学习情境二电力电子器件及其驱动保护1PPT课件

1、12.1.1 概念概念2.1.2 同处理信息的电子器件相比一般特征同处理信息的电子器件相比一般特征2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类2.1 第1页/共111页2电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换和控制的电子器件。主电路主电路（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。第2页/共111页3能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路（驱动电路）来控制。电力电子器件自身的功率损耗远

2、大于信息电子器件，一般都要安装散热器。第3页/共111页4 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗关断损耗关断损耗开通损耗开通损耗通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。可能成为器件功率损耗的主要因素。第4页/共111页5按照器件能够按照器件能够被控制的程度被控制的程度，分为以下三类，分为以下三类半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

3、。如晶闸管及其大部分派生器件其关断。如晶闸管及其大部分派生器件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。断，又称自关断器件。GTOGTO，MOSFETMOSFET，IGBTIGBT不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, , 因此也就不因此也就不需要驱动电路。如电力二极管需要驱动电路。如电力二极管第5页/共111页6 按照按照驱动电路信号驱动电路信号的性质，分为两类：的性质，分为两类：电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者

4、关断的控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。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制型电力电子器件。如晶闸管，制型电力电子器件。如晶闸管，GTOGTO，MCTMCT，IGCTIGCT。电压驱动型电压驱动型 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。这类电力电子器件称为电压驱就可实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电压驱动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或场

5、效应器件。如件或场效应器件。如MOSFETMOSFET，IGBTIGBT第6页/共111页7 按照载流子参与导电的情况，分为三类：单极性器件（单极性器件（MOSFET，SIT） 有一种载流子参与导电。有一种载流子参与导电。双极性器件（电力二极管，晶闸管，双极性器件（电力二极管，晶闸管，GTO，GTR，SITH） 由电子和空穴两种载流子参与导电的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（复合型器件（IGBT，MCT，IGCT） 由单极性器件和双极性器件集成混合而成的由单极性器件和双极性器件集成混合而成的器件器件第7页/共111页82.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二

6、极管的工作原理2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.2.5 电力二极管命名电力二极管命名第8页/共111页9 Power DiodePower Diode结构和原理简单，工作可靠，自结构和原理简单，工作可靠，自2020世世纪纪5050年代初期就获得应用。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，具有不可替代的和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。地位。第9页

7、/共111页10基本结构和工作原基本结构和工作原理与信息电子电路理与信息电子电路中的二极管一样。中的二极管一样。由一个面积较大的由一个面积较大的PNPN结和两端引线结和两端引线以及封装组成的。以及封装组成的。从外形上看，主要从外形上看，主要有有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-1 电力二极管的外形、结构和电气图形电力二极管的外形、结构和电气图形符号符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号阳极阴极第10页/共111页11 PN结的状态结的状态 状态状态参数参数正向导通正向导通反向截止反向截止反向击穿反向击穿电流电

8、流正向大正向大几乎为零几乎为零反向大反向大电压电压维持维持1V反向大反向大反向大反向大阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态二极管的基本原理就在于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结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿（高压）雪崩击穿（高压）齐纳击穿（低压）齐纳击穿（低压）两种击穿均可能导致热击穿两种击穿均可能导致热击穿第11页/共111页12 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，称为结电容结电容CJ，又，又称为称为微分电容微分电容。结电容按其产

9、生机制和作用的差别分为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和和扩散电容扩散电容CD。电容影响电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。结的工作频率，尤其是高速的开关状态。第12页/共111页13主要指其主要指其伏安特性伏安特性门槛电压门槛电压UTO，正向电流，正向电流IF开始明显增加所对应的电开始明显增加所对应的电压。压。与与IF对应的电力二极管两对应的电力二极管两端的电压即为其端的电压即为其正向电压正向电压降降UF 。承受反向电压时，只有微承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电小而数值恒定的反向漏电流。流。1) 静态特性静态特性图图2-2 电力二极管的伏安特性电

