1、电力电子全册配套精品完整课电力电子全册配套精品完整课 件件(共共343页）页） 电力电子技术电力电子技术 4 数字电子数字电子 技术技术 模拟电子模拟电子 技术技术 电力电子电力电子 技术技术 信息电子信息电子 技术技术 电子技术电子技术 信息电子技术：信息处理信息电子技术：信息处理 电力电子技术：电力变换电力电子技术：电力变换 电力电子技术是应用于电电力电子技术是应用于电 力领域的电子技术，也就力领域的电子技术，也就 是使用电力电子器件对电是使用电力电子器件对电 能进行变换和控制的技术。能进行变换和控制的技术。 从转换的功率来讲，可在从转换的功率来讲，可在 1W1W1GW1GW之间之间 5
2、电力电子技术电力电子技术 电力电子器件电力电子器件 制造技术制造技术 变流技术变流技术 6 直流直流 电力电力 交流交流 交流变交流交流变交流直流变直流直流变直流直流变交流（逆变）直流变交流（逆变）交流变直流（整流）交流变直流（整流） 电力变换电力变换 7 电力学电力学 电子学电子学电力学电力学 控制控制 理论理论 描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形 8 都分为器件与应用都分为器件与应用 电力电子电力电子 器件制造技术器件制造技术 电子器件电子器件 制造技术制造技术 分析方法、分析软件分析方法、分析软件 电子电路电子电路 电力电子电力电子 电路电路 9 电力电子电路电力电子电路电
3、力变化和控制电力变化和控制 电子电路电子电路信息处理信息处理 电子电路电子电路 电力电子电路电力电子电路 信息电子电路器件信息电子电路器件 开关状态开关状态放大状态放大状态 功率输出功率输出 功率放大功率放大 电力电子电力电子 电路器件电路器件 开关状开关状 态态 10 电力电子学和电力学关系电力电子学和电力学关系 电力电子技术广泛用于电气工程电力电子技术广泛用于电气工程 电力电子技术电力电子技术 高高 压压 直直 流流 输输 电电 静静 止止 无无 功功 补补 偿偿 交交 直直 流流 电电 力力 传传 动动 电电 解解 电电 镀镀 电电 加加 热热 电电 力力 机机 车车 牵牵 引引 电气工
4、程电气工程 分支分支 高性能交直流电源高性能交直流电源 11 控制理论控制理论 电力电子技术电力电子技术 弱电和强电接口弱电和强电接口 弱电控制强电弱电控制强电 基础基础 元件元件 支撑支撑 技术技术 实实 现现 广泛用于广泛用于 电力电子装置电力电子装置 是自动化的是自动化的 12 电力电子技术是电能变换技术，是把粗电变为适合电力电子技术是电能变换技术，是把粗电变为适合 使用的精电的转换技术使用的精电的转换技术 电力电子技术是电力电子技术是2020世纪后半叶诞生和发展的新技术世纪后半叶诞生和发展的新技术 电力电子技术在电力电子技术在2121世纪将更加迅速发展世纪将更加迅速发展 未来科学技术两
5、大支柱未来科学技术两大支柱 控制技术控制技术电力电子技术电力电子技术 计算机计算机 13 5.5.总结总结 很强的实用性和适用性，广泛应用于各领域很强的实用性和适用性，广泛应用于各领域 以电能为控制对象的电子技术以电能为控制对象的电子技术 处于飞速发展期处于飞速发展期 要求很强的动手能力和分析、解决问题能力要求很强的动手能力和分析、解决问题能力 与相关学科关系紧密与相关学科关系紧密 电梯专用电梯专用G11-UD系列富士变频器系列富士变频器 ABB ACS-510变频器变频器 施耐德施耐德ATS48软启动器软启动器西门子西门子SIRIUS软起动器软起动器 英国欧陆英国欧陆SSD直流调速器直流调速
6、器 SIEMENS UPS Se30/3KVA 美国美国APC1000CH UPS 现场用小型开关电源现场用小型开关电源 轧钢机轧钢机 数控机床数控机床 冶金工业冶金工业 电解铝电解铝 1 1、一般工业、一般工业 冶金工业中高频感应加热电源设备冶金工业中高频感应加热电源设备 2 2、交通运输、交通运输 21 电力电子技术在汽车电力电子技术在汽车42V42V直流总线下直流总线下 DJDJ型交流电力传动机车型交流电力传动机车 磁悬浮列车磁悬浮列车 直流电机斩波调速模块直流电机斩波调速模块 22 晶闸管变流装置晶闸管变流装置 无功补偿装置无功补偿装置 3 3、电力系统、电力系统 4 4、电子装置用电
7、源、电子装置用电源 程控交换机程控交换机 微型计算机微型计算机 24 交流变频控制器的原理框图交流变频控制器的原理框图 变频空调控制器变频空调控制器 5 5、家用电器、家用电器 6 6、其他、其他 大型计算机的大型计算机的UPS 新型能源新型能源 YJ32双绕组双速异步风力发电机双绕组双速异步风力发电机 26 电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。 晶闸管问晶闸管问 世，世，(“公元公元 元年元年”) IGBT及功率及功率 集成器件出现集成器件出现 和发展时代和发展时代 晶闸管时代晶闸管时代 水银（汞水银（汞 弧）整流弧）整流
