3电力电子器件.pptx

1/79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 J2/79唐钢职工培训唐钢职工培训T S K J3/79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4/79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5/79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:6/79 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。7/79(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。8/79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）9/79(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）10/79 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 11/79 半控器件半控器件晶闸管晶闸管 图图1 晶闸管及模块晶闸管及模块晶闸管晶闸管(别名：别名：可控硅可控硅 )它是它是一种一种大功率半导体器件，出现于大功率半导体器件，出现于7070年代。它年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。体积小、重量轻、无噪声、寿命长、体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容容量大（正向平均电流达千安、正向耐压量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。达数千伏）。特点特点:12/79应用领域：应用领域：逆变逆变 整流整流 （交流（交流直流）直流）斩波斩波（直流（直流交流）交流）变频变频（交流（交流交流）交流）（直流（直流直流）直流）此外还可作无触点开关等此外还可作无触点开关等13/79一、晶闸管的结构和工作原理一、晶闸管的结构和工作原理AGKJ1J2J3AKGPNPN阳极阳极阴极阴极控制极控制极符号符号1.1.晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号结构结构晶闸管是一种晶闸管是一种大功率的半导大功率的半导体器件。其内体器件。其内部结构为：部结构为：四层半导体，四层半导体，三个三个 PN结结。文字符号为文字符号为VTVT VT14/792.2.晶闸管的导通原理晶闸管的导通原理PNPNKGAA(PNP)(NPN)K GV2V1APNPNP NKG 为了说明晶闸管的导通原理为了说明晶闸管的导通原理,将晶闸管等效为由将晶闸管等效为由V1(NPN型型)和和V2(PNP型型)两个三极管联接而成两个三极管联接而成,每个每个三极管的基极与另一个三极管的集电极相联。三极管的基极与另一个三极管的集电极相联。从中可以看出无论从中可以看出无论A，K之间如何加电压，晶闸之间如何加电压，晶闸管都不通。管都不通。P1P2N1N2P2N1V1V2IAIKIG流入电流流入电流IGIb2Ic2=Ib1Ic1图图82.2.晶闸管的导通原理晶闸管的导通原理16/79 IG+IC2 流入流入V1的基极作再次放大的基极作再次放大,如此循环形成强正反馈如此循环形成强正反馈 ,很快使很快使V1和和V2达到饱和导通。达到饱和导通。但同时加入电源但同时加入电源EA和和EG后后,使晶闸管的阳极和控制极均加使晶闸管的阳极和控制极均加正向电压正向电压,因而因而V1正偏导通正偏导通,IG=IB1,而而IC1=1IB1即是即是 IB2,EGKGV2V1AREAIG 1IB1 1 2IB1A(PNP)(NPN)KGV2V1 此时此时,若去掉若去掉触发电压触发电压,晶闸管仍可依靠正反馈维持晶闸管导通晶闸管仍可依靠正反馈维持晶闸管导通,控制极控制极失去作用。失去作用。经经PNP管管V2 作进一步放大作进一步放大,形成集电极电流形成集电极电流 IC2=1 2IB1,IB117/79工作原理说明工作原理说明UAK 0，的同时，的同时 UGK0 V1导通导通V2导通导通形成正反馈形成正反馈晶闸管迅速导通。晶闸管迅速导通。V1进一步导通进一步导通晶闸管单加正向电压时不导通，只有在晶闸管单加正向电压时不导通，只有在18/79晶闸管开始工作时晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，加反向电压，或不加触发信号（即或不加触发信号（即UGK=0）；）；晶闸管导通后，晶闸管导通后，UGK，去掉去掉依靠正反馈，依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；晶闸管仍维持导通状态；晶闸管截止的条件：晶闸管截止的条件：（1）（2）晶闸管正向导通后，令其截止，必须晶闸管正向导通后，令其截止，必须减小减小UAK，或加大回路电阻，使晶闸管，或加大回路电阻，使晶闸管中电流的正反馈效应不能维持。中电流的正反馈效应不能维持。19/79晶闸管具有单向导电性晶闸管具有单向导电性（正（正晶闸管一旦导通，控制极失去作用晶闸管一旦导通，控制极失去作用。若使其关断，必须降低若使其关断，必须降低UAK或加大回路电阻，把阳极或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。电流减小到维持电流以下。向导通条件：向导通条件：A、K间加正向间加正向 电压，电压，G、K间加触发信号）；间加触发信号）；结论结论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25/79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）26/79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27/79u2ugIAudRdu2tugtudt图图728/79 1.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。29/79二、晶闸管的特性与参数二、晶闸管的特性与参数CBA0IHIU导通导通IG=0IG1IG2阻断阻断UBRIRIG增加增加UBO反向特性反向特性正向特性正向特性UBO 正向转折电压正向转折电压UBR 反向转折电压反向转折电压IG 触发电流触发电流IH 维持电流维持电流 晶闸管的晶闸管的晶闸管的晶闸管的导通条件：导通条件：导通条件：导通条件：阳极和阴极间加阳极和阴极间加正向电压；正向电压；控制极和阴极间加控制极和阴极间加正向触正向触 发电压。发电压。两个条件必两个条件必须同时满足须同时满足1.伏安特性伏安特性30/79CBA0IHIUIG=0IG1IG2UBRIRUBO31/79正向特性：正向特性：控制极开路时，随控制极开路时，随U UAKAK的加大，阳极电流逐渐的加大，阳极电流逐渐增加。