电力电子技术课件第二章电力电子器件-

第第2章章 电力电子器件电力电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.6 电力电子器件的驱动要求电力电子器件的驱动要求2.7 电力电子器件的串并联技术电力电子器件的串并联技术本章小结本章小结 功率 MOSFET晶闸管/GTOIGBT 模块和水冷式散热器贴片式二极管IGBT Wafer 3300 V 1200 A IGBT module19*14*3.8 cm3IGBT and Diodes in the power module15*10 cm2第第2章章 电力电子器件电力电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.6 电力电子器件的驱动要求电力电子器件的驱动要求2.7 电力电子器件的串并联技术电力电子器件的串并联技术本章小结本章小结 2024/7/8电力电子技术电力电子技术42.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点2024/7/8电力电子技术电力电子技术52.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念 电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。2024/7/8电力电子技术电力电子技术62.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征 所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。2024/7/8电力电子技术电力电子技术72.1.1 电力电子器件的概念和特征通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗2024/7/8电力电子技术电力电子技术82.1.2 应用电力电子器件的系统组成电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。电气隔离电气隔离电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成2024/7/8电力电子技术电力电子技术92.1.3 电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。全控型器件全控型器件 目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。不可控器件不可控器件 电力二极管（Power Diode）不能用控制信号来控制其通断。2024/7/8电力电子技术电力电子技术102.1.3 电力电子器件的分类电流方向不可控器件控制导通(半控)控制导通与关断(全控)单向流动双向流动二极管晶闸管Triac*晶体管TransistorMOSFETGTOIGBT模块Triac:Triode for Alternating Current,三端双向可控硅开关元件 2024/7/8电力电子技术电力电子技术112.1.3 电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 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。各自特点？各自特点？2024/7/8电力电子技术电力电子技术122.1.3 电力电子器件的分类按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外）脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。电平控制型电平控制型 必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。2024/7/8电力电子技术电力电子技术132.1.3 电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种载流子参与导电。双极型器件双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电。复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。各自特点？各自特点？2024/7/8电力电子技术电力电子技术142.1.4 本章内容和学习要点本章内容本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。2024/7/8电力电子技术电力电子技术152.1.4 本章内容和学习要点学习要点学习要点 最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的参数和特性曲线的使用方法。学会查阅器件的Data Sheet。了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求，如变压器、电感、电容、电阻等。第第2章章 电力电子器件电力电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.6 电力电子器件的驱动要求电力电子器件的驱动要求2.7 电力电子器件的串并联技术电力电子器件的串并联技术本章小结本章小结 2024/7/8电力电子技术电力电子技术172.2 不可控器件电力二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型2024/7/8电力电子技术电力电子技术182.2 不可控器件电力二极管电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。整流二极管及模块整流二极管及模块2024/7/8电力电子技术电力电子技术19AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。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)外形外形 b)基本结构基本结构 c)电气图形符号电气图形符号2024/7/8电力电子技术电力电子技术202.2.1 PN结与电力二极管的工作原理二极管的基本原理PN结的单向导电性 当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。2024/7/8电力电子技术电力电子技术212.2.1 PN结与电力二极管的工作原理二极管的基本原理PN结的单向导电性 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。2024/7/8电力电子技术电力电子技术222.2.1 PN结与电力二极管的工作原理电导调制效应 正向大电流注入条件下原始基片的电阻率大正向大电流注入条件下原始基片的电阻率大大下降，电导率大大提高，从而使大下降，电导率大大提高，从而使PN结通过大结通过大电流时导通压降很低，这种现象称为基区的电导电流时导通压降很低，这种现象称为基区的电导调制效应（调制效应（Conductivity Modulation）正是由于电力二极管中存在电导调制效应，才能使其正向导通通过大电流时，能保持较低的电压降。但为了提高电力二极管的反向耐压而设置的低掺杂N区，使其正向压降较普通二极管稍高。2024/7/8电力电子技术电力电子技术232.2.