电力电子器件概述教学PPT.ppt

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1、1,第1章 电力电子器件,1.1 电力电子器件概述 1.2 不可控器件二极管 1.3 半控型器件晶闸管(重点) 1.4 典型全控型器件(重点) 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动(重点) 1.7 电力电子器件的保护(重点) 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结及作业,2,1. 器件构成电路，所以器件是电路的基础： 1）. 电子技术的基础：电子器件（晶体管和集成电路） 2）. 电力电子电路的基础：电力电子器件 2. 本章主要内容： 电力电子器件的概念、特点、分类。 常用电力电子器件：工作原理、基本特性、主 要参数，选择和使用中应注意问题。,第1章 电力电子器件引言

2、,3,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点,1.1 电力电子器件概述,4,1）概念: 电力电子器件：可直接用于主电路中，实现 电能的变换或控制的电子器件。 主电路：电气设备或电力系统中，直接承担电 能的变换或控制任务的电路。 2）分类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件概述,5,处理电功率能力一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般工作在开关(闭合或断开）状态 电力电子器件往往需要由信息电子电

3、路来控制。 电力电子器件自身功率损耗远大于信息电子器件， 一般都要安装散热器。,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：,6,通态损耗：一般情况下为主要损耗器件开关频率 较高时，开关损耗可能成为主要损耗。,主要损耗,通态损耗,断态损耗,开关损耗,关断损耗,开通损耗,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的损耗,7,电力电子系统：控制电路、驱动电路、保护电路、 主电 路、检测电路,图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,1.1.2 应用电力电子器件系统组成,电气隔离,控制电路,8,半控型器件 ：通过控制信号可以控制其导通而不能控 制其关断。

4、 全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其 关断，又称自关断器件。 不可控器件：不能用控制信号来控制其通断, 因此也就 不需要驱动电路。,1.1.3 电力电子器件的分类,按照器件能够被控制的程度分类：,9,电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电流来实 现导通或者 关断的控制。 电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施加一 定的电压信号就可实现导通或者关断 的控制。,1.1.3 电力电子器件的分类,按照驱动电路信号的性质分类：,10,本章内容: 介绍：各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及 选择和使用中应注意的一些问题。 集中讲述：电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用 这三个问题。

5、 学习要点: 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲 线的使用方法。 可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。,1.1.4 本章学习内容与学习要点,11,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,1.2 不可控器件电力二极管,12,电力二极管优点：结构和原理简单，工作可靠， 自20世纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管应用：在中、高频 整流和逆变，以及低压高频整流的场合， 具有不可替代的地位。,1.2 不可控器件电力二极管引言,整流二极管

6、及模块,13,基本结构和工作原理: 内部结构：与信息电子电路中的二极管一样,由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，主要有两种封装:螺栓型和平板型,图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,14,二极管的基本原理 ：PN结的单向导电性 PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿(非损坏性的） 齐纳击穿(非损坏性的） 均可能导致热击穿（损坏性的）,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的状态,15,PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。

7、2. 结电容按其产生机制和作用差别分为：势垒电容CB和扩散电容CD。 3. 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的电容效应（了解）：,16,主指伏安特性： 门槛电压UTO：正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,图1-4 电力二极管的伏安特性,1.2.2 电力二极管的基本特性（重点）,1) 静态特性,17,2) 动态特性（了解） a、结电容的存在 b、二极管的电压-电流特性随时间变化的,1.2.2 电力二极管的基本特性,b),

8、U,FP,u,i,i,F,u,F,t,f r,t,0,2V,a),U,F,t,F,t,0,t,R r,t,d,t,f,t,1,t,2,t,U,R,U,RP,I,RP,d,i,F,d,t,d,i,R,d,t,图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置,延迟时间：t d = t 1- t 0 电流下降时间：t f = t 2 - t1 反向恢复时间：t r r= t d+ t f 恢复特性的软度：下降时间与延 迟时间 的比值t f /td，或称 恢复系数，用S r表示。,IF,18,正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个

