3电力电子器件解析.pptx

1/73唐钢职工培训唐钢职工培训唐山科技职业技术学院机电系唐山科技职业技术学院机电系王秀芹王秀芹T S K J2/73唐钢职工培训唐钢职工培训T S K J3/73电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路控制电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。电气隔离电气隔离电力电子器件在实际应用中的系统组成图电力电子器件在实际应用中的系统组成图电力电子器件简介电力电子器件简介4/73通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗5/73主主电电路路电电气气设设备备或或电电力力系系统统中中，直直接接承承担担电电能能的的变变换换或或控控制制任任务务的的电路。电路。电电力力电电子子器器件件可可直直接接用用于于处处理理电电能能的的主主电电路路中中，实实现现电电能能的的变变换换或或控制的电子器件。控制的电子器件。电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征:6/73同处理信息的电子器件相比，电力电子器同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：件的一般特征：(1)能处理电功率的大小，即承受电压和电流能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，的能力，是最重要的参数是最重要的参数其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多大多都远大于处理信息的电子器件。都远大于处理信息的电子器件。(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导通时（通态）阻抗很小，接近于（通态）阻抗很小，接近于短路短路，管压降接近，管压降接近于零，而于零，而电流由外电路决定电流由外电路决定；阻断时阻断时（断态）阻抗很大，接近于（断态）阻抗很大，接近于断路断路，电流几乎为，电流几乎为零，而管子零，而管子两端电压由外电路决定两端电压由外电路决定；作电路分析时，为简单起见往往用作电路分析时，为简单起见往往用理想开关理想开关来代替。来代替。7/73(3)实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间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大，这就是电力电电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的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，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。在其工作时一般都要安装散热器。8/73电力电子器件电力电子器件非可控器件非可控器件可控器件可控器件晶体管晶体管门极门极可关断可关断晶闸管晶闸管整流二极管整流二极管普通晶闸管普通晶闸管非自关断器件非自关断器件（半控型）（半控型）自关断器件自关断器件（全控型）（全控型）电力电子器件的分类电力电子器件的分类（按（按信号所控制程度）信号所控制程度）9/73(2)半半控控型型器器件件通通过过控控制制信信号号可可以以控控制制其其导导通通而而不不能控制其关断能控制其关断晶闸管及其大部分派生器件晶闸管及其大部分派生器件(1)非非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电力二极管(3)全全控控型型器器件件通通过过控控制制信信号号既既可可控控制制其其导导通通又又可控制其关断，又称自关断器件可控制其关断，又称自关断器件电力晶体管（电力晶体管（GTR）绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）电力场效应晶体管（电力电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）电力电子器件的分类电力电子器件的分类（按（按信号所控制程度）信号所控制程度）10/73半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2.晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性3.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数4.晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件5.典型全控型器件典型全控型器件 11/73 半控器件半控器件晶闸管晶闸管 晶闸管是晶闸管是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器（可控硅整流器（SCR），以前，以前被简称为可控硅。被简称为可控硅。1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到年美国贝尔实验室发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能承受的由于其能承受的电压和电流容量电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地的应用场合仍然具有比较重要的地位。位。图图1晶闸管及模块晶闸管及模块12/731.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的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管从外形上来看，晶闸管也主要有也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结构两种封装结构。引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制端）门极（控制端）G三个联三个联接端。接端。内部是内部是PNPN四层半导四层半导体结构。体结构。图图2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)外形外形b)结构结构c)电气图形符号电气图形符号 晶闸管的可控性晶闸管的可控性1、晶闸管承受反向阳极电压、晶闸管承受反向阳极电压不论门极承受何种电压，晶闸管处于关断状态不论门极承受何种电压，晶闸管处于关断状态图图32、晶闸管承受正向阳极电压、晶闸管承受正向阳极电压当门极承受正向电压时，晶闸管才能由截止变当门极承受正向电压时，晶闸管才能由截止变为导通为导通图图43、晶闸管导通后、晶闸管导通后门极失去控制作用门极失去控制作用图图54、晶闸管导通后、晶闸管导通后当阳极电压为或使阳极电压反向后，晶闸管关断当阳极电压为或使阳极电压反向后，晶闸管关断图图6晶闸管承受正向阳极电压时，当门极承受正向电压晶闸管承受正向阳极电压时，当门极承受正向电压时，晶闸管才能由截止变为导通时，晶闸管才能由截止变为导通晶闸管导通后门极失去控制作用晶闸管导通后门极失去控制作用晶闸管导通后，当阳极电压为或使阳极电压反向晶闸管导通后，当阳极电压为或使阳极电压反向后，晶闸管关断后，晶闸管关断晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何电晶闸管承受反向阳极电压时，不论门极承受何电压，晶闸管处于关断状态压，晶闸管处于关断状态18/73晶闸管通断规律：晶闸管通断规律：承承受受反反向向电电压压时时，不不论论门门极极是是否否有有触触发发电电流，晶闸管都不会导通。（反向阻断）流，晶闸管都不会导通。（反向阻断）承承受受正正向向电电压压时时，无无门门极极正正向向触触发发电电压压时时处于正向阻断状态。处于正向阻断状态。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（不可控）。（不可控）。要要使使晶晶闸闸管管关关断断，只只有有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（维维持持电电流流IH）以以下下。承承受受正正向向电电压压时时，仅仅在在门门极极有有正正向向触触发发电电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）承承受受反反向向电电压压时时，不不论论门门极极是是否否有有触触发发电电流，晶闸管都不会导通。（流，晶闸管都不会导通。（反向阻断反向阻断）承承受受正正向向电电压压时时，无无门门极极正正向向触触发发电电压压时时处于处于正向阻断正向阻断状态。状态。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（不可控不可控）。）。要要使使晶晶闸闸管管关关断断，只只有有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（维维持持电电流流IH）以以下下。承承受受正正向向电电压压时时，仅仅在在门门极极有有正正向向触触发发电电压的情况下晶闸管才能开通。（压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通正向导通）19/73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升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高结温较高结温较高以上三种情况，因不易控制，难以应用于实践。