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应 称为结电容CJ，又称为微分电容 按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在高速开关的状，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。2024/7/8电力电子技术电力电子技术242.2.2 电力二极管的基本特性静态特性IOIFUTOUFU电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性理想理想实际实际2024/7/8电力电子技术电力电子技术252.2.2 电力二极管的基本特性静态特性 主要是指其伏安特性 正向电压大到一定值（门槛 电压UTO），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。与IF对应的电力二极管两端的 电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有少子 引起的微小而数值恒定的反向 漏电流。IOIFUTOUFU电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性2024/7/8电力电子技术电力电子技术262.2.2 电力二极管的基本特性静态特性电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性理想理想实际实际2024/7/8电力电子技术电力电子技术272.2.2 电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V动态特性动态特性 1：由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置正向恢复时间正向恢复时间tfr 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 2024/7/8电力电子技术电力电子技术282.2.2 电力二极管的基本特性IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd iFdtd iRdtu电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 动态特性动态特性 2：由正向偏置转换为反向偏置：由正向偏置转换为反向偏置 延迟时间延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间电流下降时间：tf=t2-t1 反向恢复时间反向恢复时间：trr=td+tf 恢复特性的软度恢复特性的软度：tf/td，或称恢复系，或称恢复系 数，用数，用Sr表示表示t0:正向电流降正向电流降为零的时刻为零的时刻t1:反向电反向电流达最大流达最大值的时刻值的时刻t2:电流变化率接电流变化率接近于零的时刻近于零的时刻2024/7/8电力电子技术电力电子技术292.2.3 电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV)指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过工频正弦半波额定正向平均电流时的最大电压降。2024/7/8电力电子技术电力电子技术30l l波波形形系系数数 k kf f ：任任一一含含有有直直流流分分量量的的电电流流波波形形，电电流流有有效效值值I I与平均值与平均值I Id d 之比，即之比，即波形系数2024/7/8电力电子技术电力电子技术31l l正弦半波电流的波形系数计算：正弦半波电流的波形系数计算：通态平均电流为：通态平均电流为：有效值为：有效值为：波形系数是：波形系数是：波形系数2024/7/8电力电子技术电力电子技术32l l快速计算以下电流波形的波形系数快速计算以下电流波形的波形系数 K Kf f：波形系数计算2024/7/8电力电子技术电力电子技术332.2.3 电力二极管的主要参数反向漏电流IR 对应于反向重复峰值电压URRM下的平均漏电流称为电力二极管的反向漏电流IR。最高允许结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。2024/7/8电力电子技术电力电子技术342.2.3 电力二极管的主要参数反向恢复时间trr浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。2024/7/8电力电子技术电力电子技术352.2.4 电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在25s左右。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。2024/7/8电力电子技术电力电子技术362.2.4 电力二极管的主要类型快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。2024/7/8电力电子技术电力电子技术372.2.4 电力二极管的主要类型肖特基二极管肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）属于多子器件 优点在于：反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。2024/7/8电力电子技术电力电子技术382.2.5 电力二极管的型号普通型电力二极管常用ZP表示，其中Z代表整流特性，P为普通型。普通型电力二极管型号可表示为ZP【电流等级】-【电压等级/100】【通态平均电压组别】例如，型号为ZP50-16的电力二极管，其型号含义为：普通型电力二极管，额定电流为50A，额定电压为1600V。第第2章章 电力电子器件电力电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.6 电力电子器件的驱动要求电力电子器件的驱动要求2.7 电力电子器件的串并联技术电力电子器件的串并联技术本章小结本章小结 2024/7/8电力电子技术电力电子技术402.3 半控型器件晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件2024/7/8电力电子技术电力电子技术412.3 半控器件晶闸管晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位如高压直流输电。晶闸管及模块晶闸管及模块2024/7/8电力电子技术电力电子技术422.3.1 晶闸管的结构与工作原理 图图2-7 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)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号 2024/7/8电力电子技术电力电子技术432.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。内部是PNPN四层半导体结构。图图2-7 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)外形外形 b)结构结构 c)电气图形符号电气图形符号 2024/7/8电力电子技术电力电子技术442.