9、值（如 2V）。 正向恢复时间t f r。 电流上升率越大，UFP越高 。,图1-5(b)开通过程,1.2.2 电力二极管的基本特性,开通过程：,关断过程： 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,图1-5(a)关断过程,19,额定电流：在指定的管壳温度和散热条件下， 其允许流过的最大工频正弦半波电 流的平均值。 IF(AV)：按照电流的发热效应来定义的，使用时 应按有效值相等的原则来选取电流定 额，并应留有一定的裕量。,1.2.3 电力二极管的主要参数,1) 正向平均电流IF(AV),20,在指定温度下，流过某

10、一指定的稳态正向电流时对应的 正向压降。 3） 反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有2的裕量。 4）反向恢复时间t r r t r r= td+ t f,1.2.3 电力二极管的主要参数,2）正向压降UF,21,结温：指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM：指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均 温度。 TJM ： 通常在125175C范围之内。 6) 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期 的过电流。,1.2.3 电力二极管的主要参数,5）最高工作结温TJM,22,1) 普通二极管 ：又称整流二极管

11、适用场合：多用于开关频率不高（1kHz以 下）的整流电路。 特点： 1.反向恢复时间较长。 2.正向电流定额和反向电压定额可以达到 很高 DATASHEET,按其组成的材料分可为 : 锗二极管、硅二极管、砷 化嫁二极管 ( 发光二极管 ) 。 按特性分：,1.2.4 电力二极管的主要类型,23,快恢复外延二极管（FRED） t r r更短（可低于 50ns）， UF也很低0.9V 左），但其反向耐压多在1200V以下。 从性能上可分为： 快速恢复：t r r为数百纳秒或更长。 超快速恢复：t r r在100ns以下，甚至达到 2030ns。 DATASHEET 1 2 3,1.2.4 电力二极

12、管的主要类型,2) 快恢复二极管（FRD）：简称快速二极管,24,缺点： 1.反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 2.反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 优点： 1.反向恢复时间很短（1040ns）。 2.正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 3.反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 4.效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。,1.2.4 电力二极管的主要类型,3. 肖特基二极管(DATASHEET) 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（ SBD）。,25,补充：二极管好坏和管脚的判断、型号、 用途,一 管脚的

13、判断： 1. 外形上有色圈的，色圈端为负极。 2. 在二极管的外壳上标有二极管的符号，带有三角形箭头的一端为 正极，另一端则为负极；在点接触二极管的外壳上，通常标有极 性色点（白色或红色）。一般标有色点的一端即为正极 。 3. 观察玻璃壳内触针。对于点接触二极管，如果标记已模糊不清， 可以将外壳上的黑色或白色漆层轻轻刮起掉一点，透过玻璃观察 二极管的内部结构，有金属触针的一端就是正极。 4. 万用表:测两端电阻，交换两端再电阻，比较两次的电阻值，阻值 相对更小对应测法时黑表笔所接端为“”，红表笔所接端为 “”。,26,补充：二极管好坏和管脚的判断、型号、 用途,二 二极管好坏判断： 方法： 用

14、万用表测量小功率二极管时，需把万用表的旋钮拨到欧姆 l00或RlK档(注意不要使用R1档或 Rl0K，因为R1档 电流较大，R10K档电压较高，都易损坏二极管)，然后用两 根表笔测量二极管的正反向电阻值。一般二极管的正向电阻约 为几十到几百欧，反向电阻约为几千欧到几百千欧。 结果： 1.正反向电阻相差越大，说明二极管的单向导电性越好。 2.正反向电阻值接近，表示管子已失去单向导电作用。 3.若正反向电阻都很小或为零，则表示管子已被击穿。 4.若正反向电阻都很大，则说明管子内部已断路，都不能使用。,27,补充：二极管好坏和管脚的判断、型号、用途,三 二极管型号 1. 型号组成部分的符号及其意义：

