第1章电力电子器件课件.ppt

1、一、电力电子器件一、电力电子器件n电力电子器件按照开通、关断控制方式可分为三大类：电力电子器件按照开通、关断控制方式可分为三大类： （1）不可控型）不可控型 为二端器件，一端是阳极，另一端是阴极。其开关操为二端器件，一端是阳极，另一端是阴极。其开关操作仅取决于施加于器件阳、阴极间的电压。正向导通，作仅取决于施加于器件阳、阴极间的电压。正向导通，负向关断，流过其中的电流是单方向的。其开通和关负向关断，流过其中的电流是单方向的。其开通和关断不能按需要控制，为不控型器件。断不能按需要控制，为不控型器件。n（2）半控型）半控型 是三端器件是三端器件:阳极、阴极和控制门极。也具有单向导电阳极、阴极和控制

2、门极。也具有单向导电性，开通需在其阳、阴极间施加正压，而且还必须在性，开通需在其阳、阴极间施加正压，而且还必须在门极输入正向控制电压，开通可以被控制。然而这类门极输入正向控制电压，开通可以被控制。然而这类器件一旦开通，就不能再通过门极控制其关断，只能器件一旦开通，就不能再通过门极控制其关断，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电从外部改变加在阳、阴极间的电压极性或强制阳极电流变成零才能使其关断。流变成零才能使其关断。（3）全控型）全控型 这类器件也是带有控制端的三端器件，控制端不仅这类器件也是带有控制端的三端器件，控制端不仅 可控制其开通，而且也能控制其关断，故称全控型。可控制其开

3、通，而且也能控制其关断，故称全控型。二、电力电子变流技术二、电力电子变流技术n换流换流:变流电路工作时，各开关器件轮流导通向负载传递电能，流向变流电路工作时，各开关器件轮流导通向负载传递电能，流向负载的电能一定要从一个或一组元件向另一个或另一组元件转移。负载的电能一定要从一个或一组元件向另一个或另一组元件转移。变流电路主要有三种换流方式：变流电路主要有三种换流方式：n电源换流电源换流通过改变电源电压极性向导通元件提供反向电压使其通过改变电源电压极性向导通元件提供反向电压使其关断。适用于交流电源供电，以不控或半控开关器件组成的变流电关断。适用于交流电源供电，以不控或半控开关器件组成的变流电路。路

4、。n负载换流负载换流由负载电压或电流极性的改变，向导通元件施加反向由负载电压或电流极性的改变，向导通元件施加反向电压使其关断。它用于直流供电、负载可振荡的直流电压使其关断。它用于直流供电、负载可振荡的直流-交流变换电路。交流变换电路。 n强迫换流强迫换流由外部电路向导通元件强行提供反向电压或从导通元由外部电路向导通元件强行提供反向电压或从导通元件控制极施加关断信号迫使其关断。这种方式常见于晶闸管直流件控制极施加关断信号迫使其关断。这种方式常见于晶闸管直流-直直流变换电路和所有斩波变换电路。流变换电路和所有斩波变换电路。 电能电能变换的四种类型：变换的四种类型：n交流交流-直流直流(AC-DC)

5、变换：将交流电转换为直流电。变换：将交流电转换为直流电。n直流直流-交流交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。当输出接电网时，变换：将直流电转换为交流电。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接无源负载时，称之为无源逆变。称之为有源逆变；当输出接无源负载时，称之为无源逆变。n交流交流-交流交流(AC-AC)变换：将交流电能的参数加以变换。其中：改变变换：将交流电能的参数加以变换。其中：改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交的交流电，称为交-交变频。交变频。 n直流直流-直流直流(DC-DC

6、)变换：将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其变换：将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。平均值。三、电力电子变流技术控制方式三、电力电子变流技术控制方式n电力电子电路控制方式一般都按器件开关信号与控制信号间的关电力电子电路控制方式一般都按器件开关信号与控制信号间的关系分类。系分类。n相控式：器件开通信号相位即导通时刻的相位，受控于控制信号相控式：器件开通信号相位即导通时刻的相位，受控于控制信号幅度的变化。幅度的变化。 n频控式：用控制电压的幅值变化来改变器件开关信号的频率，以频控式：用控制电压的幅值变化来改变器件开关信号的频率，以实现器件开关工作频率的控制。实现器件开关工作频率的控制。

