电力电子器件(23)

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1、第 2章 电 力 电 子 器 件 电 子 技 术 的 基 础 电 子 器 件 ： 晶 体 管 和 集 成 电 路电 力 电 子 电 路 的 基 础 电 力 电 子 器 件本 章 主 要 内 容 ：概 述 电 力 电 子 器 件 的 概 念 、 特 点 和 分 类 等 问 题 。介 绍 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 问 题 。第 2章 电 力 电 子 器 件 引 言 2.1 电 力 电 子 器 件 概 述 1） 概 念 :电 力 电 子 器 件 （ Power Electronic Devic

2、e） 可 直 接 用 于 主 电 路 中 ， 实 现 电 能 的 变 换 或 控 制 的 电子 器 件 。主 电 路 （ Main 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 。2） 分 类 : 电 真 空 器 件 (汞 弧 整 流 器 、 闸 流 管 等 电 真 空 器 件 ) 半 导 体 器 件 (采 用 的 主 要 材 料 硅 ） 然2.2.1 电 力 电 子 器 件 的 概 念 和 特 征电 力 电 子 器 件 能 处 理 电 功 率 的 大 小 ， 即 承 受 电 压 和 电 流 的 能

3、力 ， 是最 重 要 的 参 数 。 一 般 远 大 于 处 理 信 息 的 电 子 器 件 。电 力 电 子 器 件 一 般 都 工 作 在 开 关 状 态 。电 力 电 子 器 件 往 往 需 要 由 信 息 电 子 电 路 来 控 制 。电 力 电 子 器 件 自 身 的 功 率 损 耗 远 大 于 信 息 电 子 器 件 ，一 般 都 要 安 装 散 热 器 。 不 仅 在 器 件 封 装 上 讲 究 散 热 设计 ， 在 其 工 作 时 一 般 都 要 安 装 散 热 器 。 2.2.1 电 力 电 子 器 件 的 概 念 和 特 征3） 同 处 理 信 息 的 电 子 器 件 相

4、比 的 一 般 特 征 ： 通 常 电 力 电 子 器 件 的 断 态 漏 电 流 极 小 ， 因 而通 态 损 耗 是 器 件 功 率 损 耗 的 主 要 成 因 。器 件 开 关 频 率 较 高 时 ， 开 关 损 耗 可 能 成 为 器件 功 率 损 耗 的 主 要 因 素 。主 要 损 耗 通 态 损 耗 :断 态 损 耗 :开 关 损 耗 关 断 损 耗 : 在 器 件 关 断 的 转 换 过 程 中 产 生 的 损 耗开 通 损 耗 : 在 器 件 开 通 的 转 换 过 程 中 产 生 的 损 耗2.2.1 电 力 电 子 器 件 的 概 念 和 特 征 电 力 电 子 器 件

5、的 损 耗导 通 时 器 件 上 有 一 定 的 通 态 压 降阻 断 时 器 件 上 有 微 小 的 断 态 漏 电 流 流 过 电 力 电 子 系 统 ： 由 控 制 电 路 、 驱 动 电 路 、 保 护 电 路 和 以 电 力 电 子 器 件 为 核 心 的 主 电 路 组 成 。 图 2-1 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保 护电 路 在 主 电 路和 控 制 电路 中 附 加一 些 电 路 ，以 保 证 电力 电 子 器件 和 整 个系 统 正 常可 靠 运 行 2.2.2 应 用 电 力

6、 电 子 器 件 系 统 组 成 电 气 隔 离控 制 电 路 半 控 型 器 件 （ Thyristor） 通 过 控 制 信 号 可 以 控 制 其 导 通 而 不 能 控 制其 关 断 。全 控 型 器 件 （ IGBT,MOSFET) 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 。不 可 控 器 件 (Power Diode) 不 能 用 控 制 信 号 来 控 制 其 通 断 , 因 此 也 就 不需 要 驱 动 电 路 。2.2.3 电 力 电 子 器 件 的 分 类按 照 器 件 能 够 被 控 制 的 程 度

7、， 分 为 以 下 三 类 ： 电 流 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 。电 压 驱 动 型 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 。2.2.3 电 力 电 子 器 件 的 分 类 按 照 驱 动 电 路 信 号 的 性 质 ， 分 为 两 类 ： 脉 冲 触 发 型 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 制 。电 平

