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1 第1章 电力电子器件 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 1.2 1.2 不可控器件不可控器件二极管二极管 1.3 1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 1.7 1.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护 1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用 本章小结及作业本章小结及作业 2 1.1.11.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 1.1.21.1.2 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 1.1.31.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1.1.41.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点 1.1 电力电子器件概述 3 1）概念: Ø电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变 换或控制的电子器件。 Ø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。 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 4 5 6 Ø 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的 电子器件。 Ø 电力电子器件一般都工作在开关状态。 Ø 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制 。 Ø 电力电子器件自身的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： 7 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，开关损耗可能成为器件功率 损耗的主要因素。 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 8 电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 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 检测 电路 驱动 电路 RL 主电路 V 1 V 2 保护 电路 在主电路 和控制电 路中附加 一些电路 ，以保证 电力电子 器件和整 个系统正 常可靠运 行 1.1.2 应用电力电子器件系统组 成 电气隔离 控制电路 9 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。 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。 b. 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 电力场效应晶体管 (简称为电力MOSFET ） 门极可关断晶闸管（ -GTO） c. 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。 1.1.3 电力电子器件的分类 一.按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： 10 11 l 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。 l 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。 二. 按照驱动电路信号的性质，分为两类： 12 二.按照器件内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。 13 ü本章内容: Ø 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。 Ø 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。 ü学习要点: Ø 最重要的是掌握其基本特性。 Ø 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。 Ø 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 14 1.2.11.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 1.2.21.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.31.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.41.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 1.2 不可控器件电力二极管 15 Ø 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。 Ø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。 1.2 不可控器件电力二极管 ·引言 整流二极管及模块 16 一.结构 Ø 基本结构和工 作原理与信息 电子电路中的 二极管一样。 Ø 由一个面积较 大的PN结和两 端引线以及封 装组成的。 Ø 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 1.2.1 PN结与电力二极管的工作 原理 A K AK a) I KA PN J b) c) AK 17 1. 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。 2. PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿 1.2.1 PN结与电力二极管的工作 原理 二. PN结的状态 18 lPN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。 l结电容按其产生机制和作用的差别分 为势垒电容CB和扩散电容CD。 l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 3. PN结的电容效应： 19 Ø主要指其伏安特性 l门槛电压UTO， 正向电流IF开始明 显增加所对应的电 压。 l与IF对应的电 力二极管两端的电 压即为其正向电压 降UF 。 l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 1) 静态特性 I O IF UTOUFU 20 2) 动态特性 二极管的电压-电流特性 随时间变化的 结电容的存在 b) U FP u i i F u F t fr t0 2V a) F U F t F t 0 t rr 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： 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。 21 v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）。 v正向恢复时间tfr。 v电流上升率越大，UFP越高 。 U FP u i iF u F tfrt0 2V 图1-5(b)开通过程 1.2.2 电力二极管的基本特性 2.开通过程： 1.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。 I F U F tFt0 trr tdtf t 1 t2t U R U RP I RP di F dt diR dt 图1-5(b)关断过程 22 Ø 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。 ØIF(AV)是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) 23 Ø 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流 时对应的正向压降。 3） 反向重复峰值电压URRM Ø 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电 压。 Ø 使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间trr Ø trr= td+ tf 1.2.3 电力二极管的主要参数 2）正向压降UF 24 Ø 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 ØTJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的 最高平均温度。 ØTJM通常在125175C范围之内。 6) 浪涌电流IFSM Ø 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 25 功率二极管的型号和选择原则 1、功率二极管的型号 26 2.