电力电子器件54552学习教案

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1、会计学1电力电力(dinl)电子器件电子器件54552第一页，共87页。2第1页/共87页第二页，共87页。3第2页/共87页第三页，共87页。4第3页/共87页第四页，共87页。5通态损耗通态损耗(snho)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第4页/共87页第五页，共87页。6 电气(dinq)隔离图图1-1 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第5页/共87页第六页，共87页。7第6页/共87页第七页，共87页。8第7页/共87页第八页，共87页。9第8页/共87页第九页，共87页。1

2、0第9页/共87页第十页，共87页。11第10页/共87页第十一页，共87页。12整流整流(zhngli)二二极管及模块极管及模块第11页/共87页第十二页，共87页。13AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图1-2 电力电力(dinl)二极管的外形、结构和电气图形符号二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 基本结构基本结构 c) 电气图形符号电气图形符号第12页/共87页第十三页，共87页。14第13页/共87页第十四页，共87页。15第14页/共87页第十五页，共87页。16IOIFUTOUFU图图1-5 电力二极管的伏安电力二极管的伏安(f n)特性特性第15页/共87

3、页第十六页，共87页。17a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 图图1-6 电力电力(dinl)二极管的动态过程波形二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 动态特性动态特性 因为结电容的存在，电压因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电流特性是随时间变化的，这就是(jish)电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。 由正向偏置转换

4、为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是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。电力二极管并不能立即关断，而是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。 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。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：延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间：反向恢复时间：trr=td+ tf 恢复特性的软度：恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系，或称恢复系 数，用数，用Sr表示。表示。t0:正向电正向电流降

5、为零流降为零的时刻的时刻t1:反向电反向电流达最大流达最大值的时刻值的时刻t2:电流变电流变化率接近化率接近于零的时于零的时刻刻第16页/共87页第十七页，共87页。18UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置由零偏置(pin zh)转换为正转换为正向偏置向偏置(pin zh) 先出现一个过冲先出现一个过冲UFP，经，经过过一段时间才趋于接近稳态压降一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如的某个值（如2V）。）。 正向恢复时间正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因出现电压过冲的原因:电电导调制效应起作用所需的大量导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，少子需要一定的时间来储存，在达到

6、稳态导通之前管压降较在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，电流上升率越大，UFP越高。越高。 图图1-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形(b xn) b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 第17页/共87页第十八页，共87页。19第18页/共87页第十九页，共87页。20第19页/共87页第二十页，共87页。21第20页/共87页第二十一页，共87页。22。第21页/共87页第二十二页，共87页。23第22页/共87页第二十三页，共87页。24第23页/共87

7、页第二十四页，共87页。25晶闸管及模块晶闸管及模块(m kui)第24页/共87页第二十五页，共87页。26 图图1-7 晶闸管的外形、结构晶闸管的外形、结构(jigu)和电气图形符号和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构(jigu) c) 电气图形符号电气图形符号 第25页/共87页第二十六页，共87页。27图图1-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型(mxng)及其及其工作原理工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型(mxng) 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 按照按照(nzho)晶体管工晶体管工作原理，可列出如下方程：作原理，可列出如下方程：1

8、11CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的的共基极漏电流。共基极漏电流。第26页/共87页第二十七页，共87页。28)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上由以上(yshng)式（式（2-1）（2-4）可得）可得(1-5)第27页/共87页第二十八页，共87页。29第28页/共87页第二十九页，共87页。30第29页/共87页第三十页，共87页。31 图图1-9 晶闸管的伏安晶闸

9、管的伏安(f n)特性特性 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30页/共87页第三十一页，共87页。32反向特性反向特性 其伏安特性类似二极管的反其伏安特性类似二极管的反向特性。向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过只有极小的反向漏电流通过(tnggu)。 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

10、发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图图1-9 晶闸管的伏安晶闸管的伏安(f n)特特性性 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31页/共87页第三十二页，共87页。33 图1-10 晶闸管的开通和关断过程(guchng)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%第32页/共87页第三十三页，共87页。34图图1-10 晶闸管的开通晶闸管的开通(kitng)和关断过程

