第1章电力电子器件(NEW)

1、 电力电子技术电力电子技术主讲：王主讲：王 辉辉 湖南大学湖南大学电气与信息工程学院电气与信息工程学院工程楼工程楼1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.3 晶闸管晶闸管 第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.2 电力二极管电力二极管1.6 新型电力电子器件及技术新型电力电子器件及技术 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 一、一、电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征二、二、应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成三、三、电力电子器件的分类电力电子器件的分类u 概念概念: :电力电子器件电力电子器件（Power

2、Electronic Device） 。主电路（主电路（Main Power CircuitMain Power Circuit） 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。一、电力电子器件的概念和特征一、电力电子器件的概念和特征 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述u电力电子器件基本模型电力电子器件基本模型电力电子器件的理想理想开关模型 三个电极：其中三个电极：其中A A和和B B代表开关的两个主电极，代表开关的两个主电极，K K是控是控 制开关通断的控制极；制开关通断的控制极；工作在工作在“通态通态”和和“断态断态”状态：通态时其电阻为状态：通态时其电阻为零，断

3、零，断 态时其电阻无穷大。态时其电阻无穷大。 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述u电力电子器件的特征电力电子器件的特征电力电子器件一般都工作在开关状态。主要进行电功率的处理，其能力一般远大于信息电子器件。电力电子器件往往需要由信息电子电路来驱动控制。电力电子器件功率损耗较大，远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。主要损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗通态损耗l通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。l器件开关频率较高时，开开关损耗关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子系统电力电子系统一般由控制电路、驱动电路和以电力电

4、子器件为核心的主电路组成 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述二、应用电力电子器件的系统组成二、应用电力电子器件的系统组成控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能广义上将主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电气隔离电气隔离，通过其它手段如光、磁等来传递信号。主

5、电路中有电压和电流的过冲，电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行。 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述u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n半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（ThyristorThyristor）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流决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。定的。n全控型器件全控型器件 目前最常用

6、的是目前最常用的是 IGBTIGBT和和Power MOSFETPower MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。n不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power DiodePower 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。 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述三、电力电子器件的分类三、电力电子器件的分类u按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质n电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断的控制。来实现导通或者关断的控

7、制。n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定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现导信号就可实现导通或者关断的控制。通或者关断的控制。u按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ）n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脉冲信号来实现器件的开信号来实现器件的开通或者关断的控制。通或者关断的控制。n电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电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开通并流信号来使器件开通并维持维持在导通

8、状态或者关断并维持在阻断状在导通状态或者关断并维持在阻断状态。态。 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述3、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 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。 双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。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由单极型器件和双极型器件集成混合而 成，成， 也称混合型器件。也称混合型器件。 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述集成电路功率模块分立型集成度碳化硅、金刚石等硅（多晶硅和单晶硅）芯片材料复合型双极型单极型

9、载流子类型软恢复型硬恢复型反向电流衰减速度快速及超快速型普通型反向恢复速度势垒型结型导电机理不控型电压控制型电流控制型控制信号性质全控型半控型开关状态可控性可控型控制功能电力电子器件PN 1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 1.2 1.2 电力二极管电力二极管 一、一、电力二极管的结构符电力二极管的结构符号号二、二、电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性三、三、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数四、四、电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型一、电力二极管工作状态一、电力二极管工作状态AKAKa)IKAPNJb)c)AK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

10、个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。1、电力二极管的结构及符号、电力二极管的结构及符号一、电力二极管工作状态一、电力二极管工作状态2、电力二极管工作状态、电力二极管工作状态正向导通状态正向导通状态 即PN结外加正向电压时，处于导通状态，表现为低阻态。 但维持有1V左右的压降。反向截止状态反向截止状态 即PN结外加反向电压时，处于截止状态，表现为高阻态。 但维持有微弱的漏电流流通，也称反向饱和电流，一般为微安级，几乎为零。PNPN结的反向击穿结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿电容效应电容效应 PN结的电荷量随外加电压而变化，故呈现电容效应电容效应。二、电力二极管基

11、本特性二、电力二极管基本特性1、电力二极管静态特性、电力二极管静态特性IOIFUTOUFU电力二极管伏安特性电力二极管伏安特性 门槛电压门槛电压UTO，正向电流，正向电流IF开开始明显增加所对应的电压。始明显增加所对应的电压。 与与IF对应的电力二极管两端的对应的电力二极管两端的电压即为其电压即为其正向电压降正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小而承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向数值恒定的反向漏电流漏电流。二、电力二极管基本特性二、电力二极管基本特性2、电力二极管动态特性、电力二极管动态特性 零偏置转换为正向偏置开关特性开关特性反映通态和断态之间的转反映通态和断态之间的转换过程换

