1、會計學1第二章第二章 電力電力(dinl)電子器件電子器件第一頁，共82頁。2.1 電力電子器件電力電子器件(din z q jin)概述概述第1頁/共82頁第二頁，共82頁。1.不可控型、半控型和全控型器件不可控型、半控型和全控型器件2.1) 不可控型器件：電力二極管不可控型器件：電力二極管 3. 不可控型器件是指不能用控制信號來控制其通斷的電力電子器件。這種器件只有兩個端子，導通和關斷完全不可控型器件是指不能用控制信號來控制其通斷的電力電子器件。這種器件只有兩個端子，導通和關斷完全(wnqun)是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。4.2) 半控型

2、器件：普通晶閘管半控型器件：普通晶閘管 5. 由于這類器件通過控制信號只能控制其開通而不能控制其關斷。半控型器件的關斷完全由于這類器件通過控制信號只能控制其開通而不能控制其關斷。半控型器件的關斷完全(wnqun)是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。普通晶閘管及其大部分派生器件屬于這一類。是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。普通晶閘管及其大部分派生器件屬于這一類。6.3) 全控型器件：大功率三極管，全控型器件：大功率三極管，IGBT，MOSFET等等 7. 由于這類器件通過控制信號既可以控制其開通，又可以控制其關斷，故被稱為全控型器件。這類器件品種很多，目前最常用的是由于這類器件通過控制

3、信號既可以控制其開通，又可以控制其關斷，故被稱為全控型器件。這類器件品種很多，目前最常用的是IGBT和電力和電力MOSFET，在處理兆瓦級大功率電能的場合，門極可關斷晶閘管，在處理兆瓦級大功率電能的場合，門極可關斷晶閘管(GTO)應用也較多。應用也較多。2.1 電力電力(dinl)電子器件概述電子器件概述第2頁/共82頁第三頁，共82頁。2.雙極型、單極型和混合型器件雙極型、單極型和混合型器件3. 眾多電力電子器件又可分為雙極型、單極型和混合型三種類型。凡由一種載流子參與導電的稱為單極型器件，如電力眾多電力電子器件又可分為雙極型、單極型和混合型三種類型。凡由一種載流子參與導電的稱為單極型器件，

4、如電力MOSFET、靜電感應晶體管、靜電感應晶體管(SIT)等。凡由電子和空穴兩種載流子參與導電的稱為雙極型器件，如等。凡由電子和空穴兩種載流子參與導電的稱為雙極型器件，如PN結整流管、普通結整流管、普通(ptng)晶閘管、電力晶體管等。由單極型和雙極型兩種器件組成的復合型器件稱為混合型器件，如晶閘管、電力晶體管等。由單極型和雙極型兩種器件組成的復合型器件稱為混合型器件，如IGBT和和MOS控制晶閘管控制晶閘管(MCT)等。圖等。圖2.1所示為電力電子器件所示為電力電子器件“樹。樹。4.圖圖2.1 電力電子器件電力電子器件“樹樹”2.1 電力電子器件電力電子器件(din z q jin)概述概

5、述第3頁/共82頁第四頁，共82頁。3.電流控制型和電壓控制型器件電流控制型和電壓控制型器件(qjin)4.1) 電流控制型器件電流控制型器件(qjin)5. 如果是通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制，這類電力電子器件如果是通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制，這類電力電子器件(qjin)被稱為電流控制型電力電子器件被稱為電流控制型電力電子器件(qjin)或者電流驅動型電力電子器件或者電流驅動型電力電子器件(qjin)。6.2) 電壓控制型器件電壓控制型器件(qjin)7. 如果是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導通或者關斷的控制，這類電力

6、電子器件如果是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導通或者關斷的控制，這類電力電子器件(qjin)被稱為電壓控制型電力電子器件被稱為電壓控制型電力電子器件(qjin)或者電壓驅動型電力電子器件或者電壓驅動型電力電子器件(qjin)。2.1 電力電子器件電力電子器件(din z q jin)概述概述第4頁/共82頁第五頁，共82頁。電力電子器件的使用特點電力電子器件的使用特點從使用角度出發，主要可從以下五個方面考察電力電子器件的性能特點。從使用角度出發，主要可從以下五個方面考察電力電子器件的性能特點。導通壓降。電力電子器件工作在飽和導通狀態時仍產生一定的管耗，管耗與器件導通壓降成

7、正比。導通壓降。電力電子器件工作在飽和導通狀態時仍產生一定的管耗，管耗與器件導通壓降成正比。運行頻率。受到開關損耗和系統控制分辨率的限制運行頻率。受到開關損耗和系統控制分辨率的限制(xinzh)，器件的開關時間越短，器件可運行的頻率越高。，器件的開關時間越短，器件可運行的頻率越高。器件容量。器件容量包括輸出功率、電壓及電流等級、功率損耗等參數。器件容量。器件容量包括輸出功率、電壓及電流等級、功率損耗等參數。耐沖擊能力。這主要是指器件短時間內承受過電流的能力。半控型器件的耐沖擊能力遠高于全控型器件。耐沖擊能力。這主要是指器件短時間內承受過電流的能力。半控型器件的耐沖擊能力遠高于全控型器件。可靠性

