电力电子技术课件

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1、电电 力力 电电 子子 技技 术术Power ElectronicsPower Electronics安徽省高等学校精品课程合肥工业大学电气与自动化工程学院 张兴电力电子技术电电力力电电子子技技术术第第2章章 电力电子器件及应用12345晶闸管晶闸管（SCR）可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTOGTO）电力晶体管电力晶体管（GTR） 6电力电子器件基础电力电子器件基础电力电子器件的特点与分类电力电子器件的特点与分类 功率二极管功率二极管 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 (MOSFET)7绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)8电力电子技术电电力力电电子子技技术术910其它新型电力电子

2、器件其它新型电力电子器件电力电子器件的发展趋势电力电子器件的发展趋势电力电子器件应用共性问题电力电子器件应用共性问题11总结总结 12第第2 2章章 电力电子器件及应用电力电子技术电电力力电电子子技技术术电电力力电电子子器器件件（Power Electronic Device）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。 主电路主电路（Main Power Circuit）电力电子 设备或系统中，直接完成电能变换或控制的电路。2.1.1 电力电子器件的特点电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.1.1 电力电子器件的特点电力电子技术电电力力电电子子技技术术广义上电力电子器件可

3、分为电真空器件电真空器件和半导体器件半导体器件两类。自20世纪50年代以来，真空管（Vacuum Valve）仅在频率很高（如微波，数GHz）的大功率高频电源中还在使用，而在大多数电能变换领域，电力半导体器件已取代了汞汞弧弧整整流流器器、闸闸流流管管等电真空器件，成为绝对的主流器件。因此，通常所说的电力电子器件也往往专指电力半导体器件电力电子器件也往往专指电力半导体器件。电电力力半半导导体体器器件件所采用的主要材料仍然是硅硅(也可以是锗、硒、金刚石等单元素材料，或者是砷化镓、碳化硅等化合物材料）。2.1.1 电力电子器件的特点电力电子技术电电力力电电子子技技术术同同处处理理信信息息的的电电子子

4、器器件件相相比比，电电力力电电子子器器件件的的一般特征：一般特征：1 1）具有较大的耗散功率）具有较大的耗散功率 处理功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压处理功率较大，具有较高的导通电流和阻断电压 器件自身的非理想性（导通电阻、阻断漏电流等器件自身的非理想性（导通电阻、阻断漏电流等） 一般都需要安装散热器一般都需要安装散热器2.1.1 电力电子器件的特点电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.1.1 电力电子器件的特点电力电子技术电电力力电电子子技技术术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导通时（通通态态）阻抗很小，接近于短路，管管压压降降接近于零，而电流由外

5、电路决定阻断时（断断态态）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动态态特特性性（开开关关特特性性）和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，特别是在高性能的电力电子系统设计时，甚至上升为最为关键的重要问题。作电路分析时，为简单起见往往用理想开关理想开关来代替有时将其称之为电力电子开关或电力半导体开关电力电子开关或电力半导体开关。2.1.1 电力电子器件的特点电力电子技术电电力力电电子子技技术术3)3)电力电子器件一般需要专门的驱动电路来控制电力电子器件一般需要专门的驱动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适当功功率率放

6、放大大，这就是电力电子器件的驱动电路驱动电路(Driving Circuit）2.1.1 电力电子器件的特点电力电子技术电电力力电电子子技技术术4 4）电力电子器件工作时常需配置缓冲和保护电路）电力电子器件工作时常需配置缓冲和保护电路 电力电子器件的过压、过流能力较弱电力电子器件的过压、过流能力较弱 开关过程中电压、电流会发生急剧变化开关过程中电压、电流会发生急剧变化 保护电路用于防止电压和电流超过器件极限值保护电路用于防止电压和电流超过器件极限值2.1.1 电力电子器件的特点为了增强可靠性通常需要缓冲电路抑制电压电流变化率为了增强可靠性通常需要缓冲电路抑制电压电流变化率电力电子技术电电力力电

7、电子子技技术术电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。控制电路RL主电路V1V2检测电路驱动电路保护电路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电气隔离控制电路电力电子器件有三个端子组成2.1.1 电力电子器件的特点电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.1.2 电力电子器件的分类电力电子技术电电力力电电子子技技术术1 1）不可控器件）不可控器件( (Uncontrolled DeviceUncontrolled Device2 2）半控型器件）半控型器件( (Semi-con

8、trolled DeviceSemi-controlled Device) ) 3 3）全控型器件）全控型器件( (Full-controlled DeviceFull-controlled Device) )2.1.2 电力电子器件的分类1 1、按照器件能够被控制电路、按照器件能够被控制电路信号所控制的程度信号所控制的程度，分为以下三类：，分为以下三类：电力电子技术电电力力电电子子技技术术1 1）不不可可控控器器件件( (Uncontrolled Uncontrolled DeviceDevice) )不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。电力二极管（Power Diode）

9、电力二极管只有两个端子，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2.1.2 电力电子器件的分类电力电子技术电电力力电电子子技技术术2 2）半半控控型型器器件件( (Semi-controlled Semi-controlled DeviceDevice) ) 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断，器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定晶闸管晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件2.1.2 电力电子器件的分类电力电子技术电电力力电电子子技技术术3 3）全全控控型型器器件件( (Full-controlled Full-controlled DeviceDevice)

10、 )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：绝绝 缘缘 栅栅 双双 极极 晶晶 体体 管管 （ Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）GTR(GTR(大大功功率率晶晶体体管管）、SIT(SIT(静静电电感感应应晶晶体体管管）、 SITHSITH（静静电电感感应应晶晶闸管）、闸管）、 IGCTIGCT（集成门极换向晶体管）等（集成门极换向晶体管）等2.1.2 电力电子器

11、件的分类电力电子技术电电力力电电子子技技术术 电电力力电电子子器器件件件件可可控控器器件件非非可可控控器器件件整整流流二二极极管管 自自关关断断器器件件非非自自关关断断器器件件 普普 通通 晶晶 闸闸 管管 ( (S SC C R R ) )快快 速速 晶晶 闸闸 管管 ( (F F S ST T ) )双双向向晶晶闸闸管管 ( ( T TR RI IA AC C) )逆逆 导导 晶晶 闸闸 管管 ( (R R C C T T ) )光光 控控 晶晶 闸闸 管管 ( (L L T T T T ) )晶体管晶体管 晶闸管晶闸管 双极型电力晶体管双极型电力晶体管(GTR)(GTR)电力场效应晶体管

12、电力场效应晶体管(PMOSFET)(PMOSFET)绝缘栅双极电力晶体管绝缘栅双极电力晶体管(IGBT)(IGBT)静电感应型晶体管静电感应型晶体管(SIT)(SIT)门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO)场控晶闸管场控晶闸管(MCT)(MCT)静电感应型晶闸管静电感应型晶闸管(SITH)(SITH)电力电子器件分类树电力电子器件分类树1 12.1.2 电力电子器件的分类电力电子技术电电力力电电子子技技术术2、按照驱动电路加在器件控控制制端端和和公公共共端端之之间间信信号号的性质，分为两类：1)1)电电流流驱驱动动型型( (Current Current Driving Driv

13、ing TypeType) )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。如GTO、GTR2)2)电电压压驱驱动动型型( (Voltage Voltage Driving Driving TypeType) )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。又称为场场控控器器件件，或场效应器件。如MOSFET2.1.2 电力电子器件的分类电力电子技术电电力力电电子子技技术术3、按照器件内部电电子子和和空空穴穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)1)单单极极型型器器件件( (UnipolarUnipolar DeviceDevice) )：由一种载流子参与导电

14、的器件（MOSFET, SIT, 肖特基二极管）2)2)双双极极型型器器件件( (Bipolar Bipolar DeviceDevice) )：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件（GTR, GTO, SITH，SR）3)3)复复合合型型器器件件( (Complex Complex DeviceDevice) )：由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件（IGBT,MCT,IGCT） 2.1.2 电力电子器件的分类电力电子技术电电力力电电子子技技术术电力电子器件分类树电力电子器件分类树2 22.1.2 电力电子器件的分类电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.2.1 PN2.2.1 PN结

15、原理结原理半导体：半导体：导电性能介于导体导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。其导和绝缘体之间的物质。其导电能力受到外部条件（如光、电能力受到外部条件（如光、热等）影响。半导体是否纯热等）影响。半导体是否纯净也会影响其导电能力。净也会影响其导电能力。本征（本征（instinct）半导体：）半导体：是是一种完全纯净的、结构完整一种完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在绝对零度的半导体晶体。在绝对零度时，其价带满带（充满电子）时，其价带满带（充满电子），而其导带则无电子。，而其导带则无电子。 22 电力电子器件基础电力电子技术电电力力电电子子技技术术温度温度 光照光照自由电子自由电子空穴空穴本征激发

16、本征激发空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。穴来实现的。由热激发或光照而使电子脱离共由热激发或光照而使电子脱离共价键，从而产生价键，从而产生自由电子自由电子，同时，同时在共价键中形成空穴，由此产生在共价键中形成空穴，由此产生自由电子和空穴对（载流子）自由电子和空穴对（载流子）。温度温度 载流子载流子浓度浓度 2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术载流子：载流子：（源于金属导体），电流是电子在导体中的定向流动，而在金属导体中能够运载电流

17、的只有其中的自由电子，金属导体中能够运载电流的只有其中的自由电子，他们是金属原子结合成固体时释放出来的供全体原子共有的最外层电子，即价电子最外层电子，即价电子，为了区别于被束缚的内层电子，人们将其称之为载流子载流子。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术几个重要概念：几个重要概念：原子最外层的电子称为价电子；原子最外层的电子称为价电子；目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27

18、 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理价带上的电子是不能导电的，只有当价带上的电子获得足够的能量跨越价带上的电子是不能导电的，只有当价带上的电子获得足够的能量跨越禁带而跃迁到导带上成为自由电子后，并在外电场的作用下即可导电；禁带而跃迁到导带上成为自由电子后，并在外电场的作用下即可导电；绝缘体的禁带很宽，半导体的禁带较窄，导体没有禁带；绝缘体的禁带很宽，

19、半导体的禁带较窄，导体没有禁带；本征半导体价带中的电子被激发到导带后，同时会在价带上出现空穴；本征半导体价带中的电子被激发到导带后，同时会在价带上出现空穴；导带上的自由电子和价带中的空穴都能在外电场的作用下产生定向运动导带上的自由电子和价带中的空穴都能在外电场的作用下产生定向运动而形成电流；而形成电流；电力电子技术电电力力电电子子技技术术几个重要概念：几个重要概念：目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应

20、晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理半导体中的导带电子与价带空穴都是运载电流的粒子，因此称为载流子；半导体中的导带电子与价带空穴都是运载电流的粒子，因此称为载流子；价带中空穴的移动始终是价带中束缚电子在共价键内的移动，它和已经价带中空穴的移动始终是价带中束缚电子在共价键内的移动，它和已经挣脱共价键而跃迁至导带中的自由电子完全不同挣脱共价键而跃迁至导带中的自由电子

