學習情境二電力電子器件及其驅動保護第一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日22.1.1

概念同處理信息的電子器件相比一般特征電力電子器件的分類2.1

電力電子器件概述第二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日3電力電子器件（PowerElectronicDevice）——可直接用于主電路中，實現電能的變換和控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）

——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。2.1.1概念第三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日42.1.2同處理信息的電子器件相比的一般特征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（驅動電路）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。第四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日5電力電子器件的損耗主要損耗通態損耗斷態損耗開關損耗關斷損耗開通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，開關損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。2.1.2同處理信息的電子器件相比的一般特征第五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日6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。如晶閘管及其大部分派生器件全控型器件——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。GTO，MOSFET，IGBT不可控器件(PowerDiode)

——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅動電路。如電力二極管第六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日7

按照驅動電路信號的性質，分為兩類：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控制。這類電力電子器件稱為電流驅動型電力電子器件或電流控制型電力電子器件。如晶閘管，GTO，MCT，IGCT。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。這類電力電子器件稱為電壓驅動型電力電子器件或電壓控制型電力電子器件。也稱為場控器件或場效應器件。如MOSFET，IGBT電力電子器件的分類第七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日8

按照載流子參與導電的情況，分為三類：單極性器件（MOSFET，SIT）

——有一種載流子參與導電。雙極性器件（電力二極管，晶閘管，GTO，GTR，SITH）

——由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件復合型器件（IGBT，MCT，IGCT）

——由單極性器件和雙極性器件集成混合而成的器件電力電子器件的分類第八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日92.2電力二極管PN結與電力二極管的工作原理電力二極管的基本特性電力二極管的主要參數電力二極管的主要類型電力二極管命名第九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日10PN結與電力二極管的工作原理

PowerDiode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。第十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日112.2.1PN結與電力二極管的工作原理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。AKAKa)IKAPNJb)c)AK圖2-1電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號陽極陰極第十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日12PN結與電力二極管的工作原理

PN結的狀態

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（高壓）齊納擊穿（低壓）兩種擊穿均可能導致熱擊穿第十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日13PN結與電力二極管的工作原理

PN結的電容效應：PN結的電荷量隨外加電壓而變化，呈現電容效應，稱為結電容CJ，又稱為微分電容。結電容按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD。電容影響PN結的工作頻率，尤其是高速的開關狀態。第十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日14電力二極管的基本特性

主要指其伏安特性門檻電壓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。1)靜態特性圖2-2電力二極管的伏安特性第十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日15電力二極管的基本特性

2)動態特性

——二極管的電壓-電流特性隨時間變化的特性——

一般專指反映通態和斷態之間轉換過程的開關特性。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正向恢復時間：tfr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。圖2-3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t0’PN結PN結第十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日2.2.3電力二極管的主要參數

1)

額定電流（正向平均電流）IF(AV)

電力二極管的正向平均電流IF(AV)是指在規定的管殼溫度和散熱條件下允許通過的最大工頻半波電流的平均值,元件標稱的額定電流就是這個電流。F式中的系數1.5～2是安全系數電流的有效值：波形系數Kf：額定電流（平均值）為：實際應用中，額定電流一般選擇為

正弦半波電流的波形系數Kf：ImIF(AV)第十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日172.2.3電力二極管的主要參數

2）正向平均電壓UF在指定的管殼溫度和散熱條件下，元件通過50Hz正弦半波額定正向平均值電流時，元件陽極和陰極之間的電壓平均值，取規定系列級別稱為~，簡稱管壓降，一般在0.45~1V之間3）（額定電壓）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。通常為擊穿電壓UB的三分之二。使用時，若電力二極管所承受到的最大反向瞬時值電壓UDM，則其額定電壓一般選擇為URRM=（2~3）

UDM思考題：實際電路中反向最高峰值電壓為200V，選擇二極管的URRM是多少？

4）反向恢復時間trr

trr=td+tf第十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日182.2.3電力二極管的主要參數

5）最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。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。6)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。

第十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日192.2.4

電力二極管的主要類型按照正向壓降、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)普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）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，一般為5微秒以上。正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高額定電流達數千安培,額定電壓達數千伏以上。第十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日202.2.4

電力二極管的主要類型2)快恢復二極管

（FastRecoveryDiode——FRD）簡稱快速二極管快恢復外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V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20~30ns。第二十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日212.2.4

