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1、第2章 电力电子器材 2.1 电力电子器材概述 2.2 不行控器材电力二极管 2.3 半控型器材晶闸管 2.4 典型全控型器材 2.5 其他新式电力电子器材 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结,2/89,导言,模仿和数字电子电路的根底 晶体管和集成电路等电子器材 电力电子电路的根底 电力电子器材 本章首要内容： 对电力电子器材的概念、特色和分类等问题作了扼要概述 。 别离介绍各种常用电力电子器材的作业原理、根本特性、首要参数以及挑选和运用中应留意的一些问题。,3/89,2.1 电力电子器材概述,2.1.1 电力电子器材的概念和特征 2.1.2 运用电力电子器材的体系组成 2.1.
2、3 电力电子器材的分类 2.1.4 本章内容和学习要害,4/89,2.1.1 电力电子器材的概念和特征,电力电子器材的概念 电力电子器材（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，完成电能的改换或操控的电子器材。 主电路：在电气设备或电力体系中，直接承当电能的改换或操控使命的电路。 广义上电力电子器材可分为电真空器材和半导体器材两类，现在往往专指电力半导体器材。,5/89,2.1.1 电力电子器材的概念和特征,电力电子器材的特征 所能处理电功率的巨细，也便是其接受电压和电流的才干，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器材。 为了减小自身的损耗，提
3、高功率，一般都作业在开关状况。 由信息电子电路来操控 ,并且需求驱动电路。 自身的功率损耗一般仍远大于信息电子器材，在其作业时一般都需求设备散热器。,6/89,2.1.1 电力电子器材的概念和特征,通态损耗是电力电子器材功率损耗的首要成因。 当器材的开关频率较高时，开关损耗会随之增 大而或许成为器材功率损耗的首要因素。,通态损耗,断态损耗,开关损耗,注册损耗,关断损耗,电力电子器材的功率损耗,7/89,2.1.2 运用电力电子器材的体系组成,电力电子器材在实践运用中，一般是由操控电路、驱动 电路和以电力电子器材为中心的主电路组成一个体系。,电气阻隔,图2-1 电力电子器材在实践运用中的体系组成
4、,8/89,2.1.3 电力电子器材的分类,依照能够被操控电路信号所操控的程度 半控型器材 首要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器材。 器材的关断完全是由其在主电路中接受的电压和电流决议的。 全控型器材 现在最常用的是 IGBT和Power MOSFET。 通过操控信号既能够操控其导通，又能够操控其关断。 不行控器材 电力二极管（Power Diode） 不能用操控信号来操控其通断。,9/89,2.1.3 电力电子器材的分类,依照驱动信号的性质 电流驱动型 通过从操控端注入或许抽出电流来完成导通或许关断的操控。 电压驱动型 仅通过在操控端和公共端之间施加必定的电压信号就可完成导通
5、或许关断的操控。 依照驱动信号的波形（电力二极管在外 ） 脉冲触发型 通过在操控端施加一个电压或电流的脉冲信号来完成器材的注册或许关断的操控。 电平操控型 有必要通过继续在操控端和公共端之间施加必定电平的电压或电流信号来使器材注册并坚持在导通状况或许关断并坚持在阻断状况。,10/89,2.1.3 电力电子器材的分类,依照载流子参加导电的状况 单极型器材 由一种载流子参加导电。 双极型器材 由电子和空穴两种载流子参加导电。 复合型器材 由单极型器材和双极型器材集成混合而成， 也称混合型器材。,11/89,2.1.4 本章内容和学习要害,本章内容 依照不行控器材、半控型器材、典型全控型器材和其它新式
6、器材的次序，别离介绍各种电力电子器材的作业原理、根本特性、首要参数以及挑选和运用中应留意的一些问题。 学习要害 最重要的是把握其根本特性。 把握电力电子器材的类型命名法，以及其参数和特性曲线的运用方法。 了解电力电子器材的半导体物理结构和根本作业原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。,12/89,2.2 不行控器材电力二极管,2.2.1 PN结与电力二极管的作业原理 2.2.2 电力二极管的根本特性 2.2.3 电力二极管的首要参数 2.2.4 电力二极管的首要类型,13/89,2.2 不行控器材电力二极管导言,电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就取得 运用
7、，但其结构和原理简略，作业牢靠，直到现在电力二 极管依然许多运用于许多电气设备傍边。 在选用全控型器材的电路中电力二极管往往是不行短少 的，特别是注册和关断速度很快的快康复二极管和肖特基 二极管，具有不行代替的位置。,整流二极管及模块,14/89,2.2.1 PN结与电力二极管的作业原理,电力二极管是以半 导体PN结为根底的, 实践上是由一个面积 较大的PN结和两头引 线以及封装组成的。 从外形上看，能够有 螺栓型、平板型等多 种封装。,图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 根本结构 c) 电气图形符号,15/89,2.2.1 PN结与电力二极管的作业原理,二极管的
