1、l引言引言l第一節第一節 功率二極管功率二極管l第二節第二節 晶閘管及其派生器件晶閘管及其派生器件l第三節第三節 可關斷晶閘管可關斷晶閘管l第四節第四節 雙極型功率晶體管雙極型功率晶體管l第五節第五節 功率場效應管功率場效應管l第六節第六節 絕緣柵雙極型功率晶體管絕緣柵雙極型功率晶體管l第七節第七節 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTl第八節第八節 功率集成電路功率集成電路l第九節第九節 電力電子器件的串并聯電力電子器件的串并聯l第十節第十節 電力電子器件的保護驅動電路電力電子器件的保護驅動電路l小結小結l電力半導體器件是現代電力電子設備的核心核心。它們以開關陣列的形式應用于電力變流

2、器中,把相同頻率或不同頻率的電能進行交-直(整流器)、直-直(斬波器)、直-交(逆變器)和交-交變換。l開關模式的電力電子變換具有較高的效率 ,不足之處是由于開關的非線性而同時在電源端和負載端產生諧波產生諧波。l開關不是理想的 ,它們都具有導通和開關損導通和開關損耗耗。l 1）電力半導體器件的價格不超過30%, 但是整臺設備的價格和性能在很大程度上受到這些器件特性的影響。l2）要設計出高效、可靠、性價比高的系統 , 必須對器件及其特性有深入的了解。l3）現代電力電子技術基本上是隨著電力半導體器件的發展而發展起來的。l4）微電子領域的發展對電力半導體器件的材料、加工、制造、封裝、建模和仿真等方面

3、產生了巨大的影響。l 電力半導體器件幾乎完全是建立在半導體材料半導體材料的基礎上的基礎上 ,它們可以歸為以下幾類 :l1 ） 功率二極管 ;l2 ） 晶閘管(SCR)及派生器件 ;l3 ） 電力晶體管(GTR)；l4 ） 門極關斷晶閘管(GTO)；l5 ） 電力MOSFET;l6 ） 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT); l7 ） 集成門極換流晶閘管(IGCT)l8） 其它功率半導體器件等。 1一、功率二極一、功率二極管工作原理和管工作原理和靜態伏安特性靜態伏安特性2二、功率二極二、功率二極管的動態特性管的動態特性3三、功率二極三、功率二極管的參數管的參數4四、功率二極四、功率二極管的主要類型管的

4、主要類型l功率二極管(Power Diode)從20世紀50年代初期就獲得應用。l 是不可控器件不可控器件，但其結構簡單，工作可靠，因而直到現在功率二極管仍然大量用于許多電氣設備當中。l目前已形成普通整流管、快恢復整流管和肖普通整流管、快恢復整流管和肖特基整流管特基整流管等三種主要類型。l特別是快恢復二極管和肖特基二極管，仍分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。 l典型的正向導通壓降正向導通壓降是 1.0V。 該壓降會引起導通損耗 ,因此必須用適當的散熱片對器件進行冷卻以限制結溫。l如果反向電壓超過一個閥值 ,器件就會發生雪崩式的擊穿 ,這時反向電流變大 ,二極

5、管由于結內的大量功率損耗而過熱毀壞 ,這個闕值稱為擊穿電壓擊穿電壓。圖2-1a)功率二極管符號b)伏安特性c)理想特性比較其工作時的電壓和電流的變化，我們可以得到它的理想伏安特性伏安特性，如圖2-1c)所示。由于功率二極管的導通速度相對電力電路的暫態變化過程來說要快得多，因此，可把功率二極管看成理想開關理想開關。 l半導體中有兩種載流子：電子和空穴，這半導體中有兩種載流子：電子和空穴，這兩種載流子的定向運動會引起導電電流。兩種載流子的定向運動會引起導電電流。l由于載流子的濃度梯度而引起的定向運動由于載流子的濃度梯度而引起的定向運動擴散運動（擴散電流）擴散運動（擴散電流）l由于電場而引起的定向運

6、動由于電場而引起的定向運動漂移運動漂移運動（漂移電流）（漂移電流）v擴散電流是半導體中載流子的一種特殊運動擴散電流是半導體中載流子的一種特殊運動形式，是由于載流子的濃度差而引起的，擴散形式，是由于載流子的濃度差而引起的，擴散運動總是從濃度高的區域向濃度小的區域進行運動總是從濃度高的區域向濃度小的區域進行在多子為電子的在多子為電子的N型半導體或多型半導體或多子為空穴的子為空穴的P型半導體兩端外加型半導體兩端外加電壓電壓V，在電場，在電場E的作用下，的作用下，空空穴將沿電場方向運動穴將沿電場方向運動，電子將電子將沿與電場相反方向運動沿與電場相反方向運動EV（一） 空空間間電電荷荷區區(space

