电力电子技术（第2版） 第2章 电力电子器件

第2章电力电子器件2/89电力电子器件的概述■电力电子器件的概念

◆电力电子器件（PowerElectronicDevice）是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。

☞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。

☞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。

3/89■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。

◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。

◆由信息电子电路来控制

,而且需要驱动电路。

◆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。

电力电子器件的概述电力电子器件的系统组成图2-34电力电子整体系统框图-----电力电子器件的分类绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）不可控器件电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,不需要驱动电路。1)半控型器件

按加在器件控制端和公共端之间的驱动信号性质：

按器件内部电子和空穴两种载流子参与导电情况：

1)

电流驱动型

1)

单极型器件2)

电压驱动型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制2)

双极型器件3)

复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成电力电子器件的分类2.1——电力二极管■电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。■在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。

图2-1电力二极管实物图性能反向恢复时间反向耐压普通二极管>5us数千伏快恢复二极管快速恢复二极管>几百ns<1200V超快速恢复二极管<100ns肖特基二极管10~40ns<200V名称表2-1电力二极管性能比较2.1电力二极管

2.1.3PN结与电力二极管的工作原理a)外形b)基本结构c)电气图形符号图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号

■电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。N型半导体和P型半导体结合后构成PN结图2-3PN结的形成

扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场2.1.3PN结与电力二极管的工作原理PN结外加正向电压（正偏），即正接P区，负接N区，外加电场与PN结自建电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上形成自P区流入N区的电流，称为正向电流IF。

图2-4PN结正向偏置

2.1.3PN结与电力二极管的工作原理当PN结外加反向电压（反向偏置）时处于截止状态。将电源正极接到PN结的N端，且电源负极接到PN结P端时，为反向电压。外加电场与PN结自建电场方向相同，此时外电场使空间电荷区变宽，加强了内电场，阻止扩散运动的进行，加剧漂移的进行，从而形成反向电流IR。

图2-5PN结反向偏置

2.1.3PN结与电力二极管的工作原理2.1.3PN结与电力二极管的工作原理

■二极管的基本原理——PN结的单向导电性◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。

◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。

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。

PN结的反向击穿（两种形式)

雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿(永久性击穿）2.1.3PN结与电力二极管的工作原理与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得它具有耐受高电压和大电流的能力？电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于本征半导体，就可以承受很高的电压而不被击穿。

电力二极管与信息电子电路中的普通二极管的区别

由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。1.静态特性（伏安特性）图2-6电力二极管的静态特性2.1.4电力二极管的基本特性当正向电压大到一定值（门槛电压UTO

），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。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，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。2.动态特性2.1.4电力二极管的基本特性电力二极管的动态特性专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性，体现在零偏置、正向偏置和反向偏置这三个状态之间的转换过程。图2-7电力二极管正向偏置换为反向偏置时动态特性

2.动态特性2.1.4电力二极管的基本特性图2-7电力二极管正向偏置换为反向偏置时动态特性

可以看出，当原处于正向导通状态的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，电力二极管并不能立即关断，而是要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。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。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Sr

＝tf/td，（恢复系数）2.动态特性2.1.4电力二极管的基本特性图2-8电力二极管零偏置转换为正向偏置时动态特性图2-8给出了电力二极管由零偏置转换为正向偏置时，其动态过程中的电流和电压随时间变化的曲线。从波形图中可以看出，先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降UF。这一动态过程时间称为正向恢复时间tfr。2.1.5电力二极管主要参数1.正向平均电流IF(AV)正向平均电流IF(AV)指在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。也将该电流标称为器件的额定电流。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正弦半波波形的正向平均电流IF(AV)与其有效值IF之比为１∶１.57，即正向平均电流IF(AV)对应的有效值为1.57IF(AV)。2323如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。2.1.5电力二极管主要参数2.1.5电力二极管主要参数2.正向压降UF

正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3.反向重复峰值电压URRM

反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。4.最高工作结温TJM

最高工作结温TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125～175C范围之内。5.浪涌电流IFSM

浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。某电路中，流过电力二极管的电流的有效值为628A，暂不考虑安全裕量，则应该选取额定值电流为多少的电力二极管？课堂练习26/892.2半控器件—晶闸管·引言■晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。

■1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（GeneralElectric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958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。晶闸管及模块2.2半控型器件-晶闸管

晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管（SCR），但随着电力电子技术的发展。晶闸管还应包括许多类型的派生器件。包括快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。在本书中所说的晶闸管都是指普通晶闸管。2.2晶闸管