12、过程关断过程：关断过程： 须经过一段短暂的时间才能重新获须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态得反向阻断能力，进入截止状态 在关断之前有较大的反向电流出现在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，并伴随有明显的反向电压过冲 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt正向偏置转正向偏置转换为反向偏换为反向偏置置开通过程：开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一电力二极管的正向压降先出现一个过冲个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于接，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如近稳态压

13、降的某个值（如 2V2V）。）。这一动态过程时间被称为正向恢复这一动态过程时间被称为正向恢复时间时间t tfrfr。延迟时间：t td d= = t t1 1- - t t0 0, , 电流下降时间：t tf f= = t t2 2- - t t1 1反向恢复时间：t trrrr= = t td d+ + t tf f三、电力二极管主要参数三、电力二极管主要参数1、正向平均电流、正向平均电流IF(AV)2、反向重复峰值电压、反向重复峰值电压URRM3、正向压降、正向压降UF4、反向恢复时间、反向恢复时间trr5）最高工作结温）最高工作结温TJM6、浪涌电流、浪涌电流IFSM四、电力二极管主要类

14、型四、电力二极管主要类型1、普通二极管、普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）;多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路;其反向恢复时间较长（5US以上）;正向电流定额和反向电压定额可以达到很高;2、快恢复二极管快恢复二极管( (快速二极管)Fast Recovery DiodeFRD）从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。快恢复外延二极管：快恢复外延二极管：（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（

15、可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。四、电力二极管主要类型四、电力二极管主要类型3. 肖特基二极管肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。肖特基二极管的弱点肖特基二极管的弱点p反向耐压提高时正向压降会提高很多，多用于200V以下场合。p反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点肖特基二极管的优点p反向恢复时间很短（可小于10ns）。p正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。p反向耐压较低时其正向压降（0.4-0.5V）明显低于快恢复二极

16、管(0.8-1V )。p效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。 1.3 1.3 晶闸管晶闸管 一、晶闸管的结构及工作状态一、晶闸管的结构及工作状态二、晶闸管双晶体管模型及工作原理二、晶闸管双晶体管模型及工作原理三、晶闸管的基本特性三、晶闸管的基本特性四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数五、晶闸管五、晶闸管的派生器件的派生器件 一、晶闸管的结构及工作状态一、晶闸管的结构及工作状态 1. 晶闸管结构及符号晶闸管结构及符号 四层四层PNPN结构，结构，三端器件（阳极三端器件（阳极A、阴极阴极K、门极、门极G）封装形式：螺栓封装形式：螺栓式、平板式、塑封式、平板式、塑封式。式。 一、

17、晶闸管的结构及工作状态一、晶闸管的结构及工作状态 2. 晶闸管基本工作电路晶闸管基本工作电路 A A、K K接正向电压，灯泡不燃亮接正向电压，灯泡不燃亮A A、K K接正向电压，接正向电压，G G、K K接负电压，接负电压，灯泡不燃亮灯泡不燃亮A A、K K接正向电压，接正向电压，G G、K K接正电压，接正电压，灯泡燃亮灯泡燃亮A A、K K接负向电压，灯泡不燃亮接负向电压，灯泡不燃亮A A、K K接负向电压，无论接负向电压，无论G G、K K接何接何种电压灯泡不燃亮种电压灯泡不燃亮灯泡燃亮后，撤除灯泡燃亮后，撤除G G、K K间电压或间电压或G G、K K间接负向电压，灯泡仍然燃亮间接负向

18、电压，灯泡仍然燃亮灯泡燃亮后，撤除灯泡燃亮后，撤除A A、K K间电压或间电压或A A、K K接负向电压，灯泡熄灭接负向电压，灯泡熄灭主回路：阳极、负载、电源主回路：阳极、负载、电源 及阴极构成的回路及阴极构成的回路控制回路：门极、控制电源控制回路：门极、控制电源 及阴极构成的回路及阴极构成的回路 一、晶闸管的结构及工作状态一、晶闸管的结构及工作状态 3. 晶闸管工作状态晶闸管工作状态 反向阻断：反向阻断：晶闸管施加反向阳极电压，不论门极是否晶闸管施加反向阳极电压，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。有触发电流，晶闸管都不会导通。正向阻断：正向阻断：未导通晶闸管施加正向阳极电压，无门极未