7、charge region) 在在NN型型和和P P型型半半導導體體的的界界面面兩兩側側，明明顯顯地地存存在在著著電電子子和和空空穴穴的的濃濃度度差差，導導致致載載流流子子的的擴擴散散運運動動：P P型型半半導導體體中中空空穴穴NN區區擴擴散散與與NN區區中中電電子子復復合合 P P區區留留下下負負離離子子NN區區生生成成正正離離子子 NN 型型半半導導體體中中電電子子（多多子子）P P 區區擴擴散散與與 P P 區區空空穴穴復復合合 NN 區區留留下下正正離離子子P P 區區生生成成負負離離子子。 NN 區區則則為為正正 P P 區區則則為為負負形形成成內內建建電電場場 E伴伴隨隨著著擴擴散

8、散和和復復合合運運動動在在PN結結界界面面附附近近形形成成一一個個空空間間電電荷荷區區： 內內建建電電場場 形形成成少少子子的的漂漂移移運運動動 NN區區中中空空穴穴P P區區 P P區區中中電電子子NN區區消弱消弱內建電場內建電場ENP+-ENP+- 顯顯然然半半導導體體中中多多子子的的擴擴散散運運動動和和少少子子的的漂漂移移運運動動是是一一對對矛矛盾盾運運動動的的兩兩個個方方面面：多多 子子 擴擴 散散 運運 動動空空間間電電荷荷區區 內內建建電電場場E E少少子子漂漂移移結結果果：多多子子擴擴散散運運動動 少少子子的的漂漂移移 擴擴散散電電流流 漂漂移移電電流流熱平衡（動態平衡）熱平衡（

9、動態平衡） PN 結結中中總總電電流流為為零零。空空間間電電荷荷區區寬寬度度穩穩定定形形成成 PN 結結。RUNP+-U UiDUU-U-U正正向向偏偏置置外外電電場場削削弱弱內內電電場場 勢勢壘壘降降低低阻阻擋擋層層變變窄窄破破壞壞P PNN結結動動態態平平衡衡擴擴散散運運動動占占優優勢勢漂漂移移減減弱弱擴擴散散電電流流Di較較大大。擴擴散散電電流流的的全全過過程程：電電子子由由電電源源負負極極NN 區區 P PNN 結結P P 區區P P 區區空空穴穴復復合合電電源源正正極極向向 P P 區區提提供供空空穴穴擴散擴散iDiDiDiD+_NP+-RUUiRU NP+-UU+U+UiRiRiR

10、iR反反向向偏偏置置：外外電電場場與與內內建建電電場場方方向向一一致致P PNN 結結勢勢壘壘提提高高 （阻阻擋擋層層變變寬寬）漂漂移移占占優優勢勢擴擴散散減減弱弱漂漂移移電電流流 iR很很小小。 由由于于反反向向漂漂移移電電流流是是少少數數載載流流子子漂漂移移形形成成的的電電流流，而而少少數數載載流流 子子濃濃度度很很低低，故故反反向向電電流流遠遠小小于于正正向向電電流流，即即 iD|iR| +_開關特性開關特性 反映通態和斷態之間的轉換過程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。動態特性動態特性因結電容的存在

11、，三種狀態（零偏置、正向偏置、反向偏置）之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓電流隨時間變化的特性稱為動態特性。rdCJ開通過程開通過程：電力二極管的正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩態壓降的某個值（如 2V）。這一動態過程時間被稱為正向恢復時間tFR。電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩態導通前管壓降較大。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 。電導調制效應：PN結上流過的正向電流較小時，PN結呈現的阻值較高且為常數，因而管壓降隨著正向電流的上升而增加； PN結上流過的正向電流較大時， PN結呈現的阻值率明顯下降

12、，也就是電導率大大增加。l圖2-2a)給出了電力二極管由零偏置轉為正向偏置時動態過程的波形。可以看出，在這一動態過程中，電力二極管的正向壓降會出現一個電壓過沖UFP，經過一段tFR時間才出現趨于接近穩態壓降值。 v 圖2-2b給出了電力二極管由正向偏置轉為反向偏置時動態過程的波形。當原處于正向導通的電力二極管的外加電壓突然從正向變為反向時，該電力二極管不能立即關斷，而是需經過一段短暫的時間才能進入截止狀態。 圖2-2功率二極管的動態過程波形 a）開通過程波形 b）關斷過程波形tRR t=0時刻外加電壓突然由正向變為反向，正向電流在此反向電壓作用下開始下降，下降速率由反向電壓大小和電路中的電感決

13、定，而管壓降由于電導效應基本變化不大，直至正向電流降為零時刻t0。此時電力二極管由于PN結兩側儲存有大量少子的緣故而并沒有恢復反向阻斷能力，這些少子在外加反向電壓的作用下被抽取出電力二極管，因而流過較大的反向電流。當空間電荷區附近儲存的少子即將被抽取盡時，管壓降變為負極性，于是開始抽取空間電荷區較遠的濃度較低的少子。因而在管壓降極性改變后不久的t1時刻，反向電流從其最大值IRP開始下降，空間電荷區開始展寬，電力二極管重新恢復對反向電壓的阻斷能力。在t1時刻以后，由于反向電流迅速下降，在外電路電感的作用下會在電力二極管兩端產生比外加反向電壓大得多的反向電壓過沖URP。在電流變化率接近零的t2時刻

