第2章電力電子器件2/89電力電子器件的概述■電力電子器件的概念

◆電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于處理電能的主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。

?主電路：在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。

?廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。

3/89■電力電子器件的特征

◆所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數，一般都遠大于處理信息的電子器件。

◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開關狀態。

◆由信息電子電路來控制

,而且需要驅動電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝散熱器。

電力電子器件的概述電力電子器件的系統組成圖2-34電力電子整體系統框圖-----電力電子器件的分類絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場效應晶體管（電力MOSFET）門極可關斷晶閘管（GTO）不可控器件電力二極管（PowerDiode）只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。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。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定全控型器件通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。不能用控制信號來控制其通斷,不需要驅動電路。1)半控型器件

按加在器件控制端和公共端之間的驅動信號性質：

按器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電情況：

1)

電流驅動型

1)

單極型器件2)

電壓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控制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2)

雙極型器件3)

復合型器件由一種載流子參與導電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成電力電子器件的分類2.1——電力二極管■電力二極管（PowerDiode）自20世紀50年代初期就獲得應用，但其結構和原理簡單，工作可靠，直到現在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。■在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。

圖2-1電力二極管實物圖性能反向恢復時間反向耐壓普通二極管>5us數千伏快恢復二極管快速恢復二極管>幾百ns<1200V超快速恢復二極管<100ns肖特基二極管10~40ns<200V名稱表2-1電力二極管性能比較2.1電力二極管

2.1.3PN結與電力二極管的工作原理a)外形b)基本結構c)電氣圖形符號圖2-2電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號

■電力二極管是以半導體PN結為基礎的,實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。N型半導體和P型半導體結合后構成PN結圖2-3PN結的形成

擴散運動和漂移運動最終達到動態平衡，正、負空間電荷量達到穩定值，形成了一個穩定的由空間電荷構成的范圍，被稱為空間電荷區，按所強調的角度不同也被稱為耗盡層、阻擋層或勢壘區。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空間電荷區P型區N型區內電場2.1.3PN結與電力二極管的工作原理PN結外加正向電壓（正偏），即正接P區，負接N區，外加電場與PN結自建電場方向相反，使得多子的擴散運動大于少子的漂移運動，形成擴散電流，在內部造成空間電荷區變窄，而在外電路上形成自P區流入N區的電流，稱為正向電流IF。

圖2-4PN結正向偏置

2.1.3PN結與電力二極管的工作原理當PN結外加反向電壓（反向偏置）時處于截止狀態。將電源正極接到PN結的N端，且電源負極接到PN結P端時，為反向電壓。外加電場與PN結自建電場方向相同，此時外電場使空間電荷區變寬，加強了內電場，阻止擴散運動的進行，加劇漂移的進行，從而形成反向電流IR。

圖2-5PN結反向偏置

2.1.3PN結與電力二極管的工作原理2.1.3PN結與電力二極管的工作原理

■二極管的基本原理——PN結的單向導電性◆當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自P區流入而從N區流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結的正向導通狀態。

◆當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現為高阻態，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態。

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(永久性擊穿）2.1.3PN結與電力二極管的工作原理與信息電子電路中的二極管相比，電力二極管具有怎樣的結構特點才使得它具有耐受高電壓和大電流的能力？電力二極管在P區和N區之間多了一層低摻雜N區，也稱漂移區。低摻雜N區由于摻雜濃度低而接近于本征半導體，就可以承受很高的電壓而不被擊穿。

電力二極管與信息電子電路中的普通二極管的區別

由于電力二極管正向導通時要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，而且其引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；再加上其承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應也會有較大的影響。此外，為了提高器件的反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。1.靜態特性（伏安特性）圖2-6電力二極管的靜態特性2.1.4電力二極管的基本特性當正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO

），正向電流才開始明顯增加，處于穩定導通狀態。與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數值恒定的反向漏電流。2.動態特性2.1.4電力二極管的基本特性電力二極管的動態特性專指反映通態和斷態之間轉換過程的開關特性，體現在零偏置、正向偏置和反向偏置這三個狀態之間的轉換過程。圖2-7電力二極管正向偏置換為反向偏置時動態特性

