第二章第九章+电力电子器件.ppt

1、1,第二章 电力电子器件Chapter 1 Power Electronic Devices,2,本章主要内容,电力电子器件的概念，特点和分类 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问题 电力二极管 晶闸管 全控型器件 了解各种器件的结构和工作原理 重点掌握各种器件的动态特性、主要参数以及如何 选择,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,3,1.1 电力电子器件概述Introductory overview of power electronic devies,4,The concept of power electron

2、ic devices,电力电子器件：用于处理电能的主电路中实现电能的变换或控制的器件。,Power electronic devices are the electronic devices that can be directly used in the power processing circuits to convert or control electric power.,5,The concept of power electronic devices,电力电子器件 Power electronic devices 电真空器件 Vacuum devices 汞弧整流器 Mercur

3、y arc rectifier 闸流管 thyratron, etc. Seldom in use today 半导体器件Semiconductor devices major power electronic devices Very often: Power electronic devices = Power semiconductor devices Major material used in power semiconductor devicesSilicon,6,电力电子器件的特征,Features of power electronic devices,电力电子器件直接用于处理

4、电能，有特征： 处理功率能力远大于处理信息类器件处理功率的能力，可从毫瓦级到兆瓦级； 工作在开关状态处理功率大，减小本身的损耗； 需信息电子电路控制，中间加驱动放大电路； 器件损耗大，器件设计和封装方面必须考虑散热，工作时还必须考虑散热器。,7,理想电力电子开关,开关处于关断状态Off-state时能承受高的端电压，并且漏电流为零。 开关处于导通状态On-state时能流过大电流，且端电压（导通压降）为零。 导通、关断切换时所需开关时间为零。 小信号也能导通、关断，对信号的延迟时间为零。 反复开关不老化。,8,电力电子器件的损耗,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

5、可能成为器件功率损耗的主要因素。,主要损耗,通态损耗 on-state loss,断态损耗 off-state loss,开关损耗 Switching loss,关断损耗 turn-off loss,开通损耗 turn-on loss,Power losses on power semiconductor devices,9,应用电力电子器件的系统组成,电力电子系统：由控制电路(control circuit)、驱动电路(drive circuit)、保护电路 (protection circuit)和以电力电子器件为核心的主电路(power circuit)组成。,图1-1 电力电子器件在实

6、际应用中的系统组成,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,电气隔离Electric isolation,控制电路,10,电力电子器件的分类,按照电力电子器件的开关控制能力分 不可控器件(Uncontrollable device) 半控型器件(Half-controllable device) 全控型器件(Fully-controllable device),Classification of power electronic devices,11,不可控器件(Uncontrollable device),不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。 两个端子

7、，器件通断由它在主电路中承受的电压和电流决定。 单向导电。 典型器件：功率二极管（Power Diode）。,only two terminals and can not be controlled by control signal. The on and off states of the device are determined by the power circuit.,12,半控型器件(Half-controllable device),可控制器件开通但不能控制关断，控制端在器件导通后失去控制能力，即无法通过控制端来关断器件，器件关断决定于外部条件，即器件在主电路中承受的电压和电流

8、。 Half-controlled device is turned-on by a control signal and turned-off by the power circuit 三端器件。 典型器件：晶闸管（Thyristor）及派 生器件。,13,全控型器件(Full-controllable device),既能控制开通，又能控制关断，又叫自关断器件。 The on and off states of the device are controlled by control signals. 常用的有 功率场效应管（Power MOSFET） 绝缘栅极双极型晶体管（IGBT） 门

9、极可关断晶闸管（GTO）等 。,14,其它分类方法Other classifications,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质不同划分,电流控制型器件Current-driven (current-controlled) devices 通过向控制端注入或从控制端抽出电流实现器件的开通、关断。 电压控制型器件Voltage-driven (voltage-controlled) devices(Field-controlled devices) 器件的开通、关断控制是通过加在控制端与公共端之间的电压来实现的，又叫场控型器件或场效应器件。电压控制型器件需要的控制极驱动功率要小得多

10、 。,15,其它分类方法Other classifications,按照器件内部载流子的类型分类,单极型Unipolar devices Majority carrier devices 双极型Bipolar devices Minority carrier devices 复合型 Composite devices,16,单极型Unipolar devices,一种载流子（一般为多数载流子）参与导电的器件。 如功率场效应管，静电感应晶体管（SIT）。 特点： 只有多数载流子导电，无少子存储效应，开通关断时间短，典型值为20 ns。以功率场效应管为例，小容量器件工作频率可达500kH。 输入阻