8、器时代器时代 电子管电子管 问世问世 全控型器件迅全控型器件迅 速发展时期速发展时期 史前期史前期 （黎明期）（黎明期） 1904193019471957197019801990 2000 t(年年) 晶体管诞生晶体管诞生 28 1 1、电力电子器件、电力电子器件 2 2、电力电子电路、电力电子电路 29 30 主电路（主电路（Power Circuit）：在电气设备或电力系统中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。，直接承担电能的变化或控制任务的电路。 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device) ) ：直接用于处：直接用于处 理电能主
9、电路中，实现电能的变换或控制的电子理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子 器件。器件。 电真空器件电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已（汞弧整流器、闸流管等，已 逐步被半导体器件取代）逐步被半导体器件取代） 半导体器件半导体器件（目前所指电力电子器件，采（目前所指电力电子器件，采 用材料任然是硅）用材料任然是硅） 31 电力电子器件是功率半导体器件。电力电子器件是功率半导体器件。 1 1）电力电子器件处理的电压电流较大。）电力电子器件处理的电压电流较大。 2 2）电力电子器件一般都工作在开关状态。）电力电子器件一般都工作在开关状态。 3 3）注重器件的功率损耗和散热问题。）注重器件的功率损
10、耗和散热问题。 4 4）注重对器件的保护。）注重对器件的保护。 5 5）需要驱动与隔离。）需要驱动与隔离。 32 电力电子系统组成电力电子系统组成 控 制 电 路 检测 电路 驱动 电路 RL 主电路 V 1 V 2 电力电子电路电力电子电路 由控制电路、驱由控制电路、驱 动电路、电力电动电路、电力电 子器件为核心的子器件为核心的 主电路主电路组成组成 主电路端子（公共端）主电路端子（公共端）驱动电路和主电路，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。是主电路电流流出电力电子器件的端子。 33 导通导通 主电路中主电路中 电力电子器件电力电子器件 关断关断 检测电路、驱动电路以外
11、的电路检测电路、驱动电路以外的电路 控制电路控制电路 由信息电路组成由信息电路组成 控制电路控制电路 主电路主电路 电力电子系统电力电子系统 检测电路：检测电路： 检测主电路或应用现场信号检测主电路或应用现场信号 通过驱动电路通过驱动电路 控制控制 34 主电路主电路 驱动电路驱动电路 检测电检测电 路路 控制信号控制信号 电气隔离 电气隔离 电气隔离 电气隔离 电气隔离 保护电路保护电路 ：保证电力电子器件和整个电力电子系保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠运行统正常可靠运行 35 1 1）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程）按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程 度
12、度 半控型器半控型器 件件 全控型器件全控型器件 通过控制信号可控制通过控制信号可控制 其导通而其导通而不不能能控制其关断控制其关断 晶闸管晶闸管 及其派生器件及其派生器件 通过控制信号即可控制通过控制信号即可控制 其导通又其导通又能能控制其关断控制其关断 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 自关断器件自关断器件 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 处理兆瓦级处理兆瓦级 大功率电能大功率电能 36 不能不能用用控制信号控制控制信号控制 其通断，其通断，不需要不需要驱动电路驱动电路 电力二极电力二极 管管 不控型器件不控型器件 只有
13、两个端子只有两个端子 2 2）按照驱动电路加在）按照驱动电路加在电力电子电力电子器件控制端和公共端器件控制端和公共端 之间信号的性质之间信号的性质 电流驱动型电流驱动型电压驱动型电压驱动型 控控 制制 端端 通通 断断 注注 入入 电电 流流 抽抽 出出 电电 流流 电压信号电压信号 公公 共共 端端 控控 制制 端端 37 3 3）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件 双极型器双极型器 件件 由电子和空穴两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