2.動態特性2.1.4電力二極管的基本特性圖2-7電力二極管正向偏置換為反向偏置時動態特性

可以看出，當原處于正向導通狀態的電力二極管的外加電壓突然從正向變為反向時，電力二極管并不能立即關斷，而是要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。在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。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Sr

＝tf/td，（恢復系數）2.動態特性2.1.4電力二極管的基本特性圖2-8電力二極管零偏置轉換為正向偏置時動態特性圖2-8給出了電力二極管由零偏置轉換為正向偏置時，其動態過程中的電流和電壓隨時間變化的曲線。從波形圖中可以看出，先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降UF。這一動態過程時間稱為正向恢復時間tfr。2.1.5電力二極管主要參數1.正向平均電流IF(AV)正向平均電流IF(AV)指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。也將該電流標稱為器件的額定電流。IF(AV)是按照電流的發熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。正弦半波波形的正向平均電流IF(AV)與其有效值IF之比為１∶１.57，即正向平均電流IF(AV)對應的有效值為1.57IF(AV)。2323如手冊上某電力二極管的額定電流為100A，說明：允許通過平均值為100A的正弦半波電流；允許通過正弦半波電流的幅值為314A；允許通過任意波形的有效值為157A的電流；在以上所有情況下其功耗發熱不超過允許值。2.1.5電力二極管主要參數2.1.5電力二極管主要參數2.正向壓降UF

正向壓降UF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。3.反向重復峰值電壓URRM

反向重復峰值電壓URRM指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.最高工作結溫TJM

最高工作結溫TJM是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125～175C范圍之內。5.浪涌電流IFSM

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。某電路中，流過電力二極管的電流的有效值為628A，暫不考慮安全裕量，則應該選取額定值電流為多少的電力二極管？課堂練習26/892.2半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡稱為可控硅。

■1956年美國貝爾實驗室（BellLaboratories）發明了晶閘管，到1957年美國通用電氣公司（GeneralElectric）開發出了世界上第一只晶閘管產品，并于1958年使其商業化。■由于其能承受的電壓和電流容量仍然是目前電力電子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的應用場合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊2.2半控型器件-晶閘管

晶閘管這個名稱往往專指普通晶閘管（SCR），但隨著電力電子技術的發展。晶閘管還應包括許多類型的派生器件。包括快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導晶閘管（RCT）和光控晶閘管（LTT）等。在本書中所說的晶閘管都是指普通晶閘管。2.2晶閘管

普通晶閘管也可稱為可控硅整流管（SiliconControlledRectifier）簡稱SCR。耐壓高、電流容量大（目前可以達到4.5KA/6.5KV），開通的可控性。已被廣泛應用于可控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域。是低頻（200HZ以下）、大功率變流裝置中的主要器件。晶閘管（Thyristor）、可控硅整流器（SCR）2.2

晶閘管圖2-10晶閘管實物圖30封裝形式：螺栓式和平板式。冷卻方式：自然冷卻、強迫風冷和水冷。

2.2.1晶閘管的結構晶閘管的外形小電流塑封式小電流螺旋式大電流螺旋式大電流平板式圖形符號2.2.1晶閘管的結構及工作原理

圖1－6晶閘管所使用的散熱器

晶閘管是大功率器件，工作時將產生大量的熱量，因此，必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管可以緊栓在鋁制散熱器上，采用自然散熱冷卻方式，如圖1－6（a）所示。平板式晶閘管由兩個彼此絕緣的散熱器緊緊的夾在中間，散熱方式可以采用風冷或水冷，以獲得較好的散熱效果，如圖1－6（b）、（c）所示。圖2-11晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號外形有螺栓型和平板型等幾種封裝快速晶閘管，逆導晶閘管，門極可關斷晶閘管，雙向晶閘管，光控晶閘管等，下面我們討論普通晶閘管。2.2.1

