第1章电力电子器件ppt课件

1、第一章第一章 电力电子器件电力电子器件 第一节第一节 晶闸管的结构与工作晶闸管的结构与工作原理原理 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性 第三节第三节 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 第四节第四节 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 第五节第五节 其他新型电力电子器其他新型电力电子器件件 本章小结本章小结 引言引言模拟和数字电子电路的基础模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电晶体管和集成电路等电子器件路等电子器件 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容： 对电力电子器件的概念、特点和分类等问题对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作了简要概

2、述作了简要概述 。 分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。一些问题。 引言引言电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件电力电子器件Power Electronic Device是是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。变换或控制的电子器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接主电路：在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。承担电能的变换或控制任务的电路。 广义上

3、电力电子器件可分为电真空器件和广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。 引言引言电力电子器件的特征电力电子器件的特征 所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。处理信息的电子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。在开关状态。 由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。而且需要驱动电路。 自身

4、的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。在其工作时一般都需要安装散热器。 引言引言通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗引言引言电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电力电子器件在实际应用中，一般是

5、由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。 电气隔离图图 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成引言引言按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指晶闸管主要是指晶闸管Thyristor及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。流决定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 通过控制信号既

6、可以控制其导通，又可以控制其关通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。断。 不可控器件不可控器件 电力二极管电力二极管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。引言引言按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 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。现导通或者关断的控制。 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定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。制。按照驱动信号的波形电力二极管除外按照驱动信号的波

7、形电力二极管除外 ） 脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。制。 电平控制型电平控制型 必须通过持续在控制端和公共端之间必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。阻断状态。 引言引言按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种载流子参与导电。由一种载流子参与导电。 双极型器件双极型器件 由电子和空

8、穴两种载流子参与导电。由电子和空穴两种载流子参与导电。 复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。也称混合型器件。 第一节第一节 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管晶闸管Thyristor是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。），以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室年美国贝尔实验室Bell Laboratories发明了晶闸管，到发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司

9、年美国通用电气公司General Electric开发出了世界上第一只开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。位。图图1-1 晶闸管及模块晶闸管及模块第一节第一节 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和管也主要有螺栓型和平板型两种

10、封装结构平板型两种封装结构 。 引出阳极引出阳极A、阴极、阴极K和门极控制端和门极控制端G三个联接端。三个联接端。 内部是内部是PNPN四层半四层半导体结构。导体结构。 图图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) 外形外形 b) 构造构造 c) 电气图形符号电气图形符号 第一节第一节 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图图1-3 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 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，按照晶体管工作原理，可列出如下方程：可列出

11、如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中式中1和和2分别是晶体分别是晶体管管V1和和V2的共基极电流增的共基极电流增益；益；ICBO1和和ICBO2分别分别是是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。第一节第一节 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。在晶体管阻断状态下，在晶体管阻断状态下，IG=0，而，而1+2是很小的。由是很小的。由上

12、式上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA阳极电流阳极电流将将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。实际上会维持有限值。 )(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式由以上式1-1）（1-4可得可得(1-5)第一节第一节 晶闸管的结构与工

13、作原理晶闸管的结构与工作原理第一节第一节 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外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du/dt过高过高 结温较高结温较高 光触发光触发这些情况除了光触发由于可以保证控制电路与这些情况除了光触发由于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主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段

14、。有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的当晶闸管承受正向电压时，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，不论门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能

15、利用外加电压和若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。数值以下。 第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性晶闸管的伏安特晶闸管的伏安特性性 正向特性正向特性 当当IG=0时，如时，如果在器件两端施果在器件两端施加正向电压，则加正向电压，则晶闸管处于正向晶闸管处于正向阻断状态，只有阻断状态，只有很小的正向漏电很小的正向漏电流流过。流流过。 如果正向电压如果正向电压超过临界极限即超过临界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增则漏电流急剧增大，器件开通大，器件开通 。 随着门极电