普通晶闸管也可称为可控硅整流管（SiliconControlledRectifier）简称SCR。耐压高、电流容量大（目前可以达到4.5KA/6.5KV），开通的可控性。已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域。是低频（200HZ以下）、大功率变流装置中的主要器件。晶闸管（Thyristor）、可控硅整流器（SCR）2.2

晶闸管图2-10晶闸管实物图30封装形式：螺栓式和平板式。冷却方式：自然冷却、强迫风冷和水冷。

2.2.1晶闸管的结构晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式图形符号2.2.1晶闸管的结构及工作原理

图1－6晶闸管所使用的散热器

晶闸管是大功率器件，工作时将产生大量的热量，因此，必须安装散热器。螺旋式晶闸管可以紧栓在铝制散热器上，采用自然散热冷却方式，如图1－6（a）所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧紧的夹在中间，散热方式可以采用风冷或水冷，以获得较好的散热效果，如图1－6（b）、（c）所示。图2-11晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号外形有螺栓型和平板型等几种封装快速晶闸管，逆导晶闸管，门极可关断晶闸管，双向晶闸管，光控晶闸管等，下面我们讨论普通晶闸管。2.2.1

晶闸管结构2.2.2

晶闸管工作原理图2-12晶闸管导通关断电路实验图晶闸管导通关断实验实验结果表明，晶闸管阳极和阴极承受正向电压，控制极和阴极承受正向电压，一旦导通，控制极失去控制。换而言之，晶闸管只能通过门极控制其导通，不能控制其关断，因此晶闸管才被称为半控型器件。Ic1=1IA+ICBO1

Ic2=2IK+ICBO2

IK=IA+IG

IA=Ic1+Ic2

式中1和2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：

图2-13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)(121CBO2CBO1G2Aaaa+-++=IIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)2.2.2

晶闸管工作原理晶闸管导通关断原理2.2.2

晶闸管工作原理

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2.7)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。饱和导通：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，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。2.2.2

晶闸管工作原理

综上所述，要使晶闸管导通，必须同时具备下列两个条件：①晶闸管承受正向电压；②在门极有触发电流（在门极和阴极之间加上正向门极电压）。

当晶闸管一旦导通，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。

要使已导通的晶闸管关断，必须满足的条件为：利用外加电压或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。38

阳极电压太高，晶闸管击穿；阳极电压du/dt太大，引起导通；结温太高，漏电流增大引起导通；光触发：光直接照射在硅片上产生电子空穴对，在电场作用下产生触发电流。晶闸管的可能触发导通的其它条件2.2.3晶闸管的基本特性一、晶闸管的伏安特性晶闸管阳极、阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系，称为晶闸管的伏安特性。图1－8晶闸管阳极伏安特性图中物理量定义如下：UDRM、URRM--正、反向断态重复峰值电压（UDRM=0.8UDSM、URRM=0.8URSM）UDSM、URSM--正、反向断态不重复峰值电压UBO――正向转折电压URO――反向转折电压2.2.3晶闸管基本特性（1）正向特性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。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。2.2.3晶闸管基本特性反向特性和二极管的反向特性极其类似。承受反向阳极电压，呈现反向阻断状态时，只有很小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管永久性发热损坏。（2）反向特性42晶闸管的门极伏安特性门极和阴极之间有PN结上的正向门极电压与所加的门极电流之间的关系。(即表示加在门极和阴极间电压UGK与门极触发电流IG之间的关系。)

2.2.3

晶闸管基本特性

2.动态特性图2-15晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.3

晶闸管基本特性◆开通过程

☞由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。☞延迟时间td

(0.5~1.5s)

上升时间tr(0.5~3s)

开通时间ton=td+tr☞延迟时间随门极电流的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.3

晶闸管基本特性◆关断过程

☞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。

☞反向阻断恢复时间trr

正向阻断恢复时间tgr

关断时间toff=trr+tgr☞关断时间约几百微秒。

☞在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。2.2.4

晶闸管主要参数1.电压定额及动态参数（1）断态正向重复峰值电压UDRM。其是当门极断路而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管的正向峰值电压，重复频率为50次/s，电压持续时间为10ms以内。国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%（见图2-14）。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。（2）断态反向重复峰值电压URRM

。其是当门极断路而结温为额定值时，允许重复加在晶闸管的反向峰值电压，重复频率为50次/s，电压持续时间为10ms以内。规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%（见图2-14）。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。2.2.4

