第1章电力电子器件2

1、第第1章章 电力电子器件电力电子器件 本章要点本章要点v功率二极管的结构、工作原理、特性、参数，选功率二极管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；用原则；v晶闸管、双向晶闸管的结构、工作原理、特性、晶闸管、双向晶闸管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；参数，选用原则；v可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（）、电力晶体管（GTR）、）、功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极）、绝缘栅双极型晶体管（型晶体管（IGBT）的结构、工作原理、特性、参）的结构、工作原理、特性、参数；数；1.1 功率二极管功率二极管1.1.1 功率二极管的结构和工作原理功率二

2、极管的结构和工作原理1 1、元件结构、元件结构 图图1-1图图1-2 2、工作原理、工作原理v由于由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。1.1.2 功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性图图1-31.1.3 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数1、正向平均电流（额定电流）、正向平均电流（额定电流）v指在规定的指在规定的环境温度环境温度和标准和标准散热条件散热条件下，管子允许长期通下，管子允许长期通过的过的最大工频半波最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就电流的

3、平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。是这个电流。2、正向压降（管压降）、正向压降（管压降）v是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正正向压降。向压降。dDI 3、反向重复峰值电压（额定电压）、反向重复峰值电压（额定电压）v反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM是功率二极管能重复施加的反向是功率二极管能重复施加的反向最高电压。一般在选用功率二极管时，以其在电路中可最高电压。一般在选用功率二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。URRM =0.8 UR

4、SM 4 4、反向恢复时间、反向恢复时间v反向恢复时间是指功率二极管反向恢复时间是指功率二极管从从正向电流降至零正向电流降至零起起,到到恢恢复反向阻断能力复反向阻断能力为止为止的时间。的时间。1.1.4 功率二极管的型号和选择原则功率二极管的型号和选择原则1 1、功率二极管的型号、功率二极管的型号 2.2.功率二极管的选择原则功率二极管的选择原则（1）选择额定正向平均电流）选择额定正向平均电流IdD的原则的原则v在规定的室温和冷却条件下，只要在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额所选管子的额定电流定电流IdD对应的有效值对应的有效值IDM大于管子在大于管子在电路中实际电路中实际可能通过的最

5、大电流有效值可能通过的最大电流有效值IDm 即可。考虑元件的即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。倍的安全裕量。计算公式为：计算公式为：57. 1)25 . 1 (DMdDII取相应标准系列值（2）选择额定电压的原则）选择额定电压的原则v选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的压）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压最大反向瞬时值电压 的的23倍，即倍，即DMU)32(RRMUDMU取相应标准系列值二极管的基本应用二极管的基本应用1

6、1 续流续流如图12(a)所示，为防止在开关器件S切断电感电路时， 电感产生的反向电势与电源叠加很大而对开关器件造成损坏， 特接入二极管，给电感电流提供一个继续流动的回路，以保证开关管S在关断时其两端电压不超过电源电压US，从而有效地避免因电感关断而在开关器件两端出现的高压。 2 2限幅限幅如图1-2（b）所示，当输入信号US变化范围很大时，利用二极管可以使信号电压的幅值限制在某个范围之内。设二极管的阈值电压为Uth，当US Uth时二极管导通，二极管被限制为正向导通电压。硅管的导通电压为0.7V，锗管的导通电压为0.3V。通过把几个二极管串联起来就可以得到不同的限副值。 3 3钳位钳位如图1

7、-2（c）所示，当负载RL改变时，只要二极管处于正偏导通时（电压高），则输出电压将UO等于电源电压Us和二极管UF的压降之和，与负载RL无关。即被钳位到。当二极管反偏截止时（电压低） ，将随RL的改变而改变，钳位电路失去作用。4 4稳压稳压稳压管的正常工作区是在反向击穿区，当二极管被反向击穿后，反向端电压基本不变。如图1-2（d）所示，当电源电压改变时，通过稳压二极管的反向电流改变，使串联电阻R上的压降改变，而使负载电压UO基本不变。 5 5 整流整流利用二极管正偏时导通、反偏时截止的特性可实现整流变换。由于二极管的通断只能由电源控制， 半波整流电路 单相桥式整流电路 （三种画法）1.2 晶闸