7、n斩控式：器件以远高于输入、输出电压工作频率的开关频率运行，斩控式：器件以远高于输入、输出电压工作频率的开关频率运行，利用控制电压（即调制电压）的幅值来改变一个开关周期中器件利用控制电压（即调制电压）的幅值来改变一个开关周期中器件导通占空比导通占空比 四、电力电子变流技术的发展四、电力电子变流技术的发展n变流技术的发展已经历了以下三个阶段。变流技术的发展已经历了以下三个阶段。n（1）第一阶段是电子管、离子管（闸流管、汞弧整流器）的发展）第一阶段是电子管、离子管（闸流管、汞弧整流器）的发展与应用阶段；与应用阶段； （2）第二阶段是硅整流管、晶闸管的发展与应用阶段）第二阶段是硅整流管、晶闸管的发展

8、与应用阶段n（3）第三阶段是全控型电力电子器件的发展与应用阶段，是电力）第三阶段是全控型电力电子器件的发展与应用阶段，是电力变流器向高频化发展的阶段，也是变流装置的控制方式由移相控变流器向高频化发展的阶段，也是变流装置的控制方式由移相控制向时间比率控制发展的阶段。制向时间比率控制发展的阶段。 本章要点本章要点n功率二极管的结构、工作原理、特性、参数，选用原功率二极管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；则；n晶闸管、双向晶闸管的结构、工作原理、特性、参数，晶闸管、双向晶闸管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；选用原则；n可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（）、电力晶体管（G

9、TR）、功率）、功率场效应晶体管（场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构、工作原理、特性、参数；）的结构、工作原理、特性、参数；1.1 功率二极管功率二极管1.1.1 功率二极管的结构和工作原理功率二极管的结构和工作原理1 1、功率二极管的结构、功率二极管的结构 2、功率二极管的工作原理、功率二极管的工作原理n由于由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。反方向阻断的电力电子器件。1.1.2 功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性1.1.3 功率二

10、极管的主要参数功率二极管的主要参数1、正向平均电流（、正向平均电流（额定电流额定电流）n指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期通过的最指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。2、正向压降（管压降）、正向压降（管压降）n是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。dDI 3 3、反向重复峰值电压（、反向重复峰值电压（额定电压额定电压）n反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压。

11、一反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高电压。一般在选用功率二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值电压般在选用功率二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。的两倍来选择反向重复峰值电压。 4 4、反向恢复时间、反向恢复时间n反向恢复时间是指功率二极管从正向电流降至零起到恢复反向阻反向恢复时间是指功率二极管从正向电流降至零起到恢复反向阻断能力为止的时间。断能力为止的时间。1.1.4 功率二极管的型号和选择原则功率二极管的型号和选择原则1、功率二极管的型号、功率二极管的型号 2.功率二极管的选择原则功率二极管的选择原则（1）选择额定正向平均电流的原则）选

12、择额定正向平均电流的原则n在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值 即可。考虑元即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有件的过载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为：倍的安全裕量。计算公式为：DI57. 1)25 . 1 (DdDII（2）选择额定电压的原则）选择额定电压的原则n选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压）选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电压）的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向的原

13、则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压瞬时值电压 的的23倍，即倍，即DMU)32(RRMUDMU1.2 晶闸管晶闸管n晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控晶闸管是一种能够用控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。其导通时刻可控，满足了调制其关断的半控型器件。其导通时刻可控，满足了调压要求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、压要求。它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的维护简单、操作方便和寿命长等特点，获得了广泛的应用。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管应用。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST

14、）、双向晶闸管（）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（）和光控晶闸管（LCT）等。）等。1.2.1 晶闸管的结构晶闸管的结构 1 1、晶闸管的结构、晶闸管的结构n具有四层具有四层PNPN结构、三端引出线结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见的外形的器件。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。有两种：螺栓型和平板型。n2、结构和图形符号、结构和图形符号 1.2.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 1 1、晶闸管工作原理的实验说明、晶闸管工作原理的实验说明n由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管

15、主电路；由电源、开关源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。 n通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件件:（1）晶闸管主电路加正向电压。）晶闸管主电路加正向电压。 （2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。）晶闸管控制电路加合适的正向电压。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小流减小到一定数值以下，

16、这只有通过使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。到零或反向的方法来实现。 2 2、晶闸管工作原理的等效电路说明、晶闸管工作原理的等效电路说明 当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，形成了当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：强烈的正反馈，正反馈过程如下：nIGIB2IC2(IB1)IC1IB2 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b) 晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使控制极电流消失正反馈作用来维持，

17、即使控制极电流消失，晶闸管仍晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸将处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管可采用的方法有要想关断晶闸管可采用的方法有: :将阳极电源断开；改将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。向电压。 1.2.3 晶闸管的特性晶闸管的特性 1 1、晶闸管的伏安特性、晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶

18、闸管阳极电和晶闸管阳极电流流IA之间的关系特性。之间的关系特性。 （1）正向特性）正向特性n在门极电流在门极电流IG=0情况下，晶闸管处于断态，只有很小情况下，晶闸管处于断态，只有很小的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，达到正向的正向漏电流；随着正向阳极电压的增加，达到正向转折电压转折电压UBO时，漏电流突然剧增，特性从正向阻断时，漏电流突然剧增，特性从正向阻断状态突变为正向导通状态。正常工作时，不允许把正状态突变为正向导通状态。正常工作时，不允许把正向电压加到转折值向电压加到转折值UBO，而是从门极输入触发电流，而是从门极输入触发电流IG，使晶闸管导通。门极电流愈大阳极电压转折点愈低。使晶

19、闸管导通。门极电流愈大阳极电压转折点愈低。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。当减少阳极电流。当IA小到等于维持电流小到等于维持电流IH时，晶闸管时，晶闸管由导通变为阻断。由导通变为阻断。 （2）反向特性）反向特性n是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安特性。是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安特性。晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。当晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管总是处于阻断状态。当反向电压增加到一定数值时，反

20、向漏电流增加态。当反向电压增加到一定数值时，反向漏电流增加较快。再继续增大反向阳极电压，会导致晶闸管反向较快。再继续增大反向阳极电压，会导致晶闸管反向击穿，造成晶闸管的损坏。击穿，造成晶闸管的损坏。2、晶闸管的开关特性、晶闸管的开关特性(简介简介)n晶闸管的开关特性如图所示。晶闸管的开关特性如图所示。 晶闸管开关特性的说明晶闸管开关特性的说明n第一段延迟时间第一段延迟时间td。阳极电流上升到阳极电流上升到10所需时间，所需时间，此时此时J2结仍为反偏，晶闸管的电流不大。结仍为反偏，晶闸管的电流不大。n第二段上升时间第二段上升时间tr，阳极电流由，阳极电流由0.1上升到上升到0.9所需时间，所需

21、时间，这时靠近门极的局部区域已经导通，相应的这时靠近门极的局部区域已经导通，相应的J2结已由结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。反偏转为正偏，电流迅速增加。n通常定义器件的开通时间通常定义器件的开通时间ton为延迟时间为延迟时间td与上升时间与上升时间tr之和。即之和。即 ton=td+trn电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间toff。反。反向阻断恢复时间向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间tgr之和之和。 toff=trr+tgr 1.2

22、.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数(简介简介)n1、额定电压、额定电压UTn(重点重点) （1）正向重复峰值电压）正向重复峰值电压UDRMn在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压峰值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压UDSM的的80%。 （2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRMn在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。此电在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压压取反向不重复峰值电压URSM的的80%。n晶闸管的额定电

