电力电子技术第一章2012.pptx

-1-电力工程系电力工程系1.1 1.1 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 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型1.1.3 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 1.1.4 电力电子器件的应用领域电力电子器件的应用领域-2-电力工程系电力工程系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.概念概念主电路主电路在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。在电气设备中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件电力电子器件直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。或控制的电子器件。广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专指广义上可分为：电真空器件和半导体器件两类，目前专指功功率半导体器件率半导体器件。-3-电力工程系电力工程系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2.2.特征特征承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。-4-电力工程系电力工程系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电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成-5-电力工程系电力工程系1.1.2 1.1.2 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型-6-电力工程系电力工程系1.1.2 1.1.2 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型-7-电力工程系电力工程系1.1.2 1.1.2 电力电子器件的基本类型电力电子器件的基本类型单极型器件：单极型器件：没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载流没有少数载流子的注入和存储，开关过程中不存在两种载流子的复合问题，因而子的复合问题，因而工作频率很高工作频率很高。双极型器件：双极型器件：由于具有电导调制效应，使其由于具有电导调制效应，使其导通压降低导通压降低、导通损耗小。、导通损耗小。电流型器件：电流型器件：输入阻抗低，输入阻抗低，驱动功率较大驱动功率较大，电路也较复杂。，电路也较复杂。电压型器件：电压型器件：输入阻抗很高，输入阻抗很高，驱动功率小驱动功率小，驱动电路简单。，驱动电路简单。-8-电力工程系电力工程系1.1.3 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。最初是单管结构、分立器件，结构松散、体积大、可靠性最初是单管结构、分立器件，结构松散、体积大、可靠性差、成本高；差、成本高；电力电子器件的模块化与集成化：结构紧凑、体积小、可电力电子器件的模块化与集成化：结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低靠性高、成本低-9-电力工程系电力工程系1.1.3 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件的模块化与集成化功率模块功率模块由若干功率开关器件与快速二极管组合而成由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块单片集成式模块功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片智能功率模块智能功率模块将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子器件集成器件集成-10-电力工程系电力工程系表表1-1 1-1 电力电子器件电力电子器件类类 型型名称名称出现时间出现时间电气符号电气符号分分立立器器件件不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管(Power Diode)1955半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管(Thyristor)1958全全控控型型器器件件电流控电流控制器件制器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)1964电力晶体管电力晶体管(GTR)1975电压控电压控制器件制器件电力场效应晶体管电力场效应晶体管(Power MOSFET)1975绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)1985MOS控制晶闸管控制晶闸管(MCT)1992集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管(IGCT)1996集成模块集成模块功率集成模块功率集成模块(PIC)1981-11-电力工程系电力工程系1.1.4 1.1.4 电力电子器件的应用领域电力电子器件的应用领域电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域-12-电力工程系电力工程系1.2 1.2 电力二极管电力二极管Power Diode，自，自20世纪世纪50年代初期获得应用，也被称年代初期获得应用，也被称为半导体整流器；为半导体整流器；其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导体样的，都以半导体PN结为基础，实现正向导通、反向结为基础，实现正向导通、反向截止的功能；截止的功能；结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备结构和原理简单，工作可靠，广泛应用于电力电子设备当中。当中。