19、导通晶闸管施加正向阳极电压，无门极触发电流（无正向门极电压），晶闸管阻断触发电流（无正向门极电压），晶闸管阻断导通条件：导通条件：同时施加正向阳极电压和门极触发电流（同时施加正向阳极电压和门极触发电流（正向门极电压）。正向门极电压）。半控性：半控性：晶闸管导通后，门极就失去控制作用。晶闸管导通后，门极就失去控制作用。关断条件：关断条件：施加反向电压，或使晶闸管的阳极电流降施加反向电压，或使晶闸管的阳极电流降到接近于零的某一数值（到接近于零的某一数值（I IH H）以下）以下 。 二、晶闸管双晶体管模型及工作原理二、晶闸管双晶体管模型及工作原理 1. 晶闸管双晶体管模型晶闸管双晶体管模型 UAK

20、0时， J1,J3正偏 ,J2反偏 UAKIG1IG（1）正向伏安特性正向伏安特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。(雪崩击穿/非正常导通)Ig增加时，正向转折电压减小（2）反向伏安特性反向伏安特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。 三、晶闸管的基本特性三、晶闸管的基本特性 A2. 动态特性动态特性 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA正向压降先出现一个过冲UFP ，经过

21、一段时间才趋于接近稳态压降的某个值 ( 如 2V )。电流上升率越大，UFP 越高。开通时间tgt： tgt=td+ tr 延迟时间:td (0.5-1.5s) 上升时间:tr (0.5-3s)开通过程 三、晶闸管的基本特性三、晶闸管的基本特性 A100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA关断过程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和明显的反向电压过冲，这是非理想二极管诸因素综合作用的结果。关断时间关断时间t tq q： t tq q= =t trrrr+ +t tgrgr 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时

22、间: :t trrrr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间: :t tgrgr普通晶闸管的关断时间约几百普通晶闸管的关断时间约几百微秒微秒 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 A1. 电压参数电压参数 断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM在门极断路而结温为额定值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。时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM在门极断路而结温为额定值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。时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTMT

23、M晶闸管通以某一规定倍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。数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器件的中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量, ,一般取一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 23 3倍倍 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 A2. 电流参数电流参数 通态平均电流通态平均电流 ( ( 额定电流额定电流 ) ) I T(A V） 在环境温度为 40C

24、 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。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。（由通到断）擎住电流擎住电流 IL 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2 4 倍。浪涌电流浪涌电流 I TSM 指由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。 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 A晶闸管额定电流的确定晶闸管额定电流的确定: 原则原则:当晶闸管通过非正弦半波电流时当晶闸管通过非正弦半波电流时,采用电流有效值相等的采用电流有效值相

25、等的原则进行换算原则进行换算,计算得到计算得到I I T(AVT(AV）应留一定的裕量，一般取换算结果的应留一定的裕量，一般取换算结果的1.5-21.5-2倍倍步骤步骤: :1 1）计算实际波形的电流有效值）计算实际波形的电流有效值2 2）根据有效值相等的原则，计算出定义波形下的平均值）根据有效值相等的原则，计算出定义波形下的平均值3 3）将计算值乘以）将计算值乘以1.51.5或或2 2，即为所选晶闸管的电流定额，即为所选晶闸管的电流定额 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 A电流平均值的定义电流平均值的定义)()(21)(1200tdtidttiTITd电流有效值的定义电流有效值的定义

26、)()(21220tdtiI波形系数波形系数 的定义的定义dfIIK基本定义：基本定义： 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 A特定情况：正弦半波电流特定情况：正弦半波电流m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII正弦半波电流的有效值正弦半波电流的有效值I IT T通态平均电流通态平均电流I IT(AV)T(AV)57. 1)T(AVTfIIK波形系数波形系数iIm0tIT(AV) 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 A具体情况：非正弦半波电流确定具体情况：非正弦半波电流确定晶闸管定额晶闸管定额iIm0t2/2)(sin21MMdItt