14、（約為25%IRP），電力二極管兩端承受的反向電壓才降至外加的反向電壓大小，電力二極管完全恢復對反向電壓的阻斷能力。時間td=t1-t0稱為延遲時間，tf=t2-t1稱為電流下降時間，因而時間tRR=td+tf稱為電力二極管的反向恢復時間。出現電壓過沖的原因是（1）電導調制效應起作用，正向電流較小時，電阻為常數，管壓降隨正向電流的上升而增加；（2）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di/dt越大，UFP越高。2vFu1. 正向平均電流正向平均電流IF(A V) 額定電流額定電流在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值

15、正向平均電流是按照電流的發熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。當用在頻率較高的場合時，開關損耗造成的發熱往往不能忽略當采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態損耗造成的發熱效應也不小指定條件是：環境溫度+400，規定的冷卻條件，單相半波整流電路為電阻負載，導通角不小于1700，結溫TJM通常在1251750之間。2. 正向壓降正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降有時參數表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降3. 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM指對電力

16、二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定 4. 最高工作結溫最高工作結溫TJM結溫結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。最高工作結溫最高工作結溫是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內。5. 反向恢復時間反向恢復時間trrtrr= td+ tf ，關斷過程中，電流降到零起到恢復反響阻斷能力止的時間。6. 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工頻周期的過電流。 u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

17、的不同介紹。u在應用時，應根據不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。u性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的。1. 普通二極管普通二極管（General Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復時間較長，一般在5 s以上，這在開關頻率不高時并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數千安和數千伏以上。n恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5 s以下）的二極管，也簡稱快速二極管n工藝上多采用了摻金措施n有的采用PN結型結構n有的采用改進的PiN結構 l從性能上可分為快速恢

18、復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到2030ns。 l采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管快恢復外延二極管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下2. 快恢復二極管快恢復二極管（Fast Recovery DiodeFRD）3. 肖特基二極管肖特基二極管p以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Barrier DiodeSBD），簡稱為肖特基二極管p20世紀80年

19、代以來，由于工藝的發展得以在電力電子電路中廣泛應用肖特基二極管的肖特基二極管的優點優點l反向恢復時間很短（1040ns）l正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖l在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管l其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高肖特基二極管的肖特基二極管的弱點弱點l當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于于200V以下以下l反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩態損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度一、晶閘管一、晶閘管的工作原理的工作原理和靜態伏安和靜態伏安特性特性五

20、、雙五、雙向晶閘向晶閘管管二、晶閘二、晶閘管的動態管的動態特性特性 三、功率三、功率損耗和熱損耗和熱阻抗阻抗四、四、電電流額定流額定值值u晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）u1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）發明了晶閘管u1957年美國通用電氣公司（GE）開發出第一只晶閘管產品u1958年商業化u開辟了電力電子技術迅速發展和廣泛應用的嶄新時代u20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代u能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位u晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類

21、型普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件 u本節將主要介紹普通晶閘管的工作原理、基本特性和主要參數，然后簡要介紹其一種派生器件雙向晶閘管。 1、晶閘管的常見封裝外形有螺栓型和平板型兩種封裝：引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯接端(三端器件）；對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。圖2-00 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J32、晶閘管的其它封裝形式： 還有塑封和模塊式兩種封裝。3、晶閘管的管耗和散

22、熱： 管耗流過器件的電流器件兩端的電壓 管耗將產生熱量，使管芯溫度升高。如果超過允許值，將損壞器件，所以必須進行散熱和冷卻。 冷卻方式： 自然冷卻（散熱片）、風冷（風扇）、水冷簡單描述晶閘管SCR相當于一個半可控的、可開不可關的單向開關。圖200 晶閘管的工作條件的試驗電路解釋解釋當SCR的陽極和陰極電壓UAK0時，只有EGk0，SCR才能正常導通。說明SCR具有正向阻斷能力；SCR一旦導通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導通狀態。SCR導通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當UAK0 同時UGK0（正常導通條件） 由導通關斷的條件：使流過SCR

23、的電流降低至維持電流以下。 (一般通過減小EA，直至EA0來實現。）（教材上提出降低正向陽極電壓的提法有些不妥，因為此時UAK一直保持在1V左右）晶閘管的雙晶體管模型0CBECIIIECII ： 共基極電流增益共基極電流增益忽略忽略ICB0，則有：，則有：晶體管直流電流放大關系：晶體管直流電流放大關系： ICBO：共基極漏電流：共基極漏電流Ic1= 1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2= 2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 （1-4） )(121CBO2CBO1G2AIIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P

