1、1第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结21.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点31.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.概念概念主电路（主电路（Power CircuitPower
2、 Circuit）在电气设备或电力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系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。路。电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device)Power Electronic Device)直接直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。制的电子器件。2.2.分分类类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，采用（目前所指电力电子器件，采用材料任然是硅）
3、材料任然是硅）4电力电子器件是功率半导体器件（金属电导率106mhos-cm-1，良绝缘体10-15mhos-cm-1）。1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电 子器件。2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损 耗、提高效率，一般都工作在开关状态。3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器 件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般
4、都还需 要设计安装散热器。3.3.特征特征51.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点61.1.2 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 图1-1 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电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子系统电力电子系统由控制电路、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7导通导通主电路中主电路中电力电
5、子器件电力电子器件关断关断检测电路、驱动电路以外的电路检测电路、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控制电路路主电路主电路电力电子系统电力电子系统检测电检测电路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8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保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行子系统正常可靠运行9 图1-1 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主电路端子主电路端子之间
6、信号之间信号导通导通关断关断电力电子器件电力电子器件控制端控制端主电流端子（公共端）主电流端子（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101.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点111.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的度分为以下三类分为以下三类半控型器件全控型器件通
7、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关关 断断主主电电路路电电流流电电压压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效应晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管门极可关断晶体管自关断器件门极可关断晶体管门极可关断晶体管处理兆瓦级处理兆瓦级大功率电能大功率电能12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主主电电路路通通 断断电电流流电电压压只有两个端子只有两个端子2.2.按照驱动电
8、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分为两类之间信号的性质分为两类电流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133.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分为三类：分为三类：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器件复合型器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141.1
9、1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类1.1.4 本张内容和学习要点151.1.4 1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点电力电子器件选择、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基本特征基本特征型号命名法型号命名法参数参数特征曲线特征曲线16第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电
10、力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结171.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管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年年初获得应初获得应汞弧汞弧整流器整流器应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、高频电流中、高频电流逆变逆变低压高频电流低压高频电流181.2 不可控器件电力二极管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
11、 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型191.2.1 PN1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 以半导体以半导体PNPN结为基结为基础，由一个面积较大础，由一个面积较大的的PNPN结和两端引线结和两端引线以及封装组成，外形以及封装组成，外形上看，主要有螺栓型上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，和平板型两种封装，基本结构和工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的与信息电子电路中的二极管一样。二极管一样。图1-2 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20NN型半导体和型半导体和P P型半导体结合后
12、构成型半导体结合后构成PNPN结结图1-3 PN结的形成扩散运动扩散运动 N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，造成各区多数载流子（多子）向另一区移动，到对方区成为少数载流子（少子）的运动。空间电荷空间电荷 在界面两侧不能任意移动的正、负电荷。内电场（自建电场）内电场（自建电场）空间电荷建立的电场漂移运动漂移运动内电场一方面阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内少子向本区运动。空间电荷区空间电荷区扩散运动和漂移运动达动态平衡，正、负空间电荷量达稳定值，形成稳定的由空间电荷构成的区域空间空间电荷区电荷区耗尽层耗尽层阻挡层阻挡层势垒区势垒区+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
13、场21图1-3 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PN结外加电场PN结自建电场方向相反形成自P区流入从N区流出的电流内部内部外电路外电路造成空间电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22外加电压升高PNPN结的正向导通状结的正向导通状态态扩散电流增加自建电场削弱PN结流过的正向电流电阻值较高且为常数较小较大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向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为
14、低阻态。23PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态 PN结的单向导电性,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这个主要特征。反向电流反向电流I IR R少子浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定PN结外加反向电压N区流入P区流入出反向反向饱饱和流和流I IS S高电阻几乎没有电流流过PNPN结的反向截止状态结的反向截止状态24PNPN结的反向击穿结的反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结反向偏置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热击穿穿因热量散发不出PN结温度上升过热烧坏25结电容结电容C C J J(微分电容微分电容)PN结中电荷量随外加电压变化
