第1章電力電子器件(NEW)

1、 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)主講：王主講：王 輝輝 湖南大學(xué)湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院工程樓工程樓1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.3 晶閘管晶閘管 第第1 1章章 電力電子器件電力電子器件1.2 電力二極管電力二極管1.6 新型電力電子器件及技術(shù)新型電力電子器件及技術(shù) 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 一、一、電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征二、二、應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成三、三、電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件的分類(lèi)u 概念概念: :電力電子器件電力電子器件（Power

2、Electronic Device） 。主電路（主電路（Main Power CircuitMain Power Circuit） 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。一、電力電子器件的概念和特征一、電力電子器件的概念和特征 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述u電力電子器件基本模型電力電子器件基本模型電力電子器件的理想理想開(kāi)關(guān)模型 三個(gè)電極：其中三個(gè)電極：其中A A和和B B代表開(kāi)關(guān)的兩個(gè)主電極，代表開(kāi)關(guān)的兩個(gè)主電極，K K是控是控 制開(kāi)關(guān)通斷的控制極；制開(kāi)關(guān)通斷的控制極；工作在工作在“通態(tài)通態(tài)”和和“斷態(tài)斷態(tài)”狀態(tài)：通態(tài)時(shí)其電阻為狀態(tài)：通態(tài)時(shí)其電阻為零，斷

3、零，斷 態(tài)時(shí)其電阻無(wú)窮大。態(tài)時(shí)其電阻無(wú)窮大。 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述u電力電子器件的特征電力電子器件的特征電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。主要進(jìn)行電功率的處理，其能力一般遠(yuǎn)大于信息電子器件。電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)驅(qū)動(dòng)控制。電力電子器件功率損耗較大，遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。主要損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗通態(tài)損耗l通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。l器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)開(kāi)關(guān)損耗關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)一般由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電

4、子器件為核心的主電路組成 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述二、應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成二、應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能廣義上將主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說(shuō)電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離電氣隔離，通過(guò)其它手段如光、磁等來(lái)傳遞信號(hào)。主

5、電路中有電壓和電流的過(guò)沖，電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行。 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述u按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度n半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（ThyristorThyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。定的。n全控型器件全控型器件 目前最常用

6、的是目前最常用的是 IGBTIGBT和和Power MOSFETPower MOSFET。 通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。通過(guò)控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。n不可控器件不可控器件 電力二極管（電力二極管（Power DiodePower Diode） 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述三、電力電子器件的分類(lèi)三、電力電子器件的分類(lèi)u按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)n電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出通過(guò)從控制端注入或者抽出電流電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控

7、制。n電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。通或者關(guān)斷的控制。u按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形（電力二極管除外 ）n脈沖觸發(fā)型脈沖觸發(fā)型 通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的通過(guò)在控制端施加一個(gè)電壓或電流的脈沖脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的開(kāi)通或者關(guān)斷的控制。通或者關(guān)斷的控制。n電平控制型電平控制型 必須通過(guò)必須通過(guò)持續(xù)持續(xù)在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并流信號(hào)來(lái)使器件開(kāi)通并維持維持在導(dǎo)通

8、狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀在導(dǎo)通狀態(tài)或者關(guān)斷并維持在阻斷狀態(tài)。態(tài)。 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述3、按照載流子參與導(dǎo)電的情況按照載流子參與導(dǎo)電的情況 單極型器件單極型器件 由一種由一種載流子載流子參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電。 雙極型器件雙極型器件 由由電子電子和和空穴空穴兩種載流子參與導(dǎo)電。兩種載流子參與導(dǎo)電。 復(fù)合型器件復(fù)合型器件 由單極型器件和雙極型器件集成混合而由單極型器件和雙極型器件集成混合而 成，成， 也稱(chēng)混合型器件。也稱(chēng)混合型器件。 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述集成電路功率模塊分立型集成度碳化硅、金剛石等硅（多晶硅和單晶硅）芯片材料復(fù)合型雙極型單極型

9、載流子類(lèi)型軟恢復(fù)型硬恢復(fù)型反向電流衰減速度快速及超快速型普通型反向恢復(fù)速度勢(shì)壘型結(jié)型導(dǎo)電機(jī)理不控型電壓控制型電流控制型控制信號(hào)性質(zhì)全控型半控型開(kāi)關(guān)狀態(tài)可控性可控型控制功能電力電子器件PN 1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 1.2 1.2 電力二極管電力二極管 一、一、電力二極管的結(jié)構(gòu)符電力二極管的結(jié)構(gòu)符號(hào)號(hào)二、二、電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性三、三、電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)四、四、電力二極管的主要類(lèi)型電力二極管的主要類(lèi)型一、電力二極管工作狀態(tài)一、電力二極管工作狀態(tài)AKAKa)IKAPNJb)c)AK基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一