8、根本原理PN结的单导游电性 当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则构成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这便是PN结的正导游通状况。 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，被称为反向截止状况。 PN结具有必定的反向耐压才干，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，损坏PN结反向偏置为截止的作业状况，这就叫反向击穿。 依照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种方式 。 反向击穿产生时，采取了办法将反向电流约束在必定规模内，PN结仍可康复本来的状况。 不然PN结因过热而焚毁，这便是热击穿。,16/89,2.2.1 PN结与电力
9、二极管的作业原理,PN结的电容效应 称为结电容CJ，又称为微分电容 按其产生机制和效果的不同分为势垒电容CB和扩散电容CD 势垒电容只在外加电压改变时才起效果，外加电压频率越高，势垒电容效果越显着。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效果。正向电压较高时，扩散电容为结电容首要成分。 结电容影响PN结的作业频率，特别是在高速开关的状况下，或许使其单导游电性变差，乃至不能作业。,17/89,2.2.2 电力二极管的根本特性,静态特性 首要是指其伏安特性 正向电压大到必定值（门槛 电压UTO ），正向电流才开端 显着增加，处于安稳导通状况。 与IF对应的电力二极管
10、两头的 电压即为其正向电压降UF。 接受反向电压时，只要少子 引起的细小而数值稳定的反向 漏电流。,图2-5 电力二极管的伏安特性,18/89,2.2.2 电力二极管的根本特性,u,图2-6 电力二极管的动态进程波形 正向偏置转化为反向偏置 零偏置转化为正向偏置,动态特性 因为结电容的存在，电压电流特性是随时刻改变的，这便是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转化进程的开关特性。 由正向偏置转化为反向偏置 电力二极管并不能当即关断，而是须通过一段时刻短的时刻才干从头取得反向阻断才干，进入截止状况。 在关断之前有较大的反向电流呈现，并随同有显着的反向电压过冲。 推迟时刻：td=t1
11、-t0 电流下降时刻：tf =t2- t1 反向康复时刻：trr=td+ tf 康复特性的软度： tf /td，或称康复系 数，用Sr标明。,t0:正向电流降为零的时刻,t1:反向电流达最大值的时刻,t2:电流改变率挨近于零的时刻,19/89,2.2.2 电力二极管的根本特性,由零偏置转化为正向偏置 先呈现一个过冲UFP，通过 一段时刻才趋于挨近稳态压降 的某个值（如2V）。 正向康复时刻tfr 呈现电压过冲的原因:电 导调制效应起效果所需的许多 少子需求必定的时刻来贮存， 在到达稳态导通之前管压降较 大；正向电流的上升会因器材 自身的电感而产生较大压降。 电流上升率越大，UFP越高。,图2-
12、6 电力二极管的动态进程波形 b) 零偏置转化为正向偏置,20/89,2.2.3 电力二极管的首要参数,正向均匀电流IF(AV) 指电力二极管长时刻运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC标明）和散热条件下，其答应流过的最大工频正弦半波电流的均匀值。 IF(AV)是依照电流的发热效应来界说的，运用时应按有效值持平的准则来选取电流定额，并应留有必定的裕量。 正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。 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。 运用时，应当留有两倍的裕量。,21/89,2.2.3 电力二极管的首要参数,最高工
13、作结温TJM 结温是指管芯PN结的均匀温度，用TJ标明。 最高作业结温是指在PN结不致损坏的前提下所能接受的最高均匀温度。 TJM一般在125175C规模之内。 反向康复时刻trr 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能接受最大的接连一个或几个工频周期的过电流。,22/89,2.2.4 电力二极管的首要类型,依照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性 能，特别是反向康复特性的不同，介绍几种常用 的电力二极管。 一般二极管（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。 其反向康复时刻较长，一般在5s以上
14、。 其正向电流定额和反向电压定额能够到达很高。,23/89,2.2.4 电力二极管的首要类型,快康复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 康复进程很短，特别是反向康复进程很短（一 般在5s以下） 。 快康复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，选用外延型P-i-N结构 ，其 反向康复时刻更短（可低于50ns），正向压降也很 低（0.9V左右）。 从性能上可分为快速康复和超快速康复两个等 级。前者反向康复时刻为数百纳秒或更长，后者则 在100ns以下，乃至到达2030ns。,24/89,2.2.4 电力二极管的首要类型,肖特基二
