1、汽車電力電子及電力驅動汽車電力電子及電力驅動授課教師：薛秀麗電話公室：13-108新能源電動汽車電氣組成新能源電動汽車電氣組成1271110354986 20KW；動力輸出1.驅動電機控制器其將動力電池提供的直流電，轉化為交流電，然后輸出給電機；2.通過電機的正轉來實現整車加速、減速；通過電機的反轉來實現倒車；3.其通過有效的控制策略，控制動力總成以最佳方式協調工作。主要部件介紹主要部件介紹- -驅動電機驅動電機 DC-DC變換器安裝于前機艙位置，其主要功能是在車輛啟動后將動力電池輸入的高壓電轉變成低壓12V向蓄電池充電，以保證行車時低壓用電設備正常工作。主要部件介紹

2、主要部件介紹- -DC/DCDC/DC變換器變換器每輛電動汽車都配有車載充電器、用于對動力電池充電。主要部件介紹主要部件介紹- -車載充電機車載充電機比亞迪比亞迪e6電動汽車電池管理系統電動汽車電池管理系統項目一：電力電子器件項目一：電力電子器件任務一：任務一：電力電子器件的結構、特性和主要參數任務二：任務二：電力電子器件的驅動電路、緩存電路及串并聯技術任務一：電力電子器件任務一：電力電子器件電力電子技術的概念電力電子技術的概念 可以認為，所謂電力電子技術就是應用于可以認為，所謂電力電子技術就是應用于電力電力領域的領域的電子電子技術。技術。 電力電子技術中所變換的電力電子技術中所變換的“電力電

3、力” 有區別于有區別于“電力系統電力系統”所指的所指的“電力電力” ，后者特指電力，后者特指電力網的網的“電力電力” ，前者則更一般些。，前者則更一般些。 電子技術包括電子技術包括信息電子技術信息電子技術和和電力電子技術電力電子技術兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數字電子兩大分支。通常所說的模擬電子技術和數字電子技術都屬于信息電子技術。技術都屬于信息電子技術。 模擬和數字電子電路的基礎模擬和數字電子電路的基礎 晶體管和集成電路等電子器件晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎電力電子電路的基礎 電力電子器件電力電子器件具體地說，電力電子技術就是使用具體地說，電力電子技術就是使用電力電子

4、器件電力電子器件 對對電能電能進行進行變換變換和和控制控制的技術。的技術。 電力電子器件的制造技術是電力電子技術的基電力電子器件的制造技術是電力電子技術的基礎。礎。 變流技術則是電力電子技術的核心變流技術則是電力電子技術的核心。 輸入輸入 輸出輸出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斬波直流斬波 交流交流（AC）交流電力控制交流電力控制變頻、變相變頻、變相逆變逆變 表表1-1 電力變換的種類電力變換的種類圖圖1-1 描述電力電子學的倒三角描述電力電子學的倒三角形形電力電子部件的應用電力電子部件的應用 電力電子技術可以看成是弱電控制強電的技術，是弱電電力電子技術可

5、以看成是弱電控制強電的技術，是弱電和強電之間的接口。而控制理論則是實現這種接口的一條強和強電之間的接口。而控制理論則是實現這種接口的一條強有力的紐帶。有力的紐帶。汽車電力電子及電力驅動汽車電力電子及電力驅動1 .電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念電力電子器件的概念 電力電子器件（電力電子器件（Power Electronic Device）是指是指可直接用于處理電能的可直接用于處理電能的主電路主電路中，實現電能的變中，實現電能的變換或控制的換或控制的電子器件電子器件。 主電路：在電氣設備或電力系統中，直接承主電路：在電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的變換或控制

6、任務的電路。擔電能的變換或控制任務的電路。 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。 電力電子器件的特征電力電子器件的特征 所能處理所能處理電功率電功率的大小，也就是其承受電壓和的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數，一般都遠大于電流的能力，是其最重要的參數，一般都遠大于處理信息的電子器件。處理信息的電子器件。 為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在在開關狀態開關狀態。 由信息電子電路來控制由信息電子電路來控制 ,而

7、且需要而且需要驅動電路驅動電路。 自身的自身的功率損耗功率損耗通常仍遠大于信息電子器件，通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝在其工作時一般都需要安裝散熱器散熱器。 通態損耗通態損耗是電力電子器件功率損耗的主要成因。是電力電子器件功率損耗的主要成因。當器件的開關頻率較高時，當器件的開關頻率較高時，開關損耗開關損耗會隨之增會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素。大而可能成為器件功率損耗的主要因素。 通態損耗斷態損耗開關損耗開通損耗關斷損耗電力電子器件的功率損耗2 .應用電力電子器件的系統組成應用電力電子器件的系統組成電力電子器件在實際應用中，一般是由電力電子器件在實際應用中，一般