21、完全不同；在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现的，即其导带电子与价带在本征半导体中自由电子和空穴总是成对出现的，即其导带电子与价带空穴数总是相等的。空穴数总是相等的。电力电子技术电电力力电电子子技技术术+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N N型半导体型半导体（电子型半导体：多数载流子-电子；少数载流子-空穴）在本征半导体中掺入五价的元素在本征半导体中掺入五价的元素( (磷、砷、锑磷、砷、锑 ) )多余电子，多余电子，成为自由电子成为自由电子+5自由电子自由电子（多数载流子）（多数载流子）杂质半导体：在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的

22、杂质主要是三价或五价元素。+52.2.1 PN结原理结原理施主杂质施主杂质电力电子技术电电力力电电子子技技术术+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半导体型半导体 （空穴型半导体：多数载流子-空穴；少数载流子-电子） （空穴型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）在本征半导体中掺入三价的元素（硼）+3空穴空穴( (多数载流子）多数载流子）受主受主杂质杂质2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术PN结：结：是指半导体的P型导电区和N型导电区的结合部。N N型半导体和型半导体和P P型半导体结合后，交型半导体结合后，交界处电子和空穴的浓

23、度差别，造成了界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的各区的多子向另一区的扩散运动扩散运动，到，到对方区内成为少子。对方区内成为少子。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理界面两侧分别留下了带正、负电荷但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，称为不能任意移动的杂质离子，称为空间电空间电荷。荷。电力电子技术电电力力电电子子技技术术空空间间电电荷荷建建立立的的电电场场被被称称为为内内电电场场或或自自建建电电场场，其其方方向向是是阻阻止止扩扩散散运运动动的的，另另一一方方面面又又吸吸引引对对方方区区内内的的少少子子（对对本本区区而而言言则则为多子）向本区运动，即为

24、多子）向本区运动，即漂移运动漂移运动。扩扩散散运运动动和和漂漂移移运运动动既既相相互互联联系系又又是是矛矛盾盾的的，最最终终达达到到动动态态平平衡衡，正正、负负空空间间电电荷荷量量达达到到稳稳定定值值，形形成成了了一一个个稳稳定定的的由由空空间间电荷构成的范围电荷构成的范围空间电荷区空间电荷区接触电位差2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 空空间间电电荷荷区区按按所所强强调调的的角角度度不不同同也也被被称称 为为 耗耗 尽尽 层层 、 阻阻 挡挡 层层 或或 势势 垒垒 区区（BarrierBarrier）。电力电子技术电电力力电电子子技技术术 正向偏置正向偏置1)1)在正向偏置外电场

25、作用下在正向偏置外电场作用下,P,P区和区和N N区区多子的多子的扩散运动扩散运动得以加强，而少子的得以加强，而少子的飘移运动飘移运动则得以抑制。则得以抑制。2)P2)P区和区和N N区多子穿过耗尽层，到达对方，区多子穿过耗尽层，到达对方，并成为了对方少子的一部分，这一过程称并成为了对方少子的一部分，这一过程称为为少子注入少子注入，这是正向偏置传导电流的根，这是正向偏置传导电流的根本方式。本方式。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术 正向偏置正向偏置3 3）P P区和区和N N区的注入少子将产生区的注入少子将产生积累和复积累和复合合，这是维持正向导通

26、的根本原因。，这是维持正向导通的根本原因。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理4 4）少子的积累和复合，在空间电荷区附件）少子的积累和复合，在空间电荷区附件会出现的少子浓度差，这会影响其反偏时会出现的少子浓度差，这会影响其反偏时的开关特性。的开关特性。电力电子技术电电力力电电子子技技术术 正向偏置正向偏置5 5）随着正向偏置电压的增加，）随着正向偏置电压的增加，内电场将逐渐消弱直至消失内电场将逐渐消弱直至消失（此时对应的阳极（此时对应的阳极和阴极间的电压成为和阴极间的电压成为门槛电压门槛电压），），2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理6 6）当正向偏置电压超过门槛电压后，）当正

27、向偏置电压超过门槛电压后，PNPN结导通电流迅速增大，进而完成结导通电流迅速增大，进而完成PNPN结结的正向导通。的正向导通。电力电子技术电电力力电电子子技技术术 正向偏置正向偏置6 6）起初起初PNPN结流过的正向电流较小时，结流过的正向电流较小时，N N- -区（为增加耐压）欧姆电阻较大，随区（为增加耐压）欧姆电阻较大，随着电流的增大，着电流的增大，P P区向区向N N- -区注入的空穴增多，为了维持半导体的电中性其多子区注入的空穴增多，为了维持半导体的电中性其多子（电子）浓度也将相应增大，使其电阻率明显下降，这就是（电子）浓度也将相应增大，使其电阻率明显下降，这就是电导调制效应电导调制效

28、应正向导电时导通压降基本不变正向导电时导通压降基本不变。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理 7 7）PNPN结正偏时少数载流子会在空间电荷区的两侧积累，从而影响了其开关特性。结正偏时少数载流子会在空间电荷区的两侧积累，从而影响了其开关特性。电力电子技术电电力力电电子子技技术术 反向偏置反向偏置1 1）在反向偏置外电场作用下，）在反向偏置外电场作用下，P P区和区和N N区少子的区少子的飘移运动飘移运动得以加强，而多得以加强，而多子的子的扩散运动扩散运动则得以抑制。则得以抑制。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理2 )2 )反向偏置使空间电荷区电场增强，即反向偏置使空间电荷区电

29、场增强，即N N区边界的空穴将被空间电荷的强区边界的空穴将被空间电荷的强电场移向电场移向P P区，类似的情况也发生在区，类似的情况也发生在P P区边界，这就是区边界，这就是PNPN结反偏时的少子抽结反偏时的少子抽取过程，这一过程是影响其开关快速性的重要因素。取过程，这一过程是影响其开关快速性的重要因素。电力电子技术电电力力电电子子技技术术 反向偏置反向偏置3 3）边界载流子被抽走之后，中性区内少子由于反向外电场的作用而流向边）边界载流子被抽走之后，中性区内少子由于反向外电场的作用而流向边界，从而形成了界，从而形成了反向电流。反向电流。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理4 4） 这种形

30、成反向漏电流的方式为这种形成反向漏电流的方式为少子抽取少子抽取，不同于正偏时的，不同于正偏时的少子注入少子注入，因本征半导体的少子密度有限，使得反向漏电流大小不取决于反偏电压，因本征半导体的少子密度有限，使得反向漏电流大小不取决于反偏电压，而取决于少子来源的丰富程度。而取决于少子来源的丰富程度。5 5）在很大的电压范围内，稳态时反向漏电流的大小不随电压变化，因此通）在很大的电压范围内，稳态时反向漏电流的大小不随电压变化，因此通常将其称之为常将其称之为反向饱和电流反向饱和电流。电力电子技术电电力力电电子子技技术术 反向偏置反向偏置6 6） 随着反偏电压的增大，会出现随着反偏电压的增大，会出现穿通

31、穿通和和击穿击穿现象，从而造成反向电流急剧上现象，从而造成反向电流急剧上升。升。穿通穿通：空间电荷区随着反偏电压的升高而展开，直到与电极接通，从而：空间电荷区随着反偏电压的升高而展开，直到与电极接通，从而直接从电极抽取载流子，于是反向电流急剧增大，形成短路现象。直接从电极抽取载流子，于是反向电流急剧增大，形成短路现象。击穿击穿：雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿。：雪崩击穿、齐纳击穿、热击穿。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术 反向偏置的反向偏置的击穿击穿雪崩击穿：雪崩击穿： 随着外加反向偏压的增加，空间电荷区的场强增强，边界随着外加反向偏压的增加，空间电

32、荷区的场强增强，边界飘移进入空间电荷区的载流子受电场加速而飘移进入空间电荷区的载流子受电场加速而获得很高的动能获得很高的动能，高，高能量载流子在空间电荷区与点阵能量载流子在空间电荷区与点阵原子碰撞使之产生碰撞电离原子碰撞使之产生碰撞电离，并，并形成新的高能载流子，进而产生一增二、二增四的倍增效应，反形成新的高能载流子，进而产生一增二、二增四的倍增效应，反向电流如同雪崩一样迅速增大。向电流如同雪崩一样迅速增大。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术 反向偏置的反向偏置的击穿击穿2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理齐纳击穿：齐纳击穿： 齐纳击穿也称

33、隧道击穿，它是在较低的反向电压下发生的齐纳击穿也称隧道击穿，它是在较低的反向电压下发生的击穿。击穿。在高掺杂浓度的在高掺杂浓度的PNPN结中，结中，P P区与区与N N区之间的间距较窄区之间的间距较窄，因，因此一定的反偏电压就能使电场强度足够大，从而能破坏共价键，此一定的反偏电压就能使电场强度足够大，从而能破坏共价键，并将束缚电子分离出来形成电子并将束缚电子分离出来形成电子- -空穴对，从而使反向电流急剧空穴对，从而使反向电流急剧增加，该现象称为齐纳击穿。增加，该现象称为齐纳击穿。电力电子技术电电力力电电子子技技术术 反向偏置的反向偏置的击穿击穿2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理热击

34、穿：热击穿： 上述上述雪崩击穿雪崩击穿、齐纳击穿齐纳击穿的击穿过程都是可逆的，若的击穿过程都是可逆的，若此时外电路能采取措施限制反向电流，当反向电压降低后此时外电路能采取措施限制反向电流，当反向电压降低后PNPN结仍可恢复原来状态。否则反向电压和反向电流乘积过结仍可恢复原来状态。否则反向电压和反向电流乘积过大，会超过大，会超过PNPN结容许的耗散功率，导致热量无法散发，结容许的耗散功率，导致热量无法散发，PNPN结温度上升直至过热而烧毁。这种现象称为热击穿，必须结温度上升直至过热而烧毁。这种现象称为热击穿，必须尽可能避免热击穿尽可能避免热击穿。电力电子技术电电力力电电子子技技术术 结电容结电容

35、（影响动态特性）（影响动态特性）PNPN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应电容效应，称，称为结电容。为结电容。因空间电荷区宽度的变化而呈现的电荷效应称之为因空间电荷区宽度的变化而呈现的电荷效应称之为势垒电容势垒电容（C CB B）。）。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术 结电容结电容因载流子的扩散、积累而形成的电容效应称之为因载流子的扩散、积累而形成的电容效应称之为扩散电容扩散电容（C CD D）。）。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术 结电容结电容结电

36、容结电容（C CJ J）又称微分电容，包括：）又称微分电容，包括：势垒电容势垒电容（C CB B）和）和扩散电容扩散电容（C CD D）。）。势垒电容势垒电容（C CB B）只在外加电压变化时才起作用，且外加电压频率越高，）只在外加电压变化时才起作用，且外加电压频率越高，势垒电容越明显。其大小与势垒电容越明显。其大小与PNPN结截面积成正比，与结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比阻挡层厚度成反比。扩散电容扩散电容（C CD D）仅在正偏时才起作用。）仅在正偏时才起作用。正偏时，电压较低时势垒电容为主，电压较高时扩散容为主。正偏时，电压较低时势垒电容为主，电压较高时扩散容为主。2.2.1 PN2.