15、极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 归于多子器材 长处在于：反向康复时刻很短（1040ns），正向恢 复进程中也不会有显着的电压过冲；在反向耐压较低的情 况下其正向压降也很小，显着低于快康复二极管；因此， 其开关损耗和正导游通损耗都比快速二极管还要小，功率 高。 缺点在于：当所能接受的反向耐压进步时其正向压降 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灵敏，因此反向稳态损耗不 能疏忽，并且有必要更严格地约束其作业温度。,25/89,2.3 半控型器材晶闸管,2.3.1 晶闸管的结构与作业原理 2.3.2 晶闸管的根本特性 2.3.3
16、晶闸管的首要参数 2.3.4 晶闸管的派生器材,26/89,2.3 半控器材晶闸管导言,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），曾经被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明晰晶闸管，到 1957年美国通用电气公司（General Electric）开发出了国际上第一只 晶闸管产品，并于1958年使其商业化。 因为其能接受的电压和电流容量依然是现在电力电子器材中最高 的，并且作业牢靠，因此在大容量的运用场合依然具有比较重要的地 位。,晶闸管及模块,27/89
17、,2.3.1 晶闸管的结构与作业原理,晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管也首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（操控端）G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体结构。,图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,28/89,2.3.1 晶闸管的结构与作业原理,图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其作业原理 a) 双晶体管模型 b) 作业原理,晶闸管的作业原理 依照晶体管作业原理，可列出如下方程：,式中1和2别离是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2别离是V1和V2的共基极漏电流。,29/89,2.3.1 晶闸
18、管的结构与作业原理,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， 敏捷增大。 在晶体管阻断状况下，IG=0，而1+2是很小的。由上式 可看出，此刻流过晶闸管的漏电流仅仅稍大于两个晶体管 漏电流之和。 假如注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大致使 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，然后完成器材饱满导通。 因为外电路负载的约束，IA实践上会坚持有限值。,由以上式（2-1）（2-4）可得,(2-5),30/89,2.3.1 晶闸管的结构与作业原理,除门极触发外其他几种或许导通的状况 阳极电压升高至适当高的数值形成雪崩效应 阳极电压
19、上升率du/dt过高 结温较高 光触发 这些状况除了光触发因为能够确保操控电路与 主电路之间的杰出绝缘而运用于高压电力设备中 之外，其它都因不易操控而难以运用于实践。只 有门极触发是最准确、敏捷而牢靠的操控手法。,31/89,2.3.2 晶闸管的根本特性,静态特性 正常作业时的特性 当晶闸管接受反向电压时，不管门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管接受正向电压时，仅在门极有触发电流的状况下晶闸管才干注册 。 晶闸管一旦导通，门极就失掉操控效果，不管门极触发电流是否还存在，晶闸管都坚持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能运用外加电压和外电路的效果使流过晶闸管的电流降到挨近于零的某
20、一数值以下。,32/89,2.3.2 晶闸管的根本特性,晶闸管的伏安特性 正向特性 当IG=0时，假如在器材两头施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状况，只要很小的正向漏电流流过。 假如正向电压超越临界极限即正向转机电压Ubo，则漏电流急剧增大，器材注册 。 跟着门极电流幅值的增大，正向转机电压下降，晶闸管自身的压降很小，在1V左右。 假如门极电流为零，并且阳极电流降至挨近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状况，IH称为坚持电流。,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG,33/89,2.3.2 晶闸管的根本特性,反向特性 其伏安特性相似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断
