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1、Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子技术Power Electronics Technology Spring 2006电电 气气 工工 程程 学学 院院 陈陈 洛洛 忠忠 51687064-601(o)Beijing Jiaotong University (BJTU)第二章第二章电力电子器件的原理与特性电力电子器件的原理与特性Beijing Jiaotong University (BJTU)本章内容本章内容2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 2.2 电力（功率）二极管电力（功率）二极管2.32.3晶闸管（晶闸管（SCR）2.4
2、2.4 电电力场效应晶体管（电力力场效应晶体管（电力MOSFET）2.52.5绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）Beijing Jiaotong University (BJTU)要求及重点要求及重点要求：要求： 了解电力电子器件（了解电力电子器件（Power electronic devicePower electronic device）的发展、分类与应用的发展、分类与应用 理解和掌握功率二极管、理解和掌握功率二极管、SCRSCR、MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT等常用器件的工作原理、电气特性和主要参数等常用器件的工作原理、电气特性和主要参数重点：重点： 各种电力电
3、子器件原理、性能上的不同点，各各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合自应用的场合Beijing Jiaotong University (BJTU)2.1电力电子器件概述电力电子器件概述 电子技术采用电子器件，包括晶体管和集成电路电子技术采用电子器件，包括晶体管和集成电路 电力电子技术采用电力电子器件电力电子技术采用电力电子器件 主电路主电路（main power circuitmain power circuit）：电力电子系统）：电力电子系统 中，直接承担电能的变换或控制任务的电路中，直接承担电能的变换或控制任务的电路 电力电子器件电力电子器件（power electroni
4、c devicepower electronic device）：）： 可直接用于电力电子主电路中、实现电能变换或可直接用于电力电子主电路中、实现电能变换或 控制的电子器件控制的电子器件Beijing Jiaotong University (BJTU)与电子器件相比，电力电子器件的一般与电子器件相比，电力电子器件的一般特征特征：处理电功率的能力强处理电功率的能力强,一般远大于处理信息的电一般远大于处理信息的电子器件所能处理的电功率，即承受电压和电流子器件所能处理的电功率，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数的能力，是最重要的参数 一般都工作在开关状态一般都工作在开关状态 驱动功率较大驱动功
5、率较大 工作时能耗较大工作时能耗较大Beijing Jiaotong University (BJTU)主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗：导通（相当于普通晶体管饱和导通）：导通（相当于普通晶体管饱和导通）时器件上有一定的通态压降时器件上有一定的通态压降断态损耗断态损耗：阻断（相当于普通晶体管管截止）时：阻断（相当于普通晶体管管截止）时器件上有微小的断态漏电流流过器件上有微小的断态漏电流流过开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗：在器件开通（阻断：在器件开通（阻断开通）过程中产生的损耗开通）过程中产生的损耗关断损耗关断损耗：在器件关断（开通：在器件关断（开通阻断）过程中产生的损耗阻断）过程中产生的损耗
6、对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一件发热的原因之一通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是造成器件功率损耗的主要原因造成器件功率损耗的主要原因器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素器件功率损耗的主要因素 Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子器件的特征（与普通半导体器件相比）电力电子器件的特征（与普通半导体器件相比）功率远大于信息电子器件，从功率
7、远大于信息电子器件，从mWMW，因此因此电压和电流等级是其最重要的参电压和电流等级是其最重要的参数数工作在开关状态（相当于普通晶体管的工作在开关状态（相当于普通晶体管的饱和与截止状态），因而开关特性也是饱和与截止状态），因而开关特性也是很重要的参数，有时甚至是最重要的参很重要的参数，有时甚至是最重要的参数数需要用驱动电路驱动需要用驱动电路驱动需要装散热器散热需要装散热器散热Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子器件的发展电力电子器件的发展第一代电力电子器件第一代电力电子器件无关断能力的无关断能力的SCR第二代电力电子器件第二代电力电子器件有关断能力的有关断