37、2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术 结电容（结电容（势垒电容势垒电容CCB B，扩散电容扩散电容CCD D）。）。PNPN结正向偏置时，结电阻非常小，结电容结正向偏置时，结电阻非常小，结电容C CJ J主要是扩散电容主要是扩散电容C CD D，尽管结，尽管结电容较大，但对其通态特性的影响相对较小。电容较大，但对其通态特性的影响相对较小。PNPN结反向偏置时，二极管处于截止状态，结电容主要是势垒电容结反向偏置时，二极管处于截止状态，结电容主要是势垒电容C CB B，尽，尽管结电容较小，但对其断态特性影响不可忽视管结电容较小，但对其断态特性影响不可忽视高频工作时，结电容将

38、对其工作产生较大影响。高频工作时，结电容将对其工作产生较大影响。2.2.1 PN2.2.1 PN结原理结原理电力电子技术电电力力电电子子技技术术222电力电子器件的封装下图是电力电子器件几种常见的封装形式以TO-220为例：TO代表直插件，220代表封装定型号目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子

39、器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术23 功率二极管二极管的基本结构是半导体二极管的基本结构是半导体PNPN结，具有单结，具有单向导电性，正向偏置时表现为低阻态，形成正向导电性，正向偏置时表现为低阻态，形成正向电流，称为正向导通；而反向偏置时表现为向电流，称为正向导通；而反向偏置时表现为高阻态，稳态时几乎没有电流，只有很小的反高阻态，稳态时几乎没有电流，只有很小的反向漏电流，称为反向截止。向漏电流，称为反向截止。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22

40、 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结 功率二极管（功率二极管（Power DiodePower Diode）属于不可控电）属于不可控电力电子器件，是力电子器件，是2020世纪最早获得应用的电力电世纪最早获得应用的电力电子器件，它在整流、逆变

41、等领域都发挥着重要子器件，它在整流、逆变等领域都发挥着重要的作用。基于导电机理和结构的不同，二极管的作用。基于导电机理和结构的不同，二极管可分为可分为结型二极管和肖特基势垒二极管结型二极管和肖特基势垒二极管。结构结构外形外形电气符号电气符号电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.3.1 2.3.1 结型电力二极管基本结构和工作原理结型电力二极管基本结构和工作原理电电力力二二极极管管（Power Power DiodeDiode）基基本本结结构构和和工工作作原原理理与与信信息息电电子子电电路路中中的的二二极管一样以极管一样以PNPN结为基础结为基础由一个面积较大的由一个面积较大的PNPN结结（P

42、NPNjunctionjunction）和两端引线以及封装组成的）和两端引线以及封装组成的电力电子技术电电力力电电子子技技术术为了提高为了提高PNPN结二极管承受反向电压的阻断能力，并用较薄的硅片得到一般结二极管承受反向电压的阻断能力，并用较薄的硅片得到一般PNPN结构结构在硅片较厚时才能获得的高反压阻断能力，工艺上结型功率二极管多采用在硅片较厚时才能获得的高反压阻断能力，工艺上结型功率二极管多采用PINPIN（I I是是 “本征本征”意义的英文略语）结构意义的英文略语）结构。 2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电

43、子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结 PINPIN功率二极管在功率二极管在P P型半导体和型半导体和N N型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗型半导体之间夹有一层掺有轻微杂质的高阻抗N-N-区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导体，即本征半导

44、体（区域，该区域由于掺杂浓度低而接近于纯半导体，即本征半导体（intrinsic intrinsic semiconductorsemiconductor ）。N-区电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.3.1 结型功率二极管基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电

45、力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结 由于由于N-N-区域比区域比P P区域的掺杂浓度低的多，区域的掺杂浓度低的多，PN-PN-空间电荷区主要在空间电荷区主要在N-N-侧侧展开，故展开，故PNPN结的内电场基本集中在结的内电场基本集中在N-N-区域中，区域中，N-N-区域可以承受很高的外区域可以承受很高的外向击穿电压向击穿电压。 低掺杂低掺杂N-N-区域越厚，功率二极管能够承受的反向电压就越高。区域越厚，功率二极管能够承受的反向电压就越高。在在PNPN结反向偏置的状态下，结反向偏置的状态下，N-N-区域的空间电荷区宽度增加，

46、其阻抗增大，区域的空间电荷区宽度增加，其阻抗增大，足够高的反向电压还可以使整个足够高的反向电压还可以使整个N-N-区域耗尽，甚至将空间电荷区扩展到区域耗尽，甚至将空间电荷区扩展到N N区域。区域。如果如果P P区域和区域和N N区域的掺杂浓度足够高，则空间电荷区将被局限在区域的掺杂浓度足够高，则空间电荷区将被局限在N-N-区域，区域，从而避免电极的穿通。从而避免电极的穿通。电力电子技术电电力力电电子子技技术术N-区的存在产生的影响：区的存在产生的影响：1）提高器件的耐压）提高器件的耐压2）造成器件通态压降的升高）造成器件通态压降的升高3）N-区较宽的空间电荷区，区较宽的空间电荷区，能够减小结电

47、容的作用，提高能够减小结电容的作用，提高器件的工作频率器件的工作频率2.3.1 2.3.1 结型电力二极管基本结构和工作原理结型电力二极管基本结构和工作原理N-区电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.3.2 2.3.2 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（Static State CharacteristicStatic State Characteristic）主要指其伏安特性伏安特性( (Volt-Ampere CharacteristicVolt-Ampere Characteristic) ) 式中：式中：IS 为反向饱和电流为反向饱和电流，V 为二极

48、管两端为二极管两端的电压降的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数（为玻耳兹曼常数（1.381023），），q 为电子电为电子电荷量（荷量（1.61019），）， ，T 为热力学温度。对为热力学温度。对于于25室温（相当室温（相当T=300 K），则有），则有VT=26 mV。电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.3.2 2.3.2 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（Static State CharacteristicStatic State Characteristic）主要指其伏安特性伏安特性( (Volt-A

49、mpere CharacteristicVolt-Ampere Characteristic) )门槛门槛电压电压反向饱和电反向饱和电流（少子抽流（少子抽取）取）正向导通电正向导通电流（少子注流（少子注入）入）耗尽层变窄耗尽层变窄击穿击穿电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.2.动态特性动态特性(DynamicCharacteristic)动动态态特特性性因因结结电电容容的的存存在在，零零偏偏置置、正正向向偏偏置置、反反向向偏偏置置等等状状态态之之间间的的转转换换必必然然有有一一个个过过渡渡过过程程，此此过过程程中中的的电电压压电电流特性是随时间变化的流特性是随时间变化的。动动态态特特性性主

50、主要要指指开开关关特特性性( (Switching Switching CharacteristicCharacteristic) )，开开关关特性反映特性反映通态和断态通态和断态之间的转换过程。之间的转换过程。2.3.2 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.3.2 2.3.2 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( (Turn-on TransientTurn-on Transient) )：电电力力二二极极管管的的正正向向压压降降先先出出现现一一个个过过冲冲U UFPFP，经经过过一一段时间才趋于接近稳态压降的某个

51、值（如段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V2V）。）。电压过冲物理机制主要有两个：电压过冲物理机制主要有两个：a.a.阻阻性性机机制制： 电电导导调调制制作作用用。I IN-区区的的有有效效电电阻阻管压降也降低，形成峰值管压降也降低，形成峰值U UFPFP。b.b.感性机制：感性机制：正向电流正向电流内部电感上压降，且电流变化内部电感上压降，且电流变化率越高，电压过冲越大。率越高，电压过冲越大。正向恢复时间正向恢复时间（正向电压从零开始经峰值电压（正向电压从零开始经峰值电压U UFPFP再降再降至稳态电压至稳态电压U UF F所需要的时间所需要的时间t tfrfr) )正向恢复时间的影响

52、因素正向恢复时间的影响因素：结温结温 、开通前偏置、开通前偏置电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.3.2 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性关断过程关断过程(Turn-offTransient)：IFUFt图图1-51-5（a a） 电力二极管的关断过程电力二极管的关断过程电路电感作用复合存储电荷反向偏置状态建立体电阻压降所致外部电感决定电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.3.2 2.3.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性关断过程关断过程(Turn-offTransient)： 特征：特征：1 1）在关断之前有）在关断之前有较大的反向电流较大的反向电流出现，

53、并伴随有明显的出现，并伴随有明显的反向电压过冲反向电压过冲2 2）须经过）须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力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，进入截止状态3 3）下降时间）下降时间t tf f与延迟时间与延迟时间t td d之比称为反向恢复系数，即之比称为反向恢复系数，即S S=t tf f/ /t td d ， S S越小其反向恢复速度越快！越小其反向恢复速度越快！电力电子技术电电力力电电子子技技术术233 快速功率二极管普通结型功率二极管又称整流管（RectifierDiode），反向恢复时间在5s以上，多用于开关频率在1kHz以下的整流电路中。若是高频电路，

54、应采用快速功率二极管。1提高结型功率二极管开关速度的措施1）扩散法：扩散法：在硅材料掺入金或铂等杂质可有效提高少子复合率，促使存储可有效提高少子复合率，促使存储在在N区的过剩载流子（少子区的过剩载流子（少子-空穴）减少，空穴）减少，从而缩短反向恢复时间trr。然而少子然而少子数量的减少会削弱电导调制效应，导致正向导通压降升高。数量的减少会削弱电导调制效应，导致正向导通压降升高。2）外延法外延法：采用在P和N掺杂区之间夹入一层高阻N-型材料以形成PN-N结构，在在P区和区和N区外还各有一层金属层。采用外延及用掺铂的方法进行少子寿命区外还各有一层金属层。采用外延及用掺铂的方法进行少子寿命控制控制。

55、在相同耐压条件下，新结构硅片厚度要薄得多，具有更好的恢复特性和在相同耐压条件下，新结构硅片厚度要薄得多，具有更好的恢复特性和较低的正向导通压降较低的正向导通压降，这种结构是目前快速二极管普遍采用的结构。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势2

56、11 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术233 快速功率二极管2快速型和超快速型快速二极管分为快恢复（快速二极管分为快恢复（FRED）和超快恢复（）和超快恢复（HiperFRED，HiperFastsoftRecoveryEpitaxialDiode）两类。）两类。前者的关断时间在微秒级，常应用于开关频率为前者的关断时间在微秒级，常应用于开关频率为2050kHz的场合；的场合；后者的关断时间在百纳秒级，常用于开关频率在后者的关断时间在百纳秒级，常用于开关频率在50kHz以以上的场合。上的场合。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点

57、与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术234 肖特基势垒二极管 肖特基二极管内部结构图肖特基势垒二极管，简称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管（肖特基二极管（SBDSBD，Schot

58、tky Schottky Barrier DiodeBarrier Diode），是利用金属与），是利用金属与N N型半导体表面接触形成势垒的非型半导体表面接触形成势垒的非线形特性制成的功率二极管。线形特性制成的功率二极管。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件