電力二極管的主要類型3.肖特基二極管

以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向漏電流較大且對溫度敏感，故反向穩態損耗不能忽略，且必須嚴格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優點反向恢復時間很短（10~40ns）。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。第二十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日222.2.5電力二極管命名第二十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日23

2.3晶閘管（SCR）2.3.1引言

晶閘管的結構與工作原理晶閘管的基本特性晶閘管的主要參數2.3.5晶閘管的派生器件第二十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日242.3.1引言

晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）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。1958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。第二十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日252.3.2晶閘管的結構與工作原理

1)晶閘管的結構

圖2-4晶閘管的外形a）~d），電氣圖形符號e），結構f）外形有塑封型，螺栓型和平板型三種封裝。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。第二十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日262.3.2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第二十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日272.3.2晶閘管的結構與工作原理

2)晶閘管的工作原理

按晶體管的工作原理，得：（2-2）（2-1）（2-3）（3-4）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：（2-5）圖2-5晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理第二十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日282.3.2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：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：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。第二十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日292.3.2晶閘管的結構與工作原理

其他幾種可能導通的情況：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可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。第二十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日302.3.3晶閘管的基本特性

晶閘管正常工作時的特性總結如下：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。第三十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日312.3.3

晶閘管的基本特性

1）靜態特性（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。正向阻斷反向陰斷圖2-6晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG第三十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日322.3.3

晶閘管的基本特性

（2）反向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。URO圖2-7晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG第三十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日332.3.3

晶閘管的基本特性

(1)

開通過程延遲時間td(0.5~1.5s)上升時間tr

(0.5~3s)開通時間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr

td與門極電流有關，tr與晶閘管本身特性和外電路的電感有關，td和

tr與陽極電壓的大小有關。2）

動態特性(2)

關斷過程反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關斷時間tq以上兩者之和tq=trr+tgr

普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒圖2-8晶閘管的開通和關斷過程波形第三十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日34晶閘管的主要參數

1）電壓定額正向重復峰值電壓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。重復峰值電壓（額定電壓）UTe

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。URO使用注意選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍，即：UTe=(2~3)UTM第三十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日35晶閘管的主要參數

2）電流定額額定通態平均電流IT(AV）——在環境溫度為40C和規定的冷卻狀態下，晶閘管導通角不小于170°的電阻性負載電路中，當穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的工頻正弦半波電流的平均值。將該電流按晶閘管標準電流系列取值，稱為該晶閘管的額定電流。——使用時應按有效值相等的原則來選取晶閘管。考慮1.5~2倍裕量。通態平均電流為：第三十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日36晶閘管的主要參數

電流波形的有效值：有效值與平均值之比：在給定晶閘管的額定電流之后，任意波形的實際允許電流平均值為通態平均電流為：第三十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日37晶閘管的主要參數

例:

在半波整流電路中，晶閘管從π/3時刻開始導通。試計算該電流波形的平均值、有效值、波形系數。若取安全系數為2，求額定電流為100A的晶閘管實際允許通過的平均值和最大值是多少？解：實際電流平均值電流有效值波形系數100A的晶閘管實際允許通過的電流平均值最大電流第三十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日38晶閘管的主要參數

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，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——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。其有上下兩個級，可作為設計保護電路的依據。第三十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日39晶閘管的主要參數

3）動態參數

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。第三十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日402.3.5

晶閘管的派生器件

5)晶閘管的命名第四十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日41型號為KP100-3，維持電流IH=4mA的晶閘管，使用在下圖所示電路中是否合理？為什么？（不考慮電壓電流裕量）畫出下圖所示電路的負載電阻Rg上的電壓波形第四十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日42π下圖陰影部分表示流過晶閘管的電流波形，高最大值均為IM,試計算各圖中的電流平均值，有效值。第四十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日432.3.5

晶閘管的派生器件

(1)雙向晶閘管的外形及結構雙向晶閘管(TRIAC)是一種NPNPN的五層三端(T1、T2和G)元件，有四個PN結。1)雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）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。圖2-9雙向晶閘管第四十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日442.3.5

晶閘管的派生器件

(2)伏安特性與參數有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值(IT（RMS）)。雙向晶閘管與普通晶閘管額定電流換算關系。圖2-10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)伏安特性第四十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日452.3.5