10、個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。1、電力二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)、電力二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)一、電力二極管工作狀態(tài)一、電力二極管工作狀態(tài)2、電力二極管工作狀態(tài)、電力二極管工作狀態(tài)正向?qū)顟B(tài)正向?qū)顟B(tài) 即PN結(jié)外加正向電壓時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)，表現(xiàn)為低阻態(tài)。 但維持有1V左右的壓降。反向截止?fàn)顟B(tài)反向截止?fàn)顟B(tài) 即PN結(jié)外加反向電壓時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，表現(xiàn)為高阻態(tài)。 但維持有微弱的漏電流流通，也稱(chēng)反向飽和電流，一般為微安級(jí)，幾乎為零。PNPN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿電容效應(yīng)電容效應(yīng) PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，故呈現(xiàn)電容效應(yīng)電容效應(yīng)。二、電力二極管基

11、本特性二、電力二極管基本特性1、電力二極管靜態(tài)特性、電力二極管靜態(tài)特性IOIFUTOUFU電力二極管伏安特性電力二極管伏安特性 門(mén)檻電壓門(mén)檻電壓UTO，正向電流，正向電流IF開(kāi)開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。 與與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其電壓即為其正向電壓降正向電壓降UF 。 承受反向電壓時(shí)，只有微小而承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向數(shù)值恒定的反向漏電流漏電流。二、電力二極管基本特性二、電力二極管基本特性2、電力二極管動(dòng)態(tài)特性、電力二極管動(dòng)態(tài)特性 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置開(kāi)關(guān)特性開(kāi)關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程換

12、過(guò)程關(guān)斷過(guò)程：關(guān)斷過(guò)程： 須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài) 在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖 b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt正向偏置轉(zhuǎn)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏換為反向偏置置開(kāi)通過(guò)程：開(kāi)通過(guò)程： 電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖個(gè)過(guò)沖U UFPFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如近穩(wěn)態(tài)壓

13、降的某個(gè)值（如 2V2V）。）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間時(shí)間t tfrfr。延遲時(shí)間：t td d= = t t1 1- - t t0 0, , 電流下降時(shí)間：t tf f= = t t2 2- - t t1 1反向恢復(fù)時(shí)間：t trrrr= = t td d+ + t tf f三、電力二極管主要參數(shù)三、電力二極管主要參數(shù)1、正向平均電流、正向平均電流IF(AV)2、反向重復(fù)峰值電壓、反向重復(fù)峰值電壓URRM3、正向壓降、正向壓降UF4、反向恢復(fù)時(shí)間、反向恢復(fù)時(shí)間trr5）最高工作結(jié)溫）最高工作結(jié)溫TJM6、浪涌電流、浪涌電流IFSM四、電力二極管主要類(lèi)

14、型四、電力二極管主要類(lèi)型1、普通二極管、普通二極管（General Purpose Diode）又稱(chēng)整流二極管（Rectifier Diode）;多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路;其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)（5US以上）;正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高;2、快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管( (快速二極管)Fast Recovery DiodeFRD）從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。快恢復(fù)外延二極管：快恢復(fù)外延二極管：（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（

15、可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。四、電力二極管主要類(lèi)型四、電力二極管主要類(lèi)型3. 肖特基二極管肖特基二極管 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）。肖特基二極管的弱點(diǎn)肖特基二極管的弱點(diǎn)p反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高很多，多用于200V以下場(chǎng)合。p反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)p反向恢復(fù)時(shí)間很短（可小于10ns）。p正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。p反向耐壓較低時(shí)其正向壓降（0.4-0.5V）明顯低于快恢復(fù)二極

16、管(0.8-1V )。p效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。 1.3 1.3 晶閘管晶閘管 一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)二、晶閘管雙晶體管模型及工作原理二、晶閘管雙晶體管模型及工作原理三、晶閘管的基本特性三、晶閘管的基本特性四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù)五、晶閘管五、晶閘管的派生器件的派生器件 一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài) 1. 晶閘管結(jié)構(gòu)及符號(hào)晶閘管結(jié)構(gòu)及符號(hào) 四層四層PNPN結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，三端器件（陽(yáng)極三端器件（陽(yáng)極A、陰極陰極K、門(mén)極、門(mén)極G）封裝形式：螺栓封裝形式：螺栓式、平板式、塑封式、平板式、塑封式。式。 一、

17、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài) 2. 晶閘管基本工作電路晶閘管基本工作電路 A A、K K接正向電壓，燈泡不燃亮接正向電壓，燈泡不燃亮A A、K K接正向電壓，接正向電壓，G G、K K接負(fù)電壓，接負(fù)電壓，燈泡不燃亮燈泡不燃亮A A、K K接正向電壓，接正向電壓，G G、K K接正電壓，接正電壓，燈泡燃亮燈泡燃亮A A、K K接負(fù)向電壓，燈泡不燃亮接負(fù)向電壓，燈泡不燃亮A A、K K接負(fù)向電壓，無(wú)論接負(fù)向電壓，無(wú)論G G、K K接何接何種電壓燈泡不燃亮種電壓燈泡不燃亮燈泡燃亮后，撤除燈泡燃亮后，撤除G G、K K間電壓或間電壓或G G、K K間接負(fù)向電壓，燈泡仍然燃亮間接負(fù)向