23、压则取晶闸管的额定电压则取UDRM和和URRM的较小值且靠近标准电压等级的较小值且靠近标准电压等级所对应的电压值。所对应的电压值。n选择管子的额定电压选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的电压的23倍。倍。n2、额定电流、额定电流IT(AV) (重点重点)n是指：在环境温度为是指：在环境温度为+40度和规定的散热条件下，晶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（闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦）、正弦半波（导通角不小于半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在度）的电路中，结温稳定在额定值额定

24、值125度时所允许的通态平均电流。度时所允许的通态平均电流。n注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整流电路，电流定额，这是因为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。而整流电路往往按直流平均值来计算。 它的通态平均电流它的通态平均电流IT(A V)和正弦电流最大值和正弦电流最大值Im之间的关之间的关系表示为：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： 式中式中 Kf为波形系数为波形系数 m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21I

25、tdtII57. 1)T(AVTfIIKn流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全倍的安全裕量。裕量。 3、维持电流、维持电流IH n在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。 4、擎住电流、擎住电流IL n晶闸管从断态转换到通态时移

26、去触发信号之后，要器晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流管来说，通常擎住电流IL约为维持电流约为维持电流IH的的(24)倍。倍。5、门极触发电流、门极触发电流IGTn在室温且阳极电压为在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。到完全开通所必需的最小门极直流电流。6、门极触发电压、门极触发电压UGT n对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流

27、应适当地大于所规定的门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和和IGT上上限，但不应超过其峰值限，但不应超过其峰值IGFM 和和 UGFM。 7、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率du/ dt n在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。使晶闸管误导通。 8、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率di / dt n在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态

28、电流的最大上升率。管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。1.2.5 晶闸管的型号、选择原则晶闸管的型号、选择原则1、普通晶闸管的型号、普通晶闸管的型号 2、普通晶闸管的选择原则、普通晶闸管的选择原则（1）选择额定电流的原则）选择额定电流的原则n在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大流有效值大于等于管子在电路中实际可

29、能通过的最大电流有效值电流有效值 即可。考虑元件的过载能力，实际选即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为：倍的安全裕量。计算公式为：n然后取相应标准系列值。然后取相应标准系列值。57. 1)25 . 1 (TMT(AV)IITMI（2）选择额定电压的原则）选择额定电压的原则n选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工作的选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电路中可能承受的最大反向瞬时值 电压的电压的23倍，倍，即即 然后取相应标准系列值然后取相应标准系列值。TMU)32(TnUTMU1.2.6 晶闸管的其它派生元

30、件晶闸管的其它派生元件(简介简介)n双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一对反双向晶闸管从结构和特性来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。可用交流或直流电流触发导通。n双向晶闸管在第双向晶闸管在第和第和第象限有对称的伏安特性象限有对称的伏安特性。双向晶闸管的型号双向晶闸管的型号1.3 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）1.3.1 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理n1、GTO的结构的结构nGTO为四层为四层PNPN结构、三端引出线（结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和

31、晶）的器件。和晶闸管不同的是：闸管不同的是：GTO内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，内部是由许多四层结构的小晶闸管并联而成，这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为这些小晶闸管的门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶元，而普通晶闸管是独立元件结构。下图是闸管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路及电的结构示意图、等效电路及电气符号。气符号。 2、GTO的工作原理的工作原理 （1）开通过程）开通过程nGTO也可等效成两个晶体管也可等效成两个晶体管P1N1P2和和N1P2N2互连，互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益与晶闸管最大区别就是导通后回路增益1+2数数值不

32、同，其中值不同，其中1和和2分别为分别为P1N1P2和和N1P2N2的共基的共基极电流放大倍数。晶闸管的回路增益极电流放大倍数。晶闸管的回路增益1+2常为常为1.15左左右，而右，而GTO的的1+2非常接近非常接近1。因而。因而GTO处于临界饱处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。 （2）关断过程）关断过程n当当GTO已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成已处于导通状态时，对门极加负的关断脉冲，形成IG，相当于将相当于将IC1的电流抽出，使晶体管的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使的基极电流减小，使IC2和

