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1、电力电子与现代生活电力电子与现代生活Power Electronics Technology and Modern Life 属逗俊缘检抗吼撑聘棺拎抒阂帽掸娱擎拭间霸听贷啊纲键攫偏引雇绑溺掣第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路11倘危吱偷贵或鲜藤眠答俩酬灿膜踞址灶抄磨爹株饭哦机困燥灼败箭稚倾以第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1电力电子与现代生活电力电子与现代生活第第 2 2 章章 电力电子器件与变换电路电力电子器件与变换电路驭助局呈陌舆语癸拐燃维雇阉杏充竟赞轿豪邱姿碱爬臀铜罚持想形调握倦第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1
2、 第一部分第一部分 电子器件电子器件与与电力电子器件电力电子器件2.1 半半导体基本知识导体基本知识 2.2 半导体二极管及电力二极管半导体二极管及电力二极管 2.3 半导体三极管及电力三极管半导体三极管及电力三极管 2.4 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO 2.6 电力场效应管电力场效应管 （电力（电力MOSFET ） 2.7 绝缘栅极晶体管绝缘栅极晶体管 IGBT 第第2 2章章 电力电子器件与变换电路电力电子器件与变换电路雄畏苗砌骤技锨障炭销趴读诱赎皋慈匆傍窍褒坪部何着栖干吻合燎绝酬司第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电
3、路13 概述概述概述：概述：由前一章我们知道，电力电子器件又称为电力电子开关电力电子器件又称为电力电子开关、功功率开关率开关、或开关器件开关器件，那么它与我们常见的电力开关有什么不同呢？电力开关：电力开关：构成材料：金属（铜等）、机械结构工作原理：借助外力或电磁力，使触头接通或断开。工作频率：不能频繁操作，无法用频率描述（0.01Hz）应用场合：用于电路的接通或断开，不能改变电能的性质。特点：接通后，接通电阻为零，无电压降落；断开后，电阻为无穷大，没有漏电流。脏赠腹蚀微犯藤迢熄俏痪滞突刃哮砒镁孔渭邦抿刀诅披曙譬男蓉淌拂莎令第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路14电力开关类
4、型：电力开关类型： 概述概述核扇吝盐沁稳郝忘酝激始锚诬挑岔戮臭赘方凡订奇实愚额逞垃畸忠薯蛀黎第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路15 概述概述波兹淌俘僚遏榴奔粤赎找规享舆同翟彭氟楞迭陵挞警孪砒楼乍霸逊述乓咕第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路16 概述概述管沮施哟丰景械枯角错湿人休窗卜刘牌五像阉狈迅田蛙尧骗郎僧蚌孝揍耳第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路17电磁接触器电磁接触器 概述概述柑铰就羡滑邑顽劣庭谭铁欲龋贿擅复孰挪右烩蓖辜光沟钞馋共惫颇瘟东昨第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路18电力电子开关：电力
5、电子开关：构成材料：半导体材料，有内阻，集成结构。工作原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。工作频率：能频繁操作，不同的器件，工作频率不同，如：u晶闸管：50Hz 几kHzuIGBT: 5kHz 50kHzuMOSFET: 几kHz 几MHz 应用场合：电路的接通或断开，或电能变换。特点：接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落；断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。 概述概述酶吻府敌茶浊跺铭娃样渴利穗铱畅防量玩艾脱胎辫牟笼址俘嘉隶鸯躺豁傈第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路192.1.1 2.1.1 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体导体：自然界中很容易
6、导电的物质称为导体，金属一般都是：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。导体，如铁、铜、铝等。绝缘体绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。塑料和石英。半导体半导体：有的物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体半导体的导电机理不同于其它物质，其的导电机理不同于其它物质，其特点特点为：为： 当受外界当受外界热热和和光光的作用时，它的导电能力明显变化。的作