晶闸管主要参数1.电压定额及动态参数（3）额定电压UTN。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压UTM的2~3倍。（4）通态（峰值）电压UT

。其是指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。通态电压UT影响元件的损耗与发热，应选用通态电压小的元件。（5）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。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

2.2.4

晶闸管主要参数2.电流定额及动态参数（1）通态平均电流IT(AV)

。国标规定通态平均电流为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。

当电流的峰值为Im时，IT(AV)和Im的关系为：从而通而正弦半波电流的有效值为：过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流IT(AV)对应的有效值为1.57IT(AV)，即：考虑器件过载能力，实际选择时应有1.5~2倍的安全裕量，即：（2）维持电流IH

在室温下且门极开路时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通所需的最小阳极电流称为维持电流IH。维持电流IH一般约为几十毫安，同时维持电流与器件的容量、结温等因数有关，结温愈高，维持电流愈小，维持电流大的元件容易关断。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下器件的IH的实测值。（3）掣住电流IL

在晶闸管的门极加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就撤掉触发电压，此时晶闸管要保持继续导通所需要的最小阳极电流，称为掣住电流IL。对同一个晶闸管而言，掣住电流IL要比维持电流IH大2～4倍。2.2.4

晶闸管主要参数2.电流定额及动态参数2.2.4

晶闸管主要参数2.电流定额及动态参数（4）浪涌电流ITSM

。其是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。（5）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。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。2.2.4

晶闸管主要参数型号通态平均电流（A）断态正反向重复峰值电压（V）门极触发电压（V）断态电压临界上升率（du/dt）通态电流临界上升率（di/dt）额定结温（°C）门极触发电流(mA)浪涌电流（A）KP55100~3000≤3.525~100025~5001003~3090KP1010≤3.51005~70190KP2020≤3.51005~100380KP3030≤3.51005~100560KP5050≤3.51008~150940KP100100≤411510~2501880KP200200≤411510~2503770KP300300≤511520~3005650KP500500≤511520~3009420KP800800≤511530~35014920KP10001000≤511530~35018600表1-2KP型晶闸管主要参数表2.2.4

晶闸管主要参数【例1-1】某电路中，流过晶闸管的电流的有效值为314A，可能承受的峰值电压为150V，考虑安全裕量，则应该选取额定值电流、额定电压分别为多少的晶闸管，应选择晶闸管元件型号？解：晶闸管的额定电流为：晶闸管的额定电压为：查晶闸管主要参数表1-2得出，可选择晶闸管型号为KP300-4（即额定电流300A，额定电压400V）的晶闸管。

2.3.1GTO结构

2.3.2GTO工作原理

2.3.3GTO基本特性

2.3.4GTO主要参数2.3

门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）2.3.1GTO结构图2-16门极可关断晶闸管GTO实物图2.3.1GTO结构

a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号图2-17GTO的内部结构和电气图形符号GTO属于全控型器件。GTO的结构和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析。

晶闸管的双晶体管模型及其工作原理1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2

。2.3.2GTO工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)GTO能够通过门极关断的原因是因为与普通晶闸管相比有如下特点：设计器件时2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于控制GTO。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但是导通时管压降增大。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

2.3.2GTO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关断过程中有强烈正反馈使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更快，承受di/dt能力更强。

由上述分析我们可以得到以下结论：2.3.2GTO工作原理开通过程：与普通晶闸管相同关断过程：与普通晶闸管有所不同储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt—残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

图2-18

GTO的开通和关断过程电流波形GTO的动态特性2.3.3GTO基本特性——

延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。——

一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2）关断时间toff（1）开通时间ton

不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。

许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。2.3.4GTO主要参数（3）最大可关断阳极电流IATO（4）电流关断增益off

off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A

。——GTO额定电流。

——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。2.3.4GTO主要参数

型号断态重复最大电压/V可关断阳极电流/A通态电压/V浪涌电流/A门极反向峰值电压/VDGT304SE600-13006002.2400016DG386L600-250010002.8700016DG606SH600-250020002.81400016DG758SH600-450025003.41600016表2.3部分GTO的主要参数表

2.4.1GTR结构

2.4.2GTR工作原理

2.4.3GTR基本特性

2.4.4GTR主要参数2.4

电力晶体管电力晶体管（GiantTransistor——GTR，巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT）2.4.1GTR结构图2-19电力晶体管GTR的实物图GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，有PNP和NPN两种类型。2.4.1GTR结构a）NPN型b）PNP型图2-20GTR基本结构和电气图形符号