8、。這主要是指器件防止誤導通的能力。可靠性。這主要是指器件防止誤導通的能力。2.1 電力電力(dinl)電子器件概述電子器件概述第5頁/共82頁第六頁，共82頁。電力電子器件的現狀和發展趨勢電力電子器件的現狀和發展趨勢 目前電力電子器件的種類和發展歷史如圖目前電力電子器件的種類和發展歷史如圖2.2所示。電力電子器件的主要性能指標為電壓、電流和工作頻率三個參數，通過對這三項參數的比較所示。電力電子器件的主要性能指標為電壓、電流和工作頻率三個參數，通過對這三項參數的比較(bjio)即可明白每種器件的應用范圍。即可明白每種器件的應用范圍。圖圖2.2 電力電子器件的種類和發展歷史電力電子器件的種類和發展

9、歷史2.1 電力電力(dinl)電子器件概述電子器件概述第6頁/共82頁第七頁，共82頁。單管的輸出功率單管的輸出功率 圖圖2.3所示為逆變器每臂用單個器件時的輸出功率與工作頻率的關系曲線所示為逆變器每臂用單個器件時的輸出功率與工作頻率的關系曲線(qxin)。圖圖2.3 單個器件輸出頻率與工作頻率的關系單個器件輸出頻率與工作頻率的關系2.1 電力電子器件電力電子器件(din z q jin)概述概述第7頁/共82頁第八頁，共82頁。2.電流與電壓的等級電流與電壓的等級 3.幾種全控型器件幾種全控型器件(qjin)的電壓與電流等級的比較曲線如圖的電壓與電流等級的比較曲線如圖2.4所示。所示。 4

10、.圖圖2.4 幾種全控型器件幾種全控型器件(qjin)的電壓和電流等級的比較曲線的電壓和電流等級的比較曲線2.1 電力電子器件電力電子器件(din z q jin)概述概述第8頁/共82頁第九頁，共82頁。3.功率損耗功率損耗 4.圖圖2.5給出了給出了1000V級器件功率損耗與工作頻率的關系級器件功率損耗與工作頻率的關系(gun x)曲線。曲線。 5.圖圖2.5 1000V級器件功率損耗與工作頻率的關系級器件功率損耗與工作頻率的關系(gun x)2.1 電力電子器件電力電子器件(din z q jin)概述概述第9頁/共82頁第十頁，共82頁。 實踐證明，各種器件以自己的某種優勢占領一定范圍

11、的應用領域，但與其他器件會有競爭，因此用戶可有更多的選擇實踐證明，各種器件以自己的某種優勢占領一定范圍的應用領域，但與其他器件會有競爭，因此用戶可有更多的選擇(xunz)。最終各種器件在競爭的基礎上形成互補的局面。各種電力電子器件壽命的周期曲線如圖。最終各種器件在競爭的基礎上形成互補的局面。各種電力電子器件壽命的周期曲線如圖2.6所示。所示。圖圖2.6 各種器件壽命的周期曲線各種器件壽命的周期曲線2.1 電力電力(dinl)電子器件概述電子器件概述第10頁/共82頁第十一頁，共82頁。2.2 2.2 不可控型器件不可控型器件(qjin)(qjin)電力二極管電力二極管 電力二極管電力二極管(P

12、ower Diode)自自20世紀世紀50年代初期就獲得應用，當時也被稱為半導體整流器年代初期就獲得應用，當時也被稱為半導體整流器(Semiconductor Rectifier，SR)。雖然是不可控型器件，但其結構和原理簡單，工作可靠，所以直到現在，電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中，特別是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。雖然是不可控型器件，但其結構和原理簡單，工作可靠，所以直到現在，電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中，特別是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(dy)高頻整流的場合具有不可替代的地位。高頻整流的場合具有不可替代的

13、地位。2.2 電力電力(dinl)二極管二極管第11頁/共82頁第十二頁，共82頁。電力二極管的工作原理和基本特性電力二極管的工作原理和基本特性 電力二極管的基本結構都是以半導體電力二極管的基本結構都是以半導體PN結為基礎。電結為基礎。電力二極管實際上是由一個力二極管實際上是由一個(y )面積較大的面積較大的PN結和兩端引結和兩端引線以及封裝組成的。圖線以及封裝組成的。圖2.7所示為電力二極管的外形、結構所示為電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號。從外形上看，電力二極管主要有螺栓型和和電氣圖形符號。從外形上看，電力二極管主要有螺栓型和平板型兩種封裝。平板型兩種封裝。圖圖2.7 電力二極管的外形

14、、結構和電氣圖形符號電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號2.2 電力電力(dinl)二極管二極管第12頁/共82頁第十三頁，共82頁。 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性(txng)包括靜態特性包括靜態特性(txng)和動態特性和動態特性(txng)。靜態特性。靜態特性(txng)主要是指其伏安特性主要是指其伏安特性(txng)，如圖，如圖2.8所示。其與微電子電路中的二極管的伏安特性所示。其與微電子電路中的二極管的伏安特性(txng)是一樣的。是一樣的。圖圖2.8 電力二極管的伏安特性電力二極管的伏安特性(txng)2.2 電力電力(dinl)二極管二極管第13頁/共82頁第十四頁，共