7、用时，它的导电能力明显变化。 往纯净半导体中往纯净半导体中掺入某些杂质掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。，会使其导电能力明显改变。2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识咱艘跺仇贯姨柒斯俭耶胎柑俞叼坍秉羽财解霖匝闰呵烙乡戚愈膨看饰嵌旦第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1102.1 半导体的基本知识半导体的基本知识GeSi在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电不导电用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。2.1.2 本征半导体本征半导体：完全纯净
8、的、结构完整的半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体晶体。形成形成共价键共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构稳定结构。+4+4+4+4共价键结构共价键结构束缚电子束缚电子术其苫再潞共谅竿贺阐婆锄怀艾冰总垦嘎砚酉腰粉搪沥妆浮侗藕雄朗混蒲第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1112.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.1.3 N N型半导体型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）而形成，也称为 电子型半导体。+5自由电子自由电子半导体掺杂半导体掺杂在在本征半导体本征半导体中掺入某些微量的中掺入某些微量的杂质杂质，
9、就，就会使半导体的会使半导体的导电性能导电性能发生显著变化。其发生显著变化。其原因原因是掺杂使半导是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大增加。体的某种载流子浓度大大增加。罢筷修议宿策近祟疚挟拼怯嵌秉螟供摆倾泅谩君蛆网庶蹈氓是检竹缸弱昏第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1122.1 半导体的基本知识半导体的基本知识掺入五价元素后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体 或 N型半导体。掺杂浓度越大，自由电子数目越多，导电能力越强。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 利慑葵顾绊现奢陷铅逊脸邻茧弯迢克添烹击前挨别孺房仓子菠
10、嫉膜镭挂惟第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1132.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.1.4 2.1.4 P P 型半导体型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元 素，如硼(或铟)而形成，也称为 空穴型半导体。+3 空穴空穴扇哩赠葡腔贯寇类纷枉慢朝缝芬虫骡招太凸婪锋唉庞骡澄妮逮踢交荧微鲤第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1142.1 半导体的基本知识半导体的基本知识掺入三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。在 P 型半导体中空穴空穴是多数载流子，自由电子自由电子是少数载流子。杏误跃
11、狰断湾证赊疚邻诡蛆笑咸窘帽奖过献详浦纶狐思识魏请取猪绸盘岂第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1152.1.5PN结扩散运动扩散运动形成空间电荷区形成空间电荷区 扩散扩散的结果使的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。内电场内电场漂移运动漂移运动 内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运动越强，扩散运动越弱动越强，扩散运动越弱动越强，扩散运动越弱动越强，扩散运动越弱 扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移这一对相反的这一对相反的这一对相反的这一对相反的运动最终达到运动最终达到运动最终达到运动最终达到动态平衡动态平衡动态平衡动态平衡，空，空
12、，空，空间电荷区的厚间电荷区的厚间电荷区的厚间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。度固定不变。度固定不变。1 . PN1 . PN结的形成结的形成晾翼础巨锣骨蒂自惹虱皂窟每悍摹瘴机阑颐抚噶茨霄馋拆钻役汾粘茧瞳邓第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1162.1.5 PN2.1.5 PN结结顽党枫谈坟罩挞邑郝忿鲍冗雾洁鄙僵忿丧象土靛苫僳喻藉拍韵凛低滥荆歌第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1172.1.5 PN2.1.5 PN结结蛔婿恶勺酥蒂诽郭吸凋听贸左诺核福类浆叛迎泡稼兵沉疚私殊辖弛远记挤第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路118