8、能力的GTO、GTR等等第三代电力电子器件第三代电力电子器件性能优异的复合型器件如性能优异的复合型器件如IGBT和智能器件和智能器件IPM(IntelligentPowerModule)等等Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子器件的发展目标和评价标准电力电子器件的发展目标和评价标准70年代年代大容量（电压、电流）大容量（电压、电流）80年代年代高频化（功率、频率）高频化（功率、频率）90年代年代高性能化高性能化（大容量、高频率、易驱动、低损耗）（大容量、高频率、易驱动、低损耗）评价标准：功率容量、开关速度、通态压降、评价标准：功率容量、开关速度、通态压降
9、、驱动功率、驱动信号驱动功率、驱动信号现在现在集成化、模块化、智能化集成化、模块化、智能化Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子器件的分类电力电子器件的分类按其开关控制性能分类：按其开关控制性能分类：不控型器件不控型器件:无控制极，器件的导通与关断完全由其在主无控制极，器件的导通与关断完全由其在主电路中承受的电压和电流决定，正偏置导通、反偏置关电路中承受的电压和电流决定，正偏置导通、反偏置关断。断。如电力二极管如电力二极管(PowerDiode)半控型器件：半控型器件：控制极（门极）只能控制器件导通而不能控制极（门极）只能控制器件导通而不能控制其关断，器件
10、的关断完全由其在主电路中承受的电控制其关断，器件的关断完全由其在主电路中承受的电压和电流决定。压和电流决定。如晶闸管（如晶闸管（Thyristor）全控型器件：全控型器件：通过控制极（门极或基极或柵极）是否施通过控制极（门极或基极或柵极）是否施加驱动信号、既能控制管子导通又能控制管子关断。如加驱动信号、既能控制管子导通又能控制管子关断。如如如GTO、GTR、MOSFETMOSFET、IGBT、IGCTIGCT、IPMIPMBeijing Jiaotong University (BJTU)电力电子器件的分类电力电子器件的分类按器件内部载流子参与导电的种类分类：按器件内部载流子参与导电的种类分类
11、：单极型器件：单极型器件：只有一种载流子参与导电只有一种载流子参与导电，如，如 MOSFET、SIT等等双极型器件：双极型器件：有有电子和空穴电子和空穴两种载流子参与导两种载流子参与导 电电，如，如SCR、GTO、GTR等等复合型器件：复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成，由单极型器件和双极型器件集成，如如由由MOSFETMOSFET与晶体管、晶闸管复与晶体管、晶闸管复 合而成，构成合而成，构成IGBT等等Beijing Jiaotong University (BJTU)单极型器件：单极型器件：开关时间短、输入阻抗高（电压控制型）开关时间短、输入阻抗高（电压控制型）电流具有负的温度特性，
12、二次击穿的可能性很小电流具有负的温度特性，二次击穿的可能性很小通态压降高、电压和电流定额较小通态压降高、电压和电流定额较小双极型器件：双极型器件：通态压降较低、阻断电压高、电流容量大通态压降较低、阻断电压高、电流容量大复合型器件：复合型器件：既有电流密度高、导通压降低的优点，又有输入既有电流密度高、导通压降低的优点，又有输入阻抗高、响应速度快的优点阻抗高、响应速度快的优点Beijing Jiaotong University (BJTU)按按驱动电路加在器件控制端和公共端信号的性质驱动电路加在器件控制端和公共端信号的性质分类：分类：电流驱动型：通过从控制端注入或者抽出电电流驱动型：通过从控制端
13、注入或者抽出电 流来实现导通或者关断。流来实现导通或者关断。如晶闸如晶闸 管、管、GTOGTO、GTRGTR、IGCTIGCT、SITHSITH等等 电压驱动型：仅通过在控制端和公共端之间施电压驱动型：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加一定的电压信号就可实现导通 或者关断的控制。或者关断的控制。如如MOSFETMOSFET、 IGBT IGBT、IPMIPM、SITSIT、MCTMCT等等电力电子器件的分类电力电子器件的分类Beijing Jiaotong University (BJTU) 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压驱动型器件实际上是通过加在控制端
14、上的电压、在器件的两个主电路端子之间产生可控的电压、在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场，来改变流过器件的电流大小和通断状态，电场，来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件、或场效应器件。所以又称为场控器件、或场效应器件。特性：特性： 驱动功率远小于驱动功率远小于电流控制型器件电流控制型器件 驱动电路简单驱动电路简单 功率器件工作频率高功率器件工作频率高Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子器件的应用电力电子器件的应用决定应用场合的基本因素决定应用场合的基本因素输出容量输出容量工作频率工作频率应用举例应用举例高压输电高压输电电力牵引电力牵