18、電壓，燈泡仍然燃亮燈泡燃亮后，撤除燈泡燃亮后，撤除A A、K K間電壓或間電壓或A A、K K接負(fù)向電壓，燈泡熄滅接負(fù)向電壓，燈泡熄滅主回路：陽(yáng)極、負(fù)載、電源主回路：陽(yáng)極、負(fù)載、電源 及陰極構(gòu)成的回路及陰極構(gòu)成的回路控制回路：門(mén)極、控制電源控制回路：門(mén)極、控制電源 及陰極構(gòu)成的回路及陰極構(gòu)成的回路 一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)一、晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài) 3. 晶閘管工作狀態(tài)晶閘管工作狀態(tài) 反向阻斷：反向阻斷：晶閘管施加反向陽(yáng)極電壓，不論門(mén)極是否晶閘管施加反向陽(yáng)極電壓，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。正向阻斷：正向阻斷：未導(dǎo)通晶閘管施加正向陽(yáng)極電壓，無(wú)門(mén)極未

19、導(dǎo)通晶閘管施加正向陽(yáng)極電壓，無(wú)門(mén)極觸發(fā)電流（無(wú)正向門(mén)極電壓），晶閘管阻斷觸發(fā)電流（無(wú)正向門(mén)極電壓），晶閘管阻斷導(dǎo)通條件：導(dǎo)通條件：同時(shí)施加正向陽(yáng)極電壓和門(mén)極觸發(fā)電流（同時(shí)施加正向陽(yáng)極電壓和門(mén)極觸發(fā)電流（正向門(mén)極電壓）。正向門(mén)極電壓）。半控性：半控性：晶閘管導(dǎo)通后，門(mén)極就失去控制作用。晶閘管導(dǎo)通后，門(mén)極就失去控制作用。關(guān)斷條件：關(guān)斷條件：施加反向電壓，或使晶閘管的陽(yáng)極電流降施加反向電壓，或使晶閘管的陽(yáng)極電流降到接近于零的某一數(shù)值（到接近于零的某一數(shù)值（I IH H）以下）以下 。 二、晶閘管雙晶體管模型及工作原理二、晶閘管雙晶體管模型及工作原理 1. 晶閘管雙晶體管模型晶閘管雙晶體管模型 UAK

20、0時(shí)， J1,J3正偏 ,J2反偏 UAKIG1IG（1）正向伏安特性正向伏安特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。(雪崩擊穿/非正常導(dǎo)通)Ig增加時(shí)，正向轉(zhuǎn)折電壓減?。?）反向伏安特性反向伏安特性反向特性類(lèi)似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。 三、晶閘管的基本特性三、晶閘管的基本特性 A2. 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP ，經(jīng)過(guò)

21、一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值 ( 如 2V )。電流上升率越大，UFP 越高。開(kāi)通時(shí)間tgt： tgt=td+ tr 延遲時(shí)間:td (0.5-1.5s) 上升時(shí)間:tr (0.5-3s)開(kāi)通過(guò)程 三、晶閘管的基本特性三、晶閘管的基本特性 A100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)和明顯的反向電壓過(guò)沖，這是非理想二極管諸因素綜合作用的結(jié)果。關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間t tq q： t tq q= =t trrrr+ +t tgrgr 反向阻斷恢復(fù)時(shí)間反向阻斷恢復(fù)時(shí)

22、間: :t trrrr 正向阻斷恢復(fù)時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間: :t tgrgr普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒微秒 四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù) A1. 電壓參數(shù)電壓參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U UDRMDRM在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓U URRMRRM在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓U UTMT

23、M晶閘管通以某一規(guī)定倍晶閘管通以某一規(guī)定倍 數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。 通常取晶閘管的通常取晶閘管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中較小的標(biāo)值作為該器件的中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量, ,一般取一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2 23 3倍倍 四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù) A2. 電流參數(shù)電流參數(shù) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 ( ( 額定電流額定電流 ) ) I T(A V） 在環(huán)境溫度為 40C

24、 和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。（由通到斷）擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常 IL 約為 IH 的2 4 倍。浪涌電流浪涌電流 I TSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。 四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù) A晶閘管額定電流的確定晶閘管額定電流的確定: 原則原則:當(dāng)晶閘管通過(guò)非正弦半波電流時(shí)當(dāng)晶閘管通過(guò)非正弦半波電流時(shí),采用電流有效值相等的采用電流有效值相

