电力电子报告1-各种管子特性

1、一、 功率二极管1. 功率二极管结构及工作原理：功率二极管功率二极管(Power Diode) ,也常叫整流二极管，其结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。功率二极管包括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，具有不可替代的地位。基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。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两种封装。 a)b)c)图1-1 功率二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号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。正方向单向导电

2、、反方向阻断。 2. 功率二极管的基本特征：1) 静态特性 主要指其伏安特性，门坎电压UT，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。a)实际特性 b)理想特性图1-2 功率二极管的伏安特性 If（U） 2) 动态特性 二极管的电压-电流特性随时间变化的 结电容的存在 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。 图1-3功率二极管的动态过程波形 a)

3、零偏置转换为正向偏置b)正向偏置转换为反向偏置 a)开通过程 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压降的某个值（如 2V）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高 。b)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。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。二、 晶闸管1 晶闸管的结构和原理1.1 外形 外形有螺栓型和平板型两种封装型式； 引出阳极A、阴极K和门极G （控制端）三个联接端； 螺栓型封装，螺栓是其阳极，可与散热器紧密联接且安装方便； 平板型封装的晶闸管由两个散热器将其夹在中间1.2 工作原理l 正向电压： J2

4、结反向偏置，不导通；l 反向电压：J1、J3 结反向偏置，不导通；l 在正向电压时注入Ig：经V2 放大产生 IC2 , 形成V1的基流Ib1，又经 V1 放大形成 IC1 注入V2，最终形成正反馈，晶闸管导通；l 晶闸管导通后，撤掉Ig，晶闸管仍维持导通；l 关断：撤掉维持导通的正向电压或施加反向电压使其阳极电流 IA 下降到某一数值以下，晶闸管才能关断。 2 晶闸管的基本特性2.1 静态特性l 承受反向电压：不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通l 承受正向电压：仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通l 晶闸管导通后：门极就失去控制作用l 关断晶闸管：应使晶闸管的电流降到接近于零的某一

5、数值以下 l 晶闸管的伏安特性：正向伏安特性反向伏安特性图2-1 晶闸管伏安特性2.1.1 正向特性：器件施加正向电压，IG=0 时，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； 导通后其特性和二极管的正向特性相仿，压降很小，在1V左右 导通后，当IG0且IA降至接近于零的某一数值 IH 以下，晶闸管又回到正向阻断状态。IH 称为维持电流。2.1.2反向特性：器件上施加反向电压，其特性类似二极管反向特性；2.1.3门极伏安特性：门极和阴极之间的伏安特性称为门极伏安特性 门极触发电流是通过

6、在门极和阴极之间施加触发电压而产生的， 阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端； 为保证安全可靠的触发，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中。2.2 动态特性 图2-2 晶闸管的开通和关断过程波形2.2.1开通过程（特性图) 延迟时间td：从IG 阶跃起，到 IA 上升到稳态值的10%的时间； 上升时间tr：IA 从10%上升到稳态值的90%所需的时间； 开通时间tgt： tgt=td+ tr （16） 普通晶闸管延迟时间为：0.51.5ms，上升时间为：0.53ms。2.2.2关断过程（特性图) 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；

7、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的一段时间； 关断时间tq： tq=trr+tgr 约几百微秒 （17） 普通晶闸管的在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新导通。 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。三、 电力场效应晶体管(Power MOSFET)1. 电力MOSFET的结构及工作原理 电力MOSFET采取两次扩散工艺，并将漏极D移到芯片的另一侧表面上，使从漏极到源极的电流垂直于芯片表面流过，这样有利于减小芯片面积和提高电流密度。当漏极接电源正极，源极接电源负极，栅

8、源极之间电压为零或为负时，P型区和N-型漂移区之间的PN结反向，漏源极之间无电流流过。如果在栅极和源极间加正向电压UGS，由于栅极是绝缘的，不会有电流。但栅极的正电压所形成的电场的感应作用却会将其下面的P 型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的P型区表面。当uGS大于某一电压值UGS(th)时，栅极下面的P型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型反型成N型，沟通了漏极和源极。 此时，若在漏源极之间加正向电压，则电子将从源极横向穿过沟道，然后垂直(即纵向)流向漏极，形成漏极电流iD。电压UGS(th)称为开启电压，uGS超过UGS(th)越多，导电能力就越强，漏极电流iD也越大。2. 电力MOS

9、FET的特性2.1 转移特性 转移特性是指电力MOSFET的输入栅源电压uGS与输出漏极电流iD之间的关系，如图4-15a所示。由图可见，当uGS< UGS(th)时，iD近似为零；当uGSUGS(th)时，随着uGS的增大，iD也越大。当iD较大时，iD与uGS的关系近似为线性，曲线的斜率被定义为跨导gm，则有 a) b) 图2-3 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2.2 输出特性 输出特性是指以栅源电压uGS为参变量，漏极电流iD与漏源电压uDS之间关系的曲线，如图2-3所示。 l 截止区。uGSUGS(th)，iD=0，这和电力晶体管的截止区相对

10、应。l 饱和区。uGSUGS(th)，uDSuGS -UGS(th)，当uGS不变时，iD几乎不随uDS的增加而增加，近似为一常数，故称为饱和区。这里的饱和区对应电力晶体管的放大区。当用做线性放大时，MOSFET工作在该区。l 非饱和区。uGSUGS(th)，uDSuGS -UGS(th)，漏源电压uDS和漏极电流iD之比近似为常数。该区对应于电力晶体管的饱和区。当MOSFET作开关应用而导通时即工作在该区。2.3 开关特性 图2-4 电力MOSFET的开关过成 a) 测试MOSFET开关特性的电路 b) 开关特性曲线四、 绝缘栅双极晶体管(IGBT)1 IGBT结构与原理 1.1 结构 a)

11、 b) c)图4-1 1GBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a)内部结构 b)简化等效电路 c)电气图形符号1.2 工作原理IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种压控型器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当uGE为正且大于开启电压uGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流使其导通。当栅极与发射极之间加反向电压或不加电压时，MOSFET内的沟道消失，晶体管无基极电流，IGBT关断。 PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N沟道IGBT，记为N-IGBT，其电气图形符号如图4-19c所示。对应的还有P沟道IGBT，记为

12、P-IGBT。N-IGBT和P-IGBT统称为IGBT。由于实际应用中以N沟道IGBT为多。2 1GBT的基本特性2.1 转移特性与输出特性 a) b)图4-2 1GB性T的转移特性和输出特a)转移特性 b)输出特性图4-2a为IGBT的转移特性，它描述的是集电极电流iC与栅射电压uGE之间的关系，与功率MOSFET的转移特性相似。开启电压uGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。uGE(th)随温度升高而略有下降，温度升高1，其值下降5 mV左右。 图4-2b为IGBT的输出特性，也称为伏安特性，它描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流iC与集射极间电压uCE之间的关系

13、。此特性与GTR的输出特性相似，不同的是参考变量，IGBT为栅射电压uGE，GTR为基极电流iB 。IGBT的输出特性也分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。这分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。此外，当uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。2.2 动态特性图4-3 1GBT的开关过程IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间，tri 为电流上升时间。实际应用中

14、常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和，漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流