15、引开关电源开关电源Beijing Jiaotong University (BJTU)2.2功率二极管功率二极管工作原理工作原理（基本与普通二极管相同）（基本与普通二极管相同）PN结：正向导通结：正向导通反向截止反向截止电流到零关断电流到零关断Beijing Jiaotong University (BJTU)外形与符号外形与符号有螺栓型和平板型有螺栓型和平板型两种封装两种封装Beijing Jiaotong University (BJTU)v 电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压压U UTOTO），），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通正
16、向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流状态。与正向电流I IF F对应的电力二极管两端的电压对应的电力二极管两端的电压U UF F即为其正向电压降即为其正向电压降v 当电力二极管承受反向电压时，有微小的反向漏当电力二极管承受反向电压时，有微小的反向漏电流电流基本特性基本特性静态特性静态特性（伏安特性）（伏安特性）Beijing Jiaotong University (BJTU)理想伏安特性理想伏安特性1以后电路分析中，我们均采用前一种来简化二极管以后电路分析中，我们均采用前一种来简化二极管理想伏安特性理想伏安特性2Beijing Jiaotong University (BJTU
17、)主要参数主要参数:正向平均电流正向平均电流：在指定壳温和散热条件下，允许流过的最大工在指定壳温和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值频正弦半波电流的平均值正向压降正向压降：在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对：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应的正向压降反向重复峰值电压反向重复峰值电压：能重复施加的反向最高峰值电压：能重复施加的反向最高峰值电压最高工作结温最高工作结温：在：在PN结不损坏前提下所能承受的最高平均温度结不损坏前提下所能承受的最高平均温度反向恢复时间反向恢复时间trr：关断过程中，电流降到零起到完全恢复反向关断过程中，电流降到零起到完
18、全恢复反向阻断能力止的时间阻断能力止的时间Beijing Jiaotong University (BJTU)主要类型主要类型:整流二极管整流二极管（RectifierDiode）低频低频(1KHz)、大容量整流电路大容量整流电路反向恢复时间较长（反向恢复时间较长（5 s以上），这在开关频率不高时并不重以上），这在开关频率不高时并不重要要 正向电流定额和反向电压定额可以很高，数千安和数千伏以上正向电流定额和反向电压定额可以很高，数千安和数千伏以上快恢复二极管快恢复二极管（FastRecoveryDiode-FRD）高频高频 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
19、很短（5 s以下）以下）肖特基二极管肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode-SBD）高频、低压高频、低压 反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（1040ns） 正向恢复过程中不会有明显的电压过冲正向恢复过程中不会有明显的电压过冲 反反向向耐耐压压低低时时，正正向向压压降降也也很很小小，明明显显低低于于快快恢恢复复二二极极管管，但但反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求 开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高 反向漏电流较大且对温度敏感，必须更严格地限制其工作温度反向漏电
20、流较大且对温度敏感，必须更严格地限制其工作温度 Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电子器件的特征（与普通电子器件的不同点）电力电子器件的特征（与普通电子器件的不同点）电力电子器件的分类（三种分类方法）电力电子器件的分类（三种分类方法）电力电子器件的主要损耗（三种）电力电子器件的主要损耗（三种）电力电子器件所能达到的功率等级、开关频率比较电力电子器件所能达到的功率等级、开关频率比较电力二极管的工作原理、静态特性与信息二极管的电力二极管的工作原理、静态特性与信息二极管的工作原理、静态特性基本相同工作原理、静态特性基本相同小小结结Beijing Jiaotong
21、 University (BJTU)2.3晶闸管晶闸管（SiliconControlledRectifier-SCR）名称名称晶闸管晶闸管（Thyristor）可控硅可控硅（SCR）外形与符号外形与符号有螺栓型有螺栓型(200A)两种两种封装封装Beijing Jiaotong University (BJTU)SCR的工作原理的工作原理PNPN四层结构；四层结构；P1区引出阳极区引出阳极A，P2区引出门极区引出门极G，N2区引出阴极区引出阴极K；四个区形成三个；四个区形成三个PN结结J1、J2、J3Beijing Jiaotong University (BJTU)工作原理工作原理1、阻断状