8、管晶闸管v晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。其导通时刻可控，能控制其关断的半控型器件。其导通时刻可控，满足了满足了调压要求调压要求。它具有体积小、重量轻、效率。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了特点，获得了广泛的应用广泛的应用。晶闸管也有许多派生。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（器件，如快速晶闸管（FST）、双向晶闸管）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管）和光控晶闸管（LATT）等。）

9、等。1.2.1 晶闸管的结构晶闸管的结构 1 1、晶闸管的结构、晶闸管的结构v具有四层具有四层PNPN结构、三端引出线结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常的器件。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。见的外形有两种：螺栓型和平板型。 图图1-4v2 2、结构和图形符号、结构和图形符号 图图1-41.2.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 1 1、晶闸管的导通、关断实验、晶闸管的导通、关断实验v由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触

10、发电路）。发电路）。 （a） (b) (c)图图1-5 图图1-5实验实验顺序顺序实验前实验前灯的情灯的情况况实验时晶闸管条件实验时晶闸管条件实验后实验后灯的情灯的情况况结论结论阳极电压阳极电压U UA A门极电压门极电压U UG G导导通通实实验验1 1暗暗反向反向反向反向暗暗晶闸管在反向阳极电压作用晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何电压，它下，不论门极为何电压，它都处于关断状态。都处于关断状态。2 2暗暗反向反向零零暗暗3 3暗暗反向反向正向正向暗暗1 1暗暗正向正向反向反向暗暗晶闸管在正向阳极电压与正晶闸管在正向阳极电压与正向门极电压的共同作用下，向门极电压的共同作用下，才能导通。

11、才能导通。图图6 62 2暗暗正向正向零零暗暗3 3暗暗正向正向正向正向亮亮关关断断实实验验1 1亮亮正向正向正向正向亮亮图图6 6已导通的晶闸管在正向阳极已导通的晶闸管在正向阳极作用下，门极失去控制作用。作用下，门极失去控制作用。2 2亮亮正向正向零零亮亮3 3亮亮正向正向反向反向亮亮4 4亮亮正向（逐渐正向（逐渐减小到接近减小到接近于零）于零）任意任意暗暗晶闸管在导通状态时，当阳晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，极电压减小到接近于零时，晶闸管关断。晶闸管关断。v2、实验说明、实验说明v3、实验结论、实验结论 通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两通过上述实验可知，晶闸管导

12、通必须同时具备两个条件个条件: （1）晶闸管主电路加正向电压。）晶闸管主电路加正向电压。 （2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。）晶闸管控制电路加合适的正向电压。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有通过使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的阳极电压减小到零或反向的方法来实现。来实现。 4、晶闸管的导通关断原理、晶闸管的导通关断原理 当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，当晶闸管阳极承受正向电压，

13、控制极也加正向电压时，形成了强烈的正反馈，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：正反馈过程如下： IGIB2IC2(IB1)IC1IB2 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图1-6 晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的本身的正反馈正反馈作用来维持，即使控制极电流消失作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将处于（饱和）晶闸管仍将处于（饱和）导通状态导通状态。因此，控制。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制

14、作用。要想关断晶闸管可采控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管可采用的方法有用的方法有: :将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。 P12P121.2.3 晶闸管的特性晶闸管的特性 1 1、晶闸管的伏安特性、晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸和晶闸管阳极电流管阳极电流IA之间的关系特性。之间的关系特性。图图1-7 （1）正向特性）正向特性v在门极电流在门极电流IG=0情况下，晶闸管处于断态，只有情况下，晶闸管处于断

15、态，只有很小的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，很小的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，达到达到正向转折电压正向转折电压UBO时，漏电流突然剧增，特时，漏电流突然剧增，特性从正向阻断状态突变为性从正向阻断状态突变为正向导通正向导通状态。正常工状态。正常工作时，不允许把正向电压加到转折值作时，不允许把正向电压加到转折值UBO，而是，而是从门极输入触发电流从门极输入触发电流IG，使晶闸管导通。门极电，使晶闸管导通。门极电流流愈大愈大阳极电压转折点阳极电压转折点愈低愈低。晶闸管正向导通后，。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。当当

16、IA小到等于维持电流小到等于维持电流IH时，晶闸管由导通变为阻时，晶闸管由导通变为阻断。断。 （2）反向特性）反向特性v是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安特性。晶闸管的反向特性特性。晶闸管的反向特性与与一般一般二极管二极管的反向特的反向特性性相似相似。当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管。当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值时，反向漏电流增加较快。再继续增大反向阳极时，反向漏电流增加较快。再继续增大反向阳极电压，会导致晶闸管电压，会导致晶闸管反向击穿反向击穿，造成晶