8、 控 制 型 必 须 通 过 持 续 在 控 制 端 和 公 共 端 之 间 施 加 一 定 的电 平 信 号 来 使 器 件 维 持 在 导 通 或 者 关 断 的 控 制 。2.2.3 电 力 电 子 器 件 的 分 类 按 照 驱 动 信 号 的 波 形 ， 分 为 两 类 ： 单 极 型 器 件 （ 肖 特 基 二 极 管 、 电 力 MOSFET等 ） 由 一 种 载 流 子 参 与 导 电 的 器 件 。双 极 型 器 件 （ 电 力 二 极 管 、 晶 闸 管 、 GTO、 GTR等 ） 由 电 子 和 空 穴 两 种 载 流 子 参 与 导 电 的 器 件 。复 合 型 器 件

9、 由 单 极 型 器 件 和 双 极 型 器 件 集 成 混 合 而 成 的 器 件 。2.2.3 电 力 电 子 器 件 的 分 类 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 ： 本 章 内 容 :介 绍 各 种 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 一 些 问 题 。学 习 要 点 :最 重 要 的 是 掌 握 其 基 本 特 性 。掌 握 电 力 电 子 器 件 的 型 号 命 名 法 ， 以 及 其 参 数 和 特性 曲 线 的 使 用 方 法 。

10、 详 细 使 用 时 查 手 册 、 说 明 书 。可 能 会 对 同 一 主 电 路 其 它 电 路 元 件 有 特 殊 的 要 求 。2.2.4 本 章 学 习 内 容 与 学 习 要 点 2.2 不 可 控 器 件 电 力 二 极 管 Power Diode结 构 和 原 理 简 单 ， 工 作 可 靠 ， 自20世 纪 50年 代 初 期 就 获 得 应 用 。快 恢 复 二 极 管 和 肖 特 基 二 极 管 ， 分 别 在 中 、 高频 整 流 和 逆 变 ， 以 及 低 压 高 频 整 流 的 场 合 ， 具有 不 可 替 代 的 地 位 。2.2 不 可 控 器 件 电 力 二

11、 极 管 引 言 整 流 二 极 管 及 模 块 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 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 ， 主要 有 螺 栓 型 和 平板 型 两 种 封 装 。 图 2-2 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2.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原理 A K A K a) I KA P NJb)c)A K N型 半 导 体 和 P型 半 导 体 结

12、 合 后 构 成 PN结 。图 2-3 PN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 建 立 的 电 场 被 称 为 内 电 场 或 自 建 电 场 ，其 方 向 是 阻 止 扩 散 运 动 的 ， 另 一 方 面 又 吸 引 对 方 区内 的 少 子 （ 对 本 区 而 言

13、则 为 多 子 ） 向 本 区 运 动 ， 即漂 移 运 动 。交 界 处 电 子 和 空 穴 的 浓 度 差 别 ， 造 成 了 各 区 的 多 子向 另 一 区 的 扩 散 运 动 ， 到 对 方 区 内 成 为 少 子 ， 在 界面 两 侧 分 别 留 下 了 带 正 、 负 电 荷 但 不 能 任 意 移 动 的 杂质 离 子 。 这 些 不 能 移 动 的 正 、 负 电 荷 称 为 空 间 电 荷 。2.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原理 1-17 电 力 二 极 管 承 受 高 电 压 、 大 电 流 的 因 素 ：垂 直 导 电 结 构 使 得 硅 片 中

14、 通 过 电 流 的 有 效 面积 增 大 ， 提 高 通 流 能 力低 掺 杂 N区 使 得 电 力 二 极 管 的 结 构 形 成 P-i-N结 构 ， 由 于 掺 杂 浓 度 低 ， 可 以 承 受 很 高 的 电 压而 不 被 击 穿 。2.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原 理 PN结 上 流 过 的 正 向 电 流 较 小 时 ， 二 极 管 的 电 阻 主 要是 低 掺 杂 区 的 电 阻 ， 其 阻 值 较 高 且 为 常 数 。 因 而 管压 降 随 正 向 电 流 的 上 升 而 增 加 ；PN结 上 流 过 的 正 向 电 流 较 大 时 ， 为 了

15、维 持 电 中 性 的条 件 ， 电 阻 率 下 降 ， 电 导 率 大 大 增 加 ， 即 电 导 调 制效 应 。电 导 调 制 效 应 使 得 电 力 二 极 管 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 时 表 现为 低 阻 态 。2.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原理 PN结 的 电 导 调 制 效 应 ： 状 态参 数 正 向 导 通 反 向 截 止 反 向 击 穿电 流 正 向 大 几 乎 为 零 反 向 大电 压 维 持 1V 反 向 大 反 向 大阻 态 低 阻 态 高 阻 态 二 极