11、波形和关断过程波形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33页/共87页第三十四页，共87页。35第34页/共87页第三十五页，共87页。36第35页/共87页第三十六页，共87页。37第36页/共87页第三十七页，共87页。38第37页/共87页第三十八页，共87页。39第38页/共87页第三十九页，共87页。40a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以认为可以认为(rnwi)

12、是一对反是一对反并联联并联联 接的普通晶闸管的集接的普通晶闸管的集成。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1-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号符号(fho)和伏安特性和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号(fho) b) 伏安伏安特性特性 第39页/共87页第四十页，共87页。41a)KGAb)UOI

13、IG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将晶闸管反并联一个二是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功极管制作在同一管芯上的功率集成器件率集成器件(qjin)，不具有，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。承受反向电压即开通。 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、额定结间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。阻断反向电压的电路中。 图图1-12 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和伏安(f n)特

14、性特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安伏安(f n)特性特性 第40页/共87页第四十一页，共87页。42AGKa)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照信是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。号触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了主由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，电路与控制电路之间的绝缘，而且可以而且可以(ky)避免电磁干扰避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。前在高压大功率的场合。图图1-13 光控晶闸管的电气光控晶闸管

15、的电气(dinq)图形符图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气电气(dinq)图形符号图形符号 b) 伏安特性伏安特性 第41页/共87页第四十二页，共87页。43电力电力(dinl)MOSFETIGBT单管及模块单管及模块第42页/共87页第四十三页，共87页。44图图1-14 GTO的内部结构和电气图形的内部结构和电气图形(txng)符号符号各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形(txng) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 电气图形电气图形(txng)符号符号 第43页/共87页第四十四页，共87页。45 图图1-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管

16、的双晶体管模型 及其工作及其工作(gngzu)原理原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作工作(gngzu)原理原理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所示的双晶所示的双晶体管模型来分析，体管模型来分析，V1、V2的共基极的共基极电流增益分别是电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，是器件临界导通的条件，大于大于1导通，小于导通，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

17、接近临界饱和(boh)，有利门极控，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。制关断，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。 第44页/共87页第四十五页，共87页。46第45页/共87页第四十六页，共87页。47图图1-15 GTO的开通和关断过程电流的开通和关断过程电流(dinli)波形波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通抽取饱和导通时储存的大量时储存的大量载流子的时间载流子的时间等效晶体管从等效晶体管从饱和区退至放饱和区

18、退至放大区，阳极电大区，阳极电流逐渐减小时流逐渐减小时间间 残存残存载流载流子复子复合所合所需时需时间间 第46页/共87页第四十七页，共87页。48第47页/共87页第四十八页，共87页。49第48页/共87页第四十九页，共87页。50图图2-16 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(lidng)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(lidng)+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 第49页/共87页第五十页，共87页。51Iiiceobc

19、空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib图图2-16 c) 内部内部(nib)载流载流子的流动子的流动 iibc在应用中，在应用中，GTR一般一般(ybn)采用共发采用共发射极接法。集电极电流射极接法。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的的电流放大系数电流放大系数，它反映了，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功率值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为晶体管小

20、得多，通常为10左右，采用左右，采用达林达林顿接法顿接法可以有效地增大电流增益。可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)第50页/共87页第五十一页，共87页。52截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图图2-17 共发射极接法时共发射极接法时GTR的输出特性的输出特性第51页/共87页第五十二页，共87页。53ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图图2-18 GTR的开通和关断过程电流的开通和关断过程电流(dinli)波形波形主要是由发射结势垒电主要是由发射结

21、势垒电容和集电结势垒电容充容和集电结势垒电容充电产生的。电产生的。 是用来除去饱和导通时储存在基是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主区的载流子的，是关断时间的主要部分。要部分。 第52页/共87页第五十三页，共87页。54 实际实际(shj)使用使用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低得低得 多。多。BUBUBUBUBUceocercescexcbo第53页/共87页第五十四页，共87页。55第54页/共87页第五十五页，共87页。56SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图2-19 GTR的安全的安全(nqun)工

22、作工作区区二次击穿二次击穿功率功率 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，就构成了二次击穿临界线。连接起来，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，集电极最大电流，集电极最大电流IcM和最大耗散功和最大耗散功 率率PcM，也不能超过，也不能超过二次击穿临界线二次击穿临界线。第55页/共87页第五十六页，共87页。57第56页/共87页第五十七页，共87页。58第57页/共87页第五十八页，共87页。59N+GSDP沟道b)N+N-

