电力电子器件基础知识

1、1模块模块1：电力电子器件基础知识：电力电子器件基础知识n1.1 概述概述n1.2 电力二极管电力二极管n1.3 晶闸管晶闸管n1.4 门极关断晶闸管门极关断晶闸管n1.5 电力晶体管电力晶体管n1.6 电力场效应晶体管电力场效应晶体管n1.7 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管n1.8 其他新型功率开关器件其他新型功率开关器件n1.9 任务实施任务实施电力电子器件测试电力电子器件测试n1.10知识拓展知识拓展谐振软开关基本概念谐振软开关基本概念n小结小结21.1 概述概述n1.电力电子器件的发展电力电子器件的发展n2.电力电子器件的使用特点电力电子器件的使用特点n3.电力电子器件的分类电力电子

2、器件的分类n4.电力电子技术主要组成部分电力电子技术主要组成部分3晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代全控型器件迅速发展时期1957197019801990 2000t(年)电力电子器件发展电力电子器件发展4电力电子器件使用特点电力电子器件使用特点n1.导通压降导通压降n2.运行频率运行频率n3.器件容量器件容量n4.耐冲击能力耐冲击能力n5.可靠性可靠性5电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1）根据控制信号可 以控制的程度半控型器件（Thyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控导

3、通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。6 2）根据驱动信 号的类型 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关断的控制。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。 3）根据内部导 电载流子分单极型 器件内只有一种载流子（多数载流子）参与导电过程的半导体器件双极型 器件内电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件混合型 是指单极型和双极型器件的集成混合电力电子器件的分类电力电子器件的分类7电力电子技术主要组成部分电力电子技术主要组成部分8n交流变直流整

4、流（AC-DC变换器）n直流变交流逆变（DC-AC变换器）n直流变直流斩波（DC-DC变换器）n交流变交流交交变换（AC-AC变换器）电力电子技术主要组成部分电力电子技术主要组成部分9AKAKa)1.2 电力二极管电力二极管电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二

5、极管相同，它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同，以半导体以半导体PNPN结为基础；结为基础；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；由一个面积较大的由一个面积较大的PNPN结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。 IKAPNJb)c)图图1-1 1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) a) 外形外形 b

6、) b) 结构结构 c) c) 电气图形符号电气图形符号101.3 1.3 晶晶 闸闸 管管 晶闸管晶闸管(Thyristor)(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅为可控硅SCRSCR，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。器件。从从19581958年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品从低压小电流到高压大电流的系列产品 ；晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的晶闸管作为大功率的半导

7、体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对强电的控制强电的控制 ； 晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。曾经在许多领域中得到了广泛的应用。 11一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构晶闸管具有四层晶闸管具有四层PNPNPNPN结构，引出结构，引出阳极阳极A A、阴极、阴极K K和和门极门极G G三个联接端；三个联接端；晶闸管的常见封装外形有晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；螺栓型、平板型、塑封型；

8、晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图图1-2 1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) a) 外形外形 b) b) 结构结构 c) c) 电气图形符号电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G G12二、晶闸管的导通和关断条件二、晶闸管的导通和关断条件简单描述简单描述晶闸管晶闸管SCRSCR相当于一个半可控的、相当于一个半可控的

9、、可开不可关的单向开关。可开不可关的单向开关。图图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管的工作条件的试验电路13解释解释当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0时，且时，且EGk0，SCR才能才能导通导通。SCR一旦导通，门极一旦导通，门极G将失去控制作用将失去控制作用，即无论，即无论EG如何，均保持导通状态。如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流左右，主电路中的电流I由由R和和RW以及以及EA的大小决定；的大小决定；当当UAK0 同时同时 UGK0由导通由导通关断的条件：关断的条件：使流过使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降

10、低至维持电流以下。 (一般通过减小一般通过减小EA,直至直至EA0来实现。）来实现。）14RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图1-4 1-4 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) a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) b) 工作原理工作原理三、晶闸管的工作原理分析三、晶闸管的工作原理分析具体描述具体描述如果如果IG(门极电流门极电流)注入注入V2基极，基极，V2导通，产生导通，产生IC2（ 2IG ）。它同时。它同时为为V1的基极电流，使的基极电流，使V1导通，且导通，且IC1= 1IC2,IC