11、抗很高，通常大于40 兆欧，电压控制型。 电流有负温度系数，不易产生局部热点，二次击穿可能性极小 。 通态压降高，电压和电流额定值比双极型器件小。 适用于功率较小、工作频率高的电力电子设备 。,17,双极型Bipolar devices,电子和空穴两种载流子都参与导电。 如晶闸管、GTO等。 特点： 通态压降较低。 阻断电压高。 电压和电流额定值较高，适用于大中 容量的变流设备。,18,复合型 Composite devices,由单极型器件和双极型器件组合而成，如IGBT。 特点： 既有晶闸管、GTO等双极型器件的电流密度高、 导通压降低等优点，又具有功率场效应管等单极型器件的输入阻抗高、响

12、应速度快的特点，是一类综合性能较好、具有发展前途的电力电子器件。,19,不可控器件(Uncontrollable device)电力二极管Power Diode,结构和原理简单，工作可靠， 快恢复和肖特基二极管，分别在中、高频整流、逆变及低压高频整流场合，有不可替代的地位。 功率二极管主要作整流、续流和隔离等。,整流二极管及模块,20,电力二极管Power Diode,结构和原理与信息电子电路二极管一样。 一个面积较大的PN结和两端引线封装组成。 外形：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,A,K,A,K,a),I,K,A

13、,P,N,J,b),c),A,K,Structure,Symbol,Anode,Cathode,Appearance,21,PN Junction,PN结：N型半导体(N-type semiconductor)和P型半导体结合成 扩散(diffusion) 空间电荷建立内电场或自建电场，阻止扩散 漂移(drifting) 稳定的空间电荷区或耗尽层，阻挡层，势垒区。,22,电导调制效应Conductivity Modulation,结导通，流过较小电流时，电阻主要为基底低掺杂区的欧姆电阻，为常量，此时管压降随电流上升增加。 结流过较大电流时，注入并积累在低掺杂区的少子空穴浓度很大，为维持半导体中

14、性，多子浓度也增大，电阻率下降，即电导调制效应。此时压降左右，低阻状态。 电导调制效应的存在，可允许器件流过较大电流。,23,二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（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿,PN结的状态,电力二极管的工作原理,24,电力二极管的工作原理,PN结电荷量随外加电压变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容(Potential barrier capacitor)CB和扩散电容(Diffusion capacitor)CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状

15、态。,PN结的结电容,Junction capacitor,25,电力二极管和信息二极管不同的因素： 正向导通时流过大电流，电流密度大，额外载流子注入水平高，电导调制效应明显。 引线和焊接电阻压降有明显影响。 电流变化率di/dt较大，引线和器件自身的电感效应有较大影响。 为提高反向耐压，掺杂浓度低，造成正向压降较大，1V左右，一般的为0.7V。,电力二极管的工作原理,26,电力二极管的基本特性,主要指其伏安特性 I-V characteristic 门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电压即为正向压降UF 。 反向时，只有漏电流。,图1-4 电力二极管的伏安特

16、性,静态特性Static characteristics,27,电力二极管的基本特性,动态特性Switching (dynamic) characteristics,偏值状态改变时的过渡过程。 电压电流特性随时间变化。 由于结电容的存在。,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。,28,电力二极管的动态特性,关断过程 须经短暂时间才能重新获得反向阻断能力，

17、进入截止状态。 关断前有较大反向电流，并伴随明显反向电压过冲。,图1-5(b)关断过程,Turn-off transient,Reverse-recovery process: Reverse-recovery time, reverse-recovery charge, reverse-recovery peak current.,29,电力二极管的动态特性,正向压降先出现过冲UFP，经一段时间趋于稳态压降的某个值（如 2V）。 正向恢复时间tfr 电流上升率越大，UFP越高 。,图1-5(b)开通过程,开通过程：,Turn-on transient,forward-recovery tim

18、e,30,电力二极管的主要参数,正向平均电流（额定电流） Average rectified forward current IF(AV) 定义：功率二极管长期运行时，在指定的管壳温度（即壳温）和散热条件下，结温稳定且不超过所允许的最高工作结温，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，即为正向平均电流。将此电流值取规定系列的电流等级值，即为元件的额定电流。,Specifications of power diode,31,电力二极管的主要参数,注意： 正向平均电流按照发热条件定义。使用时，应按电流有效值相等原则选取，并留裕量。 工作频率较高时，不能忽略开关损耗。 采用反向漏电流较大的管子，应