15、82頁。1.開通特性開通特性2. 電力二極管在開通初期會出現較高的瞬態壓降，經過一定時間后才能處于電力二極管在開通初期會出現較高的瞬態壓降，經過一定時間后才能處于(chy)穩定狀態，并具有很小的管壓降。圖穩定狀態，并具有很小的管壓降。圖2.9所示為電力二極管的正向恢復特性曲線。所示為電力二極管的正向恢復特性曲線。 3.(a) 管壓降隨時間變化的曲線管壓降隨時間變化的曲線 (b) 電力二極管開通電流波形電力二極管開通電流波形4.圖圖2.9 電力二極管的正向恢復特性電力二極管的正向恢復特性2.2 電力電力(dinl)二極管二極管第14頁/共82頁第十五頁，共82頁。2.關斷特性關斷特性 3. 正在

16、導通的電力二極管突然加一反向電壓時，反向阻斷能力的恢復也需要經過一段時間。在未恢復阻斷能力之前，電力二極管相當于短路狀態，這是一個很重要的特性。其反向恢復過程正在導通的電力二極管突然加一反向電壓時，反向阻斷能力的恢復也需要經過一段時間。在未恢復阻斷能力之前，電力二極管相當于短路狀態，這是一個很重要的特性。其反向恢復過程(guchng)中的電流和電壓波形如圖中的電流和電壓波形如圖2.10所所4.圖圖2.10 反向恢復過程反向恢復過程(guchng)中電流和電壓波形中電流和電壓波形2.2 電力電力(dinl)二極管二極管第15頁/共82頁第十六頁，共82頁。電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數

17、額定電流額定電流ID(AV) 電力二極管長期運行時在額定結溫和規定的冷卻條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值稱為電力二極管長期運行時在額定結溫和規定的冷卻條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值稱為(chn wi)電力二極管的正向平均電流電力二極管的正向平均電流 ID(AV) ，即額定電流。，即額定電流。 額定電壓額定電壓UDE 額定電壓額定電壓UDE是指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓是指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓UB的的23倍。倍。正向壓降正向壓降UF 正向壓降正向壓降UF是指電力二極管在指定溫度下，

18、流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降。是指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降。 浪涌電流浪涌電流IFSM 浪涌電流浪涌電流IFSM是指電力二極管所能承受的最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流。是指電力二極管所能承受的最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流。2.2 電力電力(dinl)二極管二極管第16頁/共82頁第十七頁，共82頁。電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型 電力二極管在許多電力電子電路電力二極管在許多電力電子電路(dinl)中都有著廣中都有著廣泛的應用。電力二極管可以在泛的應用。電力二極管可以在AC/DC變換電路變換電路(dinl)中中作為整

19、流元件，也可以在電感元件的電能需要適當釋放作為整流元件，也可以在電感元件的電能需要適當釋放的電路的電路(dinl)中作為續流元件，還可以在各種變流電路中作為續流元件，還可以在各種變流電路(dinl)中作為電壓隔離、鉗位或保護元件。下面介紹幾中作為電壓隔離、鉗位或保護元件。下面介紹幾種常用的電力二極管。種常用的電力二極管。 普通二極管普通二極管 普通二極管普通二極管(Conventional Diode)又稱整流二極管又稱整流二極管(Rectifier Diode)，多用于開關頻率不高，多用于開關頻率不高(1kHz以下以下)的整的整流電路流電路(dinl)中中 快速恢復二極管快速恢復二極管 恢復

20、過程很短，特別是反向恢復過程很短恢復過程很短，特別是反向恢復過程很短(一般在一般在5ms以下以下)的二極管被稱為快速恢復二極管的二極管被稱為快速恢復二極管(Fast Recovery Diode，FRD)，簡稱快速二極管。，簡稱快速二極管。 肖特基勢壘二極管肖特基勢壘二極管 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肖特基勢壘二極管(Schottky Barrier Diode，SBD)，簡，簡稱為肖特基二極管。稱為肖特基二極管。 2.2 電力電力(dinl)二極管二極管第17頁/共82頁第十八頁，共82頁。2.3 半控型器件半

21、控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)晶閘管晶閘管(Thyristor)是硅晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器是硅晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier，SCR)，以前被簡稱為可控硅。，以前被簡稱為可控硅。自自20世紀世紀80年代以來，晶閘管的地位開始被各種性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力年代以來，晶閘管的地位開始被各種性能更好的全控型器件所取代，但是由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力(dinl)電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合，特別是

22、在可控整流領域，晶閘管仍然具有比較重要的地位。電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合，特別是在可控整流領域，晶閘管仍然具有比較重要的地位。 2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第18頁/共82頁第十九頁，共82頁。晶閘管的結構和工作原理晶閘管的結構和工作原理晶閘管的結構晶閘管的結構 晶閘管的外形晶閘管的外形(wi xn)如圖如圖2.11(a)所示，其內部結構如圖所示，其內部結構如圖2.11(b)所示，電氣圖形符號如圖所示，電氣圖形符號如圖2.11(c)所示，模塊外形所示，模塊外形(wi xn)如圖如圖2.11(d)所示。所示。

23、圖圖2.11 晶閘管的外形晶閘管的外形(wi xn)、內部結構、電氣圖形符號、內部結構、電氣圖形符號和模塊外形和模塊外形(wi xn)2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第19頁/共82頁第二十頁，共82頁。2.晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理3.按圖按圖2.12所示電路所示電路4.(1) 當晶閘管承受反向陽極電壓時，不論門極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態。當晶閘管承受反向陽極電壓時，不論門極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態。5.(2) 當晶閘管承受正向陽極電壓時，若門極不施加電壓，晶閘管也處于關斷狀態。即晶閘管具有正向阻斷當晶閘管承受