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的双晶闸管的双晶体管模型晶体管模型工作原理工作原理2024/7/8电力电子技术电力电子技术452.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的双晶闸管的双晶体管模型晶体管模型工作原理工作原理半控型，电流驱动型，半控型，电流驱动型，双极性，脉冲触发型双极性，脉冲触发型2024/7/8电力电子技术电力电子技术462.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，可列出如下方程：按照晶体管工作原理，可列出如下方程：式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。2024/7/8电力电子技术电力电子技术472.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。在晶体管阻断状态下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。由以上式可得由以上式可得2024/7/8电力电子技术电力电子技术482.3.1 晶闸管的结构与工作原理如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值 由以上式可得由以上式可得2024/7/8电力电子技术电力电子技术492.3.2 晶闸管的结构与工作原理正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不导通时，不导通 当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，时，门极无触发电流，不导通门极无触发电流，不导通门极有触发电流，导通门极有触发电流，导通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接电流降到接近于零的某一数值以下（称维持电流）近于零的某一数值以下（称维持电流）。2024/7/8电力电子技术电力电子技术502.3.2 晶闸管的结构与工作原理除门极触发外除门极触发外其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发 2024/7/8电力电子技术电力电子技术512.3.2 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转折电压正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶闸管理想晶闸管理想伏安特性伏安特性？2024/7/8电力电子技术电力电子技术522.3.2 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转折电压正向转折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+晶闸管理想晶闸管理想伏安特性伏安特性2024/7/8电力电子技术电力电子技术532.3.2 晶闸管的电路举例电阻电阻R上的电压波形？上的电压波形？2024/7/8电力电子技术电力电子技术542.3.2 晶闸管的动态特性晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳态值阳极电流稳态值的的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳态值阳极电流稳态值的的10%2024/7/8电力电子技术电力电子技术552.3.2 晶闸管的动态特性晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA反向恢复电反向恢复电流最大值流最大值尖峰电压尖峰电压2024/7/8电力电子技术电力电子技术562.3.3 晶闸管的主要参数电压定额 Voltage Rating断态重复峰值电压UDRM断态不重复峰值电压UDSM正向转折电压Ubo 反向重复峰值电压URRM 反向不重复峰值电压URSM 反向击穿电压UBR 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+通态（峰值）电压UT晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。2024/7/8电力电子技术电力电子技术572.3.3 晶闸管的主要参数电流定额电流定额 Current Rating 通态平均电流 IT(AV）国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时，晶闸管的导通角不小于170，且带阻性负载时的单相工频正弦工频正弦半波电流半波电流的平均值。2024/7/8电力电子技术电力电子技术58通态平均电流 环境温度+40和规定冷却条件下，晶闸管在阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170电路中，结温稳定并不超过额定结温时，允许通过的最大平均电流。此电流按晶闸管标准电流系列取相应等级，为额定电流。注意：按有效值相等原则选额定电流，并考虑一定裕量。2024/7/8电力电子技术电力电子技术59l l波波形形系系数数 ：任任一一含含有有直直流流分分量量的的电电流流波波形形，电电流流有有效效值值I I与平均值与平均值I Id d 之比，即之比，即波形系数2024/7/8电力电子技术电力电子技术60l l正弦半波电流的波形系数计算：正弦半波电流的波形系数计算：通态平均电流为：通态平均电流为：有效值为：有效值为：波形系数是：波形系数是：波形系数2024/7/8电力电子技术电力电子技术61通态平均电流l l额额定定电电流流为为100100A A的的晶晶闸闸管管，只只有有在在正正弦弦半半波波电电流流情情况况下下，允允许许通通过过的的平平均均值值才才是是100100A A，其其允允许许通通过电流有效值为过电流有效值为157A157A；l l晶闸管额定电流选取时，需将非正弦半波电流平均晶闸管额定电流选取时，需将非正弦半波电流平均值值I I（AVAV）折算成等效的正弦半波电流的平均值折算成等效的正弦半波电流的平均值I IT T（AVAV），即即 不考虑裕量时额定电流为不考虑裕量时额定电流为 2024/7/8电力电子技术电力电子技术622.3.3 晶闸管的主要参数电流定额 维持电流IH-Holding Current 擎住电流 IL Latching current 通态浪涌电流ITSM Peak Forward Surge Current2024/7/8电力电子技术电力电子技术632.3.3 晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间tgt和关断时间tq 断态电压临界上升率du/dt，误导通误导通 通态电流临界上升率di/dt，过热损坏过热损坏2024/7/8电力电子技术电力电子技术642.3.32.3.3晶闸管的主要参数（补充）晶闸管的主要参数（补充）l门极参数门极参数门极触发电流门极触发电流I IGT GT(Gate Trigger Current)：在室温：在室温下，器件从断态到完全开通所必须的最小门极电流。下，器件从断态到完全开通所必须的最小门极电流。门极触发电压门极触发电压 V VGTGT(Gate Trigger Voltage)：与门：与门极触发电流对应的门极触发电压。极触发电流对应的门极触发电压。门极参数大小选择应合理，不能太大或太小。