8、是由控制電路控制電路、驅動驅動電路電路和以電力電子器件為核心的和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成一個系統。組成一個系統。 電氣隔離圖2-1 電力電子器件在實際應用中的系統組成3. 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度按照能夠被控制電路信號所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。決定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOS

9、FET。 通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。 不可控器件不可控器件 電力二極管（電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷。不能用控制信號來控制其通斷。按照驅動信號的性質按照驅動信號的性質 電流驅動型電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出通過從控制端注入或者抽出電流電流來實現導通或者關斷的控制。來實現導通或者關斷的控制。 電壓驅動型電壓驅動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓電壓信號就可實現導通信號就可實現導通或者關斷的控制。或者關斷的控制。按照驅動信號的波形（電力二極管

10、除外按照驅動信號的波形（電力二極管除外 ） 脈沖觸發型脈沖觸發型 通過在控制端施加一個電壓或電流的通過在控制端施加一個電壓或電流的脈沖脈沖信號來實現器件的開通信號來實現器件的開通或者關斷的控制。或者關斷的控制。 電平控制型電平控制型 必須通過必須通過持續持續在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并信號來使器件開通并維持維持在導通狀態或者關斷并維持在阻斷狀態。在導通狀態或者關斷并維持在阻斷狀態。 按照載流子參與導電的情況按照載流子參與導電的情況 單極型器件單極型器件 由一種由一種載流子載流子參與導電。參與導電。 雙極型器件雙極型器

11、件 由由電子電子和和空穴空穴兩種載流子參與導電。兩種載流子參與導電。 復合型器件復合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成，由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。也稱混合型器件。 硅和鍺的共價鍵結構硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對+4+4+4+4+4+4表示除去價表示除去價電子后的原子電子后的原子SiGee不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管半導體材料半導體材料載流子：自由電子和空穴載流子：自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子載流子的產生與復合載流子的產生與復合+4+4+4+4本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，

12、即本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。P 型半導體型半導體+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導體中空穴是多子，電子是少子。型半導體中空穴是多子，電子是少子。N 型半導體型半導體+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體中的載流子是型半導體中的載流子是什么？什么？摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為濃度。自由電子稱為多數載流子多數載流子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數載流子少數載流子（少子少子）。）。P型半導體型半導體N

13、型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內電場內電場E漂移運動漂移運動擴散擴散(diffusion)的結果是使的結果是使空間電荷區逐漸加寬，空間空間電荷區逐漸加寬，空間電荷區越寬。電荷區越寬。內電場越強，就使漂移內電場越強，就使漂移(drift)運運動越強，而漂移使空間電荷區變動越強，而漂移使空間電荷區變薄。薄。空間電荷區，空間電荷區，也稱耗盡層。也稱耗盡層。漂移運動漂移運動P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內電場內電場E所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區之間沒有電荷所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固

14、定不變。運動，空間電荷區的厚度固定不變。+空間電荷區空間電荷區N型區型區P型區型區電位電位VV0PN 結的單向導電性結的單向導電性PN結結(PN junction)正向偏置正向偏置+內電場減弱，使擴散加強，內電場減弱，使擴散加強，擴散擴散 飄移，正向電流大飄移，正向電流大空間電荷區變薄空間電荷區變薄PN+_正向電流正向電流PN結結(PN junction)反向偏置反向偏置+空間電荷區變厚空間電荷區變厚NP+_+內電場加強，使擴散停止，內電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小有少量飄移，反向電流很小反向飽和電流反向飽和電流很小，很小， A A級級AKAKa)IKAPNJb)c)AKPN結

15、與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理電力二極管是以半電力二極管是以半導體導體PN結結為基礎的為基礎的, ,實際上是由一個面積實際上是由一個面積較大的較大的PN結結和和兩端引兩端引線線以及以及封裝封裝組成的。組成的。從外形上看，可以有從外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多種封裝。種封裝。 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外形 b) 基本結構 c) 電氣圖形符號整流二極管及模塊整流二極管及模塊二極管的基本原理二極管的基本原理PN結的結的單向導電性單向導電性 當當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自形成自P