24、正向陽極電壓時，若門極不施加電壓，晶閘管也處于關斷狀態。即晶閘管具有正向阻斷(z dun)能力。能力。6.(3) 要使晶閘管由阻斷要使晶閘管由阻斷(z dun)變為導通，必須在晶閘管承受正向陽極電壓時，同時在門極施加正向電壓。正向陽極電壓和正向門極電壓兩者缺一不可。變為導通，必須在晶閘管承受正向陽極電壓時，同時在門極施加正向電壓。正向陽極電壓和正向門極電壓兩者缺一不可。 7.(4) 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。晶閘管門極只能控制其導通，而不能使已導通的晶閘管關斷。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。晶閘管門極只能控制其導通，而不能使已導通的晶閘管關斷。8.(5) 要使晶閘管關斷，必須去

25、掉陽極正向電壓，或者給陽極加反壓，或者降低正向陽極電壓，使通過晶閘管的電流小于維持電流。維持電流即保持晶閘管導通的最小陽極電流。要使晶閘管關斷，必須去掉陽極正向電壓，或者給陽極加反壓，或者降低正向陽極電壓，使通過晶閘管的電流小于維持電流。維持電流即保持晶閘管導通的最小陽極電流。2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第20頁/共82頁第二十一頁，共82頁。晶閘管的工作原理可以通過晶閘管的雙晶體管模型來解釋。如圖晶閘管的工作原理可以通過晶閘管的雙晶體管模型來解釋。如圖2.132.13所示，晶閘管可以看成由所示，晶閘管可以看成由PNPPNP和和NPN

26、NPN兩個兩個(lin )(lin )晶體管組合而成。晶體管組合而成。圖圖2.12 2.12 晶閘管工作條件的實驗電路晶閘管工作條件的實驗電路 圖圖2.13 2.13 晶閘管的雙晶體管模型晶閘管的雙晶體管模型晶閘管導通實驗晶閘管導通實驗(shyn)2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第21頁/共82頁第二十二頁，共82頁。晶閘管的特性晶閘管的特性 晶閘管的特性包括晶閘管的特性包括(boku)(boku)靜態特性和動態特性。靜態特性和動態特性。靜態特性靜態特性 晶閘管的靜態特性主要是指晶閘管的陽極伏安特性，即晶閘管的陽極與陰極之間的電壓和晶閘管

27、陽極電流之間的關系，如圖晶閘管的靜態特性主要是指晶閘管的陽極伏安特性，即晶閘管的陽極與陰極之間的電壓和晶閘管陽極電流之間的關系，如圖2.142.14所示。所示。 圖圖2.14 2.14 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性(IG2 IG1 IG)(IG2 IG1 IG)2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第22頁/共82頁第二十三頁，共82頁。2.動態動態(dngti)特性特性3. 晶閘管的動態晶閘管的動態(dngti)特性是指晶閘管在開通和關斷的動態特性是指晶閘管在開通和關斷的動態(dngti)過程中陽極電流和陽極電壓的變化規律，如圖過程中陽極

28、電流和陽極電壓的變化規律，如圖2.15所示。所示。4.圖圖2.15 晶閘管的動態晶閘管的動態(dngti)特性特性2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第23頁/共82頁第二十四頁，共82頁。1)開通過程開通過程 晶閘管門極在晶閘管門極在t0時刻開始受到理想階躍電流的觸發。對于普通晶閘管時刻開始受到理想階躍電流的觸發。對于普通晶閘管,其其td = 0.51.5ms，tr = 0.53ms。這類晶閘管的延遲時間隨門極電流的增大而減小。延遲時間和上升時間隨陽極電壓的增大都可顯著縮短。這類晶閘管的延遲時間隨門極電流的增大而減小。延遲時間和上升時間隨陽

29、極電壓的增大都可顯著縮短。2)關斷過程關斷過程 原來導通的晶閘管，當電源電壓突然改變方向時，晶閘管過渡原來導通的晶閘管，當電源電壓突然改變方向時，晶閘管過渡(gud)到阻斷狀態的全過程可分階段說明。到阻斷狀態的全過程可分階段說明。2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第24頁/共82頁第二十五頁，共82頁。晶閘管的關斷時間與下列因素有關。晶閘管的關斷時間與下列因素有關。(1)關斷前的正向電流越大，晶閘管內儲存的載流子越多，關斷時間就越長。關斷前的正向電流越大，晶閘管內儲存的載流子越多，關斷時間就越長。(2)外加反向電壓越高，反向電流越大，或反向

30、電流上升率越大，排除過剩載流子速率外加反向電壓越高，反向電流越大，或反向電流上升率越大，排除過剩載流子速率(sl)就越大，關斷時間就越短。就越大，關斷時間就越短。(3)再次施加正向電壓或施加正向電壓上升率越接近晶閘管極限值，關斷時間的增長就越明顯。再次施加正向電壓或施加正向電壓上升率越接近晶閘管極限值，關斷時間的增長就越明顯。(4)結溫越高，載流子復合時間越長，關斷時間也越長。結溫越高，載流子復合時間越長，關斷時間也越長。2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第25頁/共82頁第二十六頁，共82頁。3)晶閘管的損耗晶閘管的損耗 將圖將圖2.15