27、dII22)()sin(212/2MMaItdtII22. 22dafIIK根据电流有效值相等的原则计算根据电流有效值相等的原则计算规定波形下通过晶闸管的平均流规定波形下通过晶闸管的平均流faAVTKII)(58. 357. 122MMII 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 A 特定波形下，导通角特定波形下，导通角不同，平均值与有效值关系也不一样，波形不同，平均值与有效值关系也不一样，波形系数与定义情况下有所不同，系数与定义情况下有所不同，越小波形系数越大，电流平均值越小波形系数越大，电流平均值I Id d、有、有效值效值I Ia a、波形系数、波形系数K Kf f具有如下关系：具有如

28、下关系：I Ia a=K=Kf f I Id d选择原则为：使实际运行的管子电流波形的有效值等于定义管子额定通选择原则为：使实际运行的管子电流波形的有效值等于定义管子额定通态平均电流态平均电流I IT(AV)T(AV)时的电流有效值时的电流有效值I Ia a ：I Ia a=K=Kf fI Id d=1.57I=1.57IT(AV)T(AV)当额定通态平均电流当额定通态平均电流I IT(AV)T(AV)为为100A100A，不考虑安全余量，实际允许的平均电，不考虑安全余量，实际允许的平均电流：流：I Id d=1.57=1.57I IT(AV) T(AV) /K/Kf f=1.57=1.571

29、00/2.22=71A100/2.22=71A给定了晶闸管的电流定额，实际给定了晶闸管的电流定额，实际允许的平均电流是多少？允许的平均电流是多少？ 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 A3.3.动态参数动态参数除开通时间除开通时间t tgtgt和关断时间和关断时间t tq q外，还有：外，还有： (1) (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶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闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率 (2)(2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率d

30、di i/d/dt t 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率响的最大通态电流上升率 五、晶闸管的派生器件五、晶闸管的派生器件 A1.1.快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFast Switching ThyristorFST)FST)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

31、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 五、晶闸管的派生器件五、晶闸管的派生器件 A2.2.双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTriode AC SwitchTRIACTRIAC或或Bidirectional triode thyristor

32、Bidirectional triode thyristor）a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管的电气符号和伏安特性可认为是一对反并联联接可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，有的普通晶闸管的集成，有两个主电极两个主电极T T1 1和和T T2 2，一个，一个门极门极G G，正反两方向均可触，正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管发导通，所以双向晶闸管在第和第在第和第IIIIII象限有对称象限有对称的伏安特性。通常用在交的伏安特性。通常用在交流电路中，因此不用平均流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额值而用有效值来表示其额定电流值。定电流值。 五、晶闸管的派生器件五、晶闸管的

33、派生器件 A3.3.逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorReverse Conducting ThyristorRCTRCT） 将晶闸管反并联一个二极将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集管制作在同一管芯上的功率集成器件；成器件； 具有正向压降小、关断时具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温间短、高温特性好、额定结温高等优点；高等优点； 逆导晶闸管的额定电流有逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流个是反并联二极管的电流b)a)UOIKGAIG=0逆导晶闸管的电气符号和伏安特

34、性 五、晶闸管的派生器件五、晶闸管的派生器件 A4.4.光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）又称光触发晶闸管，是利又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管发导通的晶闸管光触发保证了主电路与控光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重压核聚变装置中，占据重要的地位要的地位光强度强弱

35、b)AGKa)OUAKIA光控晶闸管的电气符号和伏安特性 1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件 一、门极可关断晶闸管一、门极可关断晶闸管二、电力晶体管二、电力晶体管三、电力场效应管三、电力场效应管四、绝缘栅双极晶体管四、绝缘栅双极晶体管 一、门极可关断晶闸管（一、门极可关断晶闸管（GTO)GTO) A1.GTO1.GTO的结构的结构 与普通晶闸管的与普通晶闸管的相同点相同点： PNPNPNPN四层半导体结构，外部引出阳四层半导体结构，外部引出阳极极A A、阴极、阴极K K和门极和门极G G。 和普通晶闸管的和普通晶闸管的不同点不同点：GTOGTO是一种多元的功率集成器件。是一种多元的功

36、率集成器件。 一、门极可关断晶闸管一、门极可关断晶闸管(GTO)(GTO) A 2、GTO的工作原理的工作原理 当图中开关当图中开关S S置于置于“1 1”时，时，I IG G是正向触发电流，控制是正向触发电流，控制GTOGTO导导通；通；S S置于置于“2 2”时，则门极加反向电流，控制时，则门极加反向电流，控制GTOGTO关断。关断。n基本工作电路基本工作电路 一、门极可关断晶闸管一、门极可关断晶闸管(GTO)(GTO) A 2、GTO的工作原理的工作原理n开通过程开通过程GTOGTO也可等效成两个晶体管也可等效成两个晶体管P P1 1N N1 1P P2 2和和N N1 1P P2 2N

