第1章 电力电子器件概述11.ppt

1、1,第1章 电力电子器件,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,电力电子器件,1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）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。仍然,2,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,2）同处理信息的电子器件相比的一般特征：,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

2、 ,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。,3,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,开通损耗,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的损耗,4,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1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成,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,1.1.2 应用电力电子器件系统组成,电气隔离,控制电路,5,1.1.3

3、电力电子器件的分类,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,半控型器件主要是指晶闸管（Thyristor）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定的。全控型器件目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。不可控器件 电力二极管（Power Diode）不能用控制信号来控制其通断。,6,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。,1.1.3 电力电子器件的分类,按照驱动电路信号的性质，分为两类：,7,1.

4、1.3 电力电子器件的分类,按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ）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。电平控制型 必须通过持续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维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。,8,1.1.3 电力电子器件的分类,按照载流子参与导电的情况单极型器件 由一种载流子参与导电。双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电。复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。,9,1.2.1 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

5、.4 电力二极管的主要类型,1.2 不可控器件电力二极管,10,1.2 不可控器件电力二极管引言,整流二极管及模块,电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得 应用，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。,11,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1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号a) 外形

6、 b) 结构 c) 电气图形符号,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,12,1.2.1 PN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。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向

7、电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。,13,低掺杂N区的高电阻率对于正向导通是不利的。电导调制效应对解决这一矛盾有利PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，阻值较高。PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的空穴载流子浓度将很大，电阻率明显下降。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,电导调制效应：,电力二极管与普通二极管内部结构的不同之处 垂直导电结构，显著提高通流能力 增加低掺杂N区，增加承受反向电压的能力,14,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

8、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。 CJ = CB + CD电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,PN结的电容效应：,15,正向导通时流过的正向电流很大，电导调制效应不能忽略，引线和焊接电阻的压降有明显影响。 导通与关断过程中di/dt 较大，线路及负载电感影响较大。 为了提高反向耐压，掺杂浓度低，尽管有电导调制效应，正向压降较大。,1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理,与普通二极管区别：,16,主要指其伏安特性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

9、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。,图1-4 电力二极管的伏安特性,1.2.2 电力二极管的基本特性,1) 静态特性,17,动态特性因为结电容的存在，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。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。,1.2.2 电力二极管的基本特性,图1-5 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反

10、向偏置,18,图1-5(b)开通过程,1.2.2 电力二极管的基本特性,开通过程：,图1-5(b)关断过程,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tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。 Sr越大，特性越软，反向电流下降时间长，反向电压过冲小。,由零偏置转换为正向偏置先出现一个过冲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 出现电压过冲的原因:电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，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自

11、身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。,19,额定电流长期运行时，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，并应留有一定的裕量。 IF(AV)与有效值的关系1:1.57,电力二极管允许流过最大电流有效值为1.57 IF(AV) 。如电路中实际需要流过某种波形电流的有效值为ID，则至少要选择额定电流IF(AV)为ID /1.57的电力二极管。,1.2.3 电力二极管的主要参数,1) 正向平均电流IF(AV),20,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流 IF（

12、AV）（标称的额定电流）在工频正弦半波情况下，电流的平均值 IF（AV）和有效值 I 的关系：,t,i,2,0,21,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trrtrr= td+ tf,1.2.3 电力二极管的主要参数,2）正向压降UF,22,结温是指管芯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

13、。,1.2.3 电力二极管的主要参数,5）最高工作结温TJM,23,1) 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 其反向恢复时间较长(5微秒） 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高(KA,KV),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。,1.2.4 电力二极管的主要类型,24,简称快速二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下 ）。快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短

14、（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。,1.2.4 电力二极管的主要类型,2) 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）,25,优点在于：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；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V

15、以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。,1.2.4 电力二极管的主要类型,3. 肖特基二极管(DATASHEET)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）。,26,1.3 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 1.3.3 晶闸管的主要参数 1.3.4 晶闸管的派生器件,27,1.3 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 （Silicon Controlled R

16、ectifierSCR），以前被简称为可控硅。1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到 1957年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。 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代。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。,28,1.3.1 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,29,图1-6 晶闸管

17、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,1.3.1 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。 螺栓型封装，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。 内部是PNPN四层半导体结构。三个PN结，接正向电压时：J1、J3正偏，J2反偏。接反向电压时，J2正偏，J1、J3反偏。,30,1.3.1 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；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ：,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双