31、中每一瞬時晶閘管電流與電壓相乘，可得到晶閘管瞬時損耗曲線。可將損耗曲線分成以下幾部分。中每一瞬時晶閘管電流與電壓相乘，可得到晶閘管瞬時損耗曲線。可將損耗曲線分成以下幾部分。(1) 通態損耗：這是晶閘管在穩定導通期的功率損耗。通態損耗：這是晶閘管在穩定導通期的功率損耗。(2) 斷態損耗：這是晶閘管在穩定阻斷期的功率損耗。斷態損耗：這是晶閘管在穩定阻斷期的功率損耗。(3) 開通損耗：在開通過程開通損耗：在開通過程(guchng)中出現的瞬時功耗。中出現的瞬時功耗。(4) 關斷損耗：在關斷過程關斷損耗：在關斷過程(guchng)中出現的瞬時功耗。中出現的瞬時功耗。2.3 半控型器件半控型器件(qji

32、n)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第26頁/共82頁第二十七頁，共82頁。晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 要想正確地選擇和合理地使用晶閘管，不僅需要了解晶閘管的要想正確地選擇和合理地使用晶閘管，不僅需要了解晶閘管的工作原理及特性，更重要的是掌握晶閘管的主要參數。下面介紹晶工作原理及特性，更重要的是掌握晶閘管的主要參數。下面介紹晶閘管的一些主要參數。閘管的一些主要參數。額定電壓額定電壓UTN 所謂所謂(suwi)晶閘管的額定電壓晶閘管的額定電壓UTE，是指，是指UDRM與與URRM 中較小的值，再取相應于標準電壓等級表中較小的值，再取相應于標準電壓等級表2.1中更小的電壓值。

33、例中更小的電壓值。例如，某晶閘管實測如，某晶閘管實測UDRM =734V，URRM =810V，則額定電壓應，則額定電壓應取取700V。 表表2.1 晶閘管正反向重復峰值電壓等晶閘管正反向重復峰值電壓等注意在實際應用中選擇晶閘管的額定電壓值時，通常是注意在實際應用中選擇晶閘管的額定電壓值時，通常是元件在實際工作電路中可能承受到的最大峰值電壓的元件在實際工作電路中可能承受到的最大峰值電壓的23倍倍(即考即考慮安全裕量慮安全裕量)。 2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第27頁/共82頁第二十八頁，共82頁。2.3 半控型器件半控型器件(qjin

34、)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第28頁/共82頁第二十九頁，共82頁。2.額定額定( dng)電流電流IT (AV) 3. 晶閘管在環境溫度為晶閘管在環境溫度為40和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定和規定的冷卻狀態下，穩定結溫不超過額定( dng)結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值稱為晶閘管的通態平均電流結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值稱為晶閘管的通態平均電流IT(AV)。4.正弦半波電流平均值正弦半波電流平均值IT (AV)、電流有效值、電流有效值IT 和電流最大值和電流最大值Im三者的關系為：三者的關系為：5. (2-1) 6. (2-2)

35、 7. 在正弦半波情況下電流波形系數在正弦半波情況下電流波形系數Kf為：為：8. (2-3) 9. 所以，晶閘管在流過任意波形電流并考慮了安全裕量情況下的額定所以，晶閘管在流過任意波形電流并考慮了安全裕量情況下的額定( dng)電流電流IT(AV) 的計算公式為：的計算公式為：10.(2-4)11.mT(AV)m01sind()2IIItt2mTm01 ( sin) d()22IIIttTfT(AV)1.572IKITT(AV)(1.52)1.57II2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第29頁/共82頁第三十頁，共82頁。3.通態平均電壓通

36、態平均電壓UT(AV) 4. 當晶閘管流過正弦半波的額定電流平均值和穩定的額定結溫時，元件陽極與陰極之間電壓降的平均值稱為晶閘管的通態平均電壓當晶閘管流過正弦半波的額定電流平均值和穩定的額定結溫時，元件陽極與陰極之間電壓降的平均值稱為晶閘管的通態平均電壓UT(AV) ，簡稱管壓降。，簡稱管壓降。5.維持電流維持電流IH6. 在室溫在室溫40的條件下，當晶閘管門極斷開時，使晶閘管維持導通所需要的最小陽極電流稱維持電流的條件下，當晶閘管門極斷開時，使晶閘管維持導通所需要的最小陽極電流稱維持電流IH 。7.5. 擎住電流擎住電流IL 8. 晶閘管剛從斷態轉入通態，并移除觸發信號晶閘管剛從斷態轉入通態

37、，并移除觸發信號(xnho)之后，使管子能維持通態所需要的最小陽極電流稱為擎住電流之后，使管子能維持通態所需要的最小陽極電流稱為擎住電流IL。2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第30頁/共82頁第三十一頁，共82頁。6. 斷態電壓臨界上升率斷態電壓臨界上升率du/dt 斷態電壓臨界上升率是指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態轉換的外加電壓最大上升率。斷態電壓臨界上升率是指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態轉換的外加電壓最大上升率。7. 通態電流臨界上升率通態電流臨界上升率di/dt 通態電流臨界上升率