16、流随着门极电流幅值的增大，正幅值的增大，正向转折电压降低，向转折电压降低，晶闸管本身的压晶闸管本身的压降很小，在降很小，在1V左左右。右。 如果门极电流如果门极电流为零，并且阳极为零，并且阳极电流降至接近于电流降至接近于零的某一数值零的某一数值IH以下，则晶闸管以下，则晶闸管又回到正向阻断又回到正向阻断状态，状态，IH称为维称为维持电流。持电流。 图图1-6 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第二节第二节 晶闸管的特性晶闸管的特性反向特性反

17、向特性 其伏安特性类似二极管的其伏安特性类似二极管的反向特性。反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通时，只有极小的反向漏电流通过。过。 当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图图1-6 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+第二节第二节

18、晶闸管的特性晶闸管的特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的正反馈由于晶闸管内部的正反馈 过程需要时间，再加上外电路过程需要时间，再加上外电路 电感的限制，晶闸管受到触发电感的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是瞬时的。是瞬时的。 延迟时间延迟时间td (0.51.5s) 上升时间上升时间tr (0.53s) 开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随门极电流的增延迟时间随门极电流的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到外电闸管本身特性外，还受到外电 路电感的严重影响。提高阳极路电感的严重影响

19、。提高阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。 图1-8 晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于外电路电感的存在，原处由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时

20、间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。 在正向阻断恢复时间内如果重在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。图图1-8 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100%反向恢复反向恢复电流最大电流最大值值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第三节第三节 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态重复峰值电压断

21、态重复峰值电压UDRM 是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是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 峰值电压。峰值电压。 国标规定断态重复峰值电压国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压即为断态不重复峰值电压即 断态最大瞬时电压断态最大瞬时电压UDSM的的90%。 断态不重复峰值电压应低于正向转折电压断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是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是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。峰值电压。 规定反向重复峰值电压规定反向重复

22、峰值电压URRM为反向不重复峰值电压即反向为反向不重复峰值电压即反向 最大瞬态电压最大瞬态电压URSM的的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。第三节第三节 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通态峰值电压通态峰值电压UTUT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时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的瞬态峰值电 压。压。 通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRMUDRM和和URRMURRM中较小的标值作为该器件中较小的标值作为该器件的额定电压。的额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰选用时，一般取额定电压为

23、正常工作时晶闸管所承受峰值电压值电压2323倍。倍。电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV IT(AV） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为4040C C和规定的冷和规定的冷 却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半大工频正弦半 波电流的平均值。波电流的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。热效应来定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等即一般取其通态平均电流为按发热效应相等即有效值相等的有效

24、值相等的 原则所得计算结果的原则所得计算结果的1.521.52倍。倍。 第三节第三节 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，维持电流是指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。一般为几十到几百毫安。 结温越高，则结温越高，则IH越小。越小。 擎住电流擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号擎住电流是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。后，能维持导通所需的最小电流。 约为约为IH的的24倍倍 浪涌电流浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的指由

25、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。不重复性最大正向过载电流。第三节第三节 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从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。断态到通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，就会使晶闸电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通管误导通 。 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

26、而无有害影响的最大在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。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如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。损坏。第四节第四节 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管快速晶闸管Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶闸管和高频晶闸管。有快速晶闸管和高频晶闸管。 快速晶闸管的开关时间以及快速晶闸管的开关时间以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明显改善。明显改善。 从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒

27、，而高频晶闸管则为晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s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，选择快速晶闸管和高频晶闸管的由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。 第四节第四节 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管双向晶闸管Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对反并联联可以认为是一对反并

28、联联 接的普通晶闸管的集成。接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有对称的伏安特象限有对称的伏安特性。性。 双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。有效值来表示其额定电流值。图图1-12 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 第四节第四节 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管逆导晶闸管Revers

29、e Conducting ThyristorRCT） 是将晶闸管反并联一个是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。 图图1-13 逆导晶闸管的电气图形符号逆导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

30、四节第四节 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管光控晶闸管Light Triggered ThyristorLTT） 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闸管。照信号触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率晶闸管目前在高压大功率的场合。的场合。图图1-14 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏

31、安特性伏安特性 第五节第五节 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块1. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器晶闸管的一种派生器件，但件，但可以通过在门极施加可以通过在门极施加负的脉冲负的脉冲电流使其关断，因