17、闸管的，造成晶闸管的损损坏。坏。 2、晶闸管的开关特性、晶闸管的开关特性(简介简介) P13 晶闸管的开关特性如图所示。晶闸管的开关特性如图所示。图图1-8ton=td+tr toff=trr+tgr 晶闸管开关特性的说明晶闸管开关特性的说明v第一段延迟时间第一段延迟时间td。阳极电流上升到阳极电流上升到10所需时间，所需时间，此时此时J2结仍为反偏，晶闸管的电流不大。结仍为反偏，晶闸管的电流不大。v第二段上升时间第二段上升时间tr，阳极电流由，阳极电流由0.1上升到上升到0.9所需所需时间，这时靠近门极的局部区域已经导通，相应时间，这时靠近门极的局部区域已经导通，相应的的J2结已由反偏转为正

18、偏，电流迅速增加。结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。v通常定义器件的开通时间通常定义器件的开通时间ton为延迟时间为延迟时间td与上升与上升时间时间tr之和。即之和。即 ton=td+trv电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间间toff。反向阻断恢复时间。反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间tgr之和之和。 toff=trr+tgr 1.2.4 晶闸管的主要参数1.2.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数(简介简介) v1、额定电压、额定电

19、压UTn(重点重点) （1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UDRMv在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM的的80%。 （2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRMv在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压此电压取反向不重复峰值电压URSM的的80%。v晶闸管的额定电压则取晶闸管的额定电压则取UDRM和和URRM的较小值且靠近的较小值且靠

20、近标准电压等级所对应的电压值。标准电压等级所对应的电压值。P14EXAMPLEv选择管子的额定电压选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的承受的最大峰值电压的23倍。倍。额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定为：电压在为：电压在1000V以下，每以下，每100V为一级；为一级；1000V到到3000V，每，每200V为一级。为一级。 晶闸管标准电压等级晶闸管标准电压等级v2、额定电流、额定电流I T(AV) (重点重点)v是指：在是指：在环境温度为环境温度为+40度度和规定的和规定的散热条件散热条

21、件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、）、正弦半波正弦半波（导通角不小于导通角不小于170度度）的）的电路中，电路中，结温稳定结温稳定在额定值在额定值125度时所允许的通态度时所允许的通态平均电流。平均电流。v注意：晶闸管是以电流的注意：晶闸管是以电流的平均值平均值而非有效值作为而非有效值作为它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整它的电流定额，这是因为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。流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。 它的通态平均电流它的通态平均电流IT(A V)和正弦电流最大值和正弦电流最大值Im之间

22、之间的关系表示为：的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为：正弦半波电流的有效值为： 式中式中 Kf为波形系数为波形系数 P15 m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTfIIKv流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。倍的安全裕量。vP15vE1-1 3、维持电流、维持电流IH v在室温和门极断路时

23、，晶闸管在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态已经处于通态后，后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。极电流。 4、擎住电流、擎住电流IL v晶闸管晶闸管刚刚从断态转换到通态时移去触发信号之后，从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流约为维持电流IH的的(24)倍。倍。 IL =（2-4） IH5、门极触发电流、门极触发电流IGTv在室温且阳极电压为在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸

24、管从直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。6、门极触发电压、门极触发电压UGT v对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和和IGT上限，但不应超过其峰值上限，但不应超过其峰值IGFM 和和 UGFM。v范围：范围： IGT - IGFM UGT - UGFM 7、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率du/ dt v在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态

25、转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。上升率会使晶闸管误导通。P17 8、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率di / dt v在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，在规定条件下，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晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成会使门极电流密度过大，从而造成局部过热局部过热而使而使晶闸管损坏。晶闸管损坏。1.2.5 晶闸管的型号、选择原则晶闸管的

26、型号、选择原则1、普通晶闸管的型号、普通晶闸管的型号KP额定电流等级-额定电压等级通态平均电压组别其中K代表晶闸管，P代表类型为普通型，可以替换为S（双向型），G（可关断型），N（逆导型）。额定电压值为额定电压等级乘以100，当额定电流小于100A时，通态平均电压组别可以不标。 组别组别ABCDE通态平均电通态平均电压（压（V）UT0.40.4UT0.50.5UT0.60.6UT0.70.7UT0.8组别组别FGHI通态平均电通态平均电压（压（V）0.8UT0.90.9UT1.01.0UT1.11.1UT1.2晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组 例如：KP100-12G，表示额定电流