38、是指在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流上升率。通態電流臨界上升率是指在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流上升率。8. 門極觸發電流門極觸發電流IGT 和門極觸發電壓和門極觸發電壓UGT 門極觸發電流門極觸發電流IGT 是指在室溫下，晶閘管施加是指在室溫下，晶閘管施加6V正向陽極電壓時，使元件由斷態轉入通態所必需的最小門極電流。正向陽極電壓時，使元件由斷態轉入通態所必需的最小門極電流。9. 額定結溫額定結溫Tjm 額定結溫是指晶閘管在正常額定結溫是指晶閘管在正常(zhngchng)工作時所允許的最高結溫。工作時所允許的最高結溫。.2.3 半控型器件半控型器件(q

39、jin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第31頁/共82頁第三十二頁，共82頁。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 快速晶閘管快速晶閘管(FST)包括常規的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應用于包括常規的快速晶閘管和工作在更高頻率的高頻晶閘管，可分別應用于400Hz和和10kHz以上的斬波或逆變電路中。以上的斬波或逆變電路中。 2. 雙向晶閘管雙向晶閘管 雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC)可以可以(ky)認為是一對反并聯連接的普通晶閘管的集成，其電氣圖形符號和伏安特性如圖認為是一對反并聯連接的普通晶閘管的集成，其電氣圖形符號和伏安特性如圖2.

40、16所示。所示。 (a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 (b) 伏安特性伏安特性2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第32頁/共82頁第三十三頁，共82頁。3. 逆導晶閘管逆導晶閘管 逆導晶閘管逆導晶閘管(RCT)是將晶閘管與一個二極管反并聯再制作在同一管芯上的功率集成器件。這種器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。其電氣圖形符號和伏安特性如圖是將晶閘管與一個二極管反并聯再制作在同一管芯上的功率集成器件。這種器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。其電氣圖形符號和伏安特性如圖2.17所示。所示。 4. 光控晶閘管光控

41、晶閘管 光控晶閘管光控晶閘管(LTT)又稱光觸發又稱光觸發(chf)晶閘管，是利用一定波長的光照信號代替電信號對器件進行觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號代替電信號對器件進行觸發(chf)的晶閘管，其電氣圖形符號和伏安特性如圖的晶閘管，其電氣圖形符號和伏安特性如圖2.18所示。所示。 (a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 (b) 伏安特性伏安特性 2.3 半控型器件半控型器件(qjin)晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件(qjin)第33頁/共82頁第三十四頁，共82頁。電力(dinl)晶體管 電力(dinl)晶體管(Giant Transistor，GTR)是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶

42、體管(Bipolar Junction Transistor，BJT)，所以英文有時候也稱為Power BJT。在電力(dinl)電子技術的范圍內，GTR與BJT這兩個名稱是等效的。GTR的基本結構有NPN和PNP兩種，而在電力(dinl)電子電路中主要采用NPN結構。 GTR的基本工作原理和基本特性 圖2.19 共發射極接法時GTR的靜態特性 圖2.20 GTR開通和關斷過程中 的電流波形2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第34頁/共82頁第三十五頁，共82頁。2.GTR的主要參數的主要參數3.1)最高工作電壓最高工作電壓 4. GTR上所加的電壓超過規定值時，就會發生上所加的電壓超過

43、規定值時，就會發生(fshng)擊穿。擊穿。5.2)集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM 6. 通常規定直流電流放大系數通常規定直流電流放大系數hFE下降到規定值的下降到規定值的1/21/3時所對應的時所對應的Ic為集電極最大允許電流。為集電極最大允許電流。7.3)集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM 8. 集電極最大耗的功率是指在最高工作溫度下允許的耗散功率。集電極最大耗的功率是指在最高工作溫度下允許的耗散功率。2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第35頁/共82頁第三十六頁，共82頁。3. GTR的二次擊穿現象與安全工作區的二次擊穿現象與安全工作區 當當GTR的集電極電壓升

44、高至前面所述的擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現的集電極電壓升高至前面所述的擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，這種首先出現(chxin)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。 圖圖2.21 GTR的安全工作區的安全工作區2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第36頁/共82頁第三十七頁，共82頁。晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件(qjin)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的種類和結構繁多，按導電溝道可分為的種類和結構繁多，按導電溝道可分為P溝溝道和道和N溝道。電力溝道。電力MOSFET和微電子技術中的和微電

45、子技術中的MOS管的導電機管的導電機理相同。理相同。 (a) 內部結構斷面示意圖內部結構斷面示意圖 (b) 電氣圖形符號電氣圖形符號 2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第37頁/共82頁第三十八頁，共82頁。2. 電力電力MOSFET的基本的基本(jbn)特性特性靜態特性靜態特性 電力電力MOSFET的靜態特性包括轉移特性和輸出特性。如圖的靜態特性包括轉移特性和輸出特性。如圖2.23(a)所示。所示。 圖圖2.23 電力電力MOSFET的轉移特性和輸出特性的轉移特性和輸出特性2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第38頁/共82頁第三十九頁，共82頁。2) 動態特性動態特性 相對于相對