33、和IK随之减小，随之减小，IC2减小又使减小又使IA和和IC1减小，这是一个正反馈过程。减小，这是一个正反馈过程。当当IC2和和IC1的减小使的减小使1+21时，等效晶体管时，等效晶体管N1P2N2和和P1N1P2退出饱退出饱和，和，GTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。n由于由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。用抽走阳极

34、电流的方法不能使其关断。1.3.2 GTO的特性和主要参数的特性和主要参数 (简介简介) 1、GTO的阳极伏安特性的阳极伏安特性 2、GTO的开通特性的开通特性 n 开通时间开通时间ton由延迟时间由延迟时间td和上升时间和上升时间tr组成组成 3、GTO的关断特性的关断特性 nGTO的关断过程有三个不同的时间，即存储时间的关断过程有三个不同的时间，即存储时间ts、下降时间、下降时间tf及及尾部时间尾部时间tt。n存储时间存储时间ts ：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下降到：对应着从关断过程开始，到阳极电流开始下降到90%IA为止的一段时间间隔。为止的一段时间间隔。n下降时间下降时间tf

35、 ：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极：对应着阳极电流迅速下降，阳极电压不断上升和门极反电压开始建立的过程。反电压开始建立的过程。n尾部时间尾部时间tt ：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到：则是指从阳极电流降到极小值时开始，直到最终达到维持电流为止的时间。维持电流为止的时间。n GTO的关断特性的关断特性(开关电压、电流及门极电流波形开关电压、电流及门极电流波形) 4、主要参数、主要参数 (简介简介) 与晶闸管不同的参数。与晶闸管不同的参数。 （1）最大可关断阳极电流）最大可关断阳极电流IATOn（2）关断增益）关断增益 off n（3）阳极尖峰电压）阳极尖峰电压 n

36、（4）维持电流）维持电流n（5）擎住电流）擎住电流1.4 电力晶体管（电力晶体管（GTR） 电力晶体管也称巨型晶体管（电力晶体管也称巨型晶体管（GTRGiant Transistor），是一种双极型、大功率、高反压晶体），是一种双极型、大功率、高反压晶体管管(Bipolar Junction Transistor-BJT)。GTR和和GTO一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极的通发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流断进行控制，并具有饱和压降低

37、、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。较大、耐压高等优点。GTR已实现了大功率、模块化、已实现了大功率、模块化、廉价化。廉价化。 1.4.1 GTR的结构与工作原理的结构与工作原理n1 1、功率晶体管的结构、功率晶体管的结构n结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为结构与小功率晶体管相似，也有三个电极，分别为B(基极基极)、C(集集电极电极)、E(发射极发射极)。GTR属三端三层两结的双极型晶体管，有两属三端三层两结的双极型晶体管，有两种基本类型，种基本类型，NPN型和型和PNP型。型。GTR的基本结构及电气符号如下的基本结构及电气符号如下图所示。图所示。n2、功率晶体管的工作原理、功率晶

38、体管的工作原理n以以NPN型晶体管为例，若外电源使型晶体管为例，若外电源使UBC0，则发射结的，则发射结的PN结处于结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：n（1）由于）由于UBC0，发射结处于正偏状态，发射结处于正偏状态，P区的多数载区的多数载流子空穴不断地向流子空穴不断地向N区扩散形成空穴电流区扩散形成空穴电流IPE，N区的多区的多数载流子电子不断地向数载流子电子不断地向P区扩散形成电子电流区扩散形成电子电流INE。1.4.2 GTR的特性与主要参数的特性与主要参数(简介简介) 1、 GTR的输出特性的输出特性 晶体管有放大、饱和与截止三种工作状态。晶

39、体管有放大、饱和与截止三种工作状态。 截止区：截止区：GTR的的e结和结和c结均承受高反偏电压，相当于结均承受高反偏电压，相当于开关断开。开关断开。 放大区：放大区：e结正偏、结正偏、c结反偏，此时结反偏，此时GTR功耗很大。功耗很大。 饱和区：特点是饱和区：特点是e结和结和c结均正偏。结均正偏。GTR饱和导通，相饱和导通，相当于开关闭合。当于开关闭合。 GTR作开关时，其断态工作点须在截作开关时，其断态工作点须在截止区，通态工作点须在饱和区。止区，通态工作点须在饱和区。n共射极电路的输出特性曲线共射极电路的输出特性曲线 2、GTR的动态（开关）特性的动态（开关）特性 n晶体管有线性和开关两种