25、等的原則進(jìn)行換算原則進(jìn)行換算,計(jì)算得到計(jì)算得到I I T(AVT(AV）應(yīng)留一定的裕量，一般取換算結(jié)果的應(yīng)留一定的裕量，一般取換算結(jié)果的1.5-21.5-2倍倍步驟步驟: :1 1）計(jì)算實(shí)際波形的電流有效值）計(jì)算實(shí)際波形的電流有效值2 2）根據(jù)有效值相等的原則，計(jì)算出定義波形下的平均值）根據(jù)有效值相等的原則，計(jì)算出定義波形下的平均值3 3）將計(jì)算值乘以）將計(jì)算值乘以1.51.5或或2 2，即為所選晶閘管的電流定額，即為所選晶閘管的電流定額 四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù) A電流平均值的定義電流平均值的定義)()(21)(1200tdtidttiTITd電流有效值的定義電流有效值的定義

26、)()(21220tdtiI波形系數(shù)波形系數(shù) 的定義的定義dfIIK基本定義：基本定義： 四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù) A特定情況：正弦半波電流特定情況：正弦半波電流m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII正弦半波電流的有效值正弦半波電流的有效值I IT T通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流I IT(AV)T(AV)57. 1)T(AVTfIIK波形系數(shù)波形系數(shù)iIm0tIT(AV) 四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù) A具體情況：非正弦半波電流確定具體情況：非正弦半波電流確定晶閘管定額晶閘管定額iIm0t2/2)(sin21MMdItt

27、dII22)()sin(212/2MMaItdtII22. 22dafIIK根據(jù)電流有效值相等的原則計(jì)算根據(jù)電流有效值相等的原則計(jì)算規(guī)定波形下通過(guò)晶閘管的平均流規(guī)定波形下通過(guò)晶閘管的平均流faAVTKII)(58. 357. 122MMII 四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù) A 特定波形下，導(dǎo)通角特定波形下，導(dǎo)通角不同，平均值與有效值關(guān)系也不一樣，波形不同，平均值與有效值關(guān)系也不一樣，波形系數(shù)與定義情況下有所不同，系數(shù)與定義情況下有所不同，越小波形系數(shù)越大，電流平均值越小波形系數(shù)越大，電流平均值I Id d、有、有效值效值I Ia a、波形系數(shù)、波形系數(shù)K Kf f具有如下關(guān)系：具有如

28、下關(guān)系：I Ia a=K=Kf f I Id d選擇原則為：使實(shí)際運(yùn)行的管子電流波形的有效值等于定義管子額定通選擇原則為：使實(shí)際運(yùn)行的管子電流波形的有效值等于定義管子額定通態(tài)平均電流態(tài)平均電流I IT(AV)T(AV)時(shí)的電流有效值時(shí)的電流有效值I Ia a ：I Ia a=K=Kf fI Id d=1.57I=1.57IT(AV)T(AV)當(dāng)額定通態(tài)平均電流當(dāng)額定通態(tài)平均電流I IT(AV)T(AV)為為100A100A，不考慮安全余量，實(shí)際允許的平均電，不考慮安全余量，實(shí)際允許的平均電流：流：I Id d=1.57=1.57I IT(AV) T(AV) /K/Kf f=1.57=1.571

29、00/2.22=71A100/2.22=71A給定了晶閘管的電流定額，實(shí)際給定了晶閘管的電流定額，實(shí)際允許的平均電流是多少？允許的平均電流是多少？ 四、晶閘管的主要參數(shù)四、晶閘管的主要參數(shù) A3.3.動(dòng)態(tài)參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)除開(kāi)通時(shí)間除開(kāi)通時(shí)間t tgtgt和關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間t tq q外，還有：外，還有： (1) (1) 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率d du u/d/dt t 指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率 (2)(2) 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率d

30、di i/d/dt t 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率響的最大通態(tài)電流上升率 五、晶閘管的派生器件五、晶閘管的派生器件 A1.1.快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFast Switching ThyristorFST)FST)包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管管和高頻晶閘管管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明顯改善耐

31、量都有明顯改善普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管高頻晶閘管1010 s s左右左右高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng) 五、晶閘管的派生器件五、晶閘管的派生器件 A2.2.雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTriode AC SwitchTRIACTRIAC或或Bidirectional triode thyristor

32、Bidirectional triode thyristor）a)b)IOUIG=0GT1T2雙向晶閘管的電氣符號(hào)和伏安特性可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成，有的普通晶閘管的集成，有兩個(gè)主電極兩個(gè)主電極T T1 1和和T T2 2，一個(gè)，一個(gè)門(mén)極門(mén)極G G，正反兩方向均可觸，正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第和第在第和第IIIIII象限有對(duì)稱(chēng)象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性。通常用在交的伏安特性。通常用在交流電路中，因此不用平均流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。定電流值。 五、晶閘管的派生器件五、晶閘管的