46、于GTR來說，電力來說，電力MOSFET的開關的開關(kigun)速度非常快。相對于速度非常快。相對于GTR來說，電力來說，電力MOSFET的開關的開關(kigun)速度非常快。它的開通、關斷時間只與電力速度非常快。它的開通、關斷時間只與電力MOSFET的輸入電的輸入電容的充放電有關，因此其開、關時間與驅動電路的輸出阻抗密切相關。圖容的充放電有關，因此其開、關時間與驅動電路的輸出阻抗密切相關。圖2.24所示為電力所示為電力MOSFET的動態特性波形。的動態特性波形。圖圖2.24 電力電力MOSFET的動態特性波形的動態特性波形2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第39頁/共82頁第四十頁，

47、共82頁。3. 電力電力MOSFET的主要參數的主要參數(cnsh)1) 漏極額定電壓漏極額定電壓UDS 漏極額定電壓漏極額定電壓UDS是標稱電力是標稱電力MOSFET電壓定額的參數電壓定額的參數(cnsh)。 2) 漏極額定電流漏極額定電流ID和漏極峰值電流和漏極峰值電流IDM 漏極額定電流漏極額定電流ID和漏極峰值電流和漏極峰值電流IDM是標稱電力是標稱電力MOSFET電流定額參數電流定額參數(cnsh)。 3) 柵源電壓柵源電壓UGS 柵源電壓柵源電壓UGS是為了防止絕緣柵層因柵源電壓過高而發生介質電擊穿而設定的參數是為了防止絕緣柵層因柵源電壓過高而發生介質電擊穿而設定的參數(cnsh)

48、。 2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第40頁/共82頁第四十一頁，共82頁。4) 通態電阻通態電阻Ron 通常規定，通常規定，Ron是在確定的柵源電壓是在確定的柵源電壓UGS下，電力下，電力MOSFET飽和導通時漏源電壓與漏極電流的比值飽和導通時漏源電壓與漏極電流的比值(bzh)。 5)最大耗散功率最大耗散功率PD 最大耗散功率最大耗散功率PD表示器件所能承受的最大發熱功率。除了上述參數外，電力表示器件所能承受的最大發熱功率。除了上述參數外，電力MOSFET還有其他一些參數，如開啟電壓、輸入電容、開通時間和關斷時間等，使用時請參考相關手冊和資料。還有其他一些參數，如開啟電壓、輸入電容、

49、開通時間和關斷時間等，使用時請參考相關手冊和資料。2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第41頁/共82頁第四十二頁，共82頁。絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理 IGBT也是三端器件，具有也是三端器件，具有(jyu)柵極柵極G、集電極、集電極C和和發射極發射極E。IGBT的內部結構斷面示意圖如圖的內部結構斷面示意圖如圖2.25(a)所示。所示。 (a) 內部結構斷面示意圖內部結構斷面示意圖 (b) 簡化等效電路簡化等效電路 (c) 電氣圖形符號電氣圖形符號2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第42頁/共82頁第四十三頁，共82頁。IGBT的基本特

50、性和主要參數的基本特性和主要參數 IGBT的基本特性包括的基本特性包括(boku)靜態特性和動態特性。靜態特性主要是指靜態特性和動態特性。靜態特性主要是指IGBT的轉移特性和輸出特性，動態特性是指的轉移特性和輸出特性，動態特性是指IGBT的開關特性。的開關特性。 IGBT的轉移特性是指集電極輸出電流的轉移特性是指集電極輸出電流IC與柵射電壓與柵射電壓UGE之間的關系曲線，如圖之間的關系曲線，如圖2.26(a)所示。所示。 (a) 轉移特性轉移特性 (b) 輸出特性輸出特性 2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第43頁/共82頁第四十四頁，共82頁。IGBT的開關特性如圖的開關特性如圖2.2

51、7所示。由圖可知所示。由圖可知(k zh)，IGBT的開關特性與電力的開關特性與電力MOSFET基本相同。開通時間基本相同。開通時間ton和關斷時間和關斷時間toff是衡量是衡量IGBT開關速度的重要指標。開關速度的重要指標。圖圖2.27 IGBT的開關特性的開關特性.2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第44頁/共82頁第四十五頁，共82頁。IGBT的擎住效應和安全工作區的擎住效應和安全工作區 擎住效應擎住效應IGBT的更復雜現象則需用圖的更復雜現象則需用圖2.28來說明。圖中來說明。圖中示出，示出，IGBT內還含有一個寄生內還含有一個寄生(jshng)的的NPN晶體管，晶體管，它與作為

52、主開關器件的它與作為主開關器件的PNP晶體管一起組成一個寄生晶體管一起組成一個寄生(jshng)晶閘管晶閘管(可對照可對照IGBT結構圖結構圖圖圖2.25(a)。 圖圖2.28 具有寄生具有寄生(jshng)晶閘管的晶閘管的IGBT等效電路等效電路2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第45頁/共82頁第四十六頁，共82頁。2) 安全工作區安全工作區IGBT具有較寬的安全工作區。具有較寬的安全工作區。IGBT常工作于開關工作狀態。它的安全工作區分常工作于開關工作狀態。它的安全工作區分(qfn)為正向偏置安全工作區為正向偏置安全工作區(FBSOA)和反向偏置安全工作區和反向偏置安全工作區(RB

53、SOA)。圖。圖2.29(a)、(b)所示分別為所示分別為IGBT的的FBSOA和和RBSOA。 圖圖2.29 IGBT安全工作區安全工作區2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第46頁/共82頁第四十七頁，共82頁。門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管(Gate-Turn-Cff Thyristor，GTO)是是高電壓大電流雙極全控型器件高電壓大電流雙極全控型器件(qjin)。 GTO和普通晶閘管和普通晶閘管一樣，是一樣，是PNPN四層半導體結構，外部也是引出陽極、陰極四層半導體結構，外部也是引出陽極、陰極和門極。但和普通晶閘管不同的是，和門極。但和普通晶閘管

