电力电子器件2.pptx

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1、介绍各种常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本基本特性、主要参数特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题简要概述电力电子器件的概念概念、特点特点和分类分类等问题本章主要内容：本章主要内容：电力电子器件电力电子器件 电力电子的基础电力电子的基础电子器件：晶体管和集成电路电子器件：晶体管和集成电路 信息电子的基础信息电子的基础第1章电力电子器件引言第1页/共166页电力电子器件的概念和特征应用电力电子器件的系统组成电力电子器件的分类本章内容和学习要点1.1电力电子器件概述第2页/共166页1）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）可直接用于主电路中，实现电能的变换

2、或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2）分类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管)半导体器件(采用的主要材料硅）电力电子器件的概念和特征电力电子器件电力电子器件第3页/共166页3）同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。电力电子器件的概念和特征第4页/共

3、166页主主要要损损耗耗通态损耗：通态损耗：断态损耗：断态损耗：开关损耗：开关损耗：开通损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗关断损耗：关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素导通时器件上有一定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流流过电力电子器件的概念和特征第5页/共166页电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组

4、成图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行电气隔离控制电路应用电力电子器件系统组成第6页/共166页控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。有的电力电子系统中，还需要有检测电路。在主电路和控制电路连接的路径上，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。应用电力电子器件系统组成第7页/共166页在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是

5、非常必要的。器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。应用电力电子器件系统组成第8页/共166页按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：1)半控型器件半控型器件绝 缘 栅 双 极 晶 体 管（Insulated-Gate BipolarTransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）3)不可控器件不可控器件电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。晶闸管（Thyristo

6、r）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。电力电子器件的分类第9页/共166页按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：情况分为三类：1)电流驱动型电流驱动型1)单极型器件单极型器件2)电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制2)双极型器

7、件双极型器件3)复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件电力电子器件的分类第10页/共166页本章内容:介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。学习要点:最重要的是掌握其基本特性。了解电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求。由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有

8、不同于普通电路的要求。本章学习内容与学习要点第11页/共166页 PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数 电力二极管的主要类型1.2不可控器件电力二极管第12页/共166页PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。整流二极管及模块1.2不可控器件电力二极管第13页/共166页基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-2电力二极

9、管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK第14页/共166页N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。图1-3 PN结的形成交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场内电场或自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、

10、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层耗尽层、阻挡层阻挡层或势垒区势垒区。结与电力二极管的工作原理第15页/共166页PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态PN结的单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态结与电力二极管的工作原理第16页/共166页PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效

11、应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：第17页/共166页势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结结电电容容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。结与电力二极管的工作原理第1

12、8页/共166页造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。结与电力二极管的工作原理第19页/共166页主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4电力二极管的伏安特性电力二极管的基本特性

13、1.静态特性静态特性IOIFUTOUFU第20页/共166页2.动态特性l结电容的存在l二极管的电压-电流特性随时间变化的电力二极管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02V图1-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtI第21页/共166页延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf动态过程分析恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。电力二极管的基本特性a)FUFtFt0trrtdtft1t2

14、tURURPIRPdiFdtdiRdta)正向偏置转换为反向偏置I第22页/共166页 关断过程关断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。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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5(b)关断过程 电力二极管的基本特性2.动态特性（续）第23页/共166页UFPuiiFuFtfrt02V开通过程开通过程：电力二极管的正向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2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存

15、大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。图1-5(b)开通过程 电力二极管的基本特性第24页/共166页1.正向平均电流IF(AV)额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC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正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热不能忽略。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。电力二极管的主要参数第25页/共166页2.正向压降UF指电力二极

16、管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，一般按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定电力二极管的主要参数第26页/共166页4.最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。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通常在125175C范围之内。电力二极管的主要参数第27页/共166页a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURU

17、RPIRPdiFdtdiRdta)正向偏置转换为反向偏置I5.反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到零起到恢复反向阻断能力止的时间。6.浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。电力二极管的主要参数第28页/共166页在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。1.普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路

