电力电子器件基础知识

电力电子器件基础知识电力电子器件基础知识1.1 概述概述n1.电力电子器件的发展电力电子器件的发展n2.电力电子器件的使用特点电力电子器件的使用特点n3.电力电子器件的分类电力电子器件的分类n4.电力电子技术主要组成部分电力电子技术主要组成部分2晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代全控型器件迅速发展时期1957197019801990 2000t(年)电力电子器件发展电力电子器件发展3电力电子器件使用特点电力电子器件使用特点n1.导通压降导通压降n2.运行频率运行频率n3.器件容量器件容量n4.耐冲击能力耐冲击能力n5.可靠性可靠性4电力电子器件的分类电力电子器件的分类 1）根据控制信号可 以控制的程度半控型器件（Thyristor）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(Power Diode)不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。5 2）根据驱动信 号的类型 电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。3）根据内部导 电载流子分单极型 器件内只有一种载流子（多数载流子）参与导电过程的半导体器件双极型 器件内电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件混合型 是指单极型和双极型器件的集成混合电力电子器件的分类电力电子器件的分类62.2.2.2.变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。和电力电子系统的技术。是电力电子技术的核心，其理论基础是电路理论。是电力电子技术的核心，其理论基础是电路理论。电力电子技术主要组成部分电力电子技术主要组成部分1.1.1.1.电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础，其理论基础是半导体物理是电力电子技术的基础，其理论基础是半导体物理。3.3.3.3.控制技术控制技术控制技术控制技术电力电子技术的关键电力电子技术的关键电力电子技术的关键电力电子技术的关键7电力变换分四大类电力变换分四大类n交流变直流整流（AC-DC变换器）n直流变交流逆变（DC-AC变换器）n直流变直流斩波（DC-DC变换器）n交流变交流交交变换（AC-AC变换器）电力电子技术主要组成部分电力电子技术主要组成部分8AKAKa)1.2电力二极管电力二极管电电力力二二极极管管是是指指可可以以承承受受高高电电压压大大电电流流具具有有较较大大耗耗散散功功率率的的二二极极管管，它它与与其其他他电电力力电电子子器器件件相相配配合合，作作为为整整流流、续续流流、电电压压隔隔离离、钳钳位位或或保保护护元元件件，在各种变流电路中发挥着重要作用；在各种变流电路中发挥着重要作用；它它的的基基本本结结构构、工工作作原原理理和和伏伏安安特特性性与与信信息息电电子子电电路路中中的的二二极极管管相相同同，以以半导体半导体PNPN结为基础；结为基础；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；由由一一个个面面积积较较大大的的PNPN结结和和两两端端引引线线以以及及封封装装组组成成，从从外外形形上上看看，大大功功率率的的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。IKAPNJb)c)图图1-1 1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气图形符号电气图形符号91.3 1.3 晶晶 闸闸 管管 晶闸管晶闸管(Thyristor)(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅为可控硅SCRSCR，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。器件。从从19581958年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品从低压小电流到高压大电流的系列产品 ；晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对强电的控制强电的控制 ；晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。曾经在许多领域中得到了广泛的应用。10一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构晶闸管具有四层晶闸管具有四层PNPNPNPN结构，引出结构，引出阳极阳极A A、阴极、阴极K K和和门极门极G G三个联接端；三个联接端；晶闸管的常见封装外形有晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；螺栓型、平板型、塑封型；晶晶闸闸管管对对于于螺螺栓栓型型封封装装，通通常常螺螺栓栓是是其其阳阳极极，能能与与散散热热器器紧紧密密联联接接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图图1-2 1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气图形符号电气图形符号G G11二、晶闸管的导通和关断条件二、晶闸管的导通和关断条件简简单单描描述述晶晶闸闸管管SCRSCR相相当当于于一一个个半半可可控控的的、可开不可关的单向开关。可开不可关的单向开关。图图1-3晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管的工作条件的试验电路12解释解释当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0时，且时，且EGk0，SCR才能才能导通导通。