19、考虑断态损耗。,Specifications of power diode,换算关系：正弦半波电流有效值和平均值IF(AV)比：,32,电力二极管的主要参数,正向压降 定义：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。有时也指在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时功率二极管的最大瞬时正向压降。,Forward voltage UF,Specifications of power diode,33,电力二极管的主要参数,反向重复峰值电压URRM 定义：二极管能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压UB的2/3。一般按电路中二极管可能承受的最高峰值电压的两倍选取。 最高工作结温

20、TJM 结温TJ是pn结的平均温度。最高工作结温指在pn结不损坏前提下所能承受的最高平均温度TJM ，通常在125C-175C。,Peak repetitive reverse voltage,Maximum junction temperature,34,电力二极管的主要参数,反向恢复时间 指功率二极管由导通到关断时，从正向电流过零到反向电流下降到峰值的25%时的时间间隔。它与反向电流上升率、结温及正向导通时的最大正向电流有关。 浪涌电流IFSM 指功率二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。一般用额定正向平均电流的倍数和相应的浪涌时间（工频周波数）来规定。,Reverse-r

21、ecovery time trr,35,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分类。,整流二极管(Rectifier Diode) 快恢复二极管（Fast Recovery Diode） 肖特基二极管（Schottky Diode）,36,即整流二极管（Rectifier Diode）； 多用于频率不高（1kHz以下）的整流电路； 反向恢复时间较长,5微秒以上； 正向电流定额和反向电压定额高。,普通二极管(Gerneral Purpose Diode),37,快恢复二极管(Fast Recovery Diode),恢复过程短，特别是反向恢复过程

22、较短（在5微秒以下）； 分为快速恢复和超快速恢复。 前者反向恢复时间为数百纳秒或更长；后者则在100 ns以下，甚至达到20-30 ns。,38,肖特基二极管(Schottky Barrier Diode),以金属和半导体接触形成的势垒为基础的为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）,简称肖特基二极管。 优点：反向恢复时间很短（10-40 ns）；正向恢复过程无有明显电压超调；反向耐压较低时正向压降小，明显低于快恢复二极管。因此，开关损耗和正向导通损耗较快恢复二极管小。 缺点：反向耐压提高时，正向压降会高得无法接受 反向漏电流较大且对温度敏感。 多用于200 V

23、以下的场合；,39,常用电力二极管型号及主要参数,常用电力二极管 型号 额定正向 反向重复 反向电流 正向平 恢复时间 平均电流A 峰值电压 均电压 us ZP1-4000 1-4000A 50-5000V 1-40mA 0.4-1V 10uS ZP3-2000 3-2000A 100-4000V 1-40mA 0.4-1V 10uS 快恢复二极管（美国MOTOROLA） MR867 50A 600V 50uA 1.4V 400nS 超快恢复二极管（美国MOTOROLA） MUR10020CT 50A 200V 25uA 1.1V 50nS,40,半控型器件-晶闸管Thyristor,硅晶体闸

24、流管的简称，俗称可控硅（Silicon Controlled RectifierSCR）。 1956年，美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管； 1957年，通用电气公司（GE）开发出第一只产品； 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，大容量场合有重要地位。 晶闸管一般指普通晶闸管，实际还包括其派生器件。,41,晶闸管的结构,Appearance of thyristor,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,42,晶闸管的结构,PNPN四层三端结构

25、，三个PN结，三个输出端，阳极A（Anode）、阴极K（Cathode）和门极G（Gate）,43,封装形式：螺栓式和平板式 螺栓式：螺栓阳极，粗辫子为阴极，细辫子为门极。安装和更换方便，散热效果较差。 平板式：两个平面分别是阳极和阴极，细辫子线为门极。散热效果好，但安装和更换较麻烦。 冷却方式：自然冷却、强迫风冷和水冷。,晶闸管的结构,44,晶闸管的开通和关断条件,晶闸管加正向阳极电压，门极断开或接反向电压，灯泡不亮。 晶闸管加反向阳极电压，不论门极电源开关闭合与否，灯泡均不亮。 晶闸管加正向阳极电压， 门极接正向电压，灯泡亮。 晶闸管导通后，门极开关 2打开或接反向电压，灯 泡仍亮。,45