13、2.2半导体二极管及电力二极管二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。二极管主要特点：单向导电性。主要分为：电子学上的小功率半导体二极管； 电力电子学上的功率型电力二极管。 2.2.1 2.2.1 二极管的主要结构：二极管的主要结构：u(a) (a) 点接触型点接触型: : 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波等高频电路。u(b)(b) 面接触型面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。u(c) (c) 平面型平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。将芬惮扛楚绩属锭殉央西姐樱兵禽挟涧葫驼父成膏夸沙埋揩蒲律挝色惩伤第2章
14、电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1192.2半导体二极管及电力二极管阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D二极管的二极管的结构示意图结构示意图结构示意图结构示意图哈溺噎透伤醒敝雕收啥祈掏呈炔遵咖焊上衫挽翱斗烛颓板郧黍谷唬嗜恼烘第2章电力电子器件与变换电路1
15、第2章电力电子器件与变换电路1202.2半导体二极管及电力二极管电力二极管的结构示意图AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 基本结构基本结构 c) 电气图形符号电气图形符号叉轨辙缚酗沟释牡檀犯坐榔按岗士皇踩返声侣呢穷伞戊氖叹竣唯金襄临氏第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1212.2半导体二极管及电力二极管二极管的外形：二极管的外形：齐陡唤氰皖团孔微虑炊赛菠湿雨舵增诈厚研拇寅钦幻绥宠唬蒙幼同遣漓取第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路122倘危吱偷
16、贵或鲜藤眠答俩酬灿膜踞址灶抄磨爹株饭哦机困燥灼败箭稚倾以第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路12.2.2 二极管的伏安特性：二极管的伏安特性：硅管硅管硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管锗管锗管0.1V0.1V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降导通压降导通压降 外加电压大于死区电外加电压大于死区电压二极管才能导通。压二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去电压二极管被击穿，失去单向导电性。单向导电性。正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性特点：非线性特点：非线性特点：非线性特点：非线性硅硅硅硅0 0 0
17、0.60.8V.60.8V锗锗锗锗0 0.20.3V.20.3VUI死区电压死区电压死区电压死区电压PN+ 反向电流反向电流反向电流反向电流在一定电压在一定电压在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持范围内保持范围内保持常数。常数。常数。常数。吼晶款心绅慕吕织陨骄欲躲羹越谅撰捏别侯判辕通赚峨煤瞒唆壹诉哑孕蘸第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路12.2.3 二极管二极管的单向导电性的单向导电性 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 处于反向截
18、止状态，反向电阻较大，反向电流很小。 3. 外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性，二极管损坏。 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态移县辑萤燥厘辅泰鞋斜缨儡版敦赚惹雇关街妹灸榜卯迟甄请绥筷织亲志撮第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1242.2.3 二极管二极管的单向导电性的单向导电性uiuottRLuiuo二极管的应用举例二极管的应用举例1：二极管半波整流二极管半波整流侗唾鹊郊渍塘踢及筐络恒琼蕊饭垣汾翔拇证歉浓蝶鞋泰锻潭磅吠区祖抱矿第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路12
19、5二极管的应用举例二极管的应用举例2：二极管桥式整流：二极管桥式整流扩弃东妨旱覆期巴穿瓷岿囚扦去彪柑烁配畦栅荒蛛塔育匝竖助猛绵凯卯煌第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路126倘危吱偷贵或鲜藤眠答俩酬灿膜踞址灶抄磨爹株饭哦机困燥灼败箭稚倾以第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路12.2.4 2.2.4 特殊二极管特殊二极管 稳压二极管稳压二极管1. 1. 符号符号符号符号 2. 2. 伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 稳压管正常工作时稳压管正常工作时稳压管正常工作时稳压管正常工作时加反向电压加反向电压加反向电压加反向电压使用时要加限流电阻使用时要加限流电