37、 N2 2互连，互连，GTOGTO与晶闸管最大区别就是导通后与晶闸管最大区别就是导通后回路增益回路增益1 1+ +2 2数值不同，其中数值不同，其中1 1和和2 2分别为分别为P1N1P2P1N1P2和和N1P2N2N1P2N2的共基极电的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益流放大倍数。晶闸管的回路增益1 1+ +2 2常为常为1.151.15左右，而左右，而GTOGTO的的1 1+ +2 2非常非常接近接近1 1。因而。因而GTOGTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。条件。n关断过程关断过程当当GTOGTO已处于导

38、通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成I IG G，相当于将，相当于将I IC1C1的电的电流抽出，使晶体管流抽出，使晶体管N N1 1P P2 2N N2 2的基极电流减小，使的基极电流减小，使I IC2C2和和I IK K随之减小，随之减小，I IC2C2减小又使减小又使I IA A和和I IC1C1减小，这是一个正反馈过程。当减小，这是一个正反馈过程。当I IC2C2和和I IC1C1的减小使的减小使1 1+ +2 211时，等效晶时，等效晶体管体管N N1 1P P2 2N N2 2和和P P1 1N N1 1P P2 2退出饱和，退出饱和，G

39、TOGTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。关断。 一、门极可关断晶闸管一、门极可关断晶闸管(GTO)(GTO) A3、GTO特性特性 阳极伏安特性阳极伏安特性GTOGTO的开关特性的开关特性 二、电力晶体管（二、电力晶体管（GTRGTR） A1.GTR1.GTR的结构及工作原理的结构及工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结

40、构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动 二、电力晶体管（二、电力晶体管（GTRGTR） AGTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为 GTRGTR的的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对，反映了基极电流对集电极电流的控制能力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Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo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。cbii 二、电力晶体管（二、电

41、力晶体管（GTRGTR） A2. GTR的基本特性的基本特性 (1) 静态特性静态特性 共发射极接法时的典共发射极接法时的典型输出特性：型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和和饱和区饱和区。 在电力电子电路中在电力电子电路中GTRGTR工作在开关状态。工作在开关状态。 在开关过程中，即在在开关过程中，即在截止区和饱和区之间截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大过渡时，要经过放大区。区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce 二、电力晶体管（二、电力晶体管（GTRGTR） A(2) 动态特性动态特性u 开通过程开通过程延迟时间延迟时间t td d和上升时和上升时间间t

42、 tr r，二者之和为，二者之和为开开通时间通时间t tonon。u关断过程关断过程储存时间储存时间t ts s和下降时和下降时间间t tf f，二者之和为，二者之和为关关断时间断时间t toffoff 。GTRGTR的开关时间在几的开关时间在几微秒以内，比晶闸管微秒以内，比晶闸管和和GTOGTO都短很多都短很多 。ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd 二、电力晶体管（二、电力晶体管（GTRGTR） A3. GTR的主要参数的主要参数1、极限参数：、极限参数：电压极限参数：电压极限参数：

43、GTR上所加的电压超过规定值时，就会发生上所加的电压超过规定值时，就会发生击穿击穿。击穿电压不仅。击穿电压不仅和晶体管本身的和晶体管本身的特性特性有关，还与外电路的接法有关。有关，还与外电路的接法有关。 BUCBO 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUCEO 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUCER、 BUCES、发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压极和发射极间的击穿电压BUEBO 集电极开路的发射极集电极开路的发射极基极反向击穿电压基极反

44、向击穿电压 BUCEX 发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压存在基本关系：存在基本关系：实际使用实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比时，为了确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。低得多。 二、电力晶体管（二、电力晶体管（GTRGTR） A电流极限参数：电流极限参数：IC 集电极最大允许连续电流（正向恒定电流或正向交变电流平均集电极最大允许连续电流（正向恒定电流或正向交变电流平均值）值）ICM 集电极最大允许脉冲电流集电极最大允许脉冲电流测试时规定直流电流放大系数测试时规定直流电流放大系数hFE或或 下降到规定的下降到规定的1/2