24、1AGKN1P2P2N1N2a)b)晶閘管工作原理：晶閘管工作原理：外加反向電壓外加反向電壓（UA UK）（1-5） 晶體管的特性是：在低發射極電流下晶體管的特性是：在低發射極電流下 是很小的，是很小的，而當發射極電流建立起來之后，而當發射極電流建立起來之后， 迅速增大。迅速增大。 外加外加正向電壓正向電壓（UA UK）門極未加電壓門極未加電壓，IG=0， 1+ 2 很小。流過晶閘管的漏電流很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和，晶閘管稍大于兩個晶體管漏電流之和，晶閘管正向阻斷正向阻斷狀態。狀態。)(121CBO2CBO1G2AIIII 開通（門極觸發）：在晶閘管門極加正向觸發脈沖

25、。開通（門極觸發）：在晶閘管門極加正向觸發脈沖。)(121CBO2CBO1G2AIIII IG（IB2）IC2 （IB1） IC1 （IB2） 門極觸發注入觸發電流使晶體管的發射極門極觸發注入觸發電流使晶體管的發射極電流增大以致電流增大以致 1+ 2 趨近于趨近于1，流過晶閘管的，流過晶閘管的電流電流 IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現飽（陽極電流）將趨近于無窮大，實現飽和導通。和導通。UAK 很小（很小（1V左右）左右）IA實際由外電路實際由外電路決定。決定。 一管基極電流能維持另一管的飽和，此時除去門極正向一管基極電流能維持另一管的飽和，此時除去門極正向電壓晶閘管仍導通。（電壓晶閘管仍導

26、通。（不可控不可控）導通的過程是一個導通的過程是一個正反饋正反饋過程過程。V1、V2飽和。飽和。晶閘管通斷規律：晶閘管通斷規律：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶承受反向電壓時，不論門極是否有觸發電流，晶閘管都不會導通。（反向阻斷）閘管都不會導通。（反向阻斷）承受正向電壓時，無門極正向觸發電壓時處于正承受正向電壓時，無門極正向觸發電壓時處于正向阻斷狀態。向阻斷狀態。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用（不可晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用（不可控）。控）。要使晶閘管關斷，只有使晶閘管的電流降到接近要使晶閘管關斷，只有使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值（維持電流于零的某一數值（維持電流

27、IH）以下）以下。 （P6）承受正向電壓時，僅在門極有正向觸發電壓的情況承受正向電壓時，僅在門極有正向觸發電壓的情況下晶閘管才能開通。（正向導通）下晶閘管才能開通。（正向導通） 其他幾種可能導通的情況（屬于非正常導通）其他幾種可能導通的情況（屬于非正常導通）：陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高結溫較高結溫較高 以上三種情況，因不易控制，難以應用于實踐。以上三種情況，因不易控制，難以應用于實踐。光直接照射硅片，即光觸發光直接照射硅片，即光觸發 光觸發可以保證控制電路與主電路之間的良好絕光觸發可以保證控制電路與

28、主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管光控晶閘管。 只有門極觸發（包括光觸發）是最精確、迅速而可靠只有門極觸發（包括光觸發）是最精確、迅速而可靠的控制手段的控制手段晶閘管的基本特性正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM第第I象限的是正向特性象限的是正向特性第第III象限的是反向特性象限的是反向特性1 . 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 隨著門極電流幅值的增大，正向隨著門極電流幅值

29、的增大，正向轉折電壓降低轉折電壓降低 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷正向阻斷狀態，只有很小的正向狀態，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界漏電流流過，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，則漏電流急劇增大，器件流急劇增大，器件開通開通 導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿 晶閘管本身的壓降很小，在晶閘管本身的壓降很小，在1V左右左右 導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回

30、到正向阻以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態。斷狀態。IH稱為稱為維持電流維持電流。正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性反向特性2 . 門極伏安特性：門極伏安特性： 門極電流門極電流 IG 與門極和陰與門極和陰 極之間電壓極之間電壓UGK的關系。的關系。 晶閘管的門極和陰極之晶閘管的門極和陰極之 間是間是PN結結J3，其伏安特，其伏安特 性稱為性稱為門極伏安特性門極伏安特性。 門極觸發電流也往往是通過觸發電路在門極和陰極之間施門極觸發電

31、流也往往是通過觸發電路在門極和陰極之間施加觸發電壓而產生的加觸發電壓而產生的極限高阻極限高阻伏安特性伏安特性極限低阻極限低阻伏安特性伏安特性可靠觸發區可靠觸發區不可靠觸發區不可靠觸發區不觸發區不觸發區IFGM ：門極正向峰值電流：門極正向峰值電流 UFGM ：門極正向峰值電壓：門極正向峰值電壓IGT ：門極觸發電流：門極觸發電流 UGT ：門極觸發電壓：門極觸發電壓 IGD ：門極不觸發電流：門極不觸發電流 UGD ：門極不觸發電壓：門極不觸發電壓 PG ：平均功率：平均功率 PGM ：瞬時最大功率：瞬時最大功率 為保證可靠、安全的觸發，觸發電為保證可靠、安全的觸發，觸發電路所提供的觸發電壓、