16、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2.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原理 PN结 的 状 态 PN结 的 电 荷 量 随 外 加 电 压 而 变 化 ， 呈 现 电 容 效 应 ， 称为 结 电 容 CJ， 又 称 为 微 分 电 容 。结 电 容 按 其 产 生 机 制 和 作 用 的 差 别 分 为 势 垒 电 容 CB和扩 散 电 容 CD。电 容 影 响 PN结 的 工 作 频 率 ， 尤 其 是

17、高 速 的 开 关 状 态 。2.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原理 PN结 的 电 容 效 应 ： 造 成 电 力 二 极 管 和 普 通 二 极 管 区 别 的 一 些 因 素 ：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 ， 电 导 调 制 效 应 不 能 忽略 。引 线 和 焊 接 电 阻 的 压 降 等 都 有 明 显 的 影 响 。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 影

18、 响 。为 了 提 高 反 向 耐 压 ， 其 掺 杂 浓 度 低 也 造 成 正 向 压 降 较大 。2.2.1 PN结 与 电 力 二 极 管 的 工 作 原 理 主 要 指 其 伏 安 特 性门 槛 电 压 UTO， 正 向 电 流IF开 始 明 显 增 加 所 对 应 的电 压 。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 有微 小 而 数 值 恒 定 的 反 向漏 电 流 。 图 2-4 电 力 二 极 管 的 伏 安 特 性2.2.2 电 力 二 极 管 的 基 本 特 性1) 静 态 特 性

19、I OIF UTO UF U 2) 动 态 特 性 二 极 管 的 电 压 -电 流 特 性 随 时 间 变 化 的 结 电 容 的 存 在2.2.2 电 力 二 极 管 的 基 本 特 性 b)UFPui iFuFtfr t02V a) FUF tF t0 trrtd tft1 t2 tURURPIRPdiFdt diRdt 图 2-5 电 力 二 极 管 的 动 态 过 程 波 形 a) 正 向 偏 置 转 换 为 反 向 偏 置 b) 零 偏 置 转 换 为 正 向 偏 置延 迟 时 间 ： td= t1- t0, 电 流 下 降 时 间 ： tf= t2- t1反 向 恢 复 时 间

20、： trr= td+ tf恢 复 特 性 的 软 度 ： 下 降 时 间 与延 迟 时 间 的 比 值 tf /td， 或 称 恢 复系 数 ， 用 Sr表 示 。 正 向 压 降 先 出 现 一 个 过 冲 UFP， 经过 一 段 时 间 才 趋 于 接 近 稳 态 压 降 的某 个 值 （ 如 2V） 。正 向 恢 复 时 间 tfr。电 流 上 升 率 越 大 ， UFP越 高 。 UFPui iFuFtfr t02V 图 2-5(b)开 通 过 程2.2.2 电 力 二 极 管 的 基 本 特 性 开 通 过 程 ： 关 断 过 程须 经 过 一 段 短 暂 的 时 间 才 能 重 新

21、 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 ，并 伴 随 有 明 显 的 反 向 电 压 过 冲 。 IFUF tF t0 trrtd tft1 t2 tURURPIRPdiFdt diRdt图 2-5(b)关 断 过 程 额 定 电 流 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 。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

22、， 并 应 留 有 一 定 的 裕 量 。2.2.3 电 力 二 极 管 的 主 要 参 数1) 正 向 平 均 电 流 IF(AV) 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） 反 向 恢 复 时 间 trr t rr= td+ tf 2.2.3 电 力 二 极 管 的 主 要 参 数2） 正 向 压 降 UF 结 温 是 指 管 芯

23、 PN结 的 平 均 温 度 ， 用 TJ表 示 。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 125175C范 围 之 内 。6) 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 。 2.2.3 电 力 二 极 管 的 主 要 参 数5） 最 高 工 作 结 温 TJM 1) 普 通 二 极 管 （ General Purpose Diode）又 称 整 流 二 极 管 （ Rectifier Diode）多 用 于 开 关 频 率

24、 不 高 （ 1kHz以 下 ） 的 整 流 电 路其 反 向 恢 复 时 间 较 长 （ 一 般 在 5s以 上 ） 。正 向 电 流 定 额 和 反 向 电 压 定 额 可 以 达 到 很 高 ，分 别 可 达 数 千 安 和 数 千 伏 以 上 。按 照 正 向 压 降 、 反 向 耐 压 、 反 向 漏 电 流 等 性 能 ，特 别 是 反 向 恢 复 特 性 的 不 同 介 绍 。2.2.4 电 力 二 极 管 的 主 要 类 型 简 称 快 速 二 极 管 ： 反 向 恢 复 过 程 很 短 （ 5s以 下 ）快 恢 复 外 延 二 极 管 （ Fast Recovery Epit