2.4.2GTR工作原理图2-21共射极晶体管内部载流子的流动示意图GTR通常工作在正偏(ib>0)时处于导通状态；反偏(ib≤0)时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。在应用中，GTR一般采用共发射极接法。如图2-21所示，集电极电流ic与基极电流ib之比为：2.4.2GTR工作原理单管GTR的

值一般小于10，所以通常采用两个晶体管组成的达林顿接法来有效地增大电流增益，如图2-22所示。达林顿GTR的特点是电流增益高、输出管不会饱和并且关断时间长。

a）NPN型b）PNP型图2-22达林顿GTR

1、静态特性2.4.3GTR基本特性图2-23共发射极接法时GTR的输出特性在共发射极接法时的典型输出特性分为截止区、放大区和饱和区三个区域，GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。但在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。2.4.3GTR基本特性

2、动态特性（1）开通过程图2-24GTR的开通和关断过程电流波形td表示延迟时间，主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的；tr表示上升时间。td与tr二者之和为开通时间ton，一般开通时间为纳秒数量级。增大基极驱动电流ib的幅值并增大dib/dt，可以缩短td，同时也可以缩短tr，从而加快开通过程。2.4.3GTR基本特性

2、动态特性（2）关断过程图2-24GTR的开通和关断过程电流波形ts表示储存时间，是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的；tf表示下降时间。ts与tf两者之和为关断时间toff，而ts是toff的主要部分，关断时间的数值在微秒数量级。减小导通时的储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2幅值和负偏压，可以缩短ts，从而加快关断速度。2.4.4GTR主要参数（1）电压参数。电压参数体现了GTR的耐压能力。该电压超过一定值时，就会发生击穿。击穿电压符合以下关系：实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压UTM要比BUceo低得多，即:2.4.4GTR主要参数（2）直流电流增益hFE。表示GTR的电流放大能力，为直流工作时集电极电流和基极电流之比。（3）集电极最大允许电流IcM。规定直流电流放大系数hFE下降到额定值1/2~1/3时所对应的Ic。实际使用时要留有较大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。（4）集电极最大耗散功率PcM

。指在最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中在给出PcM时总是同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。型号集电极电流/A集射极击穿电压/V电流增益

饱和压降/VTCD30/U20100352.0TC12080080.5TC1530100101.0DT34150105080.6DT46200120090.4DT63450500111.25DT100300120051.0DT500800100071.5DT800120040071.0MD150S10001501000602MD300S10003001000602表2.4国产GTR元件的主要参数表2.4.5击穿和安全工作区图2-25GTR的安全工作区

2.5.1

电力MOSEFT结构

2.5.2电力MOSEFT工作原理

2.5.3电力MOSEFT基本特性

2.5.4电力MOSEFT主要参数2.5

电力MOSEFT2.5.1

电力MOSEFT结构场效应晶体管（FieldEffect

Transistor，FET）分为结型场效应晶体管和绝缘栅型场效应晶体管。通常把绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET（PowerMOSFET），其是一种单极型的电压控制全控型器件。图2-26电力MOSFET实物图2.5.1

电力MOSEFT结构

a)内部结构断面示意图

b)电气图形符号图2-27电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET按导电沟道可分为P沟道和N沟道，具有3个引脚，其中S为源级，G为栅极，D为漏极。在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。2.5.2

电力MOSEFT工作原理如图2-27a所示，电力MOSFET截止时：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。电力MOSFET导通时：在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其P区中空穴推开，而将P区中的少子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于阈值电压UT时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。2.5.3

电力MOSEFT基本特性1.静态特性电力MOSFET的静态特性表现为转移特性和输出特性。a)转移特性b)输出特性图2-28电力MOSFET的转移特性和输出特性

2.5.3

电力MOSEFT基本特性2.动态特性图2-29电力MOSFET的开关过程波形（1）开通过程开通时间ton=td(on)+tri+

tfv

，其中tfv表示电压下降时间；td(on)是开通延迟时间，表示从up前沿时刻到UT并开始出现漏极电流iD时刻的时间；tr是电流上升时间，表示iD从零上升到稳态值的时间。2.5.3

电力MOSEFT基本特性2.动态特性图2-29电力MOSFET的开关过程波形（2）关断过程关断时间toff=td(off)+trv+tfi，其中，td(off)表示关断延迟时间；trv表示电压上升时间；tfi表示电流下降时间。电力MOSFET不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常迅速的。开关时间在10~100ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。2.5.4