14、器件 复合型器复合型器 件件 单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 38 电力电子器件电力电子器件 选择、使用时选择、使用时 注意的问题注意的问题 工作原理工作原理 基本特征基本特征 主要参数主要参数 电力电子器件电力电子器件 掌握掌握 基本特征基本特征 参数参数 特征曲线特征曲线 39 逐步逐步 取代取代 结构和原理简单结构和原理简单 工作可靠工作可靠 现在仍大量应用于许多电气设备现在仍大量应用于许多电气设备 电力二极管电力二极管 （半导体整流器）（半导体整流器） 2020世纪世纪5050 年代初获年代初获 得应用得应用 汞弧汞弧 整流器整流器 应
15、用应用 快恢复二极管快恢复二极管 肖特基二极管肖特基二极管 中、高频整流中、高频整流 逆变逆变 低压高频整流低压高频整流 40 以半导体以半导体PNPN结结 为基础，由一个为基础，由一个 面积较大的面积较大的PNPN结结 和两端引线以及和两端引线以及 封装组成，外形封装组成，外形 上看，主要有螺上看，主要有螺 栓型和平板型两栓型和平板型两 种封装，基本结种封装，基本结 构和工作原理与构和工作原理与 信息电子电路中信息电子电路中 的二极管一样。的二极管一样。 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) a) 外形外形 b) b) 结构结构 c) c) 电气图形
16、符号电气图形符号 41 普通二极管（螺栓式）普通二极管（螺栓式） 普通二极管（平板式）普通二极管（平板式） 整流二极管及模块整流二极管及模块 42 NN型半导体和型半导体和P P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PNPN结结 PN结的形成 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P P型区型区空间电荷区空间电荷区 NN型区型区 内电内电 场场 43 PN结的形成 多子的扩散运动多子的扩散运动少子的漂移运动少子的漂移运动 扩散电流扩散电流 PNPN结结 外加电场外加电场 PNPN结结 自建电场自建电场 方向相反方向相反 形成自形成自P P区流区流 入从入
17、从NN区流出区流出 的电流的电流 内部内部 外电路外电路 造成空间电造成空间电 荷区变窄荷区变窄 正向电流正向电流I IF F + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P P型区型区空间电荷区空间电荷区 NN型区型区 内电内电 场场 44 外加电压升高外加电压升高 PNPN结的正向导通状态结的正向导通状态 扩散电流增加扩散电流增加自建电场削弱自建电场削弱 PNPN结流过结流过 的正向电的正向电 流流 电阻值较高且为常数电阻值较高且为常数较小较小 较大较大 电阻率下降电导率增加电阻率下降电导率增加 电导调电导调 制效应制效应 PNPN结的正向导通状态结的正
18、向导通状态 电导调制效应使得电导调制效应使得PNPN结结 在正向电流较大时压降仍然很低，维持在在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V1V左右，所以正向偏左右，所以正向偏 置的置的PNPN结表现为低阻态。结表现为低阻态。 45 PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 PNPN结的单向结的单向 导电性导电性, ,二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PNPN结的单向导电性结的单向导电性 这个主要特征。这个主要特征。 反向电流反向电流I IR R 少子浓度很小，在少子浓度很小，在 温度一定时漂移电温度一定时漂移电 流的数值趋于恒定流的数值趋于恒定 PNPN结外加结外加 反向电压反向电压 外
19、电路电流外电路电流 NN区流入区流入 P P区流出区流出 反向饱反向饱 和流和流IS 高高 电电 阻阻 几几 乎乎 没没 有有 电电 流流 流流 过过 PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 46 PNPN结的反向击穿结的反向击穿 施加施加PNPN结反结反 向电压过大向电压过大 反向电流反向电流 急剧增大急剧增大 破坏破坏PNPN结反向偏置结反向偏置 为截止的工作状态为截止的工作状态 雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿 热击穿热击穿 因热量散发不出因热量散发不出 PNPN结温度上升结温度上升 过热烧坏过热烧坏 47 静态特性静态特性 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性 电力二极管电力二极