晶閘管結構2.2.2

晶閘管工作原理圖2-12晶閘管導通關斷電路實驗圖晶閘管導通關斷實驗實驗結果表明，晶閘管陽極和陰極承受正向電壓，控制極和陰極承受正向電壓，一旦導通，控制極失去控制。換而言之，晶閘管只能通過門極控制其導通，不能控制其關斷，因此晶閘管才被稱為半控型器件。Ic1=1IA+ICBO1

Ic2=2IK+ICBO2

IK=IA+IG

IA=Ic1+Ic2

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：

圖2-13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)(121CBO2CBO1G2Aaaa+-++=IIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)2.2.2

晶閘管工作原理晶閘管導通關斷原理2.2.2

晶閘管工作原理

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2.7)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：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。飽和導通：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。2.2.2

晶閘管工作原理

綜上所述，要使晶閘管導通，必須同時具備下列兩個條件：①晶閘管承受正向電壓；②在門極有觸發電流（在門極和陰極之間加上正向門極電壓）。

當晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發電流是否還存在，晶閘管都保持導通。

要使已導通的晶閘管關斷，必須滿足的條件為：利用外加電壓或外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。38

陽極電壓太高，晶閘管擊穿；陽極電壓du/dt太大，引起導通；結溫太高，漏電流增大引起導通；光觸發：光直接照射在硅片上產生電子空穴對，在電場作用下產生觸發電流。晶閘管的可能觸發導通的其它條件2.2.3晶閘管的基本特性一、晶閘管的伏安特性晶閘管陽極、陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關系，稱為晶閘管的伏安特性。圖1－8晶閘管陽極伏安特性圖中物理量定義如下：UDRM、URRM--正、反向斷態重復峰值電壓（UDRM=0.8UDSM、URRM=0.8URSM）UDSM、URSM--正、反向斷態不重復峰值電壓UBO――正向轉折電壓URO――反向轉折電壓2.2.3晶閘管基本特性（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。2.2.3晶閘管基本特性反向特性和二極管的反向特性極其類似。承受反向陽極電壓，呈現反向阻斷狀態時，只有很小的反相漏電流流過。當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管永久性發熱損壞。（2）反向特性42晶閘管的門極伏安特性門極和陰極之間有PN結上的正向門極電壓與所加的門極電流之間的關系。(即表示加在門極和陰極間電壓UGK與門極觸發電流IG之間的關系。)

2.2.3

晶閘管基本特性

2.動態特性圖2-15晶閘管的開通和關斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.3

晶閘管基本特性◆開通過程

?由于晶閘管內部的正反饋過程需要時間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發后，其陽極電流的增長不可能是瞬時的。?延遲時間td

(0.5~1.5s)

上升時間tr(0.5~3s)

開通時間ton=td+tr?延遲時間隨門極電流的增大而減小,上升時間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴重影響。提高陽極電壓,延遲時間和上升時間都可顯著縮短。晶閘管的開通和關斷過程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.3

晶閘管基本特性◆關斷過程

?由于外電路電感的存在，原處于導通狀態的晶閘管當外加電壓突然由正向變為反向時，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。

?反向阻斷恢復時間trr

正向阻斷恢復時間tgr

關斷時間toff=trr+tgr?關斷時間約幾百微秒。

?在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通，而不是受門極電流控制而導通。2.2.4

晶閘管主要參數1.電壓定額及動態參數（1）斷態正向重復峰值電壓UDRM。其是當門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在晶閘管的正向峰值電壓，重復頻率為50次/s，電壓持續時間為10ms以內。國標規定斷態重復峰值電壓UDRM為斷態不重復峰值電壓（即斷態最大瞬時電壓）UDSM的90%（見圖2-14）。斷態不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓Ubo。（2）斷態反向重復峰值電壓URRM

。其是當門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在晶閘管的反向峰值電壓，重復頻率為50次/s，電壓持續時間為10ms以內。規定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向最大瞬態電壓）URSM的90%（見圖2-14）。反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓。2.2.4