27、为100A，额定电压为1200V，通态平均电压小于1V的普通型晶闸管。 2、普通晶闸管的选择原则、普通晶闸管的选择原则（1）选择额定电流的原则）选择额定电流的原则v在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值过的最大电流有效值 即可。考虑元件的过载能即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公倍的安全裕量。计算公式为：式为：v然后取相应标准系列值。然后取相应标准系列值。57. 1)25 . 1 (TMT(AV)I

28、ITMI（2）选择额定电压的原则）选择额定电压的原则v选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值作的电路中可能承受的最大反向瞬时值 电压电压的的23倍，即倍，即 然后取相应标准系列值然后取相应标准系列值。P17 E1-2TMU)32(TnUTMU例例1 1 一晶闸管接在220V交流回路中，通过器件的电流有效值为50，额定电压电流均考虑2倍的余量，问应选择多大的晶闸管？解解：晶闸管额定电压 VVUUTMTn622220222按晶闸管参数系列取700V ，即7级。 晶闸管的额定电流 AAIITAVT6457. 150257

29、. 12)(按晶闸管参数系列取100，所以选取晶闸管型号为KP100-7。到目前为止，世界上普通晶闸管的最大额定电流可达4000A，最大额定电压可达7000V，导通压降在1000V额定电压时为1.5V，在5000V额定电压时仅为3V。 1快速晶闸管快速晶闸管(FST) 快速晶闸管通常是指那些关断时间toff50、响应速度快的晶闸管。它的基本结构、伏安特性和符号与普通晶闸管完全一样；它的特点是：开通速度快，关断时间短，一般开通时间约为12，关断时间约为数微秒，比普通晶闸管快一个数量级。通态压降低，开关损耗小。有较高的通态电流临界上升率山及断态电压临界上升率。使用频率范围广，几十至几千赫兹。这种快

30、速晶闸管主要应用于直流电源供电的逆变器的斩波器中。快速晶闸管的型号用KK表示。 ss1.2.6 晶闸管的其它派生元件晶闸管的其它派生元件(简介简介)2 2逆导型晶闸管逆导型晶闸管(RCT)(RCT) 普通晶闸管表现为正向可控闸流特性，反向高阻特性， 称为逆阻型器件。而逆导型晶闸管是一个反向导通的晶闸管， 是将一个晶闸管与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上构成的新器件，如图117所示。逆导型晶闸管正向表现为晶闸管正向伏安特性，反向表现为二极管特性。与普通晶闸管相比，逆导型晶闸管有如下特点：正向转折电压比普通晶闸管高，电流容量大，易于提高开关速度，高温特性好(允许结温可达150以上)，减小了接线

31、电感，缩小了装置体积。逆导型晶闸管的型号用KN表示。 图1-17 逆导晶闸管 4. TRIACv双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。个方向均可用交流或直流电流触发导通。图图1-1212塑封式图图1-11P20图图1-13 双向晶闸管双向晶闸管( (TRIAC) p20) p20双向晶闸管TRIAC是一个NPNPN五层三端器件，有两个主电极T1、T2和一个门极G，触发信号加在T1极和门极G之间，它在正反两个方向电压下均可用同一门极

32、控制触发导通。 对双向晶闸管在门极G和主电极T1之间送入正触发脉冲电流(IG从G流入)或负脉冲电流(IG从G流出)均能使双向晶闸管导通。 根据T1、T2间电压极性的不同及门极信号极性的不同，双向晶闸管有4种触发和开通方式。v双向晶闸管在第双向晶闸管在第和第和第象限有对称的伏安特性象限有对称的伏安特性。图图1-14(1) 主电极T1相对T2电位为正的情况下，门极G和T1之间加正触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通工作在第一象限，称为I+触发方式。(2) 主电极T1相对T2电位为正的情况下，门极G和T1之间加负触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通工作在第一象限，称为I触发方式。(3) 主电极T

