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1、西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心( (PENECPENEC) )制作制作电力电子技术电子教案第第1 1章章 电力电子器件电力电子器件西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作第第1章章 电力电子器件电力电子器件 引言引言1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 1.7 1.7 电
2、力电子器件的保护电力电子器件的保护 1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用 小结小结 2西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作引引 言言电子技术的基础电子技术的基础电子器件：晶体管和电子器件：晶体管和集成电路集成电路电力电子电路的基础电力电子电路的基础电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：简简要要概概述述电电力力电电子子器器件件的的概概念念、特特点点和和分分类类等等问题问题介介绍绍各各种种常常用用电电力力电电子子器器件件的的工工作作原原理理、基基本本特特性性,主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题主要参数以及选择和使用中应注
3、意的一些问题3西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述 1.1.1 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 1.1.2 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 1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1.1.4 1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点4西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.11.1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电力电子器件的概念和特征主
4、主电电路路（mainpowercircuit）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电电 力力 电电 子子 器器 件件 （ powerelectronicdevice）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件5西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 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广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。两类中，自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（ MercuryArcRectifier） 、
5、 闸 流 管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。电力半导体器件所采用的主要材料仍然是硅。6西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 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同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：(1)能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都远大于处理信息的电子器件。7西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 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
6、征(2)电力电子器件一般都工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替8西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.1 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(3)实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放
7、大，这就是电力电子器件的驱动电路驱动电路。(4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温 度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时器件上有一定的通态压降，形成通态损耗9西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作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阻断时器件上有微小的断态漏电流流过，形成断态损耗在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗对某些器件来讲，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，开关损耗会
8、随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素10西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.2 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电电力力电电子子系系统统：由控制电路、驱动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控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能11西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.2 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
9、统组成有的电力电子系统中，还需要有检测电路。广义上往往其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，从而粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。主电路中的电压和电流一般都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般需要进行电电气气隔隔离离，而通过其它手段如光、磁等来传递信号。12西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.2 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由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力
10、电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。器件一般有三个端子（或称极或管角），其中两个联结在主电路中，而第三端被称为控制端（或控制极）。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件的端子。13西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.3电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照
11、器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：(1)半控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定14西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类(2)全控型器件通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate BipolarTransistorIGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThy
12、ristorGTO）15西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类(3)不不可可控控器器件件不不能能用用控控制制信信号号来来控控制制其其通通断断，因此也就不需要驱动电路因此也就不需要驱动电路电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的按按照照驱驱动动电电路路加加在在器器件件控控制制端端和和公公共共端端之之间间信信号号的的性质，分为两类：性质，分为两类：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
13、就可实现导通或者关断的控制16西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上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，所以又称为场控器件，或场效应器件按按照照器器件件内内部部电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子参参与与导导电电的的情情况分为三类：况分为三类：单极型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复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件17西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENE
14、C)制作1.1.4 1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点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，然后集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。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，这是在实际中正确应用电力电子器件的两个基本要求由于电力电子电路的工作特点和具体情况的不同，可能会对与电力电子器件用于同一主电路的其它电路元件，如变压器、电感、电容、电阻等，有不同于普通电路的要求18西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二
15、极管1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1.2.1 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 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型19西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.21.2不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管PowerDiode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
16、场合，具有不可替代的地位20西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.1 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基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础由一个面积较大的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b)结构c)电气图形符号21西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.1 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N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差
17、别，造成了各区的多子向另一区的扩扩散散运运动动，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、负电荷称为空空间间电电荷荷。空间电荷建立的电场被称为内内电电场场或自自建建电电场场，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（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂漂移移运运动动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，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耗尽层、阻挡层阻挡层或势垒区势垒区。22西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENE
18、C)制作1.2.1 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PN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结表现为低阻态图1-3PN结的形成23西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.1 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PN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结的单向导电性这一主要特征PN结的反向击穿结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿PN结的电容效应：结的电容效应：PN
19、结的电荷量随外加电压而变化，呈现电电容容效效应应，称为结结电电容容CJ，又称为微微分分电电容容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和扩散电容扩散电容CD24西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.1 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势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比而扩散电容仅在正向偏置时起作用。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速
20、开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。25西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.1 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造造成成电电力力二二极极管管和和信信息息电电子子电电路路中中的的普普通通二二极管区别的一些因素：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响为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大26西安交通大学电
21、力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作 1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.2.2电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性图1-4电力二极管的伏安特性27西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1.静态特性（静态特性（电力二极管伏安特性图电力二极管伏安特性图）主要指其伏安特性当电力二极管承受的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。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微
22、小而数值恒定的反向漏电流。2.动态特性动态特性动动态态特特性性因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的28西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性开关特性开关特性反映通态和断态之间的转换过程关断过程关断过程：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b)零偏置转换为正向偏置29西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作
23、1.2.2 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表示正向偏置转换为反向偏置零偏置转换为正向偏置30西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性开通过程开通过程：电力二极管的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）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量