SCR一旦导通，门极一旦导通，门极G将失去控制作用将失去控制作用，即无论，即无论EG如何，均保持导通状态。如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流左右，主电路中的电流I由由R和和RW以及以及EA的大小决定；的大小决定；当当UAK0 同时同时 UGK0由导通由导通关断的条件：关断的条件：使流过使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降低至维持电流以下。(一般通过减小一般通过减小EA,直至直至EA0来实现。）来实现。）13图图1-4 1-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)a)双晶体管模型双晶体管模型 b)b)工作原理工作原理三、晶闸管的工作原理分析三、晶闸管的工作原理分析具体描述具体描述如果如果IG(门极电流门极电流)注入注入V2基极，基极，V2导通，产生导通，产生IC2（2IG）。它同时。它同时为为V1的基极电流，使的基极电流，使V1导通，且导通，且IC1=1IC2,IC1加上加上IG进一步加大进一步加大V2的基极电流，的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使从而形成强烈的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通饱和导通，通过过SCR的电流由的电流由R确定为确定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的结加一个三极管的饱和压降约为饱和压降约为1V。此时，将。此时，将I IG G调整为调整为0，即，即UGK0 0 产生产生I IG G V2 V2通通产生产生I IC2C2 V1 V1通通 I IC1C1 I IC2C2 出现强烈的正出现强烈的正反馈，反馈，G G极失去控制作用，极失去控制作用，V1V1和和V2V2完全饱完全饱和，和，SCRSCR饱和导通。饱和导通。14晶晶闸闸管管的的阳阳极极与与阴阴极极间间的的电电压压和和阳阳极极电电流流之之间间的的关关系系，称称为为阳阳极极伏伏安安特特性性。（见图（见图1-51-5）四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性IG =0=0图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向正向导通导通UBO正向正向特性特性反向反向特性特性雪崩雪崩击穿击穿151)1)正向特性正向特性 IG=0IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压压UboUbo，则漏电流急剧增大，器件开通。，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V1V左右。左右。导导通通期期间间，如如果果门门极极电电流流为为零零，并并且且阳阳极极电电流流降降至至接接近近于于零零的的某某一一数数值值IHIH以以下下，则则晶晶闸闸管管又又回回到到正正向向阻阻断断状状态态。IHIH称称为为维持电流。维持电流。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性162)2)反向特性反向特性晶晶闸闸管管上上施施加加反反向向电电压压时时，伏伏安安特特性性类类似似二二极极管管的的反向特性。反向特性。晶晶闸闸管管处处于于反反向向阻阻断断状状态态时时，只只有有极极小小的的反反相相漏漏电电流流过。流流过。当当反反向向电电压压超超过过一一定定限限度度，到到反反向向击击穿穿电电压压后后，外外电电路路如如无无限限制制措措施施，则则反反向向漏漏电电流流急急剧剧增增加加，导导致致晶闸管发热损坏。晶闸管发热损坏。四、晶闸管的阳极伏安特性四、晶闸管的阳极伏安特性171.1.额定电压（额定电压（U UTnTn）1)1)正正向向断断态态重重复复峰峰值值电电压压U UDRMDRM在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的正正向向峰峰值电压。值电压。2)2)反反向向阻阻断断重重复复峰峰值值电电压压U URRMRRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加加在在器器件件上上的的反反向向峰值电压。峰值电压。3)3)通通态态（峰峰值值）电电压压U UTMTM晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数18通通常常取取晶晶闸闸管管的的U UDRMDRM和和U URRMRRM中中较较小小的的标标值值作作为为该该器器件件的的额额定定电电压压。选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量,一一般般取取额额定定电电压压为为正正常常工工作作时时晶晶闸闸管管所所承承受受峰峰值电压值电压2 23 3倍：倍：U UTnTn（）（）U UTMTM (在交流市电中在交流市电中U UTMTM311V)311V)一一般般来来说说，SCRSCR的的额额定定电电压压等等级级规规范范标标准准为为：100V100V1000V1000V，每每100V100V一一个个等等级级；1000V1000V3000V3000V，每每200V200V一个等级。一个等级。19举例：举例：一一晶闸管用于相电压晶闸管用于相电压一一晶闸管用于相晶闸管用于相电压为电压为220V 的单相电路中时，器件的的单相电路中时，器件的电压等级选择如下：电压等级选择如下：考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：20 2.2.