33、2相对T1电位为正的情况下，门极G和T1之间加正触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通工作在第三象限，称为+触发方式。(4) 主电极T2相对T1电位为正的情况下，门极G和T1之间加负触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通也工作在第三象限，称为触发方式。 双向晶闸管主要应用在交流调压电路中采用，正、负半波都工作；所以通态时的额定电流不像二极管和晶闸管那样按正弦半波电流平均值定义，而是用有效值来定义。 由额定电流的定义可知：在交流电流中一只有效值为IT的双向晶闸管能承载全波负载电流有效值为IT，半波负载电流为IT2；若用普通晶闸管，其额定电流应为0.45IT,。因此，电流为IT的双向晶闸管可代替两

34、只并联的电流额定值为0.45IT的普通型晶闸管。 p21 双向晶闸管的型号用KS表示。 双向晶闸管的型号双向晶闸管的型号表表1-6 双向晶闸管的主要参数双向晶闸管的主要参数1.3 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）1.3.1 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理1、GTO的结构的结构 GTO为四层为四层PNPN结构、三端引出线（结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的是：）的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为门极和阴极并联在一起，成为GTO元

35、元，而普通晶闸，而普通晶闸管是独立元件结构。下图是管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等的结构示意图、等效电路及电气符号。效电路及电气符号。图图1-15图图1-15图图1-15 2、GTO的工作原理的工作原理 （1）开通过程）开通过程vGTO也可等效成两个晶体管也可等效成两个晶体管P1N1P2和和N1P2N2互连，互连，GTO与晶闸管与晶闸管最大区别最大区别就是导通后就是导通后回路增益回路增益1+2数值不同，其中数值不同，其中1和和2分别为分别为P1N1P2和和N1P2N2的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益益1+2常为常为1.15左右，而左右，而

36、GTO的的1+2非常接近非常接近 1 (1.05)。因而。因而GTO处于处于临界饱和状态临界饱和状态。这为门极。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。负脉冲关断阳极电流提供有利条件。 （2）关断过程）关断过程v当当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成成IG，相当于将，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极的基极电流减小，使电流减小，使IC2和和IK随之减小，随之减小，IC2减小又使减小又使IA和和IC1减小，减小，这是一个正反馈过程。当这是一个正反馈过程。当IC2和和IC1的减小使的减小使1+21时，等

37、时，等效晶体管效晶体管N1P2N2和和P1N1P2退出饱和，退出饱和，GTO不满足维持导通不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。条件，阳极电流下降到零而关断。v由于由于GTO处于处于临界饱和临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于于深度饱和深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。1.3.2 GTO的特性和主要参数的特性和主要参数 (简介简介) 1、阳极伏安特性、阳极伏安特性 2、开通特性、开通特性 v 开通时间开通时

38、间ton由延迟时间由延迟时间td和上升时间和上升时间tr组成组成 3、关断特性、关断特性 vGTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时间的关断过程有三个不同的时间，即存储时间ts、下降、下降时间时间tf及尾部时间及尾部时间tt。v存储时间存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下降到降到90%IA为止的一段时间间隔。为止的一段时间间隔。v下降时间下降时间tf ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程。升和门极反电压开始建立的过程。v尾部时间尾部时间tt ：则是指从阳极电流降到

39、极小值时开始，直到：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。最终达到维持电流为止的时间。v GTO的关断特性的关断特性(开关电压、电流及门极电流波形开关电压、电流及门极电流波形)图图1-16 4、主要参数、主要参数 (简介简介) 与晶闸管不同的参数。与晶闸管不同的参数。p25 （1）最大可关断阳极电流）最大可关断阳极电流IATOv（2）关断增益）关断增益 off v（3）阳极尖峰电压）阳极尖峰电压 v（4）维持电流）维持电流v（5）擎住电流）擎住电流1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR） 电力晶体管也称巨型晶体管（电力晶体管也称巨型晶体管（GTRGiant Tran

40、sistor），是一种双极型、大功率、高反压晶），是一种双极型、大功率、高反压晶体管体管(Bipolar Junction Transistor-BJT)。GTR和和GTO一样具有自关断能力，属于电流控制型自关一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。断器件。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。关性能好、电流较大、耐压高等优点。GTR已实现已实现了大功率、模块化、廉价化。了大功率、模块化、廉价化。 1.4.1 GTR的结构与工作原理的结构