24、少子，达到稳态导通前管压降较大正向电流的上升会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西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.正向平均电流正向平均电流IF(AV)额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）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正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此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。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小
25、32西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.正向压降正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定33西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.3 1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管
26、的主要参数4.最高工作结温最高工作结温TJM结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最最高高工工作作结结温温是指在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5.反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf，关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间6.浪涌电流浪涌电流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。34西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2.4电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流
27、等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的35西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.普通二极管普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢复时间较长，一般在5 s以上，这在开关频率不高时并不重要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36西安交通大学电力电子与新能源技术研究中
28、心(PENEC)制作1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.快快恢恢复复二二极极管管（FastRecoveryDiodeFRD）恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5 s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构有的采用改进的PiN结构37西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型采用外延型PiN结构的的快快恢恢复复外外延延二二极极管管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（
29、0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。38西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3.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称 为 肖 特 基 势 垒 二 极 管 （ Schottky BarrierDiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向
30、压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下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39西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.2.4 1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管的优点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40西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3 1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管1.31.3半控型器
31、件半控型器件晶闸管晶闸管 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 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 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西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.31.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶晶 闸闸 管管 （ Thyristor） ： 晶 体 闸 流 管 ， 可 控 硅 整 流 器（SiliconControlledRectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通
32、用电气公司（GE）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，开始被性能更好的全控型器件取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往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件42西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作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外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，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封装的晶闸管可由两个散热
33、器将其夹在中间图1-6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43西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作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Ic1=1 IA+ ICBO1（1-1）Ic2=2 IK+ ICBO2（1-2）44西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作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 IK=IA+IG（1-3） IA=Ic1+Ic2（1-4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增
34、益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1-1）（1-4）可得（1-5）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。45西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作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）：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，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。46西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PEN
35、EC)制作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之外，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光光控控晶晶闸闸管管（LightTriggeredThyristorLTT）只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段47西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.静态特性
36、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西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG49西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性IG=0时，器件两端施加正向电压，
37、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称为维持电流。（伏安特性图）50西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本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的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的
38、公共端门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门门极极伏伏安安特特性性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。（伏安特性图伏安特性图）51西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.动态特性动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形52西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1)开通过程（开通过程（特性图特性图)延延迟迟时时间间t
39、d：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间上上升升时时间间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间开通时间开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+tr（1-6）普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为0.53 s53西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2)关断过程关断过程反反向向阻阻断断恢恢复复时时间间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正向向阻阻断断恢恢复复时时间间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对
40、晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作关断时间关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr（1-7)）普通晶闸管的关断时间约几百微秒。54西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.电压定额电压定额1)断断态态重重复复峰峰值值电电压压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。2)反反向向重重复复峰峰值值电电压压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
41、。3)通通态态（峰峰值值）电电压压UTM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额定定电电压压。选用时，额定电压要留有一定裕裕量量,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55西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.电流定额电流定额1)通态平均电流通态平均电流IT(AV)额定电流-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。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等
42、的原则来选取晶闸管应留一定的裕量，一般取1.52倍56西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2)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一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小3)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4)浪涌电流浪涌电流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57西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.3 1.3.3 晶闸管的
43、主要参数晶闸管的主要参数3.动态参数动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：(1)断态电压临界上升率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在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通58西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数(2)通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/d
44、t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，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏59西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.快快速速晶晶闸闸管管（FastSwitchingThyristorFST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进，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10 s左右高频晶闸管的不足在于其电
45、压和电流定额都不易做高由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应60西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件2.双双向向晶晶闸闸管管（TriodeACSwitchTRIAC或或Bidirectionaltriodethyristor）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61西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件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正反两
46、方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SolidStateRelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。62西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件3. 逆逆导导晶晶闸闸管管（Reverse Conducting ThyristorRCT）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
47、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63西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件4.光光 控控 晶晶 闸闸 管管 （ LightTriggeredThyristorLTT）图1-12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64西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管小功率光
48、控晶闸管只有阳极和阴极两个端子大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器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，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位65西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.4典型全控型器件典型全控型器件 1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 1.4.2 1.4.2 电力晶体管电力晶体管 1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅
49、双极晶体管66西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件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，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、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又带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67西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施
50、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68西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结结构构：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：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起图1-13GTO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6
51、9西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 工作原理：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 1+ 2=1是器件临界导通的条件。当1+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21时，不能维持饱和导通而关断图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理70西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO能能够够通通过过门门极极关关断断的的原原因因是其与普通晶闸管有如下区别：（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO
52、关断（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极 控制关断，但导通时管压降增大（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流71西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管导通过程导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅关断过程：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和和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流当IA和和IK的减小使
53、 1+ 2BUcexBUcesBUcerBuceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多84西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.2 1.4.2 电力晶体管电力晶体管2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM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85西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.2 1.4.2 电力晶体管电
54、力晶体管4.GTR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一次击穿一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变二次击穿二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的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86西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.2 1.4.2 电力晶体管电力晶体管安安 全全 工工 作作 区区 （ Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定图1-
55、18GTR的安全工作区87西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管也分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistorFET）但通常主要指绝绝缘缘栅栅型型中的MOS型型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistorSIT）特点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
56、，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置88西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理电力电力MOSFET的种类的种类按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道耗耗尽尽型型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增增强强型型对于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沟道增强型沟道增强型89西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的结
57、构（的结构（显示图显示图）导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，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电力MOSFET的多元集成结构国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列90西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管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（V
58、erticalMOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MO结构的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）这里主要以VDMOS器件为例进行讨论91西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理图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)电气图形符号截止：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
59、PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过92西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管导电：导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面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UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反反型型层层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电93西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效
60、应晶体管2.电力电力MOSFET的基本特性的基本特性1)静态特性静态特性图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性转移特性b)输出特性输出特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性转移特性ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs94西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管MOSFET的漏极伏安特性（的漏极伏安特性（输出特性输出特性）：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）电力MOSFET工作在开关
61、状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利95西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2)动态特性动态特性图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96西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管开通过程（开通过程（开关过程图开关
62、过程图）开开通通延延迟迟时时间间td(on)up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段上上升升时时间间tr uGS从从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和97西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管开通过程开通过程关断延迟时间td(off)up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线
63、下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V将导致绝缘层击穿4)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS厂家提供：漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss100西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.3 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管Ciss= CGS+ CGD（1-14）Crss= CGD（1-15）Coss= CDS+ CGD（1-16）输入电容可近似用Ciss代替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率决定了电力MOSFE
64、T的安全工作区一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题， 这是它的一大优点实际使用中仍应注意留适当的裕量101西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件102西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅
65、双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性1986年 投 入 市 场 后 ， 取 代 了 GTR和 一 部 分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位103西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图1-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图
66、b)简化等效电路c)电气图形符号104西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的结构的结构（显示图显示图）图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管RN为晶体管基区内的调制电阻105西安交通大学电力
67、电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的原理的原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定导导通通：，uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通导导通通压压降降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小关关断断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断106西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.IGBT的基
68、本特性的基本特性1)IGBT的静态特性的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性107西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管转转移移特特性性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似开开启启电电压压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为26V输输出出特特性性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应
69、uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态108西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2)IGBT的动态特性的动态特性图1-24IGBT的开关过程109西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的的开开通通过过程程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行开通延迟时间td(on)从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10% ICM电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间开通时间to
70、n开通延迟时间与电流上升时间之和uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1IGBT中MOSFET单 独 工 作 的 电 压 下 降 过 程 ； tfv2MOSFET和 PNP晶 体 管 同 时 工 作 的 电 压 下 降 过 程 （开关过程图）110西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的关断过程的关断过程（开关过程图开关过程图）关断延迟时间td(off)从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM电流下降时间iC从90%ICM下降至10%ICM关断时间toff关断延迟时间与电流下
71、降之和电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢111西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFETIGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数3.IGBT的主要参数的主要参数1)最最大大集集射射极极间间电电压压UCES由内部PNP晶体管的击穿电压确定2)最最大大集集
72、电电极极电电流流包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP3)最最大大集集电电极极功功耗耗PCM正常工作温度下允许的最大功耗112西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力(3)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似(5)与MOSFET和GTR相
73、比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点113西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管4.IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区寄寄生生晶晶闸闸管管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成正正偏偏安安全全工工作作区区（FBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定反反向向偏偏置置安安全全工工作作区区（RBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定图1-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示
74、意图b)简化等效电路c)电气图形符号114西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管擎擎住住效效应应或或自自锁锁效效应应：NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件115西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(P