25、axial DiodesFRED） ， 其trr更 短 （ 可 低 于 50ns） ， UF也 很 低 （ 0.9V左 右 ） ，但 其 反 向 耐 压 多 在 1200V以 下 。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。2) 快 恢 复 二 极 管 :工 艺 上 多 采 用 了 掺 金 措 施 （ Fast Recovery DiodeFRD） 肖 特 基 二 极 管 的 弱 点反 向 耐 压 提 高 时 正 向 压 降 会 提 高

26、 ， 多 用 于 200V以 下 。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 点反 向 恢 复 时 间 很 短 （ 1040ns） 。正 向 恢 复 过 程 中 也 不 会 有 明 显 的 电 压 过 冲 。反 向 耐 压 较 低 时 其 正 向 压 降 明 显 低 于 快 恢 复 二 极 管 。效 率 高 ， 其 开 关 损 耗 和 正 向 导 通 损 耗 都 比 快 速 二 极 管 还 小 。2.2.4 电 力 二 极 管 的 主 要 类 型3. 肖 特 基 二 极 管 (DATASHEET) 以 金 属

27、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） 。 2.3 半 控 器 件 晶 闸 管 2.3 半 控 器 件 晶 闸 管 引 言1956年 美 国 贝 尔 实 验 室 发 明 了 晶 闸 管 。1957年 美 国 通 用 电 气 公 司 开 发 出 第 一 只 晶 闸 管 产 品 。1958年 商 业 化 。开 辟 了 电 力 电 子 技 术 迅 速 发 展 和 广 泛 应 用 的 崭 新 时 代 。20世 纪 80年 代 以 来 ， 开 始 被 全 控 型 器 件 取

28、代 。能 承 受 的 电 压 和 电 流 容 量 最 高 ， 工 作 可 靠 ， 在 大 容 量的 场 合 具 有 重 要 地 位 。晶 闸 管 （ Thyristor） ： 晶 体 闸 流 管 ， 可 控 硅 整 流器 （ Silicon Controlled RectifierSCR） 图 2-6 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2.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理外 形 有 螺 栓 型 和 平 板 型 两 种 封 装 。有 三 个 联 接 端 ， 为 四 层 三 结 三 端 型 。螺

29、栓 型 封 装 ， 通 常 螺 栓 是 其 阳 极 ， 能 与 散 热 器 紧密 联 接 且 安 装 方 便 。平 板 型 晶 闸 管 可 由 两 个 散 热 器 将 其 夹 在 中 间 。A AGG K K b ) c)a) AG K K GAP 1N 1P 2N 2 J 1J 2J 3 2.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理常 用 晶 闸 管 的 结 构螺 栓 型 晶 闸 管 晶 闸 管 模 块 平 板 型 晶 闸 管 外 形 及 结 构 2.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理式 中 1和 2分 别 是 晶 体 管 V1和 V2的 共 基 极 电 流 增 益

30、 ； ICBO1和 ICBO2分 别 是 V1和 V2的 共 基 极 漏 电 流 。由 以 上 式 可 得 ： 图 2-7 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 按 晶 体 管 的 工 作 原 理 ， 得 ：111 CBOAc III 222 CBOKc III GAK III 21 ccA III （ 2-2）（ 2-1）（ 2-3）（ 2-4）)(1 21 CBO2CBO1G2A IIII （ 2-5） 2.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理在 低 发 射 极 电 流 下 是 很 小 的 ， 而 当

31、 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 。开 通 状 态 ： 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 。 2.3.1 晶 闸 管 的 结 构 与 工 作 原 理阳 极 电 压 升 高 至 相 当 高 的 数 值 造 成 雪 崩 效

32、应阳 极 电 压 上 升 率 du/dt过 高结 温 较 高光 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 ， 称 为 光 控 晶 闸 管 （ Light Triggered ThyristorLTT） 。只 有 门 极 触 发 是 最 精 确 、 迅 速 而 可 靠 的 控 制 手 段 。其 他 几 种 可 能 导 通 的 情 况 ： 2.3.2 晶 闸 管 的 基 本 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

33、 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 。晶 闸 管 正 常 工 作 时 的 特 性 总 结 如 下 ： 2.3.2 晶 闸 管 的 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

34、， 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 。 正 向导 通 雪 崩击 穿 O +UA-UA -IAIAIH IG2 IG1 IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1） 静 态 特 性 图 2-8 晶 闸 管 的 伏 安 特 性IG2IG1IG 2.3.2 晶 闸 管 的 基 本 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