41、与工作原理v1、GTR的结构的结构 P25 F1-17v结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为B(基基极极)、C(集电极集电极)、E(发射极发射极)。GTR属三端三层两结的双极属三端三层两结的双极型晶体管，有两种基本类型，型晶体管，有两种基本类型，NPN型和型和PNP型。型。GTR的的基本结构及电气符号如下图所示。基本结构及电气符号如下图所示。图图1-18v2、GTR的工作原理的工作原理v以以NPN型晶体管为例，若外电源使型晶体管为例，若外电源使UBC0，则发射结的，则发射结的PN结结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：处于正偏状态。此时晶

42、体管内部电流分布为：v（1）由于）由于UBC0，发射结处于正偏状态，发射结处于正偏状态，P区的多区的多数载流子空穴不断地向数载流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流区扩散形成空穴电流IPE，N区的多数载流子电子不断地向区的多数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电区扩散形成电子电流流INE。1.4.2 GTR的特性与主要参数的特性与主要参数(简介简介) 1、 GTR的静态（输出）特性的静态（输出）特性 晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。 截止区：截止区：GTR的的e结和结和c结均承受高反偏电压，相当于开关断开。结均承受高反偏电压，相当于开关断开。 放大区：

43、放大区：e结正偏、结正偏、c结反偏，此时结反偏，此时GTR功耗很大。功耗很大。 饱和区：特点是饱和区：特点是e结和结和c结均正偏。结均正偏。GTR饱和导通，相当于开关饱和导通，相当于开关闭合。闭合。 GTR作开关时，其断态工作点须在截止区，通态工作点作开关时，其断态工作点须在截止区，通态工作点须在饱和区。须在饱和区。v共射极电路的输出特性曲线共射极电路的输出特性曲线 图图1-19 2、GTR的动态（开关）特性的动态（开关）特性 v晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。通和关断作用时采用开关工作方式。vGTR主要应用于

44、开关工作方式。主要应用于开关工作方式。v在开关工作方式下，用一定的正向基极电流在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去去驱动驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流导通，而用另一反向基极电流IB2迫使迫使GTR关断，由于关断，由于GTR 不是理想开关，故在开关过不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。程中总存在着一定的延时和存储时间。GTR的的开关响应特性开关响应特性v延迟时间延迟时间td：加入：加入IB1后一段后一段时间里，时间里，iC仍保持为截止状仍保持为截止状态时的很小电流，直到态时的很小电流，直到iC上上升到升到0.1I CSv上升时间上升时间tr：iC不断上升，

45、不断上升，直到直到iC=ICS，GTR进入饱和进入饱和状态。状态。tr指指iC从从0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需要的时间。所需要的时间。vGTR的开通时间的开通时间ton：延迟时：延迟时间间td和上升时间和上升时间tr之和。即之和。即 ton=td+tr图图1-20v当基极电流突然从正向当基极电流突然从正向IB1变为反向变为反向IB2时，时，GTR的集的集电极电流电极电流iC并不立即减小，仍保持并不立即减小，仍保持ICS，要经过一段时，要经过一段时间才下降。间才下降。v存储时间存储时间ts：把基极电流从正向：把基极电流从正向IB1变为反向变为反向IB2时到时到iC下降到下降到0.9I

46、CS所需的时间。所需的时间。v下降时间下降时间tf：iC从从0.9ICS下降到下降到0.1ICS所需的时间。所需的时间。v此后，此后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时这时BJT完全恢复到截止状态。完全恢复到截止状态。vBJT的关断时间的关断时间toff：存储时间：存储时间ts和下降时间和下降时间tf之和，即之和，即 toff=ts+tf 3、GTR的主要参数的主要参数(简介简介)v(1)电压参数电压参数v集电极的额定电压UCEMv既集电极的最高工作电压不可超过规定值，否则会出现击穿现象，它与GTR的本身特性及外电路的接法有关。常用BUCBO、

47、BUCEO、BUCES、BUCER和BUCEX表示。BUCBO为发射结开路时集基极的击穿电压；BUCEO为发射结开路时集射极的击穿电压；BUCES为发射结短路时集射极的击穿电压；BUCER表示基射间并联电阻时的基射击穿电压，随并联电阻的减小而增大；BUCEX表示基射极施加反偏电压时的集射极击穿电压。一般情况下BUCEO BUCEXBUCESBUCERBUCEO，GTR的最高工作电压UCEM应比最小击穿电压BUCEO低，从而保证元器件的工作安全。 v饱和压降UCESv单个GTR的饱和压降一般不超过11.5V，UCES随集电极电流的增大而增大。（2）最大电流额定值ICM和 IBM一般将电流放大倍数