20、管 静态特征静态特征 伏安特征伏安特征 值定一到大压电向正值定一到大压电向正 正向电流开始明正向电流开始明 显增加，处于稳显增加，处于稳 定导通状态。定导通状态。 承受反向电压时承受反向电压时 只有少子引起的只有少子引起的 微小而数值恒定微小而数值恒定 的反向漏电流。的反向漏电流。 正向电流正向电流IF对应的对应的 电力二极管两端电力二极管两端 的电压的电压UF为其正为其正 向电压降。向电压降。 I O IF U TO U F U 48 零偏置零偏置 正向正向 偏置偏置 反向反向 偏置偏置 过渡过程中过渡过程中 电压电压电流电流 特性随时间特性随时间 变化变化 动态特性动态特性 电力二极管的动
21、态状态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反映通态和断态之间过程的开关特性 49 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 a) a) 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 a) IF U F tFt0 trr tdtf t1t2t U R U RP IRP diF dt diR dt 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) b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 b) U FP ui i F u F t fr t0 2V 50 注意：电流、电压反向问题注意：电流、电压反向问题 正偏压时，正向偏压降约为正偏压时，正向偏压降约为1V左右；
22、导左右；导 通时，二极管看成是理想开关元件，因为通时，二极管看成是理想开关元件，因为 它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小 的得多；的得多； 但在关断时，它需要一个反向恢复的时但在关断时，它需要一个反向恢复的时 间（间（reverser-recovery time）以清除过剩以清除过剩 载流子。载流子。 51 正向平均电流正向平均电流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。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，使用时应按正向平均电流按照电流
23、的发热效应定义，使用时应按 有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定，应留有有效值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。一定的裕量。 当用在频率较高的场合，其开关损耗也不能忽略。当用在频率较高的场合，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成的发热效应也不小 。 正向压降正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二电力二极管在正向电流导通时二 极管上的正向压降。极管上的正向压降。 52 普通二极管普通二极管 ( (整流二极管）整流二极管） 多用于开关频率多用于开关频率 不高（不高（1
24、 1kHz以下）以下） 的整流电路中的整流电路中 反向恢复时间长反向恢复时间长 一般在一般在5s以上以上 正向电流定额和正向电流定额和 反向电压定额很反向电压定额很 高，分别可达数高，分别可达数 千安和数千伏以上千安和数千伏以上 53 快恢复二极管快恢复二极管 恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（ 5 5s s以下以下 ）的二极管，简称快速二极管）的二极管，简称快速二极管 。 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 其反向恢复时间更短（可低于其反向恢复时间更短（可低于5050ns），正向压降也很低（），正向压降也很低（ 0.9V左右），反向耐压多在左右），反向
25、耐压多在1200V V以下。以下。 快速恢复二极管快速恢复二极管 超快速恢复二极管超快速恢复二极管 反向恢复时间反向恢复时间 数百数百ns或更长或更长 100ns100ns以下，以下， 甚至达甚至达20203030ns 快恢复二极管从性能上分为两种快恢复二极管从性能上分为两种 54 肖特基二极管肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的以金属和半导体接触形成的 势垒为基础的二极管。导通势垒为基础的二极管。导通 压降只有压降只有0.3V 0.3V （forward forward voltage dropvoltage drop），反压为），反压为50-50- 100V100V。反向恢复时间更短，。