以上三种情况，因不易控制，难以应用于实践。光直接照射硅片，即光触发光直接照射硅片，即光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好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，称为光控晶闸管。绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管。只只有有门门极极触触发发（包包括括光光触触发发）是是最最精精确确、迅迅速速而可靠的控制手段而可靠的控制手段20/73u2ugIAudRdu2tugtudt图图7晶闸管工作原理晶闸管工作原理将晶闸管等效为一个将晶闸管等效为一个NPNNPN型和型和PNPPNP型管型管P1P2N1N2P2N1V1V2IAIKIG流入电流流入电流IGIb2Ic2=Ib1Ic1图图822/731.晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图图9晶闸管的双晶体管模型及其工晶闸管的双晶体管模型及其工作原理作原理a)双晶体管模型双晶体管模型b)工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，按照晶体管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：式中式中 1和和 2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。23/731.晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后，迅速增大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而，而 1+2是很小的。由上是很小的。由上式式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将将趋近于趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。24/731.晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外除门极触发外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阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高光触发光触发这些情况除了这些情况除了光触发光触发由于可以保证控制电路与由于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。只之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有有门极触发门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。是最精确、迅速而可靠的控制手段。25/732.晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触发电时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通流，晶闸管都不会导通。当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电流触发电流的的情况下晶闸管才能开通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，不论门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和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外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一电流降到接近于零的某一数值以下数值以下。26/732.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正向特性正向特性当当IG=0时，如果在器件两端施加正时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向向电压，则晶闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。只有很小的正向漏电流流过。如果正向电压超过临界极限即如果正向电压超过临界极限即正向正向转折电压转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件器件开通开通。随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增大，的增大，正向转正向转折电压折电压降低，晶闸管本身的压降很小，降低，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。如果门极电流为零，并且阳极电流如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值降至接近于零的某一数值IH以下，则以下，则晶闸管又回到晶闸管又回到正向阻断正向阻断状态，状态，IH称为称为维持电流维持电流。图图10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+27/73随随着着门门极极电电流流幅幅值值的的增增大大，正正向向转转折折电电压压降低降低IG=0时时，器器件件两两端端施施加加正正向向电电压压，正正向向阻阻断断状状态态，只只有有很很小小的的正正向向漏漏电电流流流流过过，正正向向电电压压超超过过临临界界极极限限即即正正向向转转折折电电压压Ubo，则则漏漏电电流急剧增大，器件流急剧增大，器件开通开通导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿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，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右左右导导通通期期间间，如如果果门门极极电电流流为为零零，并并且且阳阳极极电电流流降降至至接接近近于于零零的的某某一一数数值值IH以以下下，则则晶晶闸闸管管又又回回到到正正向向阻阻断断状态。状态。IH称为称为维持电流维持电流。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正向特性正向特性28/732.晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的反的反向特性。向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的只有极小的反向漏电流反向漏电流通过。通过。当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。图图11晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+29/73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上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性30/732.晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性开通过程开通过程由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能是是瞬时瞬时的。的。延迟时间延迟时间td(0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开通时间开通时间tgt=td+tr延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增的增大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都可显著缩短。可显著缩短。图图12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阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%31/732.晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原处的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关断时间关断时间tq=trr+tgr关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果重内如果重新对晶闸管施加新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。