11、1加上加上IG进一步加大进一步加大V2的基极电流，的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使从而形成强烈的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通饱和导通，通过过SCR的电流由的电流由R确定为确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的结加一个三极管的饱和压降约为饱和压降约为1V。此时，将。此时，将I IG G调整为调整为0，即，即UGK0 0 产生产生I IGG V2 V2通通产生产生I IC2C2 V1 V1通通 I IC1C1 I IC2C2 出现强烈的正反馈，出现强烈的正反馈，GG极失去控制作用，极失去控制

12、作用，V1V1和和V2V2完全饱和，完全饱和，SCRSCR饱和导通。饱和导通。15晶闸管的阳极与阴晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极极间的电压和阳极电流之间的关系，电流之间的关系，称为称为阳极伏安特性阳极伏安特性。（见图（见图1-51-5）四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性IG =0=0图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向正向导通导通UBO正向正向特性特性反向反向特性特性雪崩雪崩击穿击穿161) 1) 正向特性正向特性 IG=0IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向

13、漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折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电压UboUbo，则漏电流急剧增大，器件开通。，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。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V1V左右。左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于导通期间，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零的某一数值IHIH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。以下，则晶闸管又回到正向阻

14、断状态。IHIH称为维持电流。称为维持电流。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性172) 2) 反向特性反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管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。的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。导致晶闸管发热损坏。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性181.

15、 1. 额定电压（额定电压（U UTnTn）1)1) 正向断态重复峰值电压正向断态重复峰值电压U UDRMDRM在门极断路而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结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。值电压。2)2) 反向阻断重复峰值电压反向阻断重复峰值电压U URRMRRM 在门极断路而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结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。值电压。3)3) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMTM晶闸管通以某一规定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。倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压

16、。五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数19通常取通常取晶闸管的晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器中较小的标值作为该器件的额定电压件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕。选用时，额定电压要留有一定裕量量, ,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压值电压2 23 3倍：倍：U UTnTn（）（）U UTMTM ( (在交流市电中在交流市电中U UTMTM311V)311V)一般来说，一般来说，SCRSCR的额定电压等级规范标准为：的额定电压等级规范标准为：100V100V1000V1000V，每，每100V1

17、00V一个等级；一个等级；1000V1000V3000V3000V，每每200V200V一个等级。一个等级。20举例：举例： 一一晶闸管用于相电压晶闸管用于相电压一一晶闸管用于相晶闸管用于相电压为电压为220V 的单相电路中时，器件的的单相电路中时，器件的电压等级选择如下：电压等级选择如下： 933.2V7 .6202322VUUnT）（考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：VUnT70021 2. 2. 额定电流（通态平均电流）额定电流（通态平均电流）I IT(AV)T(AV)定义：在环境温度为定义：在环境温度为+140度和规定的散热条件下，晶闸

18、管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（在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导）、正弦半波（导通角不小于通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值度）的电路中，结温稳定在额定值125度时度时所允许的通态平均电流。所允许的通态平均电流。n注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往注意：由于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，它是以电流的平均值而非有效值往按直流平均值来计算，它是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。作为它的电流定额。22闸管的通态平均电流闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值和正弦电流最大值Im之间

19、的之间的关系表示为：关系表示为： 正弦半波电流的有效值为：正弦半波电流的有效值为： 平均电流平均电流IT(AV)与有效值关系为：与有效值关系为： m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTII23n流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选用晶闸管时，电流电流参数还应取用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.52)倍的安全裕量，即倍的安

20、全裕量，即57. 1)25 . 1 ()(TAVTII式中式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值24 有一晶闸管的电流额定值有一晶闸管的电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过的电，用于电路中流过的电流波形如图所示，允许流过的电流峰值流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？分析：分析： I（TAV）=100A的晶闸管的晶闸管对应的电流有效值为：对应的电流有效值为： IT=1.57 I（TAV） 157A ；波形对应的电流有效值：波形对应的电流有效值： 考虑考虑2倍的安全雨量后得：倍的安全雨量后得： 举例：举例：MMItdII6121310