10、力二极管的伏安特性第13页/共111页142) 动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压- -电流特性随时间变化的电流特性随时间变化的特性特性 一般专指反映通态和断态之间转换过一般专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。程的开关特性。延迟时间：延迟时间：t td d= = t t1 1- - t t0 0, , 电流下降时间：电流下降时间：t tf f= = t t2 2- - t t1 1反向恢复时间：反向恢复时间：t trrrr= = t td d+ + tf正向恢复时间：正向恢复时间：t tfr fr恢复特性的软度：下降时间与延迟时间恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值的比值t

11、tf f / /t td d，或称恢复系数，用，或称恢复系数，用S Sr r表示。表示。图图2-3 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置t0PN结PN结第14页/共111页1) 额定电流（正向平均电流）额定电流（正向平均电流）IF(AV) 电力二极管的正向平均电流电力二极管的正向平均电流I I F(AV)F(AV)是指在规定的管壳温度和散热条件下允许是指在规定的管壳温度和散热条件下允许通过的最大通过的最大工频半波电流工频半波电流的平均值的平均值, , 元件标称的额定电流就是这个电流。

12、元件标称的额定电流就是这个电流。57. 1)25 . 1 ()(IIAVFF式中的系数式中的系数1.51.52 2是安全系数是安全系数201(sin)()22mFIItdt()()1.571.572FfFFAVFAVIKIII，电流的有效值：波形系数Kf：()01sin()2mF AVmIIItdt实际应用中，实际应用中，额定电流额定电流一般选择为一般选择为 fK电 流 有 效 值电 流 平 均 值正弦半波电流的波形系数Kf：ImIF(AV)第15页/共111页16下图为流过在电力二极管的电流波形下图为流过在电力二极管的电流波形。试计算该电流波形的平均值、。试计算该电流波形的平均值、有效值、波

13、形系数。若取安全系数为有效值、波形系数。若取安全系数为2 2，求额定电流为，求额定电流为100A100A的晶闸管实的晶闸管实际允许通过的平均值和最大值是多少？际允许通过的平均值和最大值是多少？2301( )23mdmIII d t23201( )0.5823mTmmIIId tI0.5813mfmIK =1.74IId1.57 100=45.12A2 1.74135.36mdIA=3I =3 45.12解：实际电流平均值解：实际电流平均值电流有效值电流有效值波形系数波形系数100A100A的晶闸管实际允许通过的电流平均值的晶闸管实际允许通过的电流平均值最大电流最大电流iIm2/32fAVTdk

14、II)25 . 1 (57. 1)(在给定晶闸管的额定电流之后，在给定晶闸管的额定电流之后，任意波形任意波形的实际允许电流平均值的实际允许电流平均值为为第16页/共111页172）正向平均电压正向平均电压UF在指定的管壳温度和散热条件下，元件通过在指定的管壳温度和散热条件下，元件通过50Hz50Hz正弦半正弦半波额定正向平均值电流时，元件阳极和阴极之间的电压平波额定正向平均值电流时，元件阳极和阴极之间的电压平均值均值，取规定系列级别称为，取规定系列级别称为，简称管压降，一般在，简称管压降，一般在0.451V之间之间3）（额定电压）反向重复峰值电压（额定电压）反向重复峰值电压URRM对电力二极管

15、所能重复施加的反向最高峰值电压。通常为对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常为击穿电压击穿电压UB的三分之二。的三分之二。使用时，若电力二极管所承受到的最大反向瞬时值电压使用时，若电力二极管所承受到的最大反向瞬时值电压UDM，则其额定电压一般选择为，则其额定电压一般选择为 URRM=（2323） UDM思考题：实际电路中反向最高峰值电压为思考题：实际电路中反向最高峰值电压为200V200V，选择二极管的，选择二极管的 U URRMRRM是是多少？多少？ 4）反向恢复时间反向恢复时间trr trr= td+ tf第17页/共111页185）最高工作结温TJM结温是指管芯结温是指管芯PN