电力MOSEFT主要参数（1）漏极电压UDS

：标称电力MOSFET电压定额的参数。（2）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

：标称电力MOSFET电流定额的参数。（3）栅源电压UGS

：栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。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MOSFET的安全工作区。一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿的问题，因此安全工作区范围较宽。

2.6.1IGBT结构

2.6.2IGBT工作原理

2.6.3IGBT基本特性

2.6.4IGBT主要参数2.6

绝缘栅双极型晶体管2.6.1IGBT结构图2-30IGBT单管及模块实物图绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)，是兼具GTR和MOSFET各自优点的复合式全控型器件。它既具有MOSFET的输入阻抗高、驱动功率小、开关频率高等优点，又具有GTR通态电阻低、电流容量大等优点。2.6.1IGBT结构a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号图2-31IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。其等效电路如图2-31b所示，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图2-31c是N沟道IGBT的电气图形符号。2.6.2IGBT工作原理a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号图2-31IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

当UGE为正且大于阈值电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为GTR提供基极电流进而使IGBT导通。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，GTR的基极电流被切断，使得IGBT关断。电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。2.6.3IGBT基本特性1.静态特性IGBT的静态特性表现为转移特性和输出特性。a)转移特性b)输出特性图2-32IGBT的转移特性和输出特性

2、动态特性（1）开通过程图2-33IGBT开关过程2.6.3IGBT基本特性td(on)是开通延迟时间，表示从驱动电压uGE幅值的10%上升到集电极电流iC幅值的10%所用的时间。tri是电流上升时间，表示iC从10%上升到90%所用的时间。开通时间ton=td(on)+tri+

tfv

，其中tfv表示电压下降时间，分为tfv1和tfv2两段。

2、动态特性（2）关断过程图2-33IGBT开关过程2.6.3IGBT基本特性关断时间toff=td(off)+trv+tfi，其中，td(off)表示关断延迟时间，表示从驱动电压uGE幅值的90%上升到集射电压uCE幅值的10%所用的时间。trv表示电压上升时间；tfi表示电流下降时间，tfi分为tfi1和tfi2两段。引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET。2.6.4IGBT主要参数（1）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所确定。（2）最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。（3）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。（4）正向偏置安全工作区（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）：根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。（5）反向偏置安全工作区（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率dUCE/dt。功率器件的特性和参数特点可以总结如下：项目名称SCRGTRMOSIGBT控制类型脉冲触发电流控制电压控制电压控制自关断性换向关断自关断器件自关断器件自关断器件工作频率<1khz<30khz20khz－Mhz<40khz驱动功率大大小小开关损耗大大小大导通损耗小小大小电压电流等级最大大最小较大典型应用场合中频感应加热电子整流器开关电源UPS变频器价格最低较低处于中间最贵电导调制效应有有无有2.7.1MOS控制晶闸管MCT

2.7.2静电感应晶体管SIT

2.7.3静电感应晶闸管SITH

2.7.4集成门极换流晶闸管IGCT2.7.5功率模块与功率集成电路2.7.6基于新型材料的电力电子器件2.7

新型器件及发展MCT结合了二者的优点：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET与晶闸管的复合2.7.1MOS控制晶闸管MCT多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。SIT（StaticInductionTransistor）——结型场效应晶体管2.7.2静电感应晶体管SITSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——场控晶闸管（FieldControlledThyristor—FCT）2.7.3静电感应晶闸管SITH20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）2.7.4集成门极换流晶闸管IGCT20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。基本概念2.7.5功率模块与功率集成电路高压集成电路（HighVoltageIC——HVIC）一般指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（SmartPowerIC——SPIC）一般指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（IntelligentPowerModule——IPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。实际应用电路2.7.5功率模块与功率集成电路2.7.6基于新型材料的电力电子器件

越来越多的电力电子器件研究工作转向了对新型半导体材料制造新型电力电子器件的研究。21世纪初，碳化硅肖特基势垒二极管(SBD)首先揭开了碳化硅器件在电力电子领域替代硅器件的序幕。目前，碳化硅SBD的全球市场容量估计达400万美元。在2004年碳化硅场效应器件耐压已经达到了硅器件无法达到的10000V水平，而碳化硅IGBT的研发工作起步较晚，其优越性只在10000V以上的高压领域。

