电力电子器件课件.pptx

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1、第1章第1页引 言 电子技术的基础 电子器件：晶体管和 集成电路 电力电子电路的基础 电力电子器件 本章主要内容： 简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等 问题 介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特 性,主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题 第1页/共201页第1章第2页1.11.1电力电子器件概述1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 本章内容和学习要点本章内容和学习要点第2页/共201页第1章第3页1.11.1电力电子器件概述 电力

2、电子器件的概念和特征 主电路（main power circuit）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 电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件 第3页/共201页第1章第4页电力电子器件的概念和特征广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件

3、目前也往往专指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。 第4页/共201页第1章第5页电力电子器件的概念和特征 同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征： (1) 能处理电功率的大小，即承受电压和电流 的能力，是最重要的参数 其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级, 大多都远大于处理信息的电子器件。 第5页/共201页第1章第6页电力电子器件的概念和特征 (2) 电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定电力电子器件的动态特性（也就是

4、开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替 第6页/共201页第1章第7页电力电子器件的概念和特征 (3) 实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。(4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温 度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗 第7页/共201页第1章第8页电力电子器件的概念和特征阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，

5、形成断态损耗在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素 第8页/共201页第1章第9页应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能 控制电路检测电

6、路驱动电路RL主电路V1V2 第9页/共201页第1章第10页应用电力电子器件的系统组成有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。 第10页/共201页第1章第11页应用电力电子器件的系统组成由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电

7、子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。 第11页/共201页第1章第12页电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类： (1)半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不

8、能控制其关断晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定 第12页/共201页第1章第13页电力电子器件的分类 (2)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，又称自关断器件绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ I n s u l a t e d - G a t e Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - Tu r n - O f f Thyristor GTO） 第13页/共201页第1章第14页电力电子器件的

9、分类(3) 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电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的 性质，分为两类：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 第14页/共201页第1章第15页电力电子器件的分类电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件 按照器件内

10、部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：单极型器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 第15页/共201页第1章第16页本章内容和学习要点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，然后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。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，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，

11、如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求 第16页/共201页第1章第17页1.2 1.2 不可控器件电力二极管1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 电力二极电力二极管的主要参数管的主要参数 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型第17页/共201页第1章第18页1.21.2不可控器件电力二极管Power Diode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，分别 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 第

12、18页/共201页第1章第19页结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装 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AKAKa)IKAPNJb)c) 第19页/共201页第1章第20页结与电力二极管的工作原理N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称

13、为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。 第20页/共201页第1章第21页结与电力二极管的工作原理 PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态图1-3 PN结的形成-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。

14、-。-。-。+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场 第21页/共201页第1章第22页 结与电力二极管的工作原理PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一 主 要特征PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿PN结的电容效应：结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应电容效应，称为结电容结电容CJ，又称为微分电容微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散电容扩散电容CD 第22页/共201页第1章第23页结与电力二极管的工作原理势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越

15、高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。 第23页/共201页第1章第24页结与电力二极管的工作原理造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器

16、件自身的电感效应也会有较大影响为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大 第24页/共201页第1章第25页 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性图1-4 电力二极管的伏安特性 IOIFUTOUFU第25页/共201页第1章第26页电力二极管的基本特性1. 静态特性（电力二极管伏安特性图）主要指其伏安特性 当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。2. 动态特性动态特性因结电容的存在，三种状态之间的

17、转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的 第26页/共201页第1章第27页电力二极管的基本特性开关特性反映通态和断态之间的转换过程关断过程：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 在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 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 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt第27页/共201页第1章第28页电力二极管的基本特性 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtF

18、t0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置第28页/共201页第1章第29页电力二极管的基本特性开通过程： 电力二极管的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值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大正向电流的上升会因器件自身的电

19、感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 第29页/共201页第1章第30页电力二极管的主要参数1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小 第30页/共201页第1章第31页电力二极管的主要参数2. 正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向

20、压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3. 反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定 第31页/共201页第1章第32页电力二极管的主要参数4. 最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温是指在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5. 反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间6. 浪涌电流IFSM指电力

21、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。 第32页/共201页第1章第33页电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的 第33页/共201页第1章第34页电力二极管的主要类型1. 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要正向电流定额和反向

22、电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上 第34页/共201页第1章第35页电力二极管的主要类型2. 快恢复二极管（Fast Recover y Diode FRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构 第35页/共201页第1章第36页电力二极管的主要类型采用外延型PiN 结构的的 快 恢复外延二极管（Fast Recover y Epitaxial DiodesF R E D ） ， 其 反 向 恢 复 时 间 更 短 （ 可 低 于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但

23、其反向耐压多在400V以下从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 第36页/共201页第1章第37页电力二极管的主要类型3. 肖特基二极管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（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度 第

24、37页/共201页第1章第38页电力二极管的主要类型肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 第38页/共201页第1章第39页1.3 1.3 半控器件晶闸管1.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第39页/共201页第1章第40页1.31.3半控型器件晶闸管晶闸管（Thyristor）：

25、晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）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，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 第40页/共201页第1章第41页晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端

26、对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间图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 AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3第41页/共201页第1章第42页晶闸管的结构与工作原理 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）第42页/共201页第

27、1章第43页晶闸管的结构与工作原理 IK=IA+IG （1-3） IA=Ic1+Ic2 （1-4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得 （1-5）晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 )(121CBO2CBO1G2AIIII第43页/共201页第1章第44页晶闸管的结构与工作原理阻断状态：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（门极触发）：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I

