电力电子技术课件程汉湘--第一章---电力电子器件-

1、Power Electronics广东工业大学第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结1Power Electronics广东工业大学1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点2Power Electronics广东工业大学1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.概念主电

2、路（Power Circuit） 在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件（Power Electronic Device) 直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2.分类电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已逐步被半导体器件取代）半导体器件（目前所指电力电子器件，采用材料任然是硅） 3Power Electronics广东工业大学电力电子器件是功率半导体器件（金属电导率106mhos-cm-1，良绝缘体10-15mhos-cm-1）。 1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电 子器件。

3、2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损 耗、提高效率，一般都工作在开关状态。3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器 件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需 要设计安装散热器。3 .特征4Power Electronics广东工业大学1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内

4、容和学习要点5Power Electronics广东工业大学1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子电路电力电子电路电力电子系统由控制电路、驱动电路、电力电子器件为核心的主电路组成6Power Electronics广东工业大学导通主电路中电力电子器件关断检测电路、驱动电路以外的电路控制电路由信息电路组成控制电路主电路电力电子系统检测电路检测主电路或应用现场信号通过驱动电路控制7Power Electronics广东工业大学主电路驱动电路检测电路控制信号电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离保护电路

5、 保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行8Power Electronics广东工业大学 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2主电路端子之间信号导通关断电力电子器件控制端主电流端子（公共端）驱动电路和主电路，是主电路电流流出电力电子器件的端子9Power Electronics广东工业大学1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点10Power Electronics广东工业大学1.1.3 电力电子器件的分类1.按照电力电

6、子器件能够被控制电路信号所控制的度分为以下三类半控型器件全控型器件通过控制信号可控制其导通而不能控制其关断晶闸管及其派生器件关 断主电路电流电压通过控制信号即可控制其导通又能控制其关断绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管自关断器件门极可关断晶体管处理兆瓦级大功率电能11Power Electronics广东工业大学广东工业大学不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路电力二极管不控型器件主电路通 断电流电压只有两个端子2. 按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质分为两类电流驱动型电压驱动型控制端通 断注入电流 抽出电流电压信号公共端控制端12Power Electro

7、nics广东工业大学3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：单极型器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件13Power Electronics广东工业大学1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点14Power Electronics广东工业大学1.1.4 本章内容和学习要点电力电子器件选择、使用时注意的问题 工作原理基本特征主要参数电力电子器件掌握基本特征型号命名法参数特

8、征曲线15Power Electronics广东工业大学第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结16Power Electronics广东工业大学1.2 不可控器件电力二极管逐步取代结构和原理简单工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管（半导体整流器）20世纪50年初获得应汞弧整流器应用快恢复二极管肖特基二极管中、高频电流逆变低压高频电流17Power Electronics广东

9、工业大学1.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型18Power Electronics广东工业大学1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号19Power Electronics广东工业大学N型半导体和P型半导体结合后构成P

10、N结图1-3 PN结的形成扩散运动 N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，造成各区多数载流子（多子）向另一区移动，到对方区成为少数载流子（少子）的运动。空间电荷 在界面两侧不能任意移动的正、负电荷。内电场（自建电场） 空间电荷建立的电场漂移运动内电场一方面阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内少子向本区运动。空间电荷区扩散运动和漂移运动达动态平衡，正、负空间电荷量达稳定值，形成稳定的由空间电荷构成的区域空间电荷区耗尽层阻挡层势垒区+P型区空间电荷区 N型区内电场20Power Electronics广东工业大学图1-3 PN结的形成多子的扩散运动少子的漂移运动扩散电流PN结外加电场PN结自建电场

11、方向相反形成自P区流入从N区流出的电流内部外电路造成空间电荷区变窄正向电流IF+P型区空间电荷区 N型区内电场21Power Electronics广东工业大学外加电压升高PN结的正向导通状态扩散电流增加自建电场削弱PN结流过的正向电流电阻值较高且为常数较小较大电阻率下降电导率增加电导调制效应PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。22Power Electronics广东工业大学PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。反向电流IR少子浓度很小，在温度一定