晶閘管的派生器件

2)快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)有快速晶閘管和高頻晶閘管。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。第四十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日462.3.5

晶閘管的派生器件

3)逆導晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）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。不具有承受反向電壓的能力。具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點。a)KGA圖2-11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)伏安特性第四十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日472.3.5

晶閘管的派生器件

4)光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）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。AGKa)圖212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)伏安特性第四十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日482.4門極關斷晶閘管（GTO）引言2.4.2GTO的結構和工作原理2.4.3GTO的動態特性2.4.4GTO的主要參數第四十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日492.4.1引言門極關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）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。第四十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日50結構：與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖2-13GTO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C）GKN2P2N2N1P1A

GTO的結構和工作原理

第五十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日51工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖2-13所示的雙晶體管模型來分析。

圖2-13晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理由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

。

1+2≈1是器件臨界導通的條件。

GTO的結構和工作原理

第五十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日52GTO能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區別：設計2較大，使晶體管V2控制靈敏，晶體管V1飽和度較淺，易于GTO控制。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（較薄）橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

圖2-14晶閘管的工作原理

GTO的結構和工作原理

第五十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日53

結論：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。

GTO的結構和工作原理

第五十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日542.4.3

GTO的動態特性開通過程：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—等效晶體管從飽和區退至放大區，陽極電流逐漸減小。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215

GTO的開通和關斷過程電流波形第五十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日552.4.4GTO的主要參數

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。（1）開通時間ton

——

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。（2）關斷時間toff——

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。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

。第五十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日56（3）最大可關斷陽極電流IATO——GTO額定電流。（4）

電流關斷增益off

——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。

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。

2.4.4GTO的主要參數第五十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日57(5)陽極尖峰電壓UP

是在下降時間末尾出現的極值電壓，它幾乎隨陽極可關斷電流線性增加，UP過高可能導致GTO晶閘管失效。(6)維持電流是指陽極電流減小到開始出現GTO晶閘管不能維持導通的數值。(7)擎住電流

是指GTO晶閘管經門極觸發后，陽極電流上升到保持所有GTO晶閘管元導通導通的最低值。2.4.4GTO的主要參數第五十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日582.5.1引言2.5.2GTR的結構和工作原理2.5.3GTR的基本特性2.5.4GTR的主要參數

BJT與晶閘管的性能比較

2.5電力晶體管（GTR）第五十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日592.5.1引言術語用法：電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT。

應用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。第五十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日602.5.2GTR的結構和工作原理

圖2-16GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動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e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。第六十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日612.5.2GTR的結構和工作原理

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

——GTR的電流放大系數，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

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。ic=ib+Iceo第六十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日622.5.2GTR的結構和工作原理

達林頓GTR1.R1，R2：穩定電阻，提供反向漏電流通路，提高復合管的溫度穩定性2.VD1：加速二極管，為V2提供反向IB通路3.VD2：續流二極管圖2-17達林頓管第六十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日632.5.3GTR的基本特性

1)

靜態特性共發射極接法時的典型輸出特性：截止區、放大區和飽和區。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。圖2-18共發射極接法時GTR的輸出特性第六十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日642.5.3GTR的基本特性

2)

動態特性開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。加快開通過程的辦法：增大ib和dib/dt。關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff

。加快關斷速度的辦法：減少導通的飽和深度或增大基極抽取負電流Ib2幅值和負偏壓。GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-19GTR的開通和關斷過程電流波形第六十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日652.5.4GTR的主要參數

前已述及：電流放大倍數、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關斷時間toff(此外還有)：

1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過規定值時會發生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關，還與外電路接法有關。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。第六十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日66

2)

集電極最大允許電流IcM通常規定為hFE下降到規定值的1/2~1/3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PcM最高工作溫度下允許的耗散功率。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。2.5.4GTR的主要參數

第六十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日67GTR的二次擊穿現象與安全工作區一次擊穿：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：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（SafeOperatingArea——SOA）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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-20GTR的安全工作區2.5.4GTR的主要參數