26、,晶闸管的开通和关断条件,主电路中接电流表，减小晶闸管正向阳极电压，电流表读数；电流减小到某一值，灯泡熄灭。,46,晶闸管的开通和关断条件,晶闸管承受正向阳极电压，仅在门极承受正向电压时导通，即从关断转变为导通必须同时具备正向阳极电压和正向门极电压两个条件； 晶闸管承受反向阳极电压，不论门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态； 晶闸管导通后，只要仍有一定正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管仍保持导通，即晶闸管导通后，门极失去控制作用； 晶闸管导通情况下，主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。,47,晶闸管的工作原理,特点：可看作两个三极管P1N1P2，N1P2N2,48,晶闸管的

27、工作原理,晶闸管开通过程： 正向阳极电压，J1和J正偏置，J2反偏。要使晶闸管导通，须使J2失去阻挡。 一个三极管集电极同另一三极管基极相接，当有足够门极电流Ig流入，形成强烈正反馈，两个晶体管饱和导通，即晶闸管导通。,流入Ig时（即Ig增大，表示为Ig），有 Ig Ib2 2 Ic2 = Ib1 1 Ic1 Ib2 的正反馈过程发生。,49,V1和V2管电流放大系数分别为 晶闸管阳极电流：三极管集电极电流和漏电流的总和，即,晶闸管的工作原理,50,分析： V1和V2电流放大系数值随发射极电流改变 而变化，当晶闸管承受正向阳极电压，而门极 未加电压时， 很小，晶闸管阳极电流 为 IaIc0 晶

28、闸管处于正向阻断状态。,晶闸管的工作原理,51,晶闸管的工作原理,分析： 饱和导通时 ，晶闸管阳极电流由外电路决定，门极开通后失去控制作用。 减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流减小到维持流IH以下。此时， 和 迅速下降，当 时，晶闸管恢复阻断状态。,52,晶闸管为半控型器件。 晶闸管可能触发导通的其它条件： Other methods to trigger thyristor on 阳极电压太高，晶闸管击穿； 阳极电压du/dt太大，晶闸管上结电容产生 电流Cdu/dt，导致晶体管发射极电流增 大，引起导通 结温太高，漏电流增大引起导通； 光触发：光直接照射在硅片上产生电子空穴 对，在电场

29、作用下产生触发电流。,晶闸管的可能触发导通的其它条件,53,用万用表简单判断晶闸管三个极的方法,螺栓式晶闸管：直接判断 平板式晶闸管：引出线门极 J3结有不太理想的二极管特性， 正、反向电阻为几十至几百欧，而J1、 J2结有标准二极管特性，则可用万用 表区分阳极和阴极，并大致判断好坏。 注意，测量时不能用万用表高阻档，以免高压击穿门极的pn结。测量时如发现任何两个极短路，或门极对阴极断路，则说明元件已损坏。,54,晶闸管的基本特性,晶闸管的静态特性-伏安特性 阳极伏安特性和门极伏安特性 晶闸管的动态特性-开关特性,55,晶闸管的静态特性,Static characteristics of th

30、yristor,正向特性 IG=0时，器件加正向电压，有很小漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo，漏电流急剧增大，器件开通。 门极电流幅值增大，正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。,56,晶闸管的静态特性,Static characteristics of thyristor,图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,反向特性 类似二极管。 反向阻断时，只有极小反相漏电流。 反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。,57,晶闸管的动态特性,Switching characteristics,开通过程tgt 延迟时间td (0.51.5s)

31、上升时间tr (0.53s) 开通时间为以上两者之和， tgt=td+ tr,58,晶闸管的动态特性,Switching characteristics,100%,90%,10%,u,AK,t,t,O,0,t,d,t,r,t,rr,t,gr,U,RRM,I,RM,i,A,图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形,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 普通晶闸管的关断时间约几百微秒,59,晶闸管的主要参数Specifications of thyristor,电压定额 断态不重复峰值电压 （Peak Non-repetitive Fo

32、rward blocking Voltage） 反向不重复峰值电压 (Peak Non-repetitive Reverse blocking Voltage) 断态重复峰值电压UDRM （Peak Repetitive Forward Blocking Voltage） 反向重复峰值电压URRM (Peak Repetitive Peak Reverse Voltage) 额定电压（Voltage Rating） 通态平均电压（Average Voltage Drop）,60,门极开路，晶闸管额定结温时，管子阳极电压升到正向转折电压之前，即管子正向漏电流开始急剧增大，伏安特性曲线急剧弯曲处，