-13-电力工程系电力工程系1.2 1.2 电力二极管电力二极管1.2.1 PN1.2.1 PN结的工作原理结的工作原理1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性 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-14-电力工程系电力工程系1.2.1 PN1.2.1 PN结的工作原理结的工作原理二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的单向导电性结的单向导电性正向导通状态：正向导通状态：正向偏置时，表现为低阻态；正向偏置时，表现为低阻态；反向截止状态：反向截止状态：反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流；反向偏置时，表现为高阻态，只有漏电流；反向击穿：反向击穿：当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏破坏PN结的反向截止工作状态。结的反向截止工作状态。雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复；雪崩击穿和齐纳击穿，可恢复；热击穿，热击穿，PN结因过热而烧毁。结因过热而烧毁。-15-电力工程系电力工程系电力二极管的外形、结构和电气电力二极管的外形、结构和电气 图形符号图形符号 a)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气图形符号电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)AK1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性结构：结构：电力二极管是由一个面积较电力二极管是由一个面积较大的大的PNPN结和两端引线以及封结和两端引线以及封装组成的。装组成的。外形：外形：螺栓型、平板型等多种封装。螺栓型、平板型等多种封装。-16-电力工程系电力工程系1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性-17-电力工程系电力工程系1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性-18-电力工程系电力工程系1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性静态伏安特性：静态伏安特性：正正向向电电压压大大于于门门槛槛电电压压UTO 时时，正正向向电电流流才才开开始始明明显显增增加加，处处于于稳稳定定导导通通状态。状态。与与IF对应的电压即为其管压降对应的电压即为其管压降UF。承承受受反反向向电电压压时时，只只有有少少子子引引起起微微小小的反向漏电流。的反向漏电流。I0IFUTOUFU电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性静态特性：静态特性：主要指其伏安特性；主要指其伏安特性；动态特性：动态特性：反映反映开通或关断过程开通或关断过程中电压中电压电流随时间变电流随时间变化的动态特性。化的动态特性。-19-电力工程系电力工程系a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFd td iRd t电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a)a)正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性动态特性动态特性：开通和关断过程：开通和关断过程反向恢复（关断）过程反向恢复（关断）过程 须经过一段短暂的时间才能重新须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状获得反向阻断能力，进入截止状态。态。关断之前有较大的反向电流，并关断之前有较大的反向电流，并伴随有明显的反向电压过冲。伴随有明显的反向电压过冲。反向恢复时间：反向恢复时间：trr=td+tf延迟时间延迟时间td，电流下降时间，电流下降时间tf-20-电力工程系电力工程系1.2.2 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性电力二极管的结构与基本特性正向恢复过程正向恢复过程先出现一个过冲先出现一个过冲UFP，经过一段，经过一段时间才趋于接近稳态压降。时间才趋于接近稳态压降。正向恢复时间正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因：电导调制出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用所需的大量少子需要效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。生较大压降。电流上升率越大，电流上升率越大，UFP越高。越高。UFPuiiFuFtfrt02V电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b)b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 -21-电力工程系电力工程系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正向平均电流正向平均电流IF在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。弦半波电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定的裕相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定的裕量。量。正向压降正向压降UF电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。-22-电力工程系电力工程系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反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。23倍裕量。倍裕量。