12、时漂移电流的数值趋于恒定PN结外加反向电压外电路电流N区流入P区流入出反向饱和流IS高电阻几乎没有电流流过PN结的反向截止状态23Power Electronics广东工业大学PN结的反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结反向偏置为截止的工作状态雪崩击穿齐纳击穿热击穿因热量散发不出PN结温度上升过热烧坏24Power Electronics广东工业大学结电容C J(微分电容)PN结中电荷量随外加电压变化，呈现电容效应势垒电容CB扩散电容CDPN结截面成正比阻挡层成反比大小正向电压较高正向电压较低仅在正向偏置时起作用外加电压变化时起作用结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开

13、关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。25Power Electronics广东工业大学1.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型26Power Electronics1.2.2 电力二极管的基本特性1.静态特性图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管静态特征伏安特征值定一到大压电向正正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态。承受反向电压时只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。广东工业大学正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。27Pow

14、er Electronics广东工业大学零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中电压电流特性随时间变化2.动态特性电力二极管的动态状态反映通态和断态之间过程的开关特性28Power Electronics广东工业大学图1-5电力二极管的动态过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置电力二极管的关断经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入截止状态。IRP电流过冲最大值URP电压过冲最大值td= t1-t0延迟时间tf= t2-t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间tf /td 恢复特性的软度， 用Sr表示a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURttF t0 URP在关断之前有较大的反向电流，

15、伴随明显的反向电压过冲。29Power Electronics广东工业大学图1-5电力二极管的动态过程波形b) 零偏置转换为正向偏置电力二极管的开通2V0tb)正向恢复时间tfr 电力二极管的正向压降出现过冲uFP，经过一段时间 接近稳态降压的某个值，这一动态过程时间。电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。2)正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大, UFP越高。30Power Electronics广东工业大学广东工业大学 注意：电流、电压反向问题 正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为

16、它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多； 但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（reverser-recovery time）以清除过剩载流子。31Power Electronics广东工业大学1.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型32Power Electronics广东工业大学1.2.3 电力二极管的主要参数正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值

17、相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有一定的裕量。 当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。 当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造成的发热效应也不小 。正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。33Power Electronics广东工业大学浪涌电流IFSM 电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。最高工作结温TJM 在PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175范围内。反向恢复时间trr 二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电

18、压34Power Electronics广东工业大学1.2 不可控器件电力二极管1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型35Power Electronics广东工业大学1.2.4 电力二极管的主要类型普通二极管(整流二极管）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 反向恢复时间长一般在5s以上正向电流定额和反向电压定额很高，分别可达数千安和数千伏以上 36Power Electronics广东工业大学快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（ 5s以下）的二极管，简称快速二极管

19、。工艺多采用掺金措施结构上采用PN结构 也有采用加以改进的PiN结构 采用外延型PiN结构快恢复外延二极管其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），反向耐压多在1200V以下。快速恢复二极管超快速恢复二极管 反向恢复时间数百纳秒或更长100ns以下，甚至达2030ns快恢复二极管从性能上分为两种 37Power Electronics广东工业大学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。导通压降只有0.3V （forward voltage drop） ，反压为50-100V。反向恢复时间更短，1040ns，不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向耐压时

20、，正向压降也会提高，多用于200V以下的低压场合；反向漏电流也很大。38Power Electronics广东工业大学第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结39Power Electronics广东工业大学1.3 半控器件晶闸管1.3.1 晶闸管的结构与工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、） 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件40Power El

21、ectronics广东工业大学晶闸管的正向阻断电压（blocking voltage）是相同的，根据不同的应用对象，有各种不同的晶闸管。除了电压电流的额定值外，tq、正向导通压降、导通时的电流上升率di/dt，关断时的电压上升率dv/dt等，都是要考虑的特性。相控晶闸管Phase-control Thyrister，有时称作整流晶闸管Converter thyristor，用于主要用于整流器。器件圆盘达到10cm。平均电流4000A或更高，阻断电压5-7kV，通态压降从1.5V（1000V器件）到30V（对5-7kV晶闸管）。逆导晶闸管Inverter-grade thyristor，导通压降

22、低，tq(考虑了trr的可靠系数)小，额定值达到2500V/1500A，tq一般在几个微秒到100微秒，这取决于阻断电压的而定值及导通电压降。光控晶闸管Light-cutivated thyristor：级联方式用于高压系统，易于触发，4kV/3kA。41Power Electronics广东工业大学1.3.1晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 a)c)b)AGKGKA42Power Electronics广东工业大学图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b工作原

23、理)产生注入门极的触发电流IG的电路触发门极触发电路对晶体管的驱动43Power Electronics广东工业大学晶体管工作原理如以下方程所示Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1)Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2)IK = IA + IG (1-3) IA = IC1 + IC2 (1-4)a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1-1）式（1-4）得：(1-5)44Power Electronics广东工业大学晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。阻

