电力二极管与晶闸管课件

1、电力二极管与晶闸管课件 电力电子技术n任课教师：赵斌n主要参考书：电力电子技术n1、 王兆安，黄俊主编 . 电力电子技术 (第四版). 北京： 机械工业出版社,n2、 邵丙衡，电力电子技术，北京：铁道出版社， 1997 n相关网站：（搜索 goggle）nhttp:/pel- n（电力电子技术课程网站 ） 电力二极管与晶闸管绪论1.1电力二极管 1.2晶闸管与派生器件电力二极管与晶闸管课件绪论n一、什么是电力电子技术一、什么是电力电子技术n1 1电子技术可分为信息电子技术和电力电子技术电子技术可分为信息电子技术和电力电子技术n信息电子技术信息电子技术模拟电子技术和数字电子技术。n电力电子技术电

2、力电子技术应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，也称为变流技术。n目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件n电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至1W以下 n2 2电力电子技术电力电子技术分为两个分支：分为两个分支：n变流技术：变流技术：用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。是电力电子技术的核心核心，理论基础是电路理论。n电力电子器件制造技术：电力电子器件制造技术：电力电子技术的基础基础，理论基础是半导体物理。电力二极管与晶闸管课件绪论n3 3描述电力电子技术的倒三角

3、形：描述电力电子技术的倒三角形：n1974年，美国的W. Newell用倒三角形对电力电子技术进行了描述，被全世界普遍接受。 电电力力 电电子子技技术术 电电子子学学 电电力力学学 控控制制 理理论论 、器件 电力二极管与晶闸管课件绪论n广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路。n电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路。n器件的工作状态器件的工作状态n信息电子，既可放大，也可开关n电力电子，为避免功率损耗过大，总在开关状态电力电子技术的一电力电子技术的一个重要特征。个重要特征。n电力电子技术归属于电气工程学科n电气工程学科中一个最为活跃的分支

4、，其不断进步给电气工程的现代化电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力以巨大的推动力。n控制理论广泛用于广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求n电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带。控制理论是实现该接口的强有力纽带。电力二极管与晶闸管课件绪论n二、电力电子技术的发展史n电力电子技术的诞生电力电子技术的诞生n1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命。最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。n1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管的诞生为标志。n晶闸管是

5、通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件 n复合型器件和功率集成电路（复合型器件和功率集成电路（80年代后期开始）年代后期开始）n复合型器件复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表n模块（如模块（如IPM） ：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件 做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便n功率集成电路：功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向 电力二极管与晶闸管课件绪论n三、电力电子技术的应用n1）一般工业）

6、一般工业 n直流电动机调速，交流电机的变频调速，电化学工业，冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源n2）交通运输）交通运输n电气化铁道中，电动汽车 飞机、船舶的电源等。n3）电力系统）电力系统：直流输电，柔性交流输电（FACTS），无功补偿和谐波抑制，晶闸管控制电抗器（TCR）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）、电能质量控制等。4）电子装置用电源）电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的高频开关电源。大型计算机、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中采用高频开关电源。n5）家用电器）家用电器

7、变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。n由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯n 电力二极管与晶闸管课件绪论n6）其他）其他 不间断电源（UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大。目前，UPS在电力电子产品中已占有相当大的份额。航天飞行器，各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需

8、要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当需要和电力系统联网时，也离不开电力电子技术。大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。 n四、专业术语四、专业术语n1、整流与可控整流或称交流、直流（AC/DC）变换电路：把交流电变换为固定或可调直流。电力二极管与晶闸管课件绪论n2、逆变电路亦称直流、交流（DC/AC）变换电路，把直流电变换成频率固定或频率可调的交流电。n把直流电逆变成50HZ的交流电返送交流电网称有源逆变；n把直流电逆变为固定频率或频率可调的交流电供负载则称为无源逆变。n3、直流斩波电路亦称DC/DC变换电

9、路，其功能是把固定直流变换为可调或固定直流电压。n4、交流调压与周波变换亦称AC/AC变换电路：把恒定交流变换为可变交流称为交流调压；n把固定频率的交流变为频率可变的交流称为变频电路。n5、粗电：电网交流电；n6、精电：通过电力电子电路处理变换，使电压稳定，波形、频率、数值大小、抗干扰、谐波等方面符合用电设备要求。发达国家60%精电。n电力电子技术21世纪研究方向：无公害绿色化，含义是功率因数等于1，n输入电流正弦无谐波，电压和电流过零切换，开关损耗降为零，电磁辐射和射频干扰小。电力二极管与晶闸管课件绪论n五、五、 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征n(1) 主电路主电路（mai

