1、1模塊模塊1：電力電子器件基礎知識：電力電子器件基礎知識n1.1 概述概述n1.2 電力二極管電力二極管n1.3 晶閘管晶閘管n1.4 門極關斷晶閘管門極關斷晶閘管n1.5 電力晶體管電力晶體管n1.6 電力場效應晶體管電力場效應晶體管n1.7 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管n1.8 其他新型功率開關器件其他新型功率開關器件n1.9 任務實施任務實施電力電子器件測試電力電子器件測試n1.10知識拓展知識拓展諧振軟開關基本概念諧振軟開關基本概念n小結小結21.1 概述概述n1.電力電子器件的發展電力電子器件的發展n2.電力電子器件的使用特點電力電子器件的使用特點n3.電力電子器件的分類電力電子

2、器件的分類n4.電力電子技術主要組成部分電力電子技術主要組成部分3晶閘管問世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出現和發展時代晶閘管時代全控型器件迅速發展時期1957197019801990 2000t(年)電力電子器件發展電力電子器件發展4電力電子器件使用特點電力電子器件使用特點n1.導通壓降導通壓降n2.運行頻率運行頻率n3.器件容量器件容量n4.耐沖擊能力耐沖擊能力n5.可靠性可靠性5電力電子器件的分類電力電子器件的分類 1）根據控制信號可 以控制的程度半控型器件（Thyristor）通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)通過控制信號既可控導

3、通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。不可控器件(Power Diode)不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅動電路。6 2）根據驅動信 號的類型 電流驅動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制。電壓驅動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷的控制。 3）根據內部導 電載流子分單極型 器件內只有一種載流子（多數載流子）參與導電過程的半導體器件雙極型 器件內電子和空穴兩種載流子都參與導電過程的半導體器件混合型 是指單極型和雙極型器件的集成混合電力電子器件的分類電力電子器件的分類7電力電子技術主要組成部分電力電子技術主要組成部分8n交流變直流整

4、流（AC-DC變換器）n直流變交流逆變（DC-AC變換器）n直流變直流斬波（DC-DC變換器）n交流變交流交交變換（AC-AC變換器）電力電子技術主要組成部分電力電子技術主要組成部分9AKAKa)1.2 電力二極管電力二極管電力二極管是指可以承受高電壓大電流具有較大耗散功率的二極管，它電力二極管是指可以承受高電壓大電流具有較大耗散功率的二極管，它與其他電力電子器件相配合，作為整流、續流、電壓隔離、鉗位或保護與其他電力電子器件相配合，作為整流、續流、電壓隔離、鉗位或保護元件，在各種變流電路中發揮著重要作用；元件，在各種變流電路中發揮著重要作用；它的基本結構、工作原理和伏安特性與信息電子電路中的二

5、極管相同，它的基本結構、工作原理和伏安特性與信息電子電路中的二極管相同，以半導體以半導體PNPN結為基礎；結為基礎；主要類型有普通二極管、快恢復二極管和肖特基二極管；主要類型有普通二極管、快恢復二極管和肖特基二極管；由一個面積較大的由一個面積較大的PNPN結和兩端引線以及封裝組成，從外形上看，大功率結和兩端引線以及封裝組成，從外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型兩種封裝，小功率的和普通二極管一致。的主要有螺栓型和平板型兩種封裝，小功率的和普通二極管一致。 IKAPNJb)c)圖圖1-1 1-1 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) a) 外形外形 b

6、) b) 結構結構 c) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號101.3 1.3 晶晶 閘閘 管管 晶閘管晶閘管(Thyristor)(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅為可控硅SCRSCR，普通晶閘管是一種具有開關作用的大功率半導體，普通晶閘管是一種具有開關作用的大功率半導體器件。器件。從從19581958年美國研制出第一只普通晶閘管以來，至今已形成了年美國研制出第一只普通晶閘管以來，至今已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產品從低壓小電流到高壓大電流的系列產品 ；晶閘管作為大功率的半導體器件，只需用幾十至幾百毫安的晶閘管作為大功率的半導