16、區流入而從區流入而從N區流出的電流，稱為區流出的電流，稱為正向電流正向電流IF，這就是這就是PN結的正向導通狀態。結的正向導通狀態。 當當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現為結表現為高阻態高阻態，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態。止狀態。 PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截結反向偏置為截止的工作狀態，這就叫止的工作狀態，這就叫反向擊穿反向擊穿。 按照機理不同

17、有按照機理不同有雪崩擊穿雪崩擊穿和和齊納擊穿齊納擊穿兩種形式兩種形式 。 反向擊穿發生時，采取了措施將反向電流限制在一反向擊穿發生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內，定范圍內，PN結仍可恢復原來的狀態。結仍可恢復原來的狀態。 否則否則PN結因過熱而燒毀，這就是結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿熱擊穿。 PN結的電容效應結的電容效應 稱為稱為結電容結電容CJ，又稱為，又稱為微分電容微分電容 按其產生機制和作用的差別分為按其產生機制和作用的差別分為勢壘電容勢壘電容CB和和擴散電擴散電容容CD +NPpLx濃濃度度分分布布耗耗盡盡層層NP區區區區中中空空穴穴區區中中電電子子區區濃濃度度分分布布nL法

18、）法）(FddDDQvQC PN結反向偏置時，載流子數結反向偏置時，載流子數目很少，擴散電容可忽略目很少，擴散電容可忽略+NPpLx濃濃度度分分布布耗耗盡盡層層NP區區區區中中空空穴穴區區中中電電子子區區濃濃度度分分布布nL1. 擴散電容擴散電容PN結處于正向偏置時，多子的擴散導致在結處于正向偏置時，多子的擴散導致在P區（區（N區）靠近結的邊緣有高于正常情區）靠近結的邊緣有高于正常情況的電子（空穴）濃度，這種超量的濃度可視為電荷存儲到況的電子（空穴）濃度，這種超量的濃度可視為電荷存儲到PN結的鄰域結的鄰域擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。勢壘區是積累空間電

19、荷的區域，當勢壘區是積累空間電荷的區域，當反向偏置反向偏置電壓電壓變化變化時，就會引起積時，就會引起積累在勢壘區的空間電荷的變化累在勢壘區的空間電荷的變化2. 勢壘電容勢壘電容類似于平板電容器兩極板上電荷的變化類似于平板電容器兩極板上電荷的變化 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。 結電容影響結電容影響PN結的結的工作頻率工作頻率，特別是在高速開關的狀態下，可能使其單向，特別是在高速開關的狀態

20、下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。導電性變差，甚至不能工作。PN結電容的大小與本身的結構和工藝及外加電壓有關。正偏時，結電容較大（主結電容的大小與本身的結構和工藝及外加電壓有關。正偏時，結電容較大（主要決定于擴散電容）；反偏時，結電容較小（主要決定于勢壘電容）要決定于擴散電容）；反偏時，結電容較小（主要決定于勢壘電容）電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性靜態特性靜態特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向電壓大到一定值（正向電壓大到一定值（門檻門檻 電壓電壓UTO ），正向電流才開始），正向電流才開始 明顯增加，處于穩定導通狀態。明顯增加，處于穩定導通狀態。 與與IF對應的

21、電力二極管兩端的對應的電力二極管兩端的 電壓即為其電壓即為其正向電壓降正向電壓降UF。 承受反向電壓時，只有承受反向電壓時，只有少子少子 引起的微小而數值恒定的引起的微小而數值恒定的反向反向 漏電流漏電流。IOIFUTOUFU電力二極管的伏安特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V電力二極管的動態過程波形 正向偏置轉換為反向偏置 a) 零偏置轉換為正向偏置 動態特性 因為結電容的存在，電壓電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態特性，并且往往專指反映通態和斷態之間轉換過程的開關特性。 由正向偏置轉換為反向偏置

22、 電力二極管并不能立即關斷，而是須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態。 在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。 延遲時間：td=t1-t0 電流下降時間：tf =t2- t1 反向恢復時間：trr=td+ tf 恢復特性的軟度： tf /td，或稱恢復系 數，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時刻t1:反向電流達最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置轉換為正向偏置 先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值（如2V）。 正向恢復時間tfr 出現電壓過沖的原因:電導調制效應起作用所需的大量少

23、子需要一定的時間來儲存，在達到穩態導通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。 電力二極管的動態過程波形 b) 零偏置轉換為正向偏置 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數正向平均電流正向平均電流IF(AV) 指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正工頻正弦半波電流弦半波電流的平均值。的平均值。 IF(AV)是按照電流的發熱效應來定義的，使用時應按是按照電流的發熱效應來定義的，使用時應按有效有

