太原理工大学

1、第8章现代电力电子器件及其应用本章要求 了解常用电力电子器件晶闸管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管等 全控型器件的结构、工作原理、主要参数及其应用。本章内容 电力电子技术是电力、电子、控制三大领域的交叉学科。晶闸管已成为 目前半导体器件从弱电领域进入强电领域中制造技术最为成熟、应用最广泛的器件之 一。它主要用于整流器（把交流电压变为固定的或可调的直流电压）、逆变器（把直流电压变为固定的或可调的交流电压）、斩波器（把固定的直流电压变为可调的直流电压）、 交流调压器（把固定的交流电压变为可调的交流电压）等方面。随着高速晶闸管、功率 场效应晶体管（MOSFET ）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等

2、全控型器件的问世，晶闸 管的应用日益广泛。电子技术也由传统的电力电子阶段进入现代电力电子阶段，现代电 力电子技术已经成为衡量一个国家电子工业和电力工业是否现代化的主要标志之一。是现代电子技术中不可或缺的内容。本章介绍一些常用的电力半导体器件和应用本章学时 4学时8.1晶闸管本节学时 1学时本节重点 1、晶闸管的工作原理；2、伏安特性及主要参数：教学方法 首先简单介绍晶闸管的结构，进而分析其工作原理，使学生了解晶闸管的 半控性。教学手段 以电子课件与传统教学手段相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握 更多的相关知识。j A* * A（a）示意图（b）符号教学内容& 1.1晶闸管的结构与符号晶闸管

3、与二极管相比，它的单向导电能力还受到控制极上的信号控制。晶闸管内部结构示意图如图8-1 (a),它由PNPN四层半导体交替叠合而成，中间 形成三个PN结。阳极A从上端P区引出，阴极K从下端N区引出，又在中间P区上 引出控制极(或称门极)G。图8-1 (b)是晶闸管的符号。晶闸管中通过阳极的电流比 控制极中的电流大得多，所以一般晶闸管控制极的导线比阳极和阴极的导线要细。& 1.2晶闸管的工作原理1 晶闸管导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压，同时控制极和阴极之间加适当的正向电压(实际工作中，控制极加正触发脉冲信号)。2导通以后的晶闸管，关断的方法是在阳极上加反向电压或将阳极电流减小到足够小的程

4、度(维持电流Ih以下)。PNOGPNIkA|AT2(PNP)Ti(NPN)ii gQ A(a)结构分解示意图图晶闸管工作原理(b)结构原理图& 1.3晶闸管的伏安特性晶闸管的阳极电压U与阳极电流Ia之间的关系曲线称为晶闸管的伏安特性曲线,如图8-4所示。在无触发信号时，如果在阳极和阴极之间加 上额定的正向电压，则在晶闸管内只有很小的正向 漏电流通过，它对应特性曲线的 oa段，以后逐渐b点所对应的阳极增大阳极电压到b点，此时晶闸管会从阻断状态突然转向导通状态电压称为无触发信号时的正向转折电压（或称硬开通”电压），用UBO表示。晶闸管导通后，阳极电流IA的大小就由电路中的阳极电压 UA和负载电阻来

5、决定。晶闸管导通后，减小阳极电流IA,并使IAi,a dV接上电源，经过 a角度后，在晶闸管的控制极上， 加上触发电压ug,如图8-5(b)所示。晶闸管T被触发导通, 负载电阻中开始有电流通过，在负载两端出现电压u。.电路与波形见图8-5(b)。在T导通期间，晶闸管压降近似为零。在第二个周期出现时，重复以上过程。晶闸管导通的角度称为导通角，用B表示。由 8-5(b)可知 0=n a3输出平均电压Uo.； - 21 亠 cos:.2U 2 sin td(，t) U 2 (1 cost) =0.45U 20 2- 2根据欧姆定律，负载电阻Rl中的直流平均电流为I。二土 =0.45土 匕竺RlRl

6、2此电流即为通过晶闸管的平均电流。例8-1在单相半波可控整流电路中，负载电阻为8Q,交流电压有效值U2=220V，控制角a的调节范围为6O01800，求:(1)直流输出电压的调节范围。(2)晶闸管中最大的平均电流。 晶闸管两端出现的最大反向电压。解：控制角为60时，由式(8-1)得出直流输出电压最大值Uo =0.45U2 1 S2J+cos60、/= 0.45 22074.25V2控制角为1800时得直流输出电压为零。所以控制角a在601800范围变化时，相对应的直流输出电压在74.25V0V之间调节。晶闸管最大的平均电流与负载电阻中最大的平均电流相等，由式(8-2)得If =1 o 二土 =

7、 74.25 7.4 2 ARl10晶闸管两端出现的最大反向电压为变压器次级电压的最大值Ufm 二Urm = 2U2 =，2220 =311V再考虑到安全系数23倍，所以选择额定电压为600V以上的晶闸管822单相桥式半控整流电路uoio8.3.2功率MOSFET的主要特性1.电路组成(b)波(a)电路图形图图单相桥式半控整流电路与波形2.工作原理其工作原理同上，输出电压平均值比单相半波可控整流大一倍。即U。=0.9U2根据欧姆定律，负载电阻 Rl中的直流平均电流为1 cos：Rl2晶闸管和二极管承受的最高反向电压均为2U2 O综上所述，可控整流电路是通过改变控制角的大小实现调节输出电压大小的