额定电流（通态平均电流）额定电流（通态平均电流）I IT(AV)T(AV)定义：在环境温度为定义：在环境温度为+140度和规定的散热条件下，晶闸管度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通）、正弦半波（导通角不小于角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所度时所允许的通态平均电流。允许的通态平均电流。n注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算，它是以电流的平均值而非有效值往按直流平均值来计算，它是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。作为它的电流定额。21闸管的通态平均电流闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值和正弦电流最大值Im之间的之间的关系表示为：关系表示为：正弦半波电流的有效值为：正弦半波电流的有效值为：平均电流平均电流IT(AV)与有效值关系为：与有效值关系为：22n流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选用晶闸管时，电流电流参数还应取用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.52)倍倍的安全裕量，即的安全裕量，即式中式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值23 有有一一晶晶闸闸管管的的电电流流额额定定值值I（TAV）=100A，用用于于电电路路中中流流过过的的电电流波形如图所示，允许流过的电流峰值流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？分析：分析：I（TAV）=100A的晶闸管的晶闸管对应的电流有效值为：对应的电流有效值为：IT=1.57 I（TAV）157A；波形对应的电流有效值：波形对应的电流有效值：考虑考虑2倍的安全雨量后得：倍的安全雨量后得：举例：举例：241 1）通通态态平平均均电电压压U UT(AV)T(AV)：当当晶晶闸闸管管中中流流过过额额定定电电流流并并达达到到稳稳定定的的额额定定结结温温时时，阳阳极极与与阴阴极极之之间间电电压压降降的的平平均均值值，称称为为通通态态平平均均电电压压。通通态态平平均均电电压压U UT(AV)T(AV)分分为为A A，对应为，对应为0.4V0.4V1.2V1.2V共九个组别。共九个组别。2)2)维维持持电电流流 I IH H ：使使晶晶闸闸管管维维持持导导通通所所必必需需的的最最小小电电流流一一般般为为几几十十到到几几百百毫毫安安，与与结结温温有有关关，结结温温越越高高，则则I IH H越小越小3)3)擎擎住住电电流流 I IL L：晶晶闸闸管管刚刚从从断断态态转转入入通通态态并并移移除除触触发发信号后，信号后，能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为I IH H的的2 24 4倍。倍。3.3.其他参数其他参数254)4)断断态态电电压压临临界界上上升升率率d du ud dt t ：在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路情情况况下下，不不使使元元件件从从断断态态到到通通态态转转换换的的最最大大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。5 5）通通态态电电流流临临界界上上升升率率d di id dt t ：在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管在在门门极极触触发发开开通通时时所所能能承承受受不不导导致致损损坏坏的的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。26六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1 1、门极伏安特性、门极伏安特性 指门极电压与电流的关系指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只晶闸管的门极和阴极之间只有一个有一个PNPN结，结，所以电压与所以电压与电流的关系和普通二极管的电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特伏安特性相似。门极伏安特性曲线可通过实验画出，如性曲线可通过实验画出，如图图1-61-6所示。所示。27 2 2、门极几个主要参数的标准、门极几个主要参数的标准 1 1）门门极极不不触触发发电电压压U UGDGD和和门门极极不不触触发发电电流流I IGD GD：不不能能使使晶晶闸闸管管从从断断态态转转入入通通态态的的最最大大门门极极电电压压称称为为门门极极不不触触发发电电压压U UGDGD，相相应应的的最最大大电电流流称称为为门门极极不触发电流不触发电流I IGDGD。）门极触发电压）门极触发电压U UGTGT和门极触发电流和门极触发电流I IGTGT 在在室室温温下下，对对晶晶闸闸管管加加上上V V正正向向阳阳极极电电压压时时，使使元元件件由由断断态态转转入入通通态态所所必必须须的的最最小小门门极极电电流流称称为为门门极极触触发发电电流流I IGTGT，相相应应的的门门极极电电压压称称为为门门极极触触发电压发电压U UGTGT。）门门极极正正向向峰峰值值电电压压U UGMGM、门门极极正正向向峰峰值值电电流流I IGMGM和门极峰值功率和门极峰值功率P PGMGM 28 一、双向晶闸管一、双向晶闸管 1.1.双向晶闸管的外形与结构双向晶闸管的外形与结构 双双向向晶晶闸闸管管的的外外形形与与普普通通晶晶闸闸管管类类似似，有有塑塑封封式式、螺螺栓栓式式和和平平板板式式。但但其其内内部部是是一一种种NPNPNNPNPN五五层层结结构构引出三个端线的器件。