33、此时对应的阳极电压称为断态不重复峰值电压。 此电压不可连续施加且持续时间不大于10 ms的最大脉冲电压，且一般小于转折电压。晶闸管承受的电压若超过断态不重复峰值电压几次即会损坏报废。,断态不重复峰值电压,61,反向不重复峰值电压,门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应反向漏电流开始急剧增大的电压值称为反向不重复峰值电压。 该电压是不可连续施加且持续时间不大于10 ms的反向最大脉冲电压。当晶闸管承受反向电压超过此值一次即可发生破坏性击穿而损坏。,62,断态重复峰值电压和反向重复峰值电压,断态不重复峰值电压的80%为断态重复峰值电压。该电压是晶闸管门极开路时，可以连续施加、重复频率为每秒50次、持

34、续时间不大于10 ms的断态最大脉冲电压。 反向不重复峰值电压的80%为反向重复峰值电压。该电压是晶闸管门极开路时，可以连续施加、重复频率为每秒50次、持续时间不大于10 ms的反向最大脉冲电压。,63,额定电压,断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中小的数值，按标准电压等级取整，为晶闸管额定电压。 晶闸管工作时，外加电压峰值瞬时超过不重复峰值电压，即可造成永久性损坏，且由于环境温度升高或散热不良，均可能使正反向转折电压下降。因而选晶闸管额定电压应为其正常工作峰值电压的-倍，作为安全裕量。,64,通态平均电压,晶闸管通以额定通态平均电流，待结温稳定时，阳极与阴极之间电压降的平均值定义为通态平均电

35、压，通称管压降。 根据通态平均电压的不同数值，将其分成几组。选用时应尽量选择值小的晶闸管，以便减少管的损耗和发热。,65,晶闸管的主要参数Specifications of thyristor,电流定额 通态平均电流IT（AV） （Conducting Average Current） 维持电流IH (Holding Current) 擎住电流IL (Latching Current) 断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR 浪涌电流ITSM (Surge Current),66,通态平均电流,环境温度+40和规定冷却条件下，晶闸管在阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170电路中

36、，结温稳定并不超过额定结温时，允许通过的最大平均电流。此电流按晶闸管标准电流系列取相应等级，为额定电流。 注意：晶闸管额定电流按正向电流造成器件本身的通态损耗发热效应来定义的。使用时应按实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等原则选晶闸管额定电流，并考虑一定裕量。一般取1.5-2倍。,67,波形系数 ：任一含有直流分量的电流波形，电流有效值I与平均值Id 之比，即,通态平均电流,正弦半波电流的波形系数计算： 设该正弦波峰值电流为，则其通态平均电流为：,根据有效值的定义，其有效值为：,故正弦半波电流的波形系数是：,68,通态平均电流,额定电流为100 A的晶闸管，允许通过电

37、流有效值为157 A； 相同平均值而波形不同的电流，因波形系数不同而有效值不同，流经同一晶闸管时发热也不相同，根据有效值相等发热相同的原理，将非正弦半波电流平均值Id折算成等效的正弦半波电流的平均值IT，即,69,通态平均电流,额定电流为100 A的晶闸管，只有在正弦半波电流情况下，允许通过的平均值才是100 A，其它情况下，允许通过的电流平均值都不是100 A。 当 时，由于折算的等效平均电流IT将大于实际的平均电流Id ，故该管允许通过的实际的平均电流Id应小于100 A；反之允许通过的平均电流Id可大于100 A。考虑一定裕量：,70,维持电流,晶闸管被触发导通后，在室温和门极开 路条件

38、下，晶闸管从较大通态电流到恰能、 保持其导通的最小阳极电流，称维持电流 IH。 维持电流的大小与晶闸管结温有关， 结温越高，维持电流越小。维持电流大的 管子容易关断。同一型号的晶闸管，其维 持电流也各不相同。,71,擎住电流和浪涌电流,擎住电流IL:晶闸管加上触发电压后，从阻断 状态刚转为导通状态时就去掉触发电压。在这 种情况下要保持晶闸管导通所需要的最小阳极 电流，称为擎住电流IL。对同一个晶闸管来 说，通常其擎住电流要大于维持电流。,浪涌电流ITSM :在规定条件下，工频正弦波半周期内所允许的最大过载峰值电流。,72,晶闸管的主要参数Specifications of thyristor,