功率二极管的选择原则 （1）选择额定正向平均电流的原则 在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定 电流有效值大于管子在电路中实际可能通过的最大电流 有效值 即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有 1.52倍的安全裕量。计算公式为： （2）选择额定电压的原则 选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压 ）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向 瞬时值电压 的23倍，即 27 1) 普通二极管（General Purpose Diode） Ø 又称整流二极管（Rectifier Diode） Ø 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流 电路 Ø 其反向恢复时间较长 Ø 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 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。 1.2.4 电力二极管的主要类型 28 Ø 简称快速二极管 Ø 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes FRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低 （0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。 Ø 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等 级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以 下，甚至达到2030ns。 1.2.41.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 2) 快恢复二极管 29 Ø 肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V 以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作 温度。 Ø 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。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极 管。 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 SBD 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 Diode SBD）。 30 1.3 半控器件晶闸管 1.3.11.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 1.3.21.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 1.3.31.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.41.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 31 1.3 半控器件晶闸管·引言 发展过程 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，开始被全控型器件取代。 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 ：晶体闸流管VT，可控硅整流器 SCR 32 1.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 一.结构: 具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。 常见的外形有两种：螺栓型和平板型。 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。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。 33 1.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 Ø 常用晶闸管的结构 螺栓型晶闸管晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 34 1.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 35 1.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 二.晶闸管的工作原理 1、晶闸管工作原理的实验说明 36 1.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 2.晶闸管导通必须同时具备两个条件: （1）晶闸管主电路加正向电压。 （2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故 晶闸管为半控型器件。 3.晶闸管关断条件: 1)晶闸管主电路加反向电压。 2)必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有通 过使阳极电 压减小到零或反向的方法来实现。 37 1.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 （1-5） 4、晶闸管工作原理的等效电路说明 当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时 ，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下： IGIB2IC2(IB1)IC1IB2 38 1.3.1 晶闸管的结构与工作 原理 39 1.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 三.工作状态 Ø 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。 Ø 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，将 趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定 。 40 1.3.1 晶闸管的结构与工作原 理 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（Light Triggered ThyristorLTT）。 Ø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： 41 1.3.2 晶闸管的基本特性 Ø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。 Ø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。 Ø晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 Ø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 。 晶闸管正常工作时的特性总结如下： 基本特性:静态特性(正向特性,反向特性) 动态特性(开通过程,关断过程) 42 1.3.2 晶闸管的基本特性 （1）正向特性 ØIG=0时，器件两端施 加正向电压，只有很 小的正向漏电流，为 正向阻断状态。 Ø 正向电压超过正向转 折电压Ubo，则漏电流 急剧增大，器件开通 。 Ø 随着门极电流幅值的 增大，正向转折电压 降低。 Ø 晶闸管本身的压降很 小，在1V左右。 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA - UA -IA IA IH IG2IG1IG=0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM 1） 静态特性 图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 43 1.3.2 晶闸管的基本特性 Ø 反向特性类似二极管的 反向特性。 Ø 反向阻断状态时，只有 极小的反相漏电流流过 。 Ø 当反向电压达到反向击 穿电压后，可能导致晶 闸管发热损坏。 图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 正向 导通 雪崩 击穿 O+UA - UA -IA IA IH IG2IG1IG=0 Ubo UDSM UDRM URRMURSM （2）反向特性 44 1.3.2 晶闸管的基本特性 1) 开通过程 Ø延迟时间td (0.51.5s) Ø上升时间tr (0.53s) Ø开通时间tgt 以上两者之 和， tgt = td + tr （1- 6） 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 2) 关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq以上两者之和 tq=trr+tgr （1-7) 普通晶闸管的关断时间约 几百微秒 2） 动态特性 图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形 45 1.3.3 晶闸管的主要参数 Ø 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。 