10、n 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n(2) 电力电子器件电力电子器件（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n(3) 电力电子器件的一般特征电力电子器件的一般特征：n 能处理大电功率能处理大电功率：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。n电力电子器件一般都工作在开关状态。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

11、电压由外电路决定。n电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。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。驱动电路。 电力二极管与晶闸管课件绪论n其工作时一般都要安装散热器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，阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗，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安装散热器保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏。 n六、六、 电力电子器件的分类电力电子器件的分类n（1）按照器件能够被控制电路

12、信号所控制的程度，分为以下三类：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：n半控型器件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n包括晶闸管（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。n全控型器件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；包括绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）n 电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）n 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTOn不可控器件不可控器件不

13、能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。n包括电力二极管（Power Diode），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。电力二极管与晶闸管课件绪论n（2）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）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：类：n1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。n2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。n（3）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）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：n单极型器件由一种载流子

14、参与导电的器件n双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件n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n返回返回电力二极管与晶闸管课件1.1不可控器件电力二极管不可控器件电力二极管 n电力二极管：允许电流较大、电压较高的二极管电力二极管：允许电流较大、电压较高的二极管n一、一、 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 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。四种工作状态：静态正向导通和反向阻断、动态的开通过程和关断过程四种工作状态：静态正向导通和反向阻断、

15、动态的开通过程和关断过程n1、PN结的正向导通状态结的正向导通状态n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。n2、PN结的反向截止状态：高阻态结的反向截止状态：高阻态nPN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。n3、结电容的影响结电容的影响：势垒电容只在外加电压变化时才起作用，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 。电力二极管与晶闸管课件1.1不可控器件电力二极管不可

16、控器件电力二极管n二、二、电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 n1. 1. 静态特性（电力二极管伏安特性）静态特性（电力二极管伏安特性）n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，只有微小而数值恒定的反向漏电流。当反向电压增大到UB（击穿电压）时，使PN结内电场达到雪崩击穿程度时，反向漏电流IRR剧增，导致二极管击穿损坏。n2. 2. 动态特性动态特性n因结电容的存在，各状态之间的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。n开关

17、特性开关特性反映通态和断态之间的转换过程。n关断过程关断过程：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URM。电力二极管与晶闸管课件1.1不可控器件电力二极管不可控器件电力二极管n开通过程开通过程： 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降的某个值。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。n三、 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数n1. 正向通态平均电流正向通态平均电流IF(AV)n额定电流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

18、流的平均值，对应额定电流IF，其有效值为1.57 IF。使用中按有效值相等来选取管子电流定额。n2. 正向压降正向压降UFn3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRMn指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。n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两倍来选定 。n4. 最高工作结温最高工作结温TJM通常在1251750C范围之内。n5. 反向恢复时间反向恢复时间trr关断过程中，电流降到关断过程中，电流降到0起到恢复反向阻断能力止的起到恢复反向阻断能力止的时间时间 n 电力二极管与晶闸管课件1.1不可控器件电力二极管不可控器

19、件电力二极管n四、功率二极管作用四、功率二极管作用n1、交直流变换中：整流器件；n2、电感滤波及具有电感元件的电路中：续流器件；n3、逆变电路中：反向充电和能量传输；n4、各类变流器中：隔离、箝位、保护和高频整流。n返回返回电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件n一、一、 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.结构：四层半导体结构、三个结构：四层半导体结构、三个PN结结n 外形：外形有螺栓型和平板型两种封装n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n平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间n图形符号：n阳极阳极A、阴极阴极K和门极（控制端）和

20、门极（控制端）G三端元件三端元件。n 2工作原理：工作原理：n导通条件：晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，且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。n截止条件：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（维持电流）以下 。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。 阳极电流IAIH维持电流或反向阳极电压电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件n二、二、 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性n1.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 :正反阻断、导通、反向阻断、反向击穿状态。正反阻断、导通、反向阻断、反向击穿状态。n正向特性

21、正向特性（第I象限）: IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断正向阻断状态，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。n正向导通正向导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿n晶闸管本身的压降很小，在1V左右n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称为维持电流称为维持电流。n反向特性反向特性(第III象限)反向阻断状态反向阻断状态：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。n门极伏安特性门极伏安特性:晶闸管的门极触发电流