45、2/3时所对应的时所对应的Ic。 实际使用时要留有较大裕量，只能用到实际使用时要留有较大裕量，只能用到IcM的的一半一半或或稍多一点稍多一点。IB 允许流过基极的正向恒定电流或正向交变电流的平均值允许流过基极的正向恒定电流或正向交变电流的平均值耗散功率耗散功率PCM 集电极最大允许的耗散功率。集电极最大允许的耗散功率。 温度温度Tj 最高允许结温最高允许结温Tc 器件工作的管壳温度器件工作的管壳温度 二、电力晶体管（二、电力晶体管（GTRGTR） A2、电特性参数：、电特性参数：UBE 、UBES 共发射极电路的基极共发射极电路的基极发射极直流电压发射极直流电压UCE 、UCES 共发射极电路

46、的集电极共发射极电路的集电极发射极直流电压发射极直流电压ICBO 发射极开路，集电极反偏时的集电极漏电流发射极开路，集电极反偏时的集电极漏电流ICEO 基极开路，集电极反偏时的集电极漏电流基极开路，集电极反偏时的集电极漏电流IEBO 集电极开路，发射极反偏时的发射极漏电流集电极开路，发射极反偏时的发射极漏电流hFE （ ） 共发射极电路中，在没有交流输入信号时的集电极电流共发射极电路中，在没有交流输入信号时的集电极电流 与基极电流之比与基极电流之比ton 晶体管开通时间晶体管开通时间toff 晶体管关断时间晶体管关断时间3、热特性参数、热特性参数Rj-c 集电极到管壳的热阻集电极到管壳的热阻R

47、 晶体管热阻晶体管热阻 二、电力晶体管（二、电力晶体管（GTRGTR） A4. GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区一次击穿（一次击穿（雪崩击穿）：雪崩击穿）：反偏集电结的空间电荷区发生载流子雪崩倍增时反偏集电结的空间电荷区发生载流子雪崩倍增时 Ic突然上升的现象。突然上升的现象。当当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，GTR首先出现首先出现的击穿的击穿二次击穿：二次击穿：一次击穿发生时如不有效地限制电流，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，增大到某个临界点时会突然急

48、剧上升，同时伴随着电压的陡然下降的现象同时伴随着电压的陡然下降的现象出现一次击穿后，出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器件的永久损一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对坏，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。危害极大。 。安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 将不同基极电流下二次击穿的临界点将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来连接起来，就构成了二次击穿临界线。，就构成了二次击穿临界线。 GTR工作时不仅不能超过最高电压工作时不仅不能超过最高电压 UceM，集，集电极最大电流电极最大电流

49、IcM和最大耗散功率和最大耗散功率PcM，也不能超，也不能超过过二次击穿临界线二次击穿临界线。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A1. 功率功率MOSFET结构及类型结构及类型也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称功率MOSFET（Power MOSFET）结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT） 特点用栅

50、极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于热稳定性优于GTRGTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW10kW的的功率电子装置功率电子装置 。三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A 功率MOSFET的种类 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P P沟道沟道和和N N沟道沟道 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道 增强型增强型对于对于N N（P

51、 P）沟道器件，栅极电压大于（小于）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道零时才存在导电沟道 功率功率MOSFETMOSFET主要是主要是N N沟道增强型沟道增强型三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A集成电路模块分立式器件集成度沟道沟道载流子类型单胞排列导电结构功率IPMPMMOSPMOSNHEXFETTMOSVDMOSVVMOSVMOSPMOSMOSFET三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） AN+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19导通时只有一种极性的载流子（多子）参与

52、导电，是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。功率MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列 结构与符号三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A常规常规MOSFETMOSFET存在问题：平面型结构存在问题：平面型结构 S、G、D处于同一平面，电流横向流动，电流容量不可能太处于同一平面，电

53、流横向流动，电流容量不可能太大；要获得大功率，可增大沟道宽大；要获得大功率，可增大沟道宽/长比（长比（W/L），但沟道长度受），但沟道长度受工艺限制，不能很小；增大管芯面积，但不经济，因此管子功率工艺限制，不能很小；增大管芯面积，但不经济，因此管子功率小，大功率难实现。小，大功率难实现。三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A获得高耐压、大电流器件方法获得高耐压、大电流器件方法垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大，很垂直导电结构：发射极和集电极位于基区两侧，基区面积大，很薄，电流容量很大。薄，电流容量很大。 N N- -漂移区：集电区加入轻掺杂

