1、1第第1章章 電力電子器件電力電子器件2電子技術的基礎電子技術的基礎 電子器件：晶體管和集成電路電子器件：晶體管和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：概述電力電子器件的概念概念、特點特點和分類分類等問題。介紹常用電力電子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數主要參數以及選擇和使用中應注意問題。第第1章章 電力電子器件電力電子器件引言引言31.1 電力電子器件概述電力電子器件概述41 1）概念）概念: :電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實現電能的變換或控制的電

2、子器件。主電路（主電路（Main Power Circuit） 電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。2 2）分類）分類: : 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導體器件半導體器件 (采用的主要材料硅）仍然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電力電子器件電力電子器件5能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關狀態。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。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3）同處理信息的電子器

3、件相比的一般特征：）同處理信息的電子器件相比的一般特征：6通態損耗通態損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關頻率較高時，開關損耗開關損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態損耗斷態損耗開關損耗關斷損耗開通損耗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 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗7電力電子系統電力電子系統：由控制電路控制電路、驅動電路驅動電路、保護電路保護電路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。圖1-1 電力電子器件在實際應用中的系統組成控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2保護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統正常

4、可靠運行1.1.2 應用電力電子器件系統組成應用電力電子器件系統組成電氣隔離控制電路8半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。全控型器件全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 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。不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅動電路。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的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：9電流驅動型電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者 關斷的

5、控制。電壓驅動型電壓驅動型 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導通或者關斷的控制。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅動電路信號的性質，分為兩類：按照驅動電路信號的性質，分為兩類：10本章內容本章內容: :介紹各種器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要參數主要參數以及選擇和使用中應注意的一些問題。集中講述電力電子器件的驅動驅動、保護和串保護和串、并聯使并聯使用用這三個問題。學習要點學習要點: :最重要的是掌握其基本特性基本特性。掌握電力電子器件的型號命名法命名法，以及其參數和特參數和特性曲線的使用方法性曲線的使用方法。可能會主電路的其它電路元件有特

6、殊的要求特殊的要求。1.1.4 本章學習內容與學習要點本章學習內容與學習要點111.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管12 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。1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引引言言整流二極管及模塊13基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。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。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

7、c) 電氣圖形符號1.2.1 PN結與電力二極管的工作結與電力二極管的工作原理原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK14 狀態參數正向導通反向截止反向擊穿電流正向大幾乎為零反向大電壓維持1V反向大反向大阻態低阻態高阻態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（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導致熱擊穿1.2.1 PN結與電力二極管的工作結與電力二極管的工作原理原理 PN結的狀態15PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現電容效應電容效應，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。電容

8、影響PN結的工作頻率，尤其是高速的開關狀態。1.2.1 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結的電容效應：16主要指其伏安特性伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應的電壓。與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電正向電壓降壓降UF 。承受反向電壓時，只有微小而數值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性1.2.2 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1) 靜態特性靜態特性IOIFUTOUFU172) 動態特性動態特性 二極管的電壓二極管的電壓- -電流特性隨時電流特性隨時 間變化的間變化的 結電容的存在結電容的存在1.2.2 電力二

9、極管的基本特性電力二極管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5 電力二極管的動態過程波形 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，用Sr表示。18正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值（如 2V）。正向恢復時間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-

10、5(b)開通過程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： 關斷過程關斷過程須經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。關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關斷過程19額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發熱效應來定義的，使用時應按有有效值相等的原則效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。但是在實際的變流電路中，流過器件的電流不可能正好是正弦半波電流，因

11、此在設計電路，選取器件的時候，要按照實際電路中電流的有效值與正弦半波有效值相等的原則，再換算成平均值計算得出器件的額定電流。1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數1) 正向平均電流正向平均電流IF(AV)20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。3） 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。使用時，應當留有兩倍的裕量。 4）反向恢復時間）反向恢復時間trr trr= td+ tf1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數2）正向壓降正向壓降UF21結溫結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在P

12、N結不致損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。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一個或幾個工頻周期的過電流。 1.2.3 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數5）最高工作結溫）最高工作結溫TJM221) 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）的整流電路其反向恢復時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高DATASHEET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。1.2.4 電力二極管的主要

13、類型電力二極管的主要類型23簡稱快速二極管快恢復外延二極管快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V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trr為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。DATASHEET 1 2 32) 快恢復二極管快恢復二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）24肖特基二極管的弱點弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩態損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。肖特