规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM的80%。 Ø 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。 此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。 Ø 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： 一.主要参数 1）电压定额 46 UDRM、URRM正、 反向断态重复峰值电压； UDSM、URSM正、 反向断态不重复峰值电压； UBO正向转折电压； URO反向击穿电压。 47 1.3.3 晶闸管的主要参数 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。 又: 额定电流IT(AV) 是指：在环境温度为+40度和规定的散热条件下，晶闸管在 电阻性负载 时 的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170度）的电 路 中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。 注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额，这是因 为 晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来 计算。 2）电流定额 48 它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为： 式中 Kf为波形系数 49 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系 数也不同，实际应用中，应根据电流有 效值相同的原则进行换算，通常选用晶 闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安 全裕量。 50 1.3.3 晶闸管的主要参数 元件允许流过 的最大电流 有效值 元件允许流过 的最大电流 平均值 51 52 维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 Ø 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I L约为IH 的24倍。 Ø 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 。 53 1.3.3 晶闸管的主要参数 54 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： Ø 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 。 Ø 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管损坏。 4）动态参数 55 1.3.3 晶闸管的主要参数 56 K可控快速型 S双向型 N逆导型 G可关断型 57 2、普通晶闸管的选择原则 （1）选择额定电流的原则 在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的 额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可 能通过的最大电流有效值 即可。考虑元件的 过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量 。计算公式为： 然后取相应标准系列值。 58 （2）选择额定电压的原则 选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所 工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值 电 压的23倍，即 然后取相应标准系列值。 59 3晶闸管的简单测试方法 对于晶闸管的三个电极，可以用万用表粗测其好 坏。依据PN结单向导电原理，用万用表欧姆挡测试元 件 的三个电极之间的阻值，可初步判断管子是否完好。如 用万用表R×1 k 挡测量阳极A和阴极K之间的正、反 向 电阻都很大，在几百千欧以上，且正、反向电阻相差很 小；用R×10或R×100挡测量控制极G和阴极K之间的阻 值，其正向电阻应小于或接近于反向电阻，这样的晶闸 管是好的。如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路， 阴极与控制极间为短路或断路， 则晶闸管是坏的。 60 1.3.4 晶闸管的派生器件 Ø 有快速晶闸管和高频晶闸管。 Ø 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 Ø 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。 Ø 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做 高。 Ø 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效 应。 1.快速晶闸管 61 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 a)b) I O U I G =0 G T 1 T 2 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。 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。 62 (1)双向晶闸管的型号 63 (2).双向晶闸管与一对反并联晶闸管相比是 经济的，并且控制电路比较简单， 但有以 下局限性： （1） 双向晶闸管重新施加du/dt的能力 差，这使它难以用于感性负载。 （2） 电路灵敏度比较低。 （3） 管子的关断时间tq比较长。 64 1.3.4 晶闸管的派生器件 3. 逆导晶闸管 a) A K G b) UO I IG =0 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 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。 65 1.3.4 晶闸管的派生器件 4. 光控晶闸管 a) G K A AK 光强度 强弱 b) O U IA 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 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。 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。 66 1.4 典型全控型器件 1.4.11.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 1.4.21.4.2 电力晶体管电力晶体管 1.4.31.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 1.4.41.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 67 1.4 典型全控型器件·引言 Ø门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不 久出现。 Ø20世纪80年代以来，电力电子技术进入了 一个崭新时代。 Ø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。 68 1.4 典型全控型器件·引言 Ø常用的典型全控型器 件 电力MOSFET IGBT单管及模块 69 1.4.1 门极可关断晶闸管 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 门极可关断晶闸管（ GTO） 70 1.4.1 门极可关断晶闸管 一.结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层 ,三端( 阳极、阴极和极)。 和普通晶闸管的不同点： GTO内部是由许多 四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极 和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独 立元件结构。 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 71 72 1.4.1 门极可关断晶闸管 Ø工作原理： 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。 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。 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共 基极电流增益1和 2 。 73 Ø关断过程：与普通晶闸管有所不同. 有三个不同的时间，即存储时间ts、 下降时间tf及尾部时间tt。 储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf 尾部时间tt 残存载流子复合。 