28、A（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。 第44页/共201页第1章第45页晶闸管的结构与工作原理其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发 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之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段 第45页/共201页第1章第46页晶闸管的基本特性 1. 静态特性 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸

29、管都不会导通 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 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用 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 第46页/共201页第1章第47页晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图1-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第47页/共201页第1章第48页晶闸管的基本特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电

30、流急剧增大，器件开通随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿晶闸管本身的压降很小，在1V左右导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。（伏安特性图） 第48页/共201页第1章第49页晶闸管的基本特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性 晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安

31、全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。（伏安特性图） 第49页/共201页第1章第50页晶闸管的基本特性2. 动态特性 图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第50页/共201页第1章第51页晶闸管的基本特性1)开通过程（特性图)延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+tr（1-6）普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为0.53 s 第51页/共201

32、页第1章第52页晶闸管的基本特性2)关断过程反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作关断时间tq：tr r与tg r之和，即tq=tr r+tg r（1-7)）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 第52页/共201页第1章第53页晶闸管的主要参数1.电压定额1)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

33、在器件上的正向峰值电压。2)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峰值电压。3)通态（峰值）电压UTM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，额定电压要留有一定裕量,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 第53页/共201页第1章第54页晶闸管的主要参数2.电流定额1)通态平均电流IT(AV)额定电流-晶闸管在环境温度为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。 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值

34、相等的原则来选取晶闸管 应留一定的裕量，一般取1.52倍 第54页/共201页第1章第55页晶闸管的主要参数2)维持电流IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小3)擎住电流IL晶闸管刚从断态转入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 第55页/共201页第1章第56页晶闸管的主要参数3.动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：(1)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

35、闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 第56页/共201页第1章第57页晶闸管的主要参数(2) 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，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 第57页/共201页第1章第58页晶闸管的派生器件1 . 快 速 晶 闸 管 （ F a

36、 s t S w i t c h i n g ThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进，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10 s左右高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应 第58页/共201页第1章第59页晶闸管的派生器件2 . 双 向 晶 闸 管 （ Tr i o d e A C S w i t c h T R I A C 或Bidirectional triode thy

37、ristor）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 a)b)IOUIG=0GT1T2第59页/共201页第1章第60页晶闸管的派生器件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T1和T2，一个门极G正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 第60页/共201页第1章第61页晶闸管的派生器件3 . 逆 导

38、 晶 闸 管 （ R e v e r s e C o n d u c t i n g ThyristorRCT）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、额定结温高等优点逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流图1-11 逆导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 b)a)UOIKGAIG=0第61页/共201页第1章第62页晶闸管的派生器件4 . 光 控 晶 闸 管 （ L i g h t Tr i g g e r e d ThyristorLTT）图1-12 光控晶闸管的电气图形符号

39、和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性 光强度强弱b)AGKa)OUAKIA第62页/共201页第1章第63页晶闸管的派生器件又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器光触发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，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位 第63页/共201页第1章第64页1.4 1.4 典型全控型器件 1.4 典型全控型器件 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体

40、管第64页/共201页第1章第65页1.4 1.4 典型全控型器件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，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管 第65页/共201页第1章第66页门极可关断晶闸管门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ G a t e - T u r n - O f f Thyristor GTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶

41、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 第66页/共201页第1章第67页门极可关断晶闸管1. GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极和普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起图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c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK 第67页/共201页第1章第68页门极可关断晶闸管 工

42、作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析 1+ 2= 1 是 器 件 临 界 导 通 的 条 件 。 当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 第68页/共201页第1章第69页门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于 GTO关断（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15） 导通时饱和不深，接

43、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GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流 第69页/共201页第1章第70页门极可关断晶闸管导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流当IA和IK的减小使 1+ 21时，器件退出饱和而关断多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 第70页/共201页第1章第71页门极可关断晶闸管2. GTO的动态特性开

44、通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间trOt0t图1-14iGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形 第71页/共201页第1章第72页门极可关断晶闸管关断过程：与普通晶闸管有所不同抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间ts，使等效晶体管退出饱和等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间tf残存载流子复合尾部时间tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要长门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩

45、短尾部时间 第72页/共201页第1章第73页门极可关断晶闸管3.GTO的主要参数(显示图）许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数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值的增大而增大2)关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s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 第73页/共201页第1章第74页门极可关断晶闸管3)最大可关断阳极电流IATOGTO额定电流4)电流关断增益 off最大可关断阳极电流与

46、门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益（1-8） off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200AGMATOoffII 第74页/共201页第1章第75页电力晶体管术语用法：电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代 晶 闸 管 ， 但 目 前

47、 又 大 多 被 I G BT 和 电 力MOSFET取代 第75页/共201页第1章第76页电力晶体管 1. GTR的结构和工作原理(图-15）与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的主要特性是耐压高、电流大、开关特性好通常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 第76页/共201页第1章第77页电力晶体管图1-15GTR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） 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图1-1

48、5a)基极bP基区N漂移区N+衬底基极b 发射极c集电极cP+P+N+b)bec空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ibbcii 第77页/共201页第1章第78页电力晶体管当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib+Iceo（1-10）产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为 hFE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 第78页/共201页第1章第79页电力晶体管2. GTR的基本特性(1) 静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和

49、饱和区在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区 图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1 ib2BUcexBUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多 第82页/共201页第1章第83页电力晶体管2)集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic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

50、TC，间接表示了最高工作温度 第83页/共201页第1章第84页电力晶体管4.GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的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 第84页/共201页第1章第85页电力晶体管安全工作区（SafeOperatingAreaSOA）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1-18GTR的安全工作区SOAOIcIcMPSBPcMUceUc