16、PN结的平均温度，用结的平均温度，用T TJ J表示。表示。T TJMJM是指在是指在PNPN结不致损坏的前提下所能承受的最结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。高平均温度。T TJMJM通常在通常在125175125175 C C范围之内范围之内。6) 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工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。频周期的过电流。 第18页/共111页19 按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，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。特别是反向恢复特性的不同介绍。1) 普通二极管普通二极管（

17、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。其反向恢复时间较长，一般为5微秒以上。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高额定电流达数千安培,额定电压达数千伏以上。第19页/共111页20 2) 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）简称快速二极管简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFast Recovery Epitaxial DiodesFREDFRED），其），其t trrrr更短（可低于

18、更短（可低于50ns50ns），）， U UF F也也很低（很低（0.9V0.9V左右），但其反向耐压多在左右），但其反向耐压多在400V400V以下。以下。从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等两个等级。前者级。前者t trrrr为数百纳秒或更长，后者则在为数百纳秒或更长，后者则在100ns100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030ns2030ns。第20页/共111页21 3. 肖特基二极管肖特基二极管 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（势垒二极管（Schottky B

19、arrier Diode SBD）。）。肖特基二极管的肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V200V以下。以下。反向漏电流较大且对温度敏感，故反向稳态损耗不能忽反向漏电流较大且对温度敏感，故反向稳态损耗不能忽略，且必须严格地限制其工作温度。略，且必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的肖特基二极管的优点优点反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（1040ns1040ns）。）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。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（效反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢

20、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。率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。第21页/共111页22第22页/共111页232.3.1 引言引言 2.3.2 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2.3.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.3.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件第23页/共111页24晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整：晶体闸流管，可控硅整流器流器（Silicon Controlled RectifierSCR）19561956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。年美国贝

21、尔实验室发明了晶闸管。19571957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。19581958年商业化。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开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。代。2020世纪世纪8080年代以来，开始被全控型器件取代。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。量的场合具有重要地位。第24页/共111页25 图图2-4 晶闸管的外形晶闸管的外形a）d），电气图形符号），电气图形符号e），结构），结构f）外形

22、有外形有塑封型塑封型，螺栓型螺栓型和和平板型平板型三种封装。三种封装。有三个联接端。有三个联接端。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。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。第25页/共111页26常用常用晶闸管的结构晶闸管的结构第26页/共111页27 按晶体管的工作原理按晶体管的工作原理 ，得得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（2-2）（2-1）（2-3）（3-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基

23、极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。由以上式可得由以上式可得 ：)(121CBO2CBO1G2AIIII（2-5）图图2-5 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理第27页/共111页28在低发射极电流下在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建是很小的，而当发射极电流建立起来之后，立起来之后， 迅速增大。迅速增大。 阻断状态阻断状态：I IGG=0=0， 1 1+ + 2 2很小。流过晶闸管的漏电很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏

24、电流之和。流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致大以致 1 1+ + 2 2趋近于趋近于1 1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流I IA A，将趋近于无穷大，实现饱和导通。将趋近于无穷大，实现饱和导通。I IA A实际由外电路实际由外电路决定。决定。第28页/共111页29其他几种可能导通的情况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升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率阳极电压上升率d du u/d/dt t过高过高结温较高结温较高光触发光触发光触发可以保证控制

25、电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力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，称为设备中，称为光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）。）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。第29页/共111页30晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：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。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。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下

26、晶闸管才能开通。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。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下 。第30页/共111页311 1） 静态特性静态特性（1）正向特性正向特性I IG G=0=0时，器件两端施加时，器件两端施加正向电压，只有很小的正正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状向漏电流，为正向阻断状态。态。正向电压超过正向转折电正向电压超过正向转折电压压U Ubobo，则漏电流急剧增，则漏电流急剧增大，器件开通。大

27、，器件开通。随着门极电流幅值的增大，随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V1V左右。左右。正向正向阻断阻断反向反向阴断阴断图图2-6 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第31页/共111页32（2）反向特性反向特性反向特性类似二极管的反向特性类似二极管的反向特性。反向特性。反向阻断状态时，只有反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。闸管发热损坏。URO图图2-7 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安

