《電力電子技術(shù)》

電子教案第2章電力電子器件第2章電力電子器件

2.1電力電子器件概述

2.2不可控器件——電力二極管

2.3半控型器件——晶閘管

2.4典型全控型器件

2.5其他新型電力電子器件

2.6功率集成電路與集成電力電子模塊

本章小結(jié)

第2章電力電子器件

2.1電力電子器件概述

5-10分

2.2不可控器件——電力二極管

30-35

2.3半控型器件——晶閘管

2.4典型全控型器件

2.5其他新型電力電子器件

2.6功率集成電路與集成電力電子模塊

本章小結(jié)

第1章第4頁(yè)2.2不可控器件—電力二極管2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理10分鐘

提問(wèn)1：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)2.2.2電力二極管的基本特性

5-10

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)

52.2.4電力二極管的主要類型

5

提問(wèn)2：整流電路用的二極管，電壓參數(shù)

第1章第5頁(yè)2.3半控器件—晶閘管

內(nèi)容較多，分兩次課講；

第二次課要5-10分鐘回顧，加上附錄及例題2.3半控型器件——晶閘管

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理10

2.3.2晶閘管的基本特性

10

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

5-10

2.3.4相關(guān)器件

5

附錄：1晶閘管額定電流參數(shù)詳解及例題2晶閘管的測(cè)試與使用引言■模擬和數(shù)字電子電路的基礎(chǔ)

——晶體管和集成電路等電子器件

電力電子電路的基礎(chǔ)

——電力電子器件■本章主要內(nèi)容：◆對(duì)電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問(wèn)題作了簡(jiǎn)要概述?！舴謩e介紹各種常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

2.1電力電子器件概述

2.1.1電力電子器件的概念和特征

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成

2.1.3電力電子器件的分類

2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)2.1.1電力電子器件的概念和特征■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(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。

?主電路：在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。

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

2.1.1電力電子器件的概念和特征■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(shù)，一般都遠(yuǎn)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(kāi)關(guān)狀態(tài)。

◆由信息電子電路來(lái)控制

,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。

2.1.1電力電子器件的概念和特征?通態(tài)損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。?當(dāng)器件的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。

通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗開(kāi)通損耗關(guān)斷損耗?電力電子器件的功率損耗

2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成■電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中，一般是由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成一個(gè)系統(tǒng)。

電氣隔離圖2-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度◆半控型器件

?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。?器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

◆全控型器件?目前最常用的是

IGBT和PowerMOSFET。

?通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。2.1.3電力電子器件的分類■按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)◆電流驅(qū)動(dòng)型

?通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷的控制。

GTR,GTO

◆電壓驅(qū)動(dòng)型

?僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。

IGBT和PowerMOSFET

2.1.3電力電子器件的分類■按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外

）◆脈沖觸發(fā)型

?通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。

GTO,晶閘管

◆電平控制型

?必須通過(guò)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。

IGBT和PowerMOSFET等電壓型器件，GTR2.1.3電力電子器件的分類■按照載流子參與導(dǎo)電的情況◆單極型器件

?由一種載流子參與導(dǎo)電。

PowerMOSFET◆雙極型器件

?由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。 GTR,GTO

◆復(fù)合型器件

?由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，也稱混合型器件。

IGBT2.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)■本章內(nèi)容◆按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題?！鰧W(xué)習(xí)要點(diǎn)

◆最重要的是掌握其基本特性?！粽莆针娏﹄娮悠骷男吞?hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法。

◆了解電力電子器件的半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和基本工作原理。

◆了解某些主電路中對(duì)其它電路元件的特殊要求。第1章第17頁(yè)第1章電力電子器件1.1不可控器件——電力二極管1.2半控型器件——晶閘管 1.2.1晶閘管結(jié)構(gòu)與工作原理 1.2.2伏安特性及主要參數(shù) 1.2.3晶閘管的測(cè)試與使用

第1章第18頁(yè)2.2不可控器件—電力二極管

2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

2.2.2電力二極管的基本特性

2.2.3電力二極管的主要參數(shù)