22、从门极流入晶闸管，从阴极流出，为保证可靠、安全的触发，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。 -AIAII =电力二极管与晶闸管课件伏安特性图n返回正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件n2. 动态特性动态特性n1) 开通过程开通过程:n延迟时间延迟时间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n上升时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间n开通时间开通时间tgt以上两者之和，n tgt=td+tr n普通晶闸管延

23、迟时间为0.51.5ms，上升时间为0.53msn2) 关断过程：关断过程：n反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间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。n正向阻断恢复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。n关断时间关断时间tq：trr与tgr之和，n 即 tq=trr+tgr n 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 电力二极管与晶闸管课件动态特性图动态特性图n返回 100% 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件n3、

24、晶闸管的损耗晶闸管的损耗:n通态损耗通态损耗:晶闸管在稳定导通期的功率损耗.n断态损耗断态损耗:晶闸管在稳定断态期的功率损耗。n开通损耗开通损耗:开通过程中出现的较大瞬时功率损耗。n关断损耗关断损耗:关断过程中出现的较大瞬时功率损耗。n三、晶闸管的主要参数三、晶闸管的主要参数n 1. 电压定额电压定额n1)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。n2)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。n3)通态（峰值）电压UTM晶闸管正常工作时加在管子上的瞬态峰值电压。（最大瞬时电压值）n4）UBO：正向转折电

25、压；(硬开通电压)n5）URO：反向击穿电压；n6） UDSM、 URSM ：正、反向断态不重复峰值电压（0.8-0.9 UDRM 、URRM)电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件n通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量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一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压受峰值电压23倍。倍。n额定电压额定电压UTn（2-3）UTM（加在管子上的最大瞬时电压值）加在管子上的最大瞬时电压值）n 2. 电流定额电流定额n1)通态平均电流通态平均电流

26、 IT(AV) n额定电流-晶闸管在环境温度为400C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。n使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管应留一定的裕量，一般取1.52倍。 IT(AV) (1.5-2)ITm/1.57nItm:流过管子的最大有效电流流过管子的最大有效电流n2)维持电流维持电流 IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流。n3)掣住电流掣住电流 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阴极电流值。n对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件

27、n 3. 3. 动态参数动态参数n（1）晶闸管的开通时间晶闸管的开通时间t tgt(gt(约为约为6 6ss）和关断时间和关断时间t tq q：n（2 2）断态电压临界上升率）断态电压临界上升率d du u/d/dt tn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。n（3 3） 通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt tn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。n4 4、触发参数：、触发参数：门极触发电流IGT和门极触发电压UGT；室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使其完全导通所必须的最小门极电流称IGT ；对应

28、于门极触发电流的门极电压称UGT。100A的晶闸管，触发电流/电压为250mA/4Vn5 5、管压降（通态平均电压）管压降（通态平均电压）U UT T（AVAV）：规定的环境温度、散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值。n0.4-1.2V(A-I组),实际使用中选择UT（AV）小的晶闸管元件,减小损耗和元件发热.n 电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件n四、晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件n1. 快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）n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。n普通晶闸

29、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。n高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。n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。n2. 双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）n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；n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；电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件n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

30、继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多。n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。 a)b)IOUIG=0GT1T2电力二极管与晶闸管课件1.2半控型器件晶闸管与派生器件n3. 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）n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。n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。 n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。 n4. 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered Thyri

31、storLTT）n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。n小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。n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。 n返回电力二极管与晶闸管课件第二章 全控型电力电子器件2.1 GTO2.2 GTR电力二极管与晶闸管课件2.1 GTO(门极可关断晶闸管)n全控型器件典型代表门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、电力场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT。n一一 、门极可关断晶闸管、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Th

32、yristor GTO）n1特点：特点：n（1）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大n（2）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n关断过程：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。n当IA和IK的减小到一定程度时，器件退出饱和而关断。n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 。 电力二极管与晶闸管课件2.1 GTO(门极可关断晶闸管)n2. GTO的动态特性的动态特