35、 达 到 反 向 击 穿电 压 后 ， 可 能 导 致 晶 闸 管发 热 损 坏 。 图 2-8 晶 闸 管 的 伏 安 特 性IG2IG1IG正 向导 通雪 崩击 穿 O +UA-UA -IAIAIH IG2 IG1 IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（ 2） 反 向 特 性 2.3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性1) 开 通 过 程延 迟 时 间 td (0.52.5s) 门 极 电 流 阶 跃 时 刻 开 始 ，到 阳 极 电 流 上 升 到 稳 态值 的 10%的 时 间 。上 升 时 间 tr (0.53s) 阳 极 电 流 从 10%上 升 到稳 态 值 的 90%

36、所 需 的 时间 。开 通 时 间 t gt上 两 者 之 和 tgt=td+ tr （ 2-6） 100%90%10%uAK ttO0 td tr trr tgrURRMIRM iA2） 动 态 特 性 图 2-9 晶 闸 管 的 开 通 和 关 断 过 程 波 形 2.3.2 晶 闸 管 的 基 本 特 性100%90%10%u AK ttO0 td tr trr tgrURRMIRMiA2) 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 于零 的 时 间正 向 阻 断 恢 复 时 间 tgr 晶 闸 管 要

37、 恢 复 其 对 正 向电 压 的 阻 断 能 力 还 需 要一 段 时 间关 断 时 间 tq以 上 两 者 之 和tq=trr+tgr （ 2-7)普 通 晶 闸 管 的 关 断 时 间约 几 百 微 秒 2） 动 态 特 性 图 2-9 晶 闸 管 的 开 通 和 关 断 过 程 波 形 2.3.3 晶 闸 管 的 主 要 参 数断 态 重 复 峰 值 电 压 UDRM 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 。反 向 重 复 峰 值 电 压 URRM 在 门 极 断 路 而 结 温 为 额 定 值 时 ， 允

38、许 重 复 加 在 器 件 上 的 反 向 峰 值 电 压 。通 态 （ 峰 值 ） 电 压 U T 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 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 23倍 。使 用 注 意 ： 1） 电 压 定 额 2.3.3 晶 闸 管 的 主 要 参 数通 态 平 均 电 流 IT(AV） 在 环 境 温 度 为 40C和 规 定

39、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 。 标 称 其 额 定 电流 的 参 数 。 使 用 时 应 按 有 效 值 相 等 的 原 则 来 选 取 晶 闸 管 。维 持 电 流 IH 使 晶 闸 管 维 持 导 通 所 必 需 的 最 小 电 流 。擎 住 电 流 I L 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 。浪 涌

40、 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 不 重 复 性最 大 正 向 过 载 电 流 。2） 电 流 定 额 01 sin ( )2 mda m II I td t 2)()sin(21 0 2 mmVT ItdtII 通 态 电 流 平 均 值1.572VT f daIk I (1.52)1.57VTda II 通 常 50A以 下 的 管 子 分 别 为 1、 5、 10、 20、 30、50A等 级 ； 1001000A的 管 子 分 别 为 100、 200、300、 400、 500、 600、 800、 100

41、0A等 级 。有 效 值 ： （ 1.52） 为 安 全 系 数 。 例 ： 某 电 路 输 入 的 电 流 波 形 如 图 所 示 ， 流 经 额 定电 流 为 100A的 晶 闸 管 ， 求 其 允 许 电 流 的 平 均 值 。21 sin ( )2 2mda m II I td t 2 21 ( sin ) ( )2 2 2mVT m II I t d t ( ) ( )1.57 157T VT T daI I A 157 4442 2mVT mII A I A AII m da 7.702 故 允 许 电 流 的 平 均 值 2、 在 实 际 电 路 中 ， 当 需 要 晶 闸 管

42、能 承 受 最 大 平均 值 为 100A的 工 频 矩 形 半 波 电 流 ， 则 晶 闸 管 的额 定 电 流 应 选 择 多 大 ？1、 一 个 额 定 电 流 为 100A的 晶 闸 管 能 承 受 工 频 矩形 半 波 的 最 大 平 均 电 流 为 多 少 ？01 ( )2 2mda m II I d t 201 ( )2 2mVT m II I d t 2.3.3 晶 闸 管 的 主 要 参 数 除 开 通 时 间 tgt和 关 断 时 间 tq外 ， 还 有 ：断 态 电 压 临 界 上 升 率 du/dt 指 在 额 定 结 温 和 门 极 开 路 的 情 况 下 ， 不 导

