即正向开通，这种现象称做电压触向开通，这种现象称做电压触发。此时不一定破坏器件的性发。此时不一定破坏器件的性能；但是假设外加电压超过反能；但是假设外加电压超过反向击穿电压之后，那么发生雪向击穿电压之后，那么发生雪崩击穿现象，极易损坏器件。崩击穿现象，极易损坏器件。图1-2-4 GTO的阳极伏安特性 门极可关断GTO晶闸管1 1、静态特性、静态特性电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2 2、动态特性、动态特性门极可关断GTO晶闸管1 1GTOGTO的开通特性的开通特性的开通特性的开通特性图1-2-8 GTO的开通特性 开通时间 由延迟时间 和上升时间 组成。2GTO的关断特性的关断特性关断时间 由存储时间 、下降时间 尾部时间 组成。图1-2-9 GTO的关断特性 电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.2.2 电力晶体管GTRu电力晶体管也称为功率晶体管(GTR)，多数作为功率开关使用，电力晶体管的工作电流大，功率损耗也大，电力晶体管在交直流调速、不间断电源、中频电源等电力变流装置中被广泛应用。在中小功率应用方面，是取代晶阑管的自关断器件之一。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章一一GTR的结构及工作原理的结构及工作原理u电力晶体管有NPN和PNP两种结构，其电流由两种载流子电子和空穴的运动形成，又称为双极型晶体管BJT。目前常用的电力晶体管器件有单管GTR、达林顿管和GTR模块。1.2.2 电力晶体管GTR电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1、单管、单管GTR 图1-2-10所示为GTR的结构示意图。其内部结构原理及电极的命名与晶体三极管相同，所用概念与小信号处理时的分析是一致的。1.2.2 电力晶体管GTRa结构剖析图 b单管外形图 c电路符号 图1-2-10 GTR的结构示意图电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2单管单管GTR的根本工作原理的根本工作原理 图1-2-11是共发射极的单管NPN电力晶体管根本工作原理电路，基极电流 、集电极电流 和发射极电流 。图1-2-11 单管共发射极接法电路原理 1.2.2 电力晶体管GTR电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2、达林顿、达林顿GTR 单管GTR的电流增益低，将绐基极驱动电路造成过重负担。达林顿结构是提高电流增益的一种有效方式。达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定，如图1-2-12a所示。图中的 为 驱动管，为输出管。1.2.2 电力晶体管GTRaNPN及PNP型结构 b实用达林顿管结构图 图1-2-12 达林顿管结构图电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章3、GTR模块模块 图1-2-13所示是两个三级达林顿GTR及其辅助元器件构成的GTR模块。它是将图 1-2-13b中的GTR管芯、稳定电阻和、加速二极管、续流二极管等组装成一个单元，然后根据不同用途将几个单元电路组装在一个管壳内构成GTR模块。aGTR模块的外形图 bGTR模块外的等效电路图 图1-2-13 GTR模块1.2.2 电力晶体管GTR电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章图1-2-14 共发射极输出特性曲线二二GTR的特性的特性1、共发射极输出特性、共发射极输出特性图图1-2-14为典型的双极型晶体管集为典型的双极型晶体管集电极输出特性，该特性可用来解释电极输出特性，该特性可用来解释GTR的不同工作区域。一般可分为的不同工作区域。一般可分为4个区：个区：1放大区线性区其特点是发放大区线性区其特点是发射结正偏，集电结反偏，集电极与基射结正偏，集电结反偏，集电极与基极电流呈线性关系。极电流呈线性关系。2饱和区饱和区其特征是发射结、集其特征是发射结、集电结都正偏。电结都正偏。3准饱和区准饱和区(临界饱和区临界饱和区)其特其特征是集电结反偏，发射结正偏，但征是集电结反偏，发射结正偏，但集电极电流与基极电流不是线性关系。集电极电流与基极电流不是线性关系。4截止区发射结、集电结反偏，截止区发射结、集电结反偏，为零。为零。1.2.2 电力晶体管GTR电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章2、饱和压降特性、饱和压降特性 处于深饱和区工作的GTR集-射极电压称为饱和压降，用 表示。此时的基-射极电压称基极正向压降，用 表示。1.2.2 电力晶体管GTR3.GTR3.GTR的二次击穿现象的二次击穿现象 一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，IcIc迅速增大，出现雪崩击穿迅速增大，出现雪崩击穿.二次击穿二次击穿一一次次击击穿穿发发生生时时，如如果果继继续续增增高高外外接接电电压压，那那么么IcIc继继续续增增大大，当当到到达达某某个个临临界界点点时时，UceUce会会突突然然降降低低至至一一个个小小值值，同同时时导导致致IcIc急急剧剧上升，这种现象称为二次击穿。