7、體器件，只需用幾十至幾百毫安的電流，就可以控制幾百至幾千安培的大電流，實現了弱電對電流，就可以控制幾百至幾千安培的大電流，實現了弱電對強電的控制強電的控制 ； 晶閘管具有體積小、重量輕、損耗小、控制特性好等優點，晶閘管具有體積小、重量輕、損耗小、控制特性好等優點，曾經在許多領域中得到了廣泛的應用。曾經在許多領域中得到了廣泛的應用。 11一、晶閘管的結構一、晶閘管的結構晶閘管具有四層晶閘管具有四層PNPNPNPN結構，引出結構，引出陽極陽極A A、陰極、陰極K K和和門極門極G G三個聯接端；三個聯接端；晶閘管的常見封裝外形有晶閘管的常見封裝外形有螺栓型、平板型、塑封型；螺栓型、平板型、塑封型；

8、晶閘管對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接晶閘管對于螺栓型封裝，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。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。圖圖1-2 1-2 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a) a) 外形外形 b) b) 結構結構 c) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G G12二、晶閘管的導通和關斷條件二、晶閘管的導通和關斷條件簡單描述簡單描述晶閘管晶閘管SCRSCR相當于一個半可控的、相當于一個半可控的

9、、可開不可關的單向開關。可開不可關的單向開關。圖圖1-3 晶閘管的工作條件的試驗電路晶閘管的工作條件的試驗電路13解釋解釋當當SCR的陽極和陰極電壓的陽極和陰極電壓UAK0時，且時，且EGk0，SCR才能才能導通導通。SCR一旦導通，門極一旦導通，門極G將失去控制作用將失去控制作用，即無論，即無論EG如何，均保持導通狀態。如何，均保持導通狀態。SCR導通后的管壓降為導通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流左右，主電路中的電流I由由R和和RW以及以及EA的大小決定；的大小決定；當當UAK0 同時同時 UGK0由導通由導通關斷的條件：關斷的條件：使流過使流過SCR的電流降低至維持電流以下。的電流降

10、低至維持電流以下。 (一般通過減小一般通過減小EA,直至直至EA0來實現。）來實現。）14RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖圖1-4 1-4 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) a) 雙晶體管模型雙晶體管模型 b) b) 工作原理工作原理三、晶閘管的工作原理分析三、晶閘管的工作原理分析具體描述具體描述如果如果IG(門極電流門極電流)注入注入V2基極，基極，V2導通，產生導通，產生IC2（ 2IG ）。它同時。它同時為為V1的基極電流，使的基極電流，使V1導通，且導通，且IC1= 1IC2,IC

11、1加上加上IG進一步加大進一步加大V2的基極電流，的基極電流，從而形成強烈的正反饋，使從而形成強烈的正反饋，使V1V2很快進入完全飽和狀態。此時很快進入完全飽和狀態。此時SCR飽和導通，通飽和導通，通過過SCR的電流由的電流由R確定為確定為EA/R。UAK之間的壓降相當于一個之間的壓降相當于一個PN結加一個三極管的結加一個三極管的飽和壓降約為飽和壓降約為1V。此時，將。此時，將I IG G調整為調整為0，即，即UGK0 0 產生產生I IGG V2 V2通通產生產生I IC2C2 V1 V1通通 I IC1C1 I IC2C2 出現強烈的正反饋，出現強烈的正反饋，GG極失去控制作用，極失去控制

12、作用，V1V1和和V2V2完全飽和，完全飽和，SCRSCR飽和導通。飽和導通。15晶閘管的陽極與陰晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極極間的電壓和陽極電流之間的關系，電流之間的關系，稱為稱為陽極伏安特性陽極伏安特性。（見圖（見圖1-51-5）四、晶閘管的陽極伏安特性四、晶閘管的陽極伏安特性IG =0=0圖圖1-5 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向正向導通導通UBO正向正向特性特性反向反向特性特性雪崩雪崩擊穿擊穿161) 1) 正向特性正向特性 IG=0IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態，只有很時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態，只有很小的正向