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，ts越短。 74 1.4.1 门极可关断晶闸管 ØGTO的主要参数 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。 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。 （2） 关断时间toff （1）开通时间ton 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。 75 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 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200A 。 GTO额定电流。 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。 （1-8） 76 1.4.2 电力晶体管(GTR) 电力晶体管_也称巨型晶体管 ,是一种双极型 、大功率、高反压晶体管(Bipolar Junction Transistor- BJT)。GTR和GTO一样具有自关断能力，属于电流控 制型自关断器件。 GTR可通过基极电流信号方便地对集电极-发射 极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好 、电流较大、耐压高等优点。GTR已实现了大功率、 模块化、廉价化。 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IGBT和电力MOSFET取代 。 77 1.4.2 电力晶体管(又称功率晶体管 GTR) 一）GTR的结构和工作原理 1、电力晶体管的结构 GTR属三端三层两结的双极型晶体管，结构与小功率 晶体管相似. 三端 :为B(基极)、C(集电极)、E(发射极)。 三层:有两种基本类型，NPN型和PNP型。 78 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 。 1.4.2 电力晶体管 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 79 2 .GTR的工作原理 以NPN型晶体管为例，若外电源使UBC0，则发射结的PN结处 于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为： （1）由于UBC0，发射结处于正偏状态，P区的多数 载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流IPE，N区 的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流 INE。 1.4.2 电力晶体管 80 1.4.2 电力晶体管 Ø 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 Ø 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 。 Ø 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） Ø 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。 空穴流 电 子 流 c) Eb Ec ib ic=ib ie=(1+ )i b 2.工作原理 81 1.4.2 电力晶体管 (1) 静态特性 Ø共发射极接法时的典 型输出特性：截止区、 放大区和饱和区。 Ø在电力电子电路中 GTR工作在开关状态。 Ø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。 截止区 放大区 饱和区 O Ic ib3 ib2 ib1 ib1 BUcex BUces BUcer Buceo。 Ø实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多 。 3）GTR的主要参数 84 1.4.2 电力晶体管 Ø 通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。 Ø 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 Ø 最高工作温度下允许的耗散功率。 Ø 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 85 1.4.2 电力晶体管 Ø 一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性 也不变。 Ø 二次击穿：一次击穿发生时，Ic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（Safe Operating AreaSOA） 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。 SOA O Ic IcM PSB PcM UceU ceM 图1-18 GTR的安全工作区 4) GTR的二次击穿现象与安全工作区 86 1.4.3 电力场效应晶体管 Ø 分为结型和绝缘栅型 Ø 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） Ø 简称电力MOSFET（Power MOSFET） Ø 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体 管（Static Induction TransistorSIT） 特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置 。 电力场效应晶体管 87 1.4.3 电力场效应晶体管 Ø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 88 1.4.3 电力场效应晶体管 Ø电力MOSFET的结构 是单极型晶体管。 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的结构和电气图形符号 89 1.4.3 电力场效应晶体管 小功率MOS管是横向导电器件。 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为 VMOSFET（Vertical MOSFET）。 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（Vertical Double-diffused MOSFET） 。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。 电力MOSFET的结构 90 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。 导电：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 91 1.4.3 电力场效应晶体管 (1) 静态特性 Ø漏极电流ID 和栅源间电压UGS的关 系称为MOSFET的转 移特性。 ØID较大时，ID 与UGS的关系近似线性 ，曲线的斜率定义为 跨导Gfs。 0 10 20 30 50 40 2468 a) 10 20 30 50 40 0 b) 1020 305040 饱和区 非 饱 和 区 截止区 ID /A UT UGS /V UDS /V UGS=UT=3V UGS=4V UGS=5V UGS=6V UGS=7V UGS=8V ID /A 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 92 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） 工作在开关状态，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： 0 10 20 30 50 40 2468 a) 10 20 30 50 40 0 b) 10 20 305040 饱和区 非 饱 和 区 截止区 ID /A UT UGS /V UDS /V UGS=UT=3V UGS=4V UGS=5V UGS=6V UGS=7V UGS=8V ID /A 93 1.4.3 电力场效应晶体管 Ø 开通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间ton开 通延迟时间与上升时间 之和 Ø 关断过程 关断延迟时间td(off) 下降时间tf 关断时间toff关 断延迟时间和下降时间 之和 a）b) Rs RG RF RL iD uGS up iD信号 +UE iD O O O up t t t uGS uGSP uT td(on)tr td(off)tf 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，Rs信号源内阻， RG栅极电阻， RL负载电阻，RF检测漏极电流 (2) 动态特性 94 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 95 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 96 1.4.4 绝缘栅双极晶体管 Ø 两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 Ø 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）(D