第2章電力電子器件基本特性第一頁，共48頁。第2章電力半導體器件的基本特性

§2.1電力半導體器件的種類及應用§2.2半導體整流管§2.3晶閘管和可關斷晶閘管§2.4功率場效應管和絕緣柵雙極型晶體管§2.5電力半導體器件的功率損耗和冷卻第二頁，共48頁。重點和難點

電力電子器件的基本模型和分類電力電子器件指標和特性應用電力電子器件系統的組成電力電子器件的驅動和保護類型及原理

第三頁，共48頁。§2.1電力半導體器件的種類及應用

電力半導體器件是電力電子技術及其應用系統的基礎。電力電子技術的發(fā)展取決于電力電子器件的研制與應用。

定義：電力電子電路中能實現電能的變換和控制的半導體電子器件稱為電力電子器件（PowerElectronicDevice）。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，本書涉及的器件都是指半導體電力電子器件。第四頁，共48頁。不可控器件：器件本身沒有導通、關斷控制功能，而需要根據電路條件決定其導通、關斷狀態(tài)的器件稱為不可控器件。如：電力二極管（PowerDiode）；半控型器件：通過控制信號只能控制其導通，不能控制其關斷的電力電子器件稱為半控型器件。

如：晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件等；全控型器件：通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷的器件，稱為全控型器件。

如：門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor）、功率場效應管（PowerMOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor）等。

一、按器件的開關控制特性可以分為以下三類：第五頁，共48頁。二、電力電子器件按控制信號的性質不同又可分為兩種：

電流控制型器件：

此類器件采用電流信號來實現導通或關斷控制。

如：晶閘管、門極可關斷晶閘管、功率晶體管、IGCT等；

電壓控制半導體器件：

這類器件采用電壓控制（場控原理控制）它的通、斷，輸入控制端基本上不流過控制電流信號，用小功率信號就可驅動它工作。

如：MOSFET管和IGBT管。2.1.2電力電子器件的種類

第六頁，共48頁。附表2.1:主要電力半導體器件的特性及其應用領域器件種類開關功能器件特性概略應用領域電力二極管不可控5kV/3kA—400Hz各種整流裝置晶閘管可控導通6kV/6kA—400Hz8kV/3.5kA—光控SCR煉鋼廠、軋鋼機、直流輸電、電解用整流器可關斷晶閘管自關斷型6kV/6kA—500Hz工業(yè)逆變器、電力機車用逆變器、無功補償器MOSFET600V/70A—100kHz開關電源、小功率UPS、小功率逆變器IGBT1200V/1200A—20kHz4.5kV/1.2kA—2kHz各種整流/逆變器（UPS、變頻器、家電）、電力機車用逆變器、中壓變頻器第七頁，共48頁?！?.2半導體整流管

§2.2.1PN結型整流管§2.2.2其它類型的整流管第八頁，共48頁?！?.2半導體整流管

§2.2.1PN結型整流管PowerDiode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用?？旎謴投O管和肖特基二極管，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。整流二極管及模塊第九頁，共48頁。PN結的狀態(tài)第十頁，共48頁?！?.2.2其它類型的整流管除了PN結型的整流管外，還有肖特基整流管、快恢復二極管和同步整流管等。①肖特基整流管：導通壓降的典型值為0.4～0.6V（而PN結型整流管的通態(tài)壓降典型值為1V左右），而且它的反向恢復時間為幾十納秒。它常被用于高頻低壓開關電路或高頻低壓整流電路中。②快恢復二極管：它的容量可達1200V/200A的水平，反向恢復時間為10納秒數量級，常應用于三相380V高頻PWM整流/逆變電路中，作為電力半導體器件緩沖吸收回路中的快恢復二極管。③同步整流管：利用VDMOS管的柵極驅動信號與電源電壓同步而構成的具有低導通電阻、低反向恢復時間等優(yōu)良特性的一種整流器件，已經成功用于48VDC以下電壓等級的開關電源的輸出整流部分，用來提高高頻整流電路的效率，估計可提高效率7%。

第十一頁，共48頁?！?.3晶閘管和可關斷晶閘管§2.3.1晶閘管（SCR）§2.3.2門極可關斷晶閘管（GTO）

第十二頁，共48頁?！?.3.1晶閘管（SCR）

晶閘管(Thirsted)包括：普通晶閘管(SCR)、快速晶閘管(FST)、雙向晶閘管(TRIAC)、逆導晶閘管(RCT)

、可關斷晶閘管(GTO)

和光控晶閘管等。

由于普通晶閘管面世早，應用極為廣泛,因此在無特別說明的情況下，本書所說的晶閘管都為普通晶閘管。

普通晶閘管：也稱可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),簡稱SCR。

由于它電流容量大,電壓耐量高以及開通的可控性(目前生產水平：4500A/8000V)已被廣泛應用于相控整流、逆變、交流調壓、直流變換等領域,成為特大功率低頻(200Hz以下)裝置中的主要器件。第十三頁，共48頁。1、晶閘管及其工作原理

（1）外形封裝形式:可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上),分別由圖2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示。