26、反向恢复时间更短， 101040ns40ns，不会有明显的电，不会有明显的电 压过冲。缺点是当提高反向压过冲。缺点是当提高反向 耐压时，正向压降也会提高耐压时，正向压降也会提高 ，多用于，多用于200V200V以下的低压场以下的低压场 合；反向漏电流也很大。合；反向漏电流也很大。 55 P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 A G K A A K K G 晶闸管外形、结构和电气图形符号晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气图形符号电气图形符号 a)c)b) A G K G K A 56 螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块 平板型晶闸管外形
27、及结构平板型晶闸管外形及结构 57 晶闸管塑封模块晶闸管塑封模块 58 R NPN PNP A G S K E G IG E A IK Ic2 Ic1 IA V 1 V 2 P1 A G K N 1 P2P2 N 1 N 2 a)b) 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) 产生注入门极的触发产生注入门极的触发 电流电流IG的电路的电路 触发触发 门极触发电路门极触发电路 对晶闸管的驱动对晶闸管的驱动 IGIB2 IC2 （IB1 ） IC1 IB2 59 晶闸管工作原理如以下方程所示晶闸管工作原理如以下方程所示 Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1) I
28、c2 = a2IK + ICBO2 (1-2) IK = IA + IG (1-3) IA = IC1 + IC2 (1-4) a1和和a2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的共基极漏电流。由式（的共基极漏电流。由式（ 1-11-1）式（式（1-41-4）得：）得： )(1 21 212 aa IIIa I CBOCBOG A (1-5) 60 其他几种可能导通的情况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升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/d
29、t过高过高 结温较高结温较高 光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制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，称为中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控光控 晶闸管晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT ）。）。 门极触发（包括光触发）是最精确、迅速门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控而可靠的控 制手段。制手段。 61 静态特性静态特性 1)1) 承受反向电压时，不论门极是否有触发电承受反向电压时，不论门极是否有触
30、发电 流，晶闸管都不会导通。流，晶闸管都不会导通。 2)2) 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通。情况下晶闸管才能开通。 3)3) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 4)4) 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下到接近于零的某一数值以下 。 62 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG=0 -UA 0 IA Ubo 正向正向 导通导通 雪崩雪崩 击穿击穿 IH -IA +UA UDSM UDRM IG1IG2 UPRM URSM IG
31、2IG1 IG 63 动态特性动态特性 晶闸管的开通和关断过程晶闸管的开通和关断过程 100% 90% 10% uAK t t O 0 tdtr trrtgr URRM IRM iA 64 断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRM DRM 断态重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时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正向峰值电压。，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRM RRM 反向重复峰值电压是在门极断路而结温为额定值时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。，允许重复加
