电力电子技术第四节

1、半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDRMURRMo单相半波整流电路。u2为工频正弦输入ug为晶闸管门极控制信号分析负载R两端得到的电压ud及晶闸管承受的电压uvt t021 t2ut2gu00t1： u20，但ug=0，VT不导通， i2=0， ud=0，uVT=u2t1：u20，触发VT（ug0），VT导通，uVT=0 ， ud=u2 2 ： u2=I1)(AVT1.57 I=I1)(AVTI=57. 1I1半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管维持电流维持电流 IH ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL

2、：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt: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转换的外加电压最大上升率通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt:在规定条件下，晶闸管能承受无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管o晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管双向晶闸管逆导晶闸管光控晶闸管a)b)IOUIG=0GT1T2b)UOIIG=0a)KGA典型

3、全控型器件典型全控型器件典型全控型器件n门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTOn电力晶体管电力晶体管 GTRn电力场效应晶体管电力场效应晶体管 Power MOSFETn绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTO门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGate-Turn-Off Thyristor ：晶闸管的一种派生器件,多元集成的结构。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。AKGGTO电气图形符号门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO能够通过门极关断的原因（与能够通过门极关断的原因（与普通晶闸管区别）：普通晶闸管区别）：导通时饱和程度低，接近临

4、界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 使晶体管V2电流增益较大，控 制灵敏，起主要作用，易于控制GTO。多元集成结构，能从门极抽出较大电流。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO的主要参数的主要参数（1）最大可关断阳极电流）最大可关断阳极电流IATO（2）电流关断增益）电流关断增益 off：最大可关断阳极电流与门极负脉冲最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值电流最大值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

5、。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 。 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO性能特点：性能特点：GTO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应用。现在最大容量6KV/4KA，开关速度10微秒级，开关频率110KHZ，略高于晶闸管。导通压降2-3V、比晶闸管略高。电流型驱动器件，所需驱动电路功率较大。实际使用时，常做成逆导型逆导型器件。电力晶体管电力晶体管 GTR电力晶体管电力晶体管GTRGiant Transistor：耐高电压、大电流的双极结型晶体管。与普通的双极结型晶体管原理基本相同。

6、采用集成电路工艺将许多单元并联而成 。GTR电气图形符号电力晶体管电力晶体管GTRGTR 静态特性静态特性：共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。共发射极接法 GTR输出特性电力晶体管电力晶体管GTRGTR工作特点：工作特点：应用中，GTR一般采用共射接法，通过基极电流控制极电极电流。GTR的电流放大系数电流放大系数 ：集电极电流ic与基极电流ib之比 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益.不存在内部的电流正反馈，开关特性好于GTO

7、。bcii=电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFET电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFETPOWER MOSFET采用多元集成结构的金属氧化物绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor FET）N+N+N-SGDPPN+N+N+沟道N沟道沟道MOSFET结构剖面示意图结构剖面示意图电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFETN沟道增强型电力沟道增强型电力MOSFET工作原理工作原理截止：截止：栅源极间电压为零时， PN结反偏，即使漏源极间加正电源，漏源极之间无电流流过。导电：导电：在栅源极间加正电压(UGS0) ，当UGS大于UT时，P型半

8、导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。漏源极之间有寄生二极管，漏源极漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。间加反向电压时器件导通。电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFET分类：分类：按导电沟道性质分：按导电沟道性质分：N沟道和P沟道。按导电沟道的变化趋势按导电沟道的变化趋势：增强型和耗尽型。电力电力MOSFET主要是主要是N沟道沟道增强型增强型,栅极电压大于零时产生N型导电沟道。P沟道N沟道电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFET电力电力MOSFET的静特性：的静特性： 转移特性：转移特性：漏极电流ID和栅源间电

9、压UGS关系跨导跨导Gfs： ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导电力MOSFET的转移特性为了保证较小的导通电阻（大跨导），一般UGS设置较大（ UGS 10v）电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFET电力电力MOSFET的静特性：的静特性：漏极伏安特性漏极伏安特性：在不同栅源电压下，漏极电流随漏源电压的变化特性。截止区饱和区非饱和区电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET的输出特性电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFET电力电力MOSFET的动特性：的动特性：开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(

10、on)上升时间上升时间tr开通时间：开通时间：ton= td(on) +tr关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off）下降时间下降时间tf关断时间：关断时间：toff= td(off）+tf 电力MOSFET的开关过程iDOOupttttd(on)trtd(off)tf电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFET电力电力MOSFET的主要参数的主要参数:漏极电压UDS电力MOSFET电压定额漏极直流直流电流ID，漏极脉冲电流幅值IDM 电力MOSFET电流定额栅源电压UGS UGS20V将导致绝缘层击穿极间电容极间电容CGS、CGD和CDS电力场效应管电力场效应管 POWER MOSFET电力电力 MOSFET的特点的特点:场控器件，用栅极电压来控制器件的通断，静态时几乎不需输入电流。需要的驱动功率小，驱动电路简单。关断过程非常迅速，开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。通态电阻较大，电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置导通电阻具有正温度系数电力晶体管电力晶体管GTRGTR 静态特性静态特性：共发射极接法 GTR输出特性放大区放大区：对Ib放大，直流电流放大倍数b