反向漏电流反向漏电流最高工作结温最高工作结温反向恢复时间反向恢复时间浪涌电流浪涌电流-23-电力工程系电力工程系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普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（又称整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关频率不高），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在其反向恢复时间较长，一般在5 s以上以上。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。-24-电力工程系电力工程系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快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5 s以下）以下），但通态压降较高。，但通态压降较高。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，后者则在恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达以下，甚至达到到2030ns。-25-电力工程系电力工程系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肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）金属和半导体接触形成势垒，属于多子器件金属和半导体接触形成势垒，属于多子器件优点：反向恢复时间很短（优点：反向恢复时间很短（1040ns），其开关损耗和正向），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。导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。缺点：多用于缺点：多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对以下的低压场合；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。限制其工作温度。-26-电力工程系电力工程系1.3 1.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件晶闸管的诞生：晶闸管的诞生：1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管；年美国贝尔实验室发明了晶闸管；1957年美国年美国GE公司开发出第一只晶闸管产品，并于公司开发出第一只晶闸管产品，并于1958年年使其商业化。使其商业化。最最早早称称作作可可控控硅硅整整流流器器（Silicon Controlled RectifierSCR），简称为可控硅；后来更名为晶闸管），简称为可控硅；后来更名为晶闸管（Thyristor）。应用：应用：电压和电流容量最高（电压和电流容量最高（8kV/6kA、12kV/1kA），且成本低、），且成本低、可靠性高，在大容量的应用场合仍有重要地位。可靠性高，在大容量的应用场合仍有重要地位。-27-电力工程系电力工程系 1.3 1.3 晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 1.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件-28-电力工程系电力工程系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.结构结构 四层半导体结构，三个四层半导体结构，三个PN结；结；阳极阳极A、阴极、阴极K和门极和门极G（控（控制端）三个端子。制端）三个端子。属于电流驱动、双极型、半属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等效为可控的控型器件，可等效为可控的单向导电开关。单向导电开关。a)a)结构结构 b)b)电气符号电气符号 -29-电力工程系电力工程系 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2.2.外形外形:螺栓型螺栓型 模块型模块型 平板型平板型 散热器散热器 -30-电力工程系电力工程系 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晶闸管阀晶闸管阀 -31-电力工程系电力工程系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3.3.工作原理工作原理反向承受一定电压，反向承受一定电压，J1、J3反偏，处于阻断（截止）状态；反偏，处于阻断（截止）状态；正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：u高阻抗的阻断工作状态；高阻抗的阻断工作状态；u低阻抗的导通工作状态。低阻抗的导通工作状态。-32-电力工程系电力工程系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双晶体管双晶体管模型：模型：视为视为PNP型晶体管型晶体管(V1)和和NPN型晶型晶体三极管体三极管(V2)互连构成互连构成。正反馈过程：正反馈过程：触发后，晶闸管内部形成触发后，晶闸管内部形成了强烈的正反馈；了强烈的正反馈；撤掉触发信号，晶闸管仍撤掉触发信号，晶闸管仍然能维持导通状态。然能维持导通状态。3.3.工作原理工作原理-33-电力工程系电力工程系由晶闸管等效电路可得：由晶闸管等效电路可得：IC1=a1IA+ICBO1 (1-1)IC2=a2IK+ICBO2 (1-2)IK=IA+IG (1-3)IA=IC1+IC2 (1-4)a1和和a2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2 的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。(1-5)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由式（由式（1-1）式（式（1-4）得：）得：-34-电力工程系电力工程系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IG=0，(12)很小，晶闸很小，晶闸管的阳极电流管的阳极电流 IAICBO。从门极注入电流从门极注入电流IG，当，当(12)1时，时，IA，晶闸，晶闸管饱和导通，流过晶闸管的管饱和导通，流过晶闸管的电流由实际电路所决定。电流由实际电路所决定。