28、特性IG2IG1IG第32页/共111页33(1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间td (0.51.5(0.51.5 s)s)上升时间上升时间tr (0.53(0.53 s)s)开通时间开通时间t tgtgt以上两者之和，以上两者之和， tgt=td+ tr t td d与门极电流有关，与门极电流有关， t tr r 与与晶闸管本身特性和外电路晶闸管本身特性和外电路的电感有关，的电感有关， t td d和和 t tr r与阳与阳极电压的大小有关。极电压的大小有关。2） 动态特性动态特性(2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关断时间

29、关断时间t tq q以上两者之和以上两者之和tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒普通晶闸管的关断时间约几百微秒图图2-8 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形第33页/共111页341）电压定额电压定额正向重复峰值电压正向重复峰值电压U UDRMDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许在门极断路而结温为额定值时，允许重重复加在器件上的正向峰值电压。复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重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。复加在器件上的反向峰值电压。重复峰值电压重

30、复峰值电压 （额定电压）（额定电压）U UTeTe 通常取晶闸管的通常取晶闸管的UD R M和和UR R M中较小中较小的标值作为该器件的的标值作为该器件的额定电压额定电压。URO选用时，一般取额定选用时，一般取额定电压为正常工作时晶电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压闸管所承受峰值电压23倍，即：倍，即：UTe=(23)UTM第34页/共111页3557. 1 /) 25 . 1 ()(TAVTII()01sin()2mT AVmIIItdt2 2）电流定额电流定额额定通态平均电流额定通态平均电流 I IT(AVT(AV）在环境温度为在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，晶闸管导通角和规定

31、的冷却状态下，晶闸管导通角不小于不小于170的电阻性负载电路中，当稳定结温不超过额定结的电阻性负载电路中，当稳定结温不超过额定结温时所允许流过的工频正弦半波电流温时所允许流过的工频正弦半波电流的平均值的平均值。将该电流按。将该电流按晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流额定电流。使用时应按使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。考虑来选取晶闸管。考虑1.52倍裕量。倍裕量。第35页/共111页36fAVTdkII)25 . 1 (57. 1)(201(sin)()22mTIItdt()()1.571.572TTT AVT AVdII

32、IIITfd，I波形系数:K =， 为任意波形的允许平均电流I电流波形的有效值：有效值与平均值之比：在给定晶闸管的额定电流在给定晶闸管的额定电流之后，任意波形的之后，任意波形的实际实际允允许电流平均值为许电流平均值为()01sin()2mT AVmIIItdt第36页/共111页37在半波整流电路中，晶闸管从在半波整流电路中，晶闸管从/3/3时刻开始导通。试计算该电流波形时刻开始导通。试计算该电流波形的平均值、有效值、波形系数。若取安全系数为的平均值、有效值、波形系数。若取安全系数为2 2，求额定电流为，求额定电流为100A100A的晶闸管实际允许通过的平均值和最大值是多少？的晶闸管实际允许通

33、过的平均值和最大值是多少？331sin()0.2424mdmmIIItdtI23113(sin)()0.462616TmmItdtIImfm0.46IK =1.920.24IId1.57 100=41A2 1.92171mIAdI41=0.240.24解：实际电流平均值解：实际电流平均值电流有效值电流有效值波形系数波形系数100A100A的晶闸管实际允许通过的电流平均值的晶闸管实际允许通过的电流平均值最大电流最大电流第37页/共111页38维持电流维持电流 I IHH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并晶

34、闸管刚从断态转入通态并移除触发信号移除触发信号后，后， 能维持导通所需的最能维持导通所需的最小电流。小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常I IL L约为约为I IH H的的2424倍倍。浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM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正向过载电流 。其有上下两个级，可作为设计保护电路的依据。其有上下两个级，可作为设计保护电路的依据。第38页/共111页393 3）动态参数动态参数 除开通时间除开通时间t tgtgt和关断时间和关断时间t tq q外，还有：外，还有：断

35、态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断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到通 态转换的外加电压最大上升率。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，就会使晶闸管误电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt t 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。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如果电流上升太快，可能