33、派生器件 A3.3.逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorReverse Conducting ThyristorRCTRCT） 將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集管制作在同一管芯上的功率集成器件；成器件； 具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)；高等優(yōu)點(diǎn)； 逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流b)a)UOIKGAIG=0逆導(dǎo)晶閘管的電氣符號(hào)和伏安特

34、性 五、晶閘管的派生器件五、晶閘管的派生器件 A4.4.光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT）又稱(chēng)光觸發(fā)晶閘管，是利又稱(chēng)光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管發(fā)導(dǎo)通的晶閘管光觸發(fā)保證了主電路與控光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位要的地位光強(qiáng)度強(qiáng)弱

35、b)AGKa)OUAKIA光控晶閘管的電氣符號(hào)和伏安特性 1.3 1.3 典型全控型器件典型全控型器件 一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管二、電力晶體管二、電力晶體管三、電力場(chǎng)效應(yīng)管三、電力場(chǎng)效應(yīng)管四、絕緣柵雙極晶體管四、絕緣柵雙極晶體管 一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO)GTO) A1.GTO1.GTO的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 與普通晶閘管的與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPNPNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極極A A、陰極、陰極K K和門(mén)極和門(mén)極G G。 和普通晶閘管的和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTOGTO是一種多元的功率集成器件。是一種多元的功

36、率集成器件。 一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO) A 2、GTO的工作原理的工作原理 當(dāng)圖中開(kāi)關(guān)當(dāng)圖中開(kāi)關(guān)S S置于置于“1 1”時(shí)，時(shí)，I IG G是正向觸發(fā)電流，控制是正向觸發(fā)電流，控制GTOGTO導(dǎo)導(dǎo)通；通；S S置于置于“2 2”時(shí)，則門(mén)極加反向電流，控制時(shí)，則門(mén)極加反向電流，控制GTOGTO關(guān)斷。關(guān)斷。n基本工作電路基本工作電路 一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO) A 2、GTO的工作原理的工作原理n開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程GTOGTO也可等效成兩個(gè)晶體管也可等效成兩個(gè)晶體管P P1 1N N1 1P P2 2和和N N1 1P P2 2N

37、 N2 2互連，互連，GTOGTO與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后與晶閘管最大區(qū)別就是導(dǎo)通后回路增益回路增益1 1+ +2 2數(shù)值不同，其中數(shù)值不同，其中1 1和和2 2分別為分別為P1N1P2P1N1P2和和N1P2N2N1P2N2的共基極電的共基極電流放大倍數(shù)。晶閘管的回路增益流放大倍數(shù)。晶閘管的回路增益1 1+ +2 2常為常為1.151.15左右，而左右，而GTOGTO的的1 1+ +2 2非常非常接近接近1 1。因而。因而GTOGTO處于臨界飽和狀態(tài)。這為門(mén)極負(fù)脈沖關(guān)斷陽(yáng)極電流提供有利處于臨界飽和狀態(tài)。這為門(mén)極負(fù)脈沖關(guān)斷陽(yáng)極電流提供有利條件。條件。n關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程當(dāng)當(dāng)GTOGTO已處于導(dǎo)

38、通狀態(tài)時(shí)，對(duì)門(mén)極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成已處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，對(duì)門(mén)極加負(fù)的關(guān)斷脈沖，形成I IG G，相當(dāng)于將，相當(dāng)于將I IC1C1的電的電流抽出，使晶體管流抽出，使晶體管N N1 1P P2 2N N2 2的基極電流減小，使的基極電流減小，使I IC2C2和和I IK K隨之減小，隨之減小，I IC2C2減小又使減小又使I IA A和和I IC1C1減小，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。當(dāng)減小，這是一個(gè)正反饋過(guò)程。當(dāng)I IC2C2和和I IC1C1的減小使的減小使1 1+ +2 211時(shí)，等效晶時(shí)，等效晶體管體管N N1 1P P2 2N N2 2和和P P1 1N N1 1P P2 2退出飽和，退出飽和，G

39、TOGTO不滿(mǎn)足維持導(dǎo)通條件，陽(yáng)極電流下降到零而不滿(mǎn)足維持導(dǎo)通條件，陽(yáng)極電流下降到零而關(guān)斷。關(guān)斷。 一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管一、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)(GTO) A3、GTO特性特性 陽(yáng)極伏安特性陽(yáng)極伏安特性GTOGTO的開(kāi)關(guān)特性的開(kāi)關(guān)特性 二、電力晶體管（二、電力晶體管（GTRGTR） A1.GTR1.GTR的結(jié)構(gòu)及工作原理的結(jié)構(gòu)及工作原理與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)

40、構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。 a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) 二、電力晶體管（二、電力晶體管（GTRGTR） AGTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為 GTRGTR的的電流放大系數(shù)電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力集電極電流的控制能力 。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic= ib +Iceo單管GTR的 值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益。cbii 二、電力晶體管（二、電