2.2.4電力二極管的主要類型第1章第19頁(yè)2.2電力二極管PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用快恢復(fù)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(chǎng)合，具有不可替代的地位圖2-1整流二極管及模塊第1章第20頁(yè)基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)第1章第21頁(yè)2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體基本概念N(Negative)型半導(dǎo)體：簡(jiǎn)單講就是電子容易被激發(fā)的半導(dǎo)體，此時(shí)電子是多子。電子帶負(fù)電。P(Positive)型半導(dǎo)體：含有可以接收多余電子的空穴的半導(dǎo)體，此時(shí)空穴是多子?？昭ǎ簬в姓?。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。第1章第22頁(yè)交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱為空間電荷。空間電荷建立的電場(chǎng)被稱為內(nèi)電場(chǎng)或自建電場(chǎng)，其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是一對(duì)矛盾，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱為空間電荷區(qū)，也被稱為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。第1章第23頁(yè)2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

圖2-3PN結(jié)的形成動(dòng)畫演示第1章第24頁(yè)P(yáng)N結(jié)的正向?qū)顟B(tài)

PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降維持在1V左右，正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)－－

PN結(jié)的單向?qū)щ娦远O管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征PN結(jié)的反向擊穿－－承受電壓超過(guò)反向擊穿電壓時(shí)狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂闺娏髡虼髱缀鯙榱汶妷壕S持1V反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)表1PN結(jié)的狀態(tài)動(dòng)畫動(dòng)畫動(dòng)畫動(dòng)畫第1章第25頁(yè)P(yáng)N結(jié)的正向?qū)顟B(tài)

PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降維持在1V左右，正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)返回第1章第26頁(yè)P(yáng)N結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)－－

PN結(jié)的單向?qū)щ娦远O管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征返回動(dòng)畫第1章第27頁(yè)2.2.2電力二極管的基本特性門檻電壓UT0，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF

。UB反向擊穿電壓承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流IRR，少子漂移引起圖2-5電力二極管的伏安特性1)靜態(tài)特性（StaticStateCharacteristic）

：主要指其伏安特性IOIFUT0UFUUB第1章第28頁(yè)2.2.2電力二極管的基本特性2）動(dòng)態(tài)特性(DynamicCharacteristic)PN結(jié)中的電荷量隨著外加電壓而變化，呈電容效應(yīng)因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作。?章第29頁(yè)圖2-6電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置關(guān)斷特性（反向恢復(fù)）電力二極管的關(guān)斷經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。IRM——反向電流最大值MaximumURM——反向電壓過(guò)沖最大值td=t1-t0——延遲時(shí)間Delaytf=t2-t1——電流下降時(shí)間Falltrr=td+tf—反向恢復(fù)時(shí)間ReverseRecoverytf/td——恢復(fù)特性的軟度，用Sr表示a)IFtdtrrtfIRMt1t2UFURttFt0

URM在關(guān)斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過(guò)沖。----清除大量存儲(chǔ)的少子返回第1章第31頁(yè)圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的開(kāi)通2V0tb)正向恢復(fù)時(shí)間tfr

(ForwardRecoveryTime)

電力二極管的正向壓降出現(xiàn)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間接近穩(wěn)態(tài)降壓的某個(gè)值，這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間：正向恢復(fù)時(shí)間tfr

。通常tfr<trr

電壓過(guò)沖原因1)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需大量少子需要一定時(shí)間儲(chǔ)存，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。2)正向電流的上升因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大,UFP越高。第1章第32頁(yè)2.2.3電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)（額定電流）2）正向壓降UF3）反向重復(fù)峰值電壓URRM（額定電壓）4）反向恢復(fù)時(shí)間trr第1章第33頁(yè)2.2.3電力二極管的主要參數(shù)1)

正向平均電流IF(AV)（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(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正弦半波電流：有效值是平均值的1.57倍第1章第34頁(yè)2）正向壓降UF在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)，對(duì)應(yīng)的正向壓降。3）反向重復(fù)峰值電壓URRM（額定電壓）對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。通常是其擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定。

4）反向恢復(fù)時(shí)間trr二極管由導(dǎo)通到截止、并恢復(fù)到自然阻斷狀態(tài)所需的時(shí)間。trr=td+tf第1章第35頁(yè)5）最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p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(nèi)6）浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。