24、断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。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上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即光触发光触发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，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT ）。 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手45

25、Power Electronics广东工业大学1.3 半控器件晶闸管1.3.1 晶闸管的结构与工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、） 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件46Power Electronics广东工业大学1.3.2晶闸管的基本特性（静态、动态、）1. 静态特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。47Power Electronics广东工业大学图1-8 晶闸管的伏安

26、特性IG=0-UA0IAUbo正向导通雪崩击穿IH-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2UPRMURSM第象限是正向特性第象限是反向特性IG2IG1 IG IG=0时，器件两端施加正向电压，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即正向转折电压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。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。正向特性 反向特性 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类

27、似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。48Power Electronics广东工业大学2.动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程开通过程延迟时间td 阳极电流从零上升到稳态值10%的时间上升时间tr阳极电流从10%上到稳态值的90%所需的时间开通时间tgt tgt=td+tr （1-6）普通晶闸管的延迟时间为0.5ms，上升时间为0.53ms。其延迟时间随门极电流的增大而减小；关断过程反向阻断恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近零的

28、时间正向阻断恢复时间tgr晶体管恢复载流子复合过程对正向电压的阻断的时间关断时间tq tq=trr+tgr （1-7）普通晶闸管的时间约为几百微秒延迟时间td 上升时间tr开通时间tgt tgt=td+tr (1-6) 49Power Electronics广东工业大学1.3 半控器件晶闸管1.3.1 晶闸管的结构与工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、） 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件50Power Electronics广东工业大学1.3.3晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压UDRM 断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的

29、正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压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。 通态（峰值）电压UTM 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。 取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。1电压定额51Power Electronics广东工业大学 通态平均电流IT(AV) 晶闸管在环境温度为40C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大工频正弦半波电流的平均值。 维持电流 IH 晶闸管维持导通所必需的最小电流。

30、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24倍。2.电流定额52Power Electronics广东工业大学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，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。位移电流在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在逐段状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。通态电流临界上升率di/dt 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。3动态参数53Power Electronics广东工业大学1.3 半控器件晶闸管1.3.1 晶闸管的结构

31、与工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、） 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件54Power Electronics广东工业大学1.3.4 晶闸管的派生器件常规快速 晶闸管高频 晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管与普通晶闸管相比快速 晶闸管关断时间为数十微秒高频 晶闸管关断时间为10s左右电压和电流定额不易做高应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中开关时间以及du/dt、di/dt的耐量都有了明显的改善快速晶闸管55Power Electronics广东工业大学GT1T2IG = 0IU0a)b)图 1-10 双向晶闸管的电器图形符号和伏安特

32、性a) 电气图形符号 b) 伏安特性 双向晶闸管 是一对反并联结的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。56Power Electronics广东工业大学IU0I =0GAKG逆导晶闸管是将晶闸管反并连一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流图 1-11 双向晶闸管a) 电气图形符号 b) 伏安特性 a)b)57Power Electronics广东工业大

33、学IAUAK0AKG光照强度弱强图 1-12 光控晶闸管a) 电气图形符号 b) 伏安特性 光控晶闸管（光触发晶闸管） 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 小功率光控晶闸管只有阳 极和阴极两个端子。 大功率光控晶闸管带有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器的光缆。 光触发保证主电路与控制电路之间的绝缘，避免电磁干扰的影响。a)b)58Power Electronics广东工业大学第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1

34、.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结59Power Electronics广东工业大学1.4 典型全控型器件1.4.1 理想的可控开关元件1.4.2 门极可关断晶闸管1.4.3 电力晶体管1.4.4 电力场效应晶体管1.4.5 绝缘栅双极晶体管60Power Electronics广东工业大学1.4.1理想的可控开关元件所希望的开关特性应该是：关断时的漏电流较小，导通时Von小。很高的正反向阻断电压的能力，这可减少元件的串联，并因此而减少相应保护电路的功率损耗。很大的电流导通能力。这可减少元件并联。较短的导通和关断时间，这可提高开关频率。导通电阻具有正的温度特性，这可保证并联的元件能共