75、ENEC)制作1.5 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.5其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.5.1 MOS1.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT 1.5.2 1.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT 1.5.3 1.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH 1.5.4 1.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT 1.5.5 1.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路116西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.5.1 MOS1.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTM
76、CTMCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点：MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程晶闸管的高电压大电流、低导通压降一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFETMCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用117西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制
77、作1.5.2 1.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSITSIT（StaticInductionTransistor）1970年，结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用缺点缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正正常常导导通通型型器件，使用不太方便通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用118西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心
78、(PENEC)制作1.5.3 1.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH1.SITH（Static Induction Thyristor）1972年，在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT）2.比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件3.SITH一般也是正
79、常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展119西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.5.4 1.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCTIGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor），20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO
80、在大功率场合的位置120西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.5.5 1.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化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、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功功率率集成电路集成电路（PowerIntegratedCircuitPIC）121西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.5.5 1.5.5 功率模块
81、与功率集成电路功率模块与功率集成电路类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重高高压压集集成成电电路路（HighVoltageICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成智智能能功功率率集集成成电电路路（SmartPowerICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成智智 能能 功功 率率 模模 块块 （ Intelligent Power ModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）122西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.5.5 1.5.5
82、功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合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功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口123西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.6 1.6 电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动 1.6电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动 1.6.1 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 1.6.2 1.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路
83、 1.6.3 1.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路124西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.6.1 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务：将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号对半控型器件只需提
84、供开通控制信号对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号125西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.6.1 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器图1-25光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型126西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.6.1 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述电流驱动型电流驱动型和电压驱动型电压驱动型具体形式可为分立元件
85、的分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路127西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.6.2 1.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路作作用用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路晶闸管触发电路应满足下列要求：晶闸管触发电路应满足下列要求：触发脉冲的宽宽度度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流擎住电流的概念）触发脉冲应有足够的幅度幅度不超过门极电压、电
86、流和功率定额，且在可可靠靠触发区触发区域之内应有良好的抗抗干干扰扰性能、温温度度稳稳定定性性及与主电路的电气隔离电气隔离128西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作1.6.2 1.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路V1、V2构成脉冲放大环节脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（IG1IG返回返回168西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图
87、图1-9 1-9 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形 返回返回169西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-10 1-10 双向晶闸管的电气图形符号和双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性伏安特性电气图形符号 伏安特性返回返回170西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-11 1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性伏安特性电气图形符号 伏安特性 返回返回171西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-12 1-12 光控晶闸管的电气图形符号和光控晶闸管的电气图形符号和伏安特
88、性伏安特性 电气图形符号电气图形符号伏安特性伏安特性返回返回172西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-13 GTO1-13 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号c)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 返回返回173西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-14 GTO1-14 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形返回返回174西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-15 GTR1-15 GTR的结构、电气图形符号和内的结构、电气图形符
89、号和内部载流子的流动部载流子的流动内部结构断面示意图 电气图形符号内部载流子的流动返回返回175西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-16 1-16 共发射极接法时共发射极接法时GTRGTR的输出特性的输出特性返回返回176西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-17 GTR1-17 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形返回返回177西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-18 GTR1-18 GTR的安全工作区的安全工作区返回返回178西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图
90、图1-19 1-19 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内部结构断面示意图 电气图形符号 返回返回179西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-20 1-20 电力电力MOSFETMOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性转移特性 输出特性返回返回180西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-21 1-21 电力电力MOSFETMOSFET的开关过程的开关过程测试电路 开关过程波形up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻，返回返回RG栅极电阻，栅极电阻，RL负载电阻，负载电阻，RF
91、检测漏极电流检测漏极电流 181西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-22 IGBT1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电的结构、简化等效电路和电气图形符号气图形符号返回返回内部结构断面示意图简化等效电路电气图形符号182西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-23 IGBT1-23 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 转移特性 输出特性 返回返回183西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-24 IGBT1-24 IGBT的开关过程的开关过程 返回返回184西安交通大学电力电子与新能源技术研究中
92、心(PENEC)制作图图1-25 1-25 光耦合器的类型及接法光耦合器的类型及接法普通型 高速型 高传输比型返回返回185西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-261-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉冲宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）返回返回186西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-27 1-27 常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路 返回返回187西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC
93、)制作图图1-281-28推荐的推荐的GTOGTO门极电压电流波形门极电压电流波形 返回返回188西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-291-29典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驱动电路驱动电路 返回返回189西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-301-30理想的理想的GTRGTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形 返回返回190西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-311-31GTRGTR的一种驱动电路的一种驱动电路返回返回191西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-
94、321-32电力电力MOSFETMOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路 返回返回192西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-331-33M57962LM57962L型型IGBTIGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图 返回返回193西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-341-34过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC
95、抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路返回返回194西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-351-35RCRC过电压抑制电路联结方式过电压抑制电路联结方式单相三相 返回返回195西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-361-36反向阻断式过电压抑制用反向阻断式过电压抑制用RCRC电路电路 返回返回196西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-371-37过电流保护措施及配置位置过电流保护措施及配置位置 返回返回197西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-381-38di/dtd
96、i/dt抑制电路和充放电型抑制电路和充放电型RCDRCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形电路 波形返回返回198西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-391-39关断时的负载线关断时的负载线 返回返回199西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-401-40另外两种常用的缓冲电路另外两种常用的缓冲电路放电阻止型吸收电路RC吸收电路返回返回200西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-411-41晶闸管的串联晶闸管的串联伏安特性差异串联均压措施返回返回201西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(PENEC)制作图图1-421-42电力电子器件分类电力电子器件分类“树树” 202