15、国产半导体器件型号命名方法 ( 国标 GB2494) 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 第五部分 数字表示电极数 拼音字母表示器件的材料和极性 用数字表示序号 用字母表示区别代号 用拼音字母表示器件的类型 2. 半导体器件型号字母的意义 第一部分：2 二极管 第二部分 ：A ： N型锗材料 B ：P型 锗材料 C： N型硅材料 D ：P型硅材料 第三部分: P 普通管 V 微波管 W稳压管 C参量管 X 低频小功率管(截止频率=3MHz,耗散功率=1W) 第四、第五两部分 ：系列的细分种类 , 详细参数可查半导体手册。,28,补充：二极管好坏和管脚的判断、型号、用途,四 二极管的用途：

16、1.整流用 2. 稳压 3.开关 4. 发光 5.检波 6. 变容 7.其它,29,1.3 半控器件晶闸管,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件,30,1.3 半控器件晶闸管引言,1956年：美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年：美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产 品。 1958年：商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广 泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来：晶闸管开始被全控型器件取代。因为它能承 受的电压和电流容量最高，工作可靠，适用大容量的场合。,晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器（ SCR）,

17、31,图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,封装：螺栓型和平板型，有三个联接端。 螺栓型：螺栓是阳极（A)，能与散热器紧密联接 且安装方便,粗铜丝辫(k),细铜丝辫（G)。 平板型:由两个散热器将其夹在中间。,32,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,常用晶闸管的外形结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,33,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,式中：1和2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益， 1+2 ；ICBO1和ICBO2分别是V1 和V2的共基极漏电流。,图1-7 晶闸管的双晶体

18、管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理,根据晶体管的工作原理得：,（1-2）,（1-1）,（1-3）,（1-4）,34,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,在低发射极电流下： 0，而当发射极电流建立起来之 后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，1+2很小，流过晶闸管的漏电流稍大于两 个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA ，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,（1-5）,由以上式可得 ：,35,1.3.1 晶闸管的结构与工作原理,1. 阳极电压升高大于U b o时，造成雪崩击穿。 2. 阳极电压上升率

19、du/dt过高。 3. 结温较高 1，2，3导通是误导通，不允许。 4. 光触发：光触发可以保证控制电路与主电路之间 的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LTT），不精确，控制不方便。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,其他几种可能导通的情况：,36,1.3.2 晶闸管的基本特性,1.承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 2.承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 3.晶闸管一旦导通后，门极就失去控制作用。 4.要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。 DATASHEET,晶闸管正常工作时的特性总结如下

20、：,37,1.3.2 晶闸管的基本特性,（1）正向特性 1. IG=0：a. 0UAK U b o ，只有 很小 的正向漏电流， 为正向阻断状态。 b. UAK U b o ，则正向漏 电流急剧增大，器件开 通（硬开通）。 2. IG随着门极电流幅值的增大，正 向转折电压降低。 3. 晶闸管本身的压降很小，在1V左 右。,1） 静态特性,图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,38,1.3.2 晶闸管的基本特性,类似二极管的反向特性： 1. U反向击穿 UAK 0，处 于反向阻断状态，只有极 小的反相漏电流流过。 2. UAK U反向击穿，可能 导致晶闸管发热损坏。,图1-8 晶闸管的伏

21、安特性 IG2IG1IG,（2）反向特性,39,1.3.2 晶闸管的基本特性,1) 开通过程 开通时间：tgt=td+ tr （1-6） 式中：td 延迟时间 (0.51.5s) t r 上升时间 (0.53s),2) 关断过程 关断时间tq：tq=trr+tgr （1-7)式中：trr 反向阻断恢复时间 tgr正向阻断恢复时间,2） 动态特性,图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形,40,1.3.3 晶闸管的主要参数,断态重复峰值电压UDRM ：在门极断路 而结温为额定值时，允许重复加在 器件上的正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM：在门极断路 而结温为额定值时，允许重复加在 器件上的反向

22、峰值电压。 通态（峰值）电压UT：晶闸管通以某一 规定倍数的额定通态平均电流时的瞬 态峰值电压。,通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。,使用注意：,1）电压定额,41,1.3.3 晶闸管的主要参数,1. 通态平均电流 IT(AV）：在环境温度为40C和规定的冷却状态 下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工 频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。 使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 2. 维持电流 IH ：晶闸管维持导通所必需的最小电流。 3. 擎住电流 IL ：晶闸管刚从断态转入