门极参数大小选择应合理，不能太大或太小。环境温度对门极触发参数影响较大环境温度对门极触发参数影响较大。环温高时，。环温高时，门极参数降低，随着温度的降低，则增大。门极参数降低，随着温度的降低，则增大。2024/7/8电力电子技术电力电子技术652.3.3 晶闸管的型号普通晶闸管的型号可表示如下：KP【电流等级】-【电压等级/100】【通态平均电压组别】例如，型号为KP500-15的晶闸管，其型号含义为：普通晶闸管，额定电流为500A，断态和反向重复峰值电压为1500V。2024/7/8电力电子技术电力电子技术662.3.4 晶闸管的派生器件快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）用于用于400400HzHz的斩波或逆变电路的斩波或逆变电路 快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。高频晶闸管用于用于10kHz10kHz以上斩波或逆变电路中以上斩波或逆变电路中,不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。2024/7/8电力电子技术电力电子技术672.3.4 晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联 接接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成。门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特对称的伏安特性性。双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性 2024/7/8电力电子技术电力电子技术682.3.4 晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）利用已学到的器件，如利用已学到的器件，如何构成具有逆导功能的电何构成具有逆导功能的电路？路？具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。图图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性 2024/7/8电力电子技术电力电子技术692.3.4 晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）是利用一定波长的是利用一定波长的光光照信号照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图2-13 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a)电气图形符号电气图形符号 b)伏安特性伏安特性 2024/7/8电力电子技术电力电子技术70流经晶闸管的电流波形如图所示。试计算该电流波形流经晶闸管的电流波形如图所示。试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为，的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为，问额定电流为问额定电流为100 A100 A的晶闸管，其允许通过的电流平均的晶闸管，其允许通过的电流平均值和最大值是多少？值和最大值是多少？解：电流平均值：解：电流平均值：电流有效值：电流有效值：例题例题1-11-12024/7/8电力电子技术电力电子技术71波形系数：波形系数：100A100A的晶闸管允许通过的电流平均值：的晶闸管允许通过的电流平均值：电流最大值：电流最大值：注：注：k kf f=I/I=I/Id d 1.57I 1.57IT T=k=kf fI Id d例题例题1-11-1第第2章章 电力电子器件电力电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.6 电力电子器件的驱动要求电力电子器件的驱动要求2.7 电力电子器件的串并联技术电力电子器件的串并联技术本章小结本章小结 2024/7/8电力电子技术电力电子技术732.4 典型全控型器件 2.4.1 门极可关断晶闸管 GTO 2.4.2 电力晶体管 BJT 2.4.3 电力场效应晶体管 Power MOSFET 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT2024/7/8电力电子技术电力电子技术742.4 典型全控型器件典型代表门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR（or BJT）、电力场效应晶体管 Power MOSFET、绝缘栅双极晶体管 IGBT。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块2024/7/8电力电子技术电力电子技术752.4.1 门极可关断晶闸管GTO的伏安特性曲线的伏安特性曲线电气图形符号电气图形符号理想伏安特性曲线理想伏安特性曲线2024/7/8电力电子技术电力电子技术762.4.1 门极可关断晶闸管晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 工作原理工作原理2024/7/8电力电子技术电力电子技术772.4.1 门极可关断晶闸管GTO的工作原理的工作原理 V1、V2的共基极电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。GTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同 设计2较大，使晶体管V2控制 灵敏，易于GTO关断。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。2024/7/8电力电子技术电力电子技术782.4.1 GTO的动态特性GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6延迟时间td上升时间tr2024/7/8电力电子技术电力电子技术792.4.1 GTO的动态特性GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6下降时间下降时间tf尾部时间尾部时间tt储存时间储存时间ts2024/7/8电力电子技术电力电子技术802.4.1 GTO 主要参数最大可关断阳极电流IATO 电流关断增益off 开通时间ton 关断时间toffGTO发展历程发展历程2024/7/8电力电子技术电力电子技术812.4.2 电力晶体管GTR or Power BJT最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce共发射极接法时共发射极接法时GTR的输出特性的输出特性2024/7/8电力电子技术电力电子技术822.4.2 电力晶体管GTR最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce工作区域工作区域2024/7/8电力电子技术电力电子技术832.4.2 电力晶体管GTR最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层击穿。极间电容 CGS、CGD和CDS。漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。