18、中其反向恢复时间较长，一般在5 s以上。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。电力二极管的主要类型第29页/共166页2.快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构采用外延型PiN结构的的快快恢恢复复外外延延二二极极管管（Fast RecoveryEpitaxialDiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下从性能上可分为快速恢复

19、和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。电力二极管的主要类型第30页/共166页2.快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）第31页/共166页3.肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制

20、其工作温度肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高电力二极管的主要类型第32页/共166页3.肖特基二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。因为N型半导体中存在着大量的电子，贵金属中仅有极少量的自由电子，所以电子便从浓度高的B中向浓度低的A中扩散。显然，金属A中没有空穴，也就不存在空穴自A

21、向B的扩散运动。随着电子不断从B扩散到A，B表面电子浓度表面逐渐降轻，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为BA。但在该电场作用之下，A中的电子也会产生从AB的漂移运动，从而削弱了由于扩散运动而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。第33页/共166页典型的肖特基整流管的内部电路结构是以N型半导体为基片，在上面形成用砷作掺杂剂的N-外延层。阳极（阻档层）金属材料是钼。二氧化硅（SiO2）用来消除边缘区域的电场，提高管子的耐压值。N型基片具有很小的通态电阻，其掺杂浓度较N-层要高100%倍。在基片

22、下边形成N+阴极层，其作用是减小阴极的接触电阻。通过调整结构参数，可在基片与阳极金属之间形成合适的肖特基势垒，当加上正偏压E时，金属A和N型基片B分别接电源的正、负极，此时势垒宽度就变窄。加负偏压-E时，势垒宽度就增加。3.肖特基二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）第34页/共166页 晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件1.3半控器件晶闸管第35页/共166页1.3半控器件晶闸管引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代

23、。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）第36页/共166页外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号晶闸管的结构与工作原理第37页/共166

24、页晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第38页/共166页晶闸管的结构与工作原理第39页/共166页晶闸管的结构与工作原理式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得：图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理 按晶体管的工作原理晶体管的工作原理，得：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）第40页/共166页晶体管的特性是：在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大

25、于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。晶闸管的结构与工作原理第41页/共166页其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以 应 用 于 实 践，称 为 光 控 晶 闸 管（LightTriggeredThyristorLTT）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手

26、段晶闸管的结构与工作原理第42页/共166页1.静态特性总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：1)承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。2)承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。4)要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管的结构与工作原理第43页/共166页晶闸管的伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管

27、的结构与工作原理第44页/共166页1)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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管的基本特性第45页/共1

28、66页2)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。晶闸管的伏安特性晶闸管的基本特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第46页/共166页2.动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的基本特性第47页/共166页1)开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上 升

29、 到 稳 态 值 的 10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr（1-6）普通晶闸管延迟时为0.51.5 s，上升时间为0.53 s。晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的基本特性第48页/共166页2)关断过程反向阻断恢复时间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向阻断恢复时间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

30、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tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr（1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒。晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA晶闸管的基本特性第49页/共166页晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UT晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通 常 取 晶 闸

31、管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额第50页/共166页2)电流定额晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流

32、。4)浪涌电流ITSM3)擎住电流IL2)维持电流IH使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.52倍。1)通态平均电流IT(AV)晶闸管的主要参数第51页/共166页3 3）动态参数指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。(2)(2)通态电流临界上升率d di i/d/dt t 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个

33、电容的J J2 2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J J3 3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。(1)(1)断态电压临界上升率d du u/d/dt t 除开通时间t tgtgt和关断时间t tq q外，还有：晶闸管的主要参数第52页/共166页1.1.快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10

34、 s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。晶闸管的派生器件第53页/共166页2.2.双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性。与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调

35、速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。电流值。a)b)IOUIG=0GT1T2晶闸管的派生器件第54页/共166页3.逆 导 晶 闸 管（ReverseConductingThyristorRCT）图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性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件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。a)KGAb)UOIIG=0晶闸管的派生器件第55页/共166页4.