21、状况时，只要极小的反向漏电流通过。 当反向电压超越必定极限，到反向击穿电压后，外电路如无约束办法，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG,34/89,2.3.2 晶闸管的根本特性,动态特性 注册进程 因为晶闸管内部的正反馈 进程需求时刻，再加上外电路 电感的约束，晶闸管遭到触发 后，其阳极电流的增加不或许 是瞬时的。 推迟时刻td (0.51.5s) 上升时刻tr (0.53s) 注册时刻tgt=td+tr 推迟时刻随门极电流的增 大而减小,上升时刻除反映晶 闸管自身特性外，还遭到外电 路电感的严重影响。进步阳极 电压,推迟时刻和上升时刻都 可
22、显着缩短。,图2-10 晶闸管的注册和关断进程波形,35/89,2.3.2 晶闸管的根本特性,关断进程 因为外电路电感的存在，原处 于导通状况的晶闸管当外加电压突 然由正向变为反向时，其阳极电流 在衰减时必定也是有过渡进程的。 反向阻断康复时刻trr 正向阻断康复时刻tgr 关断时刻tq=trr+tgr 关断时刻约几百微秒。 在正向阻断康复时刻内假如重 新对晶闸管施加正向电压，晶闸管 会从头正导游通，而不是受门极电 流操控而导通。,图2-10 晶闸管的注册和关断进程波形,100%,36/89,2.3.3 晶闸管的首要参数,电压定额 断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额外值时，答应重
23、复加在器材上的正向 峰值电压（见图2-9）。 国标规则断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）UDSM的90%。 断态不重复峰值电压应低于正向转机电压Ubo。 反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额外值时，答应重复加在器材上的反向 峰值电压（见图2-8）。 规则反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）URSM的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。,37/89,2.3.3 晶闸管的首要参数,通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规则倍数的额外通态均匀电流时的瞬态峰值电 压。 一般取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作
24、为该器材的额外电压。 选用时，一般取额外电压为正常作业时晶闸管所接受峰值电压23倍。 电流定额 通态均匀电流 IT(AV） 国标规则通态均匀电流为晶闸管在环境温度为40C和规则的冷 却状况下，安稳结温不超越额外结温时所答应流过的最大工频正弦半 波电流的均匀值。 依照正向电流形成的器材自身的通态损耗的发热效应来界说的。 一般取其通态均匀电流为按发热效应持平（即有效值持平）的 准则所得计算结果的1.52倍。,38/89,2.3.3 晶闸管的首要参数,坚持电流IH 坚持电流是指派晶闸管坚持导通所必需的最小电流， 一般为几十到几百毫安。 结温越高，则IH越小。 擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态
25、转入通态并移除触发信号 后，能坚持导通所需的最小电流。 约为IH的24倍 浪涌电流ITSM 指因为电路异常状况引起的并使结温超越额外结温的 不重复性最大正向过载电流。,39/89,2.3.3 晶闸管的首要参数,动态参数 注册时刻tgt和关断时刻tq 断态电压临界上升率du/dt 在额外结温文门极开路的状况下，不导致晶闸管从断态到通态转化的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt 在规则条件下，晶闸管能接受而无有害影响的最大通态电流上升率。 假如电流上升太快，或许形成部分过热而使晶闸管损坏。,40/89,2.3.4 晶闸管的派生
26、器材,快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST） 有快速晶闸管和高频晶闸管。 快速晶闸管的开关时刻以及du/dt和di/dt的耐量都有了 显着改进。 从关断时刻来看，一般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。 高频晶闸管的缺乏在于其电压和电流定额都不易做高。 因为作业频率较高，挑选快速晶闸管和高频晶闸管的 通态均匀电流时不能疏忽其开关损耗的发热效应。,41/89,2.3.4 晶闸管的派生器材,双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor） 能够认为是一对反并联联
27、 接的一般晶闸管的集成。 门极使器材在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。 双向晶闸管一般用在交流电路中，因此不必均匀值而用有效值来标明其额外电流值。,图2-11 双向晶闸管的电气图形 符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,42/89,2.3.4 晶闸管的派生器材,a),K,G,A,逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将晶闸管反并联一个二极管制造在同一管芯上的功率集成器材，不具有接受反向电压的才干，一旦接受反向电压即注册。 具有正向压降小、关断时刻短、高温特性好、额外结温高级长处，可用于不需求阻断反向电压