晶閘管主要參數1.電壓定額及動態參數（3）額定電壓UTN。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。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UTM的2~3倍。（4）通態（峰值）電壓UT

。其是指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。通態電壓UT影響元件的損耗與發熱，應選用通態電壓小的元件。（5）斷態電壓臨界上升率du/dt

。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。

2.2.4

晶閘管主要參數2.電流定額及動態參數（1）通態平均電流IT(AV)

。國標規定通態平均電流為晶閘管在環境溫度為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。

當電流的峰值為Im時，IT(AV)和Im的關系為：從而通而正弦半波電流的有效值為：過對正弦半波電流的換算可知，正向平均電流IT(AV)對應的有效值為1.57IT(AV)，即：考慮器件過載能力，實際選擇時應有1.5~2倍的安全裕量，即：（2）維持電流IH

在室溫下且門極開路時，元件從較大的通態電流降至剛好能保持導通所需的最小陽極電流稱為維持電流IH。維持電流IH一般約為幾十毫安，同時維持電流與器件的容量、結溫等因數有關，結溫愈高，維持電流愈小，維持電流大的元件容易關斷。通常在晶閘管的銘牌上標明了常溫下器件的IH的實測值。（3）掣住電流IL

在晶閘管的門極加上觸發電壓，當元件從阻斷狀態剛轉為導通狀態就撤掉觸發電壓，此時晶閘管要保持繼續導通所需要的最小陽極電流，稱為掣住電流IL。對同一個晶閘管而言，掣住電流IL要比維持電流IH大2～4倍。2.2.4

晶閘管主要參數2.電流定額及動態參數2.2.4

晶閘管主要參數2.電流定額及動態參數（4）浪涌電流ITSM

。其是指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。（5）通態電流臨界上升率di/dt。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。2.2.4

晶閘管主要參數型號通態平均電流（A）斷態正反向重復峰值電壓（V）門極觸發電壓（V）斷態電壓臨界上升率（du/dt）通態電流臨界上升率（di/dt）額定結溫（°C）門極觸發電流(mA)浪涌電流（A）KP55100~3000≤3.525~100025~5001003~3090KP1010≤3.51005~70190KP2020≤3.51005~100380KP3030≤3.51005~100560KP5050≤3.51008~150940KP100100≤411510~2501880KP200200≤411510~2503770KP300300≤511520~3005650KP500500≤511520~3009420KP800800≤511530~35014920KP10001000≤511530~35018600表1-2KP型晶閘管主要參數表2.2.4

晶閘管主要參數【例1-1】某電路中，流過晶閘管的電流的有效值為314A，可能承受的峰值電壓為150V，考慮安全裕量，則應該選取額定值電流、額定電壓分別為多少的晶閘管，應選擇晶閘管元件型號？解：晶閘管的額定電流為：晶閘管的額定電壓為：查晶閘管主要參數表1-2得出，可選擇晶閘管型號為KP300-4（即額定電流300A，額定電壓400V）的晶閘管。

2.3.1GTO結構

2.3.2GTO工作原理

2.3.3GTO基本特性

2.3.4GTO主要參數2.3

門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）2.3.1GTO結構圖2-16門極可關斷晶閘管GTO實物圖2.3.1GTO結構

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)電氣圖形符號圖2-17GTO的內部結構和電氣圖形符號GTO屬于全控型器件。GTO的結構和普通晶閘管一樣，是PNPN四層半導體結構，外部引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯接端。與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來分析。

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理1+2=1是器件臨界導通的條件，大于1導通，小于1則關斷。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和2

。2.3.2GTO工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)GTO能夠通過門極關斷的原因是因為與普通晶閘管相比有如下特點：設計器件時2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于控制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，但是導通時管壓降增大。

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。

2.3.2GTO工作原理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更快，承受di/dt能力更強。

由上述分析我們可以得到以下結論：2.3.2GTO工作原理開通過程：與普通晶閘管相同關斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf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%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

圖2-18

GTO的開通和關斷過程電流波形GTO的動態特性2.3.3GTO基本特性——

延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s，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toff（1）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。2.3.4GTO主要參數（3）最大可關斷陽極電流IATO（4）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。2.3.4GTO主要參數