21、AIM3 .192157621251 1）通态平均电压通态平均电压U UT(AV)T(AV)：当晶闸管中流过额定电流并达：当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。通态平均电压值，称为通态平均电压。通态平均电压U UT(AV)T(AV)分为分为A A，对应为，对应为0.4V0.4V1.2V1.2V共九个组别。共九个组别。 2)2) 维持电流维持电流 I IH H ：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一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，一般为几十到几百毫安，与

22、结温有关，结温越高，则则I IH H越小越小3)3) 擎住电流擎住电流 I IL L：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，信号后， 能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为I IH H的的2 24 4倍。倍。3. 3. 其他参数其他参数264)4)断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du ud dt t ：在额定结温和门极：在额定结温和门极开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。阳极电压上升率称

23、为断态电压临界上升率。5 5）通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di id dt t ：在规定条件下，：在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。 27六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1 1、门极伏安特性、门极伏安特性 指门极电压与电流的关系指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只晶闸管的门极和阴极之间只有一个有一个PNPN结，结， 所以电压与所以电压与电流的关系和普通二极管的电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特伏安特性相似。门极

24、伏安特性曲线可通过实验画出，如性曲线可通过实验画出，如图图1-61-6所示。所示。28 2 2、门极几个主要参数的标准、门极几个主要参数的标准 1 1）门极不触发电压）门极不触发电压U UGDGD和门极不触发电流和门极不触发电流I IGD GD ： 不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极不触发电压为门极不触发电压U UGDGD，相应的最大电流称为门极，相应的最大电流称为门极不触发电流不触发电流I IGDGD。 ）门极触发电压）门极触发电压U UGTGT和门极触发电流和门极触发电流I IGTGT 在室温下，对晶闸管加上在室温下，对晶闸管加上V

25、V正向阳极电压时，正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发电流为门极触发电流I IGTGT，相应的门极电压称为门极触，相应的门极电压称为门极触发电压发电压U UGTGT。 ）门极正向峰值电压）门极正向峰值电压U UGMGM、门极正向峰值电流、门极正向峰值电流I IGMGM和门极峰值功率和门极峰值功率P PGMGM 29 一、双向晶闸管一、双向晶闸管 1.1.双向晶闸管的外形与结构双向晶闸管的外形与结构 双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其内部是一种螺栓式

26、和平板式。但其内部是一种NPNPNNPNPN五层结构五层结构引出三个端线的器件。如图引出三个端线的器件。如图1-71-7所示。所示。 双向晶闸管及其他派生晶闸管图图1-7 1-7 双向晶闸管双向晶闸管 302.2.双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第向部分位于第I I象限，反向部分位于第象限，反向部分位于第IIIIII象限。象限。双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为流之间的换算关系式为 )()()(45. 02RMSTRMS

27、TAVTIII313. 3. 双向晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：配合，可以得到四种触发方式：第一象限触发第一象限触发第二象限触发第二象限触发第三象限触发第三象限触发第四象限触发第四象限触发32包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸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（管和高频晶闸管（10kHz10kHz以上）；以上）；管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及管芯结构和制造工艺进

28、行了改进，开关时间以及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明显改善；耐量都有明显改善；普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，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；高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高；由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应；开关损耗的发热效应；FSTFST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。频下工作。二、快速晶

29、闸管二、快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)33 逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极逆导晶闸管是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，这种管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。反向电压即开通。三、逆导晶闸管三、逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）b)a)UOIKGAIG=0图图1-9 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性34四、四

30、、 光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）n光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。图图1-10 1-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性光强度强弱b)AGKa)OUAKIA35361.4 1.4 门极关断晶闸管（门极关断晶闸管（GTOGTO）与普通晶闸管的相同点：与普通晶闸管的相同点：PNPNPNPN四层半导体结四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门

31、极；构，外部引出阳极、阴极和门极；和普通晶闸管的不同点：和普通晶闸管的不同点：GTOGTO是一种多元的功是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小极的小GTOGTO元，这些元，这些GTOGTO元的阴极和门极则在器元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。件内部并联在一起。37导通：同晶闸管，导通：同晶闸管，AK正偏，正偏，GK正偏正偏关断：门极加负脉冲电流关断：门极加负脉冲电流383.特点特点n全控型全控型n容量大容量大n off5n电流控制型电流控制型GMGTOoffII 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

32、峰值要200A 391.5 1.5 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）n电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管Giant TransistorGTR，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），所以有时也称为Power BJT；n其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。401.电力晶体管简介电力晶体管简介nGTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/