图图13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100%反向恢复电反向恢复电流最大值流最大值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA32/73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在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的正正向向峰值电压。峰值电压。2)反反向向重重复复峰峰值值电电压压URRM在在门门极极断断路路而而结结温温为为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通通常常取取晶晶闸闸管管的的UDRM和和URRM中中较较小小的的标标值值作作为为该该器器件件的的额额定定电电压压。选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电电压压为为正常工作时晶闸管所承受峰值电压正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍3.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数33/733)通通态态（峰峰值值）电电压压UTM晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定定倍倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。3.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数34/733.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，电流，一般为几十到几百毫安。一般为几十到几百毫安。结温结温越高，则越高，则IH越小。越小。擎住电流擎住电流IL擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的后，能维持导通所需的最小最小电流。电流。约为约为IH的的24倍倍 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不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流。电流定额：电流定额：35/733.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从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断态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通管误导通 。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大最大通态电流上升率通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。损坏。36/73晶闸管的门极定额晶闸管的门极定额门极触发电流门极触发电流IGTIGT是在室温下，阳极电压直流是在室温下，阳极电压直流6V时使晶闸管由断时使晶闸管由断态转入通态所必需的最小门极电流。态转入通态所必需的最小门极电流。门极触发电压门极触发电压UGTUGT是产生门极触发电流是产生门极触发电流的最小门极电压。的最小门极电压。由于晶闸管门极伏安特性的分散性很大，标准只规由于晶闸管门极伏安特性的分散性很大，标准只规定了定了IGT和和UGT的下限，使用时应注意产品合格证上所列的下限，使用时应注意产品合格证上所列的实测数值。并大于此值，但不应超过其峰值的实测数值。并大于此值，但不应超过其峰值IFGM和和UFGM。门极平均功率。门极平均功率PG（AV）和峰值功率和峰值功率 PGM也不应超也不应超过规定值。过规定值。37/734.晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管快速晶闸管 有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。快速晶闸管的快速晶闸管的开关时间开关时间以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明显改善。明显改善。从从关断时间关断时间来看，普通晶闸管一般为来看，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速微秒，快速晶闸管为晶闸管为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其通态平均电流时不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。的发热效应。38/734.晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管双向晶闸管可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联接接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成。门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特对称的伏安特性性。双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。图图14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 39/734.晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管逆导晶闸管 是将是将晶闸管反并联一个晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向电压反向电压的能力，一的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。图图15逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号b)伏安特性伏安特性 40/734.晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管光控晶闸管是利用一定波长的是利用一定波长的光光照信号照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图16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 41/735典型全控型器件典型全控型器件1.门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管2.电力晶体管电力晶体管3.电力场效应晶体管电力场效应晶体管4.绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管42/735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。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、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。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块43/731.门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件，但晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于电流使其关断，因而属于全控全控型器件型器件。GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO的结构的结构是是PNPN四层半导体结四层半导体结构构。是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个器件，虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的至数百个共阳极的小小GTO元元，这些，这些GTO元的元的阴极阴极和和门门极极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。在一起。图图17GTO的内部结构和电气图形符号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并联单元结构断面示意图c)电气图形符号电气图形符号 44/731.1.门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构结构45/73与晶闸管的相同点与晶闸管的相同点PNPNPNPN四层半导体结构四层半导体结构阳极阳极A A、阴极、阴极K K、门极、门极G G不同点不同点多元功率集成器件内部包含数百多元功率集成器件内部包含数百个小个小GTOGTO元元GTOGTO元阳极共有元阳极共有GTOGTO元阴极、门极在器件内部元阴极、门极在器件内部并联并联阴极呈岛状结构，周围被门极所阴极呈岛状结构，周围被门极所包围，以减小门极和阴极之间的包围，以减小门极和阴极之间的距离。阴极宽度越窄、门极与阴距离。阴极宽度越窄、门极与阴极距离越短（横向电阻小），越极距离越短（横向电阻小），越利于关断。利于关断。46/73GTO导通过程与普通晶导通过程与普通晶闸管相同，闸管相同，如何？