32、而电流使其关断，因而属于全控属于全控型器件。型器件。 GTO的结构和工作原的结构和工作原理理 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半四层半导体结构。导体结构。 是一种多元的功是一种多元的功率集成率集成 器件，虽然外部同样器件，虽然外部同样引出个引出个 极，但内部则包含数极，但内部则包含数十个甚十个甚 至数百个共阳极的小至数百个共阳极的小GTO 元，这些元，这些GTO元的阴元的阴极和门极和门 极则在器件内部并联极则在器件内部并联在一起。在一起。 图图1-19 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 并联单元结构断面示

33、意图并联单元结构断面示意图 电气图形符号电气图形符号 1. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 图图1-20 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如图仍然可以用如图2-8所示的双晶体所示的双晶体管模型来分析，管模型来分析，V1、V2的共基极电流的共基极电流增益分别是增益分别是1、2。1+2=1是是器件临界导通的条件，大于器件临界导通的条件，大于1导通，导通，小于小于1则关断。则关断。 GTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同 设计设计2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制

34、控制 灵敏，易于灵敏，易于GTO关断。关断。 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，有利门极控制关断，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。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基区横向基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。电阻很小，能从门极抽出较大电流。 1. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。只不过导通时饱和程度较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流出电流，当两个

35、晶体管发射极电流IA和和IK的的减小使减小使1+21时，器件退出饱和而关断。时，器件退出饱和而关断。 GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受开通过程更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。 1. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管开通过程与普通晶闸管类似。类似。 关断过程关断过程 储存时间储存时间ts 下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长。要长。 门极负脉冲电流幅值门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，越大，前沿越陡， ts就越就越短。

36、使门极负脉冲的后沿短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在缓慢衰减，在tt阶段仍能阶段仍能保持适当的负电压，则可保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。以缩短尾部时间。图图1-21 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 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时抽取饱和导通时储存的大量载流储存的大量载流子的时间子的时间等效晶体管从饱等效晶体管从饱和区退至放大区，和区退至放大区，阳极电流逐渐减阳极电流逐渐减小时间小时间 残存残存载流载流子复子复合所合所需时需时间间 1. 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的主要参数的主要参

37、数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 用来标称用来标称GTO额定电流。额定电流。 电流关断增益电流关断增益off 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值与门极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。 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。的一个主要缺点。 开通时间开通时间ton 延迟时间与上升时间之和。延迟时间与上升时间之和。 延迟时间一般约延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而，上升时间则随通态阳极电流值的

38、增大而 增大。增大。 关断时间关断时间toff 一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。 储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。不少不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。压时，应和电力二极管串联使用。 2. 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管Giant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双

39、极结型晶体管大电流的双极结型晶体管Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。样的。 最主要的特性是耐压高、电流大、开关最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。特性好。 GTR的结构的结构 采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。成电路工艺将许多这种单元并联而成。 GTR是由三层半导体分别引出集电极、基极和发射极构成是由三层半导体分别引出集电极、基极和发射

40、极构成的两个的两个PN结集电结和发射结构成，多采用结集电结和发射结构成，多采用NPN结构。结构。2. 电力晶体管电力晶体管图图1-15 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) 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+表示高表示高掺杂浓掺杂浓度，度，-表表示低掺示低掺杂浓度杂浓度 2. 电力晶体管电力晶体管Iiiceobc空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib图图1-15 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动 iibc在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射

41、极接一般采用共发射极接法。集电极电流法。集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的电流放大系数，它反映了的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，时，ic和和ib的关系为的关系为 单管单管GTR的的 值比处理信息用的小值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为功率晶体管小得多，通常为10左右，采左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。用达林顿接法可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)2. 电力晶体管电力晶体管GTR的基本特性的基本特性

42、静态特性静态特性 在共发射极接法时的典在共发射极接法时的典 型输出特性分为截止区、放型输出特性分为截止区、放 大区和饱和区三个区域。大区和饱和区三个区域。 在电力电子电路中，在电力电子电路中， GTR工作在开关状态，即工工作在开关状态，即工 作在截止区或饱和区。作在截止区或饱和区。 在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时， 一般要经过放大区。一般要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘将导致绝缘层击穿。层击穿。 极间电容极间电容 CGS、CGD和和CDS。 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率