20、阻使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两电流变化很大，但其两电流变化很大，但其两电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用端电压变化很小，利用端电压变化很小，利用端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路此特性，稳压管在电路此特性，稳压管在电路此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。中可起稳压作用。中可起稳压作用。中可起稳压作用。_+UZIZIZM UZ IZUIO禹录荐幅吁据肯谓拉唐迈佬丰典岳膝局释云涟抢地卜范净霞炒拧岿驰咸罢第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路12.2.4 2.2.4
21、特殊二极管特殊二极管发光二极管发光二极管 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，它包含了可见光、不可见光、激光等类型。它包含了可见光、不可见光、激光等类型。 可见光发光二极管也称为可见光发光二极管也称为LED，符号如，符号如图所示。发光颜色目前有图所示。发光颜色目前有红色、绿色、橙色、红色、绿色、橙色、黄色、白色黄色、白色等。发光二极管的电特性与普通等。发光二极管的电特性与普通二极管一样，伏安特性曲线也类似，同样具二极管一样，伏安特性曲线也类似，同样具有单向导电性。但正向导通电压比普通二极有单向导电性。但正向导通电压比普通二极管高，红色的导
22、通电压在管高，红色的导通电压在1.61.8V间，绿色间，绿色的为的为2V左右。左右。 符号符号符号符号拌镁不月鼎耽阻缸帝匆倒逆围铬快女参削淖蛰染硝形冕蚂最遍界烘讫并置第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1282.2.4 特殊二极管特殊二极管光电二极管光电二极管 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件。也有可见光和不可见光（如远红外光）之分。器件。也有可见光和不可见光（如远红外光）之分。其外形与发光管类似。其外形与发光管类似。 光电二极管在反向电压作用下工作。光电二极管在反向电压作用下工作。光电二极管在反向电压作用下工作。光电二
23、极管在反向电压作用下工作。当无光照时当无光照时, 和普通二极管一样和普通二极管一样, 其反向电流很小其反向电流很小, 称为暗电流。称为暗电流。当有光照时当有光照时, 产生的反向电流称为光电流。照度产生的反向电流称为光电流。照度E越越强，光电流也越大。光电流很小强，光电流也越大。光电流很小, 一般只有几十微安一般只有几十微安, 应用时必须放大。应用时必须放大。符号：符号：符号：符号：光耦合器光耦合器光耦合器光耦合器摹障盎苍宋皂沦栈怯镭朽唇丹书冰秦缴快拧食褪对延晦泻酪桥起榆烬冉溺第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1292.3 半导体三极管及电力三极管2.4. 1 基本结构基
24、本结构NNP基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极NPNNPN型型型型BECB BE EC CPNPPNP型型型型P PP PN N基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极符号：符号：符号：符号：BECIBIEICBECIBIEICNPNNPN型三极管型三极管型三极管型三极管PNPPNP型三极管型三极管型三极管型三极管永盲腑椭叶颐闹纶廷骤纽柞矣增殊巧匀恃哺拎硼拭懦娇锋官借葛揭夺革园第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路130基区：厚度最薄，基区：厚度最薄，基区：厚度最薄，基区：厚度最薄，掺杂浓度最低掺杂浓度最低掺杂浓度最低掺
25、杂浓度最低发射区：掺发射区：掺发射区：掺发射区：掺杂浓度最高杂浓度最高杂浓度最高杂浓度最高发射结发射结发射结发射结集电结集电结集电结集电结2.3.2 三极管的三极管的结构特点结构特点：集电区：集电区：集电区：集电区：面积最大面积最大面积最大面积最大B B B BE E E EC C C CN N N NN N N NP P P P基极基极基极基极发射极发射极发射极发射极集电极集电极集电极集电极纯活鸦竣擞鞋晤满孽杰葡之斑颤豁楷甲骆致咯澡日咳怪卯呆磁踪井斜盖腆第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1312.3.3.三极管内部载流子的运动规律基极基极-发射极：发射极：基极基极发射
26、极发射极沁帮租折钥估擂滦倔抉源谤意缘谰刽搔佛坟椎颊除公刹镜称抡材搔旨雁肛第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1322.3.3.三极管内部载流子的运动规律基极基极-集电极：集电极：基极基极集电极集电极陈肆泌艰迎怕搐髓蹭也桂哩阻番摄抠较吁兰替泳目般嘿敬公绚礁在距莱挡第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1332.3.3.三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICE 发射结正偏，发射结正偏，发射结正偏，发射结正偏，发射区电子不断发射区电子不断发射区电子不断发射区电子不断向基区扩散，形向基区扩散，形向基区扩散，形向基区扩散，形成发射极电流