36、造成局部过热而使晶闸管损坏。第39页/共111页40(1)双向晶闸管的外形及结构双向晶闸管的外形及结构双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)是一种是一种NPNPN NPNPN 的五层三端的五层三端(T1(T1、T2T2和和G)G)元件，有四个元件，有四个PN PN 结。结。1)1)双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可认为是一对反并联联接的普可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。通晶闸管的集成。 有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门，一个门极极G。图图2-9 2-9 双向晶闸管双向晶闸管第

37、40页/共111页41(2) 伏安特性与参数伏安特性与参数有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个，一个门极门极G。在第在第和第和第IIIIII象限有对称的象限有对称的伏安特性。伏安特性。不用平均值而用有效值来表不用平均值而用有效值来表示其额定电流值示其额定电流值(I (IT T（RMSRMS）) )。双向晶闸管与普通晶闸管额双向晶闸管与普通晶闸管额定电流换算关系。定电流换算关系。()()()20.45T AVT RMST RMSTII图图2-10 2-10 双向晶闸管的电气图双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性第41页/共

38、111页42(3)触发方式 无论无论T1T1与与T2T2间的电压极性如何，给门极间的电压极性如何，给门极G G 和主电极和主电极T2T2间施加正间施加正触发电流触发电流( (I IG G从从G G 流入，从流入，从T2T2流出流出) )或负触发电流或负触发电流( (I IG G从从T2T2流入，从流入，从G G 流出流出) )，均能使双向晶闸管导通。根据施加于，均能使双向晶闸管导通。根据施加于T1T1和和T2T2间的电压间的电压极性与控制门极信号极性的不同，双向晶闸管有四种工作模式极性与控制门极信号极性的不同，双向晶闸管有四种工作模式( (见见表表1-1)1-1)。在不同工作模式下器件的触发灵

39、敏度不同，其中以。在不同工作模式下器件的触发灵敏度不同，其中以III+III+模模式的灵敏度最低。因此，实际应用中常用灵敏度较高的式的灵敏度最低。因此，实际应用中常用灵敏度较高的I-I-、III-III-模模式或式或I+I+、III-III-模式。模式。表表2 2-1 -1 双向晶闸管的工作模式双向晶闸管的工作模式第42页/共111页432) 2) 快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。开关时间以及开关时间以及d du u/d/dt t和和d di i/d/dt t耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。普

40、通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管秒，高频晶闸管1010 s s左右。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频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。应。第43页/共111页443) 逆导晶闸管逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）将晶闸管反并联一将晶闸管反并联一个二极管制作在同个二极管制作在同一管芯上的功率集一管芯上的功率集成器件。不具有承成器件。不具有承受反向电压的能力。受反

41、向电压的能力。具有正向压降小、具有正向压降小、关断时间短、高温关断时间短、高温特性好、额定结温特性好、额定结温高等优点。高等优点。a)KGA图图2-11 逆导晶闸管的电气图逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性第44页/共111页454) 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）又称光触发晶闸管，又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光是利用一定波长的光照信号触发导通的晶照信号触发导通的晶闸管。闸管。光触发保证了主电路光触发保证了主电路与控制电路之间的绝与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干缘

42、，且可避免电磁干扰的影响。扰的影响。因此目前在高压大功因此目前在高压大功率的场合。率的场合。AGKa)图图212 光控晶闸管的电气图形符号光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性第45页/共111页465) 5) 晶闸管的命名晶闸管的命名第46页/共111页472.4.1 引言 2.4.2 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理2.4.3 GTO的动态特性的动态特性2.4.4 GTO的主要参数的主要参数第47页/共111页48门极关断晶闸管门极关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶闸管的一种派生器件。晶闸

43、管的一种派生器件。可以通过在门极施加可以通过在门极施加负的脉冲电流负的脉冲电流使其关断。使其关断。GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管的电压、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接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。较多的应用。第48页/共111页49结构结构：与普通晶闸管的与普通晶闸管的相同点相同点： PNPNPNPN四层半导体结构，外四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的和普通晶闸管的不同点不同点：GTOGTO是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成器件。器件。图图2-13 GTO2-13 GTO的