13、漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓電壓UboUbo，則漏電流急劇增大，器件開通。，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低。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1V1V左右。左右。導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于導通期間，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零的某一數值IHIH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態。以下，則晶閘管又回到正向阻

14、斷狀態。IHIH稱為維持電流。稱為維持電流。四、晶閘管的陽極伏安特性四、晶閘管的陽極伏安特性172) 2) 反向特性反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管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。的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態時，只有極小的反相漏晶閘管處于反向阻斷狀態時，只有極小的反相漏電流流過。電流流過。當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，當反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加，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導致晶閘管發熱損壞。導致晶閘管發熱損壞。四、晶閘管的陽極伏安特性四、晶閘管的陽極伏安特性181.

15、 1. 額定電壓（額定電壓（U UTnTn）1)1) 正向斷態重復峰值電壓正向斷態重復峰值電壓U UDRMDRM在門極斷路而在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。值電壓。2)2) 反向阻斷重復峰值電壓反向阻斷重復峰值電壓U URRMRRM 在門極斷路而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結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。值電壓。3)3) 通態（峰值）電壓通態（峰值）電壓U UTMTM晶閘管通以某一規定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。倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓

16、。五、晶閘管的主要參數五、晶閘管的主要參數19通常取通常取晶閘管的晶閘管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中較小的標值作為該器中較小的標值作為該器件的額定電壓件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕。選用時，額定電壓要留有一定裕量量, ,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓值電壓2 23 3倍：倍：U UTnTn（）（）U UTMTM ( (在交流市電中在交流市電中U UTMTM311V)311V)一般來說，一般來說，SCRSCR的額定電壓等級規范標準為：的額定電壓等級規范標準為：100V100V1000V1000V，每，每100V1

17、00V一個等級；一個等級；1000V1000V3000V3000V，每每200V200V一個等級。一個等級。20舉例：舉例： 一一晶閘管用于相電壓晶閘管用于相電壓一一晶閘管用于相晶閘管用于相電壓為電壓為220V 的單相電路中時，器件的的單相電路中時，器件的電壓等級選擇如下：電壓等級選擇如下： 933.2V7 .6202322VUUnT）（考慮到既能滿足耐壓要求，又較經濟取系列值：考慮到既能滿足耐壓要求，又較經濟取系列值：VUnT70021 2. 2. 額定電流（通態平均電流）額定電流（通態平均電流）I IT(AV)T(AV)定義：在環境溫度為定義：在環境溫度為+140度和規定的散熱條件下，晶閘

18、管度和規定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負載時的單相、工頻（在電阻性負載時的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導）、正弦半波（導通角不小于通角不小于170度）的電路中，結溫穩定在額定值度）的電路中，結溫穩定在額定值125度時度時所允許的通態平均電流。所允許的通態平均電流。n注意：由于晶閘管較多用于可控整流電路，而整流電路往注意：由于晶閘管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來計算，它是以電流的平均值而非有效值往按直流平均值來計算，它是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額。作為它的電流定額。22閘管的通態平均電流閘管的通態平均電流IT(A V)和正弦電流最大值和正弦電流最大值Im之

19、間的之間的關系表示為：關系表示為： 正弦半波電流的有效值為：正弦半波電流的有效值為： 平均電流平均電流IT(A V)與有效值關系為：與有效值關系為： m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTII23n流過晶閘管的電流波形不同時，其電流有效值流過晶閘管的電流波形不同時，其電流有效值也不同，以上比值也不同。實際應用中，應根也不同，以上比值也不同。實際應用中，應根據電流有效值相同的原則進行換算，并且在選據電流有效值相同的原則進行換算，并且在選用晶閘管時，電流電流參數還應取用晶閘管時，電流電流參數還應取(1.52)倍的安全裕量，即倍