如图引出三个端线的器件。如图1-71-7所示。所示。双向晶闸管及其他派生晶闸管图图1-7 1-7 双向晶闸管双向晶闸管 292.2.双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管的特性与参数双双向向晶晶闸闸管管具具有有正正反反向向对对称称的的伏伏安安特特性性曲曲线线。正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。双双向向晶晶闸闸管管均均方方根根值值电电流流与与普普通通晶晶闸闸管管平平均均值值电电流之间的换算关系式为流之间的换算关系式为 303.3.双向晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式双双向向晶晶闸闸管管正正反反两两个个方方向向都都能能导导通通，门门极极加加正正负负电电压压都都能能触触发发。主主电电压压与与触触发发电电压压相相互互配合，可以得到四种触发方式：配合，可以得到四种触发方式：第一象限触发第一象限触发第二象限触发第二象限触发第三象限触发第三象限触发第四象限触发第四象限触发31包包括括所所有有专专为为快快速速应应用用而而设设计计的的晶晶闸闸管管，有有快快速速晶晶闸闸管和高频晶闸管（管和高频晶闸管（10kHz10kHz以上）；以上）；管管芯芯结结构构和和制制造造工工艺艺进进行行了了改改进进，开开关关时时间间以以及及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明显改善；耐量都有明显改善；普普通通晶晶闸闸管管关关断断时时间间数数百百微微秒秒，快快速速晶晶闸闸管管数数十十微微秒秒，高频晶闸管高频晶闸管1010 s s左右；左右；高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高；高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高；由由于于工工作作频频率率较较高高，选选择择通通态态平平均均电电流流时时不不能能忽忽略略其其开关损耗的发热效应；开关损耗的发热效应；FSTFST由由于于允允许许长长期期通通过过的的电电流流有有限限，所所以以其其不不宜宜在在低低频频下工作。下工作。二、快速晶闸管二、快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST)32 逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种管制作在同一管芯上的功率集成器件，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。反向电压即开通。三、逆导晶闸管三、逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）图图1-9逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号b)伏安特性伏安特性33四、四、光控晶闸管光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）n光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。图图1-10 1-10 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)a)电气图形符号电气图形符号 b)b)伏安特性伏安特性34全控型电力电子器件n nGTO门极可关断晶闸管n nGTR电力晶体管n nMOSFET电力场效应晶体管 n nIGBT门极绝缘栅双极晶体管351.4 1.4 门极关断晶闸管（门极关断晶闸管（GTOGTO）1.结构与与普普通通晶晶闸闸管管的的相相同同点点：PNPNPNPN四四层层半半导导体体结结构，外部引出阳极、阴极和门极；构，外部引出阳极、阴极和门极；和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同点点：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成成器器件件，内内部部包包含含数数十十个个甚甚至至数数百百个个共共阳阳极极的的小小GTOGTO元元，这这些些GTOGTO元元的的阴阴极极和和门门极极则则在在器件内部并联在一起。器件内部并联在一起。362.导通关断条件导通关断条件导通：同晶闸管，导通：同晶闸管，AK正偏，正偏，GK正偏正偏关断：门极加负脉冲电流关断：门极加负脉冲电流373.特点特点n全控型全控型n容量大容量大n off5n电流控制型电流控制型1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A381.5 1.5 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）n电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管Giant TransistorGTR，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），所以有时也称为Power BJT；n其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。391.电力晶体管简介电力晶体管简介nGTR是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力,产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。nGTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。它的符号如图1,和普通的NPN晶体管一样。401.