54、漂移区：集电区加入轻掺杂N N- -漂移区，提高耐压。漂移区，提高耐压。双重扩散技术：基区宽度严格控制，可满足不同等级要求。双重扩散技术：基区宽度严格控制，可满足不同等级要求。 集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压特性集电极安装于硅片底部，设计方便，封装密度高，耐压特性 好，好，在较小体积下，输出功率较大。在较小体积下，输出功率较大。三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A(a)LDMOS结构 （b）VVMOS结构 （c）VUMOS结构 （d）EXTFET结构 （e）VDMOS结构 （f）SJ MOSFET结构 功率功率MOSFETMOSFET内部

55、结构形式内部结构形式三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） AVMOSFET： 保留保留MOSFET的优点，驱动功率小；吸收的优点，驱动功率小；吸收GTR优点，扩展功率，主要优点，扩展功率，主要工艺：工艺：垂直导电结构；垂直导电结构； N N- -漂移区；双重扩散技术；漂移区；双重扩散技术；1VVMOSFET：美国雷达半导体公司：美国雷达半导体公司1975年推出年推出特点：特点：VGSVGS加电压后，形成反型层沟道，电流垂直加电压后，形成反型层沟道，电流垂直流动。流动。漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积漏极安装于衬底，可充分利用硅片面积N N- -漂移区，提高耐

56、压，降低漂移区，提高耐压，降低C CGDGD电容。电容。双重扩散可精确控制沟道长度。双重扩散可精确控制沟道长度。缺点：缺点：V型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改进：型槽底部易引起电场集中，提高耐压困难，改进：U型型MOSFET。三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） AVDMOSFET：垂直导电的双扩散：垂直导电的双扩散MOS结构结构 沟道部分是由同一扩散窗利用两次扩散形成的P型体区和N+型源区的扩散深度差形成的，沟道长度可以精确控制双重扩散。 电流在沟道内沿着表面流动，然后垂直地被漏极吸收。由于漏极也是从硅片底部引出，所以可以高度集成化。 漏源间施加电压

57、后，由于耗尽层的扩展，使栅极下的MOSFET部分几乎保持一定的电压，于是可使耐压提高。 在此基础上，各种性能上不断改进，出现新结构：TMOS、HEXFET、 SIPMOS、-MOS等。三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A多元集成结构 将成千上万个单元MOSFET（单元胞）并联连接形成。 特点：降低通态电阻，有利于电流提高。 多元集成结构使每个MOSFET单元沟道长度大大缩短，并联后，沟道电阻大大减小，对提高电流大为有利。 如：IRF150N沟道MOSFET，通态电阻0.045 提高工作频率，改善器件性能。 多元集成结构使沟道缩短，减小载流子渡越时间，并联结

58、构，允许很多载流子同时渡越，开通时间大大缩短，ns级。三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A2. 功率功率MOSFET工作原理工作原理n截止：截止： 当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，P基区与基区与N漂移区之漂移区之间形成的间形成的PN结结J1反偏，漏源极之间无电流流过。反偏，漏源极之间无电流流过。 n导通：导通：在栅极和源极之间加一正电压在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面，正电压会将其下面P区中的空穴推区中的空穴推开，而将开，而将P区中的少子区中的少子电子吸引到栅极下面的电子吸引到栅极下

59、面的P区表面。区表面。 当当UGS大于某一电压值大于某一电压值UT时，使时，使P型半导体反型成型半导体反型成N型半导体，该反型半导体，该反型层形成型层形成N沟道而使沟道而使PN结结J1消失，漏极和源极导电。消失，漏极和源极导电。 UT称为开启电压（或阈值电压），称为开启电压（或阈值电压），UGS超过超过UT越多，导电能力越强越多，导电能力越强，漏极电流，漏极电流ID越大。越大。 三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） A3. 功率功率MOSFET的特性的特性转移特性gmVGS关系曲线增强型耗尽型开启电压夹断电压V GS（OFF）n转移特性：ID与VGS关系曲线定

60、义：跨导gm，表示MOSFET的放大能力，提高宽/长比，可增大gm。GSDmVIg三、电力场效应管（功率三、电力场效应管（功率MOSFETMOSFET） An输出特性输出特性是MOSFET的漏极伏安特性。截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。 三、电力场效应管（功率三、电力场