32、電流和功率應限路所提供的觸發電壓、電流和功率應限制在可靠觸發區制在可靠觸發區。（1） 開通過程開通過程延遲時間延遲時間td：門極電流階躍時刻：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩態值開始，到陽極電流上升到穩態值的的10%的時間的時間上升時間上升時間tr：陽極電流從：陽極電流從10%上上升到穩態值的升到穩態值的90%所需的時間所需的時間開通時間開通時間tgt以上兩者之和，以上兩者之和， tgt=td+ tr （1-5）普通晶閘管延遲時間為普通晶閘管延遲時間為0.51.5 s，上升時間為，上升時間為0.53 s二、晶閘管的動態特性 反向阻斷恢復時間反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反正向

33、電流降為零到反向恢復電流衰減至接向恢復電流衰減至接近于零的時間近于零的時間（2）關斷時間）關斷時間正向阻斷恢復時間正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還向電壓的阻斷能力還需要一段時間需要一段時間 在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通壓，晶閘管會重新正向導通 實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作靠工作關斷時間關斷時

34、間tq：trr與與tgr之和，即之和，即 tq=trr+tgr （1-6） 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。l在圖2-5a)的簡單電路中，當電源電壓為正半周正半周時，施加門極控制信號，晶閘管立即導通，此時有主電流IA流過。當電源電壓為負半周負半周時，晶閘管中主電流趨于反方向。從圖2.5b)所示波形看到，tT/2 時，理想晶閘管中的電流波形應立即為零。l實際上，晶閘管中的電流如圖2.5c)所示，在主電流保持為零之前會出現反向電流的情況。電流從負值到零值的時間trr并不是晶閘管的重要參數，我們所關心的晶閘管的關斷時間tq。l在tq期間，為保證晶閘管可靠關斷，器件兩端

35、必須保持一定時間的反向電壓，只有這樣晶閘管才能恢復阻斷正向電壓的能力。否則在關斷時間之前，又施加正向電壓，可能會在沒有控制信號觸發的條件下，晶閘管過早的導通，引起器件本身或電路的損壞。動態損耗動態損耗這兩部分屬于這兩部分屬于靜態損耗靜態損耗導通時器件上有一定導通時器件上有一定的通態壓降，形成的通態壓降，形成通態損耗通態損耗阻斷時器件上有微小阻斷時器件上有微小的斷態漏電流流過，的斷態漏電流流過，形成形成斷態損耗斷態損耗 在器件開通或關斷的轉換過程在器件開通或關斷的轉換過程中產生中產生開通損耗開通損耗和和關斷損耗關斷損耗，是是動態損耗動態損耗 還有還有擴展損耗擴展損耗和和過渡損耗過渡損耗，也是也是

36、動態損耗動態損耗開通損耗開通損耗關斷損耗關斷損耗 對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造成器件發熱的原因之一成器件發熱的原因之一 通常電力電子器件的斷態漏電流極小，因而通常電力電子器件的斷態漏電流極小，因而通態損通態損耗是器件功率損耗的主要成因耗是器件功率損耗的主要成因 器件開關頻率較高時，器件開關頻率較高時，開關損耗開關損耗會隨之增大而可能會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素成為器件功率損耗的主要因素 l晶閘管和二極管一樣有明顯的導通損耗 , 但是其開關損耗(稍后討論)非常小。l器件的規格說明一般給出了在正弦和不同占空比的矩形波電流情況

37、下的功率損耗。l圖2-6給出了在矩形波電流情況下的功率損耗特性，反向阻斷損耗和門極電路損耗也包括在圖中。這些曲線適用的最大電源頻率為400Hz。l結附近功率損耗產生的熱量流向外殼 ,然后通過外裝的散熱器發散到周圍,引起結溫TJ的升高。l一個器件的最大TJ 必須受到限制，因為它會對器件的性能產生負面影響。對于穩定的功率損耗P，TJ 可以通過下式來計算 :lTA是環境溫度; JC、CS和SA分別代表結與外殼之間、外殼與散熱器之間、以及散熱器和周圍環境之間的熱阻。SA由冷卻系統的設計決定 , 冷卻的方法可以包括散熱器加自然對流冷卻、強制空氣冷卻和強制液體冷卻。 JAJCCSSATTP（）(2-3)