2024/7/8电力电子技术电力电子技术982.4.4 绝缘栅双极晶体管GTR和和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。动电路简单。绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或或IGT）综合了综合了GTR 和和MOSFET的优点，因的优点，因而具有良好的特性。而具有良好的特性。2024/7/8电力电子技术电力电子技术992.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作的结构和工作原理原理 IGBT的结构的结构 是三端器件，是三端器件，具有具有栅极栅极G、集电集电极极C和和发射极发射极EIGBT的简化等效电路和电气的简化等效电路和电气图形符号图形符号E2024/7/8电力电子技术电力电子技术1002.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作原理 IGBT的结构 是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极EIGBT的简化等效电路和电气的简化等效电路和电气图形符号图形符号RN为晶体管基区为晶体管基区内的调制电阻。内的调制电阻。E2024/7/8电力电子技术电力电子技术1012.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的工作原理的工作原理 IGBT的驱动原理与电力的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种基本相同，是一种场场控控器件。器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。决定的。当当UGE为正且大于开启电压为正且大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得得IGBT关断。关断。电导调制效应电导调制效应使得电阻使得电阻RN减小，这样高耐压的减小，这样高耐压的IGBT也也具有很小的具有很小的通态压降通态压降。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1022.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性 静态特性 转移特性 描述的是集电极电流 IC与栅射电压UGE之间的 关系。开启电压UGE(th)是 IGBT能实现电导调制而 导通的最低栅射电压，随 温度升高而略有下降。（a）IGBT的转移的转移特性特性2024/7/8电力电子技术电力电子技术1032.4.4 绝缘栅双极晶体管输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性）描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电为参考变量时，集电极电流流IC与集射极间电压与集射极间电压UCE之间的关系。之间的关系。分为三个区域：分为三个区域：正向正向阻断区阻断区、有源区有源区和和饱和区饱和区。(b)IGBT的输出特性的输出特性2024/7/8电力电子技术电力电子技术1042.4.4 绝缘栅双极晶体管(b)图图2-24 IGBT的输出特性的输出特性输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性）当当UCE0时，时，IGBT为为反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。在电力电子电路中，在电力电子电路中，IGBT工作在工作在开关状态开关状态，因而是在因而是在正向阻断区正向阻断区和和饱饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1052.4.4 绝缘栅双极晶体管动态特性动态特性 开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on)电流上升时间电流上升时间tr 开通时间开通时间ton=td(on)+tr tfv分为分为tfv1和和tfv2两段。两段。图图2-25 IGBT的开关过程的开关过程2024/7/8电力电子技术电力电子技术1062.4.4 绝缘栅双极晶体管动态特性动态特性关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)电流下降时间电流下降时间tf 关断时间关断时间toff=td(off)+tf tfi分为分为tfi1和和tfi2两段两段图图2-25 IGBT的开关过程的开关过程2024/7/8电力电子技术电力电子技术1072.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的主要参数的主要参数 前面提到的各参数。前面提到的各参数。最大集射极间电压最大集射极间电压UCES 由器件内部的由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所晶体管所能承受的击穿电压所确定的。确定的。最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP。最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1082.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下：开关速度开关速度高，高，开关损耗开关损耗小。小。在相同电压和电流定额的情况下，在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的的安安全工作区全工作区比比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。能力。通态压降通态压降比电力比电力MOSFET低，特别是在电流较低，特别是在电流较大的区域。大的区域。输入阻抗输入阻抗高，其输入特性与电力高，其输入特性与电力MOSFET类类似。似。与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐压耐压和和通流能力通流能力还可以进一步提高，同时保持还可以进一步提高，同时保持开关频率开关频率高高的特点。的特点。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1092.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的擎住效应的擎住效应 栅极失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种栅极失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为现象称为擎住效应擎住效应或或自锁效应自锁效应。引发擎住效应的原因，可能是引发擎住效应的原因，可能是集电极电流集电极电流过大（静过大（静态擎住效应），态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应），或过大（动态擎住效应），或温度温度升高。升高。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态动态擎住效应擎住效应而确定的。