23、通态并移除触发信号 后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶 闸管来说，通常IL约为IH的24倍。 4. 浪涌电流ITSM：指由于电路异常情况引起的并使结温超过 额定结温的不重复性最大正向过载电流 。,2）电流定额,42,1.3.3 晶闸管的主要参数,除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： 断态电压临界上升率du/dt ：指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt：指在规定条件下，晶闸管能承受而无 有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸

24、管损坏。,3）动态参数,43,补充：晶闸管简单计算,以书上的为例,44,1.3.4 晶闸管的派生器件,有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。 高频晶闸管的缺点在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。 DATASHEET,1）快速晶闸管（ FST),45,1.3.4 晶闸管的派生器件,2）双向晶闸管,图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,可认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T

25、1和T2，一个门极G。 在第和第III象限有对称的伏安特性。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 DATASHEET,46,补充：双向晶闸管与普通晶闸管的代替,举例：200A的双向晶闸管用多少个电流为多少A的普通晶闸管代替。 说明：1.交流电的正负半波都可以流过双向晶闸管，所以要用两个普 通晶闸管反并联。 2. 200A是额定时的有效值，额定的峰值电流为200 A 283A,有效值为283A的普通晶闸管的平均电流为283/ 90A，所以，要用2个90A的来代替。 总结公式：,2,47,1.3.4 晶闸管的派生器件,3）逆导晶闸管（RCT）,a),K,G,A,图1-11 逆导晶闸管的电气图

26、形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。,48,1.3.4 晶闸管的派生器件,4）光控晶闸管（LTT）,A,G,K,a),AK,图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,定义：利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 优点：保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。 应用：高压大功率的场 合。,49,补充：晶闸管三个极的判断,1. 晶闸管有三个脚：A 、K 、G ；K、G之间是一个PN 结，它的反向电阻不是很

27、大；用万用表（指针式）电阻 当R1或R10，两表笔测量，找出正反电阻有差别的 两极；这时，电阻读数小时的黑表笔接的极就是 G，红 表笔接的是K ，第三个极是A。 2. 测任两脚之间的正、反向电阻，若正、反向电阻均接近 无穷大则两极即为 A和 K，而另一脚即为 G。 3. 普通晶闸管也可以根据其封装形式来判断出各电极。,50,补充：晶闸管三个极的判断,4. 将万用表黑表笔任接晶闸管任意极，红表笔依次去触碰 另外两个电极。若测量结果有一次阻值为几千欧姆（k），而另一次阻值为几百欧姆（），则可判定黑 表笔接的是G。在阻值为几百欧姆的测量中，红表笔接 的是K，而在阻值为几千欧姆的那次测量中，红表笔接的

28、 是 A，若两次测出的阻值均很大，则说明黑表笔接的不 是G，应用同样方法改测其它电极，直到找出三个电极 为止。,51,补充：晶闸管好坏的判断,1. 用万用表R1k档，测量晶体管 A 、K之间的R A K 、 R K A ，正常时均应为无穷大（），若测得R A K 、 R K A为零或阻值较小，则说明晶闸管内部击穿短路或 漏电。 2. 测量 R A K 、R K A ，正常时两个阻值均应为几百千 欧姆（k）或无穷大，若出现R A K 、 R K A不一样（有类似二极管的单向导电），则是G、A极之间反向 串联的两个PN结中的一个已击穿短路。,52,补充：晶闸管好坏的判断,3. 测量G、K之间的R

29、GK、 R KG，正常时应有类似二极管 的正、反向电阻值（实际测量结果较普通二极管的 正、反向电阻值小一些），即正向电阻值较小（小于2 k），反向电阻值较大（大于80 k）。若两次测 量的电阻值均很大或均很小，则说明该晶闸管G、K极 之间开路或短路。若正、反电阻值均相等或接近，则 说明该晶闸管已失效，其G、K极间PN结已失去单向 导电作用。,53,补充：晶闸管型号 【国产晶闸管的型号命名（JB1144-75部颁发标准） 】,主要由四部分组成：第一部分用字母“K”表示主称为晶闸管。 第二部分用字母表示晶闸管的类别。 第三部分用数字表示晶闸管的额定通态电流值。 第四部分用数字表示重复峰值电压级数。