15、，呈现电容效应势垒电容势垒电容C CB B扩散电容扩散电容CDPN结截面成正比阻挡层成反比大小正正向向电电压压较较高高正向电压较低仅在正向偏置时起作用外加电压变化时起作用结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。261.2 不可控器件电力二极管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 1.2.4 电力二极管的主要类型271.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.1.静态特性静态特性UIIFUFUT O0IFtr rtfIR PUR Pt0t1t2d i/
16、d tRd i/d tFURttiFUF P2 Vtf r0UF(a)(b)(c)图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管电力二极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正向电流开始明显增加，处于稳定导通状态。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。正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。28零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中电压电流特性随时间变化2.2.动态特性动态特性电力二极管的动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29图1-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置电力二极管的关断电力二极管的关断经过一段短暂的时
17、间才能重新获得反向阻断，进入截止状态。IRP电流过冲最大值URP电压过冲最大值td=t1-t0延迟时间tf=t2-t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间tf/td 恢复特性的软度，用Sr表示a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURtdtdiFtF t0 dtdiRURPdt在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。30图1-5电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的开通电力二极管的开通iu,FPUFiFufrt2V0tb)正向恢复时间正向恢复时间tfr 电力二极管的正向压降出现过冲uFP，经过一段时间 接近稳态降压的某个值，这一动态过程时间。电压过冲
18、原因电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。2)正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大,UFP越高。31 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1V左右；导通时，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的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（reverser-recovery time）以清除过剩载流子。321.2 不可控器件电力二极管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 1.2.4 电力
19、二极管的主要类型331.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数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。当用在频率较高的的场合，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极管上的正向压降。34浪涌电流浪涌电流IFSM 电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。最高工作结温最高工作结温TJM 在
20、PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175范围内。反向恢复时间反向恢复时间trr 二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压351.2 不可控器件电力二极管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 1.2.4 电力二极管的主要类型361.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型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 1kHz以下）以下）
21、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 37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（5s以下）的二极管，简称快速二极管。工艺多采用掺金措施结构上采用PN结构 也有采用加以改进的PiN结构 采用外延型PiN结构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50ns），正向压降也很低（0.9V左右），反向耐压多在1200V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 反向恢复时间数百纳秒或
22、更长100ns以下，甚至达2030ns快恢复二极管从性能上分为两种 38肖特基二极管肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管。导通压降只有0.3V（forward voltage drop），反压为50-100V。反向恢复时间更短，1040ns，不会有明显的电压过冲。缺点是当提高反向耐压时，正向压降也会提高，多用于200V以下的低压场合；反向漏电流也很大。39第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护
23、 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结401.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、）晶闸管的基本特性（静态、动态、）1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件41晶闸管的正向阻断电压（blocking voltage）是相同的，根据不同的应用对象，有各种不同的晶闸管。除了电压电流的额定值外，tq、正向导通压降、导通时的电流上升率di/dt，关断时的电压上升率dv/dt等，都是要考虑的特性。
24、相控晶闸管Phase-control Thyrister，有时称作整流晶闸管Converter thyristor，用于主要用于整流器。器件圆盘达到10cm。平均电流4000A或更高，阻断电压5-7kV，通态压降从1.5V（1000V器件）到30V（对5-7kV晶闸管）。逆导晶闸管Inverter-grade thyristor，导通压降低，tq(考虑了trr的可靠系数)小，额定值达到2500V/1500A，tq一般在几个微秒到100微秒，这取决于阻断电压的而定值及导通电压降。光控晶闸管Light-cutivated thyristor：级联方式用于高压系统，易于触发，4kV/3kA。421.
25、3.11.3.1晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKA AK KG图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 a)c)b)AGKGKA43RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 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)产生注入门极的触发电流IG的电路触发触发门极触发电路门极触发电路对晶体管的驱动44晶体管工作原理如以下方程所示晶体管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1 (1-1)Ic2=a2IK+ICBO2 (
26、1-2)IK=IA+IG (1-3)IA=IC1+IC2 (1-4)a1和a2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。由式（1-1）式（1-4）得：)(121212aaIIIaICBOCBOGA(1-5)45晶体管的特性是：晶体管的特性是：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（门极触发）：开通（门极触发）：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（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和
27、导通。IA实际由外电路决定。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上升率du/dt过高结温较高光直接照射硅片，即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，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手而可靠的控制手461.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.2 1.