第1章第36頁(yè)2.2.4

電力二極管的主要類型1)普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（一般在5μs以上）正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。第1章第37頁(yè)2)快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode—FRD）又稱開(kāi)關(guān)二極管（SwitchingDiode）或簡(jiǎn)稱快速二極管用于開(kāi)關(guān)頻率較高的場(chǎng)合從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。第1章第38頁(yè)3.肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode--SBD）

以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）。正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管（0.55V）。效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管小。第1章第39頁(yè)肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下。反向漏電流較大,且對(duì)溫度敏感,反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。第1章第40頁(yè)P(yáng)8例，采用快速二極管的原因由于存在反向恢復(fù)時(shí)間，所以會(huì)形成環(huán)流，輸出電壓近似為零；正向恢復(fù)過(guò)程中，正相動(dòng)態(tài)壓降可能達(dá)到幾伏甚至幾十伏，也會(huì)導(dǎo)致輸出電壓下降；對(duì)于變壓器，由于環(huán)流，相當(dāng)于變壓器短路，發(fā)熱嚴(yán)重，必須降容使用。第1章第41頁(yè)2.3半控器件—晶閘管2.3半控型器件——晶閘管

2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.3.2晶閘管的基本特性

2.3.3晶閘管的主要參數(shù)

2.3.4晶閘管的測(cè)試與使用第1章第42頁(yè)2.3半控型器件——晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1957年美國(guó)GE公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品20世紀(jì)80年代，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代優(yōu)點(diǎn)：能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位第1章第43頁(yè)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

有三個(gè)聯(lián)接端－

陽(yáng)極A(Anode)、陰極K(Kathode)和門極（控制端）G(Gate)對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG圖2-7晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)第1章第45頁(yè)

晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端動(dòng)畫演示第1章第46頁(yè)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8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Ig－>Ib2－>

Ic2

(=β2Ib2)

=

Ib1－>

Ic1

(=β1Ib1)c1e1b1/c2b2e2動(dòng)畫演示第1章第47頁(yè)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理開(kāi)通（門極觸發(fā)）：當(dāng)注入觸發(fā)電流后，會(huì)使晶閘管的陽(yáng)極電流IA迅速增大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA此時(shí)由外電路電源電壓Ea和負(fù)載電阻Rd決定。由于正反饋的作用，導(dǎo)通的管子即使門極電流降為零或者負(fù)值，也不能夠關(guān)斷管子。只有設(shè)法使管子的陽(yáng)極電流IA減小到維持電流IH以下，導(dǎo)致內(nèi)部正反饋無(wú)法維持時(shí)，晶閘管才能夠恢復(fù)阻斷。第1章第48頁(yè)2.3.2晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才可能導(dǎo)通； --導(dǎo)通條件晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。 --關(guān)斷條件第1章第49頁(yè)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-8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Ic1=1IA+ICBO1

（1-1）Ic2=2IK+ICBO2

（1-2）IK=IA+IG

（1-3）IA=Ic1+Ic2

（1-4）1和2分別是晶體管V1和V2的電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的漏電流。第1章第50頁(yè)2.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理由以上式（2-1）~（2-4）可得

（2-5）Ic0流過(guò)J2結(jié)的反向漏電流。與P11公式(1-3)一致。第1章第51頁(yè)2.3.2晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性

第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性圖2-9晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG返回靜態(tài)特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通；承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才可能導(dǎo)通；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。圖2-9晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ǚ聪驌舸㊣H-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2URRMURSMIG2>IG1>IGIG=0時(shí)，器件兩端加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流；正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。稱“硬開(kāi)通”，一般不允許硬開(kāi)通；隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。正向特性圖2-9晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ǚ聪驌舸㊣H-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2URRMURSMIG2>IG1>IG導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。正向特性圖2-9晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ǚ聪驌舸㊣H-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2URRMURSMIG2>IG1>IG晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似電力二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，達(dá)到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。

反向特性第1章第55頁(yè)1.額定電壓UTN通常取晶閘管正反向重復(fù)峰值電壓中較小的值作為該器件的額定電壓UTN。峰值電壓UTM—電路中晶閘管的瞬態(tài)峰值電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍UTN>=（2~3）UTM思考：?jiǎn)蜗嗾?.3.3晶閘管的主要參數(shù)第1章第56頁(yè)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)2.額定電流IT(AV)

1)

額定通態(tài)平均電流IT(AV)

晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍第1章第57頁(yè)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)2)

維持電流IH——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小3)