8、目的, 因此，也称为相控制整流电路。8.3功率场效应晶体管(Power MOSFET)本节学时 1学时2、功率MOSFET的主要特性教学方法首先了解功率MOSFET的结构和工作原理，进而了解其主要特性。教学手段 以电子课件与传统教学手段相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握 更多的相关知识。教学内容8.3.1功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET根据导电时载流子的种类可分为 P沟道和N沟道两种类型，其电路符号如图8-9所示，它有三个电极：栅极G、源极S和漏极D功率MOSFET的工作原理与传统的MOS器件基本相同，当栅极和漏极之间加正向77/7-NFp飞N +沟道PNNG|S(c )图

9、8-9功率场效应晶体管的符号和结构(a )N-MOSFET电路符号(b)P-MOSFET电路符号内部结构电 压 时(Ugs0)，MOSFET内沟 道出现，在漏极 和源极之间加 有电压时，就有 漏极电流Id形成，器件导通；反之当栅极和源极之间加反向电压时(Ugs0),沟道消失，器件关断。1输出特性指在栅源电压Ugs 定的情况下，漏极电流Id与漏源电压Uds关系的曲线族，女口 图8-10( a)所示。它分为三个区：(1) 可调电阻区I当Ugs一定时，漏极电流Id与漏极电压Ugs几乎呈线性关系。 当作为开关器件应用时，工作在此区内。(2) 线性放大区II在该区中，当Ugs不变时，Id几乎不随Uds的

10、增加而加大，Id 近似为一常数。当用于线性放大时工作在此区内(3) 击穿区川当漏极电压Uds过高时，漏极电流Id会急剧增加。在使用器件时应 避免出现此种情况，否则会使器件损坏2. 转移特性转移特性 是以漏、源极电压 Uds为参变量，反映栅、源电压 Ugs与漏极电流Id 之间的关系，如图8-10 ( b)所示。3. 开关特性功率MOSFET是单极性电压控制器件，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的 存储效应，与关断时间相联系的存储时间大大减小，因而具有开关速度快的优点。1.通态电阻Ron8.3.3功率MOSFET的主要参数d等于1mA时的栅极电压定义为开启电压。Ut具有负温度系数2跨导gm跨导g

11、m和晶体管的B相似，反映了功率MOSFET的栅、源电压对漏极电流的控制 能力。定义为：gm 二 1 D / 丄U GS单位为西门子简称（S）。3. 漏、源击穿电压Ubds4. 栅、源击穿电压 Ubgs5. 漏极峰值电流Idm8.4绝缘栅双极型晶体管本节学时 1学时本节重点 1、绝缘栅双极型晶体管的结构和工作原理2、绝缘栅双极型晶体管的主要特性及参数。教学方法首先了解绝缘栅双极型晶体管的结构和工作原理，进而了解其主要特性 及其组成的功率模块（IPM ）的应用。教学手段 以电子课件与传统教学手段相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握 更多的相关知识。教学内容8.4.1 IGBT的结构和工作原理N沟

12、道IGBT的结构与图形符号如图8-11所示。它有三个电极，即控制极 G、集电(a )Rn! I DRon(b )I极C和 发射极E。它是在功率MOSFET 的图8-11 IGBT的符号和结构（a ）结构（b）内部电路 （c）符号基础上增加一个高浓度p+层，形成了四层结构，由 PNP NPN晶体管构成IGBT。但 是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使 NPN不起作用。所以说， IGBT的工作基本与NPN晶体管无关，可以认为IGBT是以晶体管为主导元件（输出）、 MOSFET为驱动元件（输入）的单向达林顿管。8.4.2 IGBT的主要特性IGBT的特性可分为静态特性和动态特性。静

13、态特性主要指IGBT的伏安特性、转移特性，动态特性主要指IGBT的开关特性。1. .IGBT的伏安特性当以栅极、发射极之间的电压 Uge为参变量时，IGBT的集电极电流Ic和集电极与 发射极之间电压Uce的关系曲线，称为IGBT的伏安特性，如图8-12所示。2. .IGBT的转移特性IGBT的转移特性是描述集电极电流与控制极、发射极电压Uce的关系曲线，如图8-13所示。3动态特性IGBT的动态特性也称开关特性，它包括开通过程和关断过程。IGBT的开通时间约为0.51.2 & IGBT的关断时间约为0.551.5 S。8.4.3 IGBT 的主要参数1 控制极发射 极击穿电压 UGEM这个参数

14、表示了 IGBT 控制极和发射极之间的耐压能力，其值一般为 20V 左右。2集电极 发射极最高电压 UCEM该参数决定了 IGBT的最高工作电压，目前IGBT的最高工作电压分为600V、1000V、 1200V、1400V、1700V 和 3300V 几个档次。3开启电压 UGE（ th）开启电压是 IGBT 导通所需要的最低控制极电压。这个参数随温度升高而下降，温度每升高1C, Uge（th）值下降5mV左右。在常温时的开启电压一般为 26V。4通态压降 UCE（ on）IGBT的通态压降Uce（on）约为25。5集电极最大电流 ICM该参数表征 IGBT 的电流容量。由于 IGBT 大多工作在开关状态，因而 ICM 更具有 实际意义，只要不超过额定结温（ 1500C）， IGBT 就可以工作在 ICM 范围内。8.4.4 智能型器件 IPM在 IGBT 的基础上,到 20世纪 90年代，具有智能型的功率模块，即 IPM 发展起来，使弱电和强电达到了完美的结合，推动电子电力进入智能化时代。IPM 内部由 PWM 控制电路、故障检测和各种保护电路，以及采用带有电流传感器的 IGBT 芯片组成。IPM 的结构框图如图 8-14所示，它是由两个 IGBT 组成的桥路，集电极和发射极间 并有续流二极管。 IGBT 为双发射极结构