43、 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 。 通 态 电 流 临 界 上 升 率 di/dt 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 。 如 果 电 流 上 升 太 快 ， 可 能 造 成 局 部 过 热 而 使 晶 闸 管 损 坏 。3） 动 态 参 数 2.3.4 晶 闸 管 的 派 生 器 件有 快 速 晶 闸 管 和 高 频 晶 闸 管 。开 关 时 间

44、以 及 du/dt和 di/dt耐 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 ，高 频 晶 闸 管 10s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 。由 于 工 作 频 率 较 高 ， 不 能 忽 略 其 开 关 损 耗 的 发 热 效 应 。1） 快 速 晶 闸 管 （ Fast Switching Thyristor FST) 国 产 晶 闸 管 的 型 号 命 名 方 法 国 产 晶 闸 管 的 型 号 命 名 （ JB1144-75部 颁发 标 准

45、 ） 主 要 由 四 部 分 组 成 。 KP100-3 重 复 峰 值 电 压 等 级（ 1、 100V， 2、 200V等 ） 额 定 通 态 电 流 值（ 1、 1A， 5、 5A等 ） 晶 闸 管 的 类 别（ P： 普 通 反 向 阻 断 型 、 K： 快 速 反 向 阻 断 型 、 S： 双 向 型 ）晶 闸 管 2.3.4 晶 闸 管 的 派 生 器 件2） 双 向 晶 闸 管 （ Triode AC SwitchTRIAC或 Bidirectional triode thyristor）图 2-10 双 向 晶 闸 管 的 电 气 图 形 符 号 和 伏 安 特 性a) 电 气

46、 图 形 符 号 b) 伏 安 特 性a) b)I O UIG=0G T1T2可 认 为 是 一 对 反 并 联 联 接的 普 通 晶 闸 管 的 集 成 。有 两 个 主 电 极 T1和 T2， 一个 门 极 G。在 第 和 第 III象 限 有 对 称的 伏 安 特 性 。不 用 平 均 值 而 用 有 效 值 来表 示 其 额 定 电 流 值 。在 交 流 调 压 电 路 、 固 态 继电 器 （ SSR） 和 交 流 电 机调 速 等 领 域 应 用 较 多 。 2.3.4 晶 闸 管 的 派 生 器 件3) 逆 导 晶 闸 管 （ Reverse Conducting Thyrist

47、orRCT） a) KG A b) UOI IG=0图 2-11 逆 导 晶 闸 管 的 电 气图 形 符 号 和 伏 安 特 性a) 电 气 图 形 符 号 b) 伏 安 特 性将 晶 闸 管 反 并 联 一 个二 极 管 制 作 在 同 一 管芯 上 的 功 率 集 成 器 件 。具 有 正 向 压 降 小 、 关断 时 间 短 、 高 温 特 性好 、 额 定 结 温 高 等 优点 。逆 导 晶 闸 管 的 额 定 电流 有 两 个 ， 一 个 是 晶闸 管 电 流 ， 一 个 是 反并 联 二 极 管 的 电 流 。 2.3.4 晶 闸 管 的 派 生 器 件4) 光 控 晶 闸 管

48、（ Light Triggered ThyristorLTT） AG Ka) AK光 强 度强 弱b)O UIA图 2-12 光 控 晶 闸 管 的 电 气图 形 符 号 和 伏 安 特 性a) 电 气 图 形 符 号 b) 伏 安 特 性又 称 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 。光 触 发 保 证 了 主 电 路与 控 制 电 路 之 间 的 绝缘 ， 且 可 避 免 电 磁 干扰 的 影 响 。因 此 目 前 在 高 压 大 功率 的 场 合 。 2.4 典 型 全 控 型 器 件 2.4 典 型 全 控 型 器 件 引

49、 言门 极 可 关 断 晶 闸 管 在 晶 闸 管 问 世 后 不 久出 现 。20世 纪 80年 代 以 来 ， 高 频 化 、 全 控 型 、 采 用集 成 电 路 制 造 工 艺 的 电 力 电 子 器 件 ， 从 而 将电 力 电 子 技 术 进 入 了 一 个 崭 新 时 代 。典 型 代 表 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 。 2.4 典 型 全 控 型 器 件 引 言常 用 的 典 型 全 控 型 器 件 电 力 MOSFET IGBT单 管 及 模 块 2.4.1 门 极 可 关 断