30、 第一部分：主称字母 字母含义 K 晶闸管（可控硅） 第二部分： 类别 字母含义 P 普通反向阻断型 K 快速反向阻断型 S 双向型 第三部分： 额定通态电流数字 含义 额定通态电流数字 含义 1 1 A 5 5A 10 10A 20 20A 30 30A 50 50A 100 100A 200 200A 300 300A 400 400A 500 500A,54,补充：晶闸管型号,第四部分： 重复峰值电压级数数字 含义 重复峰值电压级数数字 含义 1 100V 2 200V 3 300V 4 400V 5 500V 6 600V 7 700V 8 800V 9 900V 10 1000V 1

31、2 1200V 14 1400V 第五部分（有些没有此参数）：通态平均电压组别 A ：0.4V B：0.4V0.5V C : 0.5V0.6V D: 0.6V 0.7V E: 0.7V 0.8V F: 0.8V0.9V G: 0.9V1.0V H: 1.0V 1.1V I : 1.1V 1.2V,55,1.4 典型全控型器件,1.4.1 门极可关断晶闸管 1.4.2 电力晶体管 1.4.3 电力场效应晶体管 1.4.4 绝缘栅双极晶体管,56,1.4 典型全控型器件引言,门极可关断晶闸管-在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 典型代表：门极可关断晶闸

32、管（GTO） 电力晶体 管（GTR） 、电力场效应晶体管(电力 MOSFET) 、绝缘栅双极晶体管(IGBT )。,57,1.4 典型全控型器件引言,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,58,1.4.1 门极可关断晶闸管,晶闸管的一种派生器件。 （重点） 0UAK，在门极施加：1. 正的脉冲电流使其导通。 2. 负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 DATASHEET,一 门极可关断晶闸管（GTO）,59,1.4.1 门极可关断晶闸管,结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外

33、部引 出阳极、阴极和门极。 与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器 件。,图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号,1）GTO的结构和工作原理,60,1.4.1 门极可关断晶闸管,工作原理：（与普通晶闸管一样）,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,1+2=1是器件临界导通的条件。,P1N1P2构成V1，N1P2N2构成V2，分别具有共基极电流增益1和2 。,61,1.4.1 门极可关断晶闸管,GTO能够通过门极关断是因为与普通晶闸管有区别：,1.设计器件时2较大，使晶 体管V2控 制

34、灵敏，易于GTO关断。 2. 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 3. 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,图1-7 晶闸管的工作原理,62,1.4.1 门极可关断晶闸管,1. GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度 不一样， GTO较浅。 2. GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 3. 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受 di/dt能力强 。,结论：,63,1.4.1 门极可关断晶闸管,开通过程：与VT相同 关断过程：与VT有所不同 储存时间t s：使等效晶体管退 出饱和。

35、下降时间t f 尾部时间t t ：残存载流子复合。 通常：t f比t s小得多，而t t比t s 要长。门极负脉冲电流幅 值越大，t s越短。,图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,64,1.4.1 门极可关断晶闸管,3） GTO的主要参数,（2） 关断时间t off :一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部 时间。下降时间一般小于2s。,（1）开通时间ton: 延迟时间与上升时间之和。 延迟时间一般约12s； 上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。,不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。,许多参数与VT相应的参数意义相同，介

36、绍不同的参数。,65,1.4.1 门极可关断晶闸管,（3）最大可关断阳极电流IATO,（4） 电流关断增益off ：最大可关断阳极电流与门极负 脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。,GTO的一个主要缺点：off一般很小，只有5左右。1000A 的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。,：GTO额定电流。,（1-8）,66,1.4.2 电力晶体管,电力晶体管（GTR ） ，又称为巨型晶体管 。 特点：耐高电压、大电流的双极结型晶体管 （ BJT）， 也称为Power BJT。 DATASHEET 1 2 应用： 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGB

37、T和电力MOSFET取代。,概述：,67,与普通的双极结型晶体管基本原理相同。 主要特性：耐压高、电流大、开关特性好。 结构：采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结 构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。,1.4.2 电力晶体管,1）GTR的结构和工作原理,图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动,68,1.4.2 电力晶体管,在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为: （1-9） 式中： GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极 电流的控制能力 。 考虑漏

38、电流I c e o时，I c和I b的关系为 : ic= ib +Iceo （1-10） 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。,1）GTR的结构和工作原理,69,1.4.2 电力晶体管,(1) 静态特性 1. 共发射极接法时的晶体管典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 2. 在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区(断开）和饱和区（闭合）之间过渡时，要经过放大区。,图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,2）GTR的基本特性,70,1.4.2 电力晶体管,开通过程：施加正脉冲电流 延迟时间td和上升时间t r ，

39、二者之和为开通时间ton。 加快开通过程的办法 。 关断过程：施加负脉冲电流 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。 加快关断速度的办法。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,图1-17 GTR的开通和关断过程电流波形,(2) 动态特性,71,1.4.2 电力晶体管,已提到的有 ：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff ，还有： 1. 最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。（击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关）。 BU cbo BU cex B

40、U ces BU cer Bu ceo。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,3）GTR的主要参数,72,1.4.2 电力晶体管,定义：通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。 注意：实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3. 集电极最大耗散功率PcM 定义：最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC：间接表示了最高工作温度 。,2. 集电极最大允许电流IcM,73,1.4.2 电力晶体管,一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，I c迅速增大。只要I c 不超过限度，非损坏性的，工作特性也不变。 二次击穿：一次击穿发

41、生时，I c突然急剧上升，电压陡然下降。 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。,安全工作区（SOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。,图1-18 GTR的安全工作区,GTR的二次击穿现象与安全工作区,74,1.4.3 电力场效应晶体管,1. 分类：结型、绝缘栅型 2. 主要指绝缘栅型中的MOS型 ，简称电力MOSFET 3. 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（SIT）,4. 特点：用栅极电压来控制漏极电流 a 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 b 开关速度快，工作频率高。 c 热稳定性优于GTR。 d 电流容量小，耐压

42、低，一般只适于功率不超过10kW的电力电子 装置 。,电力场效应晶体管,75,1.4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于） 零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型。 DATASHEET,1）电力MOSFET的结构和工作原理,76,1.4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的结构,单极型晶体管。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。,图1-19 电力MOSFET的结构和电

43、气图形符号,77,1.4.3 电力场效应晶体管,小功率MOS管是横向导电器件（导电沟道平行于芯片表面的器件 ）。 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET 。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的 VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET 。 主要以VDMOS器件为例进行讨论。,电力MOSFET的结构,78,1.4.3 电力场效应晶体管,截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极 之间无电流流过。 导通：在栅源极间加正电压UGS 当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型

44、层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。,图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力MOSFET的工作原理,79,1.4.3 电力场效应晶体管,(1) 静态特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。,图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,2）电力MOSFET的基本特性,80,1.4.3 电力场效应晶体管,截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区（对应GTR的饱和区） 电力电子电路中：工作在开关状 态，

45、即在截止区和非饱和区 之间来回转换。 漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。,图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性,MOSFET的漏极伏安特性：,81,1.4.3 电力场效应晶体管,开通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间t r 开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和 关断过程 关断延迟时间td(off) 下降时间t f 关断时间t off关断延迟时间和下降时间之和,a,）,b,),图1-21 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，R s信

46、号源内阻， RG栅极电阻， RL负载电阻，RF检测漏极电流,(2) 动态特性,82,1.4.3 电力场效应晶体管,MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。 不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。 开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。 开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,MOSFET的开关速度,83,1.4.3 电力场效应晶体管,3) 电力MOSFET的主要参数,电力MOSFET电压定额,(1) 漏极电压UDS,(2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力 MOSFET电流定额,(3) 栅源电压UGS, UGS20V将导致绝缘层击穿 。,除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：,(4) 极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,84,1.4.4 绝缘栅双极晶体管,两类器件取长补短结合而成的复合器件 Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（IGBT或IGT）(