型號斷態重復最大電壓/V可關斷陽極電流/A通態電壓/V浪涌電流/A門極反向峰值電壓/VDGT304SE600-13006002.2400016DG386L600-250010002.8700016DG606SH600-250020002.81400016DG758SH600-450025003.41600016表2.3部分GTO的主要參數表

2.4.1GTR結構

2.4.2GTR工作原理

2.4.3GTR基本特性

2.4.4GTR主要參數2.4

電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）2.4.1GTR結構圖2-19電力晶體管GTR的實物圖GTR是由三層半導體（分別引出集電極、基極和發射極）形成的兩個PN結（集電結和發射結）構成，有PNP和NPN兩種類型。2.4.1GTR結構a）NPN型b）PNP型圖2-20GTR基本結構和電氣圖形符號

2.4.2GTR工作原理圖2-21共射極晶體管內部載流子的流動示意圖GTR通常工作在正偏(ib>0)時處于導通狀態；反偏(ib≤0)時處于截止狀態。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅動信號，它將工作于導通和截止的開關狀態。在應用中，GTR一般采用共發射極接法。如圖2-21所示，集電極電流ic與基極電流ib之比為：2.4.2GTR工作原理單管GTR的

值一般小于10，所以通常采用兩個晶體管組成的達林頓接法來有效地增大電流增益，如圖2-22所示。達林頓GTR的特點是電流增益高、輸出管不會飽和并且關斷時間長。

a）NPN型b）PNP型圖2-22達林頓GTR

1、靜態特性2.4.3GTR基本特性圖2-23共發射極接法時GTR的輸出特性在共發射極接法時的典型輸出特性分為截止區、放大區和飽和區三個區域，GTR工作在開關狀態，即工作在截止區或飽和區。但在開關過程中，即在截止區和飽和區之間過渡時，一般要經過放大區。2.4.3GTR基本特性

2、動態特性（1）開通過程圖2-24GTR的開通和關斷過程電流波形td表示延遲時間，主要是由發射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的；tr表示上升時間。td與tr二者之和為開通時間ton，一般開通時間為納秒數量級。增大基極驅動電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短td，同時也可以縮短tr，從而加快開通過程。2.4.3GTR基本特性

2、動態特性（2）關斷過程圖2-24GTR的開通和關斷過程電流波形ts表示儲存時間，是用來除去飽和導通時儲存在基區的載流子的；tf表示下降時間。ts與tf兩者之和為關斷時間toff，而ts是toff的主要部分，關斷時間的數值在微秒數量級。減小導通時的儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2幅值和負偏壓，可以縮短ts，從而加快關斷速度。2.4.4GTR主要參數（1）電壓參數。電壓參數體現了GTR的耐壓能力。該電壓超過一定值時，就會發生擊穿。擊穿電壓符合以下關系：實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓UTM要比BUceo低得多，即:2.4.4GTR主要參數（2）直流電流增益hFE。表示GTR的電流放大能力，為直流工作時集電極電流和基極電流之比。（3）集電極最大允許電流IcM。規定直流電流放大系數hFE下降到額定值1/2~1/3時所對應的Ic。實際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。（4）集電極最大耗散功率PcM

。指在最高工作溫度下允許的耗散功率。產品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。型號集電極電流/A集射極擊穿電壓/V電流增益

飽和壓降/VTCD30/U20100352.0TC12080080.5TC1530100101.0DT34150105080.6DT46200120090.4DT63450500111.25DT100300120051.0DT500800100071.5DT800120040071.0MD150S10001501000602MD300S10003001000602表2.4國產GTR元件的主要參數表2.4.5擊穿和安全工作區圖2-25GTR的安全工作區