14、基二極管的優點優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。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復二極管。效率高，其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還小。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(DATASHEET) ) 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 Diode SBD）。251.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管261.3 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言1956年美國貝爾實驗室發明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發出第一只晶閘管產品。195

15、8年商業化。開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）27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。有三個聯接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。AAGGKKb

16、)c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3281.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理常用晶閘管的結構螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構291.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理式中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。由以上式可得 ：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 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CB

17、O2CBO1G2AIIII（1-5）301.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理在低發射極電流下 是很小的，而當發射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態阻斷狀態：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。開通狀態開通狀態：注入觸發電流使晶體管的發射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實現飽和導通。IA實際由外電路決定。311.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結溫較高光觸發光觸發光觸發可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用

18、于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導通的情況其他幾種可能導通的情況：321.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發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值以下 。DATASHEET晶閘管正常工作時的特性總結如下：晶閘管正常工作時的特性總結如下：331.3.2 晶

19、閘管的基本特性晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態。正向電壓超過正向轉折電壓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。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 靜態特性靜態特性圖1-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG341.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發熱損壞。圖1

20、-8 晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性351.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1) 開通過程延遲時間延遲時間td (0.51.5 s)上升時間上升時間tr (0.53 s)開通時間開通時間tgt以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 關斷過程反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr關斷時間關斷時間t tq以上兩者之和tq=trr+tgr （1-

21、7)普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒2） 動態特性動態特性圖1-9 晶閘管的開通和關斷過程波形361.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數斷態重復峰值電壓斷態重復峰值電壓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。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。通態（峰值）電壓通態（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。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，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。使用注意

22、：使用注意：1）電壓定額電壓定額371.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數通態平均電流通態平均電流 IT(AV）在環境溫度為40C和規定的冷卻狀態下，穩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最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數。使用時應按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。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。擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后， 能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說對同一晶閘管來說，通常通常IL約為約為IH的的24倍倍。浪涌電流浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并

23、使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流 。2 2）電流定額電流定額381.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有：斷態電壓臨界上升斷態電壓臨界上升率率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到通 態轉換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通 。 通態電流臨界上升通態電流臨界上升率率di/dt 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。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3 3）動態參數動態參數391.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管

24、和高頻晶閘管。開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，高頻晶閘管10s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，不能忽略其開關損耗的發熱效應。DATASHEET1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)401.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2）雙向晶雙向晶閘管閘管（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

25、特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來表示其額定電流值來表示其額定電流值。DATASHEET411.3.4 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）a)KGAb)UOIIG=0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) 伏安特性將晶閘管反并聯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、高溫特性好、額定結溫高等

26、優點。421.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件4)光控晶閘光控晶閘管（管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強度強弱b)OUIA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) 伏安特性又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。光觸發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。431.4 典型全控型器件典型全控型器件441.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現。20世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。典型代表門

27、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。451.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊461.4.1 門極可關斷晶閘門極可關斷晶閘管管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，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。DATASHEET門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）471.4.1 門極可關斷晶門極可關斷晶閘管閘管結構結構：與普通晶閘管的相同點相同點： PNPN四層半導體

28、結構，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK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) 并聯單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結構和工作原理的結構和工作原理481.4.1 門極可關斷晶閘門極可關斷晶閘管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。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1

29、1+ + 2 2=1=1是器件臨界導通的條件。是器件臨界導通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1和 2 2 。491.4.1 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是其與普通晶閘管有如下區別區別：設計2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。導通時1+2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。 多元集成結構，使得P2基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖1-7 晶閘管的工作原理501.4.1 門極可關斷晶閘門極可

30、關斷晶閘管管GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。多元集成結構還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強 。 由上述分析我們可以得到以下結論結論：511.4.1 門極可關門極可關斷晶閘管斷晶閘管開通過程開通過程：與普通晶閘管相同關斷過程關斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 殘存載流子復合。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，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3

31、t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關斷過程電流波形2) GTO的動態特性的動態特性521.4.1 門極可關斷晶閘門極可關斷晶閘管管3)GTO的主要參數的主要參數 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態陽極電流的增大而增大。 一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2） 關斷時間關斷時間toff（1）開通時間開通時間ton 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 。 許多參數和普通晶閘管相應的參數意義相同，以下只介紹意義不同的參數。531.4.1 門極可關斷門極可關斷晶閘管晶閘管（3）最大可關斷陽極

32、電流最大可關斷陽極電流IATO（4） 電流關斷增益電流關斷增益 off 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 。 GTO額定電流。 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）GMATOoffII54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構。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯而成 。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1-15 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子