54、不同的是，GTO是一種多元的功率是一種多元的功率集成器件集成器件(qjin)，雖然外部同樣引出三個極，但內部則包，雖然外部同樣引出三個極，但內部則包含數十個甚至數百個共陽極的小含數十個甚至數百個共陽極的小GTO元，這些元，這些GTO元的陰元的陰極和門極在器件極和門極在器件(qjin)內部并聯在一起。這種特殊結構是內部并聯在一起。這種特殊結構是為了便于實現門極控制關斷而設計的。為了便于實現門極控制關斷而設計的。 GTO可以通過在門可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。極施加負的脈沖電流使其關斷。GTO的許多性能雖然與的許多性能雖然與IGBT、電力、電力MOSFET相比要差，但其電壓、電流容量較

55、大相比要差，但其電壓、電流容量較大。 2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第47頁/共82頁第四十八頁，共82頁。靜電感應晶體管靜電感應晶體管 靜電感應晶體管靜電感應晶體管(Static Induction Transistor，SIT)誕生于誕生于1970年，它實際上是一種結型場效應晶體管。年，它實際上是一種結型場效應晶體管。 SIT具有工作頻率高、輸出功率大、線性度好、無二次擊穿現象、熱穩定性好、抗輻射能力強、輸入阻抗高等一系列優點，目前已在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等某些專業領域獲得了較多的應用。具有工作頻率高、輸出功率大、線性度好、無二次擊穿現象、熱穩

56、定性好、抗輻射能力強、輸入阻抗高等一系列優點，目前已在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等某些專業領域獲得了較多的應用。 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 靜電感應晶閘管靜電感應晶閘管(Static Induction Thyristor，SITH)亦稱作亦稱作(chn zu)場控晶閘管場控晶閘管(Field Controlled Thyristor，FCT)或雙極靜電感應晶閘管或雙極靜電感應晶閘管(BSITH)。由于。由于SITH的制造工藝比較復雜，成本比較高，而且關斷時需要較大的門極驅動電流，因此它的發展曾受到一定影響。的制造工藝比較復雜，成本比較高，而且關斷時需要較

57、大的門極驅動電流，因此它的發展曾受到一定影響。2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第48頁/共82頁第四十九頁，共82頁。控制晶閘管控制晶閘管 MOS控制晶閘管控制晶閘管(MOS Controlled Thyristor，MCT)是將是將MOSFET與晶閘管組合而成的復合型器件。與晶閘管組合而成的復合型器件。 MCT具有高電壓、大電流、高載流密度、低通態壓降的特點。具有高電壓、大電流、高載流密度、低通態壓降的特點。 MCT可承受極高的可承受極高的di/dt和和du/dt，使得其保護電路可以簡化。另外，使得其保護電路可以簡化。另外，MCT的開關速度超過的開關速度超過GTR，開關損耗也小。，開

58、關損耗也小。集成門極換流集成門極換流(hun li)晶閘管晶閘管 集成門極換流集成門極換流(hun li)晶閘管晶閘管(Intergrated Gate Commutated Thyristors，IGCT)是一種中壓變頻器所開發的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體開關器件是一種中壓變頻器所開發的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導體開關器件(集成門極換流集成門極換流(hun li)晶閘管晶閘管=門極換流門極換流(hun li)晶閘管晶閘管+門極單元門極單元)，1997年由年由ABB公司提出。公司提出。 IGCT具有電流大、阻斷電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、導通損耗低等特

59、點，而且制造成本低，成品率高，有很好的應用前景。具有電流大、阻斷電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、導通損耗低等特點，而且制造成本低，成品率高，有很好的應用前景。 2.4 全控型器件全控型器件(qjin)第49頁/共82頁第五十頁，共82頁。 自自20世紀世紀80年代中后期開始，在電力電子器件研制和開發年代中后期開始，在電力電子器件研制和開發(kif)中的一個共同趨勢是逐步實現模塊化。圖中的一個共同趨勢是逐步實現模塊化。圖2.31所示為橋式所示為橋式IGBT模塊內部電路。功率模塊在中等功率電力電子裝置中得到廣泛應用，并逐步向大功率發展。模塊內部電路。功率模塊在中等功率電力電子裝置中得到廣泛

60、應用，并逐步向大功率發展。圖圖2.30 功率模塊外形圖功率模塊外形圖 圖圖2.31 橋式橋式IGBT模塊內部電路模塊內部電路2.5 功率功率(gngl)模塊與功率模塊與功率(gngl)集成電路集成電路第50頁/共82頁第五十一頁，共82頁。的結構的結構 這里以三菱公司的這里以三菱公司的PM100DSA120為例，為例，IPM功能框圖功能框圖如圖如圖2.32所示，它包括了功率器件、驅動回路、檢測與保護所示，它包括了功率器件、驅動回路、檢測與保護(boh)電路，其外形圖如圖電路，其外形圖如圖2.33所示。所示。圖圖2.32 IPM功能框圖功能框圖2.5 功率模塊功率模塊(m kui)與功率集成電路