24、效值相等值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。正向壓降正向壓降UF 指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向穩態正向電流電流時對應的正向壓降。時對應的正向壓降。反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。 使用時，應當留有使用時，應當留有兩倍兩倍的裕量。的裕量。 最高工作結溫最高工作結溫TJM 結溫是指管芯結溫是指管芯PN結的平均溫度，用結的平均溫度，用TJ表示。表示。 最高工作結溫是指在最高工作結溫是指在

25、PN結不致損壞的前提下所結不致損壞的前提下所能承受的能承受的最高平均溫度最高平均溫度。 TJM通常在通常在125175 C范圍之內。范圍之內。反向恢復時間反向恢復時間trr浪涌電流浪涌電流IFSM 指電力二極管所能承受最大的連續一個或幾個指電力二極管所能承受最大的連續一個或幾個工頻周期的過電流工頻周期的過電流。電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用的電力二極管。的電力二極管。 普通二極管（普通二極管（General Purpose D

26、iode） 又稱又稱整流二極管（整流二極管（Rectifier Diode），多用，多用于開關頻率不高（于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中。以下）的整流電路中。 其其反向恢復時間反向恢復時間較長，一般在較長，一般在5 s以上以上 。 其其正向電流定額正向電流定額和和反向電壓定額反向電壓定額可以達到可以達到很高。很高。 快恢復二極管（快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢復過程恢復過程很短，特別是很短，特別是反向恢復過程反向恢復過程很短（一很短（一般在般在5 s以下）以下） 。 快恢復外延二極管快恢復外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial

27、DiodesFRED） ，采用，采用外延型外延型P-i-N結構結構 ，其，其反向恢復時間更短（可低于反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很），正向壓降也很低（低（0.9V左右）。左右）。 從性能上可分為從性能上可分為快速恢復快速恢復和和超快速恢復超快速恢復兩個等兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在在100ns以下，甚至達到以下，甚至達到2030ns。43/89肖特基二極管（肖特基二極管（Schottky Barrier DiodeSBD） 屬于屬于多子多子器件器件 優點在于：優點在于：反向恢復時間反向恢復時間很短（很短（10

28、40ns），正向恢），正向恢復過程中也不會有明顯的復過程中也不會有明顯的電壓過沖電壓過沖；在反向耐壓較低的情；在反向耐壓較低的情況下其況下其正向壓降正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，也很小，明顯低于快恢復二極管；因此，其其開關損耗開關損耗和和正向導通損耗正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率都比快速二極管還要小，效率高。高。 弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其弱點在于：當所能承受的反向耐壓提高時其正向壓降正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下的低壓場以下的低壓場合；合；反向漏電流反向漏電流較大且對較大且對溫度溫度敏感，因此敏感，因此反

29、向穩態損耗反向穩態損耗不不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度。 P1P2N1N2半控型器件半控型器件晶閘管晶閘管P1P2N1N2K GAPPNNNPAGKKA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG 在極短時間內使兩個在極短時間內使兩個三極管均飽和導通，此三極管均飽和導通，此過程稱觸發導通。過程稱觸發導通。G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii EA+_R T1T2EG_+G21iG2iGi2BiEA+_R T1T2EG2BiG2iGiG21i_+G2Bii 1BG22Ciii 2C11Cii 2BG21ii G除門

30、極觸發外其他幾種可能導通的情況除門極觸發外其他幾種可能導通的情況 陽極電壓升高至相當高的數值造成陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應雪崩效應 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結溫結溫較高較高 光觸發光觸發這些情況除了這些情況除了光觸發光觸發由于可以保證控制電路與由于可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只之外，其它都因不易控制而難以應用于實踐。只有有門極觸發門極觸發是最精確、迅速而可靠的控制手段。是最精確、迅速而可靠的控制手段。 必須使可控硅陽極電流減小，直到必須使可控硅陽

31、極電流減小，直到正反饋正反饋效效應不能維持。應不能維持。 將陽極電源斷開或者在晶閘管的將陽極電源斷開或者在晶閘管的靜態特性靜態特性 正常工作時的特性正常工作時的特性 當晶閘管承受當晶閘管承受反向電壓反向電壓時，不論門極是否有觸發電時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通流，晶閘管都不會導通 。 當晶閘管承受當晶閘管承受正向電壓正向電壓時，僅在時，僅在門極門極有有觸發電流觸發電流的的情況下晶閘管才能開通情況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用，不論門極觸發電流是否還存在，晶閘管都保持導通觸發電流是否還存在，晶閘管都保持導通 。