2.5.1

電力MOSEFT結構

2.5.2電力MOSEFT工作原理

2.5.3電力MOSEFT基本特性

2.5.4電力MOSEFT主要參數2.5

電力MOSEFT2.5.1

電力MOSEFT結構場效應晶體管（FieldEffect

Transistor，FET）分為結型場效應晶體管和絕緣柵型場效應晶體管。通常把絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET），其是一種單極型的電壓控制全控型器件。圖2-26電力MOSFET實物圖2.5.1

電力MOSEFT結構

a)內部結構斷面示意圖

b)電氣圖形符號圖2-27電力MOSFET的結構和電氣圖形符號電力MOSFET按導電溝道可分為P溝道和N溝道，具有3個引腳，其中S為源級，G為柵極，D為漏極。在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。2.5.2

電力MOSEFT工作原理如圖2-27a所示，電力MOSFET截止時：當漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，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。電力MOSFET導通時：在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其P區中空穴推開，而將P區中的少子吸引到柵極下面的P區表面。當UGS大于閾值電壓UT時，使P型半導體反型成N型半導體，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流ID越大。2.5.3

電力MOSEFT基本特性1.靜態特性電力MOSFET的靜態特性表現為轉移特性和輸出特性。a)轉移特性b)輸出特性圖2-28電力MOSFET的轉移特性和輸出特性

2.5.3

電力MOSEFT基本特性2.動態特性圖2-29電力MOSFET的開關過程波形（1）開通過程開通時間ton=td(on)+tri+

tfv

，其中tfv表示電壓下降時間；td(on)是開通延遲時間，表示從up前沿時刻到UT并開始出現漏極電流iD時刻的時間；tr是電流上升時間，表示iD從零上升到穩態值的時間。2.5.3

電力MOSEFT基本特性2.動態特性圖2-29電力MOSFET的開關過程波形（2）關斷過程關斷時間toff=td(off)+trv+tfi，其中，td(off)表示關斷延遲時間；trv表示電壓上升時間；tfi表示電流下降時間。電力MOSFET不存在少子儲存效應，因而其關斷過程是非常迅速的。開關時間在10~100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。2.5.4

電力MOSEFT主要參數（1）漏極電壓UDS

：標稱電力MOSFET電壓定額的參數。（2）漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

：標稱電力MOSFET電流定額的參數。（3）柵源電壓UGS

：柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿。漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電力MOSFET的安全工作區。一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿的問題，因此安全工作區范圍較寬。

2.6.1IGBT結構

2.6.2IGBT工作原理

2.6.3IGBT基本特性

2.6.4IGBT主要參數2.6

絕緣柵雙極型晶體管2.6.1IGBT結構圖2-30IGBT單管及模塊實物圖絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)，是兼具GTR和MOSFET各自優點的復合式全控型器件。它既具有MOSFET的輸入阻抗高、驅動功率小、開關頻率高等優點，又具有GTR通態電阻低、電流容量大等優點。2.6.1IGBT結構a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號圖2-31IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號

IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E。其等效電路如圖2-31b所示，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結構，相當于一個由MOSFET驅動的厚基區PNP晶體管。圖2-31c是N溝道IGBT的電氣圖形符號。2.6.2IGBT工作原理a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號圖2-31IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號

當UGE為正且大于閾值電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，并為GTR提供基極電流進而使IGBT導通。當柵極與發射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，GTR的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。電導調制效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態壓降。2.6.3IGBT基本特性1.靜態特性IGBT的靜態特性表現為轉移特性和輸出特性。a)轉移特性b)輸出特性圖2-32IGBT的轉移特性和輸出特性

2、動態特性（1）開通過程圖2-33IGBT開關過程2.6.3IGBT基本特性td(on)是開通延遲時間，表示從驅動電壓uGE幅值的10%上升到集電極電流iC幅值的10%所用的時間。tri是電流上升時間，表示iC從10%上升到90%所用的時間。開通時間ton=td(on)+tri+

tfv

，其中tfv表示電壓下降時間，分為tfv1和tfv2兩段。

2、動態特性（2）關斷過程圖2-33IGBT開關過程2.6.3IGBT基本特性關斷時間toff=td(off)+trv+tfi，其中，td(off)表示關斷延遲時間，表示從驅動電壓uGE幅值的90%上升到集射電壓uCE幅值的10%所用的時間。trv表示電壓上升時間；tfi表示電流下降時間，tfi分為tfi1和tfi2兩段。引入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度要低于電力MOSFET。2.6.4IGBT主要參數（1）最大集射極間電壓UCES：由器件內部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定。（2）最大集電極電流：包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。（3）最大集電極功耗PCM