2.8.1

电力电子器件的驱动电路

2.8.2电力电子器件保护2.8.3缓冲电路2.8

电力电子器件的系统组成2.8.1

电力电子器件的驱动电路图2-34电力电子整体系统框图2.8.1

电力电子器件的驱动电路1.晶闸管的门极驱动在晶闸管的阳极施加正向电压，并且在门极加上触发电压，晶闸管才能导通。门极触发电压决定每个晶闸管的导通时刻，是晶闸管变流装置中非常重要的组成部分。图2-35常用的触发脉冲波形2.8.1

电力电子器件的驱动电路1.晶闸管的门极驱动图2-36常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路如图2-36所示，由V2、V3构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM和附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V2、V3导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了V2、V3由导通变为截止时，脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。2.8.1

电力电子器件的驱动电路2.全控型器件驱动电路(1)电流驱动型器件的驱动电路GTO和GTR是电流驱动型器件。如图2-37典型的直接耦合式GTO驱动电路所示。电路的电源由高频电源经二极管整流后提供，VD1和C1提供+5V电压，VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压，VD4和C4提供-15V电压。V1开通时，输出正强脉冲；V2开通时，输出正脉冲平顶部分；V2关断而V3开通时输出负脉冲；V3关断后R3和R4提供门极负偏压。2.8.1

电力电子器件的驱动电路2.全控型器件驱动电路(1)电流驱动型器件的驱动电路图2-37典型的直接耦合式GTO驱动电路2.8.1

电力电子器件的驱动电路2.全控型器件驱动电路(2)电压驱动型器件的驱动电路

电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。电力MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取10~15V，IGBT开通的栅射极间驱动电压一般取15~20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。如图2-38所示。当无输入信号（即ui=0）时，高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压，可使MOSFET关断；当有输入信号（即ui为正）时，A输出正电平，V2导通输出正驱动电压，可使MOSFET导通。2.8.1

电力电子器件的驱动电路2.全控型器件驱动电路(2)电压驱动型器件的驱动电路2-38电力MOSFET的一种驱动电路2.8.2

电力电子器件保护1.过电压保护a)单相b)三相图2-39RC过电压抑制电路联结方式

2.8.2

电力电子器件保护2.过电流保护图2-40过电流保措施及配置位置

2.8.3

缓冲电路

缓冲电路（SnubberCircuit）又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。关断缓冲电路又称为du/dt抑制电路；开通缓冲电路又称为di/dt抑制电路。2.8.3

缓冲电路a)电路b)波形图2-41

di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形

2.9电力电子器件应用案例2.9.1开关电源概述开关电源是一种高效率、高可靠性、小型化、轻型化的稳压电源，是电子设备的主流电源，如图2.43所示。其主要是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，改变输出电压的一种电源。2.9电力电子器件应用案例2.9.1开关电源概述开关电源原理如图所示，输入电压为AC/220V，50Hz的交流电，经过滤波，再由整流桥整流后变为300V左右的高压直流电，然后通过功率开关管的导通和截止将直流电压变成连续的脉冲，再经变压器隔离降压及输出滤波后变为低压的直流电。开关管的导通与截止由PWM（脉冲宽度调制）控制电路发出的驱动信号控制。2.9.2GTR测试方法（1）用万用表判别大功率晶体管的电极和类型。假若不知道管子的引脚排列，则可用万用表通过测量电阻的方法作出判别。1）判定电极。大功率晶体管的漏电流一般比较大，所以采用万用表测量极间电阻，并且采用的是满度电流比较大的低电阻。测量时将万用表置于R×1档或R×10档，一表笔固定接在管子的任一电极，用另一表笔分别接触其他2个电极，如果万用表读数均为小阻值或均为大阻值，则固定接触的那个电极即为基极。如果按上述方法做一次测试判定不了基极，则可换一个电极再试，最多3次即作出判定。2.9.2GTR测试方法（1）用万用表判别大功率晶体管的电极和类型。2）判别类型。确定基极之后，假设接基极的是黑表笔，而用红表笔分别接触另外2个电极时，若电阻读数均较小，则可认为该管为NPN型。假设接基极的是红表笔，用黑表笔分别接触其余2个电极时测出的阻值较小，则该三极管为PNP型。3）判定集电极和发射极。在确定基极之后，再通过测量基极对另外2个电极之间的阻值大小比较，可以区别发射极和集电极。对于PNP型晶体管，红表笔固定接基极，黑表