28、的电路中。,图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,43/89,2.3.4 晶闸管的派生器材,A,G,K,a),AK,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是运用必定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 因为选用光触发确保了主电路与操控电路之间的绝缘，并且能够防止电磁搅扰的影响，因此光控晶闸管现在在高压大功率的场合。,图2-13 光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性,44/89,2.4 典型全控型器材,2.4.1 门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管
29、 2.4.4 绝缘栅双极晶体管,45/89,2.4 典型全控型器材导言,门极可关断晶闸管在晶闸管面世后不久呈现。 20世纪80年代以来，电力电子技能进入了一个 簇新年代。 典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、 电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,电力MOSFET,IGBT单管及模块,46/89,2.4.1 门极可关断晶闸管,晶闸管的一种派生器材，但 能够通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断，因此归于全控 型器材。 GTO的结构和作业原理 GTO的结构 是PNPN四层半导体结 构。 是一种多元的功率集成 器材，尽管外部相同引出个 极，但内部则包括数十个甚 至数百个共阳极的小GTO 元，这些G
30、TO元的阴极和门 极则在器材内部并联在一同。,图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号 各单元的阴极、门极距离摆放的图形 并联单元结构断面示意图 电气图形符号,47/89,2.4.1 门极可关断晶闸管,GTO的导经进程与一般晶闸管是相同的， 只不过导通时饱满程度较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽 出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的 减小使1+21时，器材退出饱满而关断。 GTO的多元集成结构使得其比一般晶闸管 注册进程更快，接受di/dt的才干增强。,48/89,2.4.2 电力晶体管,电力晶体管（Giant TransistorGTR） 按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高
31、电压、 大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和作业原理 与一般的双极结型晶体管根本原理是一 样的。 最首要的特性是耐压高、电流大、开关 特性好。,49/89,2.4.2 电力晶体管,GTR的根本特性 静态特性 在共发射极接法时的典 型输出特性分为截止区、放 大区和饱满区三个区域。 在电力电子电路中， GTR作业在开关状况，即工 作在截止区或饱满区。 在开关进程中，即在截 止区和饱满区之间过渡时， 一般要通过放大区。,图2-17 共发射极接法时 GTR的输出特性,50/89,2.4.2 电力晶体管,动态特性 注册进程 需求通过推迟时
32、间td和上升时 间tr，二者之和为注册时刻ton。 增大基极驱动电流ib的幅值并 增大dib/dt，能够缩短推迟时刻， 一同也能够缩短上升时刻，然后 加速注册进程。 关断进程 需求通过贮存时刻ts和下降时 间tf，二者之和为关断时刻toff。 减小导通时的饱满深度以减 小贮存的载流子，或许增大基极 抽取负电流Ib2的幅值和负偏压， 能够缩短贮存时刻，然后加速关 断速度。 GTR的开关时刻在几微秒以内， 比晶闸管和GTO都短许多。,图2-18 GTR的注册和关断进程电流波形,首要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。,是用来除掉饱满导通时贮存在基区的载流子的，是关断时刻的首要部分。,51
33、/89,2.4.2 电力晶体管,集电极最大答应电流IcM 规则直流电流放大系数hFE下降到规则的 1/21/3时所对应的Ic。 实践运用时要留有较大裕量，只能用到IcM的 一半或稍多一点。 集电极最大耗散功率PcM 指在最高作业温度下答应的耗散功率。 产品阐明书中在给出PcM时总是一同给出壳温 TC，直接标明晰最高作业温度。,52/89,2.4.2 电力晶体管,GTR的二次击穿现象与安全作业区 当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流敏捷增大， 这种首要呈现的击穿是雪崩击穿，被称为一次击穿。 发现一次击穿产生时如不有效地约束电流，Ic增大到某个临界点时 会忽然急剧上升，一同随同着电压的