擎住電流IL——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小陽(yáng)極電流

對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍要求晶閘管的觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度第1章第58頁(yè)2.3.3晶閘管的主要參數(shù)4)

門極觸發(fā)電流IGT關(guān)于觸發(fā)信號(hào)：門極觸發(fā)電流mA級(jí)控制主電路電流KA級(jí)；典型的以弱控強(qiáng)。5)浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。59/1202.3.4晶閘管的派生器件■快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST）

◆有快速晶閘管和高頻晶閘管。

◆快速晶閘管的開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt的耐量都有了明顯改善。

◆從關(guān)斷時(shí)間來(lái)看，普通晶閘管一般為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒，而高頻晶閘管則為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，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。

60/1202.3.4晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2■雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）◆可以認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成?！糸T極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。

◆雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。圖2-11雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

61/1202.3.4晶閘管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0■逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）

◆是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)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，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。

◆具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)，可用于不需要阻斷反向電壓的電路中。

圖2-12逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性

a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

62/1202.3.4晶閘管的派生器件AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA■光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）

◆是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

◆由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在高壓大功率的場(chǎng)合。圖2-13光控晶閘管的電氣圖形符 號(hào)和伏安特性

a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性

額定電流相關(guān)計(jì)算晶閘管額定電流定義：一定條件下，器件在電阻負(fù)載流過(guò)正弦半波電流的電路中，最大通態(tài)平均電流IT（AV）一個(gè)周期內(nèi)電流波形面積的平均原因：整流后直流電路測(cè)量出的是平均值。直流電表測(cè)量起來(lái)方便。不便之處：電路中涉及的計(jì)算，大多是有效值。因此需要轉(zhuǎn)換。額定電流相關(guān)計(jì)算*理解轉(zhuǎn)換過(guò)程：根據(jù)管子額定(平均)電流IT(AV)(廠家給出)換算出相對(duì)應(yīng)的額定有效電流ITn。(廠家未給出)流過(guò)管子的最大電流有效值ITm≤ITn，管子理論上就可以正常工作。為了安全起見(jiàn)：留有兩倍左右的裕量。（1.5~2）ITm

≤ITn實(shí)際應(yīng)用中：已知電路工作情況，確定所需的晶閘管，即晶閘管選型。下節(jié)例題中有體現(xiàn)。

IT（AV）與ITn的關(guān)系：與實(shí)際的電流波形有關(guān)IT（AV）：一個(gè)周期內(nèi)電流波形面積的平均ITn：有效值，均方根值波形系數(shù)：電流波形的有效值與平均值之比Kf=I/Id額定電流相關(guān)計(jì)算

以正弦半波為例例如：額定電流為100A的晶閘管，流過(guò)正弦半波電流時(shí)，指的是IT（AV）=100A，電流峰值為：Im=IT（AV）πA=314A，額定有效電流值為ITn=Im/2=157A。非正弦半波當(dāng)波形不是正弦半波時(shí)，比如正弦半波的一半：

此時(shí)波形的平均值如果Id=100A的話，有效值I是多少？可以直接利用波形系數(shù)求出，I

=222A。大于100A管子對(duì)應(yīng)的最大額定電流有效值ITn，所以不可以使用上面的管子了。（此時(shí)，應(yīng)該用多大等級(jí)的管子？按有效值相等的原則：將非正弦半波等效成正弦半波。IT（AV）=ITn/1.57=222/1.57=141.4A）（再考慮安全裕量的話，管子的等級(jí)應(yīng)該是：IT（AV）=2*ITn/1.57，大約為300A。而正弦半波的考慮裕量才200A）如果使用100A管子的話，最大的平均電流應(yīng)該是多少？按照有效值相等的原則來(lái)選，所以這種波形允許的電流有效值最大為157A，即ITn=157A，求IT（AV）。 利用波形系數(shù)，可以得到 IT（AV）=157A/2.22=70.7A同樣可以求出不同波形時(shí)，允許流過(guò)的最大平均電流。練習(xí)：推導(dǎo)觸發(fā)角為α?xí)r的平均電流、有效電流的表達(dá)式，得出波形系數(shù)統(tǒng)一的表達(dá)式。