32、若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一電流降到接近于零的某一數值以下數值以下。 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 正向特性正向特性 當當IG=0時，如果在器件時，如果在器件兩端施加正向電壓，則晶兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向閘管處于正向阻斷狀態阻斷狀態，只有很小的正向漏電流流只有很小的正向漏電流流過。過。 如果正向電壓超過臨界如果正向電壓超過臨界極限即極限即正向轉折電壓正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器，則漏電流急劇增大，器件件開通開通 。 隨著隨著門極電流幅值

33、門極電流幅值的增的增大，大，正向轉折電壓正向轉折電壓降低，降低，晶閘管本身的壓降很小，晶閘管本身的壓降很小，在在1V左右。左右。 如果如果門極電流門極電流為零，并為零，并且陽極電流降至接近于零且陽極電流降至接近于零的某一數值的某一數值IH以下，則晶以下，則晶閘管又回到閘管又回到正向阻斷正向阻斷狀態狀態，IH稱為稱為維持電流維持電流。 正向轉折電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶閘管的伏安特性 IG2 IG1 IG 反向特性 其伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態時，只有極小的反向漏電流通過。 當反

34、向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增大，導致晶閘管發熱損壞。 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG正向轉折電壓Ubo正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+動態特性動態特性 開通過程開通過程 由于晶閘管內部的由于晶閘管內部的正反饋正反饋 過程過程需要時間，再加上需要時間，再加上外電路外電路 電感電感的限制，晶閘管受到觸發的限制，晶閘管受到觸發 后，其陽極電流的增長不可能后，其陽極電流的增長不可能 是是瞬時瞬時的。的。 延遲時間延遲時間td (0.51.5 s) 上升時間上升時間tr (0.53

35、 s) 開通時間開通時間tgt=td+tr 延遲時間隨延遲時間隨門極電流門極電流的增的增 大而減小大而減小,上升時間除反映晶上升時間除反映晶 閘管本身特性外，還受到閘管本身特性外，還受到外電外電 路電感路電感的嚴重影響。提高的嚴重影響。提高陽極陽極 電壓電壓,延遲時間和上升時間都延遲時間和上升時間都 可顯著縮短。可顯著縮短。晶閘管的開通和關斷過程波形陽極電流穩態值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA陽極電流穩態值的10%關斷過程關斷過程 由于由于外電路電感外電路電感的存在，原處的存在，原處于導通狀態的晶閘管當外加電壓突于導通狀態的晶閘管當外加電壓突然

36、由正向變為反向時，其陽極電流然由正向變為反向時，其陽極電流在衰減時必然也是有過渡過程的。在衰減時必然也是有過渡過程的。 反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr 正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr 關斷時間關斷時間tq=trr+tgr 關斷時間約幾百微秒。關斷時間約幾百微秒。 在在正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間內如果重內如果重新對晶閘管施加新對晶閘管施加正向電壓正向電壓，晶閘管，晶閘管會重新正向導通，而不是受門極電會重新正向導通，而不是受門極電流控制而導通。流控制而導通。晶閘管的開通和關斷過程波形反向恢復電流最大值尖峰電壓90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA電壓

37、定額電壓定額 斷態重復峰值電壓斷態重復峰值電壓UDRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖2-9）。）。 國標規定斷態重復峰值電壓國標規定斷態重復峰值電壓UDRM為斷態不重復峰值電壓（即為斷態不重復峰值電壓（即 斷態最大瞬時電壓）斷態最大瞬時電壓）UDSM的的90%。 斷態不重復峰值電壓應低于斷態不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓正向轉折電壓Ubo。 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 是在門極斷路而結溫為額定值時，允許是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復重復加在器件上的加在器件上的反

38、向反向 峰值電壓峰值電壓（見圖（見圖2-8）。）。 規定反向重復峰值電壓規定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向為反向不重復峰值電壓（即反向 最大瞬態電壓）最大瞬態電壓）URSM的的90%。 反向不重復峰值電壓應低于反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓反向擊穿電壓。4、晶閘管的主要參數、晶閘管的主要參數 通態（峰值）電壓通態（峰值）電壓UT 晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電晶閘管通以某一規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電 壓。壓。 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較小的標值作為該器件的中較小的標值作為該器件的額定電壓額定電壓。 選用