34、猛然下降，这种现象称为二次击 穿。 呈现一次击穿后，GTR一般不会损坏，二次击穿常常当即导致器 件的永久损坏，或许作业特性显着衰变，因此对GTR损害极大。,图2-19 GTR的安全作业区,二次击穿功率,安全作业区（Safe Operating AreaSOA） 将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界限。 GTR作业时不只不能超越最高电压 UceM，集电极最大电流IcM和最大耗散功 率PcM，也不能超越二次击穿临界限 电力场效应晶体管,分为结型和绝缘栅型，但一般首要指绝缘栅型中 的MOS型（Metal Oxide Semiconductor F
35、ET）,简 称电力MOSFET（Power MOSFET）。 电力MOSFET是用栅极电压来操控漏极电流的，它的特色有： 驱动电路简略，需求的驱动功率小。 开关速度快，作业频率高。 热安稳性优于GTR。 电流容量小，耐压低，多用于功率不超越 10kW的电力电子设备。,54/89,2.4.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET的结构和作业原理 电力MOSFET的品种 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。 关于N（P）沟道器材，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。 在电力MOSFET中，首要是N沟道增强型。,55/89,2.4.3
36、 电力场效应晶体管,不存在少子贮存效应，因此其关断进程是 十分敏捷的。 开关时刻在10100ns之间，其作业频率可 达100kHz以上，是首要电力电子器材中最高 的。 在开关进程中需求对输入电容充放电，仍 需求必定的驱动功率，开关频率越高，所需 要的驱动功率越大。,56/89,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,GTR和GTO是双极型电流驱动器材，因为具有 电导调制效应，其通流才干很强，但开关速度较 低，所需驱动功率大，驱动电路杂乱。而电力 MOSFET是单极型电压驱动器材，开关速度快， 输入阻抗高，热安稳性好，所需驱动功率小并且驱 动电路简略。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bip
37、olar TransistorIGBT或IGT）归纳了GTR 和MOSFET的长处，因此具有杰出的特性。,57/89,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的结构和作业原理 IGBT的结构 是三端器材，具有栅极G、 集电极C和发射极E。 由N沟道VDMOSFET与双 极型晶体管组合而成的IGBT， 比VDMOSFET多一层P+注入 区，完成对漂移区电导率进行调 制，使得IGBT具有很强的通流 才干。 简化等效电路标明，IGBT 是用GTR与MOSFET组成的达 林顿结构，适当于一个由 MOSFET驱动的厚基区PNP晶 体管。,图2-23 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构
38、断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号,RN为晶体管基区内的调制电阻。,58/89,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的首要参数 前面说到的各参数。 最大集射极间电压UCES 由器材内部的PNP晶体管所能接受的击穿电压所确认的。 最大集电极电流 包括额外直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗PCM 在正常作业温度下答应的最大耗散功率。,59/89,2.4.4 绝缘栅双极晶体管,IGBT的特性和参数特色能够总结如下： 开关速度高，开关损耗小。 在相同电压和电流定额的状况下，IGBT的安 全作业区比GTR大，并且具有耐脉冲电流冲击的 才干。 通态压降比VDMOSF
39、ET低，特别是在电流较 大的区域。 输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类 似。 与电力MOSFET和GTR比较，IGBT的耐压和 通流才干还能够进一步进步，一同坚持开关频率高 的特色。,60/89,2.4.4 绝缘栅双极晶体管, IGBT的安全作业区 正向偏置安全作业区（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA） 依据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确认。 反向偏置安全作业区（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA） 依据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大答应电压上升率dUCE/dt。,61
40、/89,2.5 其他新式电力电子器材,2.5.1 MOS操控晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 根据宽禁带半导体资料的电力 电子器材,62/89,2.5.1 MOS操控晶闸管MCT,MCT（MOS Controlled Thyristor）是将 MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器材。 结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、 快速的开关进程和晶闸管的高电压大电流、低导通 压降的特色。 由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为： 一个PNPN晶闸管，一个操控该晶闸管注册的 MOSFET，和