33、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551.4.2 電力晶體管電力晶體管在應用中，GTR一般采用共發射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（1-9） GTR的電流放大系數電流放大系數，反映了基極電流對集電極電流的控制能力 。當考慮到集電極和發射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為 ic= ib +Iceo （1-10）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。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的結構和工作原理的結構和工作原理561.4.2 電力晶體管電力

34、晶體管 (1) 靜態特性靜態特性共發射極接法時的典型輸出特性：截止區截止區、放大區放大區和飽和區飽和區。在電力電子電路中GTR工作在開關狀態。在開關過程中，即在截止區和飽和區之間過渡時，要經過放大區。截止區放大區飽和區OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數的主要參數591.4.2 電力晶體管電力晶體管通常規定為hFE下降到規定值的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

35、耗散功率。產品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度 。 2) 集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM601.4.2 電力晶體管電力晶體管一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。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：一次擊穿發生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。安 全 工 作 區 （安 全 工 作 區 （ S a f e 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。SOAOIcIcMPSB

36、PcMUceUceM圖1-18 GTR的安全工作區4) 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611.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管分為結型結型和絕緣柵型絕緣柵型通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS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。熱穩定性優于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率

37、不超過10kW的電力電子裝置 。電力場效應晶體管電力場效應晶體管621.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管電力電力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。DATASHEET1）電力）電力MOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理631.4.3 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，但結構上有較大區別。采用多元集成

38、結構，不同的生產廠家采用了不同設計。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號641.4.3 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）。按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的V V M O S F E T 和 具 有 垂 直 導 電 雙 擴 散 M O S 結 構 的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論

39、。電力電力MOSFET的結構的結構651.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管截止截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，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 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號電力電力MOSFET的工作原理的工作原理661.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 (1) 靜態特性靜態特性漏極電流ID和柵

40、源間電壓UGS的關系稱為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Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區非飽和區截止區ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20 電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性671.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管截止區截止區（對應于GTR的截止區）飽和區飽和區（對應于GTR的放大區）非飽

41、和區非飽和區（對應GTR的飽和區）工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換。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。通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。圖1-20電力MOSFET的轉移特性和輸出特性 a) 轉移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區非飽和區截止區ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A681.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管開通過程開通過程開通延遲

42、時間開通延遲時間td(on) 上升時間上升時間tr開通時間開通時間ton開通延遲時間與上升時間之和關斷過程關斷過程關斷延遲時間關斷延遲時間td(off)下降時間下降時間tf關斷時間關斷時間toff關斷延遲時間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf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(2) 動態特性動態特性691.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 MOSFET的開關速度和Cin充

43、放電有很大關系。可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，加快開關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。開關時間在10100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET的開關速度的開關速度701.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管3) 電力電力MOSFET的主要參數的主要參數 電力MOSFET電壓定額(1) 漏極電壓漏極電壓UDS (2) 漏極直流電流漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值IDM電力MOSFET電流定

44、額(3) 柵源電壓柵源電壓UGS UGS20V將導致絕緣層擊穿 。 除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有： (4) 極間電容極間電容極間電容CGS、CGD和CDS711.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 )GTR和MOSFET復合，結合二者的優點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特

45、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的優點單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。721.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發射極 柵極集電極注入區緩沖區漂移區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號73

46、1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-22aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入區，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。RN為晶體管基區內的調制電阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發 射 極 柵 極集 電 極注 入 區緩 沖 區漂 移 區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號

47、IGBT的結構的結構741.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導導通通：uGE大于開啟電壓開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。通態壓降通態壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降減小。關斷關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。 IGBT的原理的原理75a)b)O有源區正向阻斷區飽和區反向阻斷區ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙

48、極晶體管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態特性的靜態特性圖1-23 IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性轉移特性轉移特性IC與UGE間的關系(開啟電開啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。761.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關過程IGBT的開通過程的開通過程 與MOSFET的相似

49、開通延遲時間開通延遲時間td(on) 電流上升時間電流上升時間tr 開通時間開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。 tfv1IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程； tfv2MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。 (2) IGBTIGBT的動態特性的動態特性771.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管圖1-24 IGBT的開關過程關斷延遲時間關斷延遲時間td(off）電流下降時間電流下降時間 關斷時間關斷時間toff電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT器件內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快。tf i 2IGBT內部的PN

50、P晶體管的關斷過程，iC下降較慢。 IGBT的關斷過程的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM781.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管3) IGBT的主要參數的主要參數正常工作溫度下允許的最大功耗 。(3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCM包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP 。 (2) 最大集電極電流最大集電極電流由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCES791.4.4