44、内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号 a) a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) c) 电气图形符号电气图形符号AKGC）c)图 1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGKGKN2P2N2N1P1A第49页/共111页50工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图2-132-13所示的双晶体管模型来分析所示的双晶体管模型来分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图2-13 2-1

45、3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分别具有共分别具有共基极电流增益基极电流增益 1 1和和 2 2 。 第50页/共111页51GTOGTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别区别：设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控控 制制灵敏，晶体管灵敏，晶体管V1饱和度较浅，饱和度较浅，易于易于GTO控制。控制。导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通时，导通时接近临界饱和，有利门极控制接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压

46、降增大。关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区基区（较薄）横向电阻很小，能从（较薄）横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。门极抽出较大电流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图图2-14 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理第51页/共111页52 结论：结论：GTOGTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度饱和程度较浅较浅。GTOGTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。而关断。多元集成结构还使多元集成结构还使GTOGTO比普通晶闸管开通过程比

47、普通晶闸管开通过程快，承受快，承受d di i/d/dt t能力强能力强 。第52页/共111页53开通过程开通过程：与普通晶闸管相同：与普通晶闸管相同关断过程关断过程：与普通晶闸管有所：与普通晶闸管有所不同不同储存时间储存时间t ts s使等效晶体使等效晶体管退出饱和。管退出饱和。下降时间下降时间t tf f 等效晶体管等效晶体管从饱和区退至放大区，阳从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小。极电流逐渐减小。尾部时间尾部时间t tt t 残存载流子残存载流子复合。复合。通常通常t tf f比比t ts s小得多，而小得多，而t tt t比比t ts s要长。要长。门极负脉冲电流幅值越大，门极负脉

48、冲电流幅值越大，t ts s越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图图215 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形第53页/共111页54 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，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以下只介绍意义不同的参数。（1）开通时间开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12 s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。（2） 关断时间关断时间toff 一般指储存时间和下降

49、时间之和，不包括一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于尾部时间。下降时间一般小于2 s。不少不少GTO都制造成逆导型都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管类似于逆导晶闸管，需承需承受反压时受反压时，应和电力二极管串联应和电力二极管串联 。第54页/共111页55（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATOIATOGTO额定电流（总方均根值）。额定电流（总方均根值）。（4） 电流关断增益电流关断增益 offoff 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。GMATOoffII off一

50、般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 第55页/共111页56(5) 阳极尖峰电压阳极尖峰电压UP 是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关断电流线性增加，关断电流线性增加， UP过高可能导致过高可能导致GTO晶闸管失晶闸管失效。效。(6) 维持电流维持电流 是是指阳极电流减小到开始出现指阳极电流减小到开始出现GTO晶闸管不能维持导晶闸管不能维持导通的数值。通的数值。(7) 擎住电流擎住电流 是指是指GTO晶

51、闸管经门极触发后，阳极电流上升到保持晶闸管经门极触发后，阳极电流上升到保持所有所有GTO晶闸管元导通导通的最低值。晶闸管元导通导通的最低值。第56页/共111页572.5.1 引言引言2.5.2 GTR的结构和工作原理的结构和工作原理2.5.3 GTR的基本特性的基本特性2.5.4 GTR的主要参数的主要参数2.5.5 BJT BJT与晶闸管的性能比较与晶闸管的性能比较 第57页/共111页58术语用法术语用法：电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGiant TransistorGTRGTR，直，直译为巨型晶体管）译为巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（耐高电

52、压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Bipolar Junction TransistorJunction TransistorBJTBJT），英文有时），英文有时候也称为候也称为Power BJTPower BJT。 应用应用2020世纪世纪8080年代以来，在中、小功率范围内取代年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被晶闸管，但目前又大多被IGBTIGBT和电力和电力MOSFETMOSFET取代。取代。第58页/共111页59图图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、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内部结构断面示意图 b