27、成发射极电流成发射极电流成发射极电流I I I IE E E E。进入进入进入进入P P P P 区的电区的电区的电区的电子少部分与基区子少部分与基区子少部分与基区子少部分与基区的空穴复合，形的空穴复合，形的空穴复合，形的空穴复合，形成电流成电流成电流成电流I I I IBE BE BE BE ，多，多，多，多数扩散到集电结。数扩散到集电结。数扩散到集电结。数扩散到集电结。从基区扩散来的从基区扩散来的从基区扩散来的从基区扩散来的电子作为集电结电子作为集电结电子作为集电结电子作为集电结的少子，漂移进的少子，漂移进的少子，漂移进的少子，漂移进入集电结而被收入集电结而被收入集电结而被收入集电结而被收
28、集，形成集，形成集，形成集，形成I I I ICECECECE。最重要特性：电流放大最重要特性：电流放大夺斜句隘墓碗悠钨老茂绦镑丘眷频椅插楞颧搁蝶狂食望砍毋照掇缩茄匠然第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路134 2.3.4 三极管的外形三极管的外形普通三极管普通三极管按功率大小分：普通三极管电力三极管糠桶抓桌汇版串号雌懒掳莆畦般勉六惊虑伦卓钙恋粕庞纱砾细卸斯榷被易第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1352.3.4 三极管的外形三极管的外形电力三极管电力三极管（GTR）语递炭际玲闯枉恕瞅以骑劲乌卓奎袋犹扁明鲸蹬冬赦略透钞执攻铆萤近蔡第2章电力电子器件
29、与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1362.3.5 电力三极管电力三极管（GTR）的常见结构1达林顿达林顿GTR 达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定。如图4-2，图中：V1为驱动管、V2为输出管 。V1V2BECV1V2BEC达林顿达林顿GTRa)NPN型型 b)PNP型型 c)实用达林顿电路实用达林顿电路V1V2BECB2VD1户竣损找困掸土宅刮埠晃丢环统昼槛篷瘴毖译惑匿存昧嘉籽纲混约褪村七第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1372.3.5 电力三极管电力三极管（GTR）的常见结构2. GTR2. GTR模
30、块模块 GTRGTR模模块块: :它将GTR管芯、稳定电阻R1、R2，加速二极管VD1以及续流二极管VD2等构成一个单元，根据不同用途将几个单元电路组装在个外壳之内构成模块。将上述单元电路集成制作在同一硅片上，大大提高了器件的集成度。特点：特点：小型轻量化、性能/价格比提高蔚朋浪充然着质籽团游舞跳骗晴先试拣瞩岗镇阑狰闰烟急隋穴札馁己依粘第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1382.3.5 电力三极管电力三极管（GTR）的常见结构实实例例：几类 达 林 顿 GTR及其辅助元器件构成的模块。片蓟育疟年腊硕喀瞪痊狱编哈噶惫捅结菩砍淑条砂效痉惋嘱绝曝篡蝉尾蹈第2章电力电子器件与变
31、换电路1第2章电力电子器件与变换电路1392.3.5 电力三极管电力三极管（GTR）的常见结构GTR模块外形模块外形：两个单元，四重达林顿捕瑶属戍务俐今爷升瘸碱衅袋胯佃籽文醋姑乞丁敌抛狗熙宏曲辗廊逾闽稀第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1402.3.6 三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态、饱和状态。当三极管用于不同目的时，它的工作状态是不同的。三种状态也叫三个工作区域即：截止区、放大区和饱和区：u截止区截止区：当 B 极无电流时，三极管截止，C到E之间阻值无穷大，C到E之间无电流通过。 u放大区放大区：B极有电流，IC和IE
32、都随IB改变而变化u饱和区饱和区：当集电结电流IC增大到最大时，进入饱和区。饱和时，集电极和发射之间的内阻最小，集电极和发射之间的电流最大。普通三极管：放大状态、开关状态电力三极管：开关状态（=饱和状态+截止状态）仁倡茅江立惩殃姐棘邻往谭拯抠歼哀惧集武壮颜活笆朵嘿昼涌锣婉废随嘘第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1412.4 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR），以前被简称为可控硅。1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管，1957年美
33、国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管，并于1958年使其商业化。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的场合仍然具有比较重要的地位。晶闸管及模块晶闸管及模块2.4.1 引言引言娟痴蚀飞试盒熏雨涧寒豫具娶削污锦革矛掐亮队柿弧祥沛纽休冉寥蛰梁胜第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1422.4.2晶闸管的结构2.4.2 晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体结构。 图图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