50、晶 闸 管晶 闸 管 的 一 种 派 生 器 件 。可 以 通 过 在 门 极 施 加 负 的 脉 冲 电 流 使 其 关 断 。GTO的 电 压 、 电 流 容 量 较 大 ， 与 普 通 晶 闸 管接 近 ， 因 而 在 兆 瓦 级 以 上 的 大 功 率 场 合 仍 有较 多 的 应 用 。门 极 可 关 断 晶 闸 管 （ Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 2.4.1 门 极 可 关 断 晶 闸 管结 构 ：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 。和 普 通 晶 闸 管

51、的 不 同 点 ： GTO是 一 种 多 元 的 功 率集 成 器 件 。 图 2-13 GTO的 内 部 结 构 和 电 气 图 形 符 号 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1） GTO的 结 构 和 工 作 原 理 c)图 1-13 AG K G GKN1P1 N2N2 P2b)a) AG K 2.4.1 门 极 可 关 断 晶 闸 管工 作 原 理 ：与 普 通 晶 闸 管 一 样 ， 可 以 用 图 2-7所 示 的 双 晶 体 管 模 型 来分 析 。 RNPNPNPA

52、GS KEGIG EAIK Ic2Ic1IAV1 V2P1AG K N1P2P2N1N2 a) b)图 2-7 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 。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 。 2.4.1 门 极 可 关 断 晶 闸 管GTO能 够 通 过 门 极 关 断 的 原 因 是 其 与 普 通 晶 闸 管 有如 下 区 别 ：设 计 2较 大 ， 使 晶 体 管 V2控 制 灵 敏 ， 易 于 GTO。导 通 时 1+2

53、更 接 近 1， 导 通时 接 近 临 界 饱 和 ， 有 利 门 极控 制 关 断 ， 但 导 通 时 管 压 降增 大 。 多 元 集 成 结 构 ， 使 得 P 2基 区横 向 电 阻 很 小 ， 能 从 门 极 抽出 较 大 电 流 。 RNPNPNPAG S KEGIG EAIKIc2Ic1IAV1 V2b)图 2-7 晶 闸 管 的 工 作 原 理 2.4.1 门 极 可 关 断 晶 闸 管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

54、 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 。 由 上 述 分 析 我 们 可 以 得 到 以 下 结 论 ： 2.4.1 门 极 可 关 断 晶 闸 管开 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 t f 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 。 O t0 t

55、iGiAIA90%IA10%IA tttftstd trt0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 图 2-14 GTO的 开 通 和 关 断 过 程 电 流 波 形2) GTO的 动 态 特 性 2.4.1 门 极 可 关 断 晶 闸 管3) GTO的 主 要 参 数 延 迟 时 间 与 上 升 时 间 之 和 。 延 迟 时 间 一 般 约12s， 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）

56、 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 。 2.4.1 门 极 可 关 断 晶 闸 管（ 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

57、 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 。 （ 2-8） GMATOoff II 2.4.2 电 力 晶 体 管电 力 晶 体 管 （ Giant TransistorGTR， 直译 为 巨 型 晶 体 管 ） 。耐 高 电 压 、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管（ Bipolar Junction TransistorBJT） ，英 文 有 时 候 也 称 为 Power BJT。 应 用20世 纪 80年 代 以 来 ， 在 中 、 小 功 率 范

58、围 内 取代 晶 闸 管 ， 但 目 前 又 大 多 被 IGBT和 电 力MOSFET取 代 。术 语 用 法 ： 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 。2.4.2 电 力 晶 体 管1） GTR的 结 构 和 工 作 原 理图 2-15 GTR的 结 构 、 电 气 图 形 符 号 和 内 部 载 流

59、 子 的 流 动 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 2.4.2 电 力 晶 体 管在 应 用 中 ， GTR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 （ 2-9） GTR的 电 流 放 大 系 数 ， 反 映 了 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 I ceo时 ， ic和 ib的 关系 为 ic= ib +Iceo （ 2-10）单 管 GTR的 值 比 小 功 率 的

60、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 。bcii 空 穴 流 电子流c)Eb Ecib ic=ibie=(1+ )ib1） GTR的 结 构 和 工 作 原 理 2.4.2 电 力 晶 体 管 (1) 静 态 特 性共 发 射 极 接 法 时 的 典 型 输出 特 性 ： 截 止 区 、 放 大 区和 饱 和 区 。在 电 力 电 子 电 路 中 GTR工作 在 开 关 状 态 。在 开 关 过 程 中 ， 即 在 截 止区 和 饱 和 区 之 间 过 渡 时 ， 要 经 过 放 大 区 。 截 止 区放 大 区