上升，这种现象称为二次击穿。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章4、平安工作区、平安工作区u防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件的平防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件的平安裕量，尽量使安裕量，尽量使GTR工作在平安工作区。工作在平安工作区。1.2.2 电力晶体管GTRSOAOIcIcMPSBPcMUceUceM电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章三主要参数三主要参数1.2.2 电力晶体管GTR 1)1)最高工作电压最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。BUCBO BUCEX BUCES BuCER BuCEO 。实际使用时，最高工作电压要比 BUCEO 低得多。3)集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM 最高工作温度下允许的耗散功率。2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM 通常规定为下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1 1、电力、电力MOSFETMOSFET的种类的种类按导电沟道可分为按导电沟道可分为P P沟道和沟道和N N沟道。沟道。耗耗尽尽型型当当栅栅极极电电压压为为零零时时漏漏源源极极之之间间就就存存在在导导电电沟道。沟道。增增强强型型对对于于N NP P沟沟道道器器件件，栅栅极极电电压压大大于于小小于零时才存在导电沟道。于零时才存在导电沟道。电力电力MOSFETMOSFET主要是主要是N N沟道增强型。沟道增强型。一、一、电力电力MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章u小功率小功率MOS管是横向导电器件。管是横向导电器件。u电力电力MOSFET大都采用垂直导电结构。大都采用垂直导电结构。u按按垂垂直直导导电电结结构构的的差差异异，分分为为利利用用V型型槽槽实实现现垂垂直直导导电电的的VVMOSFET和和具具有有垂垂直直导导电电双双扩扩散散MOS结结构构的的VDMOSFET。u这里主要以这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。器件为例进行讨论。2、电力、电力MOSFET的结构的结构1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2、电力、电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。是单极型晶体管。导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图1-2-15 电力MOSFET的结构和电气图形符号漏极漏极栅极栅极源极源极垂直导电垂直导电提高耐压和耐流提高耐压和耐流电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章截止截止：漏源极间加正电源漏源极间加正电源，栅源极间电压为零栅源极间电压为零。P基区与基区与N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PN结结J1反偏，漏源极之间无电流流过。反偏，漏源极之间无电流流过。3、电力、电力MOSFET的工作原理的工作原理1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管U UGSGS=0=0U UDSDS 0 0电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管导电：漏源极间加正电源，在栅源极间加正电压导电：漏源极间加正电源，在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面面P区中的空穴推开，而将区中的空穴推开，而将P区中的少子区中的少子电子吸引到栅极下面的电子吸引到栅极下面的P区外表区外表当当UGS大于大于UT开启电压或阈值电压时，栅极下开启电压或阈值电压时，栅极下P区外表的电子浓区外表的电子浓度将超过空穴浓度，使度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成型半导体反型成N型而成为反型层，该反型型而成为反型层，该反型层形成层形成N沟道而使沟道而使PN结结J1消失，漏极和源极连通导电消失，漏极和源极连通导电。反型为反型为N型型导电沟道导电沟道U UGSGS 0 0U UGSGS 0 0U UDSDS 0 0U UDSDS 0 0P P区中电子区中电子上移，空上移，空穴下移穴下移电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章导通关断条件导通关断条件导通条件：导通条件：-漏极与源极加正电压漏极与源极加正电压UDSUDS0)0)同时在栅极同时在栅极与源极间加适宜正电压与源极间加适宜正电压UGSUGS0)0)关断条件：关断条件：-栅极与源极间电压为零或加适宜反向电栅极与源极间电压为零或加适宜反向电压压(UGS 0)(UGS 0)1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章(1)静态特性静态特性转移特性转移特性-漏极电流漏极电流ID和栅源和栅源间电压间电压UGS的关系。