39、時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍倍。電流定額電流定額 通態平均電流通態平均電流 IT(AV） 國標規定通態平均電流為晶閘管在環境溫度為國標規定通態平均電流為晶閘管在環境溫度為40 C和規定的和規定的冷冷 卻狀態卻狀態下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半下，穩定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半 波電流的平均值。波電流的平均值。 按照正向電流造成的器件本身的通態損耗的按照正向電流造成的器件本身的通態損耗的發熱效應發熱效應來定義的。來定義的。 一般取其通態平均電流為按發熱效應相等（即有效值相

40、等）的一般取其通態平均電流為按發熱效應相等（即有效值相等）的 原則所得計算結果的原則所得計算結果的1.52倍。倍。 維持電流維持電流IH 維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的維持電流是指使晶閘管維持導通所必需的最小最小電流，電流，一般為幾十到幾百毫安。一般為幾十到幾百毫安。 結溫結溫越高，則越高，則IH越小。越小。 擎住電流擎住電流 IL 擎住電流是晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號擎住電流是晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，能維持導通所需的后，能維持導通所需的最小最小電流。電流。 約為約為IH的的24倍倍 浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的指由于

41、電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性不重復性最大正向過載電流最大正向過載電流。動態參數動態參數 開通時間開通時間tgt和關斷時間和關斷時間tq 斷態電壓臨界上升率斷態電壓臨界上升率du/dt 在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態到通態轉換的斷態到通態轉換的外加電壓最大上升率外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通管誤導通 。 通態電流臨界上升率通態電流臨界上升率di/dt 在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的在規定條件下，晶閘管能承受而無有害影響

42、的最大最大通態電流上升率通態電流上升率。 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。損壞。快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST） 有有快速晶閘管快速晶閘管和和高頻晶閘管高頻晶閘管。 快速晶閘管的快速晶閘管的開關時間開關時間以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明顯改善。明顯改善。 從從關斷時間關斷時間來看，普通晶閘管一般為來看，普通晶閘管一般為數百數百微秒，快速微秒，快速晶閘管為晶閘管為數十數十微秒，而高頻晶閘管則為微秒，而高頻晶閘管則為10 s左右。左右。 高頻晶閘管的不足在于其高

43、頻晶閘管的不足在于其電壓電壓和和電流電流定額都不易做高。定額都不易做高。 由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的由于工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管的通態平均電流時不能忽略其通態平均電流時不能忽略其開關損耗開關損耗的發熱效應。的發熱效應。 5、晶閘管的派生器件、晶閘管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 可以認為是一對反并聯聯 接的普通晶閘管的集成。 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發導通，在第和第III象限有對稱的伏安特性。 雙向晶閘管通常用在交流電

44、路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 a)KGAb)UOIIG=0逆導晶閘管（逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是將是將晶閘管反并聯一個晶閘管反并聯一個二極管二極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電壓反向電壓的能力，一的能力，一旦承受反向電壓即開通。旦承受反向電壓即開通。 具有正向壓降小、關斷具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點，可用于定結溫高等優點，可用于不需要阻斷反向電

45、壓的電不需要阻斷反向電壓的電路中。路中。 逆導晶閘管的電氣圖形符號逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 AGKa)AK光強度強弱b)OUIA光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波長的是利用一定波長的光光照信號照信號觸發導通的晶閘管。觸發導通的晶閘管。 由于采用光觸發保證由于采用光觸發保證了主電路與控制電路之間了主電路與控制電路之間的的絕緣絕緣，而且可以避免電，而且可以避免電磁干擾的影響，因此光控磁干擾的影響，因此光控晶閘管目前在晶閘管目前在高壓大功率高壓大功率的場合的場合。

46、 光控晶閘管的電氣圖形符光控晶閘管的電氣圖形符 號和伏安特性號和伏安特性 a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性 全控器件全控器件典型全控型器件典型全控型器件門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現。門極可關斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現。20世紀世紀80年代以來，電力電子技術進入了一個年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。嶄新時代。典型代表典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管、門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊1、門極可關斷晶閘管、門極可關斷晶閘管晶閘管的一種派生器件，但晶

47、閘管的一種派生器件，但可以通過在門極施加負的脈沖可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于電流使其關斷，因而屬于全控全控型器件型器件。 GTO的結構和工作原理的結構和工作原理 GTO的結構的結構 是是PNPN四層半導體結構四層半導體結構。 是一種多元的功率集成是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出器件，雖然外部同樣引出3個個 極，但內部則包含數十個甚極，但內部則包含數十個甚 至數百個共陽極的至數百個共陽極的小小GTO 元元，這些，這些GTO元的元的陰極陰極和和門門 極極則在器件內部則在器件內部并聯并聯在一起。在一起。 GTO的內部結構和電氣圖形符號各單元的陰極、門極間隔排列的圖形