53、) 电气图形符号电气图形符号 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动e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59页/共111页60在应用中，在应用中，GTRGTR一般采用共发射极接法。一般采用共发射极接法。集电极电流集电极电流i ic c与基极电流与基极电流i ib b之比为之比为 GTRGTR的的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控，反映了基极电流对集电极电流的控制能力制能力 。当考虑到集电极和发射极间的漏电流当考虑到集电极和发射极间的漏

54、电流I Iceoceo时，时，i ic c和和i ib b的关系为的关系为 单管单管GTRGTR的的 值比小功率的晶体管小得多，通常为值比小功率的晶体管小得多，通常为1010左右，左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。采用达林顿接法可有效增大电流增益。bciiic= ib +Iceo第60页/共111页61达林顿达林顿GTR1.R1，R2：稳定电阻，提供反向漏电流：稳定电阻，提供反向漏电流 通路，提高复合管的温度稳定性通路，提高复合管的温度稳定性2.VD1：加速二极管，为：加速二极管，为V2提供反向提供反向IB通路通路3.VD2：续流二极管：续流二极管1211211121212(1)()CC

55、CBBBIIIIII 1式中, =图图2-17 达林顿管达林顿管第61页/共111页62 1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典共发射极接法时的典型输出特性：型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和和饱和区饱和区。在 电 力 电 子 电 路 中在 电 力 电 子 电 路 中GTRGTR工作在开关状态。工作在开关状态。在开关过程中，即在在开关过程中，即在截止区和饱和区之间截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大过渡时，要经过放大区。区。图图2-18 共发射极接法时共发射极接法时GTR的的输出特性输出特性第62页/共111页632) 动态特性动态特性开通过程开通过程延迟时间延迟时间t td d和上升

56、时间和上升时间t tr r，二者之和为二者之和为开通时间开通时间t tonon。加快开通过程的办法加快开通过程的办法 ：增：增大大i ib b和和didib b/dt/dt。关断过程关断过程储存时间储存时间t ts s和下降时间和下降时间t tf f，二者，二者之和为之和为关断时间关断时间t toffoff 。加快关断速度的办法：减少导加快关断速度的办法：减少导通的饱和深度或增大基极抽取通的饱和深度或增大基极抽取负电流负电流I Ib2b2幅值和负偏压。幅值和负偏压。GTRGTR的开关时间在几微秒以内，的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和比晶闸管和GTOGTO都短很多都短很多 。ibIb1Ib2I

57、csic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图图2-19 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形第63页/共111页64 前已述及：电流放大倍数前已述及：电流放大倍数 、直流电流增益、直流电流增益h hFEFE、集射极间漏电流集射极间漏电流I Iceoceo、集射极间饱和压降、集射极间饱和压降U Ucesces、开通时、开通时间间t tonon和关断时间和关断时间t toff off ( (此外还有此外还有) )： 1)1) 最高工作电压最高工作电压 GTRGTR上电压超过规定值时会发生击穿。上电

58、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。法有关。BUBUcbocbo BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BuBuceoceo。实际使用时，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUBUceoceo低得多。低得多。第64页/共111页65 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM通常规定为通常规定为h hFEFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/31/21/3时所对应的时所对应的I Ic c 。实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到I Ic

59、McM的一半或稍多一的一半或稍多一点。点。 3)3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允许的耗散功率。最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给产品说明书中给P PcMcM时同时给出壳温时同时给出壳温T TC C，间接表示了最，间接表示了最高工作温度高工作温度 。第65页/共111页664) GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区一次击穿：一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，I Ic c迅速增大。迅速增大。只要只要I Ic c不超过限度，不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，工作特

60、性也不变。 二次击穿二次击穿：一次击穿发生时，一次击穿发生时，I Ic c突然急剧上升，电压陡然下降。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 。安全工作区安全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压最高电压UceM、集电极最大、集电极最大电流电流IcM、最大耗散功率、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图2-20 GTR的安全工作区的安全工作区第66页/共111页67项目晶闸管BJT最高耐压额定电流12000V4000