32、在器件上的反向峰值电压。 通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UTM TM 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的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。瞬态峰值电压。 取晶闸管的取晶闸管的U UDRM DRM和 和U URRM RRM中较小的标值作为该器件的额 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为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2 23 3倍。倍。 电压定额电压定额 65 通态平均电流通态平均电流I IT(AV T(AV) ) 晶闸管在环境温度为
33、晶闸管在环境温度为4040 C C和规定的冷却状态下，稳定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。波电流的平均值。 维持电流维持电流 I IH H 晶闸管维持导通所必需的最小电流。晶闸管维持导通所必需的最小电流。 擎住电流擎住电流I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持能维持 导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为 I IH H的的2424倍。倍。 电流定额电流定额 66
34、电压电压V 电流电流 单价单价 67 常规快速常规快速 晶闸管晶闸管 高频高频 晶闸管晶闸管 包括所有为快速应用而设计的晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管 与普通晶闸管相比与普通晶闸管相比 快速快速 晶闸管关断时间为数十微秒晶闸管关断时间为数十微秒 高频高频 晶闸管关断时间为晶闸管关断时间为1010s s左右左右 电压和电流定额不易做高电压和电流定额不易做高 应用于应用于400Hz400Hz和和10kHz10kHz以上的斩波或逆变电路中以上的斩波或逆变电路中 开关时间以及开关时间以及du/dtdu/dt、di/dtdi/dt的耐量都有了明显的改善的耐量都有了明显的改善 快速晶闸管快速晶闸管
35、 68 G T1 T2 IG = 0 I U 0 a)b) 双向晶闸管的电器图形符号和伏安特性双向晶闸管的电器图形符号和伏安特性 a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性 双向晶闸管双向晶闸管 是一对反并联普是一对反并联普 通晶闸管的集成。通晶闸管的集成。 有两个主电极有两个主电极T1 和和T2，一个门极，一个门极G。 门极使器件在主门极使器件在主 电极的正反两方向电极的正反两方向 均可触发导通。均可触发导通。 不用平均值而用不用平均值而用 有效值来表示其额有效值来表示其额 定电流值。定电流值。 69 I U 0 I =0 G A K G 逆导晶闸管逆导晶闸管 是将晶
36、闸管反并联一个二极管制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，一不具有承受反向电压的能力，一 旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。 与普通晶闸管相比与普通晶闸管相比 正向压降小正向压降小 关断时间短关断时间短 高温特性好高温特性好 额定电流额定电流 晶闸管电流晶闸管电流 反并联的二极管的反并联的二极管的 电流电流 逆导晶闸管逆导晶闸管 a) a) 电气图形符号电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性 a)b) 70 IA UAK 0 A K G 光照强度 弱强 光控晶闸管光控晶闸管 a) a) 电气图形符号
37、电气图形符号 b) b) 伏安特性伏安特性 光控晶闸管光控晶闸管 （光触发晶闸管）（光触发晶闸管） 是利用一定波长的光是利用一定波长的光 照信号触发导通的晶照信号触发导通的晶 闸管。闸管。 小功率光控晶闸管只小功率光控晶闸管只 有阳极和阴极两个端有阳极和阴极两个端 子。子。 大功率光控晶闸管带大功率光控晶闸管带 有作为触发光源的发有作为触发光源的发 光二极管或半导体激光二极管或半导体激 光器的光缆。光器的光缆。 光触发保证主电路与光触发保证主电路与 控制电路之间的绝缘控制电路之间的绝缘 ，避免电磁干扰的影，避免电磁干扰的影 响。响。 a ) b) 71 72 关断时的关断时的漏电流较小漏电流较
38、小，导通时，导通时V Von on小 小。 很高的很高的正反向阻断电压正反向阻断电压的能力，这可减少元件的的能力，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。串联，并因此而减少相应保护电路的功率损耗。 很大的很大的电流导通能力电流导通能力。这可减少元件并联。这可减少元件并联。 较短的导通和关断时间，这可较短的导通和关断时间，这可提高开关频率提高开关频率。 导通电阻具有导通电阻具有正的温度特性正的温度特性，这可保证并联的元，这可保证并联的元 件能共同分担总电流。件能共同分担总电流。 较小的较小的控制功率控制功率。 具有阻止具有阻止电压和电流上升率电压和电流上升率的能力，这样就可以的