20、的安全裕量，即57. 1)25 . 1 ()(TAVTII式中式中IT是流過晶閘管中可能出現的最大電流有效值是流過晶閘管中可能出現的最大電流有效值24 有一晶閘管的電流額定值有一晶閘管的電流額定值I（TAV）=100A，用于電路中流過的電，用于電路中流過的電流波形如圖所示，允許流過的電流峰值流波形如圖所示，允許流過的電流峰值IM=？分析：分析： I（TAV）=100A的晶閘管的晶閘管對應的電流有效值為：對應的電流有效值為： IT=1.57 I（TAV） 157A ；波形對應的電流有效值：波形對應的電流有效值： 考慮考慮2倍的安全雨量后得：倍的安全雨量后得： 舉例：舉例：MMItdII61213

21、10AIM3 .192157621251 1）通態平均電壓通態平均電壓U UT(AV)T(AV)：當晶閘管中流過額定電流并達：當晶閘管中流過額定電流并達到穩定的額定結溫時，陽極與陰極之間電壓降的平均到穩定的額定結溫時，陽極與陰極之間電壓降的平均值，稱為通態平均電壓。通態平均電壓值，稱為通態平均電壓。通態平均電壓U UT(AV)T(AV)分為分為A A，對應為，對應為0.4V0.4V1.2V1.2V共九個組別。共九個組別。 2)2) 維持電流維持電流 I IH H ：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，與結溫有關，結溫越高，一般為幾十到幾百毫安

22、，與結溫有關，結溫越高，則則I IH H越小越小3)3) 擎住電流擎住電流 I IL L：晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發：晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后，信號后， 能維持導通所需的最小電流。能維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I IL L約為約為I IH H的的2 24 4倍。倍。3. 3. 其他參數其他參數264)4)斷態電壓臨界上升率斷態電壓臨界上升率d du ud dt t ：在額定結溫和門極：在額定結溫和門極開路情況下，不使元件從斷態到通態轉換的最大開路情況下，不使元件從斷態到通態轉換的最大陽極電壓上升率稱為斷態電壓臨界上升率。陽極電壓上升

23、率稱為斷態電壓臨界上升率。5 5）通態電流臨界上升率通態電流臨界上升率d di id dt t ：在規定條件下，：在規定條件下，晶閘管在門極觸發開通時所能承受不導致損壞的晶閘管在門極觸發開通時所能承受不導致損壞的通態電流最大上升率稱為通態電流臨界上升率。通態電流最大上升率稱為通態電流臨界上升率。 27六、晶閘管門極伏安特性及主要參數1 1、門極伏安特性、門極伏安特性 指門極電壓與電流的關系指門極電壓與電流的關系，晶閘管的門極和陰極之間只晶閘管的門極和陰極之間只有一個有一個PNPN結，結， 所以電壓與所以電壓與電流的關系和普通二極管的電流的關系和普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特伏安特性相似。

24、門極伏安特性曲線可通過實驗畫出，如性曲線可通過實驗畫出，如圖圖1-61-6所示。所示。28 2 2、門極幾個主要參數的標準、門極幾個主要參數的標準 1 1）門極不觸發電壓）門極不觸發電壓U UGDGD和門極不觸發電流和門極不觸發電流I IGD GD ： 不能使晶閘管從斷態轉入通態的最大門極電壓稱不能使晶閘管從斷態轉入通態的最大門極電壓稱為門極不觸發電壓為門極不觸發電壓U UGDGD，相應的最大電流稱為門極，相應的最大電流稱為門極不觸發電流不觸發電流I IGDGD。 ）門極觸發電壓）門極觸發電壓U UGTGT和門極觸發電流和門極觸發電流I IGTGT 在室溫下，對晶閘管加上在室溫下，對晶閘管加上