第六十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日68

BJT與晶閘管的性能比較

項目晶閘管BJT最高耐壓額定電流12000V4000A1200V600A開通時間≤幾微秒幾微秒關斷時間幾十至幾百微秒幾微秒正向壓降1～2V0.1~0.7V（單管）0.8~2.1V（達林頓管）漏電流幾毫安以下幾百微安以下開關方法及所需能量開通：控制極觸發電流（功率為幾瓦以下）關斷：陰極加負電壓開通：基極流過電流（功率為幾瓦以下）關斷：基極電流消失關斷時的保護用緩沖電路抑制反峰電壓及du/dt用緩沖電路將電壓電流限制在安全工作區浪涌沖擊10倍的額定電流（重復性）20倍的額定電流（非重復性）二倍的額定電流（非重復性）誤動作（控制可靠性）控制極干擾信號，過大的du/dt會引起誤觸發，故需抑制措施，以防止電源短路損壞元件基極干擾信號，過大du/dt造成瞬時導通，但可復原，不致引起損壞。若是電源短路，工作點超出安全工作區，會損壞元件維護無活動部件，不易損壞部件，需維護（同晶閘管）壽命半永久性半永久性二次擊穿不存在存在第六十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日692.6電力場效應晶體管（MOSFET）

2.6.1引言

2.6.2電力MOSFET的結構和工作原理2.6.3

電力MOSFET的特性2.6.4

電力MOSFET的主要參數第六十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日702.6.1引言

分為結型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

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，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。電力場效應晶體管第七十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日712.6.2電力MOSFET的結構和工作原理電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道。

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——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。第七十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日72電力MOSFET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。采用多元集成結構，不同的生產廠家采用了不同設計：

1.國際整流器公司（InternationalRectifier）的HEXFET采用了六邊形單元2.西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元3.摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列圖2-21電力MOSFET的結構和電氣圖形符號2.6.2電力MOSFET的結構和工作原理第七十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日73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（VerticalMOSFET）。按垂直導電結構的差異，分為利用V型槽實現垂直導電的VVMOSFET

和具有垂直導電雙擴散MOS結構的

VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進行討論。BG柵極D漏極SiO2P型硅襯底S源極圖2-22小功率MOS管結構圖N+N+2.6.2電力MOSFET的結構和工作原理第七十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日74VVMOSFET和VDMOSFET

圖2-23VVMOSFET和UMOSFET基本結構電場集中，不易提高耐壓2.6.2電力MOSFET的結構和工作原理第七十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日75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：在柵源極間加正電壓UGS當UGS大于UT時，P型半導體反型層N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。電力MOSFET的工作原理圖2-24電力MOSFET的結構和電氣圖形符號2.6.2電力MOSFET的結構和工作原理第七十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日762.6.3

電力MOSFET的特性

1)靜態特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導Gfs。圖2-25電力MOSFET的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性第七十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日772.6.3

電力MOSFET的特性

MOSFET的漏極伏安特性：截止區（對應于GTR的截止區）飽和區（對應于GTR的放大區）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。010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區非飽和區截止區ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖2-25電力MOSFET的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性第七十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日782.6.3

電力MOSFET的特性

極間電容

圖226功率MOSFET極間電容分布及其等效電路

Cin=CGS+CGDCout=CDS+CGDCf=CGD第七十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日792.6.3

電力MOSFET的特性

2)

動態特性開通過程開通延遲時間td(on)——up前沿時刻到uGS=UT并開始出現iD的時刻間的時間段。上升時間tr——uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區的柵壓UGSP的時間段。iD穩態值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩態值有關UGS達到UGSP后，在up作用下繼續升高直至達到穩態，但iD已不變。開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和。圖2-27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—檢測漏極電流第七十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日80關斷過程關斷延遲時間td(off)——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數曲線下降到UGSP時，iD開始減小的時間段。下降時間tf——uGS從UGSP繼續下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消失，iD下降到零為止的時間段。關斷時間toff——關斷延遲時間和下降時間之和。圖2-28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2.6.3

電力MOSFET的特性

第八十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日812.6.3

電力MOSFET的特性

MOSFET的開關速度

MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系。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10~100ns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。第八十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日822.6.4電力MOSFET的主要參數

除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

(1)

漏源擊穿電壓BUDS

——電力MOSFET電壓定額（一般為實際工作電壓的2~3倍）(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額(3)柵源擊穿電壓BUGS——UGS>20V將導致絕緣層擊穿。第八十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日83（4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS

廠家提供：漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容CrssCiss=CGS+CGD

Crss=CGD

Coss=CDS+CGD

輸入電容可近似用Ciss代替。這些電容都是非線性的。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不存在二次擊穿問題，這是它的一大優點。