43、决漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR和和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管动电路简单。绝缘栅双

44、极晶体管Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或或IGT综合了综合了GTR和和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。的优点，因而具有良好的特性。 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作原的结构和工作原理理 IGBT的结构的结构 是三端器件，具是三端器件，具有栅极有栅极G、 集电极集电极C和发射极和发射极E。 由由N沟道沟道VDMOSFET与双与双 极型晶体管组合而成极型晶体管组合而成的的IGBT， 比比VDMOSFET多一层多一层P+注入注入 区，实现对漂移区电区，实现对漂移区电导率进行调导率进行调 制，使得制，使得IGBT具有很具有很强

45、的通流强的通流 才干。才干。 简化等效电路表简化等效电路表明，明，IGBT 是用是用GTR与与MOSFET组成的达组成的达 林顿结构，相当于一林顿结构，相当于一个由个由 MOSFET驱动的厚基驱动的厚基区区PNP晶晶 体管。体管。 图图1-27 IGBT的结构、的结构、简化等效电路和电气简化等效电路和电气图形符号图形符号a) 内部结构内部结构断面示意图断面示意图 b) 简化等简化等效电路效电路 c) 电气图形符电气图形符号号RN为晶体为晶体管基区内的管基区内的调制电阻。调制电阻。 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的工作原理的工作原理 IGBT的驱动原理与电力的驱动原理与电力MOS

46、FET基本相同，是一种场基本相同，是一种场控器件。控器件。 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。决定的。 当当UGE为正且大于开启电压为正且大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。导通。 当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得得IGBT关断。关断。 电导调制效应使得电阻电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压

47、的减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。也具有很小的通态压降。 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 转移特性转移特性 描述的是集电极电流描述的是集电极电流 IC与栅射电压与栅射电压UGE之间的之间的 关系。关系。 开启电压开启电压UGE(th)是是 IGBT能实现电导调制而能实现电导调制而 导通的最低栅射电压，随导通的最低栅射电压，随 温度升高而略有下降。温度升高而略有下降。 （a）图图1-29 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管输出特性伏安特性）输出特性伏

48、安特性） 描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电为参考变量时，集电极电流流IC与集射极间电压与集射极间电压UCE之间的关系。之间的关系。 分为三个区域：正向分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。阻断区、有源区和饱和区。 当当UCE0时，时，IGBT为为反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。 在电力电子电路中，在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。和区之间来回转换。 (b)图图1-29 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 b) 输出特性输出特性 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶

49、体管动态特性动态特性 开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on) 电流上升时间电流上升时间tr 电压下降时间电压下降时间tfv 开通时间开通时间ton= td(on)+tr+ tfv tfv分为分为tfv1和和tfv2两段。两段。 关断过程关断过程 关断延迟时间关断延迟时间td(off) 电压上升时间电压上升时间trv 电流下降时间电流下降时间tfi 关断时间关断时间toff = td(off) +trv+tfi tfi分为分为tfi1和和tfi2两段两段 引入了少子储存现象，因此引入了少子储存现象，因此IGBT的开关速度要低于电力的开关速度要低于电力MOSFET。 图图1-30

50、IGBT的开关过程的开关过程4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的主要参数的主要参数 前面提到的各参数。前面提到的各参数。 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES 由器件内部的由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电晶体管所能承受的击穿电压所确定的。压所确定的。 最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下

51、： 开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 在相同电压和电流定额的情况下，在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安的安全工作区比全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的大，而且具有耐脉冲电流冲击的才干。才干。 通态压降比通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较低，特别是在电流较大的区域。大的区域。 输入阻抗高，其输入特性与电力输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类类似。似。 与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的耐压和的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。的特点。 4. 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区 IGBT的擎住效应的擎住效应 在在IGBT内部寄生着一个内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开晶体管和作为主开关器件的关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN晶体晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横形体区的横向空穴电流会在该电阻