18、晶体管模型 b) 工作原理,按晶体管的工作原理 ，得：,（1-5）,31,1.3.1 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。,（1-5）,32,1.3.1 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

19、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：,33,1.3.2 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 。 DATASHEET,晶闸管正常工作时的特性总结如下：,34,1.3.2 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

20、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。,1） 静态特性,图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,35,1.3.2 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。 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。,图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,（2）反向特性,36,1.3.2 晶闸管的基本特性,图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,UDRM-断态重复峰值电压 URRM-反向重复峰值电压 UDSM-断态不重复峰值电压

21、URSM-反向不重复峰值电压 Ubo- 正向转折电压 （后面讨论）正常工作时，不允许正向阳极 电压加到Ubo，否则将失控。 应该靠加入IG使晶闸管导通。,37,晶闸管的门极伏安特性 Gate Voltage-current Characteristics,OD-极限低阻伏安特性 OG-极限高阻伏安特性 ADEFGCBA-可靠触发区 OABCO-不可靠触发区 OHIJO-不触发区 IFGM-门极正向峰值电流 UFGM-门极正向峰值电压 IGT-门极触发电流 UGT-门极触发电压 PGM-瞬时最大功率 P G（av)-平均功率 IGD-门极不触发电流 UGD-门极不触发电压,38,1.3.2 晶闸

22、管的基本特性,开通过程,2） 动态特性,图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形,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 (0.51.5s)上升时间tr (0.53s)开通时间tgt=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。,39,1.3.2 晶闸管的基本特性,2） 动态特性,图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形,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

23、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tq=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。,40,1.3.2 晶闸管的基本特性,影响关断时间的因素 1. 正向电流大，关断时间长; 2. 反向电压高, 关断时间短; 3.正向电压上升率大,关断时间长; 4. 结温高,关断时间长。 动态损耗 1.开通损耗 2.关断损耗 静态损耗 1.通态损耗 2.断态损耗,41,1.3.3 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

24、正向峰值电压。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%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压URRM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。 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%。 反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。 通态（峰值）电压UT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

25、定额,42,1.3.3 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。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.52倍。,2）电流定额,43,1.3.3 晶闸管的主要参数,2）电流定额,平均电流IT(AV)与峰值 IM 及有效值 I 的关系：,表明：额定电流为100A晶闸管，允许的电流有效值为157A。 波形系数Kf =有效值/平均值=I / Id,44,1.3.3 晶闸管的主要参数,例：额定电

26、流为100A的晶闸管，流过的电流波形如图所示。计算晶闸管在此波形下允许的电流平均值。 解：此波形的有效值：此波形的平均值：此波形的波形系数：则允许的电流平均值:,iim ImSintid/2 2 t,45,1.3.3 晶闸管的主要参数,维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安。结温越高，则IH越小。 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。 浪涌电流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,46,1.3.3 晶闸管的主要

27、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,47,1.3.3 晶闸管的主要参数,（1）门极触发电流Gate Trigger Current IGT室温下,阳极电压直流6V时,使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。（2）门极触发电压Gate Trigger Volt

28、age UGT产生门极触发电流 IGT所必需的门极电压。,4) 晶闸管的门极定额 Gate Ratings,48,1.3.3 晶闸管的主要参数,器件在正常工作时所允许的最高结温。 在此温度下 ，一切有关的额定值和特性都能得到满足。 在规定的冷却条件下和其它额定条件下，器件才不会超过额定结温,5) 额定结温Tjm Rating Junction Temperature,49,1.3.4 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

29、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。 DATASHEET,1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST),50,1.3.4 晶闸管的派生器件,2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）,图1-10 双向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,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、固态继电器和交流电动机

30、调速等领域应用较多。,51,1.3.4 晶闸管的派生器件,逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,a),K,G,A,图1-11 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,是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，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。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，可用于不需要阻断反向电压的电路中。,52,1.3.4 晶闸管的派生器件,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,A,G,K,a),AK,图1-12 光控晶闸管的电气

31、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。,53,1.4 典型全控型器件,1.4.1 门极可关断晶闸管 1.4.2 电力晶体管 1.4.3 电力场效应晶体管 1.4.4 绝缘栅双极晶体管,54,1.4 典型全控型器件引言,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，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。,55,1.4 典型全控型器件引言,