51、 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數特點可以總結如下的特性和參數特點可以總結如下：開關速度高，開關損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區比GTR大，且 具有耐脈沖電流沖擊能力。通態壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點 。 801.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應或自鎖效應擎住效應或自鎖效應： IGBT往往與反并聯的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件 。最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。 反向偏置安

52、全工作區反向偏置安全工作區（RBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。 正偏安全工作區正偏安全工作區（FBSOA）動態擎住效應比靜態擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。NPN晶體管基極與發射極之間存在體區短路電阻，P形體區的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。811.6 電力電子器件器件的驅動電力電子器件器件的驅動821.6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關

53、時間，減小開關損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。驅動電路的基本任務驅動電路的基本任務：按控制目標的要求施加開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。驅動電路驅動電路主電路與控制電路之間的接口831.6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述 驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電電氣隔離氣隔離環節，一般采用光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖1-

54、25 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型841.6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述按照驅動信號的性質分，可分為電流驅動型電流驅動型和電壓電壓驅動型驅動型。驅動電路具體形式可為分立元件分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路專用集成驅動電路。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內的混合集成電路。為達到參數最佳配合，首選所用器件生產廠家專門開發的集成驅動電路。分類分類851.6.2 晶閘管的觸發電路晶閘管的觸發電路作用作用：產生符合要求的門極觸發脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷轉為導通。晶閘管觸發電路應滿足下列晶閘管觸發電路應滿足下

55、列要求要求：脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。觸發脈沖應有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發區域之內。有良好的抗干擾性能、溫度穩定性及與主電路的電氣隔離。tIIMt1t2t3t4圖1-26理想的晶閘管觸發脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時間（1s）t1t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）晶閘管的觸發電路晶閘管的觸發電路861.6.2 晶閘管的觸發電路晶閘管的觸發電路V1、V2構成脈沖放大環節。脈沖變壓器TM和附屬電路構成脈沖輸出環節。 V1、V2導通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發脈沖。圖1-

56、27 常見的晶閘管觸發電路常見的晶閘管觸發電路常見的晶閘管觸發電路871.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路(1) GTOGTO的開通控制開通控制與普通晶閘管相似。GTO關斷控制關斷控制需施加負門極電流。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1) 電流驅動型器件的驅動電路電流驅動型器件的驅動電路正的門極電流5V的負偏壓GTO驅動電路通常包括開通驅動電路開通驅動電路、關斷驅關斷驅動電路動電路和門極反偏電路門極反偏電路三部分，可分為脈沖變脈沖變壓器耦合式壓器耦合式和直接耦合直接耦合式式兩種類型。881.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路直

57、接耦合式驅動電路可避免電路內部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿。目前應用較廣，但其功耗大，效率較低。圖1-29 典型的直接耦合式GTO驅動電路891.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路開通驅動電流應使GTR處于準飽和導通狀態，使之不進入放大區和深飽和區。關斷GTR時，施加一定的負基極電流有利于減小關斷時間和關斷損耗。關斷后同樣應在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負偏壓。tOib 圖1-30 理想的GTR基極驅動電流波形(2) GTR901.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路GTR的一種驅動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。VD1

58、AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖1-31GTR的一種驅動電路驅動GTR的集成驅動電路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。911.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件。為快速建立驅動電壓，要求驅動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅動電壓一般1015V，使IGBT開通的驅動電壓一般15 20V。關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般取-5 -15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。2) 電

59、壓驅動型器件的驅動電路電壓驅動型器件的驅動電路921.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路(1) 電力電力MOSFET的一種驅動電路：電氣隔離電氣隔離和晶體管放大電路晶體管放大電路兩部分圖1-32電力MOSFET的一種驅動電路專為驅動電力MOSFET而設計的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅動電壓+15V和-10V。 931.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路(2) IGBT的驅動的驅動圖1-33M57962L型IGBT驅動器的原理和接線圖常用的有三菱公司的M579系列（如M5

60、7962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。 多采用專用的混合集成驅動器。941.7 電力電子器件器件的保護電力電子器件器件的保護951.7.1 過電壓的產生及過電壓保護過電壓的產生及過電壓保護外因過電壓：外因過電壓：主要來自雷擊和系統操作過程等外因操作過電壓操作過電壓：由分閘、合閘等開關操作引起雷擊過電壓雷擊過電壓：由雷擊引起內因過電壓：內因過電壓：主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程換相過電壓換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯的二極管在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。關斷過電壓關斷