而确定的。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1102.4.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的安全工作区的安全工作区 正向偏置正向偏置安全工作区（安全工作区（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。集电极功耗确定。反向偏置反向偏置安全工作区（安全工作区（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA）根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率允许电压上升率dUCE/dt。第第2章章 电力电子器件电力电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件2.6 电力电子器件的驱动要求电力电子器件的驱动要求2.7 电力电子器件的串并联技术电力电子器件的串并联技术本章小结本章小结 2024/7/8电力电子技术电力电子技术1122.5 其他新型电力电子器件 2.5.1 静电感应晶体管SIT 2.5.2 静电感应晶闸管SITH 2.5.3 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.4 电子注入增强栅晶体管IEGT 2.5.5 基于新材料的电力电子器件 2.5.6 功率模块、功率集成电路与集成电力电子模块2024/7/8电力电子技术电力电子技术1132.5.1 静电感应晶体管SIT是一种是一种结型场效应晶体管结型场效应晶体管。是一种是一种多子导电多子导电的器件，其的器件，其工作频率工作频率与电力与电力MOSFET相相当，甚至超过电力当，甚至超过电力MOSFET，而，而功率容量功率容量也比电力也比电力MOSFET大，因而适用于大，因而适用于高频大功率高频大功率场合。场合。栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为这被称为正常导通型器件正常导通型器件，使用不太方便，此外，使用不太方便，此外SIT通态电通态电阻阻较大，使得较大，使得通态损耗通态损耗也大，因而也大，因而SIT还未在大多数电力电还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。子设备中得到广泛应用。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1142.5.2 静电感应晶闸管SITH可以看作是可以看作是SIT与与GTO复合而成。复合而成。又被称为又被称为场控晶闸管（场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT），），本质上是两种载流子导电本质上是两种载流子导电的的双极型双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。通流能力强。其很多特性与其很多特性与GTO类似，但类似，但开关速度开关速度比比GTO高高得多，是得多，是大容量大容量的快速器件。的快速器件。一般也是正常导通型，但也有一般也是正常导通型，但也有正常关断型正常关断型，电，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1152.5.3 集成门极换流晶闸管IGCT是将一个平板型的是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电力与由很多个并联的电力MOSFET器件和其它辅助元件组成的器件和其它辅助元件组成的GTO门极驱门极驱动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。一起。容量容量与普通与普通GTO相当，但相当，但开关速度开关速度比普通的比普通的GTO快快10倍，而且可以简化普通倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大应用时庞大而复杂的而复杂的缓冲电路缓冲电路，只不过其所需的，只不过其所需的驱动功率驱动功率仍然仍然很大。很大。目前正在与目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。等新型器件激烈竞争。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1162.5.4 电子注入增强栅晶体管（IEGT）在沟槽型在沟槽型IGBT的基础上，把部分沟道同的基础上，把部分沟道同P基区相基区相连，使发射区注入增强，造成基区内的载流子浓连，使发射区注入增强，造成基区内的载流子浓度很高，从而使器件的通态压降减小。度很高，从而使器件的通态压降减小。兼有兼有IGBT和和GTO的优点，低饱和压降、宽安全工的优点，低饱和压降、宽安全工作区（吸收回路容量仅为作区（吸收回路容量仅为GTO的的1/10左右）、低左右）、低栅极驱动功率（比栅极驱动功率（比GTO低两个数量级）、较高的低两个数量级）、较高的工作频率和较大的器件容量，目前工作频率和较大的器件容量，目前IEGT已达到已达到4.5 kV/1500 A的水平。的水平。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1172.5.5 基于新材料的电力电子器件基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方，许多方面的性能都是成数量级的提高。面的性能都是成数量级的提高。宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和制宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。造以及随后的半导体制造工艺的困难。2024/7/8电力电子技术电力电子技术1182.5.6 功率集成电路与集成电力电子模块基本概念基本概念 20世纪世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为个器件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率功率集成电路（集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。2024/7/8电力电子技术电力电子技术119实际应用电路实际应用电路 高压集成电路（高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片 集成。集成。智能功率集成电路（智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片 集成。集成。智能功率模块（智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）专指专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。）。2.5.6 功率集成电路与集成电力电子模块第第2章章 电力电子器件电力电子器件2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管2.4 典型全控型器件典型全控型器件2.5 其他新型电力电子器件其他新