如何？只是只是导通时饱和程度较浅、导通时饱和程度较浅、临界饱和状态。临界饱和状态。工作原理工作原理导通：导通：V1、V2饱和饱和 1+21，1+21；关断：关断：V1、V2是不饱和是不饱和的，的，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+21.15GTO导通时导通时 1+21.0547/73GTO关断过程：关断过程：强烈正强烈正反馈反馈门极加负脉冲门极加负脉冲即从门极抽出电流，则即从门极抽出电流，则IB2减小，使减小，使IK和和IC2减小，减小，IC2的减小又使的减小又使IA和和IC1减减小，又进一步减小小，又进一步减小V2的的基极电流。当基极电流。当IA和和IK的减的减小使小使 1+21时，退出饱时，退出饱和而关断。和而关断。工作原理工作原理48/731.门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时只不过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流出电流，当两个晶体管发射极电流IA和和IK的的减小使减小使 1+21时，器件退出时，器件退出饱和饱和而关断。而关断。GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。49/732.电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（GTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的大电流的双极结型晶体管（双极结型晶体管（BJT）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。样的。最主要的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关开关特性好。特性好。50/73GTR的结构的结构采用至少由两个晶体管按采用至少由两个晶体管按达林顿接法达林顿接法组成的单元结构，并采用集组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元成电路工艺将许多这种单元并联并联而成。而成。GTR是由是由三层半导体三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。结构。2.电力晶体管电力晶体管图图GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图b)电气图形符号电气图形符号c)内部载流子的流动内部载流子的流动+表示高表示高掺杂浓掺杂浓度，度，-表表示低掺示低掺杂浓度杂浓度51/732.电力晶体管电力晶体管空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib图图c)内部载流子的流动内部载流子的流动 在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接一般采用共发射极接法。集电极电流法。集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的的电流放大系数电流放大系数，它反映，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，时，ic和和ib的关系为的关系为单管单管GTR的的 值比处理信息用的小功值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为率晶体管小得多，通常为10左右，采用左右，采用达林顿接法达林顿接法可以有效地增大电流增益。可以有效地增大电流增益。52/732.电力晶体管电力晶体管GTR的基本特性的基本特性静态特性静态特性在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。在电力电子电路中，在电力电子电路中，GTR工作在工作在开关状态开关状态，即工，即工作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时，一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2UT（UT为开启电压或阈值为开启电压或阈值电压）时，漏极和源极导电，流过漏电压）时，漏极和源极导电，流过漏极电流。极电流。61/73绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT显著优点：显著优点：它将它将MOSFET和和GTR的优点集于一身，的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功耐压高、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、热稳定性好率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好 。中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电流容量的不断升高，有进一步取代流容量的不断升高，有进一步取代GTO的趋势的趋势 。62/731 1 结构和工作原理结构和工作原理N沟道沟道MOSFET与双极型晶体管复合而成与双极型晶体管复合而成；以；以GTR为主导元件、为主导元件、N沟道沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结为驱动元件的达林顿结构。等效电路中构。等效电路中Rdr是是GTR基区内的扩展电阻。基区内的扩展电阻。63/73IGBT的开通与关断由栅极电压控制。以的开通与关断由栅极电压控制。以N沟道沟道IGBT为为例，栅极施以正电压时，例，栅极施以正电压时，MOSFET内形成导电沟道，为内形成导电沟道，为PNP晶体管提供基极电流，晶体管提供基极电流，IGBT导通。在栅极施以负导通。在栅极施以负压时，压时，MOSFET内导电沟道消失，内导电沟道消失，PNP晶体管无基极电晶体管无基极电流，流，IGBT关断。关断。64/732 2 特性特性静态特性静态特性输出特性输出特性以栅射电压以栅射电压UGE为参变量，反为参变量，反映集电极电流映集电极电流IC与集电极、发射极电压与集电极、发射极电压UCE间关系的曲线族间关系的曲线族65/73当当UGEUT时，时，IGBT处于放大区。集电极电流处于放大区。集电极电流I IC C大小大小几乎不随几乎不随u uCECE而变化，其大小取决于而变化，其大小取决于u uGEGE，正常情况下，正常情况下不会进入击穿区。不会进入击穿区。67/73当当UGEUT，集电极电流，集电极电流I IC C与与u uCECE成线性关系，不随成线性关系，不随u uGEGE而变化，而变化，IGBT处于饱和区，导通压降较小。处于饱和区，导通压降较小。UT=26V，UGE=15V器件优点缺点应用领域GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题UPS、空调等中小功率中频场合GTO电压、电流容量很大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。MOSFET开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿电流容量小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品IGBT开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代GTR。应用最广泛的电力电子器件。69/736其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件6.1.MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT6.2.静电感应晶体管静电感应晶体管SIT6.3.静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH6.4.集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT6.5.基于宽禁带半导体材料的电力电子器件基于宽禁带半导体材料的电力电子器件6.6功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块本章小结本章小结70/736.1.MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT是将是将MOSFET与与晶闸管晶闸管组合而成的复合型器组合而成的复合型器件。件。结合了结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点。压降的特点。由数以万计的由数以万计的MCT元元组成，每个元的组成为：组成，每个元的组成为：一个一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量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。都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。71/736.2.静电感应晶体管静电感应晶体管SIT是一种是一种结型场效应晶体管结型场效应晶体管。是一种是一种多子导电多子导电的器件