22、态阻断状态A、K两端承受正向电两端承受正向电压时：压时：J2反偏阻断；反偏阻断；A、K两端承受反向电两端承受反向电压时：压时：J1、J3反偏阻断。反偏阻断。（1）IGi iB2B2IC2IC1(IA)形成正反馈形成正反馈（机制）（机制）这表明：如果在这表明：如果在SCR导通后撤除触发脉冲导通后撤除触发脉冲IG，那么由，那么由于于SCR内部正反馈的作用，内部正反馈的作用，SCR仍可能维持导通！仍可能维持导通！2、导通原理导通原理SCR可看作是由可看作是由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管T1、T2，如果外电路向门极注入驱动电流，如果外电路向门极注入驱动电流IG，则：，则
23、：Beijing Jiaotong University (BJTU)Ic1=1 IA + ICBO1Ic2=2 IK + ICBO2IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2其中：其中：1、2分别是晶体管分别是晶体管T1、T2的共基极电流增益的共基极电流增益ICBO1、ICBO2分别是晶体管分别是晶体管T1、T2的共基极漏电流的共基极漏电流Beijing Jiaotong University (BJTU)晶体管特性：晶体管特性： 当发射极电流较小时，当发射极电流较小时， 很小，反之，很小，反之， 迅速增大迅速增大阻断状态阻断状态：IG=0， 1+ 2很小，流过晶闸管的漏很小，流过晶闸管的漏电流
24、稍大于两个晶体管漏电流之和电流稍大于两个晶体管漏电流之和开通状态开通状态（门极触发）：注入触发电流使晶体管（门极触发）：注入触发电流使晶体管发射极电流增大致发射极电流增大致 1+ 2趋近于趋近于1时，时，流流过晶闸管的电流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近阳极电流）将趋近无穷大，实现饱和导通。无穷大，实现饱和导通。IA值由外电路值由外电路决定决定Beijing Jiaotong University (BJTU)SCR的特性的特性静态特性（静态特性（伏安特性）伏安特性）承受反压时，不论门承受反压时，不论门极是否有触发电流，极是否有触发电流，晶闸管均不导通晶闸管均不导通承受正压时，仅在门承受正
25、压时，仅在门极有触发电流时，晶极有触发电流时，晶闸管才能开通闸管才能开通晶闸管一旦导通，门晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。极就失去控制作用。若要关断晶闸管，只若要关断晶闸管，只能将其电流降到接近能将其电流降到接近于零的某一数值以下于零的某一数值以下Beijing Jiaotong University (BJTU) 当当IG=0、器件承受正压，呈正向阻断状态，只有很小的正向漏器件承受正压，呈正向阻断状态，只有很小的正向漏电流，正压超过临界值即电流，正压超过临界值即正向转折电压正向转折电压Ubo，漏电流急剧增大，漏电流急剧增大，器件开通器件开通正向转折电压随着门极电流增大而减小正向转折电压随
26、着门极电流增大而减小晶闸管导通后与二极管正向特性相仿，压降很小（约晶闸管导通后与二极管正向特性相仿，压降很小（约1V），），而而 承受反压时的伏安特性与二极管的反向特性也类似承受反压时的伏安特性与二极管的反向特性也类似导通期间，若门极电流为零，且阳极电流降至接近于零的某一导通期间，若门极电流为零，且阳极电流降至接近于零的某一数值数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为称为维持电流维持电流 晶闸管门极触发电流由触发电路在门极和阴极之间施加触发电晶闸管门极触发电流由触发电路在门极和阴极之间施加触发电 压而产生，从门极流入晶闸管、自阴极流出，阴极为晶闸管主
27、压而产生，从门极流入晶闸管、自阴极流出，阴极为晶闸管主 电路与控制电路的公共端电路与控制电路的公共端Beijing Jiaotong University (BJTU)门极的伏安特性门极的伏安特性SCR的特性的特性 晶闸管的门极和阴晶闸管的门极和阴极之间是极之间是PN结结J3，其，其伏安特性称为门极伏伏安特性称为门极伏安特性安特性 为保证可靠、安全为保证可靠、安全地触发，触发电路所地触发，触发电路所提供的触发电压、电提供的触发电压、电流和功率应限制在可流和功率应限制在可靠触发区靠触发区Beijing Jiaotong University (BJTU)SCR的导通和关断条件的导通和关断条件当当
28、SCR承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，承受反向阳极电压时，不论门极承受何种电压，SCR均处于阻断状态均处于阻断状态当当SCR承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下，下，SCR才能导通才能导通SCR在导通时，只要仍然承受一定正向阳极电压，不论门极在导通时，只要仍然承受一定正向阳极电压，不论门极电压如何，电压如何，SCR仍能导通仍能导通SCR在导通情况下，当主电路电流减少到一定程度时，在导通情况下，当主电路电流减少到一定程度时，SCR恢复为阻断。阻断恢复为阻断。阻断方法方法是是：阳极阳极阴极间加反向电压（常用方法）阴极间加反向电压（
29、常用方法）减小阳极减小阳极阴极间电压、增大回路阻抗阴极间电压、增大回路阻抗Beijing Jiaotong University (BJTU)导致导致SCR导通的几种情况（外部条件）：导通的几种情况（外部条件）：正向转折导通：正向转折导通：UAKJ2击穿击穿IA高温导通高温导通：温度：温度ICBO1、ICBO2IAdUAK/dt导通导通：dUAK/dti iJ J IA以上均属以上均属非正常导通非正常导通，应该避免！，应该避免！v门极触发导通：注入门极触发导通：注入IGIAv光注入导通光注入导通：光照：光照ICBO1、ICBO2IA以上两种情况属于以上两种情况属于正常导通正常导通Beijing