25、V V正向陽極電壓時，正向陽極電壓時，使元件由斷態轉入通態所必須的最小門極電流稱使元件由斷態轉入通態所必須的最小門極電流稱為門極觸發電流為門極觸發電流I IGTGT，相應的門極電壓稱為門極觸，相應的門極電壓稱為門極觸發電壓發電壓U UGTGT。 ）門極正向峰值電壓）門極正向峰值電壓U UGMGM、門極正向峰值電流、門極正向峰值電流I IGMGM和門極峰值功率和門極峰值功率P PGMGM 29 一、雙向晶閘管一、雙向晶閘管 1.1.雙向晶閘管的外形與結構雙向晶閘管的外形與結構 雙向晶閘管的外形與普通晶閘管類似，有塑封式、雙向晶閘管的外形與普通晶閘管類似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其內部是一種螺

26、栓式和平板式。但其內部是一種NPNPNNPNPN五層結構五層結構引出三個端線的器件。如圖引出三個端線的器件。如圖1-71-7所示。所示。 雙向晶閘管及其他派生晶閘管圖圖1-7 1-7 雙向晶閘管雙向晶閘管 302.2.雙向晶閘管的特性與參數雙向晶閘管的特性與參數雙向晶閘管具有正反向對稱的伏安特性曲線。正雙向晶閘管具有正反向對稱的伏安特性曲線。正向部分位于第向部分位于第I I象限，反向部分位于第象限，反向部分位于第IIIIII象限。象限。雙向晶閘管均方根值電流與普通晶閘管平均值電雙向晶閘管均方根值電流與普通晶閘管平均值電流之間的換算關系式為流之間的換算關系式為 )()()(45. 02RMSTR

27、MSTAVTIII313. 3. 雙向晶閘管的觸發方式雙向晶閘管的觸發方式雙向晶閘管正反兩個方向都能導通，門極加雙向晶閘管正反兩個方向都能導通，門極加正負電壓都能觸發。主電壓與觸發電壓相互正負電壓都能觸發。主電壓與觸發電壓相互配合，可以得到四種觸發方式：配合，可以得到四種觸發方式：第一象限觸發第一象限觸發第二象限觸發第二象限觸發第三象限觸發第三象限觸發第四象限觸發第四象限觸發32包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管（管和高頻晶閘管（10kHz10kHz以上）；以上）；管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及管芯結構和制造工

28、藝進行了改進，開關時間以及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明顯改善；耐量都有明顯改善；普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，普通晶閘管關斷時間數百微秒，快速晶閘管數十微秒，高頻晶閘管高頻晶閘管1010 s s左右；左右；高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高；高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高；由于工作頻率較高，選擇通態平均電流時不能忽略其由于工作頻率較高，選擇通態平均電流時不能忽略其開關損耗的發熱效應；開關損耗的發熱效應；FSTFST由于允許長期通過的電流有限，所以其不宜在低由于允許長期通過的電流有限，所以其不宜在低頻下工作。頻下工作。二、快

29、速晶閘管二、快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFST)33 逆導晶閘管是將晶閘管反并聯一個二極逆導晶閘管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，這種管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。反向電壓即開通。三、逆導晶閘管三、逆導晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）b)a)UOIKGAIG=0圖圖1-9 逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) 伏安特性伏安特性34四

30、、四、 光控晶閘管光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）n光控晶閘管又稱光觸發晶閘管，是利用光控晶閘管又稱光觸發晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管。圖圖1-10 1-10 光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a) a) 電氣圖形符號電氣圖形符號 b) b) 伏安特性伏安特性光強度強弱b)AGKa)OUAKIA35361.4 1.4 門極關斷晶閘管（門極關斷晶閘管（GTOGTO）與普通晶閘管的相同點：與普通晶閘管的相同點：PNPNPNPN四層半導體結四層半導體結構，外部引出陽極、陰極