59、的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术234 肖特基势垒二极管 由于由于N N型半导体中存在着大量的电子，型半导体中存在着大量的电子，金属中的电子浓度虽然金属中的电子浓度虽然高于半导体中的电子浓度，但其高能级中的电子浓度相对较低高于半导体中的电子浓度，但其高能级中的电子浓度相对较低，当当金属与金属与N N型半导体接触后，电子便从浓度高的型半导体接触后，电子便从浓度高的N N型半导体中向浓度低型半导体中向浓度低的金属中扩散。的金属中扩散。 随着电子不断从半导体扩散到金属，半导体表面电子浓度逐渐随着电子不断从半导体扩

60、散到金属，半导体表面电子浓度逐渐降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为半导体降低，表面电中性被破坏，于是就形成势垒，其电场方向为半导体金属。但在该电场作用之下，金属中的电子也会产生从金属金属。但在该电场作用之下，金属中的电子也会产生从金属半半导体的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。导体的漂移运动，从而消弱了由于扩散运动而形成的电场。 当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基和浓度不同引起的电子扩散运动达到相对的平衡，便形成了肖特基势垒。势垒。目

61、录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术 尽管肖特基二极管和结型二极管具有相仿的单向导电性，但其内部尽管肖特基二极管和结型二极管具有相仿的单向导电

62、性，但其内部物理过程却大不相同，物理过程却大不相同，由于金属中无空穴，因此不存在从金属流向半导由于金属中无空穴，因此不存在从金属流向半导体材料的空穴流，即体材料的空穴流，即SBDSBD的正向电流仅由多子形成，从而没有结型二极管的正向电流仅由多子形成，从而没有结型二极管的少子存储现象，反向恢复时没有抽取反向恢复电荷的过程，因此反向的少子存储现象，反向恢复时没有抽取反向恢复电荷的过程，因此反向恢复时间很短，仅为恢复时间很短，仅为101040ns40ns。显然，肖特基二极管是一种只有多数载显然，肖特基二极管是一种只有多数载流子参与导电的单极性器件。流子参与导电的单极性器件。 肖特基二极管导通压降一般

63、为肖特基二极管导通压降一般为0.40.41V1V（随反向耐压的提高，正向（随反向耐压的提高，正向导通压降呈增长趋势），比普通二极管和快恢复二极管低，导通压降呈增长趋势），比普通二极管和快恢复二极管低，快恢复二极快恢复二极管的正向导通压降一般在管的正向导通压降一般在1V1V以上，随反向耐压的提高，正向导通压降甚以上，随反向耐压的提高，正向导通压降甚至会超过至会超过2V2V，因此使用肖特基二极管有助于降低二极管的导通损耗，提，因此使用肖特基二极管有助于降低二极管的导通损耗，提高电路的效率。高电路的效率。但由于其反向势垒较薄，故其反向耐压在但由于其反向势垒较薄，故其反向耐压在200V200V以下，因

64、以下，因此适用于低电压输出的场合。此适用于低电压输出的场合。234 肖特基势垒二极管目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术1.1.正向平均电流

65、正向平均电流 I IF(AV)F(AV)正正向向平平均均电电流流（额额定定电电流流）：在在指指定定的的管管壳壳温温度度（简简称称壳壳温温，用用T TC C表表示示）和和散散热热条条件件下下，其其允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波波电电流流的的平平均均值值，在此情况下因管子正向压降损耗的结温不会超过所容许的最高结温。在此情况下因管子正向压降损耗的结温不会超过所容许的最高结温。使使用用时时应应按按有有效效值值相相等等的的原原则则来来选选取取电电流流定定额额，即即实实际际波波形形电电流流与与正正向平均电流有效值相等。并应留有一定的裕量。向平均电流有效值相等。并应留有一定的裕量。当用在

66、频率较高的场合时，当用在频率较高的场合时，开关损耗开关损耗造成的发热往往不能忽略造成的发热往往不能忽略当当采采用用反反向向漏漏电电流流较较大大的的电电力力二二极极管管时时，其其断断态态损损耗耗造造成成的的发发热热效效应应也不小也不小 235 功率二极管的主要参数电力电子技术电电力力电电子子技技术术1.1.正向平均电流正向平均电流 I IF(AV)F(AV)使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，即实际波形电流与正向平均电流有效值相等。并应留有一定的裕量。根据实际波形计算出其对应的有效值将有效值除以标准正弦半波的波形系数1.57，即得所需要的正向平均电流235 功率二极管的主要参数电力电子技术

67、电电力力电电子子技技术术2.2.正向压降正向压降 UF指指电电力力二二极极管管在在指指定定温温度度下下，流流过过某某一一指指定定的的稳稳态态正正向向电电流流时时对对应应的的正向压降正向压降有有时时参参数数表表中中也也给给出出在在指指定定温温度度下下流流过过某某一一瞬瞬态态正正向向大大电电流流时时器器件件的的最大瞬时正向压降最大瞬时正向压降3.3.反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM额定电压额定电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压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通常是其雪崩击穿电压U UB B的的2/32/3使使用用时时，往往往往按按照照电电路路中

68、中电电力力二二极极管管可可能能承承受受的的反反向向峰峰值值电电压压的的两两倍倍来选定来选定 235 功率二极管的主要参数电力电子技术电电力力电电子子技技术术4.4.最高工作结温最高工作结温T TJMJM结温结温是指管芯是指管芯PNPN结的平均温度结的平均温度，用，用T TJ J表示，表示，注意结温与管壳温度不同注意结温与管壳温度不同最高工作结温最高工作结温是指在是指在PNPN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度T TJMJM通常在通常在125125175175 C C范围之内范围之内5.5.反向恢复时间反向恢复时间t trrrrt trrrr= =

69、t td d+ + t tf f （延延迟迟时时间间+ +下下降降时时间间），关关断断过过程程中中，电电流流降降到到0 0起起到到恢恢复反向阻断能力止的时间复反向阻断能力止的时间6.6.浪涌电流浪涌电流I IFSMFSM指指电电力力二二极极管管所所能能承承受受最最大大的的连连续续一一个个或或几几个个工工频频周周期期的的过过电电流流。一一般用额定正向平均电流倍数和浪涌周期（即工频周波数）来规定。般用额定正向平均电流倍数和浪涌周期（即工频周波数）来规定。 235 功率二极管的主要参数电力电子技术电电力力电电子子技技术术电力二极管的电力二极管的主要应用主要应用：整流：整流：利用单向导电性。最广泛的应

70、用利用单向导电性。最广泛的应用236 功率二极管的应用电力电子技术电电力力电电子子技技术术电力二极管的电力二极管的主要应用主要应用：续流：续流：236 功率二极管的应用电力电子技术电电力力电电子子技技术术电力二极管的电力二极管的主要应用主要应用：限幅：限幅：限制输入信号电压在某个范围内限制输入信号电压在某个范围内钳位：钳位：236 功率二极管的应用电力电子技术电电力力电电子子技技术术按按照照正正向向压压降降、反反向向耐耐压压、反反向向漏漏电电流流等等性性能能，特特别别是是反反向向恢恢复复特特性性的的不不同同，可可分分成成普普通通二二极极管管、快快恢恢复复二二极极管管、与与肖肖特基二极管特基二极

71、管。在在应应用用时时，应应根根据据不不同同场场合合的的不不同同要要求求选选择择不不同同类类型型的的电电力力二极管。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。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。236 功率二极管的应用电力电子技术电电力力电电子子技技术术236 功率二极管的应用特点功率二极管的串联和并联功率二极管的串联和并联 在单个功率二极管不能满足电路工作需求时，可考虑对二极管采用串、并联的方在单个功率二极管不能满足电路工作需求时，可考虑对二极管采用串、并联的方法。法。采用多个功率二极管串联时，应考虑断态时的均压问题。采用多个功率二极管串联时，应考虑断态时的均

72、压问题。图中的图中的R1R3可均衡静可均衡静态压降，动态压降的平衡需要用到平衡电容，与平衡电容串联的电阻态压降，动态压降的平衡需要用到平衡电容，与平衡电容串联的电阻R4R6是为了限是为了限制电容的反向冲击电流。制电容的反向冲击电流。采用多个功率二极管并联提高电路的通流能力时，要克服工作电流在并联二极管采用多个功率二极管并联提高电路的通流能力时，要克服工作电流在并联二极管中的不均匀分配。中的不均匀分配。由于功率二极管导通压降具有负温度特性，均流特性有可能因温度由于功率二极管导通压降具有负温度特性，均流特性有可能因温度变化而恶化。变化而恶化。在进行并联使用时，应尽选择同一型号且同一生产批次的产品，

73、使其静在进行并联使用时，应尽选择同一型号且同一生产批次的产品，使其静态和动态特性均比较接近。态和动态特性均比较接近。二极管串联均压措施目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电

74、子技术电电力力电电子子技技术术晶晶闸闸管管（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24 晶闸管目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类

75、22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术外形有：外形有：螺栓型螺栓型、平板型（大功率）平板型（大功率）和和模块型（中小功率）模块型（中小功率）等几种等几种引引出出阳阳极极(Anode)A、阴阴极极(Kat

76、hode)K和和门门极极(Gate)（控控制制端端）G三三个联接端个联接端螺旋式螺旋式螺旋式螺旋式平板式平板式平板式平板式241 基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题

77、小结小结模块式模块式电力电子技术电电力力电电子子技技术术对对于于螺螺栓栓型型封封装装，通通常常螺螺栓栓是是其其阳阳极极，能能 与与 散散 热热 器器(Radiator)紧紧 密密 联联接且安装方便接且安装方便平平板板型型封封装装的的晶晶闸闸管管可可由由两两个个散散热热器器(Radiator)将将 其其 夹夹在中间在中间大电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式大电流平板式241 基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电

78、力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术241 基本结构和工作原理 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) a) 封装封装 b) b) 结构结构 c) c) 电气图形符号电气图形符号 晶闸管有三个电极，分别是阳极晶闸管有三个电极，分别是阳极A、阴极、阴极K和门极（或称栅极）和门极（或称栅极）G。 晶闸管内部是晶闸管内部

79、是PNPN四层半导体结构，四四层半导体结构，四个区形成个区形成J1、J2、J3三个三个PN结。结。 若不施加控制信号，将正向电压（阳极若不施加控制信号，将正向电压（阳极电位高于阴极电位）加到晶闸管两端，电位高于阴极电位）加到晶闸管两端，J2处于反向偏置状态，处于反向偏置状态，A、K之间处于阻断状之间处于阻断状态；态；若反向电压加到晶闸管两端，则若反向电压加到晶闸管两端，则J1、J3反反偏，该晶闸管也处于阻断状态。偏，该晶闸管也处于阻断状态。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可

80、关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术P2N2GKP1N1AJ1J1J2J2J3J3P2N1晶闸管的双晶体管模型等效原理电路模型241 基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸

81、管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术241 基本结构和工作原理 将晶闸管等效为一个将晶闸管等效为一个PNP晶体管晶体管V1和一个和一个NPN晶晶体管体管V2的复合双晶体管模型。的复合双晶体管模型。如果在如果在V2基极注入基极注入IG（门极电流），则由（门极电流），则由V2的放的放大作