32、常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,56,1.4.1 门极可关断晶闸管,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。 DATASHEET,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）,57,1.4.1 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。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。,图1-13 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

33、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,58,1.4.1 门极可关断晶闸管,工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。,图1-7 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 。,59,1.4.1 门极可关断晶闸管,工作原理 GTO的双晶体管等效电路分析 从右图得: IA = 1 IA + 2 IK,当 IG = 0 时: 因IA = IK , 所以1 + 2 = 1为GTO的临界导通条件。 1 + 2 1，GTO饱

34、和导通。,当 IG 0 时:,GTO在设计时，使1 + 2 = 1.05，给门极控制关断提供了有利条件。,普通晶闸管=1.15,60,1.4.1 门极可关断晶闸管, GTO的开通过程 与普通晶闸管开通原理类似，强烈的正反馈过程。 当 电流增加到1 + 2 1后，撤去IG ，GTO也能维持导通。 阴影宽度表示饱和的深度。,61,1.4.1 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P2基区横向电阻很小，能从门极抽出

35、较大电流。,图1-7 晶闸管的工作原理,62,1.4.1 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。给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流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 。,由上述分析我们可以得到以下结论：,63,1.4.1 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tf 尾部时间tt 残存载流子复合。 通常tf比ts小得多，

36、而tt比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。,图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形,GTO的动态特性,64,1.4.1 门极可关断晶闸管,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）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。,65,1.4.1 门极可关断晶闸管,（3）最大可关断阳极电流IATO,

37、（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。,（1-8）,66,1.4.2 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。 DATASHEET 1 2应用 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOS

38、FET取代。,术语用法：,67,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 。,1.4.2 电力晶体管,1）GTR的结构和工作原理,图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动,68,1.4.2 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（1-9） 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 。说明书通常给出直流增益hFE，

39、hFE 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 （1-10） 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。,1）GTR的结构和工作原理,69,1.4.2 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。,图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性,2）GTR的基本特性,70,1.4.2 电力晶体管,开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 加

40、快开通过程的办法:增大基极电流、di/dt 。 关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。 加快关断速度的办法:减小饱和程度、增大基极负电流和负偏压。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。,图1-17 GTR的开通和关断过程电流波形,(2) 动态特性,是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。,主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。,71,1.4.2 电力晶体管,前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff (此外还有)：1) 最高

41、工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo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BUcer和BUces发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex 且存在以下关系： BUcbo 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,72,1.4.2 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

42、，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PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。,2) 集电极最大允许电流IcM,73,1.4.2 电力晶体管,图1-18 GTR的安全工作区,GTR的二次击穿现象与安全工作区,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， 这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。发现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，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击 穿。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 件的永久损坏

43、，或者工作特性明显衰变，因而对GTR危害极大。,安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 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。GTR工作时不仅不能超过最高电压UceM，集电极最大电流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超过二次击穿临界线。,74,1.4.3 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） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）,特点

44、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,75,1.4.3 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。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。 DATASHEET,1）电力MOSFET的结构和工作原理,76,1.4.3 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

45、成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电： 在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于某一电压值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。 UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。,图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,电力MOSFET的工作原理,77,1.4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的结构,是单极型晶体管。只有一种极性的载流子参与导电。 结构上与小功率MOS管有较大区别，小功率MOS

46、管是横向导电器件，而目前电力MOSFET大都采用了垂直导电结构，所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。,图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号,78,1.4.3 电力场效应晶体管,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（Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET）。 电力MOSFET也是多元集成结构。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。,电力MOSFET的结构,79

47、,1.4.3 电力场效应晶体管,(1) 静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。,图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性,2）电力MOSFET的基本特性,是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。,80,1.4.3 电力场效应晶体管,图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 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

48、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。,81,1.4.3 电力场效应晶体管,图1-21 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up脉冲信号源，Rs信号源内阻， RG栅极电阻， RL负载电阻，RF检测漏极电流,(2) 动态特性,up为矩形脉冲电压信号源，Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。,信号,(a),(b),UDS,UDS,开通过程 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr电压下降时间tfv 开通时间ton= td(on)+tr+ tfv 关断过程关断延迟时间td(off) 电压上升时间trv 电流下降时间tfi 关断时间toff = td(off) +trv+tfi,