41、力晶體管（GTRGTR） A2. GTR的基本特性的基本特性 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 共發(fā)射極接法時(shí)的典共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和和飽和區(qū)飽和區(qū)。 在電力電子電路中在電力電子電路中GTRGTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce 二、電力晶體管（二、電力晶體管（GTRGTR） A(2) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性u(píng) 開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間延遲時(shí)間t td d和上升時(shí)和上升時(shí)間間t

42、 tr r，二者之和為，二者之和為開(kāi)開(kāi)通時(shí)間通時(shí)間t tonon。u關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間儲(chǔ)存時(shí)間t ts s和下降時(shí)和下降時(shí)間間t tf f，二者之和為，二者之和為關(guān)關(guān)斷時(shí)間斷時(shí)間t toffoff 。GTRGTR的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾的開(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以?xún)?nèi)，比晶閘管微秒以?xún)?nèi)，比晶閘管和和GTOGTO都短很多都短很多 。ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd 二、電力晶體管（二、電力晶體管（GTRGTR） A3. GTR的主要參數(shù)的主要參數(shù)1、極限參數(shù)：、極限參數(shù)：電壓極限參數(shù)：電壓極限參數(shù)：

43、GTR上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生上所加的電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿擊穿。擊穿電壓不僅。擊穿電壓不僅和晶體管本身的和晶體管本身的特性特性有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。有關(guān)，還與外電路的接法有關(guān)。 BUCBO 發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUCEO 基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUCER、 BUCES、發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電發(fā)射極與基極間用電阻聯(lián)接或短路聯(lián)接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUEBO 集電極開(kāi)路的發(fā)射極集電極開(kāi)路的發(fā)射極基極反向擊穿電壓基極反

44、向擊穿電壓 BUCEX 發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓存在基本關(guān)系：存在基本關(guān)系：實(shí)際使用實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。低得多。 二、電力晶體管（二、電力晶體管（GTRGTR） A電流極限參數(shù)：電流極限參數(shù)：IC 集電極最大允許連續(xù)電流（正向恒定電流或正向交變電流平均集電極最大允許連續(xù)電流（正向恒定電流或正向交變電流平均值）值）ICM 集電極最大允許脈沖電流集電極最大允許脈沖電流測(cè)試時(shí)規(guī)定直流電流放大系數(shù)測(cè)試時(shí)規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE或或 下降到規(guī)定的下降到規(guī)定的1/2

45、2/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。 實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的的一半一半或或稍多一點(diǎn)稍多一點(diǎn)。IB 允許流過(guò)基極的正向恒定電流或正向交變電流的平均值允許流過(guò)基極的正向恒定電流或正向交變電流的平均值耗散功率耗散功率PCM 集電極最大允許的耗散功率。集電極最大允許的耗散功率。 溫度溫度Tj 最高允許結(jié)溫最高允許結(jié)溫Tc 器件工作的管殼溫度器件工作的管殼溫度 二、電力晶體管（二、電力晶體管（GTRGTR） A2、電特性參數(shù)：、電特性參數(shù)：UBE 、UBES 共發(fā)射極電路的基極共發(fā)射極電路的基極發(fā)射極直流電壓發(fā)射極直流電壓UCE 、UCES 共發(fā)射極電路

46、的集電極共發(fā)射極電路的集電極發(fā)射極直流電壓發(fā)射極直流電壓ICBO 發(fā)射極開(kāi)路，集電極反偏時(shí)的集電極漏電流發(fā)射極開(kāi)路，集電極反偏時(shí)的集電極漏電流ICEO 基極開(kāi)路，集電極反偏時(shí)的集電極漏電流基極開(kāi)路，集電極反偏時(shí)的集電極漏電流IEBO 集電極開(kāi)路，發(fā)射極反偏時(shí)的發(fā)射極漏電流集電極開(kāi)路，發(fā)射極反偏時(shí)的發(fā)射極漏電流hFE （ ） 共發(fā)射極電路中，在沒(méi)有交流輸入信號(hào)時(shí)的集電極電流共發(fā)射極電路中，在沒(méi)有交流輸入信號(hào)時(shí)的集電極電流 與基極電流之比與基極電流之比ton 晶體管開(kāi)通時(shí)間晶體管開(kāi)通時(shí)間toff 晶體管關(guān)斷時(shí)間晶體管關(guān)斷時(shí)間3、熱特性參數(shù)、熱特性參數(shù)Rj-c 集電極到管殼的熱阻集電極到管殼的熱阻R