82、用，产生大作用，产生Ic2（2IG）。）。由于由于Ic2为为V1提供了基极电流，因此由提供了基极电流，因此由V1的放大作的放大作用使得用使得Ic1=1Ic2，这时，这时V2的基极电流由的基极电流由IG和和Ic1共同共同提供，从而使提供，从而使V2的基极电流增加，并通过晶体管的基极电流增加，并通过晶体管的放大作用形成强烈的正反馈，使的放大作用形成强烈的正反馈，使V1和和V2很快进很快进入饱和导通。入饱和导通。此时即使将此时即使将IG调整为调整为0也不能解除正反馈，晶闸管也不能解除正反馈，晶闸管会继续导通，即会继续导通，即G极失去控制作用。极失去控制作用。 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型

83、及其工作原理及其工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术241 基本结构和工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 按照晶体管工作原理，

84、忽略两个晶按照晶体管工作原理，忽略两个晶体管的共基极漏电流，可列出如下方程：体管的共基极漏电流，可列出如下方程： IK=IA+IG IA=Ic1+Ic2=1IA+2IK 其中：其中：1和和2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的的共基极电流增益。则可推导出：共基极电流增益。则可推导出： 目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型

85、电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术241 基本结构和工作原理 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理根据晶体管的特性，在低发射极电流下其共根据晶体管的特性，在低发射极电流下其共基极电流增益基极电流增益很小，而当发射极电流建立起很小，而当发射极电流建立起来后，来后，迅速增大。迅速增大。在晶体管阻断状态下，在晶体管阻断状态下，1+2很小。若很小。若IG使使两个发射极电流增大以致两个发射极电流增大以致1+2大于大于1（通常（通常晶闸管的晶闸管的1+21.15

86、），流过晶闸管的电流），流过晶闸管的电流IA将迅速增大，从而使晶闸管饱和导通。将迅速增大，从而使晶闸管饱和导通。当当1+21时，晶闸管的正反馈才可能形成，时，晶闸管的正反馈才可能形成，其中其中1+2=1是临界导通条件，是临界导通条件，1+21为饱和为饱和导通条件，导通条件，1+20且且uGK0。晶闸管导通后，即使撤除门极触发信号晶闸管导通后，即使撤除门极触发信号IG，也不能使晶闸管关断，也不能使晶闸管关断，只有设法使阳极电流只有设法使阳极电流IA减小到维持电流减小到维持电流IH（约十几（约十几mA）以下，导）以下，导致内部已建立的正反馈无法维持，致内部已建立的正反馈无法维持，晶闸管才晶闸管才能

87、恢复阻断状态。能恢复阻断状态。很明显，如果给晶闸管施加反向电压，无论很明显，如果给晶闸管施加反向电压，无论有无门极触发信号有无门极触发信号IG，晶闸管都不能导通。，晶闸管都不能导通。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电

88、力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.4.1 2.4.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1）外加正向电压下）外加正向电压下J1、J3正偏正偏J2反偏；反偏；2）在）在GK间正向电压作用下，间正向电压作用下，N2区有电子注区有电子注入到入到P2区区；3）注入到）注入到P2区的电子除了形成门极电流外，区的电子除了形成门极电流外，将被将被J2空间场捕获，扫向空间场捕获，扫向N1区；区；4 4）N1N1区电子的增加，将进一步增加区电子的增加，将进一步增加J1J1结的正结的正偏电压，进而增加了偏电压，进而增加了P1P1区向区向N1N1区的空穴注入

89、，区的空穴注入，并由并由J2J2电场将其扫向电场将其扫向P2P2区，进而形成了区，进而形成了再生再生反馈效应反馈效应；5 5）随着）随着J1J1、J3J3注入的优势越来越大，结构注入的优势越来越大，结构J2J2结两侧有足够的载流子积累，结两侧有足够的载流子积累，J2J2结极性正偏结极性正偏，晶闸管导通。晶闸管导通。开通的物理过程开通的物理过程电力电子技术电电力力电电子子技技术术241 基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26

90、电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结其他几种可能导通的情况（非门极触发）其他几种可能导通的情况（非门极触发）p正正向向转转折折导导通通：在在IG=0时时，提提高高阳阳极极-阴阴极极之之间间的的正正向向电电压压VAK，使使反反向向偏偏置置的的J2结结发发生生雪雪崩崩倍倍增增效效应，电流应，电流IA迅速上升，迅速上升， 1+ 21，IA增加到增加到EA/Rp热热触触发发：

91、当当温温度度增增加加，反反向向饱饱和和电电流流随随之之增增加加，IAIA、IKIK增大，直到增大，直到 1+1+ 2 21 1，晶闸管导通，晶闸管导通pd du u/ /d dt t导导通通：各各PNPN结结都都存存在在结结电电容容，当当外外加加正正向向电电压压VAKVAK的的d du u/ /d dt t很很高高时时，各各PNPN结结将将流流过过很很大大的的充充电电电流，从而使晶闸管导通电流，从而使晶闸管导通以上导通都是不加门极信号时的非正常导通，这是以上导通都是不加门极信号时的非正常导通，这是必须防止和避免的！必须防止和避免的！电力电子技术电电力力电电子子技技术术242 晶闸管特性及主要参

92、数 1晶闸管的稳态伏安特性 UDRM、URRM正、反向断态重复峰值电压； UDSM、URSM正、反向断态不重复峰值电压； Ubo正向转折电压； IH维持电流。 晶闸管的伏安特性目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子

93、器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术242 晶闸管特性及主要参数晶闸管的伏安特性 IG=0时，逐渐增大阳极电压时，逐渐增大阳极电压UA，只，只有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断；有很小的正向漏电流，晶闸管正向阻断； 随着阳极电压的增加，当达到正向转随着阳极电压的增加，当达到正向转折电压折电压Ubo时，漏电流剧增，晶闸管由时，漏电流剧增，晶闸管由正向阻断突变为正向导通状态；正向阻断突变为正向导通状态；正向转折电压正向转折电压U Ubobo随着门极电流的增随着门极电流的增加而减小；加而减小； 当晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢当晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断

94、，只有逐步减小阳极电流复阻断，只有逐步减小阳极电流IA，使，使其下降到维持电流其下降到维持电流IH以下时，晶闸管才以下时，晶闸管才由正向导通状态变为正向阻断状态。由正向导通状态变为正向阻断状态。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电

95、力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术242 晶闸管特性及主要参数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2晶闸管的动态特性1）开通过程）开通过程 延迟时间延迟时间td：阳极电流上升到：阳极电流上升到稳态值稳态值IA的的10%的时间；的时间；上升时间上升时间tr：阳极电流从：阳极电流从10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%所需的时所需的时间；间；开通时间：开通时间：tgt=td+tr。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管

96、 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术242 晶闸管特性及主要参数 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2）关断过程）关断过程 原处于导通状态的晶闸管在外加电压由正向原处于导通状态的晶闸管在外加电压由正向变为反向时，由于外部电感的存在，其阳极电变为反向时，由于外部电感的存

97、在，其阳极电流的衰减也需要时间；流的衰减也需要时间； 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr:正向电流降为零到反向正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间；恢复电流衰减至接近于零的时间； 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr:反向恢复过程结束后，反向恢复过程结束后，晶闸管恢复对反向电压的阻断能力，但要恢复晶闸管恢复对反向电压的阻断能力，但要恢复对正向电压的阻断能力还需要一段时间。对正向电压的阻断能力还需要一段时间。晶闸管的关断时间晶闸管的关断时间tq=trr+tgr，约为几百，约为几百s，这，这是设计反向电压时间的依据。是设计反向电压时间的依据。目录目录21电力电子器件的电力电子器件

98、的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术242 晶闸管特性及主要参数3晶闸管的主要特性参数 1）晶闸管的重复峰值电压额定电压UT 选用元件的额定电压值应比实际正常工作时的最大电压大2

99、3倍。 2）晶闸管的额定通态平均电流额定电流IT(AV) 在环境温度为40和规定的冷却条件下，当结温稳定且不超过额定结温时，晶闸管所允许的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值，称为额定电流。在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以1.52的安全系数，使其具有一定的电流裕量。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶

100、体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术242 晶闸管特性及主要参数3）通态平均电压UT(AV) 在规定的环境温度、标准散热条件下，晶闸管通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，被称为通态平均电压（也称管压降）。4）维持电流IH 在常温且门极断开时，晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流被称为维持电流IH。5）掣住电流IL 给晶闸管门极加上触发电压，当晶闸管刚从阻断状态转为导通状态当晶闸管刚从阻断状

101、态转为导通状态就撤除触发电压，此时晶闸管维持导通所需要的最小阳极电流，被称为就撤除触发电压，此时晶闸管维持导通所需要的最小阳极电流，被称为掣住电流掣住电流IL。对同一晶闸管来说，掣住电流IL要比维持电流IH大24倍。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋

102、势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术242 晶闸管特性及主要参数5）晶闸管的开通与关断时间 晶闸管的关断时间tq与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。6）通态电流临界上升率di/dt 晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率，称为通态电流临界上升率di/dt。7）断态电压临界上升率du/dt 在规定条件下，晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功

103、率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术243 晶闸管派生器件及应用1快速晶闸管快速晶闸管（FST，FastSwitchingThyristor），其允许开关频率达到400Hz以上。其中开关频率在10kHz以上快速晶闸管的称为高频晶闸管。它们的外形、电气符号、基

104、本结构、伏安特性都与普通晶闸管相同。2双向晶闸管双向晶闸管（TRIAC，TriodeACSwitch）具有正、反两个方向都能控制导通的特性，在交流调压、交流开关电路及交流调速等领域得到广泛应用。，其电气符号和伏安特性分别如图下图所示。双向晶闸管有4种触发方式：目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子

105、器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术243 晶闸管派生器件及应用 双向晶闸管的电气图形符号与伏安特性a)电气图形符号 b) 伏安特性1）I+触发方式 当主电极T1对T2所加的电压为正向电压，门极G对T2所加电压为正向触发信号时，双向晶闸管导通，伏安特性处于第一象限；2）I-触发方式 保持主电极T1对T2所加的电压为正向电压，门极G触发信号改为反向信号，双向晶闸管也能导通，伏安特性处于第一象限；3）+触发方式 当主电极T1为负，门极G对T1所加电压为正向触发信号时，双向晶闸管导

106、通，电流从T2流向T1，其伏安特性处于第三象限；4）-触发方式 主电极T1仍为负，门极G对T1所加电压为反向触发信号时，双向晶闸管导通，伏安特性处于第三象限。 在实际应用中，特别是直流信号触发时，常选用I-触发方式和-触发方式。 由于双向晶闸管是工作在交流回路中，其额定电流由于双向晶闸管是工作在交流回路中，其额定电流用正弦电流有效值而不用平均值来标定。用正弦电流有效值而不用平均值来标定。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶

107、体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术243 晶闸管派生器件及应用逆导晶闸管的电气图形符号与伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性3逆导晶闸管在逆变或直流电路中，经常需要将晶闸管和二极管反向并联使用，逆导晶闸管（RCT，ReverseConductingThyristor）就是根据这一要求将晶闸管和二极管集成在同一硅片上制造而成的逆导晶闸管的电

108、气图形符号和伏安特性如图所示。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术243 晶闸管派生器件及应用4光控晶闸管光控晶闸管（LTT，LightTr