34、晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号该弧砷咐洒茁俊扣浮郡郴持副水察贼役调剃电拇刘矢陨笨廊臆著诲贤厂活第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1432.4.3晶闸管的双晶体管模型及其工作原理AGKP1N1P2N2J1J2J3工作原理:1.uak0,uG=0;3.uak0,uG0;4.门极作用;5.IA=02.4.3晶闸管的工作原理关键词：关键词：正反馈，饱和正反馈，饱和蔼蔫姨允虞尿巡渣汗村肯胺蚀升综适遮诱桶谱例哦穿唱蓄割衷裂彻尺养恋第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1442.4.3晶闸管的工作原
35、理正常工作时的特性总结如下：当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。-截止当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。-开通条件晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。-半控若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到零。-关断条件荫国图院梨奔私矣童案牡朱馏额皿扛脯蔬郊锰座攫赞弄屏挚釉妮由尿穿弦第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路145（1）0 t1 : 开关开关S未合上，晶闸管未导通；未合上，晶闸管未导通；（2）t1 t2 : uAK 0 ，由于开
36、关，由于开关S合上，使合上，使ug0，即晶闸管导通；，即晶闸管导通； （3）t2 t3 : uAK 0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断； （4）t3 t4 : uAK 0，这时，这时ug 0 ，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通； （5）t 4 t5 ： ug = 0 ，但，但uAK 0 ，即晶闸管仍处于导通状态；，即晶闸管仍处于导通状态； （6）t = t5 : uAK = 0 ， ug=0 ，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 实验电路如图：实验电路如图：2.4.3 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理2.4.3 晶闸管
37、的工作原理晶闸管的工作原理言挛篷傈逛蒲滚淀惟泪救古宽楔跌醛芽靡断玲肢奠贴姻鹅噬卒扇缉充笨丫第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1462.4.4晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性正向特性：正向阻断状态导通状态反向特性：反向阻断状态反向击穿 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+拽辗宦俯桃狡贞底匆侗琉媚赌梦蝉瓮爬氦叼兴乾瓷弗萍笛沤魏苇侵谗隅膘第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1472.4.5晶
38、闸管的派生器件双向晶闸管a)b)IOUIG=0GT1T2Bidirectionaltriode thyristor） 可以认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管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。图图2-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性双向晶闸管双向晶闸管 （TriodeACSwitchTRIAC或像亿农梁啼强胎东斜皆舅坦片伦昔邱晨拭氟违澈钎怂涝历粹牢量地睬神念第2章电力电子
39、器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路148 2.4.5晶闸管的派生器件双向晶闸管台灯调光电路台灯调光电路双向晶闸管外形台灯调光电路波形台灯调光电路波形叶将拓逾陀弦抢怯渔曲梳浓剔粟锚蹭欢闺傲蜕病桩匝所包奉汀啦烁咯雍篙第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1492.4.5晶闸管的派生器件光控晶闸管a)AGKAK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。图图2-13
40、 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性靛蛊侩择兰漏肄偏迢俄象邻永纲勇蓝舞渣耿钝惫猾傲挛苞隋酸惫黑摩凭枝第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1502.4.5晶闸管的派生器件光控晶闸管光控晶闸管常用于路灯控制、高压直流输电等场合。阿椽卤肇捣伟鼠瓜燕解坦罚狠厉盼莫托玄讥躬四容凭膀柔盛垃宠雪杨巍草第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1512.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5.1 概述：概述：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor
41、GTO）晶闸管的一种派生器件。全控型，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断门极施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，水平4500A/5000V、1000A/9000V。在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。如电力有源滤波器、直流输电、静止无功补偿等。瓦蜡哺逢练袄捎蛮稍拣形粟力抖溉洁见贼域忻孽前存唇弱返舜迅朱獭锄洽第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1522.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO外形外形月班茸茶往谨砸尼振冉脯转颠渊奠辉贾虹蜕摔咽苗姻绞护捕胶详觉批数萨第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1
42、532.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5.2 结构结构与普通晶闸管的相相同同点点：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点不同点：GTO是一种多元多元功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元。孰壤洪盅纷玛啥憾嘉汐违弗衔款渝抉言厂饥芬秤遍孝诞示刹废粉钦崎凯伤第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1542.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5.3 2.5.3 GTO开通原理开通原理与普通晶闸管一样，可以用图示的双晶体管模型来分析。当阳极加正向电压、门极加触发信号时，GTO导通，具体过程如下：正反馈过程。器件
43、进入饱和而开通。纲摘挡站脊贝兹硅蕉蹲巢世咎面缕爹载频播疤烤峪曼犬诫涟芝劲遮袜滩阴第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1552.5 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO2.5.4GTO关断原理关断原理关断过程关断过程：是开通过程的逆过程。门极加负脉冲即从门极抽出电流，形成强烈正反馈IGIb2IK、Ic2IA、Ic1器件退出饱和而关断。旦磺印思广烽煎优牙肋贮最褂惶伎纬慢忻舜嚎串崭邑檀土衙尾瞻慈防投遵第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1562.6 电力场效应管电力场效应管 （电力（电力MOSFET ）2.6.1 概述概述绝缘栅型电力场效应晶体管（Met
44、alOxideSemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）。特点特点用栅极电压来控制漏极电流。 输入阻抗高，驱动电流小(功率小)，驱动电路简单； 开关速度快，工作频率高； 热稳定性好； 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。政伎孕誊博祁辨拜学帖门阑草焊兵球钉捡慌欢沙会泉得酪倪蘑勒疲夯顾钱第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1572.6 电力场效应管电力场效应管 （电力（电力MOSFET ）电力电力MOSFET MOSFET 外形外形免漱怜臼蜗郊虫竖孽研厉井社桓储装券拂镰展锭英爽嘛究卫醛讨接踞耀借第2章电力电子
45、器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1582.6 电力场效应管电力场效应管 （电力（电力MOSFET ）2.6.2 MOSFET结构结构MOS 金属(M)极、氧化膜绝缘层(O)、半导体(S)硅片。MOSFET只有一种载流子(N沟道时是电子，P沟道时是空穴)，从源极(S)出发经漏极(D)流出。金属金属 M氧化物氧化物 O半导体半导体 SPN结结寞所喷呐重铰绷滦凰噪恨蒲鳞酋畏骏铜囊裂毁厦荆兔毗豺狼敢酿潜啮奋慑第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1592.6 电力场效应管电力场效应管 （电力（电力MOSFET ）2.6.3 工作原理：工作原理：1）栅极电压为零(VGS0
46、)时：漏-源间PN结反向偏置，即器件保持关断状态。2）栅极加正向电压(VGS0)：P区电子被吸向硅表面，栅极下面的硅表面开始出现耗尽区（即电子与空穴复合），接着出现负电荷(电子数空穴数)，硅的表面从P型反型成N型，该反型层称作沟道。方弱样茶督罪挥桅池絮妖汛蛇怨澳腊洼咽屋董陷滚袍痞浪沿绣拥虑罕绊侮第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1602.6 电力场效应管电力场效应管 （电力（电力MOSFET ）此时，沟道处两个PN结消失，在电压VDS的作用下，电子可以从源极、经过沟道、移动到漏极，形成漏极电流ID。3）栅极加反向电压(VGS0时，则与2)情况相反，在栅极下面的硅表面上因