39、能力，这样就可以 不使用外部不使用外部SnubberSnubber电路保护。电路保护。 具有较高的具有较高的dv/dtdv/dt，di/dtdi/dt额定值。额定值。 73 电力MOSFET IGBT单管及模块单管及模块 74 GTO GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 结构结构 G K G K G N2 N1 N2P2 P1 A G K A a)b ) c) GTOGTO内部结构和电气图形符号内部结构和电气图形符号 a)a)各单元的阴极、门极间排列的图形各单元的阴极、门极间排列的图形b)b)并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c)c)电气图形符号电气图形符号 75 与普通晶闸管
40、的相同点与普通晶闸管的相同点 PNPNPNPN四层半导体结构四层半导体结构 外部引出阳极、阴极和门极外部引出阳极、阴极和门极 与普通晶闸管的不同点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内部包含数十个甚至数百个共阳极 的小的小GTOGTO元的多元功率集成器件元的多元功率集成器件 GTOGTO元的阴极和门极在器件内部并元的阴极和门极在器件内部并 联在一起联在一起 工作原理工作原理 与普通晶闸管一样可以用双晶体管模型来分析与普通晶闸管一样可以用双晶体管模型来分析 76 R NPN PNP A G S K E G IG E A IK Ic2 Ic1 IA V 1 V 2 P 1 A G
41、K N 1 P 2 P 2 N 1 N 2 a)b) 双晶体管模型及其工作原理双晶体管模型及其工作原理 a) a) 双晶体管模型双晶体管模型 b b工作原理工作原理) ) GTO导通过程与普导通过程与普 通晶闸管一样，只是通晶闸管一样，只是 导通时饱和程度较浅导通时饱和程度较浅 。GTO关断过程：关断过程： 强烈正反馈强烈正反馈门极门极 加负脉冲即从门极抽加负脉冲即从门极抽 出电流，则出电流，则Ib2减小减小 ，使，使IK和和Ic2减小，减小，Ic2 的减小又使的减小又使 IA和和Ic1 减小，又进一步减小减小，又进一步减小 V2的基极电流。当的基极电流。当IA 和和IK的减小使的减小使 1+
42、 21时，器件退时，器件退 出饱和而关断。出饱和而关断。 多多 元集成结构还使元集成结构还使 GTO比普通晶闸管比普通晶闸管 开通过程快，承受开通过程快，承受 di/dt能力强能力强 。 77 GTO GTO的动态特性的动态特性 SnubberSnubber A A k k G G 触发关断脉冲不用触发关断脉冲不用 保持，关断时间几保持，关断时间几 个微秒，但是需要个微秒，但是需要 很大的门电流很大的门电流 （ 1/31/3阳极电流），关阳极电流），关 断时，为了限制断时，为了限制 dv/dtdv/dt，要用，要用 SnubberSnubber电路（切断电路（切断 感性负载）。感性负载）。 开
43、关时间几个微秒开关时间几个微秒 到到2525微秒，导通压微秒，导通压 降降2-3V2-3V、比晶闸管、比晶闸管 稍微高一点。稍微高一点。 最大优点是能处理最大优点是能处理 高电压和大电流，高电压和大电流， 常用的最大容量常用的最大容量 6KV/4KA6KV/4KA，开关频率，开关频率 几百几百H HZ Z10KH10KHZ Z。 GTOGTO的开关和关断过程电流波形的开关和关断过程电流波形 O t 0 t iG iA IA 90%IA 10%IA tttftstdtr t0t1t2t3t4t5t6 78 关断时间关断时间t toff off 储存时间和下降时间之和 储存时间和下降时间之和 GT
44、O GTO的主要参数的主要参数 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流I IATO ATO GTO GTO额定电流额定电流 电流关断增益电流关断增益 off 最大可关断阳极电流与门最大可关断阳极电流与门 极负脉冲电流最大值极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。 off ATO IGM _ I (1-8) 开通时间开通时间ton 延迟时间与上升时间之和延迟时间与上升时间之和 79 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耐高电压、大电流的双极结型晶体管 GTR GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 P P N P 基区基区 N 漂移区漂移区 N 衬底衬底 集电极集电极c 基极基极b发