109、iggeredThyristor）是一种利是一种利用一定波长的光照信号控制的用一定波长的光照信号控制的开关器件，开关器件，它与普通晶闸管的不同之处在于其门极区集成了一个光电二极管。在光的照射下，光电二极管漏电流增加，此电流成为门极触发电流使晶闸管开通。光控晶闸管的电气图形符号与伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶

110、体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术243 晶闸管派生器件及应用4光控晶闸管光控晶闸管小功率光控晶闸管只有阳、阴两个电极，大小功率光控晶闸管只有阳、阴两个电极，大功率光控晶闸管的门极带有光缆，光缆上有功率光控晶闸管的门极带有光缆，光缆上有发光二极管或半导体激光器作为触发光源。发光二极管或半导体激光器作为触发光源。由于主电路与触发电路之间有光电隔离，因由于主电路与触发电路之间有光电隔离，因此绝缘性能好，可避免电磁干扰。光控晶

111、闸此绝缘性能好，可避免电磁干扰。光控晶闸管的参数与普通晶闸管类同，只是触发参数管的参数与普通晶闸管类同，只是触发参数特殊。特殊。1）触发光功率触发光功率加有正向电压的光控晶闸管加有正向电压的光控晶闸管由阻断状态转变成导通状态所需的输入光功由阻断状态转变成导通状态所需的输入光功率称为触发光功率，其数值通常为几率称为触发光功率，其数值通常为几mW到几到几十十mW。2）光谱响应范围光谱响应范围光控晶闸管只对一定波长光控晶闸管只对一定波长范围的光线敏感，超出波长范围，则无法使范围的光线敏感，超出波长范围，则无法使其导通。其导通。光控晶闸管的电气图形符号与伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性目录目录21

112、电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术244 晶闸管的触发晶闸管触发电路的作用是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。晶闸管触

113、发电晶闸管触发电路应满足下列要求：路应满足下列要求：（1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管能可靠导通；（2）触发脉冲应有足够的幅度；（3）触发脉冲不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内；（4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。理想的触发脉冲电流波形理想的触发脉冲电流波形目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29

114、 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术244 晶闸管的触发 常见的带强触发的晶闸管触发电路：常见的带强触发的晶闸管触发电路：使用整流桥可获得约使用整流桥可获得约50V的直流电源，在的直流电源，在V2导通前，导通前，50V电源通过电源通过R5向向C2充电，充电，C1很大，很大，C2相对较小，相对较小，C2两端电压接近两端电压接近50V。当脉冲放大环节当脉冲放大环节V1、V2导通时，导通时，C2迅速放电，通过迅速放电，通过脉冲变压器脉冲变压器T

115、M向晶闸管的门极和阴极之间输出强向晶闸管的门极和阴极之间输出强触发脉冲。触发脉冲。C3是加速电容，即在触发瞬时用于旁路是加速电容，即在触发瞬时用于旁路电阻电阻R2的限流作用，利于提高触发电流前沿陡度。的限流作用，利于提高触发电流前沿陡度。当当C2两端电压低于两端电压低于15V时，时，VD4导通，此时导通，此时C2两端电两端电压被钳位在压被钳位在15V，进入触发脉冲平稳阶段。，进入触发脉冲平稳阶段。当当V1、V2由导通变为截止时，脉冲变压器储存的能由导通变为截止时，脉冲变压器储存的能量通过量通过VD1和和R3释放。释放。晶闸管触发电路目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类2

116、2 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术245 晶闸管的应用特点 晶闸管的串、并联 a) 伏安特性差异 b) 串联均压措施 c) 并联均流措施 串联：串联： u为达到静态分压，应选用参数和特性尽量一为达到静

117、态分压，应选用参数和特性尽量一致的器件；致的器件；u此外可采用电阻均压，此外可采用电阻均压，RP的阻值应比器件阻的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多；断时的正、反向电阻小得多；u由于各晶闸管的开通和关断过程可能存在差由于各晶闸管的开通和关断过程可能存在差异，因此采用并联阻容吸收电路进行动态均异，因此采用并联阻容吸收电路进行动态均压也是必不可少的；压也是必不可少的；uR、C应选择无感电阻和无感电容，具体数值应选择无感电阻和无感电容，具体数值可由调试决定，并用尽量短的线就近联接在可由调试决定，并用尽量短的线就近联接在晶闸管两端。晶闸管两端。并联：并联：u晶闸管的均流可采用串联均流电感的均流方晶

118、闸管的均流可采用串联均流电感的均流方案；案；u注意均流电感的同名端！注意均流电感的同名端！目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结晶闸管的串、并联晶闸管的串、并联电力电子技术电电力

119、力电电子子技技术术25 可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管（GTO，Gate Turn off Thyristor），具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大等，同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断；GTO开关时间在几开关时间在几s至几十至几十s之间，是目前容量与晶闸管之间，是目前容量与晶闸管最为接近的全控型器件最为接近的全控型器件；GTO适用于开关频率为数百Hz至几千Hz的大功率场合。目前GTO已被广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速装置中； 目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件

120、基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术3.1.2 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理u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u和普通晶闸管的不同：GTO是一种多元的功率集成器

121、件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这这些些GTO元元的的阴极和门极则在器件内部并联在一起阴极和门极则在器件内部并联在一起GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号251 基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子

122、器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术GTO能够通过门极关断的基本设计思路能够通过门极关断的基本设计思路 （1）设计）设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于GTO关断；关断； （2）导通时）导通时 1+ 2更接近更接近1（ 1.05，普通晶闸管，普通晶闸管 1+ 2 1.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降会相应增大；通时管压降会相应增大； （3）多多元元集

123、集成成结结构构使使GTO元元阴阴极极面面积积很很小小，门门、阴阴极极间间距距大大为为缩短，使得缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。251 基本结构和工作原理目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势

124、的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术工作原理：工作原理：u与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析与普通晶闸管一样，可以用图所示的双晶体管模型来分析u 1+ 2=1是是器器件件临临界界导导通通的的条条件件。当当 1+ 21时时，两两个个等等效效晶晶体体管管过过饱饱和和而而使使器器件件导导通通；当当 1+ 2 BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BUBUceoceo实实际际使使用用时时，为为确确保保安安全全，最最高高工工作作电电压压要比要比BUBUceoceo低得多低得多2.6.3

125、GTR主要参数电力电子技术电电力力电电子子技技术术2)2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流I IcMcM通常规定为h hFEFE下降到规定值的1/2-1/31/2-1/3时所对应的I Ic c实际使用时要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一点3) 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给P PcMcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 2.6.3 GTR主要参数电力电子技术电电力力电电子子技技术术一次击穿一次击穿p电电压压承承受受能能力力是是电电力力电电子子器器件件的的重重要要工工作作特特性性之之一一。GTRGTR

126、在在其其开开关关应应用用中中的的电电压压承承受受能能力力主主要要由由它它的的集集电电结结击击穿穿（雪雪崩击穿）特性决定的崩击穿）特性决定的。p集集电电极极电电压压升升高高至至击击穿穿电电压压时时，Ic迅迅速速增增大大，出出现现雪雪崩崩击击穿穿只只要要Ic不不超超过过限限度度，GTR一一般般不不会会损损坏坏，工工作作特特性性也也不不变。变。2.6.4 GTR的击穿和安全工作区电力电子技术电电力力电电子子技技术术二次击穿二次击穿一一次次击击穿穿发发生生时时I Ic c增增大大到到某某个个临临界界点点时时会会突突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降然急剧上升，并伴随电压的陡然下降常常常常立立即即导导致致

127、器器件件的的永永久久损损坏坏，或或者者工工作作特特性性明明显显衰衰变变，再再经经数数次次类类似似过过程程之之后后必必永永久久损坏。损坏。 实实际际应应用用中中，二二次次击击穿穿并并不不总总是是发发生生在在一一次次击穿之后。击穿之后。2.6.4 GTR的击穿和安全工作区电力电子技术电电力力电电子子技技术术安全工作区（安全工作区（Safe Operating AreaSafe Operating AreaSOASOA）最最高高电电压压U UceMceM、集集电电极极最最大大电电流流I IcMcM、最最大大耗耗散散功功率率P PcMcM、二二次次击击穿穿临临界界线线P PSBSB限限定定集电极最大集

128、电极最大集电极最大集电极最大允许电流允许电流允许电流允许电流二次击穿功耗二次击穿功耗二次击穿功耗二次击穿功耗最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最大耗散功率最高工作电压最高工作电压最高工作电压最高工作电压SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM2.6.4 GTR的击穿和安全工作区电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.6.5 GTR的驱动GTRGTR驱动要求：驱动要求：开开通通驱驱动动电电流流应应使使GTRGTR处处于于准准饱饱和和导导通通状状态态，使之不进入使之不进入放大区放大区和和深饱和区深饱和区关关断断时时施施加加一一定定的的负负基基极极电电流流以以减减小小关关断断时间和关断损耗。时

129、间和关断损耗。关断后在基射极间加一定的负压关断后在基射极间加一定的负压前沿足够陡峭前沿足够陡峭电力电子技术电电力力电电子子技技术术驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气气隔隔离离环节，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光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型

130、晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.6.5 GTR的驱动电力电子技术电电力力电电子子技技术术GTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分贝克嵌位电路嵌位电压补偿加速开通2.6.5 GTR的驱动电力电子技术电电力力电电子子技技术术GTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分0V限压2.6.5 GTR的驱动电力电子技术电电

131、力力电电子子技技术术2.6.6 GTR的应用特点曾经是最主要的全控型电力电子器件，由于其属于电流控制型器件，掌握合理的驱动方法较困难，合理利用安全工作区、避免二次击穿也并不容易，故电力晶体管在比较先进的电力电子装置和高功率、高速开关设计方面已逐步退出应用。由于其制造工艺简单、价格低廉，控制线路较成熟，目前在一些传统电力电子电路中还有一定的应用。电力电子技术电电力力电电子子技技术术27 功率场效应晶体管 场效应晶体管包括结型场效应管和金属氧化物绝缘栅功率场效应晶体管（ MOSFET），是一种单极型电压全控器件，在各类开关电路中应用极为广泛。 其主要优点：u 具有输入阻抗高、驱动功率小且电路简单；

132、u工作速度快（开关频率可达500kHz以上）；u热稳定性好、不易发生二次击穿且安全工作区宽。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术27 功率场

133、效应晶体管 p当栅压为零时，漏源极存在导电沟道的称为耗尽型场效应晶当栅压为零时，漏源极存在导电沟道的称为耗尽型场效应晶体管（包括体管（包括N、 P沟道）；沟道）；p当栅压不为零时，漏源极存在导电沟道的称为增强型场效应当栅压不为零时，漏源极存在导电沟道的称为增强型场效应晶体管（包括晶体管（包括N、 P沟道），对于功率沟道），对于功率MOSFET常采用常采用N沟道沟道的增强型结构。的增强型结构。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电

134、力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结分类：分类：电力电子技术电电力力电电子子技技术术271 基本结构和工作原理图图a为常用的功率为常用的功率MOSFET的外形，图的外形，图b给出了给出了N沟道增强型功率沟道增强型功率MOSFET的结构，图的结构，图c为功率为功率MOSFET的电气图形符号，其引出的三个电的电气图形符号，其引出的三个电极分别为栅极极分别为栅极G、漏极、漏极D和源极和