61、饱和区OIc ib3ib2ib1 ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实 际 使 用 时 ， 最 高 工 作 电 压 要 比 BUceo低 得 多 。 3） GTR的 主 要 参 数 2.4.2 电 力 晶 体 管通 常 规 定 为 hFE下 降 到 规 定 值 的 1/21/3时 所 对 应 的 Ic 。实 际 使 用 时 要 留 有 裕 量 ， 只 能 用 到 IcM的 一 半 或 稍 多 一 点 。 3) 集 电 极 最 大 耗 散 功 率 PcM最 高 工 作 温 度 下 允 许 的 耗 散 功 率 。产 品 说 明 书 中 给 P cM时 同 时 给 出 壳

62、 温 TC， 间 接 表 示 了 最 高工 作 温 度 。 2) 集 电 极 最 大 允 许 电 流 IcM 2.4.2 电 力 晶 体 管一 次 击 穿 ： 集 电 极 电 压 升 高 至 击 穿 电 压 时 ， Ic迅 速 增 大 。只 要 Ic不 超 过 限 度 ， GTR一 般 不 会 损 坏 ， 工 作 特 性 也 不 变 。 二 次 击 穿 ： 一 次 击 穿 发 生 时 ， Ic突 然 急 剧 上 升 ， 电 压 陡 然 下 降 。常 常 立 即 导 致 器 件 的 永 久 损 坏 ， 或 者 工 作 特 性 明 显 衰 变 。安 全 工 作 区 （ S a f e Operat

63、ing AreaSOA）最 高 电 压 U ceM、 集 电 极 最 大电 流 IcM、 最 大 耗 散 功 率 PcM、二 次 击 穿 临 界 线 限 定 。 SOAOIcIcM PSB PcM UceUceM图 2-18 GTR的 安 全 工 作 区 4) GTR的 二 次 击 穿 现 象 与 安 全 工 作 区 2.4.3 电 力 场 效 应 晶 体 管分 为 结 型 和 绝 缘 栅 型通 常 主 要 指 绝 缘 栅 型 中 的 MOS型 （ Metal Oxide Semiconductor FET）简 称 电 力 MOSFET（ Power MOSFET）结 型 电 力 场 效 应

64、晶 体 管 一 般 称 作 静 电 感 应 晶 体 管（ Static Induction TransistorSIT） 特 点 用 栅 极 电 压 来 控 制 漏 极 电 流驱 动 电 路 简 单 ， 需 要 的 驱 动 功 率 小 。开 关 速 度 快 ， 工 作 频 率 高 。 热 稳 定 性 优 于 GTR。电 流 容 量 小 ， 耐 压 低 ， 一 般 只 适 用 于 功 率 不 超 过 10kW的 电 力 电 子 装 置 。电 力 场 效 应 晶 体 管 2.4.3 电 力 场 效 应 晶 体 管电 力 MOSFET的 种 类 按 导 电 沟 道 可 分 为 P沟 道 和 N沟 道

65、 。 耗 尽 型 当 栅 极 电 压 为 零 时 漏 源 极 之 间就 存 在 导 电 沟 道 。 增 强 型 对 于 N（ P） 沟 道 器 件 ， 栅 极 电压 大 于 （ 小 于 ） 零 时 才 存 在 导 电 沟 道 。 电 力 MOSFET主 要 是 N沟 道 增 强 型 。1） 电 力 MOSFET的 结 构 和 工 作 原 理 2.4.3 电 力 场 效 应 晶 体 管电 力 MOSFET的 结 构是 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 。采 用 多 元 集 成 结 构 ， 不 同 的 生 产 厂 家

66、 采 用 了 不 同 设 计 。 N+ G SD P沟 道b) N+N- SG D P PN+N+ N+沟 道 a) G S D N沟 道 图 1-19图 2-19 电 力 MOSFET的 结 构 和 电 气 图 形 符 号 2.4.3 电 力 场 效 应 晶 体 管小 功 率 MOS管 是 横 向 导 电 器 件 。电 力 MOSFET大 都 采 用 垂 直 导 电 结 构 ， 又 称 为VMOSFET（ Vertical MOSFET） 。按 垂 直 导 电 结 构 的 差 异 ， 分 为 利 用 V型 槽 实 现 垂 直 导 电的 VVMOSFET和 具 有 垂 直 导 电 双 扩 散 MOS结 构 的VDMOSFET（ Vertical Double-diffused MOSFET） 。这 里 主 要 以 VDMOS器 件 为 例 进 行 讨 论 。电 力 MOSFET的 结 构 2.4.3 电 力 场 效 应 晶 体 管截 止 ： 漏 源 极 间 加 正 电 源 ， 栅 源 极 间 电 压 为 零 。 P基 区 与 N漂 移 区 之 间 形 成 的 PN结 J1反 偏 ， 漏