当增加。当U =UU =UBOBO时，晶闸管自动导通。正常工作时，时，晶闸管自动导通。正常工作时，U UAKAK应小于应小于 U UBOBO。U UBOBO：断态不重复峰值电压：断态不重复峰值电压，又称正向转折电压。，又称正向转折电压。特性说明特性说明U U-阳极、阴极间的电压阳极、阴极间的电压I I-阳极电流阳极电流反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当稍有增加，当U=UU=UBRBR 时，反向极击穿。正常时，反向极击穿。正常工作时，反向电压必须小于工作时，反向电压必须小于U UBRBR。U UBRBR ：反向不重复峰值电压：反向不重复峰值电压。0IHIUIG=0IG1IG2UBRIRUBO32/79UDRM：断态重复峰值电压断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。（晶闸管耐压值。一一般取般取 UDRM=80%UBO。普通晶闸管。普通晶闸管UBO 为为 100V-3000V）URRM：反向重复峰值电压：反向重复峰值电压。（控制极断路时，。（控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电可以重复作用在晶闸管上的反向重复电 压。一般取压。一般取URRM=80%UBR。普通晶。普通晶 闸管闸管UBR为为100V-3000V）ITAV：通态平均电流通态平均电流。（环境温度为。（环境温度为40OC时时,在在 电阻性负载、单相工频电阻性负载、单相工频 正弦半波、导电正弦半波、导电角不小于角不小于170o的电路中，晶闸管允许的的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管最大通态平均电流。普通晶闸管ITAV 为为1A-1000A。）。）2.2.主要参数主要参数33/79ITAV含义说明含义说明it2ITAV34/79主要参数（续）主要参数（续）U UF F：通态平均电压：通态平均电压。（管压降。在规定的条件。（管压降。在规定的条件 下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴两极间的电压平均值。一般为阴两极间的电压平均值。一般为1V1V左右。）左右。）I IH H：维持电流。维持电流。在室温下，控制极开路、晶闸管在室温下，控制极开路、晶闸管 被触发导通后，维持导通状态所必须的最被触发导通后，维持导通状态所必须的最 小电流。一般为几十到一百多毫安。）小电流。一般为几十到一百多毫安。）U UG G、I IG G：控制极触发电压和电流。：控制极触发电压和电流。（在室温下，（在室温下，阳极电压为直流阳极电压为直流6V6V时，使晶闸管完全导通时，使晶闸管完全导通 所必须的最小控制极直流电压、电流所必须的最小控制极直流电压、电流 。一。一 般般U UG G为为1 1到到5V5V，I IG G为几十到几百毫安。）为几十到几百毫安。）35/79晶闸管型号晶闸管型号通态平均电压（通态平均电压（U UF F）额定电压级别（额定电压级别（UDRM）额定通态平均电流额定通态平均电流（I ITAVTAV）晶闸管类型晶闸管类型P-P-普通晶闸管普通晶闸管K-K-快速晶闸管快速晶闸管S-S-双向晶闸管双向晶闸管晶闸管晶闸管K K36/79晶闸管电压、电流级别晶闸管电压、电流级别额定通态电流（额定通态电流（I ITAVTAV）通用系列为）通用系列为1 1、5 5、1010、2020、3030、5050、100100、200200、300300、400400500500、600600、800800、1000A 1000A 等等1414种规格。种规格。额定电压（额定电压（U UDRMDRM）通用系列为：）通用系列为：1000V1000V以下的每以下的每100V100V为一级，为一级，1000V1000V到到3000V3000V的的每每200V 200V 为一级。为一级。通态平均电压（通态平均电压（U UF F）等级一般用）等级一般用A IA I字母表字母表示，示，由由 0.4 1.2V0.4 1.2V每每 0.1V 0.1V 为一级。为一级。37/79三、晶闸管的触发电路三、晶闸管的触发电路晶闸管工作时必须通过门极加控制电压。晶闸管工作时必须通过门极加控制电压。门极控制电路称为触发电路。触发电路一门极控制电路称为触发电路。触发电路一般采用集成化的移相触发电路。般采用集成化的移相触发电路。所谓移相控制就是指通过改变触发脉冲产所谓移相控制就是指通过改变触发脉冲产生的不同时刻（即不同相位）来改变晶闸生的不同时刻（即不同相位）来改变晶闸管的导通角。管的导通角。38/79 四、四、晶闸管的其它类型晶闸管的其它类型1.1.双向晶闸管双向晶闸管特点：特点：相当于两个反向晶闸管并联，两相当于两个反向晶闸管并联，两者共用一个控制极。者共用一个控制极。符号：符号：VT1VT2G（控制极）（控制极）（第一电极）（第一电极）（第二电极）（第二电极）39/79工作原理工作原理UT1UT2时，时，控制极相对于控制极相对于T1加正脉冲，加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从晶闸管正向导通，电流从T1流向流向T2。UT2UT1时，时，控制极相对于控制极相对于T2加加 负负脉冲，脉冲，晶闸管反向导通，电流从晶闸管反向导通，电流从T2流向流向T1。双向晶闸管内部工作原理的详细分析，双向晶闸管内部工作原理的详细分析，请参阅有关资料。请参阅有关资料。40/792.2.可可关关断晶闸管断晶闸管GTOGTO 可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断不能控制，只能不同之处在于：普通晶闸管的关断不能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来实现。普通晶闸管属靠减小阳极电压或工作电流来实现。普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸管可在控制极上加负触发半控器件；而可关断晶闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。信号将其关断，因此它属全控器件。41/79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17 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号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 42/791.1.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43/79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。