48、并聯單元結構斷面示意圖 電氣圖形符號 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理GTO的工作原理 仍然可以用如圖所示的雙晶體管模型來分析，T1、T2的共基極電流增益分別是1、2。1+2=1是器件臨界導通的條件，大于1導通，小于1則關斷。 GTO與普通晶閘管的不同 設計2較大，使晶體管T2控制 靈敏，易于GTO關斷。 導通時1+2更接近1，導通時接近臨界飽和，有利門極控制關斷，但導通時管壓降增大。 多元集成結構，使得P2基區橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 67/89GTO的導通過程與普通晶閘管是一樣的，的導通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導通時只不過導通時飽和程

49、度飽和程度較淺。較淺。 而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽而關斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當兩個晶體管發射極電流出電流，當兩個晶體管發射極電流IA和和IK的的減小使減小使 1+ 21時，器件退出時，器件退出飽和飽和而關斷。而關斷。 GTO的的多元集成結構多元集成結構使得其比普通晶閘管使得其比普通晶閘管開通過程開通過程更快，承受更快，承受di/dt的能力增強。的能力增強。 68/89GTO的動態特性的動態特性 開通過程與普通晶閘管開通過程與普通晶閘管類似。類似。 關斷過程關斷過程 儲存時間儲存時間ts 下降時間下降時間tf 尾部時間尾部時間tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得多

50、，而tt比比ts要長。要長。 門極負脈沖電流門極負脈沖電流幅值幅值越大，越大，前沿前沿越陡，越陡， ts就越就越短。使門極負脈沖的短。使門極負脈沖的后沿后沿緩慢衰減，在緩慢衰減，在tt階段仍能階段仍能保持適當的保持適當的負電壓負電壓，則可，則可以縮短以縮短尾部時間尾部時間。GTO的開通和關斷過程電流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取飽和導通時儲存的大量載流子的時間等效晶體管從飽和區退至放大區，陽極電流逐漸減小時間 殘存載流子復合所需時間 69/89GTO的主要參數的主要參數 GTO的許多參數都和普通晶閘管相應的參數意義相同。的許多

51、參數都和普通晶閘管相應的參數意義相同。 最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO 用來標稱用來標稱GTO額定電流額定電流。 電流關斷增益電流關斷增益 off 最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流IATO與門極負脈沖電流最大值與門極負脈沖電流最大值IGM之比。之比。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，這是左右，這是GTO的一個主要缺點。的一個主要缺點。 開通時間開通時間ton 延遲延遲時間與時間與上升上升時間之和。時間之和。 延遲時間一般約延遲時間一般約12 s，上升時間則隨，上升時間則隨通態陽極電流值通態陽極電流值的增大而的增大而 增大。增大。 關斷時間關斷時間toff 一般指一般

52、指儲存儲存時間和時間和下降下降時間之和，而不包括時間之和，而不包括尾部尾部時間。時間。 儲存時間隨儲存時間隨陽極電流陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于的增大而增大，下降時間一般小于2 s。不少不少GTO都制造成都制造成逆導型逆導型，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電，類似于逆導晶閘管。當需要承受反向電壓時，應和壓時，應和電力二極管電力二極管串聯使用。串聯使用。 2、電力晶體管、電力晶體管電力晶體管（電力晶體管（Giant TransistorGTR）按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、按英文直譯為巨型晶體管，是一種耐高電壓、大電流的大電流的雙極結型晶體管（雙極結型晶體管（Bipolar

53、 Junction TransistorBJT） GTR的結構和工作原理的結構和工作原理 與普通的雙極結型晶體管基本原理是一與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。樣的。 最主要的特性是最主要的特性是耐壓高耐壓高、電流大電流大、開關開關特性好。特性好。 71/89 GTR的結構的結構 采用至少由兩個晶體管按采用至少由兩個晶體管按達林頓接法達林頓接法組成的單元結構，并采用集組成的單元結構，并采用集成電路工藝將許多這種單元成電路工藝將許多這種單元并聯并聯而成。而成。 GTR是由是由三層半導體三層半導體（分別引出集電極、基極和發射極）形成（分別引出集電極、基極和發射極）形成的兩個的兩個PN結（集電結

54、和發射結）構成，多采用結（集電結和發射結）構成，多采用NPN結構。結構。電力晶體管電力晶體管 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動+表示高摻雜濃度，-表示低摻雜濃度 72/89電力晶體管電力晶體管Iiiceobc空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ibc) 內部載流子的流動 iibc在應用中，GTR一般采用共發射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為 稱為GTR的電流放大系數，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當考慮到集電極和發射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關系為 單管GTR的 值比