28、3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、）晶闸管的基本特性（静态、动态、）1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件471.3.21.3.2晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性（静态、动态、）（静态、动态、）1.1.静态特性静态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。48图1-8 晶闸管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向导通雪崩击穿IH-IA+UA
29、UDSMUDRMIG1IG2UPRMURSM第象限是正向特性第象限是反向特性IG2IG1 IG IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压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。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持维持电流。电流。正正向特性向特性 反反向特性向特性 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时
30、，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。49UAIG 2IG 1I=0G-UA0IAUR S MUR R MUD S MUD R MUb 0雪崩击穿正向导通I I IG 2 G 1 G晶 闸 管 的 伏 安 特 性ttUR R Mtr rtg r1 0 0%9 0%1 0%tdtrIR MuA K晶 闸 管 的 开 通 和 关 断 过 程 波 形iA2.2.动态特性动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程开通过程开通过程延迟时间延迟时间td 阳极电流从零上升到稳态值10%的时间上升时间上升时间tr阳极电
31、流从10%上到稳态值的90%所需的时间开通时间开通时间tgt tgt=td+tr （1-6）普通晶闸管的延迟时间为0.5ms，上升时间为0.53ms。其延迟时间随门极电流的增大而减小；关断过程关断过程反反向阻断恢复时间向阻断恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近零的时间正正向阻断恢复时间向阻断恢复时间tgr晶体管恢复载流子复合过程对正向电压的阻断的时间关断时间关断时间tq tq=trr+tgr （1-7）普通晶闸管的时间约为几百微秒延迟时间延迟时间td 上升时间上升时间tr开通时间开通时间tgt tgt=td+tr (1-6)501.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.
32、3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性（静态、动态、）晶闸管的基本特性（静态、动态、）1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件511.3.31.3.3晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM 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。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 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。通态（峰值）
33、电压通态（峰值）电压U UTMTM 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。取晶闸管的UDRM和URRM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，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。1电压定额52 通态平均电流通态平均电流I IT(AVT(AV)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。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。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，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常I IL
34、 L约为I IH H的24倍。2.2.电流定额电流定额53断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dtdu/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。位移电流位移电流在断态的晶闸管两端所施加的电压具有正向的上升率，在逐段状态下相当于一个电容的J2结流过的充电电流。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/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。3 3动态参数动态参数541.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.2 1.3.2 晶闸管的基
35、本特性（静态、动态、）晶闸管的基本特性（静态、动态、）1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件551.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件常规快速 晶闸管高频 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快速 晶闸管关断时间为数十微秒高频 晶闸管关断时间为10s左右电压和电流定额不易做高应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中开关时间以及du/dt、di/dt的耐量都有了明显的改善快速晶闸管快速晶闸管56GT1T2IG=0IU0a)b)图 1-10 双向晶闸管的电器图形符号和伏安特性a
36、)电气图形符号 b)伏安特性 双向晶闸管双向晶闸管 是一对反并联结的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。57IU0I=0GAKG逆导晶闸管逆导晶闸管是将晶闸管反并连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。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流图 1-11 双向晶闸管a)电气图形符号 b)伏安特性 a)b)58IAUAK0AKG光照强度弱强图 1-12 光控晶闸管a)电气图形符号 b)伏安特性 光控
37、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照信号触发导通的晶闸管。小功率光控晶闸管只有阳 极和阴极两个端子。大功率光控晶闸管带有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器的光缆。光触发保证主电路与控制电路之间的绝缘，避免电磁干扰的影响。a)b)59第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3 半控型器件晶闸管1.4 典型全控型器件 1.5 其他新型电力电子器件 1.6 电力电子器件的驱动 1.7 电力电子器件的保护 1.8 电力电子器件的串联和并联使用 本章小结601.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4.1
38、1.4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件1.4.2 1.4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.3 1.4.3 电力晶体管电力晶体管1.4.4 1.4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.5 1.4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管611.4.11.4.1理想的可控开关元件理想的可控开关元件所希望的开关特性应该是：关断时的漏电流较小，导通时Von小。很高的正反向阻断电压的能力，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。很大的电流导通能力。这可减少元件并联。较短的导通和关断时间，这可提高开关频率。导通电阻具有正的温度特性，这可保证并联的元件能共同分担总电
39、流。较小的控制功率。具有阻止电压和电流上升率的能力，这样就可以不使用外部Snubber电路保护。具有较高的dv/dt，di/dt额定值。62图 功率元件的开关损耗631.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4.1 1.4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件1.4.2 1.4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.3 1.4.3 电力晶体管电力晶体管1.4.4 1.4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.5 1.4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管641.4.2 1.4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.GTO GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构结构