35、同分担总电流。较小的控制功率。具有阻止电压和电流上升率的能力，这样就可以不使用外部Snubber电路保护。具有较高的dv/dt，di/dt额定值。61Power Electronics广东工业大学图 功率元件的开关损耗62Power Electronics广东工业大学1.4 典型全控型器件1.4.1 理想的可控开关元件1.4.2 门极可关断晶闸管1.4.3 电力晶体管1.4.4 电力场效应晶体管1.4.5 绝缘栅双极晶体管63Power Electronics广东工业大学1.4.2 门极可关断晶闸管1. GTO的结构和工作原理结构GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)图1-13 G

36、TO内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间排列的图形 b)并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号64Power Electronics广东工业大学与普通晶闸管的相同点PNPN四层半导体结构外部引出阳极、阴极和门极与普通晶闸管的不同点内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元的多元功率集成器件GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起工作原理与普通晶闸管一样可以用双晶体管模型来分析65Power Electronics图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b工作原理) GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即

37、从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+21时，器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。66Power Electronics广东工业大学2. GTO的动态特性SnubberAkG触发关断脉冲不用保持，关断时间几个微秒，但是需要很大的门电流 （1/3阳极电流），关断时，为了限制dv/dt，要用Snubber电路（切断感性负载）。开关时间几个微秒到25微秒，导通压降2-3V、比晶闸管稍微高一点。最大优点是能处理高电压和大电流，现在最大容量6KV/4

38、KA，开关频率几百HZ10KHZ。图1-14 GTO的开关和关断过程电流波形tstdtrtfttiGt0t1t2t3t4t5t6t0IAiA90%IA10%IAt067Power Electronics广东工业大学关断时间toff 储存时间和下降时间之和3. GTO的主要参数最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。boff=ATOIGM_I(1-8)开通时间ton 延迟时间与上升时间之和68Power Electronics广东工业大学1.4 典型全控型器件1.4.1 理想的可控开关元件1.4.2 门极可关断晶闸管1.4

39、.3 电力晶体管1.4.4 电力场效应晶体管1.4.5 绝缘栅双极晶体管69Power Electronics广东工业大学1.4.3 电力晶体管电力晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管1. GRT的结构和工作原理P 基区N 漂移区衬底集电极c基极b发射极e基极bcbe图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面图 b)电气图形符号 c)内部载流子的流动a)b) 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。 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。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。70Power Electr

40、onics广东工业大学电子流空穴流EcEbic=ibibie=(1+)ibc)图1-15 GTR的内部载流子的流动c)内部载流子的流动GRT共发射极接法时内部主要载流子的流动，集电极电流ic与基电流ib之比为 =(1-9)为GRT的电流放大系数，当考虑到集电极和发射极间的电流Iceo时，ic与ib关系为 ic= ib + Iceo (1-10)单管GRT的值比处理信息用的小功率的晶体管小采，用达林顿接法可以有效增大电流增益71Power Electronics广东工业大学2. GRT的基本特性图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性ib2ib1ib3ib1ib2BUcex BUces BUc

41、er BUceo 集电流最大允许电流IcM 直流电流放大系数hFE下降到规定值得1/21/3时，所对应的Ic为集电流最大允许电流 集电流最大耗散功率PcM 最高工作温度允许的耗散功率74Power Electronics广东工业大学一次击穿集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象一次击穿后只要Ic不要超过最大允许耗散功率相对应的限度， GTR一般不会损坏二次击穿一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，电压突然下降的现象二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，对GTR危害极大4. GRT的二次击穿现象与安全工作区75Power Electron

42、ics广东工业大学SOAIcIcMPSBPcMUceMUce0图1-18 GTR的安全工作区GTR的安全工作区二次击穿临界线GTR工作时不能超过最高电压集电极最大电流最大耗散功率76Power Electronics广东工业大学1.4 典型全控型器件1.4.1 理想的可控开关元件1.4.2 门极可关断晶闸管1.4.3 电力晶体管1.4.4 电力场效应晶体管1.4.5 绝缘栅双极晶体管77Power Electronics广东工业大学1.电力MOSFET的结构和工作原理耗尽型 栅极电压为零时漏源极之间存在导电沟道增强型 栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道单极型晶体管 电力MOSFET导通是时