30、 Jiaotong University (BJTU)SCR的主要参数电压定额电压定额断态重复峰值电压断态重复峰值电压VDRM：门极断路且结温为额定值时，允许：门极断路且结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压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VRRM：门极断路且结温为额定值时，允许：门极断路且结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压重复加在器件上的反向峰值电压额定电压：晶闸管的额定电压：晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值中较小的标值通态（峰值）电压通态（峰值）电压VTM：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态：晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流
31、时的瞬态峰值电压平均电流时的瞬态峰值电压正向正向不重复峰值电压不重复峰值电压VDSM：反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压VRSM：转折电压转折电压VBO：晶闸管开始正向：晶闸管开始正向导通时的电压导通时的电压Beijing Jiaotong University (BJTU)SCR的主要参数电流定额电流定额维持电流维持电流IH：使晶闸管维持导通所必需的最小电流使晶闸管维持导通所必需的最小电流擎住电流擎住电流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，通常约为维持导通所需的最小电流，通常约为24倍倍IH浪涌电流浪涌电流ITS
32、M：因因电路异常引起并使结温超过额定结温的不重电路异常引起并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流，通常为复性最大正向过载电流，通常为4 ITA或更大或更大Beijing Jiaotong University (BJTU) SCR的主要参数（续）额定电流额定电流：晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为4040 C C和规定的冷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定电流的参数Beijing Jiaotong University (BJT
33、U)正弦半波的有效值（均方根值）为正弦半波的有效值（均方根值）为 ：由上两式得：由上两式得：使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则选取晶闸管，且留一定裕量，一般取原则选取晶闸管，且留一定裕量，一般取1.52倍倍IR是按照正向电流造成器件本身的发热来定义的是按照正向电流造成器件本身的发热来定义的产品手册中规定产品手册中规定IR=IAV，表示它可以流过任意波形，表示它可以流过任意波形的、有效值为的、有效值为1.57IR的电流的电流Beijing Jiaotong University (BJTU)流过任意波形电流时，流过任意波形电流时，SCRS
34、CR额定电流参数计算：额定电流参数计算：根据阳极电流波形计算其有效值（均方根值）：根据阳极电流波形计算其有效值（均方根值）：求求SCR额定电流：额定电流：Beijing Jiaotong University (BJTU)思思考考通过通过SCR的电流波形的电流波形如图所示，如图所示，Im300A试选取试选取SCR的的ITA解：电流有效值解：电流有效值Beijing Jiaotong University (BJTU)浪涌电流浪涌电流ITSM：结温为额定值时，晶闸管在规定的极：结温为额定值时，晶闸管在规定的极短时间内（工频正弦波半周期内）所能承受的最大短时间内（工频正弦波半周期内）所能承受的最大
35、过载电流值（通常为过载电流值（通常为4 IAV或更多或更多）浪涌次数有一定限制，不可重复出现浪涌次数有一定限制，不可重复出现维持电流维持电流IH：在室温和门极开路时，晶闸管从较大通：在室温和门极开路时，晶闸管从较大通态电流降至维持通态所需要的最小通态电流态电流降至维持通态所需要的最小通态电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，且结温一般为几十到几百毫安，与结温有关，且结温越高，越高，IH越小越小擎住电流擎住电流IL：晶闸管经触发从断态变换到通态之后立：晶闸管经触发从断态变换到通态之后立即撤除触发信号，在此情况下仍要维持通态所需要即撤除触发信号，在此情况下仍要维持通态所需要的最小通态电流的最小通态
36、电流对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍倍Beijing Jiaotong University (BJTU)思思考考 调试如图所示晶闸管电路，在断开调试如图所示晶闸管电路，在断开Rd Rd 测量输测量输出电压出电压VdVd是否正确可调时，发现电压表是否正确可调时，发现电压表V V读数读数不正常，接上不正常，接上Rd Rd 后一切正常，为什么？（触后一切正常，为什么？（触发脉冲始终正常工作）发脉冲始终正常工作）Beijing Jiaotong University (BJTU)思思考考 1、若流过晶闸管的电流有效值是、若流过晶闸管的电流有效值是157A，则其额