晶体管的电流放大系数与发射极电流的关系晶体管的电流放大系数与发射极电流的关系-35-电力工程系电力工程系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3.3.工作原理工作原理导通条件：承受正向电压，门极有触发信号导通条件：承受正向电压，门极有触发信号特点：特点：“一触即发一触即发”，具有自锁、掣住效应。，具有自锁、掣住效应。u晶晶闸闸管管一一旦旦导导通通，门门极极就就失失去去控控制制作作用用，即即使使去去除除门门极极触触发发信信号，仍然维持导通。号，仍然维持导通。关关断断方方法法：需需使使晶晶闸闸管管的的电电流流降降到到接接近近于于零零的的某某一一数数值值（维维持电流）以下，通常采取加反向电压的方法。持电流）以下，通常采取加反向电压的方法。-36-电力工程系电力工程系1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数1.静态伏安特性静态伏安特性第第象限是正向特性象限是正向特性第第象限是反向特性象限是反向特性IG2IG1 IG-37-电力工程系电力工程系1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数IG=0时，为正向阻断状态，只有很时，为正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超小的正向漏电流流过，正向电压超过正向转折电压过正向转折电压UDB时，器件非正常时，器件非正常导通。导通。随着门极电流随着门极电流IG幅值的增大，正向转幅值的增大，正向转折电压降低。折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，约晶闸管本身的压降很小，约1V左右。左右。正向特性：正向特性：IG2IG1 -38-电力工程系电力工程系1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数l类似二极管的反向特性。类似二极管的反向特性。l只有极小的反向漏电流流过。只有极小的反向漏电流流过。l当当反反向向电电压压超超过过一一定定限限度度，到到反反向向击击穿穿电电压压URB后后，外外电电路路如如无无限限制制措措施施，则则反反向向漏漏电电流流急急剧剧增增加加，导导致致晶晶闸闸管管反向击穿、损坏。反向击穿、损坏。反向特性：反向特性：-39-电力工程系电力工程系1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数UDB/URB ：正向正向/反向转折电压反向转折电压；UDSM/URSM：正向正向/反向断态不重复反向断态不重复峰值电压峰值电压；UDRM/URRM ：正向正向/反向重复峰值反向重复峰值电压电压；u不重复峰值电压：不重复峰值电压：不造成正向转折不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一般不允和反向击穿的最大电压，一般不允许多次施加。许多次施加。u重复峰值电压：重复峰值电压：晶闸管在开通和关晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的最断的过渡过程中，可重复经受的最大瞬时电压。大瞬时电压。2.静态参数静态参数-40-电力工程系电力工程系 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数2.静态参数静态参数额定电压：额定电压：取正、反向不重复峰值电压的取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向作为正、反向重复峰值电压，取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶重复峰值电压，取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。闸管的额定电压。电压裕度：电压裕度：一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。倍。正向通态电压正向通态电压：晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压降，也称管压降，反映了器件的通态损耗特性。降，也称管压降，反映了器件的通态损耗特性。-41-电力工程系电力工程系 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数2.静态参数静态参数额定电流（通态平均电流）额定电流（通态平均电流）：晶闸管在环境温度为：晶闸管在环境温度为40 C和和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过规定的冷却条件下，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。的最大工频正弦半波电流的平均值。选择晶闸管的原则：选择晶闸管的原则：有效值相等的原则有效值相等的原则，通常需要根据电流，通常需要根据电流波形，做平均值与有效值的换算。波形，做平均值与有效值的换算。u正弦半波波形系数（有效值与平均值之比）为正弦半波波形系数（有效值与平均值之比）为1.57。u计算计算1/4正弦波和正弦波和180方波的波形系数？方波的波形系数？电流裕度：电流裕度：考虑到散热条件、过载现象，取考虑到散热条件、过载现象，取1.52倍的裕度。倍的裕度。-42-电力工程系电力工程系 1.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数晶闸管的基本特性及主要参数2.静态参数静态参数维维持持电电流流 IH：晶晶闸闸管管维维持持导导通通所所必必需需的的最最小小电电流流。若若晶晶闸闸管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。掣掣住住电电流流IL：晶晶闸闸管管刚刚从从断断态态转转入入通通态态并并移移除除触触发发信信号号后后，能能维维持持其其导导通通所所必必需需的的最最小小阳阳极极电电流流。对对同同一一晶晶闸闸管管来来说说，通常通常IL 约为约为 IH 的的24倍。倍。IL是晶闸管的临界开通电流，是晶闸管的临界开通电流，若若IA1；关断：关断：V1、V2不饱和，不饱和，1+21；临界饱和：临界饱和：1+21；晶闸管导通时晶闸管导通时 1+21.15；GTO 导通时导通时 1+21.05。-58-电力工程系电力工程系1.4.1 GTO1.4.1 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理3.