55、處理信息用的小功率晶體管小得多，通常為10左右，采用達林頓接法可以有效地增大電流增益。(2-9)(2-10)73/89電力晶體管電力晶體管GTR的基本特性的基本特性 靜態特性靜態特性 在在共發射極共發射極接法時的典接法時的典 型輸出特性分為型輸出特性分為截止區截止區、放放 大區大區和和飽和區飽和區三個區域。三個區域。 在電力電子電路中，在電力電子電路中， GTR工作在工作在開關狀態開關狀態，即工，即工 作在作在截止區截止區或或飽和區飽和區。 在開關過程中，即在截在開關過程中，即在截 止區和飽和區之間過渡時，止區和飽和區之間過渡時， 一般要經過一般要經過放大區放大區。截止區放大區飽和區OIcib

56、3ib2ib1ib1ib2ib3Uce共發射極接法時GTR的輸出特性74/89電力晶體管電力晶體管動態特性動態特性 開通過程開通過程 需要經過延遲時間需要經過延遲時間td和上升時和上升時 間間tr，二者之和為開通時間，二者之和為開通時間ton。 增大基極驅動電流增大基極驅動電流ib的幅值并的幅值并 增大增大dib/dt，可以縮短，可以縮短延遲時間延遲時間， 同時也可以縮短同時也可以縮短上升時間上升時間，從而，從而 加快開通過程。加快開通過程。 關斷過程關斷過程 需要經過儲存時間需要經過儲存時間ts和下降時和下降時 間間tf，二者之和為關斷時間，二者之和為關斷時間toff。 減小導通時的減小導通

57、時的飽和深度飽和深度以減以減 小儲存的載流子，或者增大基極小儲存的載流子，或者增大基極 抽取負電流抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，的幅值和負偏壓， 可以縮短儲存時間，從而加快關可以縮短儲存時間，從而加快關 斷速度。斷速度。 GTR的開關時間在的開關時間在幾微秒幾微秒以內，以內，比晶閘管和比晶閘管和GTO都短很多。都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtdGTR的開通和關斷過程電流波形主要是由發射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的。 是用來除去飽和導通時儲存在基區的載流子的，是關斷時間的主要

58、部分。 電力晶體管電力晶體管GTR的主要參數的主要參數 電流放大倍數電流放大倍數 、直流電流增益、直流電流增益hFE、集電極與發射極間漏電流、集電極與發射極間漏電流Iceo、集電極和發射極間飽和壓降集電極和發射極間飽和壓降Uces、開通時間、開通時間ton和關斷時間和關斷時間toff 最高工作電壓最高工作電壓 GTR上所加的電壓超過規定值時，就會發生上所加的電壓超過規定值時，就會發生擊穿擊穿。 擊穿電壓不僅和晶體管本身的擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性特性有關，還與外電路的接法有關。有關，還與外電路的接法有關。 發射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓發射極開路時集電極和基極間的反向擊穿電壓BU

59、cbo 基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓基極開路時集電極和發射極間的擊穿電壓BUceo 發射極與基極間用電阻聯接或短路聯接時集電極和發射極間的擊穿發射極與基極間用電阻聯接或短路聯接時集電極和發射極間的擊穿電壓電壓BUcer和和BUces 發射結反向偏置時集電極和發射極間的擊穿電壓發射結反向偏置時集電極和發射極間的擊穿電壓BUcex 且存在以下關系：且存在以下關系： 實際使用GTR時，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。BUBUBUBUBUceocercescexcbo76/89電力晶體管電力晶體管集電極最大允許電流集電極最大允許電流IcM 規定直流電流放大系數規定直流電流放大系

60、數hFE下降到規定的下降到規定的1/21/3時所對應的時所對應的Ic。 實際使用時要留有較大裕量，只能用到實際使用時要留有較大裕量，只能用到IcM的的一半一半或或稍多一點稍多一點。集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率PcM 指在指在最高最高工作溫度下允許的耗散功率。工作溫度下允許的耗散功率。 產品說明書中在給出產品說明書中在給出PcM時總是同時給出殼溫時總是同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。，間接表示了最高工作溫度。 77/89電力晶體管電力晶體管GTR的二次擊穿現象與安全工作區的二次擊穿現象與安全工作區 當當GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時，集電極電流迅速增大，的集電極電壓升高至擊