48、下降到额定值的1/21/3 时集电极电流IC的值定为集电极最大电流ICM，使用时绝不能让IC值达到ICM，否则前面所说的三种物理效应会使GTR的电气性能变差，甚至于使器件损坏。基极电流的最大额定值IBM规定为内引线允许流过的最大基极电流，通常取IBM=(1/21/6) ICM。 （3）集电极最大耗散功率PCM PCM即GTR在最高允许结温TjM时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使GTR发热，在使用中要特别注意GTR的散热。 如果散热条件不好，器件会因温度过高而使迅速损坏。所以GTR使用时必须选配合适的散热器。 1 1二次击穿现象二次击穿现象二次

49、击穿是GTR突然损坏的主要原因之一，是它在使用中最大的弱点。二次击穿现象可以用图来说明。处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增加到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，出现击穿现象,但此时集电结的电压基本保持不变，这叫一次击穿一次击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要进入击穿区的时间不长，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，则当IC上升到某一数值时(A点)，UCE突然下降，而IC继续增大（负阻效应），这时进入低压大电流段，在极短的时间内，将使器件内出现明显的电流集中和过热点，导致管子被烧坏，这个现象称为

50、二次击穿二次击穿。为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中的瞬时功率不要超过集电极最大耗散功率PCM。一般说来，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。 1.4.3 GTR的二次击穿与安全工作区的二次击穿与安全工作区GTR的二次击穿 2安全工作区安全工作区安全工作区SOA（Safe Operation Area）是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流电压的极限范围，它受到GTR的直流极限参数ICM、PCM、电压容量BCEO及二次击穿等问题的限制，并由这四条限制界线所围成，如图1-21所示，阴影部分即为SOA。 图121 GTR安全工作区 1.5 功率场效应晶体管功

51、率场效应晶体管 v功率场效应晶体管，简称功率场效应晶体管，简称P-MOSFET。特点是：属电压全。特点是：属电压全控型器件、控制极静态内阻极高、驱动功率很小、工作频控型器件、控制极静态内阻极高、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽和跨导率高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽和跨导线性度高等。但线性度高等。但P-MOSFET的电流容量小、耐压低、功率的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。v根据导电沟道的类型可分为根据导电沟道的类型可分为N沟道和沟道和P沟道两大类；沟道两大类；v根据零栅压时器件的

52、导电状态分为耗尽型和增强型两类；根据零栅压时器件的导电状态分为耗尽型和增强型两类；v目前功率目前功率MOSFET的容量水平为的容量水平为50A500 V，频率为，频率为100kHz。1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理1、P-MOSFET的结构的结构vP-MOSFET和小功率和小功率MOS管导电管导电机理机理相同，但在结构上有相同，但在结构上有较大的区别。小功率较大的区别。小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其栅管是一次扩散形成的器件，其栅极极G、源极、源极S和漏极和漏极D在芯片的同一侧。而在芯片的同一侧。而P-MOSFET主要主要采用立式结构，其三个外引电极与小功率采

53、用立式结构，其三个外引电极与小功率MOS管相同，为管相同，为栅极栅极G、源极、源极S和漏极和漏极D，但不在芯片的同一侧。功率场效，但不在芯片的同一侧。功率场效应管的导电沟道分为应管的导电沟道分为N沟道和沟道和P沟道，栅偏压为零时漏源极沟道，栅偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为之间就存在导电沟道的称为耗尽型耗尽型，栅偏压大于零（，栅偏压大于零（N沟道）沟道）才存在导电沟道的称为才存在导电沟道的称为增强型增强型。v下图是下图是P-MOSFET的结构示意图和电气图形符号。的结构示意图和电气图形符号。图图1-22图图1-24v下图是下图是P-MOSFET的电气图形符号，图的电气图形符号，图a表示

54、表示N沟道功率沟道功率场效应管，电子流出源极；图场效应管，电子流出源极；图b表示表示P沟道功率场效应管，沟道功率场效应管，空穴流入源极。空穴流入源极。v从结构上看，从结构上看，P-MOSFET还含有一个还含有一个寄生二极管寄生二极管，该寄生，该寄生二极管的阳极和阴极就是功率二极管的阳极和阴极就是功率MOSFET的的S极和极和D极，它极，它是与是与MOSFET不可分割的整体，使不可分割的整体，使P-MOSFET无反向阻无反向阻断能力断能力。图中所示虚线为寄生二极管。图中所示虚线为寄生二极管。2、P-MOSFET的工作原理的工作原理v(1)栅源极电压栅源极电压UGS0时，栅极下的时，栅极下的P型区