工作原理工作原理关断过程关断过程强烈正反馈过程强烈正反馈过程门极加负门极加负脉冲，即从门极抽出电流，则脉冲，即从门极抽出电流，则当当IA和和IK的减小使的减小使 1+21时，时，退出饱和而关断。退出饱和而关断。-59-电力工程系电力工程系1.4.2.GTO1.4.2.GTO的动态特性的动态特性开通特性：开通特性：与普通晶与普通晶闸管类似，开通时间闸管类似，开通时间ton由延迟时间由延迟时间td和上升和上升时间时间tr组成组成。关断过程：关断过程：则与晶闸则与晶闸管有所不同，可用管有所不同，可用3个个不同的时间来表示，不同的时间来表示，即存储时间即存储时间ts、下降时、下降时间间tf及尾部时间及尾部时间tt -60-电力工程系电力工程系1.4.2.GTO1.4.2.GTO的动态特性的动态特性存储时间存储时间ts：依靠门极负脉冲电压从门极抽出导通时存储的大量载流子，依靠门极负脉冲电压从门极抽出导通时存储的大量载流子，晶体管饱和深度变浅。晶体管饱和深度变浅。下降时间下降时间tf：继续从门极抽出电流，阳极电流逐渐减小，当继续从门极抽出电流，阳极电流逐渐减小，当1+21后，内后，内部正反馈停止而使部正反馈停止而使GTO退出饱和。退出饱和。尾部时间尾部时间tt：残留载流子复合时间。残留载流子复合时间。-61-电力工程系电力工程系1.4.3.GTO1.4.3.GTO的主要参数的主要参数许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流。由门极可靠关断为决定条件的最大阳极电额定电流。由门极可靠关断为决定条件的最大阳极电流，避免流，避免GTO处于深度饱和状态，导致门极关断失败。处于深度饱和状态，导致门极关断失败。电流关断增益电流关断增益 off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。数之比。数值低：值低：45，主要缺点。，主要缺点。boff=ATOIGM_I-62-电力工程系电力工程系 1.5 1.5 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管(Giant Transistor)，又称双结晶体管，又称双结晶体管（Bipolar Junction Transistor-BJT），产生于），产生于70年代。年代。高压大功率领域主要是高压大功率领域主要是NPN结构，其基本原理是通过控结构，其基本原理是通过控制基极电流来控制集电极电流的通断。制基极电流来控制集电极电流的通断。属于电流驱动、双极型、全控器件。属于电流驱动、双极型、全控器件。相对于相对于GTO优点：驱动控制方便、开关时间短等优点。优点：驱动控制方便、开关时间短等优点。主要应用：交流电机调速、不间断电源（主要应用：交流电机调速、不间断电源（UPS）以及家用）以及家用电器等中小容量的变流装置中。电器等中小容量的变流装置中。-63-电力工程系电力工程系 1.5.1 GTR 1.5.1 GTR的结构的结构三层半导体两个三层半导体两个PN结构。结构。在重掺杂的在重掺杂的N+半导体衬底上设半导体衬底上设置轻掺杂的置轻掺杂的N-区，提高器件耐区，提高器件耐压能力。压能力。基极与发射极在一个平面上成基极与发射极在一个平面上成交叉指型，提高器件电流能力。交叉指型，提高器件电流能力。达林顿管：达林顿管：电流增益提高、但电流增益提高、但饱和压降增加、开关速度降低。饱和压降增加、开关速度降低。采用集成电路工艺将许多达林采用集成电路工艺将许多达林顿单元并联而成模块。顿单元并联而成模块。达林顿管达林顿管-64-电力工程系电力工程系 1.5.2 GTR 1.5.2 GTR的特性的特性共射极接法，截止区共射极接法，截止区、放大、放大区区、临界饱和区、临界饱和区和深饱和深饱和区和区。器件作为开关应用时，其工器件作为开关应用时，其工作只稳定在作只稳定在截止区和饱和区截止区和饱和区两个状态，但在开关过程中两个状态，但在开关过程中要经过放大区的过渡。要经过放大区的过渡。要使驱动电流足够大，要使驱动电流足够大，避免避免GTR工作于线性区工作于线性区，否则功，否则功耗将会很大。为什么？耗将会很大。为什么？1.1.静态特性静态特性-65-电力工程系电力工程系 1.5.2 GTR 1.5.2 GTR的特性的特性开通过程开通过程 延迟时间延迟时间td和上升时间和上升时间tr之之和为开通时间和为开通时间ton。增大基极驱动电流增大基极驱动电流ib的幅值的幅值并增大并增大dib/dt，可以加快开，可以加快开通过程。通过程。关断过程关断过程 储存时间储存时间ts和下降时间和下降时间tf之和之和为关断时间为关断时间toff。减小导通时的饱和深度，或减小导通时的饱和深度，或者增大基极抽取负电流者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可以加快的幅值和负偏压，可以加快关断速度。关断速度。GTR的开关时间在几微秒以内。的开关时间在几微秒以内。2.2.动态特性动态特性-66-电力工程系电力工程系 1.6 1.6 功率场效应晶体管功率场效应晶体管功率场效应晶体管功率场效应晶体管(Power MOSFET)，FET：场效应晶体管，：场效应晶体管，MOS：金属、氧化物、半导体：金属、氧化物、半导体单极型、电压控制器件单极型、电压控制器件，通过栅极电压来控制漏极电流。，通过栅极电压来控制漏极电流。显著优点：驱动电路简单，驱动功率小，同时开关速度快显著优点：驱动电路简单，驱动功率小，同时开关速度快（开关时间（开关时间10100ns），工作频率可达），工作频率可达MHz，不存在二次，不存在二次击穿问题；击穿问题；缺点：电流容量小，耐压低，通态压降大。缺点：电流容量小，耐压低，通态压降大。功率场效应晶体管适用于开关电源、高频感应加热等高频场功率场效应晶体管适用于开关电源、高频感应加热等高频场合，但不适用于大功率装置。合，但不适用于大功率装置。-67-电力工程系电力工程系 1.6 1.6 功率场效应晶体管功率场效应晶体管1.6.1 1.6.1 结构和工作原理结构和工作原理1.6.2 1.6.2 特性特性 1.6.3 1.6.3 参数参数-68-电力工程系电力工程系1.6.1 P1.6.1 Power MOSFETower MOSFET的的结构和工作原理结构和工作原理MOSFET种类种类增强型增强型 UGS=0时，无导电沟道，时，无导电沟道，ID=0耗尽型耗尽型 UGS=0时，存在导电沟道时，存在导电沟道结型结型静电感应晶体管静电感应晶体管种类种类P沟道沟道 空穴空穴N沟道沟道 电子电子绝缘栅型绝缘栅型功率功率MOSFET垂直导电垂直导电利用利用V型槽实现垂直导电型槽实现垂直导电VVMOSFET具有垂直导电双扩散具有垂直导电双扩散MOS结构结构VDMOSFET小功率小功率MOS横向导电横向导电-69-电力工程系电力工程系1.1.