：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。（4）正向偏置安全工作區（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）：根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。（5）反向偏置安全工作區（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）根據最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率dUCE/dt。功率器件的特性和參數特點可以總結如下：項目名稱SCRGTRMOSIGBT控制類型脈沖觸發電流控制電壓控制電壓控制自關斷性換向關斷自關斷器件自關斷器件自關斷器件工作頻率<1khz<30khz20khz－Mhz<40khz驅動功率大大小小開關損耗大大小大導通損耗小小大小電壓電流等級最大大最小較大典型應用場合中頻感應加熱電子整流器開關電源UPS變頻器價格最低較低處于中間最貴電導調制效應有有無有2.7.1MOS控制晶閘管MCT

2.7.2靜電感應晶體管SIT

2.7.3靜電感應晶閘管SITH

2.7.4集成門極換流晶閘管IGCT2.7.5功率模塊與功率集成電路2.7.6基于新型材料的電力電子器件2.7

新型器件及發展MCT結合了二者的優點：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關過程，開關損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導通壓降。一個MCT器件由數以萬計的MCT元組成。每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關斷的MOSFET。其關鍵技術問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠未達到預期的數值，未能投入實際應用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復合2.7.1MOS控制晶閘管MCT多子導電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。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領域獲得應用。缺點：柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通型器件，使用不太方便。通態電阻較大，通態損耗也大，因而還未在大多數電力電子設備中得到廣泛應用。SIT（StaticInductionTransistor）——結型場效應晶體管2.7.2靜電感應晶體管SITSITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態壓降低、通流能力強。其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常導通型，但也有正常關斷型。此外，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——場控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）2.7.3靜電感應晶閘管SITH20世紀90年代后期出現，結合了IGBT與GTO的優點，容量與GTO相當，開關速度快10倍。可省去GTO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）2.7.4集成門極換流晶閘管IGCT20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。基本概念2.7.5功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。實際應用電路2.7.5功率模塊與功率集成電路2.7.6基于新型材料的電力電子器件

越來越多的電力電子器件研究工作轉向了對新型半導體材料制造新型電力電子器件的研究。21世紀初，碳化硅肖特基勢壘二極管(SBD)首先揭開了碳化硅器件在電力電子領域替代硅器件的序幕。目前，碳化硅SBD的全球市場容量估計達400萬美元。在2004年碳化硅場效應器件耐壓已經達到了硅器件無法達到的10000V水平，而碳化硅IGBT的研發工作起步較晚，其優越性只在10000V以上的高壓領域。

2.8.1

電力電子器件的驅動電路

2.8.2電力電子器件保護2.8.3緩沖電路2.8

電力電子器件的系統組成2.8.1

電力電子器件的驅動電路圖2-34電力電子整體系統框圖2.8.1

電力電子器件的驅動電路1.晶閘管的門極驅動在晶閘管的陽極施加正向電壓，并且在門極加上觸發電壓，晶閘管才能導通。門極觸發電壓決定每個晶閘管的導通時刻，是晶閘管變流裝置中非常重要的組成部分。圖2-35常用的觸發脈沖波形2.8.1

電力電子器件的驅動電路1.晶閘管的門極驅動圖2-36常見的晶閘管觸發電路常見的晶閘管觸發電路如圖2-36所示，由V2、V3構成的脈沖放大環節和脈沖變壓器TM和附屬電路構成的脈沖輸出環節兩部分組成。當V2、V3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。VD1和R3是為了V2、V3由導通變為截止時，脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設的。為了獲得觸發脈沖波形中的強脈沖部分，還需適當附加其它電路環節。2.8.1