44/79GTO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+21，121；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+21.0545/79GTO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46/79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。47/79a)KGAb)UOIIG=0 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 3.逆导晶闸管逆导晶闸管48/79AGKa)AK光强度强弱b)OUIA 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 4.光控晶闸管光控晶闸管49/79 5 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50/79 5 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51/79 2.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。52/79 GTR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 53/79 2.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。54/79 2.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。63/79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 。64/791 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。65/79IGBT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。66/792 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 67/79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。69/79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。71/79 6 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MCT 6.2.静电感应晶体管静电感应晶体管SIT 6.3.静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH 6.4.集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT 6.5.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72/79 6.1.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。73/79 6.2.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，其的器件，其工作频率工作频率与电力与电力MOSFET相相当，甚至超过电力当，甚至超过电力MOSFET，而，而功率容量功率容量也比电力也比电力MOSFET大，因而适用于大，因而适用于高频大功率高频大功率场合。场合。栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为这被称为正常导通型器件正常导通型器件，使用不太方便，此外，使用不太方便，此外SIT通态电通态电阻阻较大，使得较大，使得通态损耗通态损耗也大，因而也大，因而SIT还未在大多数电力电还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。子设备中得到广泛应用。74/79 6.3.静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH可以看作是可以看作是SIT与与GTO复合而成。复合而成。又被称为又被称为场控晶闸管（场控晶闸管（FCT），），本质上是两种载本质上是两种载流子导电流子导电的的双极型双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。通流能力强其很多特性与其很多特性与GTO类似，但类似，但开关速度开关速度比比GTO高高得多，是得多，是大容量大容量的快速器件。的快速器件。一般也是正常导通型，但也有一般也是正常导通型，但也有正常关断型正常关断型，电，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。75/79 6.4.集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT是将一个平板型的是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电力与由很多个并联的电力MOSFET器件和其它辅助元件组成的器件和其它辅助元件组成的GTO门极驱门极驱动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。一起。容量容量与普通与普通GTO相当，但相当，但开关速度开关速度比普通的比普通的GTO快快10倍，而且可以简化普通倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大应用时庞大而复杂的而复杂的缓冲电路缓冲电路，只不过其所需的，只不过其所需的驱动功率驱动功率仍然仍然很大。很大。目前正在与目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。等新型器件激烈竞争。76/79 6.5.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硅的禁带宽度为硅的禁带宽度为1.12电子伏特（电子伏特（eV），而宽禁带半导体，而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在材料是指禁带宽度在3.0电子伏特电子伏特左右及以上的半导体材左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（）、氮化镓（GaN）、金刚石等）、金刚石等材料。材料。基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和制造以宽禁带半导体器件的发展一直佑