33、性n开通过程：开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间trn开通: 延迟时间 td,上升时间tr,与晶闸管相同。n关断: 储存时间ts:抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间,GTO电流不变。ntf:下降时间：阳极电流逐渐减小的时间。ntt:尾部时间：残存载流子复合所需的时间。 n3. GTO的主要参数n 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n1)最大可关断阳极电流IATO ：GTO额定电流。n2)电流关断增益b：off ： n最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGm之比称为电流关断增益。 电力二极管与晶闸管课件GTO的动态特性图的动态特

34、性图n返回Ot0t图1-14iGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6电力二极管与晶闸管课件2.1 GTO(门极可关断晶闸管)n3)开通时间ton ： ton=td+tr，n延迟时间td一般约1-2s，上升时间tr则随通态阳极电流值的增大而增大 。n4)关断时间toff toff=ts+tf，n不包括尾部时间。GTO的储存时间ts随阳极电流的增大而增大，下降时间tf一般小于2s。 n4GTO的优缺点：的优缺点：n全控器件、电压电流容量大，适合于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强。n电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率

35、大，驱动电路复杂，开关频率低。 电力二极管与晶闸管课件2.2GTR(电力晶体管)n电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）n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 BJTn在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效n应用应用n20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n1. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理：n与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 n2. GTR的基本特性的基本特性n(1)静态特性

36、静态特性n共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区n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n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。电力二极管与晶闸管课件2.2GTR(电力晶体管)n(2) 动态特性动态特性n关断过程分关断过程分储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toffntoff = ts + tfGTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。 3. GTR的主要参数的主要参数 前已述及：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 外还有：外还有：

37、1)最高工作电压最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿 2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点 4GTR的优缺点：的优缺点：耐压高，开关特性好，通流能力强，饱和压降低。开关速度低，为电流驱动,所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题。 返回电力二极管与晶闸管课件2.3 IGBT(绝缘栅双极晶体管)与IPM(智能功率模块)n一、IGBTn绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或或IGT）nGTR和和MOSFET复合，结合二者的优点，具有很好的特性复

38、合，结合二者的优点，具有很好的特性n1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。n1IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理n结构:三端器件：栅极G、集电极C和发射极E。nIGBT的结构nN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）nIGBT的原理na. 导通：，uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通电力二极管与晶闸管课件2.3 IGBT(绝缘栅双极晶体管)与IPM(智能功率模块)nb.关断：栅射极间施加反压或不加信号时，M

39、OSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断nc.导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小n2. IGBT的基本特性的基本特性n1)IGBT的静态特性的静态特性n转移特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似n开启电压开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压nUGE(th)随温度升高而略有下降，在+250C时， UGE(th)的值一般为26V。n2）输出特性）输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系(输出特性)为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应nuCE0时，

40、IGBT为反向阻断工作状态n 电力二极管与晶闸管课件2.3 IGBT(绝缘栅双极晶体管)与IPM(智能功率模块)n3. IGBT的主要参数的主要参数n 1) 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES 由内部PNP晶体管的击穿电压确定n2)最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICPn3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大功耗 n4.IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点n(1)开关速度高，开关损耗小。 n(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR 大，且具有耐脉冲电流冲击能力n(3)通态压降低，特别是在电流较大的区域n(4) 输入

41、阻抗高，输入特性与MOSFET类似n(5)与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点电力二极管与晶闸管课件2.3 IGBT(绝缘栅双极晶体管)与IPM(智能功率模块)n二、IPMn1、 智能功率器件的特点 n 所谓智能功率器件，就是把功率器件与传感器、检测和控制电所谓智能功率器件，就是把功率器件与传感器、检测和控制电路、保护电路及故障自诊断电路等集成为一体并具有功率输出能路、保护电路及故障自诊断电路等集成为一体并具有功率输出能力的新型器件。力的新型器件。n 由于这类器件可代替人工来完成复杂的功率控制，因此它被赋予智能的特征。n 例如，在智能功率器件中，常见的保护功能有欠电压保护、过电压保护、过电流及短路保护、过热保护。此外，某些智能功率器件还具有输出电压过冲保护、瞬态电流限制、软启动和最大输入功率限制等保护电路，从而大大提高了系统的稳定性与可靠性。 n 智能功率器件具有体积小、重量轻、性能好、抗骚扰能力强、使用寿命长等显著优点，可广泛用于单片机测控系统、变频调速器、电力电子设备、家用电器等领域。 电力二极管与晶闸管课件2.3 IGBT(绝缘栅双极晶体管)与IPM(智能功率模块)n2、 智能功率器件