37、定电流，则其额定电流为为。若该晶闸管阳、阴极间电压为。若该晶闸管阳、阴极间电压为60sintV，则其额，则其额定电压应为定电压应为。（不考虑晶闸管的电流、电压裕量）。（不考虑晶闸管的电流、电压裕量）2、当晶闸管的电流上升到其、当晶闸管的电流上升到其电流后，去掉门极电流后，去掉门极触发信号，晶闸管仍能维持导通。触发信号，晶闸管仍能维持导通。3、某晶闸管，若其断态重复峰值电压为、某晶闸管，若其断态重复峰值电压为500V，反向，反向重复峰值电压为重复峰值电压为700V，则该晶闸管得额定电压是，则该晶闸管得额定电压是_。Beijing Jiaotong University (BJTU) SCR的主要
38、参数的主要参数（续）动态参数动态参数断态电压临界上升率断态电压临界上升率dv/dt指在额定结温和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通态转换的外加电压最大上升率过大的过大的dv/dt会引起误导通会引起误导通通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，指在规定条件下，晶闸管能承受且无有害影响的最大通态电流晶闸管能承受且无有害影响的最大通态电流上升率上升率过大的过大的di/dt可使晶闸管内部局部过热而损坏可使晶闸管内部局部过热而损坏Beijing Jiaotong University (BJTU)
39、SCR的的PNPN四层半导体结构，决定了外电路向门极注入四层半导体结构，决定了外电路向门极注入驱动电流驱动电流IG时，内部电流会形成正反馈，这使触发导通后时，内部电流会形成正反馈，这使触发导通后即便撤除即便撤除IG，SCR仍能导通仍能导通从工作原理上从工作原理上讲，只需要一个窄触，只需要一个窄触发脉冲就能脉冲就能导通通SCR的（正常）导通、关断条件的（正常）导通、关断条件SCR流过任意波形电流时，额定电流计算流过任意波形电流时，额定电流计算若若SCR承受承受的电压的电压UAK过高、或结温过高、或过高、或结温过高、或dUAK/dt过过大，都可能引起误导通大，都可能引起误导通在正向阻断没恢复之前，
40、如果重加在正向阻断没恢复之前，如果重加UAK，SCR会重新导通，会重新导通，不受不受IG控制控制小小结结Beijing Jiaotong University (BJTU)2.4功率功率MOSFET（PowerMOSFET）名称名称功率功率MOSFET或电力场效应晶体管（或电力场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor MOSFET ）分类分类 P沟道沟道N沟道沟道 增强型增强型耗尽型耗尽型绝缘栅型绝缘栅型结型结型场效应场效应晶体管晶体管Beijing Jiaotong University (BJTU)功率功率MOSFET（Powe
41、rMOSFET）耗尽型：栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道耗尽型：栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型：对于增强型：对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道零时才存在导电沟道 功率功率MOSFET主要是主要是N沟道增强型沟道增强型符号符号Beijing Jiaotong University (BJTU)工作原理：工作原理：由栅极由栅极(Gate)电压来改变导电沟道，从而电压来改变导电沟道，从而控制漏极控制漏极(Drain)、源极源极(Source)之间的电流之间的电流和等效电阻，使场效应管处于截止或导通状态和等效电阻，使场效应管处
42、于截止或导通状态导通条件：栅极加正电压导通条件：栅极加正电压关断条件：栅极电压为零或加负电压（关断条件：栅极电压为零或加负电压（-5V）Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电力MOSFET的特点的特点单极型器件单极型器件：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（多子）参与导电（多子）参与导电优点优点开关速度很快，工作频率很高开关速度很快，工作频率很高电流增益大，驱动功率小，驱动电路简单电流增益大，驱动功率小，驱动电路简单正的电阻温度特性，易并联均流正的电阻温度特性，易并联均流缺点缺点通态电阻较大，通态损耗相应也大通态电阻较大，通态损耗相应也大单
43、管容量难以提高，只适合小功率单管容量难以提高，只适合小功率Beijing Jiaotong University (BJTU)电力电力MOSFET的转移特性的转移特性转移特性：转移特性：漏极电流漏极电流ID和和栅源间电压栅源间电压VGS的关系的关系ID=f（VGS）跨导：跨导：ID较大时，较大时，ID与与VGS的关系近似线性，的关系近似线性，其斜率其斜率定义为定义为跨导跨导GFS=dID/dVGS反映反映UGS对对ID的控制能力的控制能力开启电压：开启电压：VGS（th）一般为一般为24VBeijing Jiaotong University (BJTU)电力电力MOSFET的输出特性的输出特
44、性（）截止区）截止区（）饱和区）饱和区（）非饱和区）非饱和区（）雪崩区）雪崩区开关工作状态，即开关工作状态，即在截止区和非饱和在截止区和非饱和区之间来回转换区之间来回转换Beijing Jiaotong University (BJTU)开关速度与开关速度与Cin充放电有关，而用户无法降低充放电有关，而用户无法降低Cin，只可降只可降低驱动电路内阻低驱动电路内阻Rs以减小时间常数，加快开关速度以减小时间常数，加快开关速度只靠一种载流子（多子）导电，不存在少子储存效应，只靠一种载流子（多子）导电，不存在少子储存效应，因而关断非常迅速，开关时间在因而关断非常迅速，开关时间在10100ns之间，频率