45、射极发射极e 基极基极b c b e GTRGTR的结构、电气图形符号的结构、电气图形符号 a)a)内部结构断面图内部结构断面图 b)b)电气图形符号电气图形符号 a)b) 与普通的双极结型晶体管与普通的双极结型晶体管 基本原理是一样的。基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电主要特性是耐压高、电 流大、开关特性好。流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶通常采用至少由两个晶 体管按达林顿接法组成的体管按达林顿接法组成的 单元结构。单元结构。 采用集成电路工艺将许采用集成电路工艺将许 多这种单元并联而成多这种单元并联而成 。 80 GTR GTR的基本特性的基本特性 共发射极接法时共发射极接法
46、时GTRGTR的输出特性的输出特性 开关开关状态状态 工作在截止工作在截止 区或饱和区区或饱和区 开关过程开关过程 在截止区或饱和区过在截止区或饱和区过 渡时，要经过放大区渡时，要经过放大区 截止区 放大区 饱和区 O Ic ib3 ib2 ib1 ib1ib2BUcex BUces BUcer BUceo 集电流最大允许电流集电流最大允许电流IcM 直流电流放大系数直流电流放大系数hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时，所对时，所对 应的应的Ic为集电流最大允许电流为集电流最大允许电流 集电流最大耗散功率集电流最大耗散功率PcM 最高工作温度允许的耗散功率最高工作温度允许的耗散功率
47、 83 一次击穿一次击穿 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，首先出现雪崩击穿的现象大，首先出现雪崩击穿的现象 一次击穿后只要一次击穿后只要Ic不要超过最大允许耗散功率相对不要超过最大允许耗散功率相对 应的限度，应的限度， GTR一般不会损坏一般不会损坏 二次击穿二次击穿 一次击穿发生时未有效限制电流，一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临增大到某个临 界点突然急剧上升，电压突然下降的现象界点突然急剧上升，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，对二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，对GTR危危 害极大害极大 G
48、TRGTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区 84 GTRGTR的安全工作区的安全工作区 GTR的安全工作区的安全工作区 二次击穿临界线二次击穿临界线 GTRGTR工作时不能超过工作时不能超过 最高电压最高电压 集电极最大电流集电极最大电流 最大耗散功率最大耗散功率 SOA O Ic IcM PSB PcM UceU ceM 85 电力电力MOSFETMOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 耗尽型耗尽型 栅极电压为零时漏源极之间存在导电沟道栅极电压为零时漏源极之间存在导电沟道 增强型增强型 栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道 单
49、极型晶体管单极型晶体管 电力电力MOSFETMOSFET导通时只有一种极性的载流子导通时只有一种极性的载流子 参与导电参与导电 电力电力MOSFETMOSFET垂直导电垂直导电 利用利用V V型槽实现垂直导电型槽实现垂直导电 具有垂直导电双扩散具有垂直导电双扩散MOSMOS结构结构 小功率小功率MOSMOS横向导电横向导电 P P沟道沟道 NN沟道沟道 电力电力MOSFETMOSFET种类种类 86 D G S N沟道 D S G P沟道 P N+ N+ N- N+N+N+ P 沟道 S G D a)b) 电力电力 MOSFETMOSFET的结构和电气图形符号的结构和电气图形符号 a)a)内部
50、结构断面示意图内部结构断面示意图 b)b)电气图形符号电气图形符号 87 电力电力MOSFETMOSFET的基本特征的基本特征 电力电力MOSFETMOSFET电气符号和转移特性电气符号和转移特性 a)a)电气图形符号电气图形符号 b)b)转移特性转移特性 a) b) G G S S D D V VGSGS + + - - V VDSDS + + - - n-channeln-channel 50 40 30 20 10 0 2 4 6 8 UGS /V ID /A GS D fs dU dI G(1-11) 88 c) 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 UGS