31、和門極；構，外部引出陽極、陰極和門極；和普通晶閘管的不同點：和普通晶閘管的不同點：GTOGTO是一種多元的功是一種多元的功率集成器件，內部包含數十個甚至數百個共陽率集成器件，內部包含數十個甚至數百個共陽極的小極的小GTOGTO元，這些元，這些GTOGTO元的陰極和門極則在器元的陰極和門極則在器件內部并聯在一起。件內部并聯在一起。37導通：同晶閘管，導通：同晶閘管，AK正偏，正偏，GK正偏正偏關斷：門極加負脈沖電流關斷：門極加負脈沖電流383.特點特點n全控型全控型n容量大容量大n off5n電流控制型電流控制型GMGTOoffII 1000A的的GTO關斷時門極負脈沖電流峰值要關斷時門極負脈沖

32、電流峰值要200A 391.5 1.5 電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR）n電力晶體管按英文Giant Transistor直譯為巨型晶體管Giant TransistorGTR，是一種耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），所以有時也稱為Power BJT；n其特性有：耐壓高，電流大，開關特性好，但驅動電路復雜，驅動功率大；GTR和普通雙極結型晶體管的工作原理是一樣的。401.電力晶體管簡介電力晶體管簡介nGTR是一種電流控制的雙極雙結大功率、高反壓電力電子器件，具有自關斷能力,產生于本世紀70年代，其額定值已達1800V/800

33、A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具備晶體管飽和壓降低、開關時間短和安全工作區寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關損耗小、開關時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛。nGTR的缺點是驅動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關電源和UPS內，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符號如圖1,和普通的NPN晶體管一樣。411.電力晶體管簡介電力晶體管簡介422.電力晶體管的結構電力晶體管的結構n電力晶體管(Giant Transistor)簡稱GTR又稱B

34、JT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT這兩個名稱是等效的，結構和工作原理都和小功率晶體管非常相似。GTR由三層半導體、兩個PN結組成。和小功率三極管一樣，有PNP和NPN兩種類型，GTR通常多用NPN結構。433.電力晶體管的工作原理電力晶體管的工作原理n在電力電子技術中，GTR主要工作在開關狀態。nGTR通常工作在正偏(基極電流IB0)時大電流導通；反偏(基極電流IB0=時處于截止狀態。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅動信號，它將工作于導通和截止的開關狀態。444.電力晶體管的工作特性電力晶體管的工作特性n一、靜態特性一、靜態特性n共發射極接

35、法時可分為三個工作區：n 截止區。在截止區內，IB0，UBE0，UBC0，UBE0，UBCIcS/，UBE0，UBC0，ICS是集電極飽和電流，其值由外電路決定。454.電力晶體管的工作特性電力晶體管的工作特性n二、動態特性二、動態特性 GTR主要工作在截止區及飽和區，切換過程中會快速通過放主要工作在截止區及飽和區，切換過程中會快速通過放大區，這個開關過程即反映了大區，這個開關過程即反映了GTR的動態特性。的動態特性。當在GTR 基極施加脈沖信號時，GTR將作開關狀態，在t0時刻加入正向基極電流，GTR經延遲延遲和上升階段上升階段后達到飽和區，故開通時間：ton= td+ tr當反向基極電流信

36、號加到基極時，GTR經存儲存儲和下降階段下降階段才返回截止區，則關斷時間： toff= ts+ tf465.電力晶體管的主要參數電力晶體管的主要參數一、電壓參數一、電壓參數 1、集電極最高工作電壓UCEM 2、飽和壓降UCEsat二、電流參數二、電流參數 1、連續額定電流Ic， 2、集電極額定電流（最大允許電流） ICM 3、基極最大允許電流IBM 4、集電極最大允許耗散功率PCM476.6.二次擊穿現象與安全工作區二次擊穿現象與安全工作區一、二次擊穿現象一、二次擊穿現象 二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一個重要因素。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，這種首先出現的擊