33、2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。nGTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。411.电力晶体管简介电力晶体管简介422.电力晶体管的结构电力晶体管的结构n电力晶体管(Giant Transistor)简称GTR又称BJT

34、（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。433.电力晶体管的工作原理电力晶体管的工作原理n在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。nGTR通常工作在正偏(基极电流IB0)时大电流导通；反偏(基极电流IB0=时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。444.电力晶体管的工作特性电力晶体管的工作特性n一、静态特性一、静态特性n共发射极接法时

35、可分为三个工作区：n 截止区。在截止区内，IB0，UBE0，UBC0，UBE0，UBCIcS/，UBE0，UBC0，ICS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。454.电力晶体管的工作特性电力晶体管的工作特性n二、动态特性二、动态特性 GTR主要工作在截止区及饱和区，切换过程中会快速通过放主要工作在截止区及饱和区，切换过程中会快速通过放大区，这个开关过程即反映了大区，这个开关过程即反映了GTR的动态特性。的动态特性。当在GTR 基极施加脉冲信号时，GTR将作开关状态，在t0时刻加入正向基极电流，GTR经延迟延迟和上升阶段上升阶段后达到饱和区，故开通时间：ton= td+ tr当反向基极电流信号加

36、到基极时，GTR经存储存储和下降阶段下降阶段才返回截止区，则关断时间： toff= ts+ tf465.电力晶体管的主要参数电力晶体管的主要参数一、电压参数一、电压参数 1、集电极最高工作电压UCEM 2、饱和压降UCEsat二、电流参数二、电流参数 1、连续额定电流Ic， 2、集电极额定电流（最大允许电流） ICM 3、基极最大允许电流IBM 4、集电极最大允许耗散功率PCM476.6.二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区一、二次击穿现象一、二次击穿现象 二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是

37、雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿二次击穿。486.6.二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区一次击穿及二次击穿现象比较一次击穿及二次击穿现象比较一次击穿v集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿；v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v一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当达到某个临界

38、点时，Uce会突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿，v二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。必需避免。496.6.二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区二、安全工作区二、安全工作区 GTR能够正常运行的范围称为安全工作区（safe operating area ,SOA），以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB (二次击穿电压)与ISB (二次击穿电流)组成的PSB (二次击穿功率)是一个不等功率曲线。 防止二次击穿的办法是防止二次击穿的办法是：应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得

39、多。必须有电压电流缓冲保护措施。501.6 1.6 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFETMOSFET）N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 511.6 1.6 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFETMOSFET）52漏源极导通条件：漏源极关断条件：53n优点：驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高（所有电力电子器件中工作频率最高的）、输入阴抗高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽。n缺点：电流容量小、耐压低、通态电阻大等（故中适用于

40、中小功率电力电子装置中）n应用：中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器54一、静态特性一、静态特性1输出特性曲线输出特性曲线3、工作特性、工作特性552转移特性曲线转移特性曲线3、工作特性、工作特性56二、开关特性二、开关特性3、工作特性、工作特性开通时间为：开通时间为：ton=td(on)+tr关断时间为：关断时间为：toff=td(off)+tf57一、主要参数一、主要参数1、漏-源击穿电压U（BR）DS2、额定电流ID3、栅-源击穿电流U（BR）GS4、通态电阻Ron5、最大耗散功率PD4、主要参数及安全工作区、主要参数及安全工作区二、安全工作区二、安全工作区 由四条边界包围而成。58

41、1.7 1.7 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT） n 绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT（Insulated Gate Biopolar Transistor）,是80年代中期发展起来的一种新型。nIGBT综合了和的输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点。成为当前电力半导体器件的发展方向。591. 结构n复合结构（= EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)60驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，基本相同，属于场控器件，通断由栅射极电压通断由栅射极电压uGE决定决定导通条件：UGE大于开启电压大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成沟道，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通。关断条件：栅射极间施加反压或不加信号时，栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。关断。613.特点特点n高频，容量大高频，容量大n反向耐压低（必须反接二极管）反向耐压低（必须反接二极管）n模块化模块化n驱动和保护有专用芯片驱动和保护有专用芯片621.8 1.8 其他新型功率开关器件其他新型