（2）晶閘管有三個電極,它們是陽極A,陰極K和門極(或稱柵極)G,它的電氣符號如圖2.3.1(e)所示。

圖2.3.1晶閘管的外型及符號第十四頁，共48頁。常用大功率晶閘管實物外形螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構第十五頁，共48頁。晶閘管的工作原理晶閘管的內部結構和等效電路導通條件：①在A-K兩端施加正向電壓；②同時在門極和陰極之間也施加正向觸發(fā)（電壓）信號時，門極有電流IG流通。這時，即使去掉觸發(fā)信號，這時晶閘管仍然能夠自動維持導通。第十六頁，共48頁。

要使晶閘管由關斷狀態(tài)轉變成導通狀態(tài)，還有三種情況均無須門極觸發(fā)信號，屬于非正常導通：①正向轉折導通：提高UAK正向電壓，陽極電流IA增加，直至晶閘管轉入通態(tài)；②溫度導通：當溫度增加時，流過PN結（J2）的反偏漏電流隨著增加，直至晶閘管轉入導通；③du/dt導通：各PN結都存在著電容。在A-K兩端加正向變化的電壓時，各PN結將流過充電電流，其作用也相當于陽極電流IA增加，直至晶閘管導通。

阻斷條件：當晶閘管A、K間承受正向電壓，而門極電流Ig=0時,上述T1和T2之間的正反饋不能建立起來,晶閘管A、K間只有很小的正向漏電流，它處于正向阻斷狀態(tài)。

第十七頁，共48頁。2.晶閘管的伏安特性

圖2-4晶閘管的伏安特性晶閘管導通時的A-K間的電壓（導通壓降）是非常小的，其典型的平均壓降為1～2V，因此，晶閘管導通后相當于“低阻態(tài)”。晶閘管門極特性偏差很大，即使同一額定值的晶閘管之間其特性也有所不同，所以在設計門極觸發(fā)電路時，必須考慮這種偏差。

第十八頁，共48頁。3.晶閘管的開關過程（b）陽極電壓(UA)和陽極電流(IA)（a）門極電流(IG)圖2-5晶閘管的開關過程波形從圖2-5中可知，晶閘管的開通時間為（td為延遲時間；tr為上升時間）晶閘管的關斷時間為

在晶閘管關斷的時間內，必須嚴格控制重加du/dt，避免晶閘管再次返回導通狀態(tài)，引起關斷失敗。

第十九頁，共48頁。1)又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。2)小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子。3）大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導體激光器。4）光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據重要的地位。

圖2.3.8控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

光控晶閘管(LTT)4、晶閘管的派生器件

第二十頁，共48頁。

可允許開關頻率在400HZ以上工作的晶閘管稱為快速晶閘管(FastSwitchingThyrister，簡稱FST)，開關頻率在10KHZ以上的稱為高頻晶閘管。

快速晶閘管為了提高開關速度，其硅片厚度做得比普通晶閘管薄，因此承受正反向阻斷重復峰值電壓較低，一般在2000V以下。

快速晶閘管du/dt的耐量較差，使用時必須注意產品銘牌上規(guī)定的額定開關頻率下的du/dt，當開關頻率升高時，du/dt耐量會下降?？焖倬чl管(FastSwitchingThyrister—FST第二十一頁，共48頁。

可認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。與一對反并聯晶閘管相比是經濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（SSR）和交流電機調速等領域應用較多。通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。圖2.3.6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

雙向晶閘管(TRIAC)第二十二頁，共48頁。1)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。

2)與普通晶閘管相比，逆導晶閘管具有正壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點；3)根據逆導晶閘管的伏安特性可知，它的反向擊穿電壓很低；因此只能適用于反向不需承受電壓的場合；4)逆導晶閘管存在著晶閘管區(qū)和整流管區(qū)之間的隔離區(qū)；5)逆導晶閘管的額定電流分別以晶閘管和整流管的額定電流表示；圖2.3.7逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性逆導晶閘管(RCT)第二十三頁，共48頁?！?.3.2門極可關斷晶閘管（GTO）

可關斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor)簡稱GTO。它具有普通晶閘管的全部優(yōu)點，如耐壓高，電流大等。同時它又是全控型器件，即在門極正脈沖電流觸發(fā)下導通，在負脈沖電流觸發(fā)下關斷。

第二十四頁，共48頁。

與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO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極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內部并聯在一起。圖1-13GTO的內部結構和電氣圖形符號a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯單元結構斷面示意圖c)電氣圖形符號1、GTO的基本原理第二十五頁，共48頁。1）GTO的導通機理與SCR是相同的。GTO一旦導通之后，門極信號是可以撤除的,但在制作時采用特殊的工藝使管子導通后處于臨界飽和，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣可以用門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關斷。2）在關斷機理上與SCR是不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流(即抽取飽和導通時儲存的大量載流子)，強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。第二十六頁，共48頁。導通過程與SCR一樣，只是導通時飽和程度較淺。需經過延遲時間td和上升時間tr。GTO的關斷特性