課后作業(yè)晶閘管的判別1、三端的識(shí)別導(dǎo)線粗細(xì)不同，識(shí)別出門極通過(guò)電阻阻值不同，確定出陰極從結(jié)構(gòu)可以看出，陰極和陽(yáng)極之間，陽(yáng)極和門極之間，都有兩個(gè)PN結(jié)，所以電阻很高。而門極和陰極之間，電阻不大。注意：不可用萬(wàn)用表的高阻檔（10K），防止擊穿門極的PN結(jié)，電池一般為？V。P1N1P2N2J1J2J3AGK晶閘管的判別2、好壞的初步判別按照基本電路(圖1-12)，在直流電源（電壓不能夠太高）電路中串接電燈，此時(shí)是否亮？把門極和陽(yáng)極接觸一下（即相當(dāng)于觸發(fā)），此時(shí)燈是否點(diǎn)亮？門極信號(hào)去掉后，是否仍能夠繼續(xù)亮？晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)電路圖

晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)電路動(dòng)畫演示73導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)表1晶閘管導(dǎo)通/關(guān)斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果74晶閘管的型號(hào)及其含義p15

KP□–□□ 例如：KP100-12A分五個(gè)部分：第一部分：K表示晶閘管；第二部分：P普通反相阻斷型

K快速型S雙向型

N逆導(dǎo)型G可關(guān)斷型第三部分：額定通態(tài)平均電流系列（額定電流）第四部分：正反向重復(fù)峰值電壓等級(jí)（額定電壓） 電流系列：100A、200A而非165A； 電壓等級(jí)：顯示數(shù)值為額定電壓/100；因?yàn)橐话愣际菙?shù)百伏到幾千伏；或直接表示第五部分：通態(tài)平均電壓組別（參見(jiàn)P12表1-3）小結(jié)掌握：晶閘管端子、電氣符號(hào)導(dǎo)通、關(guān)斷條件額定電壓、額定電流的理解及計(jì)算了解型號(hào)表示方法理解應(yīng)用：判斷晶閘管端子的方法試驗(yàn)驗(yàn)證晶閘管的基本特性77/1202.4典型全控型器件

2.4.1門極可關(guān)斷晶閘管

2.4.2電力晶體管

2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

2.4.4絕緣柵雙極晶體管78/1202.4典型全控型器件·引言■門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。■20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代?！龅湫痛怼T極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊79/1202.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■晶閘管的一種派生器件，但可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

■GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆GTO的結(jié)構(gòu)?是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。?雖然外部同樣引出3個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO

元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

圖2-14GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖電氣圖形符號(hào)

80/1202.4.1門極可關(guān)斷晶閘管

圖2-8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◆GTO的工作原理

?仍然可以用如圖2-8所示的雙晶體管模型來(lái)分析，V1、V2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。

?GTO與普通晶閘管的不同√設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷?！虒?dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

√多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

81/1202.4.1門極可關(guān)斷晶閘管?GTO的導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管是一樣的，只不過(guò)導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時(shí)，給門極加負(fù)脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個(gè)晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt的能力增強(qiáng)。

82/1202.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的動(dòng)態(tài)特性

◆開(kāi)通過(guò)程與普通晶閘管類似

◆關(guān)斷過(guò)程

?儲(chǔ)存時(shí)間ts

下降時(shí)間tf

尾部時(shí)間tt

?門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。 使門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍能保持適當(dāng)?shù)呢?fù)電壓，則可以縮短尾部時(shí)間tt

。圖2-15GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形

Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子的時(shí)間等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小時(shí)間

殘存載流子復(fù)合所需時(shí)間

83/1202.4.1門極可關(guān)斷晶閘管■GTO的主要參數(shù)◆GTO的許多參數(shù)都和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同。

◆最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO?用來(lái)標(biāo)稱GTO額定電流。

◆電流關(guān)斷增益off

?最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。

?off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。

84/1202.4.1門極可關(guān)斷晶閘管◆開(kāi)通時(shí)間ton

?延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。?延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大。

◆關(guān)斷時(shí)間toff

?一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，而不包括尾部時(shí)間。

?儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2s?！霾簧貵TO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時(shí)，應(yīng)

和電力二極管串聯(lián)使用。

85/1202.4.2電力晶體管■電力晶體管（GiantTransistor——GTR） 按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。

◆最主要的特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。屬電流控制型器件；86/120◆

GTR的結(jié)構(gòu)

?