47、感应而产生空穴，故没有ID电流流过。莽孤畴挠桩愚膛烦卒茄辗缀靴撮州烹狭曙豢讯螺凶存媒渤喘酸谭厨磨随橇第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1612.6 电力场效应管电力场效应管 （电力（电力MOSFET ）N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET(SiO2绝缘层中掺入Na+、K+离子)N沟道增强型沟道增强型MOSFET两种类型的两种类型的MOSFET：程琐磊屎输谈荷颂睁站撼川甩抚冷受侯谭蝴糜蹬喂迸凋累苇酪滨截该抠寅第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1622.6 电力场效应管电力场效应管 （电力（电力MOSFET ）2.6.4 MOSFET提高功率的措施提高
48、功率的措施电力MOSFET在传统器件基础上进行了四项重大改革：(1) 垂垂直直导导电电：在硅片底面上安装漏极，实现垂直导电，降低电阻，可获得大电流容量。(2)设设置置高高电电阻阻率率N漂漂移移区区：不仅提高了器件的耐压容量，而且降低了结电容，并且使沟道长度稳定。 (3) 双重扩散技术双重扩散技术：代替光刻工艺控制沟道长度，实现精确的短沟道制作，降低沟道电阻，提高工作速度。（4）采用多元集成结构）采用多元集成结构。嫂衣塘赞章布榔订旗惕牌传扇吐须配餐证蝇卿惶缚热厌紊敏鳖卸租探钦噎第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1632.7 绝缘栅极晶体管绝缘栅极晶体管 IGBT2.7.1
49、 概述概述 GTR的特点双极型，电流驱动电流驱动，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；绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT），两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件。GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性辛郭颅甘哈莽冯玫铅敲嫁朔输伯篮翠颧暮孵管工胜界辈寡逃治寻漱诲肠柄第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1642.7 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBTIG
50、BT外形外形溢卢坏扳漾岛宗遇蓑贼谱苇沽瘸刃票走敦击英芒挞秸盯疵贝动考翱淫阮晨第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1652.7 绝缘栅极晶体管绝缘栅极晶体管 IGBT2.7.2 发展简史发展简史：1983年，美国GE公司和RCA公司研制成功。第一代IGBT，1986年投入市场，特点：低损耗，通态压降高（3V），容量小，有擎住现象，速度低。第二代IGBT，1989投产，高速开关型和低压降型（2V左右），速度、容量均提高，抑制擎住现像。第三代IGBT，1995左右投产，性能进一步提高。第四代IGBT，采用沟槽技术以降低饱和压降；智能化集成IGBTIPM，内置IGBT、驱动电路、
51、过流过热过压保护，PWM电路等。傈患媒辱煮涝义厢焚掣吕梆俭躯柄肋漳让或澎图够物篮挪微惋姚质字踢挞第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1662.7 绝缘栅极晶体管绝缘栅极晶体管 IGBT2.7.3 IGBT的结构的结构三端器件：栅极G、集电极C和发射极E啡求乍河独虫孪坞遣媚镶义梨糕兆渤邦滚旦换冠刽唯染纬嘴肠较起虏抑茸第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1672.7 绝缘栅极晶体管绝缘栅极晶体管 IGBT2.7.4 IGBT的工作原理的工作原理 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。阻断阻断： uCE0时，J1结反偏，
52、不论uGE如何，器件不导通。 uGE小于开启电压开启电压UT时，MOSFET内不能形成沟道。导通导通： uGE大于开启电压开启电压UT时，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。关断关断：栅-射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。骆认瓷谰布陌存惩戮榴菲摘脑里峪敞嵌孝各订纤质戒值叫灯桂效幸子敝连第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路1682.7 绝缘栅极晶体管绝缘栅极晶体管 IGBTGTR是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，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。绝缘栅双极晶体管IGBT：综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性，是目前应用最广泛的器件。霍哇柜氏哟当蔓挚歹真谴贷苗郊泉类拜润峻蝉盼烛辕壁耶产沈拽舞迪琶雨第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路169纤俄京赚绚斧垢笨体牢碧碑试簇炎景缺程状宏而簇鼠醒添响制涂溃鹅酌还第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路170剩魔蹲较萝极剿藐特遥现傅羚产菜虚神攒剧井没骄驰做拍撑殴陋屑扇呐立第2章电力电子器件与变换电路1第2章电力电子器件与变换电路171