41、一个操控该晶闸管关断的MOSFET。 其要害技能问题没有大的打破，电压和电流容量 都远未到达预期的数值，未能投入实践运用。,63/89,2.5.2 静电感应晶体管SIT,是一种结型场效应晶体管。 是一种多子导电的器材，其作业频率与电力MOSFET相 当，乃至超越电力MOSFET，而功率容量也比电力 MOSFET大，因此适用于高频大功率场合。 栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断， 这被称为正常导通型器材，运用不太便利，此外SIT通态电 阻较大，使得通态损耗也大，因此SIT还未在大多数电力电 子设备中得到广泛运用。,64/89,2.5.3 静电感应晶闸管SITH,能够看作是SIT与GT
42、O复合而成。 又被称为场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT），本质上是两种载流子导电 的双极型器材，具有电导调制效应，通态压下降、 通流才干强。 其许多特性与GTO相似，但开关速度比GTO高 得多，是大容量的快速器材。 一般也是正常导通型，但也有正常关断型 ，电 流关断增益较小，因此其运用规模还有待拓宽。,65/89,2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT,是将一个平板型的GTO与由许多个并联的电力 MOSFET器材和其它辅佐元件组成的GTO门极驱 动电路选用精心设计的互联结构和封装工艺集成在 一同。 容量与一般GTO适当，但开关速度比一般的 GTO快10倍，
43、并且能够简化一般GTO运用时巨大 而杂乱的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率依然 很大。 现在正在与IGBT等新式器材剧烈竞赛。,66/89,2.6 功率集成电路与集成电力电子模块,根本概念 20世纪80年代中后期开端，模块化趋势，将多 个器材封装在一个模块中，称为功率模块。 可缩小设备体积，下降成本，进步牢靠性。 对作业频率高的电路，可大大减小线路电感， 然后简化对维护和缓冲电路的要求。 将器材与逻辑、操控、维护、传感、检测、自 确诊等信息电子电路制造在同一芯片上，称为功率 集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。,67/89,2.6 功率集成电路与集成电力电子模块
44、,实践运用电路 高压集成电路（High Voltage ICHVIC） 一般指横向高压器材与逻辑或模仿操控电路的单片 集成。 智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC） 一般指纵向功率器材与逻辑或模仿操控电路的单片 集成。 智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM） 专指IGBT及其辅佐器材与其维护和驱动电路的单片 集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。,68/89,2.6 功率集成电路与集成电力电子模块,开展现状 功率集成电路的首要技能难点：高低压电路之 间的绝缘问题以及温升和散热的处理。 曾经功率集成电路的开发和研讨首要在中小
45、功 率运用场合。 智能功率模块在必定程度上回避了上述两个难 点,最近几年取得了敏捷开展。 功率集成电路完成了电能和信息的集成，成为 机电一体化的抱负接口。,69/89,本章小结,将各种首要电力电子器材的根本结构、作业原理、根本 特性和首要参数等问题作了全面的介绍。 电力电子器材归类 依照器材内部电子和空穴 两种载流子参加导电的状况 单极型：肖特基二极管、 电力MOSFET和SIT等。 双极型：根据PN结的电 力二极管、晶闸管、GTO和 GTR等。 复合型 ：IGBT、SITH 和MCT等。,图2-26 电力电子器材分类“树”,70/89,本章小结,按驱动类型 电压驱动型器材 单极型器材和复合型
46、器材。 一起特色是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简略，作业频率高。 电流驱动型器材 双极型器材。 一起特色是：具有电导调制效应，因此通态压下降，导通损耗小，但作业频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较杂乱。 按操控信号的波形 电平操控型器材 电压驱动型器材和部分电流驱动型器材（如GTR） 脉冲触发型器材 部分电流驱动型器材（如晶闸管和GTO）,71/89,本章小结,电力电子器材的现状和开展趋势 20世纪90年代中期以来，逐步构成了小功率 （10kW以下）场合以电力MOSFET为主，中、大 功率场合以IGBT为主的压倒性局势，在10MVA以 上或许数千伏以上的运用场合，假如不需求自关 断才干，那么晶闸管依然是现在的首选器材 。 电力MOSFET和IGBT中的技能创新依然在继 续，IGBT还在不断攫取传统上归于晶闸管的运用 范畴 。,
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