135、源极S。功率MOSFET的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结外形、结构、电气符号：外形、结构、电气符号：电力电子技术电

136、电力力电电子子技技术术27 功率场效应晶体管 p功率功率MOSFETMOSFET导电机理与小功率导电机理与小功率MOSMOS管特性相同，但在结构上有管特性相同，但在结构上有较大区别；较大区别；p小功率小功率MOSMOS管均采用导电沟道平行于芯片表面横向导电结构；管均采用导电沟道平行于芯片表面横向导电结构；p而功率而功率MOSFETMOSFET大都采用垂直导电结构（导电沟道垂直于芯片大都采用垂直导电结构（导电沟道垂直于芯片表面）；表面）；p垂直导电结构能大大提高器件的耐压和通流能力，所以功率垂直导电结构能大大提高器件的耐压和通流能力，所以功率MOSFETMOSFET又称为又称为VMOSFETVM

137、OSFET（Vertical MOSFETVertical MOSFET）。）。 目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结工艺结构：工艺结构：电力电子技术电电力力电电子子技技术术2

138、71 基本结构和工作原理 功率MOSFET导电机理 a) UGS=0 b) 0UGSUT 当栅源极（当栅源极（G-S）间电压为零时，若漏源极）间电压为零时，若漏源极（D-SD-S）间加正电压时，间加正电压时，P基区与基区与N区之间形成的区之间形成的PN结反偏，漏源极结反偏，漏源极（D-SD-S）之间无电流流过，如图之间无电流流过，如图a所示；所示； 若在栅源极若在栅源极（G-SG-S）间加正电压间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正，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电压会将其下面P区中的空穴推开，而将区中的空穴推开，而将P区中的电子吸引

139、到栅极下面的区中的电子吸引到栅极下面的P区表面，如图区表面，如图b所示；所示； 当当UGS大于大于UT（开启电压）时，栅极下（开启电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型半导体反型成型成N型而成为反型层，该反型层形成型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使沟道而使PN结消失，漏极和源极导电，如图结消失，漏极和源极导电，如图c所示。所示。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管

140、电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结导电机理导电机理：电力电子技术电电力力电电子子技技术术272 功率MOSFET特性及主要参数功率功率MOSFET的通态电阻的通态电阻RDS随着温度的上升而增大（正温度系数，有利并联）随着温度的上升而增大（正温度系数，有利并联）;GTR的的通态电阻则随着温度的上升而减小（负温度系数）的的通态电阻则随着温度的上升而减小（负温度系数）;导致这个差异

141、的根本原因是这两种器件的工作载流子性质不同。导致这个差异的根本原因是这两种器件的工作载流子性质不同。 GTR这类双极型器件这类双极型器件主主要依靠少数载流子的注入传导电流要依靠少数载流子的注入传导电流，而少数载流子的注入密度随结温的上升而增大，相应，而少数载流子的注入密度随结温的上升而增大，相应的多数载流子浓度也增加，从而导致电流的增大，而电流的增大使结温进一步上升，从而的多数载流子浓度也增加，从而导致电流的增大，而电流的增大使结温进一步上升，从而使电流与结温间形成正反馈效应使电流与结温间形成正反馈效应;功率功率MOSFET主要依靠多数载流子导电主要依靠多数载流子导电，多数载流子的迁移率随温度

142、的上升而下降，其宏，多数载流子的迁移率随温度的上升而下降，其宏观表现就是漂移区的电阻升高，电阻升高会使电流减小，电流的减小使得结温下降，从而观表现就是漂移区的电阻升高，电阻升高会使电流减小，电流的减小使得结温下降，从而使得电流与结温之间呈负反馈关系使得电流与结温之间呈负反馈关系;该特性不仅使得功率该特性不仅使得功率MOSFET没有热反馈引起的二次击穿现象，其安全工作区大大增大，没有热反馈引起的二次击穿现象，其安全工作区大大增大，而且电流越大，发热越大，通态电阻就增大，从而限制电流的增大，这对于功率而且电流越大，发热越大，通态电阻就增大，从而限制电流的增大，这对于功率MOSFET并联运行的均流也

143、比较有利。并联运行的均流也比较有利。 目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结1.1.温度特性与安全工作区温度特性与安全工作区电力电子技术电电力力电电子子技技术术272 功率MOS

144、FET特性及主要参数 功率MOSFET的静态正向输出特性 功率功率MOSFET的静态正向输出特性描述了在不同的静态正向输出特性描述了在不同的的UGS下，漏极电流下，漏极电流ID与漏源极电压与漏源极电压UDS间的关系间的关系曲线。它可以分为三个区域：曲线。它可以分为三个区域：当当UGSUT，功率，功率MOSFET工作在截止区；工作在截止区；当当UGSUT，当器件工作在器件饱和区时，随着，当器件工作在器件饱和区时，随着UDS的增大，的增大，ID几乎不变，只有改变几乎不变，只有改变UGS才能使才能使ID发发生变化生变化;正常工作时，随正常工作时，随UGS的变化，功率的变化，功率MOSFET在截止在截

145、止区和正向电阻区间切换。区和正向电阻区间切换。 目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.2.静态特性静态特性电力电子技术电电力力电电子子技技术术272 功率MOSFET特性及主

146、要参数 功率MOSFET的静态正向输出特性 在功率在功率MOSFET的饱和区中维持的饱和区中维持UDS为恒值，漏为恒值，漏极电流极电流ID将随栅源间电压将随栅源间电压UGS而变。定义而变。定义GfsID/(UGS- UT)为直流跨导，为直流跨导，Gfs越大，说明越大，说明UGS对对ID的的控制能力越强；控制能力越强；功率功率MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源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，因此功率极间加反向电压时器件导通，因此功率MOSFET可看作是逆导器件；可看作是逆导器件；在画电路图时，为了避免遗忘，常常在在画电路图时，为了避免遗忘，常常在MOSFET的电气符号

147、两端反向并联一个二极管。的电气符号两端反向并联一个二极管。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.2.静态特性静态特性电力电子技术电电力力电电子子技技术术272 功率MOSFE

148、T特性及主要参数功率功率MOSFET存在输入电容存在输入电容Cin，包含栅、源电容包含栅、源电容CGS和栅、漏电容和栅、漏电容CGD。当驱动脉冲电压驱动时，存在导通当驱动脉冲电压驱动时，存在导通和关断的开关过程，如图所示。和关断的开关过程，如图所示。 功率MOSFET的开关过程波形目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其

149、它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结3.3.动态特性动态特性电力电子技术电电力力电电子子技技术术当当uGS上升到开启电压上升到开启电压UT时，时，MOSFET的导电沟道开始形成，从的导电沟道开始形成，从而产生漏极电流而产生漏极电流iD；从驱动脉冲电压前沿到从驱动脉冲电压前沿到iD达到稳态达到稳态电流的电流的10%之间的时间段称为开通之间的时间段称为开通延迟时间延迟时间td(on)。此后，。此后，iD随随uGS的上的上升而上升；升而上升；从从iD上升到上升到iD达到其稳态值的达到其稳态值的9

150、0%这段时间称为电流上升时间这段时间称为电流上升时间tri，此，此时时uGS上升到功率上升到功率MOSFET进入正进入正向电阻区的栅压值向电阻区的栅压值UGSP。272 功率MOSFET特性及主要参数目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势21

151、1 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结3.3.动态特性动态特性- -导通过程导通过程电力电子技术电电力力电电子子技技术术272 功率MOSFET特性及主要参数当当uGS上升到上升到UGSP时，功率时，功率MOSFET的的漏、源极电压漏、源极电压uDS开始下降，此时栅漏开始下降，此时栅漏电容电容CGD开始通过漏、源极放电，从而开始通过漏、源极放电，从而抑制了抑制了CGS充电过程充电过程uGS的增长，使的增长，使uGS出现一段平台波形；出现一段平台波形；从从uDS开始下降到开始下降到MOSFET进入稳态导进入稳态导通时，这一时间段为电压下降时间通时，这一时间段为电压下降时间t

152、fv。此后此后uGS继续升高直至达到稳态；继续升高直至达到稳态；可见，功率可见，功率MOSFET的开通时间的开通时间ton是是开通延迟时间开通延迟时间td(on)、电流上升时间、电流上升时间tri与与电压下降时间电压下降时间tfv之和，即之和，即ton=td(on)+tri+tfv。 目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电

153、力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结3.3.动态特性动态特性- -导通过程导通过程电力电子技术电电力力电电子子技技术术272 功率MOSFET特性及主要参数当驱动脉冲电压下降沿到来时，栅当驱动脉冲电压下降沿到来时，栅源电容源电容CGS和栅漏电容和栅漏电容CGD通过栅通过栅极电阻放电，栅极电压极电阻放电，栅极电压uGS按指数按指数曲线下降；曲线下降；当下降到当下降到UGSP时，功率时，功率MOSFET的的漏、源极电压漏、源极电压uDS开始上升，这段开始上升，这段时间称为关断延迟时间时间称

154、为关断延迟时间td(off)；由于由于uDS的上升，栅漏电容的上升，栅漏电容CGD开始开始通过漏极电压充电，从而抑制了通过漏极电压充电，从而抑制了CGS放电过程放电过程uGS的下降，使的下降，使uGS出出现一段平台波形。现一段平台波形。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件

155、电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结3.3.动态特性动态特性- -关断过程关断过程电力电子技术电电力力电电子子技技术术272 功率MOSFET特性及主要参数当当u uDSDS上升到输入电压时，上升到输入电压时，i iD D开始减小，开始减小，这段时间称为电压上升时间这段时间称为电压上升时间t trvrv；此后，此后，u uGSGS从从U UGSPGSP继续下降，继续下降，i iD D减小，当减小，当u uGSGS Vref时，比较电路动时，比较电路动作，关闭驱动电路的输出信号，可达到过流保护的作用。作，关闭驱动电路的输出信号，可达到过

156、流保护的作用。 通过驱动电路实现过通过驱动电路实现过流保护的方法流保护的方法对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件（很难用快熔保护），对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件（很难用快熔保护），需采用需采用电子电路进行过电流保护电子电路进行过电流保护；常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，从而满足快速过电流常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，从而满足快速过电流保护。保护。 目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26

157、 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术3缓冲电路（缓冲电路（SnubberCircuit） 缓缓冲冲电电路路主要用于抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的

158、电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓冲电路其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）通通常常缓缓冲冲电电路路一一般般专专指指关关断断缓缓冲冲电电路路，而而将将开开通通缓缓冲冲电电路叫做路叫做di/dt抑制电路抑制电路目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它

159、新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.11.2 2.11.2 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）电力电子技术电电力力电电子子技技术术缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析2.11.2 2.11.2 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）无缓冲电路：无缓冲电路：V V开通时电流迅速上升，开通时电流迅速上升，d di i/d/dt t很大很大关断时关断时d du u/d/dt t很大，并出现很高的过电压很大，