43、只有一种极性的载流子 参与导电电力MOSFET垂直导电利用V型槽实现垂直导电具有垂直导电双扩散MOS结构小功率MOS横向导电P沟道N沟道电力MOSFET种类1.4.4 电力场效应晶体管78Power Electronics广东工业大学DGSN沟道DSGP沟道PN+N+N-N+N+N+P沟道SGDa)b)图1-19 电力 MOSFET的结构和电气图形符号a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号79Power Electronics广东工业大学2.电力MOSFET的基本特征静态特征图1-20电力MOSFET电气符号和转移特性 a)电气图形符号 b)转移特性 a)b)GSDVGS+-VDS+-n-c

44、hannel50403020100 2 4 6 8UGS /VID /A(1-11)80Power Electronics广东工业大学c)50403020100 10 20 30 40 50UGS /VID /AUGS =UT=3VUGS =8VUGS =4VUGS =5VUGS =6VUGS =7V饱和区 非饱和区 截止区 图1-20 c)电力MOSFET输出特性 漏源电压增加时漏极电流不再增加饱和非饱和漏源电压增加时漏极电流相应增加MOSFET在漏极和源极之间形成一个反向并联的寄生二极管，与MOSFET构成整体，使得在漏、源极间加反向电压时器件导通。需要保持Vgs的值，以使电流通过，门电流

45、为零，除了开关作用期间的充放电过程。开关时间短（几个ns-几百ns）。源漏极之间的导通电阻为阻断电压的函数。BVDSS（Blocking Voltage）缺点是导通电阻较大。Rds（on）=kBVss2.5-2.7，k取决于器件的几何尺寸，正的温度特性。81Power Electronics广东工业大学动态特征uGSuGSpuT00iDuPtd(on)trttftd(off)tt0a)RFRsupRGuGSiD信号iD+UERLb)图1-20 电力MOSFET开关过程a)测试电路 b)开关过程波形开通延迟时间td(on)从uP前沿时刻到 uGS = UT 并开始出现 iD的这段时间上升时间tr

46、uGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅压uGSP的时间ton = td(on) + tr(1-12)MOSFET开通时间ton关断延迟时间td(off)从脉冲电压up下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻RG ( RS )和栅极电阻开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，下降到uGSP时，漏极电流iD开始减小的这段时间下降时间tfCin继续放电，uGS从继续下降，iD减小，到 uSG UT 时沟道消失，iD下降到零的时间toff = td(off) + tf(1-13)MOSFET关断时间toff82Power Electronics广东工业大学ton = td(on) +

47、tr(1-12)关断延迟时间td(off)从脉冲电压up下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻RG ( RS )和栅极电阻开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，下降到uGSP时，漏极电流iD开始减小的这段时间开通延迟时间td(on)从uP前沿时刻到 uGS = UT 并开始出现 iD的这段时间toff = td(off) + tf(1-13)上升时间truGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅压uGSP的时间下降时间tfCin继续放电，uGS从继续下降，iD减小，到 uSG 20V将导致绝缘层击穿极间电容 Ciss = CGS + CGD (1-14) Crss = CGD

48、(1-15) Coss = CDS + CGD (1-16) 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定电力MOSFET的 安全工作区 电力MOSFET不存在二次击穿84Power Electronics广东工业大学1.4 典型全控型器件1.4.1 理想的可控开关元件1.4.2 门极可关断晶闸管1.4.3 电力晶体管1.4.4 电力场效应晶体管1.4.5 绝缘栅双极晶体管85Power Electronics广东工业大学1.4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或 IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的

49、优点，具有良好的特性。1. IGBT的结构和工作原理PN+N+N-N+N+N+P缓冲区J2GEJ3J1P+漂移区注入区C集电极发射极栅极GEIDRon+ICIDRNVJI+C+ECG图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图 b)简化等效电路 c)电气图形符号a)b)c)86Power Electronics广东工业大学1. IGBT的基本特征0UGEUGE(th)ICUFMURM 反向阻断区饱和 区 有源区正向阻断区UGE增加UCE0ICa)b)图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a)转移特性 b)输出特性静态特征87Power Electronics

50、广东工业大学动态特征图1-24 IGBT的开关过程开通延迟时间td(on)驱动电压uGE前沿上升至幅值的 10%到集电极电流 iC上升至幅值的10%的时间电流上升时间tr集电极电流iC从10%ICM上升90%ICM 的时间开通时间ton ton = td(on) + tr uCEuCEM00td(on)trttftfv1tt0tfv2tontofftfi1tfi2td(off)10%ICM90%ICMICMICUGEUGEM10%UGEM90%UGEM关断延迟时间td(off)驱动电压uGE后沿下降至幅值的90%到集电极电流iC下降至幅值的90%的时间电流下降时间tf集电极电流iC从90%IC