47、 晶體管熱阻晶體管熱阻 二、電力晶體管（二、電力晶體管（GTRGTR） A4. GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿（一次擊穿（雪崩擊穿）：雪崩擊穿）：反偏集電結(jié)的空間電荷區(qū)發(fā)生載流子雪崩倍增時(shí)反偏集電結(jié)的空間電荷區(qū)發(fā)生載流子雪崩倍增時(shí) Ic突然上升的現(xiàn)象。突然上升的現(xiàn)象。當(dāng)當(dāng)GTR的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，的集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，GTR首先出現(xiàn)首先出現(xiàn)的擊穿的擊穿二次擊穿：二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，一次擊穿發(fā)生時(shí)如不有效地限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急

48、劇上升，同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降的現(xiàn)象同時(shí)伴隨著電壓的陡然下降的現(xiàn)象出現(xiàn)一次擊穿后，出現(xiàn)一次擊穿后，GTR一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損一般不會(huì)損壞，二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)壞，或者工作特性明顯衰變，因而對(duì)GTR危害極大。危害極大。 。安全工作區(qū)（安全工作區(qū)（Safe Operating AreaSOA） 將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn)將不同基極電流下二次擊穿的臨界點(diǎn) 連接起來(lái)連接起來(lái)，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。，就構(gòu)成了二次擊穿臨界線。 GTR工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓工作時(shí)不僅不能超過(guò)最高電壓 UceM，集，集電極最大電流電極最大電流

49、IcM和最大耗散功率和最大耗散功率PcM，也不能超，也不能超過(guò)過(guò)二次擊穿臨界線二次擊穿臨界線。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A1. 功率功率MOSFET結(jié)構(gòu)及類(lèi)型結(jié)構(gòu)及類(lèi)型也分為結(jié)型和絕緣柵型（類(lèi)似小功率Field Effect TransistorFET）通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡(jiǎn)稱(chēng)功率MOSFET（Power MOSFET）結(jié)型功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱(chēng)作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)用柵

50、極電壓來(lái)控制漏極電流 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。 開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。 熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTRGTR。 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW10kW的的功率電子裝置功率電子裝置 。三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A 功率MOSFET的種類(lèi) 按導(dǎo)電溝道可分為按導(dǎo)電溝道可分為P P溝道溝道和和N N溝道溝道 耗盡型耗盡型當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道 增強(qiáng)型增強(qiáng)型對(duì)于對(duì)于N N（P

51、 P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道 功率功率MOSFETMOSFET主要是主要是N N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A集成電路模塊分立式器件集成度溝道溝道載流子類(lèi)型單胞排列導(dǎo)電結(jié)構(gòu)功率IPMPMMOSPMOSNHEXFETTMOSVDMOSVVMOSVMOSPMOSMOSFET三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） AN+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與

52、導(dǎo)電，是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。功率MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。 國(guó)際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元 西門(mén)子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元 摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 結(jié)構(gòu)與符號(hào)三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A常規(guī)常規(guī)MOSFETMOSFET存在問(wèn)題：平面型結(jié)構(gòu)存在問(wèn)題：平面型結(jié)構(gòu) S、G、D處于同一平面，電流橫向流動(dòng)，電流容量不可能太處于同一平面，電

53、流橫向流動(dòng)，電流容量不可能太大；要獲得大功率，可增大溝道寬大；要獲得大功率，可增大溝道寬/長(zhǎng)比（長(zhǎng)比（W/L），但溝道長(zhǎng)度受），但溝道長(zhǎng)度受工藝限制，不能很??；增大管芯面積，但不經(jīng)濟(jì)，因此管子功率工藝限制，不能很??；增大管芯面積，但不經(jīng)濟(jì)，因此管子功率小，大功率難實(shí)現(xiàn)。小，大功率難實(shí)現(xiàn)。三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A獲得高耐壓、大電流器件方法獲得高耐壓、大電流器件方法垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)：發(fā)射極和集電極位于基區(qū)兩側(cè)，基區(qū)面積大，很垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)：發(fā)射極和集電極位于基區(qū)兩側(cè)，基區(qū)面積大，很薄，電流容量很大。薄，電流容量很大。 N N- -漂移區(qū)：集電區(qū)加入輕摻雜

54、漂移區(qū)：集電區(qū)加入輕摻雜N N- -漂移區(qū)，提高耐壓。漂移區(qū)，提高耐壓。雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)：基區(qū)寬度嚴(yán)格控制，可滿(mǎn)足不同等級(jí)要求。雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)：基區(qū)寬度嚴(yán)格控制，可滿(mǎn)足不同等級(jí)要求。 集電極安裝于硅片底部，設(shè)計(jì)方便，封裝密度高，耐壓特性集電極安裝于硅片底部，設(shè)計(jì)方便，封裝密度高，耐壓特性 好，好，在較小體積下，輸出功率較大。在較小體積下，輸出功率較大。三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A(a)LDMOS結(jié)構(gòu) （b）VVMOS結(jié)構(gòu) （c）VUMOS結(jié)構(gòu) （d）EXTFET結(jié)構(gòu) （e）VDMOS結(jié)構(gòu) （f）SJ MOSFET結(jié)構(gòu) 功率功率MOSFETMOSFET內(nèi)部