電力電子器件的驅動電路2.全控型器件驅動電路(1)電流驅動型器件的驅動電路GTO和GTR是電流驅動型器件。如圖2-37典型的直接耦合式GTO驅動電路所示。電路的電源由高頻電源經二極管整流后提供，VD1和C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供+15V電壓，VD4和C4提供-15V電壓。V1開通時，輸出正強脈沖；V2開通時，輸出正脈沖平頂部分；V2關斷而V3開通時輸出負脈沖；V3關斷后R3和R4提供門極負偏壓。2.8.1

電力電子器件的驅動電路2.全控型器件驅動電路(1)電流驅動型器件的驅動電路圖2-37典型的直接耦合式GTO驅動電路2.8.1

電力電子器件的驅動電路2.全控型器件驅動電路(2)電壓驅動型器件的驅動電路

電力MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件。電力MOSFET開通的柵源極間驅動電壓一般取10~15V，IGBT開通的柵射極間驅動電壓一般取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。如圖2-38所示。當無輸入信號（即ui=0）時，高速放大器A輸出負電平，V3導通輸出負驅動電壓，可使MOSFET關斷；當有輸入信號（即ui為正）時，A輸出正電平，V2導通輸出正驅動電壓，可使MOSFET導通。2.8.1

電力電子器件的驅動電路2.全控型器件驅動電路(2)電壓驅動型器件的驅動電路2-38電力MOSFET的一種驅動電路2.8.2

電力電子器件保護1.過電壓保護a)單相b)三相圖2-39RC過電壓抑制電路聯結方式

2.8.2

電力電子器件保護2.過電流保護圖2-40過電流保措施及配置位置

2.8.3

緩沖電路

緩沖電路（SnubberCircuit）又稱為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關損耗。緩沖電路分為關斷緩沖電路和開通緩沖電路。關斷緩沖電路又稱為du/dt抑制電路；開通緩沖電路又稱為di/dt抑制電路。2.8.3

緩沖電路a)電路b)波形圖2-41

di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形

2.9電力電子器件應用案例2.9.1開關電源概述開關電源是一種高效率、高可靠性、小型化、輕型化的穩壓電源，是電子設備的主流電源，如圖2.43所示。其主要是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，改變輸出電壓的一種電源。2.9電力電子器件應用案例2.9.1開關電源概述開關電源原理如圖所示，輸入電壓為AC/220V，50Hz的交流電，經過濾波，再由整流橋整流后變為300V左右的高壓直流電，然后通過功率開關管的導通和截止將直流電壓變成連續的脈沖，再經變壓器隔離降壓及輸出濾波后變為低壓的直流電。開關管的導通與截止由PWM（脈沖寬度調制）控制電路發出的驅動信號控制。2.9.2GTR測試方法（1）用萬用表判別大功率晶體管的電極和類型。假若不知道管子的引腳排列，則可用萬用表通過測量電阻的方法作出判別。1）判定電極。大功率晶體管的漏電流一般比較大，所以采用萬用表測量極間電阻，并且采用的是滿度電流比較大的低電阻。測量時將萬用表置于R×1檔或R×10檔，一表筆固定接在管子的任一電極，用另一表筆分別接觸其他2個電極，如果萬用表讀數均為小阻值或均為大阻值，則固定接觸的那個電極即為基極。如果按上述方法做一次測試判定不了基極，則可換一個電極再試，最多3次即作出判定。2.9.2GTR測試方法（1）用萬用表判別大功率晶體管的電極和類型。2）判別類型。確定基極之后，假設接基極的是黑表筆，而用紅表筆分別接觸另外2個電極時，若電阻讀數均較小，則可認為該管為NPN型。假設接基極的是紅表筆，用黑表筆分別接觸其余2個電極時測出的阻值較小，則該三極管為PNP型。3）判定集電極和發射極。在確定基極之后，再通過測量基極對另外2個電極之間的阻值大小比較，可以區別發射極和集電極。對于PNP型晶體管，紅表筆固定接基極，黑表