40、工作方式。当只需要导通和晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。关断作用时采用开关工作方式。GTR主要应用于开关主要应用于开关工作方式。工作方式。n在开关工作方式下，用一定的正向基极电流在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动去驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流导通，而用另一反向基极电流IB2迫使迫使GTR关断，关断，由于由于GTR 不是理想开关，故在开关过程中总存在着不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。一定的延时和存储时间。GTR的开关响应特性的开关响应特性n延迟时间延迟时间td：加入：加入IB1后一段时后一段时间里，间里

41、，iC仍保持为截止状态时仍保持为截止状态时的很小电流，直到的很小电流，直到iC上升到上升到0.1I CS。n上升时间上升时间tr：iC不断上升，直不断上升，直到到iC=ICS，GTR进入饱和状态。进入饱和状态。tr指指iC从从0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需所需要的时间。要的时间。nGTR的开通时间的开通时间ton：延迟时间：延迟时间td和 上 升 时 间和 上 升 时 间 tr之 和 。 即之 和 。 即 ton=td+trn当基极电流突然从正向当基极电流突然从正向IB1变为反向变为反向IB2时，时，GTR的集电极电流的集电极电流iC并不立并不立即减小，仍保持即减小，仍保持ICS，要

42、经过一段时间才下降。，要经过一段时间才下降。n存储时间存储时间ts：把基极电流从正向：把基极电流从正向IB1变为反向变为反向IB2时到时到iC下降到下降到0.9ICS所需所需的时间。的时间。n下降时间下降时间tf：iC继续下降，继续下降，iC从从0.9ICS下下降到降到0.1ICS所需的时间。所需的时间。n此后，此后，iC继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时继续下降，一直到接近反向饱和电流为止，这时BJT完全恢复完全恢复到截止状态。到截止状态。nBJT的关断时间的关断时间toff：存储时间：存储时间ts和下降时间和下降时间tf之和，即之和，即 toff=ts+tf 3、GTR的主要参数的

43、主要参数(简介简介)n(1)(1)电压参数电压参数 电压参数体现了电压参数体现了GTRGTR的耐压能力的耐压能力n(2)(2)集电极电流额定值集电极电流额定值n(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 n(4)(4)直流电流增益直流电流增益 n(5)(5)开关频率开关频率n(6)(6)最高结温额定值最高结温额定值1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 n功率场效应晶体管，简称功率场效应晶体管，简称P-MOSFET。特点是：属电压全控型器。特点是：属电压全控型器件、控制极静态内阻极高、驱动功率很小、工作频率高、热稳定件、控制极静态内阻极高、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工

44、作区宽和跨导线性度高等。但性优良、无二次击穿、安全工作区宽和跨导线性度高等。但P-MOSFET的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大。常用于中的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。小功率开关电路中。n根据导电沟道的类型可分为根据导电沟道的类型可分为N沟道和沟道和P沟道两大类；沟道两大类；n根据零栅压时器件的导电状态分为耗尽型和增强型两类；根据零栅压时器件的导电状态分为耗尽型和增强型两类；n目前功率目前功率MOSFET的容量水平为的容量水平为50A500 V，频率为，频率为100kHz。1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理1、P-MOSFET的

45、结构的结构nP-MOSFET和小功率和小功率MOS管导电机理相同，但在结构上有较大的区管导电机理相同，但在结构上有较大的区别。小功率别。小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其栅极管是一次扩散形成的器件，其栅极G、源极、源极S和漏和漏极极D在芯片的同一侧。而在芯片的同一侧。而P-MOSFET主要采用立式结构，其三个外主要采用立式结构，其三个外引电极与小功率引电极与小功率MOS管相同，为栅极管相同，为栅极G、源极、源极S和漏极和漏极D，但不在芯，但不在芯片的同一侧。功率场效应管的导电沟道分为片的同一侧。功率场效应管的导电沟道分为N沟道和沟道和P沟道，栅偏压沟道，栅偏压为零时漏源极之间就存在导电沟道