37、穿是雪崩擊穿，被稱為一次擊穿。出現一次擊穿后，只要Ic不超過與最大運行耗散功率相對應的限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不會有什么變化。但是實際應用中常常發現一次擊穿發生時如不有效地限制電流，Ic增大到某個臨界點時會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的突然下降，這種現象稱為二次擊穿二次擊穿。486.6.二次擊穿現象與安全工作區二次擊穿現象與安全工作區一次擊穿及二次擊穿現象比較一次擊穿及二次擊穿現象比較一次擊穿v集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現雪崩擊穿；v只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿v一次擊穿發生時，如果繼續增高外接電壓，則Ic繼續增大，當達到某個

38、臨界點時，Uce會突然降低至一個小值，同時導致Ic急劇上升，這種現象稱為二次擊穿，v二次擊穿的持續時間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導致器件的永久損壞。必需避免。496.6.二次擊穿現象與安全工作區二次擊穿現象與安全工作區二、安全工作區二、安全工作區 GTR能夠正常運行的范圍稱為安全工作區（safe operating area ,SOA），以直流極限參數ICM、PCM、UCEM構成的工作區為一次擊穿工作區，以USB (二次擊穿電壓)與ISB (二次擊穿電流)組成的PSB (二次擊穿功率)是一個不等功率曲線。 防止二次擊穿的辦法是防止二次擊穿的辦法是：應使實際使用的工作電壓比反向擊穿電壓

39、低得多。必須有電壓電流緩沖保護措施。501.6 1.6 電力場效應晶體管（電力場效應晶體管（MOSFETMOSFET）N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19 電力MOSFET的結構和電氣圖形符號 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 511.6 1.6 電力場效應晶體管（電力場效應晶體管（MOSFETMOSFET）52漏源極導通條件：漏源極關斷條件：53n優點：驅動電路簡單、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高（所有電力電子器件中工作頻率最高的）、輸入陰抗高、熱穩定性優良、無二次擊穿、安全工作區寬。n缺點：電流容量小、耐壓低、通態電阻大等（故中適

40、用于中小功率電力電子裝置中）n應用：中小功率的高性能開關電源、斬波器、逆變器54一、靜態特性一、靜態特性1輸出特性曲線輸出特性曲線3、工作特性、工作特性552轉移特性曲線轉移特性曲線3、工作特性、工作特性56二、開關特性二、開關特性3、工作特性、工作特性開通時間為：開通時間為：ton=td(on)+tr關斷時間為：關斷時間為：toff=td(off)+tf57一、主要參數一、主要參數1、漏-源擊穿電壓U（BR）DS2、額定電流ID3、柵-源擊穿電流U（BR）GS4、通態電阻Ron5、最大耗散功率PD4、主要參數及安全工作區、主要參數及安全工作區二、安全工作區二、安全工作區 由四條邊界包圍而成。

41、581.7 1.7 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBTIGBT） n 絕緣柵雙極型晶體管簡稱為IGBT（Insulated Gate Biopolar Transistor）,是80年代中期發展起來的一種新型。nIGBT綜合了和的輸入阻抗高、工作速度快、通態電壓低、阻斷電壓高、承受電流大的優點。成為當前電力半導體器件的發展方向。591. 結構n復合結構（= EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發射極 柵極集電極注入區緩沖區漂移區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)60驅動原理與電力驅動原理與電力MOSFET基本相同，屬于場控器件，基本相同，屬于

42、場控器件，通斷由柵射極電壓通斷由柵射極電壓uGE決定決定導通條件：UGE大于開啟電壓大于開啟電壓UGE(th)時，時，MOSFET內形成溝道，內形成溝道，為晶體管提供基極電流，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。導通。關斷條件：柵射極間施加反壓或不加信號時，柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。關斷。613.特點特點n高頻，容量大高頻，容量大n反向耐壓低（必須反接二極管）反向耐壓低（必須反接二極管）n模塊化模塊化n驅動和保護有專用芯片驅動和保護有專用芯片621.8 1.8 其他新型功率開關器件其他新型