51、M下降至10%ICM的时间关断时间toff tof f= td(off) + tf IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。88Power Electronics广东工业大学3. IGBT的主要参数最大集射极间电压UCES 由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压决定 最大集电极电流 额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP最大集电极功耗PCM 正常工作温

52、度下允许的最大耗散 IGBT的特性和参数特点开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。89Power Electronics广东工业大学擎住效应（自锁效应） NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电 阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通

53、，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。4. IGBT的擎住效应和安全区PN+N+N-N+N+N+P缓冲区J2GEJ3J1P+漂移区注入区C集电极发射极栅极图1-22 IGBT的结构 a)内部结构断面示意图正向偏置安全工作区最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定IGBT在导通工作状态的参数极限 范围。反向偏置安全工作区最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大允许电压上升率确定IGBT在阻断工作状态的参数极限 范围。 IGBT与反并联快速二极管封 装 在一起制成模块 ，成为逆导器件。 90Power Electronics广

54、东工业大学第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结91Power Electronics广东工业大学1.5 其他新型电力电子器件1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5.3 静电感应晶闸管SITH1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5 功率模块与集成电路92Power Electronics广东工业大学1.5.1 MOS控制晶闸管MCT高输入阻

55、抗低驱动功率快速开关过程高电压大电流低导通压降 MOSFET晶闸管 MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。 关键技术问题没有突破，电压、电流容量未达到预期效果。MOS控制晶闸管93Power Electronics广东工业大学1.5 其他新型电力电子器件1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5.3 静电感应晶闸管SITH1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5 功率模块与集成电路94Power Electronics广东工业大学1.5.2 静电感应晶体管SIT将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，可制成大功率S

56、IT器件。 SIT是多子导电器件,工作效率与电力MOSFET相当或更大，功率容量大于电力MOSFET，是用于高频大功率场合。SIT栅极不加任何信号是导通的，栅极加负偏压时关断，被称为正常导通型器件。SIT通态电阻大，通态损耗大。95Power Electronics广东工业大学1.5 其他新型电力电子器件1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5.3 静电感应晶闸管SITH1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5 功率模块与集成电路96Power Electronics广东工业大学1.5.3 静电感应晶闸管SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制

57、效应 ，通态压降低、通流能力强。工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流。制造工艺比GTO复杂、特性多与GTO相似， 开关速度比GTO快，是大容量快速器件。是正常导通型，也是正常关断型 ，电流关断增益较小。静电感应晶体管SITH（场控晶体管）SITH在SIT的漏极层上加一层与漏极层导电类型不同的发射极层比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结97Power Electronics广东工业大学1.5 其他新型电力电子器件1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5.3 静电感应晶闸管SITH1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5 功率模块

58、与集成电路98Power Electronics广东工业大学1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT集成门极换流晶闸管IGCT(门极换流晶闸管GCT)将IGBT与GTO优点结合在一起容量与GTO相当开关速度比GTO快10倍省去GTO应用时庞大复杂的缓冲电路驱动功率仍然大99Power Electronics广东工业大学1.5 其他新型电力电子器件1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5.3 静电感应晶闸管SITH1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5 功率模块与集成电路100Power Electronics广东工业大学1.5.5 功率模块与集成电路 功

59、率模块按照典型电力电子电路的拓扑结构，将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，该模块可减小线路电感，简化对保护和缓冲电路的要求。 功率集成电路将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电路制作在同一芯片上。 高压集成电路横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块IPM(智能IGBT)IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的封装集成101Power Electronics广东工业大学PIC包括高压功率集成电路(HVIC)、智能功率集成电路(Smart Power-I

60、C)和功率专用集成电路，简称SPIC。HVIC可达500V/600Ma，用于平板发光显示驱动装置和长途电话的功率变换装置。PIC可分为三个领域：(1)低压大电流PIC，主要用于汽车点火、开关电源、和同步发电机等；(1)高压小电流PIC，主要用于平板显示、交换机等；(3)高压大电流PIC，主要用于交流电机控制、家用电器等。智能功率模块IPM 它不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内 藏有过电压、过电流和过热等故障监测电路，并可将监测信号送给CPU。即使发生负载事故或使用不当，也可保证IPM自身不受损坏。该模块一般采用IGBT作为功率开关元件，也内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。PIC