N-漂移區(qū)與電力二極管中作用一致；GTR多采用NPN結(jié)構(gòu)。

?采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。2.4.2電力晶體管圖2-16GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度達(dá)林頓結(jié)構(gòu)GTR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(dá)林頓接法可有效增大電流增益88/1202.4.2電力晶體管空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib圖2-16c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)

?在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為

稱為GTR的電流放大系數(shù)，它反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為?單管GTR的

值比處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)89/1202.4.2電力晶體管■GTR的基本特性◆靜態(tài)特性

?在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。

?在電力電子電路中，

GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。

?在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。截止區(qū)Cut-offregion放大區(qū)Amplifyingregion飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖2-17共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性Saturationregion90/1202.4.2電力晶體管ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，之和為關(guān)斷時(shí)間toff

。加快開(kāi)通過(guò)程、關(guān)斷速度的辦法？GTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。91/1202.4.2電力晶體管◆動(dòng)態(tài)特性?開(kāi)通過(guò)程

√需要經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton?！淘龃蠡鶚O驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間，同時(shí)也可以縮短上升時(shí)間，從而加快開(kāi)通過(guò)程。?關(guān)斷過(guò)程√需要經(jīng)過(guò)儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff。√減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖2-18GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。

是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分。

2.4.2電力晶體管■GTR的主要參數(shù)

1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)。BUcex>BUces>BUcer>BUceo。GTR的不同接線方式及其最高集電極電壓值BUcbo：發(fā)射極開(kāi)路時(shí)，集電極和基極間的反向擊穿電壓。BUceo：基極開(kāi)路時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUcer：實(shí)際電路中，GTR的發(fā)射極和基極之間常接有電阻R，這時(shí)用BUcer表示集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUces：當(dāng)R為0，即發(fā)射極和基極短路，用BUces表示其擊穿電壓。BUcex：發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的擊穿電壓。BUceo實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。2.4.2電力晶體管

2)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)

3)

集電極最大耗散功率PcM最高允許工作溫度下對(duì)應(yīng)的耗散功率，用PcM表示。它是GTR容量的重要標(biāo)志。晶體管功耗的大小主要由集電極工作電壓和工作電流的乘積來(lái)決定，它將轉(zhuǎn)化為熱能使晶體管升溫，晶體管會(huì)因溫度過(guò)高而損壞。實(shí)際使用時(shí)，集電極允許耗散功率和散熱條件與工作環(huán)境溫度有關(guān)。所以在使用中應(yīng)特別注意值IC不能過(guò)大，散熱條件要好。一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。安全工作區(qū)（SOA—SafeOperatingArea）?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?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。圖2-11GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)二次擊穿臨界96/1202.4.2電力晶體管■GTR的主要參數(shù)◆電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流Iceo、集電極和發(fā)射極間飽和壓降Uces、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

◆最高工作電壓?GTR上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。?擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。

?發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo

發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces

發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

且存在以下關(guān)系：

?實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。97/1202.4.2電力晶體管◆集電極最大允許電流IcM?規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。?實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)?！艏姌O最大耗散功率PcM

?指在最高工作溫度下允許的耗散功率。?產(chǎn)品說(shuō)明書中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

98/1202.4.2電力晶體管■GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)◆當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，這種首先出現(xiàn)的擊穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。◆發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。

◆出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。

SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖2-19GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率

◆安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）

?將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。?GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓

UceM，集電極最大電流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超過(guò)二次擊穿臨界線。99/1202.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■分為結(jié)型和絕緣柵型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）。■電力MOSFET是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，它的特點(diǎn)有：◆驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。

◆開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。

◆熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。

◆電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。

100/1202.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理◆電力MOSFET的種類

?按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。?當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型。

?對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強(qiáng)型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。

101/1202.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的結(jié)構(gòu)

?是單極型晶體管。?結(jié)構(gòu)上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷壳半娏OSFET大都采用了垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。?按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用

V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET

（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。?電力MOSFET也是多元集成結(jié)構(gòu)。圖2-20電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)102/1202.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管◆電力MOSFET的工作原理?截止：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時(shí)，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。