46、的称为耗尽型，栅偏压大于零为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型，栅偏压大于零（N沟道）才存在导电沟道的称为增强型。沟道）才存在导电沟道的称为增强型。n下图是下图是P-MOSFET的结构示意图和电气图形符号。的结构示意图和电气图形符号。n上图是上图是P-MOSFET的电气图形符号，图的电气图形符号，图a表示表示N沟道功率场效应管，沟道功率场效应管，电子流出源极；图电子流出源极；图b表示表示P沟道功率场效应管，空穴流入源极。沟道功率场效应管，空穴流入源极。n从结构上看，从结构上看，P-MOSFET还含有一个寄生二极管，该寄生二极管还含有一个寄生二极管，该寄生二极管的阳极和阴极就是功率的阳极和

47、阴极就是功率MOSFET的的S极和极和D极，它是与极，它是与MOSFET不不可分割的整体，使可分割的整体，使P-MOSFET无反向阻断能力。图中所示虚线为无反向阻断能力。图中所示虚线为寄生二极管。寄生二极管。2、P-MOSFET的工作原理的工作原理n(1)栅源极电压栅源极电压UGS0时，栅极下的时，栅极下的P型区表面呈现空穴堆积状态，型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使在漏源之间施加不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使在漏源之间施加电压，电压，MOS管也不会导通。如图管也不会导通。如图a所示。所示。n(2)当栅源极电压当栅源极电压UGS0且不够充分时，栅极

48、下面的且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时MOS管仍保持关断状态。管仍保持关断状态。如图如图b所示。所示。n(3)当栅源极电压当栅源极电压UGS达到或超过一定值时，栅极下面的硅表面从达到或超过一定值时，栅极下面的硅表面从P型反型成型反型成N型，形成型，形成N型沟道把源区和漏区联系起来，从而把漏源型沟道把源区和漏区联系起来，从而把漏源沟通，使沟通，使MOS管进入导通状态。如图管进入导通状态。如图c所示。所示。1.5.2 P-MOSFET的特性和参数的特性和参数(简介简介) 1、转移特性、转移特性 转移特性是指在输出特性

49、的饱转移特性是指在输出特性的饱和区内，和区内，UDS维持不变时，维持不变时，UGS与与ID之间的关系曲线，如之间的关系曲线，如右图所示。转移特性表征器右图所示。转移特性表征器件输入电压对输出电流的控件输入电压对输出电流的控制作用和放大能力。图中制作用和放大能力。图中UT是是P-MOSFET的开启电压的开启电压(又又称阀值电压称阀值电压)。2、P-MOSFET的输出特性的输出特性GSUnP-MOSFET输出特性反映的是：当输出特性反映的是：当UGS一定时，一定时， ID与与UDS间的关系间的关系曲线族曲线族.它分为三个区域，即线性导电区它分为三个区域，即线性导电区I，饱和恒流区，饱和恒流区II和

50、雪崩击和雪崩击穿区穿区III。n在线性导电区在线性导电区内，内，ID与与UDS几乎呈线性关系。几乎呈线性关系。n在饱和在饱和恒流恒流区区中，当中，当UGS不变时，不变时，ID趋于不变。趋于不变。n当当UDS增大至使漏极增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击结反偏电压过高，发生雪崩击穿，穿，ID突然增加，此时进入雪崩区突然增加，此时进入雪崩区，直至器件损坏。，直至器件损坏。n当当P-MOSFET用作电子开关时，导通时它必须工作在线性导电区用作电子开关时，导通时它必须工作在线性导电区I。P-MOSFET无反向阻断能力，在无反向阻断能力，在D-S极间加反向电压时器件导通，极间加反向电压时器件导通