實際使用中仍應注意留適當的裕量。2.6.4電力MOSFET的主要參數

第八十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日842.7絕緣柵雙極晶體管（IGBT）引言2.7.2IGBT的結構和工作原理2.7.3IGBT的基本特性2.7.4IGBT的主要參數第八十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日85

引言圖2-291700V/1200A，3300V/1200AIGBT模塊

GTR和GTO的特點——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，不存在二次擊穿問題，但存在通態壓降大，電流容量低等問題，難制成高電壓、大電流器件。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-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）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。第八十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日862.7.2IGBT的結構和工作原理1)IGBT的結構三端器件：柵極G、集電極C和發射極E圖3-30a—N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。圖2-30IGBT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)電氣圖形符號第八十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日872.7.2IGBT的結構和工作原理圖2-31雙載流子參與導電示意圖第八十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日882.7.2IGBT的結構和工作原理IGBT的原理

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。導通：uGE大于開啟電壓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：電導調制效應使電阻RN減小，使通態壓降減小。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。第八十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日892.7.3

IGBT的基本特性

1)

IGBT的靜態特性a)b)O有源區正向阻斷區飽和區反向阻斷區ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加圖2-32IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性轉移特性——IC與UGE間的關系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。第八十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日902.7.3

IGBT的基本特性

IGBT的開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。

2)

IGBT的動態特性圖2-33IGBT的開關過程第九十頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日91關斷延遲時間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM。電流下降時間——iC從90%ICM下降至10%ICM。

關斷時間toff——關斷延遲時間與電流下降之和。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢。2.7.3

IGBT的基本特性

IGBT的關斷過程圖2-34IGBT的開關過程第九十一頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日922.7.4

IGBT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PCM——最大集電極連續（直流）電流IC額定電流；為避免擎住效應，規定了ICM，ICM≈2IC(2)

最大集電極連續（直流）電流IC和最大峰值電流ICM——由內部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES第九十二頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日93IGBT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。

2.7.4

IGBT的主要參數

第九十三頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日94IGBT的擎住效應和安全工作區圖2-35IGBT的結構、具有寄生晶閘管的等效電路左：內部結構斷面示意圖右：等效電路#寄生晶閘管——由一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成。2.7.4

IGBT的主要參數

第九十四頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日95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。

反向偏置安全工作區（RBSOA）

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。——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。2.7.4

IGBT的主要參數

第九十五頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日962.8GTO、GTR、MOSFET、IGBT驅動與保護

電力電子器件驅動電路概述2.8.2典型全控型器件的驅動電路2.8.3電力電子器件的保護第九十六頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日97使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，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：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——主電路與控制電路之間的接口

電力電子器件驅動電路概述

第九十七頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日98

驅動電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環節，一般采用光隔離或磁隔離。

光隔離一般采用由發光二極管和光敏晶體管組成的光耦合器

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖2-36光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型

電力電子器件驅動電路概述

第九十八頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日99按照驅動信號的性質分，可分為電流驅動型和電壓驅動型。按開關信號頻率，可分為低頻信號驅動型和高頻信號驅動型驅動電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅動電路。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

電力電子器件驅動電路概述

第九十九頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日1002.8.2典型全控型器件的驅動電路(1)GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似。但對觸發前沿的幅值和陡度的要求高,且一般需要在整個導通期間施加正門極電流GTO關斷控制需施加負門極電流。對其幅值和陡度的要求更高，幅值需達陽極電流的1/3左右，陡度需達50A/μs,強負脈沖寬度約30μs，負脈沖總寬約10μs,關斷后還應在門陰極施加約5V的負偏壓，以提高抗干擾能力圖2-37推薦的GTO門極電壓電流波形1)電流驅動型器件的驅動電路GTO驅動電路通常包括開通驅動電路、關斷驅動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。第一百頁，共一百一十一頁，2022年，8月28日101直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2-38典型的直接耦合式GTO驅動電路該電路的電源由高頻電源經二極管整流后提供，二極管VD1和電容C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構成倍壓整流電路提供＋15V電壓，VD4和電容C4提供–15V電壓。場效應管Vl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關斷后電阻R3和R4提供門極負偏壓。

2.8.2典型全控型器件的驅動電路第一百零一頁，共一百一十一頁，2022年，8