?導(dǎo)通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。

√當(dāng)UGS大于某一電壓值UT時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。

√UT稱為開(kāi)啟電壓（或閾值電壓），UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。

103/120■電力MOSFET的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性√指漏極電流ID和柵源間電壓

UGS的關(guān)系，反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。

√ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率被定義為

MOSFET的跨導(dǎo)Gfs，即

2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性(2-11)√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。104/1202.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性?！探刂箙^(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。

√工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。?本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個(gè)與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。?通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。

圖2-21電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

b)輸出特性105/120◆動(dòng)態(tài)特性

?開(kāi)通過(guò)程

√開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

電壓下降時(shí)間tfv

開(kāi)通時(shí)間ton=td(on)+tr+

tfv

?關(guān)斷過(guò)程

√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

電壓上升時(shí)間trv

電流下降時(shí)間tfi

關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfi?MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和其輸入電容的充放電有很大關(guān)系，可以降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的內(nèi)阻Rs，從而減小柵極回路的充放電時(shí)間常數(shù)，加快開(kāi)關(guān)速度。2.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管信號(hào)iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+UE圖2-22電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up為矩形脈沖電壓信號(hào)源，Rs為信號(hào)源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負(fù)載電阻，RF用于檢測(cè)漏極電流。

(a)(b)106/1202.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管?不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過(guò)程是非常迅速的。?開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需要對(duì)輸入電容充放電，仍需要一定的驅(qū)動(dòng)功率，開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。

107/1202.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管■電力MOSFET的主要參數(shù)◆跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及開(kāi)關(guān)過(guò)程中的各時(shí)間參數(shù)?！袈O電壓UDS

?標(biāo)稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)?！袈O直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

?標(biāo)稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

◆極間電容

?

CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g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(qū)。

108/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管■GTR和GTO是雙極型電流驅(qū)動(dòng)器件，由于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)，但開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅(qū)動(dòng)器件，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，因而具有良好的特性。

109/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

◆IGBT的結(jié)構(gòu)

?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。?由N溝道VDMOSFET與雙極型晶體管組合而成的IGBT，比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力。?簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT

是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由

MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。

圖2-23IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。

110/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的工作原理

?IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件。

?其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。

√當(dāng)UGE為正且大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。

√當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。

?電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。

111/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉(zhuǎn)移特性

√描述的是集電極電流

IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系?！涕_(kāi)啟電壓UGE(th)是

IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。

（a）圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性

112/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí)，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系。

√分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√當(dāng)UCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。

√在電力電子電路中，IGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。

(b)圖2-24IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性b)輸出特性

113/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管◆動(dòng)態(tài)特性

?開(kāi)通過(guò)程√開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

電壓下降時(shí)間tfv

開(kāi)通時(shí)間ton=td(on)+tr+

tfv√tfv分為tfv1和tfv2兩段。

?關(guān)斷過(guò)程

√關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)

電壓上升時(shí)間trv

電流下降時(shí)間tfi

關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfi

√tfi分為tfi1和tfi2兩段

?引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低于電力MOSFET。

圖2-25IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程114/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的主要參數(shù)◆前面提到的各參數(shù)。◆最大集射極間電壓UCES

?由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。

◆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。

◆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。

115/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：

?開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。

116/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管■IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)◆IGBT的擎住效應(yīng)?在IGBT內(nèi)部寄生著一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開(kāi)關(guān)器件的P+N-P晶體管組成的寄生晶閘管。其中NPN晶體管的基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加一個(gè)正向偏壓，一旦J3開(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控，這種現(xiàn)象稱為擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。

?引發(fā)擎住效應(yīng)的原因，可能是集電極電流過(guò)大（靜態(tài)擎住效應(yīng)），dUCE/dt過(guò)大（動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)），或溫度升高。

?動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流還要小，因此所允許的最大集電極電流實(shí)際上是根據(jù)動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)而確定的。117/1202.4.4絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的安全工作區(qū)

?正向偏置安全工作區(qū)（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）

√根據(jù)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。

?反向偏置安全工作區(qū)（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）

√根據(jù)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。

118/1202.5其他新型電力電子器件

2.5.1MOS控制晶閘管MCT

2.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT

2.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH

2.5.4集成門極換流晶閘管IGCT

2.5.5基于寬禁帶半導(dǎo)體材料的電力

電子器件119/1202.5.1MOS控制晶閘管MCT