的关系。0 0101020203030505040402 24 46 68 8a)101020203030505040400 0b)10102020303050504040饱和区饱和区非非饱饱和和区区截止区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-2-17 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性4、电力电力MOSFET的根本特性的根本特性1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管漏极伏安特性漏极伏安特性截止区对应于截止区对应于GTR的截的截止区饱和区对应于止区饱和区对应于GTR的放大区非饱和区的放大区非饱和区对应对应GTR的饱和区的饱和区注意：漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章RsRGRFRLiDuGSupiD信号信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf1开通过程开通过程开开通通延延迟迟时时间间td(on)(存存在在输输入入电电容容Cin)上升时间上升时间tr开通时间开通时间ton=td(on)+tr2关断过程关断过程关关断断延延迟迟时时间间td(off)(存存在在输输入入电电容容Cin)下降时间下降时间tf关断时间关断时间toff=td(off)+tfa ab)b)图1-2-18电力MOSFET的开关过程a)测试电路 b)开关过程波形up脉冲信号源，Rs信号源内阻，RG栅极电阻，RL负载电阻，RF检测漏极电流(2)(2)动态特性动态特性1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管4 4、电力电力MOSFETMOSFET的根本特性的根本特性电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章5 5、电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数 电力电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额(1)(1)漏源击穿电压漏源击穿电压B BU UDSDS (2)(2)漏极连续电流漏极连续电流I ID D和漏极峰值电流和漏极峰值电流I IDMDM电力电力MOSFETMOSFET电流定额电流定额(3)(3)栅源击穿电压栅源击穿电压B BU UGSGS U UGSGS 20V20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿 。(4)(4)极间电容极间电容极间电容极间电容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章特点：特点：控制级输入阻抗大控制级输入阻抗大驱动电流小驱动电流小防止静电感应击穿防止静电感应击穿中小容量，开关频率高中小容量，开关频率高导通压降大缺乏导通压降大缺乏1.2.3 1.2.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章图中图中N沟道沟道VDMOSFET与与GTR组合组合N沟道沟道IGBT。IGBT比比VDMOSFET多一层多一层P+注入区，具有很强的通流能力。注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路说明，简化等效电路说明，IGBT是是GTR与与MOSFET组成的达林顿结构，组成的达林顿结构，一个由一个由MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶体管。晶体管。图1-2-19 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图 b)简化等效电路 c)电气图形符号1 1、IGBTIGBT的结构的结构1.2.4 1.2.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT 电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术第第第第1 1 1 1章章章章驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFET根根本本相相同同，场场控控器器件件，通通断断由由栅栅射极射极电压电压uGE决定。决定。导导通通：uGE大大于于开开启启电电压压UGE(th)时时，MOSFET内内形形成成沟沟道，道，为为晶体管提供基极晶体管提供基极电电流，流，IGBT导导通。通。通通态压态压降：降：电导调电导调制效制效应应使使电电阻阻RN减小，使通减小，使通态压态压降减小。降减小。关关断断：栅栅射射极极间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，MOSFET内内的的沟沟道消失，晶体管的基极道消失，晶体管的基极电电流被切断，流被切断，IGBT关断。关断。2 2、IGBTI