36、光 控 晶 闸 管（LightTriggeredThyristorLTT）图1-12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。AGKa)AK光强度强弱b)OUIA晶闸管的派生器件第56页/共166页 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极

37、晶体管1.4典型全控型器件引言第57页/共166页门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。1.4典型全控型器件引言第58页/共166页门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。缺

38、点：导通管压降大，工作频率较低，触发功率损耗大。门极可关断晶闸管第59页/共166页门极可关断晶闸管1.GTO1.GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点：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：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。图1-13GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号第60页/共166页门极可关断晶闸管工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。图1-7 晶闸管的

39、双晶体管模型及其工作原理 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。第61页/共166页门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。图1-7晶闸管的工作原理第62页/共166页由上述分析我们可以得到以下结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，有同样的正反馈过程，只

40、是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+2BUcexBUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。电力晶体管第81页/共166页2)集电极最大允许电流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)集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。电力晶体管第8

41、2页/共166页4.GTR的二次击穿现象与安全工作区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。电力晶体管第83页/共166页产生二次击穿的原因 二次击穿主要是由于器件芯片局部过热引起。在正向偏置时，温度升高是由热不均衡性引起的。由于晶体管的结面上有缺陷和参数分布不均匀，导致电流分布不均匀，从而引起温度分布不均匀。温度高的局部区域载流子浓度将增加，使电流更加密集，这种恶性循环形成热不稳定性

42、。如果局部区域所产生的热量不能及时散发，将使电流上升失去控制。一旦温度达到材料熔点，便造成永久性破坏。反向偏置时，温度升高是由雪崩击穿引起的。由于发生一次雪崩击穿之后，在某些点上因电流密度过大，改变了结电场分布，产生负阻效应，从而使局部温度过高的一种现象。二次击穿最终是由于局部过热而引起，而热点的形成需要能量的积累，即需要一定的电压、电流和一定的时间。因此，集电极电压、电流、负载性质、导通脉冲宽度、基极电路的配置以及材料、工艺等因素都对二次击穿有一定的影响。电力晶体管第84页/共166页安全工作区（SafeOperatingAreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率P

43、cM、二次击穿临界线限定。图1-18GTR的安全工作区电力晶体管第85页/共166页也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistorFET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET 金属氧化物半导体场效应晶体管）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）电力场效应晶体管第86页/共166页由于功率MOSFET的易驱动性和高开关速度，近年来被广泛地应用于DCDC、开关电源、便携式电子设备以及汽车电子电气设备中。电力场效应

44、晶体管电力场效应晶体管特点用栅极电压来控制漏极电流自关断，驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。无二次击穿，安全区宽。通态电阻大，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。单极型的电压控制。第87页/共166页1.电力MOSFET的结构和工作原理电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型电力场效应晶体管第88页/共166页电力场效应晶体管电力MOSFET的结构导通时只有一种极性的

45、载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列 图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号S:源极D:漏极G:栅极第89页/共166页小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（VerticalMOSFET）大大

46、提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结 构 的 VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力场效应晶体管第90页/共166页电力场效应晶体管第91页/共166页电力场效应晶体管电力MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号第92页/共166页电力场效应晶体管电力MOSFET的工作原理导电：在

47、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面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号第93页/共166页电力场效应晶体管电力MOSFET的工作原理导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号第94页/共166页1)静态特性漏极电流ID和栅源间 电 压 UGS的 关 系称为MOSFET的

48、转移特性。ID较 大 时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性2.电力电力MOSFET的基本特性的基本特性电力场效应晶体管010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A第95页/共166页MOSFET的漏极伏安特性：截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状

49、态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET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MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性电力场效应晶体管010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。第96页/共166页2)动态特性开通过程开通延迟时间td(on)up前 沿 时 刻 到uGS=UT并 开 始 出 现 iD的时刻间

50、的时间段。上升时间tr uGS从uT上 升 到 MOSFET进入 非 饱 和 区 的 栅 压UGSP的时间段。图1-21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检测漏极电流电力场效应晶体管RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf第97页/共166页图1-21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检测漏极电流电力场效应晶体管RsRGRFRLiDuGSupiD信号+U