40、GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)图1-13 GTO内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间排列的图形 b)并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号65与普通晶闸管的相同点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的小GTO元的多元功率集成器件GTO元的阴极和门极在器件内部并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66RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原
41、理a)双晶体管模型 b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：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当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。672.GTO GTO的动态特性的动态特性SnubberSnubberA Ak kG G触发关断脉冲不用保持，关断时间几个微秒，但是需要很大的门电流（1/3阳极电流），关断时，为了限制dv/dt，要用Snubber电路（切断感性负载）。开
42、关时间几个微秒到25微秒，导通压降2-3V、比晶闸管稍微高一点。最大优点是能处理高电压和大电流，现在最大容量6KV/4KA，开关频率几百HZ10KHZ。图1-14 GTO的开关和关断过程电流波形tstdtrtfttiGt0t1t2t3t4t5t6t0IAiA90%IA10%IAt068关断时间关断时间t toffoff 储存时间和下降时间之和储存时间和下降时间之和3.GTO3.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 IATOATO GTOGTO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极负脉冲最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值电流最
43、大值IGM之比。之比。offATOIGM_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691.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4.1 1.4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件1.4.2 1.4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.3 1.4.3 电力晶体管电力晶体管1.4.4 1.4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.5 1.4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管701.4.3 1.4.3 电力晶体管电力晶体管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1.GRT1.GRT的结构
44、和工作原理的结构和工作原理PPNP 基区N 漂移区N衬底集电极c基极b发射极e 基极bcbe图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面图 b)电气图形符号 c)内部载流子的流动a)b)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。71电子流空穴流EcEbic=ibibie=(1+)ibc)图1-15 GTR的内部载流子的流动c)内部载流子的流动GRT共发射极接法时内部主要载流子的流动，集电极电流ic与基电流ib之比为bcii=(1-9)为GR
45、T的电流放大系数，当考虑到集电极和发射极间的电流Iceo时，ic与ib关系为 ic=ib+Iceo(1-10)单管GRT的值比处理信息用的小功率的晶体管小采，用达林顿接法可以有效增大电流增益722.GRT2.GRT的基本特性的基本特性图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性ib2ib1ib3ib1ib2BUcex 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hFE下降到规定值得1/21/3时，所对应的Ic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75一次击穿一次击穿集电极电压升高到击穿电压时
46、，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象一次击穿后只要Ic不要超过最大允许耗散功率相对应的限度，GTR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，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，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GTR危害极大4.GRT4.GRT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76SOAIcIcMPSBPcMUceMUce0图1-18 GTR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GTRGTR工作时不能超过工作时不能超过最高电压集电极最大电流最大耗散功率771.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.4.1 1
47、.4.1 理想的可控开关元件理想的可控开关元件1.4.2 1.4.2 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.3 1.4.3 电力晶体管电力晶体管1.4.4 1.4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.5 1.4.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管781.电力MOSFET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增强型增强型 栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道单极型晶体管单极型晶体管 电力MOSFET导通是时只有一种极性的载流子 参与导电电力电力MOSFETMOSFET垂直导电垂直导电利用V型槽实现垂直导电具有垂直导电双扩散MOS结构小功率MOS横向导电P
48、沟道N沟道电力电力MOSFETMOSFET种类种类1.4.4 1.4.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管79DGSN沟道DSGP沟道PN+N+N-N+N+N+P沟道SGDa)b)图1-19 电力 MOSFET的结构和电气图形符号a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号802.电力MOSFET的基本特征静态特征静态特征图1-20电力MOSFET电气符号和转移特性 a)电气图形符号 b)转移特性 a)b)G GS SD DV VGSGS+-V VDSDS+-n-channeln-channel50403020100 2 4 6 8UGS/VID/AGSDfsdUdIG(1-11)81c)5040
49、3020100 10 20 30 40 50UGS/VID/AUGS=UT=3VUGS=8VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7V饱和区 非饱和区 截止区 图1-20 c)电力MOSFET输出特性 漏源电压增加时漏极电流不再增加饱和饱和非饱和非饱和漏源电压增加时漏极电流相应增加MOSFET在漏极和源极之间形成一个反向并联的寄生二极管，与MOSFET构成整体，使得在漏、源极间加反向电压时器件导通。需要保持Vgs的值，以使电流通过，门电流为零，除了开关作用期间的充放电过程。开关时间短（几个ns-几百ns）。源漏极之间的导通电阻为阻断电压的函数。BVDSS（Blocking Voltage
50、）缺点是导通电阻较大。Rds（on）=kBVss2.5-2.7，k取决于器件的几何尺寸，正的温度特性。82动态特征动态特征uGSuGSpuT00iDuPtd(on)trttftd(off)tt0a)RFRsupRGuGSiD信号iD+UERLb)图1-20 电力MOSFET开关过程a)测试电路 b)开关过程波形开通延迟时间开通延迟时间td(on)从uP前沿时刻到 uGS=UT 并开始出现 iD的这段时间上升时间上升时间truGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的栅压uGSP的时间ton=td(on)+tr(1-12)MOSFET开通时间开通时间ton关断延迟时间关断延迟时间td(off