55、結(jié)構(gòu)形式內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） AVMOSFET： 保留保留MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率??；吸收的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率?。晃誈TR優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展功率，主要優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)展功率，主要工藝：工藝：垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)； N N- -漂移區(qū)；雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)；漂移區(qū)；雙重?cái)U(kuò)散技術(shù)；1VVMOSFET：美國(guó)雷達(dá)半導(dǎo)體公司：美國(guó)雷達(dá)半導(dǎo)體公司1975年推出年推出特點(diǎn)：特點(diǎn)：VGSVGS加電壓后，形成反型層溝道，電流垂直加電壓后，形成反型層溝道，電流垂直流動(dòng)。流動(dòng)。漏極安裝于襯底，可充分利用硅片面積漏極安裝于襯底，可充分利用硅片面積N N- -漂移區(qū)，提高耐

56、壓，降低漂移區(qū)，提高耐壓，降低C CGDGD電容。電容。雙重?cái)U(kuò)散可精確控制溝道長(zhǎng)度。雙重?cái)U(kuò)散可精確控制溝道長(zhǎng)度。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：V型槽底部易引起電場(chǎng)集中，提高耐壓困難，改進(jìn)：型槽底部易引起電場(chǎng)集中，提高耐壓困難，改進(jìn)：U型型MOSFET。三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） AVDMOSFET：垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散：垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 溝道部分是由同一擴(kuò)散窗利用兩次擴(kuò)散形成的P型體區(qū)和N+型源區(qū)的擴(kuò)散深度差形成的，溝道長(zhǎng)度可以精確控制雙重?cái)U(kuò)散。 電流在溝道內(nèi)沿著表面流動(dòng)，然后垂直地被漏極吸收。由于漏極也是從硅片底部引出，所以可以高度集成化。 漏源間施加電壓

57、后，由于耗盡層的擴(kuò)展，使柵極下的MOSFET部分幾乎保持一定的電壓，于是可使耐壓提高。 在此基礎(chǔ)上，各種性能上不斷改進(jìn)，出現(xiàn)新結(jié)構(gòu)：TMOS、HEXFET、 SIPMOS、-MOS等。三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A多元集成結(jié)構(gòu) 將成千上萬(wàn)個(gè)單元MOSFET（單元胞）并聯(lián)連接形成。 特點(diǎn)：降低通態(tài)電阻，有利于電流提高。 多元集成結(jié)構(gòu)使每個(gè)MOSFET單元溝道長(zhǎng)度大大縮短，并聯(lián)后，溝道電阻大大減小，對(duì)提高電流大為有利。 如：IRF150N溝道MOSFET，通態(tài)電阻0.045 提高工作頻率，改善器件性能。 多元集成結(jié)構(gòu)使溝道縮短，減小載流子渡越時(shí)間，并聯(lián)結(jié)

58、構(gòu)，允許很多載流子同時(shí)渡越，開(kāi)通時(shí)間大大縮短，ns級(jí)。三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A2. 功率功率MOSFET工作原理工作原理n截止：截止： 當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時(shí)，當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時(shí)，P基區(qū)與基區(qū)與N漂移區(qū)之漂移區(qū)之間形成的間形成的PN結(jié)結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。 n導(dǎo)通：導(dǎo)通：在柵極和源極之間加一正電壓在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會(huì)將其下面，正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將開(kāi)，而將P區(qū)中的少子區(qū)中的少子電子吸引到柵極下面的電子吸引到柵極下

59、面的P區(qū)表面。區(qū)表面。 當(dāng)當(dāng)UGS大于某一電壓值大于某一電壓值UT時(shí)，使時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，該反型半導(dǎo)體，該反型層形成型層形成N溝道而使溝道而使PN結(jié)結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。消失，漏極和源極導(dǎo)電。 UT稱(chēng)為開(kāi)啟電壓（或閾值電壓），稱(chēng)為開(kāi)啟電壓（或閾值電壓），UGS超過(guò)超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流，漏極電流ID越大。越大。 三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） A3. 功率功率MOSFET的特性的特性轉(zhuǎn)移特性gmVGS關(guān)系曲線增強(qiáng)型耗盡型開(kāi)啟電壓夾斷電壓V GS（OFF）n轉(zhuǎn)移特性：ID與VGS關(guān)系曲線定

60、義：跨導(dǎo)gm，表示MOSFET的放大能力，提高寬/長(zhǎng)比，可增大gm。GSDmVIg三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFETMOSFET） An輸出特性輸出特性是MOSFET的漏極伏安特性。截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）三個(gè)區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加。 工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。本身結(jié)構(gòu)所致，漏極和源極之間形成了一個(gè)與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。 三、電力場(chǎng)效應(yīng)管（功率三、電力場(chǎng)