结构结构DGSN沟道沟道DSGP沟道沟道多元功率集成器件多元功率集成器件无二次击穿，宽安全工作区无二次击穿，宽安全工作区1.6.1 P1.6.1 Power MOSFETower MOSFET的的结构和工作原理结构和工作原理-70-电力工程系电力工程系1.6.1 P1.6.1 Power MOSFETower MOSFET的的结构和工作原理结构和工作原理2 2.工作原理工作原理无反向阻断能力无反向阻断能力当当UDS0）截止）截止当当UGS=0时，时，P基区与基区与N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PN结结J1反偏，反偏，漏源极之间无电流流过。漏源极之间无电流流过。J1-71-电力工程系电力工程系1.6.1 P1.6.1 Power MOSFETower MOSFET的的结构和工作原理结构和工作原理2 2.工作原理工作原理正向（正向（UDS0）导通）导通当当UGS0时，正电压会将时，正电压会将P区中的空穴区中的空穴 推开，而将推开，而将P区中的少子区中的少子电子吸引电子吸引 到栅极下面的到栅极下面的P区表面。区表面。当当UGSUT时，使时，使P型半导体反型成型半导体反型成N型半导体，形成型半导体，形成N沟道而使沟道而使PN结结J1消失，漏极和源极导电。消失，漏极和源极导电。UT称为开启电压（或阈值电压），称为开启电压（或阈值电压），UGS超过超过UT越多，越多，导电能力越强，漏极电流导电能力越强，漏极电流ID越大。越大。-72-电力工程系电力工程系1.6.1 P1.6.1 Power MOSFETower MOSFET的的结构和工作原理结构和工作原理2 2.工作原理工作原理不存在少子储存效应，因而其关断非常迅速。不存在少子储存效应，因而其关断非常迅速。开关时间在开关时间在10100ns之间，其工作频率可达之间，其工作频率可达100kHz以上，是电以上，是电力电子器件中最高的。力电子器件中最高的。在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。-73-电力工程系电力工程系1.6.2 Power MOSFET1.6.2 Power MOSFET的特性的特性漏极伏安特性：截止区漏极伏安特性：截止区I 、线、线性导电区性导电区II、饱和恒流区、饱和恒流区III 、雪崩击穿区、雪崩击穿区IV。工作在开关状态，即在截止区工作在开关状态，即在截止区I和非饱和区和非饱和区II之间来回转换。之间来回转换。漏源极之间有一个与漏源极之间有一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。反向并联的寄生二极管。通态电阻具有正温度系数，对通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。器件并联时的均流有利。1.1.静态特性静态特性输出特性输出特性-74-电力工程系电力工程系1.6.2 Power MOSFET1.6.2 Power MOSFET的特性的特性指漏极电流指漏极电流ID和栅源间电压和栅源间电压UGS的关系，反映了输入电压的关系，反映了输入电压和输出电流的关系和输出电流的关系。ID较大时，较大时，ID与与UGS的关系近的关系近似线性，曲线的斜率被定义为似线性，曲线的斜率被定义为 MOSFET的跨导的跨导Gfs，即，即是电压控制型器件，其输入阻是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。抗极高，输入电流非常小。1.1.静态特性静态特性转移特性转移特性-75-电力工程系电力工程系1.6.2 Power MOSFET1.6.2 Power MOSFET的特性的特性开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on)、电流上升电流上升时间时间tr、电压下降时间电压下降时间tfv 开通时间开通时间ton=td(on)+tr+tfv 关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)、电压上升电压上升时间时间trv、电流下降时间电流下降时间tfi 关断时间关断时间toff=td(off)+trv+tfi2.2.动态特性动态特性MOSFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，可以降低栅极驱动电路的内阻可以降低栅极驱动电路的内阻Rs，从而减小栅极回路的充，从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。放电时间常数，加快开关速度。-76-电力工程系电力工程系1.6.3 Power MOSFET1.6.3 Power MOSFET的参数的参数跨导跨导Gfs、开启电压、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。以及开关过程中的各时间参数。漏极电压漏极电压UDS：额定电压。：额定电压。漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM：额定电流。：额定电流。栅源电压栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，：栅源之间的绝缘层很薄，UGS 20V将导致绝将导致绝缘层击穿。缘层击穿。极间电容：极间电容：CGS、CGD和和CDS。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MOSFET的安全工作区。的安全工作区。-77-电力工程系电力工程系 1.7 1.7 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor），），是一种复合型、电压控制器件。是一种复合型、电压控制器件。美国美国GE公司和公司和RCA公司于公司于1983年首先研制，年首先研制，500V/20A，90年代开始广泛应用，目前已出现第六代年代开始广泛应用，目前已出现第六代IGBT。显著优点：它将显著优点：它将MOSFET和和GTR的优点集于一身，耐压的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好。二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好。中小功率电力电子设备的