38、l從式 (2-3)明顯可以看出,對于一個限定TJmax(通常是 125), 通過減小SA可以增加允許功耗P。l這就意味著更高效率的冷卻系統會增加散熱能力，也就是增加器件的能量處理能力SA =0表示一個無窮大散熱器 , 即外殼溫度TC=TA。 l在實際運行中,功率損耗P是循環的 , 而熱容或存儲效應延遲了結溫的升高,從而允許器件帶更大的負載。l瞬態熱等效電路可以用一個并聯的RC電路來表示,其中P等效為電流源,而其在電路上產生的電壓代表溫度TJ。 l圖2-7a)給出了單個脈沖功率損耗對應的TJ 曲線。再考慮到加熱和冷卻曲線的性質,我們可以寫出下列等式 :l式中 , (tl) 是 tl 時刻的瞬態熱

39、阻抗。器件規格表通常會給出結和外殼之間的 熱阻抗。如果需要 , 還可以加上散熱器引起的附加效應。 11( )( )AtTPtJT2221( ) ( )()AtTPtttJT(2-4) (2-5) l如果需要,還可以加上散熱器引起的附加效應。圖2-7b)顯示了三個重復脈沖的典型結溫曲線。對應的可以通過疊加原理表示為333132( ) ( )()()JAT tTPttttt11( )( )JAT tTPt5551525354( ) ( )()()()()JAT tTPttttttttt(2-6) (2-7) (2-8) l圖2-8為一個晶閘管 (CM4208A2 型 ) 的瞬態熱阻抗 JC(t)

40、隨時間的變化曲線。該器件額定熱阻抗為JC =0.8 /W, SC =0.2 /W 。l請注意 , 這里討論的器件冷卻和熱阻抗的概念同樣適用于所有電力半導體器件。 1) 通態平均電流通態平均電流 IT(AV) 晶閘管在環境溫度為晶閘管在環境溫度為40 C和規定的冷卻狀態下，穩和規定的冷卻狀態下，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。半波電流的平均值。 決定晶閘管容許電流大小的是溫度，即管芯決定晶閘管容許電流大小的是溫度，即管芯PN結結的溫度。的溫度。 造成發熱的原因是損耗。主要是造成發熱的原因是損耗。主要是通態損耗通態損耗

41、，希望，希望正向壓降小些；其次是斷態損耗，希望正向壓降小些；其次是斷態損耗，希望IDRM和和IRRM小小些；還有開關損耗，工作頻率要加以考慮；門極損耗些；還有開關損耗，工作頻率要加以考慮；門極損耗通常較小。通常較小。晶閘管正向電流愈大，晶閘管正向電流愈大，通態損耗通態損耗愈大。愈大。四、晶閘管的主要參數四、晶閘管的主要參數波形不同，其有效值相等時，相對應的平均值卻不同。波形不同，其有效值相等時，相對應的平均值卻不同。同一管子同一管子在在不同波形不同波形條件下，能達到的最大條件下，能達到的最大平均值將不同平均值將不同。電流額定值是按平均值標定的。但是，實際工作的最大電流電流額定值是按平均值標定的

42、。但是，實際工作的最大電流平均值不能簡單地以電流額定值來確定。平均值不能簡單地以電流額定值來確定。電流波形不同，平均值和有效值的關系也不一樣。因此要進行電流波形不同，平均值和有效值的關系也不一樣。因此要進行換算。換算。換算的原則換算的原則是電流是電流有效值有效值相等。相等。有效值相等，發熱相同。有效值相等，發熱相同。整流輸出關心平均值，因此額定電流按平均值標定整流輸出關心平均值，因此額定電流按平均值標定但是與發熱成比例關系的是有效值。但是與發熱成比例關系的是有效值。波形系數：波形系數：fK有效值有效值平均值平均值dII有效值：有效值：2)()(2120VTmmItdtSinII平均值：平均值：

43、mmAVdItdtSinIII0)(F)(21波形系數：波形系數：57. 122)(FVTmmAVfIIIIK額定值的波形系數：額定值的波形系數：變換方法：變換方法：額定波形條件下的電流有效值：額定波形條件下的電流有效值： I額定額定 =1.57 IF（AV）某種波形的電流有效值：某種波形的電流有效值： I =Kfd Ifd有效值相等：有效值相等： Kf Id =1.57IF（AV）)(Fd57. 1AVfdIKI 使用時應按使用時應按實際電流實際電流與與通態通態平均電流平均電流有效值有效值相等相等的的原則原則來選取晶閘管來選取晶閘管應留一定的裕量，一般取應留一定的裕量，一般取1.52倍倍計算

44、中常用的積分式：計算中常用的積分式：CuSinuduuSin241212用于有效值計算：用于有效值計算：CCosuduSinu用于平均值計算：用于平均值計算：矩形波有效值：矩形波有效值：NItdIImNm202)(21矩形波平均值：矩形波平均值：NItdIImNmd20)(21周期的周期的 N1周期的周期的 N14) 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指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流的不重復性最大正向過載電流2) 維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導通所必需的最小電流使晶閘管維持導通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安