电力晶体管简介电力晶体管简介412.电力晶体管的结构电力晶体管的结构n电力晶体管(Giant Transistor)简称GTR又称BJT（Bipolar Junction Transistor），GTR和BJT这两个名称是等效的，结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。GTR由三层半导体、两个PN结组成。和小功率三极管一样，有PNP和NPN两种类型，GTR通常多用NPN结构。423.电力晶体管的工作原理电力晶体管的工作原理n在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。nGTR通常工作在正偏(基极电流IB0)时大电流导通；反偏(基极电流IB0=时处于截止状态。因此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。434.电力晶体管的工作特性电力晶体管的工作特性n一、静态特性一、静态特性n共发射极接法时可分为三个工作区：n 截止区。在截止区内，IB0，UBE0，UBC0，UBE0，UBCIcS/，UBE0，UBC0，ICS是集电极饱和电流，其值由外电路决定。444.电力晶体管的工作特性电力晶体管的工作特性n二、动态特性二、动态特性GTR主要工作在截止区及饱和区，切换过程中会快速通过放主要工作在截止区及饱和区，切换过程中会快速通过放大区，这个开关过程即反映了大区，这个开关过程即反映了GTR的动态特性。的动态特性。当在GTR 基极施加脉冲信号时，GTR将作开关状态，在t0时刻加入正向基极电流，GTR经延迟延迟和上升阶段上升阶段后达到饱和区，故开通时间：ton=td+tr当反向基极电流信号加到基极时，GTR经存储存储和下降阶段下降阶段才返回截止区，则关断时间：toff=ts+tf455.电力晶体管的主要参数电力晶体管的主要参数一、电压参数一、电压参数1、集电极最高工作电压UCEM 2、饱和压降UCEsat二、电流参数二、电流参数 1、连续额定电流Ic，2、集电极额定电流（最大允许电流）ICM 3、基极最大允许电流IBM 4、集电极最大允许耗散功率PCM466.6.二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区一、二次击穿现象一、二次击穿现象 二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个重要因素。当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。出现一次击穿后，只要Ic不超过与最大运行耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不会有什么变化。但是实际应用中常常发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的突然下降，这种现象称为二次击穿二次击穿。476.6.二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区一次击穿及二次击穿现象比较一次击穿及二次击穿现象比较一次击穿v集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿；v只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿v一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿，v二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏。必需避免。486.6.二次击穿现象与安全工作区二次击穿现象与安全工作区二、安全工作区二、安全工作区 GTR能够正常运行的范围称为安全工作区（safe operating area,SOA），以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成的工作区为一次击穿工作区，以USB(二次击穿电压)与ISB(二次击穿电流)组成的PSB (二次击穿功率)是一个不等功率曲线。防止二次击穿的办法是防止二次击穿的办法是：应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。必须有电压电流缓冲保护措施。491.6 1.6 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFETMOSFET）G G G G：栅极栅极栅极栅极D D D D：漏极漏极漏极漏极S S S S：源极源极源极源极 电力MOSFET的结构和电气图形符号 a)内部结构断面示意图 b)电气图形符号 501.6 1.6 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFETMOSFET）511.导通关断条件漏源极导通条件：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压U UGSGS漏源极关断条件：栅源极间电压栅源极间电压U UGSGS为零为零522.特点及应用n优点：驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高（所有电力电子器件中工作频率最高的）、输入阴抗高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽。n缺点：电流容量小、耐压低、通态电阻大等（故中适用于中小功率电力电子装置中）n应用：中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器53一、静态特性一、静态特性1输出特性曲线输出特性曲线3、工作特性、工作特性542转移特性曲线转移特性曲线3、工作特性、工作特性55二、开关特性二、开关特性3、工作特性、工作特性开通时间为：开通时间为：ton=td(on)+tr关断时间为：关断时间为：toff=td(off)+tf56一、主要参数一、主要参数1、漏-源击穿电压U（BR）DS2、额定电流ID3、栅-源击穿电流U（BR）GS4、通态电阻Ron5、最大耗散功率PD4、主要参数及安全工作区、主要参数及安全工作区二、安全工作区二、安全工作区 由四条边界包围而成。