39、动态参数,断态电压临界上升率du/dt (Critical Rate of Rise of Off-State Voltage),通态电流临界上升率di/dt (Critical Rate of Rise of On-State Current),73,通态电流临界上升率,规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率。 晶闸管电流上升率太大，会造成局部过热而使晶 闸管损坏。,74,晶闸管关断时电压变化率超过此值，可能使晶闸管误导通。,断态电压临界上升率,额定结温和门极开路条件下，使元件保持断态所能承受的最大电压上升率，一般用每微

40、秒若干伏表示。,75,晶闸管的派生器件The family of thyristors,快速晶闸管 Fast switching thyristorFST 双向晶闸管 Triode AC switchTRIAC Bi-directional triode thyristor 逆导晶闸管 Reverse-conducting thyristorRCT 光控晶闸管 Light-triggered (activited) thyristorLTT,76,快速晶闸管,普通快速晶闸管：可应用于400 Hz的斩波或逆变电路中。 高频晶闸管：可应用于10 kHz以上斩波或逆变电路中。 管芯结构和制造工艺进行

41、改进，快速晶闸管的开关时间及du/dt和di/dt的耐量都有明显改善。 关断时间：普通晶闸管为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管为10微秒左右。 缺点：电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。,77,双向晶闸管,一对反并联的普通晶闸管的集成。 两个主电极T1和T2，一个门极G。 一、三象限有对称伏安特性。,78,双向晶闸管,与一对反并联晶闸管相比经济，且控制电路简单，在交流调压、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多。 用有效值来表示其额定电流值 由于双向晶闸管通常在交流电路中，

42、因此不用平均值。,79,逆导晶闸管,a),K,G,A,晶闸管反并联一二极管制作在同一管芯上。 正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温。,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,80,光控晶闸管,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,又称光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发导通。 保证主电路与控制电路之间绝缘，避免电磁干扰。 用在高压大功率场合。,81,流经晶闸管的电流波形如图所示。试计算该电流波形 的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为， 问额定电流为100 A的晶闸

43、管，其允许通过的电流平均 值和最大值是多少？ 解：电流平均值： 电流有效值：,例题1-1,82,波形系数： 100A的晶闸管允许通过的电流平均值： 电流最大值： 注：kf=I/Id 1.57IT=kfId,例题1-1,83,典型全控型器件Typical fully-controlled devices,门极可关断晶闸管 (Gato-Turn-off Thyristor-GTO) 电力晶体管(Giant Transisitor-GTR) 电力场效应晶体管 (Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor-FET) 绝缘栅极双极晶体管

44、 (Insulated-gate Bipolar Transistor-IGBT),84,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,85,门极可关断晶闸管GTO,晶闸管的一种派生器件； 可通过在门极施加负脉冲电流关断； 电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。,86,门极可关断晶闸管GTO的结构,四层三端，阳极、阴极和门极三个电极。 多元集成器件，由数百个共阳极的小GTO单元组成，为便于实现门极控制关断特殊设计。,87,门极可关断晶闸管GTO的工作原理,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、

45、V2分别具有共基极电流增益1和2 。,当 ，器件临界导通 ，不能维持饱和导通关断 ，两个晶体管过饱和，器件导通 普通晶闸管，两互补的等效晶体管处于深度 饱和状态,88,门极可关断晶闸管GTO的特殊结构,特点： 较大，NPN管控制灵敏，使GTO易关断 结构设计时，使 更接近于1，普通晶闸管一般为 ，GTO设计为 ，更接近于临界饱和，为门极关断提供有利条件。 缺点：未进入深饱和，器件导通压降大。 多元集成结构，阴极面积小，门、阴极间距离短，P2基区横向电阻小，从门极抽出较大电流成为可能。 多元集成结构使GTO开通过程快，承受di/dt能力强。,89,门极可关断晶闸管GTO的动态特性,开通过程：与普

46、通晶闸管相同。 关断过程：与普通晶闸管有所不同。 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,图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形,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。,90,Specifications of GTO,最大可关断阳极电流IATO,电流关断增益off,off一般很小，5左右，这是GTO的一个主要缺点。,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）,91,Specifications of GTO,延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升