23、SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图图2-20 电力电力MOSFET的结构的结构 和电气和电气(dinq)图形符号图形符号内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 电气电气(dinq)图形符号图形符号第58页/共87页第五十九页，共87页。60第59页/共87页第六十页，共87页。61GSDfsddUIG 图图2-21 电力电力(dinl)MOSFET的的转移特性和输出特性转移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性(2-11) 是电压控制型器件，其输入阻是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。抗极高，输入电流非常小。第60页/共87页第六十一页，共87页。62输

24、出特性输出特性 是是MOSFET的漏极伏安特性。的漏极伏安特性。 截止区（对应于截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区的截止区）、饱和区（对应于（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应的放大区）、非饱和区（对应于于GTR的饱和区）三个区域，饱和是指漏源的饱和区）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。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工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。之间来回转换。本身结构所致，漏极和源极之间形成了一本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个

25、与个与MOSFET反向反向(fn xin)并联的寄生二并联的寄生二极管。极管。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。的均流有利。 图图2-21 电力电力(dinl)MOSFET的转的转移特性和输出特性移特性和输出特性 b) 输出特性输出特性第61页/共87页第六十二页，共87页。63信号(xnho)iDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd (off)tfRsRGRFRLiDuGSupiD+ UE图图2-22 电力电力MOSFET的开关过程的开关过程 a)测试电路测试电路 b) 开关过程波形开关过程波形up为矩形脉冲电压信号为矩形脉

26、冲电压信号源，源，Rs为信号源内阻，为信号源内阻，RG为栅极电阻，为栅极电阻，RL为为漏极负载电阻，漏极负载电阻，RF用于用于检测漏极电流。检测漏极电流。 (a)(b)第62页/共87页第六十三页，共87页。64需要一定的驱动功率，开关频率需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需越高，所需要的驱动功率越大。要的驱动功率越大。第63页/共87页第六十四页，共87页。65第64页/共87页第六十五页，共87页。66第65页/共87页第六十六页，共87页。67图图2-23 IGBT的结构的结构(jigu)、简化等效电路和电气图形符号简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构内部结构(jigu)断面示意图

27、断面示意图 b) 简化等效电路简化等效电路 c) 电气图形电气图形符号符号RN为晶体管基为晶体管基区内的调制电区内的调制电阻。阻。 第66页/共87页第六十七页，共87页。68第67页/共87页第六十八页，共87页。69（a）图图2-24 IGBT的转移的转移(zhuny)特性和输出特特性和输出特性性 a) 转移转移(zhuny)特性特性 第68页/共87页第六十九页，共87页。70输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极为参考变量时，集电极电流电流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(gun x)。 分为三个区域

28、：正向分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和阻断区、有源区和饱和区。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因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。饱和区之间来回转换。 (b)图图2-24 IGBT的转移的转移(zhuny)特性和输特性和输出特性出特性 b) 输出特性输出特性 第69页/共87页第七十页，共87页。71图图2-25 IGBT的开关的开关(kigun)过程过程第70页/共87页第七十一页，共87页。72第71页/共87页第七十二页，共87页。73第7

29、2页/共87页第七十三页，共87页。74NoImage第73页/共87页第七十四页，共87页。75NoImage第74页/共87页第七十五页，共87页。76第75页/共87页第七十六页，共87页。77第76页/共87页第七十七页，共87页。78第77页/共87页第七十八页，共87页。79第78页/共87页第七十九页，共87页。80第79页/共87页第八十页，共87页。81第80页/共87页第八十一页，共87页。82第81页/共87页第八十二页，共87页。83第82页/共87页第八十三页，共87页。84第83页/共87页第八十四页，共87页。85图图2-26 电力电力(dinl)电子器件分类电子器件分类“树树”第84页/共87页第八十五页，共87页。86第85页/共87页第八十六页，共87页。87电力电力MOSFET和和IGBT中的中的技术创新仍然在继技术创新仍然在继续，续，IGBT还在不断夺取传统上还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用属于晶闸管的应用领域领域 。宽禁带半导体材料由于其各宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料半导体材料 。第86页/共87页第八十七页，共87页。