571.7 1.7 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）n 绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT（Insulated Gate Biopolar Transistor）,是80年代中期发展起来的一种新型复合器件复合器件。nIGBT综合了MOSFETMOSFET和GTRGTR的输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点。成为当前电力半导体器件的发展方向。581.结构n复合结构（=MOSFET+GTR）592.导通关断条件驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，基本相同，属于场控器件，通断由栅射极电压通断由栅射极电压uGE决定决定导通条件：在栅射极间加正电压在栅射极间加正电压U UGEGEUGE大于开启电压大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成沟道，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通。关断条件：栅射极反压或无信号栅射极反压或无信号栅射极间施加反压或不加信号时，栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。关断。603.特点特点n高频，容量大高频，容量大n反向耐压低（必须反接二极管）反向耐压低（必须反接二极管）n模块化模块化n驱动和保护有专用芯片驱动和保护有专用芯片611.8 1.8 其他新型功率开关器件其他新型功率开关器件SIT静电感应晶体管静电感应晶体管SITH静电感应晶闸管静电感应晶闸管MCTMOS控制晶闸管控制晶闸管IGCT 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管PM 功率模块功率模块PIC 功率集成电路（功率集成电路（HVIC、SPIC、IPM)62GTRGTR、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT特性测试特性测试1.9 1.9 任务实施任务实施电力电子器件测试电力电子器件测试 采用采用THPDDTHPDD实训台、双踪示波器、万用表、数字表等进行实训。实训台、双踪示波器、万用表、数字表等进行实训。电力电子器件采用电力电子器件采用GTRGTR、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT三种。三种。绘制相应测试电路原理图。绘制相应测试电路原理图。连接实际测试接线图。连接实际测试接线图。调节给定电位器调节给定电位器RP1RP1，逐步改变给定电压，监视电压表、电流表的，逐步改变给定电压，监视电压表、电流表的读数，当电压表指示接近零（表示管子完全导通），停止调节，记读数，当电压表指示接近零（表示管子完全导通），停止调节，记录给定电压录给定电压UgUg调节过程中回路电流调节过程中回路电流IdId以及器件的管压降以及器件的管压降UvUv。总结测试结论。总结测试结论。63思考题及注意事项思考题及注意事项 l各种器件对触发脉冲要求的异同点？l为保证功率器件在实训过程中避免功率击穿，应保证管子的功率损耗(即功率器件的管压降与器件流过的电流乘积)小于8W。l为使GTR特性实训更典型，其电流应控制在0.4A以下。641.10知识拓展知识拓展谐振软开关的基本概念谐振软开关的基本概念n1.开关过程器件损耗及硬、软开关方式开关过程器件损耗及硬、软开关方式n2.零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关n3.谐振软开关电路类型谐振软开关电路类型（准谐振电路、零开关准谐振电路、零开关PWM电路、零转换开关电路）电路、零转换开关电路）65小结小结n电力二极管由PN结组成，加正向电压导通，加反向电压截止，是不可控单向导通电力电子器件。n普通晶闸管是半控型电力电子器件。导通条件是：对晶闸管的阳极和阴极两端加正向电压，同时在门极和阴极也加适当地正向电压。一旦晶闸管导通，门极就失去了控制作用。关断条件是：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。双向晶闸管可看作两只普通的晶闸管反向并联，正反向都能被触发导通，因此其额定电流值为有效值。66 n门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等均属于全控型电力电子器件，即通过控制极施加驱动信号,既能控制其开通,又能控制其关断。其中GTO、GTR器件属于电流控制型器件，电流控制型器件具有通态压降低、导通损耗小、工作频率低、驱动功率大以及驱动电路复杂等特点。电力场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管、静电感应晶体管、静电感应晶闸管、MOS控制晶闸管以及集成门极换流晶闸管等器件均为电压控制型器件。电压控制型器件具有输入阻抗大、驱动功率小、驱动电路简单以及工作频率高等特点。67n近年来电力电子器件发展的一个重要趋势是将电力电子器件与其驱动、检测和保护等硬件集成于一体,构成体积小、重量轻、成本低、可靠性高以及使用方便的功率集成电路。n此外还介绍了晶闸管、电力场效应晶体管以及绝缘栅双极晶体管等的测试方法，并了解了谐振软开关的概念。68结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！69