45、可达之间，频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的以上，是主要电力电子器件中最高的由于是场控器件，静态时几乎不需输入电流，但开关过由于是场控器件，静态时几乎不需输入电流，但开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率，且开程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率，且开关频率越高，所需驱动功率越大关频率越高，所需驱动功率越大漏源极之间有寄生二极管，当漏源极间加反压时器件将漏源极之间有寄生二极管，当漏源极间加反压时器件将导通导通通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利Beijing Jiaotong University (BJ
46、TU)电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 漏极电压漏极电压UDS：电力电力MOSFET电压定额电压定额漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM：电电力力MOSFET电流定额电流定额栅源电压栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄栅源之间的绝缘层很薄若若 UGS 栅源击穿电压栅源击穿电压UBGS（约约+20V）将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿漏极击穿电压漏极击穿电压UBDS：决定了能承受的最高工决定了能承受的最高工作电压作电压极间电容：极间电容：CGS、CGD和和CDSBeijing Jiaotong University (BJTU) Ciss= CGS+ CG
47、D Crss= CGD Coss= CDS+ CGD这些电容都是非线性的这些电容都是非线性的漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力率决定了电力MOSFET的安全工作区的安全工作区电力电力MOSFET无无反向阻断能力，但它不存在二次反向阻断能力，但它不存在二次击穿问题，这是它的一大优点，但使用中仍应留击穿问题，这是它的一大优点，但使用中仍应留适当的裕量，且适当的裕量，且注意防静电注意防静电厂家提供：漏源极短路时的输入电容厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极、共源极输出电容输出电容Coss和反向转移电容和反向转移电容CrssBe
48、ijing Jiaotong University (BJTU)电力电力MOSFET的安全工作区的安全工作区漏源通态电阻漏源通态电阻Ron限制线限制线1最大漏极电流最大漏极电流IDM限制线限制线2最大功耗最大功耗PDM限制线限制线3最大漏源电压最大漏源电压UDSM限制线限制线4Beijing Jiaotong University (BJTU)2.5绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor-IGBT） 符号符号 工作原理工作原理由由MOSFET和和GTR复合而成复合而成等效电路如右等效电路如右Beijing Jiaotong Univer
49、sity (BJTU)驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFET基本相同，因是场控基本相同，因是场控器件，通断由栅射极电压器件，通断由栅射极电压uGE决定决定导通：导通：uGE大于开启电压大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通导通导通压降：电导调制效应使电阻导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使减小，使通态压降小通态压降小关断：栅射极间施加反压或不加信号时，关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，极电流被切断，IGBT关断关断Beijin
50、g Jiaotong University (BJTU)IGBT的伏安特性的伏安特性伏安特性示意图伏安特性示意图输出特性：输出特性：以以UGE为参考变量时，为参考变量时，IC与与UCE的关系的关系分三个区域：正向阻断分三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区，区、有源区和饱和区，分别与分别与GTR的截止区、的截止区、放大区和饱和区对应放大区和饱和区对应 uCEIGBT通态电阻通态电阻电力电力MOSFETIGBT器件容量器件容量电力电力MOSFETIGBT两者的开关速度与两者的开关速度与Ciss的充放电有关，使用者虽无法减的充放电有关，使用者虽无法减小小Ciss，但可以通过减小驱动电阻，但可以通过减