1）開通過程：2、GTO的開關特性2）關斷過程：采用很大的負門極電流迅速地減小陽極電流，并過一段時間后此微?。枠O）電流降為零，這時GTO才真正關斷。

第二十七頁，共48頁。GTO在應用中要注意以下方面的問題：①明確門極開通和關斷波形；②驅動電路的電源選擇；③緩沖吸收回路的合理設計；④陽極電路限流電抗器的合理設計。第二十八頁，共48頁。§2.4功率場效應管和絕緣柵雙極型晶體管

§2.4.1功率場效應管（MOSFET）§2.4.2絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

第二十九頁，共48頁?！?.4.1功率場效應管（MOSFET）1.功率MOSFET的基本結構

功率MOSFET的基本結構

第三十頁，共48頁。2.功率MOSFET的靜態(tài)輸出特性當柵極電壓UGS<閾值電壓UT時，功率MOSFET管處于截止狀態(tài)。閾值電壓的典型值為2～4V。為保證器件導通后可靠地進行飽和導通，UGS要足夠大（通常>10V），典型值為＋15VDC開通，－8VDC關斷。第三十一頁，共48頁。3.功率MOSFET的開關特性由于功率MOSFET沒有載流子累積現象，所以本質上開關速度快，僅受各電極之間的寄生電容充放電速度的影響，其開關時間與寄生電容的充放電時間相當。功率MOSFET的工作頻率可達100kHz～1000kHz范圍。

柵極驅動電路

電阻Ron和Roff，用于調整器件的充放電時間，從而可以分別控制功率MOSFET的開通與關斷時間。第三十二頁，共48頁。4、安全工作區(qū)①正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)：導通時間越短，最大功耗耐量越高。②

開關安全工作區(qū)(SSOA)曲線的應用條件是：結溫TJ＜150℃，ton與toff均小于1μs。③換向安全工作區(qū)(CSOA)第三十三頁，共48頁。5.功率MOSFET的特點

①工作頻率高，開關速度僅受寄生電容充放電的影響；②開關損耗??；③易于直接并聯；④安全工作區(qū)寬；⑤柵極輸入阻抗高，且呈容性；⑥輸出容量較低，導通飽和壓降相對較高；⑦導通電阻Ron正比于UBR的2.5次方，因而制約了功率MOSFET耐壓不能做得太高。第三十四頁，共48頁。§2.4.2絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）IGBT：絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor)。兼具功率MOSFET高速開關特性和GTR的低導通壓降特性兩者優(yōu)點的一種復合器件。IGBT于1982年開始研制，1986年投產，是發(fā)展最快而且很有前途的一種混合型器件。目前IGBT產品已系列化，最大電流容量達1800A，最高電壓等級達4500V，工作頻率達50kHZ。在電機控制、中頻電源、各種開關電源以及其它高速低損耗的中小功率領域，IGBT取代了GTR和一部分MOSFET的市場。第三十五頁，共48頁。IGBT基本上是功率MOSFET的漏極端追加P型半導體層的結構，等效成PNP型雙極性晶體管和功率MOSFET的復合電路。在IGBT的柵極上施加正電壓時，在柵極電極下N溝道形成導通的形式。這一點是與功率MOSFET的最大區(qū)別，也是IGBT可以大電流化的原因。1.IGBT的基本結構第三十六頁，共48頁。IGBT的外形第三十七頁，共48頁。

IGBT也屬場控器件，其驅動原理與電力MOSFET基本相同，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關斷器件。

導通：UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通。

導通壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小。

關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT伏安特性2.IGBT的靜態(tài)輸出特性

第三十八頁，共48頁。4.IGBT的特點①工作頻率高，開關損耗??；②IGBT的導通壓降（或通態(tài)壓降）比功率MOSFET低，特別是在大電流工作區(qū)段；③NPT-IGBT具有導通壓降的正溫度系數特點，在并聯使用時具有電流自動調節(jié)能力，即易于直接并聯；④安全工作區(qū)寬，具有耐脈沖電流沖擊的特點；⑤柵極輸入阻抗高，且呈容性，與功率MOSFET相似；⑥IGBT的耐壓、電流容量可以做得很大，同時還可保持工作頻率高的特點。第三十九頁，共48頁?！?.5電力半導體器件的功率損耗和冷卻

§2.5.1電力半導體器件的功率損耗§2.5.2緩沖吸收回路§2.5.3電力半導體器件的結面溫度§2.5.4為什么要對電力半導體器件進行冷卻第四十頁，共48頁。§2.5.1電力半導體器件的功率損耗

純電阻負載電路

電力半導體器件的功率損耗

各損耗是器件電壓和電流乘積的平均功率損耗：

PT=Pon+Poff+Psw.on+Psw.off

器件的斷態(tài)損耗可以忽略，其通態(tài)損耗Pon=Uon×Ion×δ

器件的開關損耗為

δ為電力半導體器件導通的占空比；fsw

（=1/T）為器件的開關頻率。

隨著開關頻率的增加，開關損耗將成為器件損耗的主要部分。

第四十一頁，共48頁?！?.5.2緩沖吸收回路第四十二頁，共48頁。

如圖所示是一種開關器件的緩沖電路——RCD緩沖吸收回路。

器件關斷過程：電流經