45、，與結溫有關，結溫越高，一般為幾十到幾百毫安，與結溫有關，結溫越高，則則IH越小越小3) 擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后， 能維能維持導通所需的最小電流持導通所需的最小電流 對同一晶閘管來說，通常對同一晶閘管來說，通常IL約為約為IH的的24倍倍正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM電壓定額電壓定額1) 斷態重復峰值電壓斷態重復峰值電壓UDRM在門極斷路而結溫為在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的額定值時，允許重復加在器件上的 正向峰值電壓。正向峰

46、值電壓。2) 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓URRM 在門極斷路而結溫為在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。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額定中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍倍 斷態不重復峰值電壓斷態不重復峰值電壓UDSM斷態最大瞬時電壓。一斷態最大瞬時電壓。一般般UDRM=UDSM90%，即，即，UDRMUDSM3

47、) 通態（峰值）電壓通態（峰值）電壓UTM晶閘管通以某一規定晶閘管通以某一規定倍倍 數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓。l雙向晶閘管可視為一對反并聯的普通晶閘管的集成，常用于交流調壓和調功電路中。其電路符號如圖2-10a)所示。l有兩個主電極T1和T2，一個門極G。門極使主電路的正向和反向均可觸發導通，因此雙向晶閘管可通過施加正負門極電流脈沖來控制主電路雙向導通。l雙向晶閘管的伏安特性如圖2-10b)所示。在第和第III象限有對稱的伏安特性。 圖2-11為一個使用雙向晶閘管的常用白熾燈燈光調節電路及相應的波形。雙向晶閘管的門極通過一個兩端交流開關(一種對

48、稱電壓阻斷器件)從RC電路中集到驅動脈沖。電容電壓落后于線路電壓。當超過兩端交流開關(Diac)的閾值電壓Vs時,對應極性的電流脈沖就會在角度時觸發雙向晶閘管, 在負載產生一個交流全波相控的輸出。觸發延遲角可以通過改變電阻進行調節，以控制燈光的強度。 逆導晶閘管（RCT）：1）是將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，它不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通；2）與普通晶閘管相比，具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點，主要用于不需要阻斷反向電壓的變換電路中3）逆導晶閘管的額定電流有2個，一個是晶閘管的額定電流，另一個是與之并聯的二極管的額定電流。光

49、控晶閘管（LTT）：也稱為光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。GTO的工作原理的工作原理和靜態伏安特性和靜態伏安特性GTO的關斷特的關斷特性性一一二l門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（GateTurnOff Thyristor GTO），也是晶閘管的一種派生器件，但可以通過門極加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于全控器件。lGTO容量最大、工作頻率最低(12kHz)。lGTO是電流控制型器件，因而在關斷時需要很大的反向驅動電流；lGTO通態壓降大、du/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。l目前，GTO雖然在低于2000V的某些領域內已被GTR和IGRT等所替代，但它在

50、大功率電力牽引中有明顯優勢；它也必將在高壓領域占有一席之地。a）并聯單元結構斷面示意圖）并聯單元結構斷面示意圖b）電氣符號）電氣符號1）圖a所示為可關斷晶閘管GTO并聯單元結構斷面示意圖，圖b為電路符號。3）同普通晶閘管一樣，GTO也可由門極脈沖觸發導通。4）GTO一旦導通，再無任何門極脈沖作用下仍保持導通態。與晶閘管不同的是，GTO能夠在負的門極電壓作用下引起足夠大的負門控電流而關斷。2）GTO是一種多元的功率集成器件開通過程需要經過延遲時間開通過程需要經過延遲時間td和上升時間和上升時間tr，即開通時間為：，即開通時間為：ton= td+tr關斷過程需要經歷抽取飽和導通時儲存的大量載流子的

51、時關斷過程需要經歷抽取飽和導通時儲存的大量載流子的時間間儲存時間儲存時間ts，從而使等效晶體管退出飽和狀態；，從而使等效晶體管退出飽和狀態；然后是等效晶體管從飽和區退至放大區，陽極電流逐漸然后是等效晶體管從飽和區退至放大區，陽極電流逐漸減小時間減小時間下降時間下降時間tf。最后還有殘存載流子復合所需。最后還有殘存載流子復合所需時間時間尾部時間尾部時間tt。GTO的關斷時間，包括儲存時間和下降時間，一般不包的關斷時間，包括儲存時間和下降時間，一般不包括尾部時間，即括尾部時間，即toff=ts+tf1）最大可關斷電流）最大可關斷電流IATO：用來標定：用來標定GTO的額定電流，的額定電流，與普通晶

52、閘管用通態平均電流作為額定電流是不同的。與普通晶閘管用通態平均電流作為額定電流是不同的。2）電流關斷增益）電流關斷增益off：最大可關斷陽極電流與門極負脈：最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值之比。沖電流最大值之比。off=IoffICM。off一般只有一般只有5左右。左右。當關斷電流是當關斷電流是1000A時，則用于關斷時，則用于關斷GTO的門極負脈沖的門極負脈沖電流峰值要達到電流峰值要達到200A，這是，這是GTO的一個缺點。的一個缺點。3）開通時間）開通時間ton：GTO的開通時間為延遲時間和上升時的開通時間為延遲時間和上升時間之和，并隨通態陽極電流的增大而增大。間之和，并隨通態陽極