160、并出现很高的过电压V V开通时：开通时：C Cs s通过通过R Rs s向向V V放电，使放电，使i iC C先上一个台阶，先上一个台阶，以后因有以后因有L Li i，i iC C上升速度减慢上升速度减慢V V关断时：关断时：负载电流通过负载电流通过VDsVDs向向C Cs s分流，减轻了分流，减轻了V V的的负担，抑制了负担，抑制了d du u/d/dt t和过电压和过电压电力电子技术电电力力电电子子技技术术关断时的负载曲线关断时的负载曲线无缓冲电路时：u uCECE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后i iC C迅速下降，负载线随之移到C。该负载线可能超出安全区有缓冲电路时：

161、Cs分流使i iC C在u uCECE开始上升时就下降，负载线经过D到达C负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低2.11.2 缓冲电路（缓冲电路（Snubber Circuit）电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.11.2 2.11.2 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）RCDRCD吸收电路，吸收电路，一般一般用于中小功率电路中用于中小功率电路中RCRC吸收电路吸收电路，一般，一般用于小功率电路中用于小功率电路中放电阻止型放电阻止型RCDRCD吸收电路吸收电路一般用于较大功率电路中一般用于较大功率电路中电力电子技术

162、电电力力电电子子技技术术缓冲电路中的元件选取及其他注意事项缓冲电路中的元件选取及其他注意事项Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容晶晶闸闸管管在在实实用用中中一一般般只只承承受受换换相相过过电电压压，没没有有关关断断过过电电压压，关断时也没有较大的关断时也没有较大的du/dt，一般采用，一般采用RC吸收电路即可吸收电路即可目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22

163、电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结2.11.2 2.11.2 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）电力电子技术电电力力电电子子技技术术2.11.3 2.11.3 电力电子器件的散热电力电子器件的

164、散热 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗各项功率损耗可以用器件两各项功率损耗可以用器件两端电压端电压u u和流过电流和流过电流i i的乘积所得的平均功率损耗的乘积所得的平均功率损耗P P表示表示一般可以忽略低频工作时占主要成分高频工作占主要通态通态损耗损耗开通开通过程过程损耗损耗关断关断过程过程损耗损耗断态断态损耗损耗电力电子技术电电力力电电子子技技术术电力电子器件在传递和处理电能的同时，也要在管芯上产生相应的功率损耗，引起管芯温度增加；为了保证器件正常工作，必须规定最高允许结温最高允许结温，与最高结温对应的器件耗散功率即是器件的最大允许耗散功率最大允许耗散功率；器件正常工作时不应超过最高结

165、温和功耗的最大允许值不应超过最高结温和功耗的最大允许值，否则，器件特性与参数将要产生变化，甚至导致器件产生永久性的烧坏现象；管芯温度的高低与器件内部功耗的大小、管芯到外界环境的传热条件管芯温度的高低与器件内部功耗的大小、管芯到外界环境的传热条件(传热传热机构、材料、冷却方式等机构、材料、冷却方式等)以及环境温度等有关；以及环境温度等有关；设法减小器件的内部功耗、改善传热条件，对保证器件长期可靠运行有极重要的作用。2112 电力电子器件的散热目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可

166、关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结温度与器件可靠运行的关系温度与器件可靠运行的关系电力电子技术电电力力电电子子技技术术为了便于散热，功率器件多加装散热器；结温升高后的散热过程和路线如下：u管芯内部功耗产生的热能以传导方式由管芯传到固定它的外壳的底座上；u再由外壳将部分热能以对流和辐射的形式传到环境中去；u大部分热能则是通过底座直

167、接传到散热器上，最后由散热器传到空气中。工程实际中，结温通常是指芯片的平均温度；由于功率器件的芯片较大，温度分布是不均匀的，可能出现局部比最高允许结温高得多的过热点，导致器件损坏；应用时规定的最高允许结温远低于其本征失效温度最高允许结温远低于其本征失效温度，这被称为结温减额使用。这被称为结温减额使用。2112 电力电子器件的散热目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极

168、型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结散热过程散热过程电力电子技术电电力力电电子子技技术术散热设计的主要任务就是根据器件的耗散功率根据器件的耗散功率Pd设计一个具有适当热设计一个具有适当热阻的散热方式和散热器阻的散热方式和散热器，以确保器件的管芯温度不高于额定结温额定结温Tjm。当散热器的环境温度为Ta时，根据热力学欧姆定律，从管芯到环境的总热阻为：2112 电力电子器件的散热目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电

169、力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结散热设计散热设计电力电子技术电电力力电电子子技技术术2112 电力电子器件的散热目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管

170、24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术2112 电力电子器件的散热目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管

171、电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术2112 电力电子器件的散热结结-壳热阻：壳热阻：对器件用户来说，结-壳热阻是不能改变的一个参数。接触热阻：接触热阻：接触热阻的大小与多种因素有关，它不但决定于器件的封装形式、界面平整度和散热器的安装压力，还决定于管壳与散热器之间是否加绝缘垫片和导热脂。l减小接触热阻的措施：减小接触热阻的措施：l1）一般情

172、况下，增加安装压力可减小接触热阻；2）在管壳和散热器之间涂导热脂也可减小接触热阻；3）加绝缘垫片会增加接触热阻。绝缘垫片只在不得不加时才加，尽量选用导热性好的材料，并涂敷导热脂。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电

173、子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术2112 电力电子器件的散热p散热器热阻：散热器热阻：p散热器热阻与散热器材料、形状、表面状况、功耗元件的安装位置以及冷却介质的性质等多种因素有关；p散热器表面经黑化处理之后可明显增加散热效果，散热器采用指状或枝状结构，可增加散热面积；p强迫风冷是降低散热器热阻的一种有效形式，常用的风冷和自然冷却散热器由铝板或铝型材料制成；p使用液体作为散热介质的液冷方式对于降低热阻的效力更高，所用的散热器体积更小，特别适用于特大功率耗散情况。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基

174、础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术2112 电力电子器件的散热目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关

175、断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术2112 电力电子器件的散热使用风机降低散热器温度目前有两种控制方式，一种是风机与装置同使用风机降低散热器温度目前有两种控制方式，一种是风机与装置同步工作，适合于负载基本不变的情况；另一种是风机的起、停受装置的内步工作，适合于负载基本不变的情况；另一种是风机的起、停受装置的

176、内部温度（尤其是散热器的温度）控制，这种方式适合负载变化的情况，并部温度（尤其是散热器的温度）控制，这种方式适合负载变化的情况，并有助于提高风机寿命。有助于提高风机寿命。 散热器温控风冷滞环控制方式目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211

177、 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术2113 电感和电容电感是电力电子电路中常用的元件，由于它的电流、电压相位相差90度，因此理论损耗为零，是种储能元件（储存磁能），也常与电容共用在滤波器电路中，用于平滑电流。由于“磁通连续”性，电感上的电流必须是连续的。电容是电子线路中应用非常广泛的电子元件，它与电感一样，由于它的电流、电压相位相差90度，因此理论损耗为零，也是储存电能的元件（储存电场能），也常与电感共用在滤波器电路中，用于平滑电压。与电感的特性刚好对偶，电容得电压不能突变，否则会导致很大的尖峰电流。在电力电子电路中，电容常作为主电路

178、的储能电容或滤波、吸收电容，而在控制电路中一般作为滤波电容使用。电容的种类多种多样，铝电解电容在电力电子功率回路中应用非常广泛，多用于整流滤波电路。在电力电子吸收电路设计中，常采用无感电容。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电

179、子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术2113 电感和电容一般都要在功率管两端并联吸收电路，如RC和RCD电路。在这其中电容是很关键的吸收元件，但实际的电容等效电路上有一个串联的电感，因此难以实现很好的吸收电压尖峰的效果。电解电容 无感电容目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型

180、电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术小结本章介绍了功率二极管、晶闸管SCR、可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、电力场效应管PowerMOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT等几种常用的半导体电力电子器件。1.根据开关器件开通、关断可控性的不同，可将开关器件分为三类：1）不可控器件只有功率二极管是不可控器件；其处于正向偏置时自然导通，而处于反向偏置时自然关断；目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子

181、器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术小结2）半控型器件只有普通晶闸管及其派生器件属于半控型器件，当晶闸管承受正压时，在其控制极和阴极之间外加正向触发脉冲电流后，晶闸管从断态转入通态。一旦晶闸管导通后，撤除触发脉冲，晶闸管仍然处于

182、通态，即控制极只能控制其导通而不能控制其关断，要使晶闸管关断，只能使其阳极和阴极之间的电压为零或反向，使其阳极电流低于维持电流。3）全控型器件GTO、GTR、PowerMOSFET和IGBT都是全控型器件，即通过控制极施加驱动信号既能控制其开通也能控制其关断。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子

183、器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术小结2根据开通和关断所需控制极驱动信号的不同要求，可控开关器件又可分为电流型控制器件和电压型控制器件。SCR、GTO和GTR为电流型控制器件，而PowerMOSFET和IGBT为电压型控制器件。电流型控制器件的特点是导通压降小，通态损耗小（GTO除外），但所需驱动功率大，驱动电路较复杂，工作频率较低。电压型控制器件的特点是输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高，但导通压降要大一些。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与

184、分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术小结3按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件又可分为单极性器件、双极性器件和复合性器件。PowerMOSFET只有一种载

185、流子参与导电，故称为单极性器件；二极管、SCR、GTO和GTR中电子和空穴两种载流子均参与导电，故称为双极性器件；而IGBT是由MOSFET和晶体管复合而成，属于复合性器件。目前已广泛应用的电力电子器件中，电压和电流额定值最高的可控器件是SCR，其次是GTO，最小的是PowerMOSFET，允许工作频率最高的是PowerMOSFET，最低的是SCR。在中、小功率装置中，IGBT和PowerMOSFET应用较为普及。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（G

186、TO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术小结电力电子器件是利用外加电流或电压信号形成电场改变半导体器件的导电性能而使其处于通态和断态，与机械开关相比有两个特点。1）其开通和关断过程比机械开关快几千倍到几万倍，可在很高频率下实现电能变换和控制；2）处于通态时，半导体开关器件有13V左右的导通压降，处于断态时仍有很小的漏电流，而

187、不是理想的导通和截止，其中通态时的导通压降所产生的功耗发热在设计和使用中是不容忽视的。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术电电力力电电子子技技术术小结在电力电子变换

188、和控制电路中，电力电子器件在通态和断态之间周期性转换，在任何瞬间其承受的电压、电流均不应超过允许值，其发热造成的温升也应通过散热手段控制在允许限定值内。设计者应根据所需电力变换的类型和特性要求，以及各类开关器件的优缺点，对性能和成本综合分析，从电力电子器件的应用手册和数据表中查阅器件的特性参数和安全工作区，合理选用电力电子器件。目录目录21电力电子器件的电力电子器件的特点与分类特点与分类22 电力电子器件基电力电子器件基础础 23 功率二极管功率二极管 24 晶闸管晶闸管 25 可关断晶闸管可关断晶闸管（GTO）26 电力晶体管电力晶体管 27 功率场效应晶功率场效应晶体管体管28 绝缘栅双极型绝缘栅双极型晶体管晶体管*29 其它新型电力其它新型电力电子器件电子器件210 电力电子器件电力电子器件的发展趋势的发展趋势211 电力电子器件电力电子器件应用共性问题应用共性问题小结小结电力电子技术