51、小驱动电阻RG来减小充放电时间来减小充放电时间常数，提高开关速度常数，提高开关速度两者在使用时，栅极不能开路两者在使用时，栅极不能开路Beijing Jiaotong University (BJTU)小小结（续）结（续）3、电力、电力MOSFET的的DS极之间存在一个反并的寄生二极之间存在一个反并的寄生二极管，因此无反向阻断能力极管，因此无反向阻断能力4、IGBT本身有反向阻断能力，但本身有反向阻断能力，但IGBT模块一般带反并模块一般带反并二极管，所以二极管，所以IGBT模块也无反向阻断能力模块也无反向阻断能力5、IGBT模块内部存在一个寄生的模块内部存在一个寄生的NPN三极管和体躯电三极
52、管和体躯电阻，如果阻，如果Ic过大、或过大、或Uce过高、或关断过快（即过高、或关断过快（即dUce/dt过大），很可能会出现擎住效应，使栅极失去控制作过大），很可能会出现擎住效应，使栅极失去控制作用。避免出现擎住效应的方法是：用。避免出现擎住效应的方法是：在在c、e极间并电容，以减小关断时的极间并电容，以减小关断时的dUce/dt增大栅极驱动电阻增大栅极驱动电阻RG，以便减慢关断速度，从而减，以便减慢关断速度，从而减小小dUce/dt另外，要保证另外，要保证Ic、Uce在额定范围内在额定范围内6、电力、电力MOSFET和和IGBT的导通、关断条件的导通、关断条件Beijing Jiaoton
53、g University (BJTU)常用器件性能比较常用器件性能比较 DSCRGTOIGBTMOSFET驱动信号驱动信号无无电流电流电流电流电压电压电压电压驱动功率驱动功率大大大大中中小小通态压降通态压降小小小小小小中中大大开关速度开关速度慢慢/快快慢慢较慢较慢中中快快通过电流能力通过电流能力大大大大较大较大中中小小Beijing Jiaotong University (BJTU)课课堂堂思思考考 在晶闸管在晶闸管SCR、绝缘栅双极晶体管、绝缘栅双极晶体管IGBT和功率场效和功率场效应管应管MOSFET这三种常用电力电子器件中：这三种常用电力电子器件中：（1）什么器件不能承受反压？）什么器
54、件不能承受反压？（2）什么器件属于半控型器件？）什么器件属于半控型器件？（3）什么器件所能达到的容量最大？）什么器件所能达到的容量最大？（4）什么器件的开关频率最高？）什么器件的开关频率最高？（5）什么器件属于电流控制型器件？）什么器件属于电流控制型器件？（6）什么器件属于电压控制型器件？）什么器件属于电压控制型器件？（7）什么器件易于并联？）什么器件易于并联？Beijing Jiaotong University (BJTU)2.6其它新型场控器件其它新型场控器件静电感应晶体管静电感应晶体管(StaticInductionTransistor-SIT)静电感应晶闸管静电感应晶闸管(Stati
55、cInductionThyristor-SITH)MOS控制晶闸管控制晶闸管(MOSControlledThyristor-MCT)集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管( (IntegratedGate-CommutatedThyristor-IGCT) )Beijing Jiaotong University (BJTU)模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，可缩小装模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性，对工作频率高的电路，可置体积，降低成本，提高可靠性，对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求大大减小线路电感，从而简化
56、对保护和缓冲电路的要求将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（PowerIntegratedCircuitPIC）其它新型场控器件其它新型场控器件 功率集成电路功率集成电路高压集成电路（高压集成电路（HighVoltageICHVIC）智能功率集成电路（智能功率集成电路（SmartPowerICSPIC）智能型器件智能型器件(IntelligentPowerModule-IPM)：指指IGBT及其辅助器件、保护和驱动电路的单片集成及其辅助器件、保护
57、和驱动电路的单片集成Beijing Jiaotong University (BJTU) 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路功率集成电路的主要技术难点：高低压电路 间的绝缘、温升和散热间的绝缘、温升和散热 以前功率集成电路主要应用在中小功率以前功率集成电路主要应用在中小功率 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个智能功率模块在一定程度上回避了上述两个 难点，最近几年获得了迅速发展难点，最近几年获得了迅速发展 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成功率集成电路实现了电能和信息的集成，成 为机电为机电 一体化的理想接口一体化的理想接口Beijing Jiaotong University (BJTU)用于电机驱动的IPEMToshibaSemikronDanfossIRFujiIndustry trendEupec/Infineon工业工业趋势趋势Beijing Jiaotong University (BJTU)本章思考题本章思考题电力电子器件的类型、特点和发展趋势电力电子器件的类型、特点和发展趋势晶闸管的导通、关断条件晶闸管的导通、关断条件晶闸管在任意电流波形下的额定电流值晶闸管在任意电流波形下的额定电流值IGBT的导通、关断条件的导通、关断条件各种常用器件的性能比较各种常用器件的性能比较