53、電流的增大而增大。4）關斷時間）關斷時間toff：GTO的關斷時間為儲存時間和下降時的關斷時間為儲存時間和下降時間之和。間之和。1一、GTR的工作原理與靜態伏安特性2二、GTR的動態特性3三、二次擊穿和安全工作區電力晶體管GTR （Giant Transistor，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT在電力電子技術的范圍內，GTR與BJT這兩個名稱等效。 應用應用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代在開關過程中，即在截止區

54、和飽和區之間過渡時，要經過放大區截止區放大區飽和區圖1-16OIcib3ib2ib1ib1ib20、UGS=0）P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：導電：在柵源極間加正電壓UGS(UGSUT ）柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區中的空穴推開，而將P區中的少子電子吸引到柵極下面的P區表面。當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN

55、溝道圖1-19ID/A010203050402468UTU/ V2、靜態特性、靜態特性 漏極直流電流ID和柵源間電壓UGS的關系反映了輸入電壓和輸出電流的關系，稱為MOSFET的轉移特性。由曲線圖可見，漏極電流ID與柵源間電壓UGS當ID較大（即大于開啟 電 壓 ） 時 ， 關 系 近 似 為 線 性 ， 因 此MOSFET為電壓控制型器件（電場控制器件，簡稱場控器件）。 MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區截止區（對應于GTR的截止區）飽和區飽和區（對應于GTR的放大區）非飽和區非飽和區（對應于GTR的飽和區）電力MOSFET工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間來回轉換；電力M

56、OSFET的通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。原因是電流越大，發熱越大，通態電阻就加大，從而限制電流的加大，有利于均流。這里的飽和指的是漏源極電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和指的是漏源極電壓增加時漏極電流相應增加。電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通，可看為是逆導器件。在畫電路圖時，為了不遺忘，常常在MOSFET的電氣符號兩端反向并聯一個二極管；上面左圖為電力MOSFET的開關特性測試電路，右圖為開關過程的波形。與GTR相似，其開通延遲時間td與上升時間tr的和為開通時間ton，關斷延遲時間td與下降時間tf的和為關斷時間toff。電力MOSFE

57、T只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而其關斷過程非常迅速。電力MOSFET的開關時間在10100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。l除了前面涉及到的跨導Gfs、開啟電壓UT以及開關過程中的各時間常數之外，電力MOSFET還有以下主要參數。1.漏極電壓UDS：這是標稱電力MOSFET的電壓定額的參數。2.漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM：這是標稱電力MOSFET電流定額的參數。3.柵源電壓UGS 柵極和源極之間的絕緣層很薄，當UGS

58、20V時，將導致絕緣層擊穿。 4.極間電容電力MOSFET的三個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，這些電容都是非線性的。l漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電流MOSFET的安全工作區。一般來說，電流MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優點。但在實際使用中，仍應保留一定的裕量。 二、IGBT的動態特性一、IGBT的工作原理和靜態伏安特性三、IGBT的主要參數123l絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的復合。l在20世紀80年代中期出現，在電力半導體

59、器件的歷史上是一個重要的里程碑。l在中等功率范圍(數千瓦到數兆瓦)內，它是非常受歡迎的電力電子器件，并且廣泛應用于直流/交流傳動和電源系統。 l它在高端范圍取代了GTR, 并且目前也正在較低功率范圍內逐步取代GTO晶閘管。lIGBT 基本上是一種混合式的MOS柵極開關雙極型晶體管，它同時結合了MOSFET和BJT的優點。lIGBT的發展方向發展方向是提高耐壓能力和開關頻率、降低損耗以及開發具有集成保護功能的智能產品。 lIGBT的電氣圖形符號如圖2-22a所示。與MOSFET相類似，IGBT的門極為高輸入阻抗型電壓驅動控制，只要在門極上施加電壓就可以保證器件的導通，其門極控制功率小。由圖b)可

60、見，當UGE大于開啟電壓UGE(th)時，IGBT導通，電導調制效應使電阻減小，使通態壓降減小。當柵射極間施加反壓或不加信號時，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT可以看成是MOSFET驅動的GTR大功率晶體管，其輸出特性如圖c所示。它的主電路技術性能與GTR相近。理想的IGBT的伏安特性如同開關性能，如圖2-22d所示。 圖2-22a)IGBT的電氣圖形符號 b)轉移特性 c)輸出特性 d)理想特性由于IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現象，因而IGBT的開關速度要低于電力MOSFET。此外，IGBT的擊穿電壓、通態壓降和關斷時間也