55、表面呈现空穴堆积状态，型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使在漏源之间施加不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使在漏源之间施加电压，电压，MOS管也不会导通。如图管也不会导通。如图1-22a所示。所示。v(2)当栅源极电压当栅源极电压UGS0且不够充分时，栅极下面的且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时MOS管仍保持关断状态。管仍保持关断状态。如图如图1-22b所示。所示。v(3)当栅源极电压当栅源极电压UGS达到或超过一定值时，栅极下面的硅表面从达到或超过一定值时，栅极下面的硅表面从

56、P型反型成型反型成N型，形成型，形成N型沟道把源区和漏区联系起来，从而把漏型沟道把源区和漏区联系起来，从而把漏源沟通，使源沟通，使MOS管进入导通状态。如图管进入导通状态。如图1-22c所示。所示。1.5.2 P-MOSFET的特性和参数的特性和参数(简介简介) 1、转移特性、转移特性 转移特性是指在输出特性转移特性是指在输出特性的饱和区内，的饱和区内，UDS维持不变维持不变时，时，UGS与与ID之间的关系曲之间的关系曲线，如右图所示。转移特线，如右图所示。转移特性表征器件输入电压对输性表征器件输入电压对输出电流的控制作用和放大出电流的控制作用和放大能力。能力。 图中图中UT是是P-MOSFE

57、T的的开启电压开启电压(又称阀值电压又称阀值电压)。图图1-252、P-MOSFET的输出特性的输出特性图图1-25vP-MOSFET输出特性反映的是：输出特性反映的是：当当UGS一定时一定时， ID与与UDS间的关系曲线族间的关系曲线族.它分为它分为三个区域三个区域，即线性导电区，即线性导电区I，饱和恒流区饱和恒流区II和雪崩击穿区和雪崩击穿区III。v在线性导电区在线性导电区内，内，ID与与UDS几乎呈线性关系。几乎呈线性关系。v在饱和在饱和恒流恒流区区中，当中，当UGS不变时，不变时，ID趋于不变。趋于不变。v当当UDS增大至使漏极增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击结反偏电压过高

58、，发生雪崩击穿，穿，ID突然增加，此时进入雪崩区突然增加，此时进入雪崩区，直至器件损坏。，直至器件损坏。v当当P-MOSFET用作电子开关时，用作电子开关时，导通时导通时它必须工作在它必须工作在线性导电区线性导电区I。P-MOSFET无反向阻断能力，在无反向阻断能力，在D-S极极间加反向电压时器件导通，可看作是逆导器件。间加反向电压时器件导通，可看作是逆导器件。3、P-MOSFET的开关特性的开关特性 驱动信号图图1-26 4、P-MOSFET的的(简介简介) （1）漏源击穿电压）漏源击穿电压BUDS。 （2）栅源击穿电压）栅源击穿电压BUGS 。 （3）漏极最大电流）漏极最大电流ID。 （4

59、）开启电压）开启电压UT。 （5）通态电阻）通态电阻Ron。 （6）极间电容。）极间电容。 4、P-MOSFET的主要参数的主要参数 （1）漏源击穿电压BUDS：该电压决定了P-MOSFET的最高工作电压。 （2）栅源击穿电压BUGS ：该电压表征了P-MOSFET栅源之间能承受的最高电压。 （3）漏极最大电流ID：表征P-MOSFET的电流容量。 （4）开启电压UT：又称阈值电压，它是指P-MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。（ UT =2-4V） （5）通态电阻Ron：通态电阻Ron是指在确定的栅源电压UGS下，功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要

60、参数。 （6）极间电容：P-MOSFET的极间电容是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为CGS和CGD，它们由MOS结构的绝缘层形成，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是CDS，它由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。v厂家提供的是漏源短路时的输入电容Ci、共源极输出电容Cout及反馈电容Cf，它们与各极间电容关系表达式为 CiCGSCGD ；CoutCDSCGD ；CfCGDv显然，CiCout和Cf均与漏源电容CGD有关。 5、安全工作区、安全工作区(SOA) 功率MOSFET没有二次击穿问题，具有非常宽的安全工作区，特别是在高电压