47、时间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。,关断时间toff,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 。,92,电力晶体管GTR,Giant TransistorGTR，巨型晶体管。 耐高压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），也称Power BJT。 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。,93,与普通的双极结型晶体管基本原理一样； 耐压高、电流大、开关特性好； 通常采用

48、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。,Structures of GTR,94,Physics of GTR operation,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 GTR的电流放 大系数，反映了基极 电流对集电极电流 控制能力,95,Physics of GTR operation,考虑漏电流Iceo，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo 单管GTR的值比小功率晶体管小得多，为10左右，达林顿接法可增大电流增益。,96,Static characteristics of GTR,共发射极接法输出特性：截止区、放大区

49、和饱和区。 工作在开关状态。 开关过程中，要经过放大区。,图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,97,Switching characteristics of GTR,开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 加快开通过程的办法 ：增大基极驱动电流的幅值和di/dt。 上升时间主要是由于基区电荷储存需要时间造成的，增大基极驱动电流的幅值和di/dt，可加快开通过程。,98,Switching characteristics of GTR,关断过程 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： 减小导通时饱和深度 以减小储存载

50、流子，或增大基极抽取负电流的幅 值和负偏压，可缩短储存时间，加快关断速度。 开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO短 。,99,GTR的主要参数,除电流放大倍数、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： 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； BUcbo BUcex BUces BUcer Buceo； 使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。,100,GTR的主要参数,通常规定为直流电流放大系数hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。 实际使

51、用时要留有裕量，取IcM的一半或稍多。 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TC，间接表示了最高工作温度 。,集电极最大允许电流IcM,101,Second breakdown of GTR,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。 二次击穿：一次击穿发生时，如不能有效地限制电流，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 。 二次击穿对GTR有极大危害。,102,Safe operating area (SOA) of GTR,最高

52、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,103,电力场效应晶体管Power metal-oxide-semiconductor fieldeffect transistorPower MOSFET,结型和绝缘栅型。 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET）。 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,104,特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱

53、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，适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。,Power MOSFET,105,Structures of Power MOSFET,电力MOSFET的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道； 耗尽型栅极电压为零时漏源极间就存在导电沟道； 增强型栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道； 电力MOSFET主要是N沟道增强型。,106,Structures of Power MOSFET,单极型晶体管； 导电机理与小功率MOS管相同，结构上有较大区别； 多元集成结构，不同的生产厂家采用不同设计。,图1-19 电力MOSFE

54、T的结构和电气图形符号,107,Structures of Power MOSFET,小功率MOS管是横向导电器件； 电力MOSFET采用垂直导电结构，又称VMOSFET（Vertical MOSFET）； 按垂直导电结构不同，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）。,108,Physics of Power MOSFET Operation,截止状态：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区的PN结J1反偏，无电流流过。,109,Physics of Powe

55、r MOSFET Operation,导电状态：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，J1消失，漏极和源极导电 。,110,Static characteristics of Power MOSFET,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,111,Static characteristics of Power MOSFET,截止区 饱和区 非饱和区 工作在开关状态 漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时导通 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利

56、,MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：,112,Switching characteristics of Power MOSFET,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 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,113,Power MOSFET的开关速度,和Cin充放电有关； 可降低驱动电路内阻Rs，减小时间常数，加快开关速度； 无少子储存效应，关断迅速； 开关时间在10-100ns之间，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

57、开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定驱动功率； 开关频率越高，所需要的驱动功率越大。,114,power MOSFET的主要参数,电力MOSFET电压定额,漏极电压UDS Drain-source breakdown voltage,漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM,电力MOSFET电流定额,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：,极间电容,极间电容CGS、CGD和CDS,Continuous drain current,Peak pulsed drain current,Inter-termi

58、nal capacitances,115,绝缘栅极双极性晶体管IGBT,Insulated-gate bipolar transistor,IGBT-Combination of MOSFET and GTR GTR，GTO low conduction losses (especially at larger blocking voltages) longer switching times current-driven MOSFET faster switching speed easy to drive (voltage-driven) larger conduction losses

59、(especially for higher blocking voltages),116,Features of IGBT,On-state losses are much smaller than those of a power MOSFET, and are comparable with those of a GTR Easy to drive similar to power MOSFET Faster than GTR, but slower than power MOSFET,Application of IGBT The device of choice in 500-1700V applications,