電力電子技術(shù)第1章 前言和元件

西南交通大學(xué)電力電子技術(shù)PowerElectronics僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)電力電子技術(shù)——使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變 換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)電力電子器件制造技術(shù)（基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理）電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)電力電子器件應(yīng)用技術(shù)（變流技術(shù)）用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對(duì)其進(jìn)行控制的技術(shù)以及構(gòu)成電力電子裝置及系統(tǒng)的技術(shù)電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)nnnn交流到直流的變換—整流直流到交流的變換—逆變直流到直流的變換交流到交流的變換

僅內(nèi)部使用郭小舟

電力電子技術(shù)的任務(wù)電能的變換:包括頻率變換、幅值變換、相 數(shù)變換、相位變換常用的變換有：西南交通大學(xué)70年代中引燃管閘流管二極管晶閘管80年代后GTOGTR晶閘管場效應(yīng)管IGBTGTO晶閘管場效應(yīng)管101K100K場效應(yīng)管10010KIGBTIPM1M1957

GTOGCT晶閘管

僅內(nèi)部使用郭小舟電力半導(dǎo)體開關(guān)的發(fā)展件靜器、旋路止器、轉(zhuǎn)電電機(jī)電力電子學(xué)

(PowerElectronics)

名稱60年代出現(xiàn)全世界普遍接受的對(duì) 電力電子學(xué)進(jìn)行描 述的倒三角形電子學(xué)電力學(xué)

電力 電子學(xué)連續(xù)、離散 控制 理論

電路電子技術(shù)基礎(chǔ)電力電子技術(shù)電力、拖動(dòng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系n一般工業(yè)：

交直流電機(jī)、電化學(xué)、冶金工業(yè)n交通運(yùn)輸：

電氣化鐵道、電動(dòng)汽車、航空、航海n電力系統(tǒng)：

高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償n電子裝置電源：

為信息電子裝置提供動(dòng)力n家用電器：

“節(jié)能燈”、變頻空調(diào)n其他：

UPS、航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟電力電子技術(shù)的應(yīng)用冶金工業(yè)

西南交通大學(xué)電解鋁

僅內(nèi)部使用郭小舟

1）一般工業(yè)軋鋼機(jī) 數(shù)控機(jī)床西南交通大學(xué)2）交通運(yùn)輸僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)SVC高壓直流裝置HVDC

僅內(nèi)部使用郭小舟3）電力系統(tǒng)

柔性交流輸電FACTS程控交換機(jī)微型計(jì)算機(jī)

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟4）電子裝置用電源

電子裝置西南交通大學(xué)5）家用電器僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)6）其他大型計(jì)算機(jī)的UPS航天技術(shù)新型能源僅內(nèi)部使用郭小舟第1章電力電子器件

概述

電力電子技術(shù)是以電力半導(dǎo)體開關(guān)為基礎(chǔ)的理想的電力半導(dǎo)體開關(guān)的特點(diǎn)：只有斷態(tài)與通態(tài)兩種狀態(tài)，沒有放大狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)，器件兩端電壓為零截止時(shí)，流過器件的電流為零從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通所需要的時(shí)間為零實(shí)際器件與理想器件有一定的差距，但可近似

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)半控型器件（如Thyristor）——通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（如IGBT,MOSFET)

——通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其 關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(如PowerDiode)——不能用控制信號(hào)來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度分為僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)電流驅(qū)動(dòng)型——通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。如晶閘管、GTO、GTR等電壓驅(qū)動(dòng)型——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓 信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。如IGBT等按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)可分為按器件內(nèi)部參與導(dǎo)電的載流子分單極型器件，如場效應(yīng)管(一種)；雙極型器件，如晶閘管(電子與空穴)；復(fù)合型器件，如IGBT僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)

§1-1功率二極管1.結(jié)構(gòu)：由一個(gè)PN結(jié)構(gòu)成。A-陽極，K-陰極PNK第一章電力電子器件AAK僅內(nèi)部使用郭小舟uAK二極管的正向電壓降很小，在理論分析時(shí)可 忽略不計(jì)。

西南交通大學(xué)uAK

iA理想特性

iA實(shí)際特性

僅內(nèi)部使用郭小舟2.特性A伏安特性：陽極電流與陽-陰極電壓間的關(guān)系

iFuFtfrt0

u iUFP

V在二極管獲取超量存儲(chǔ)電荷前，其體電阻率很大電流上升率越大，UFP越高

西南交通大學(xué)UFP，經(jīng)過一段時(shí)間后才趨于穩(wěn)態(tài)壓降值。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是載流子的分布與達(dá)到一定的濃度需要時(shí)間

僅內(nèi)部使用郭小舟

B二極管的開關(guān)特性導(dǎo)通特性

正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖didiURPiFUFtFt0trrtdtft2tUR

Fdt

t1 R

dtIRP須經(jīng)過一段短暫的時(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)，并伴隨有明顯的反向電壓過

沖。載流子的抽出需要時(shí)間；當(dāng)PN結(jié)反向恢復(fù)時(shí)因引線電感而產(chǎn)生高的電壓。

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟關(guān)斷特性西南交通大學(xué)額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。1)正向平均電流IF(AV)3.二極管的主要參數(shù)在規(guī)定結(jié)溫下，流過指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)的正向管壓降。2）正向壓降UF僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)3）反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有裕量4）反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+tf5）最高工作結(jié)溫TJMTJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度6)浪涌電流IFSM指二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)4.二極管的主要類型整流二極管：工作頻率低于1KHz，容量大快速恢復(fù)二極管：反向恢復(fù)過程短，工作頻率高肖特基二極管：反向恢復(fù)時(shí)間短，管壓降小但電壓低其它：傳感器(光敏、磁敏二極管)；光源(紅外、激光二極管)；穩(wěn)壓(齊納二極管、恒流二極管)僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)P1P2N1AN2

GN2KKGKGA

僅內(nèi)部使用郭小舟

§1-2普通晶閘管1.結(jié)構(gòu)由三個(gè)PN結(jié)構(gòu)成，為四層三端結(jié)構(gòu)。A-陽極，K-

陰極，G-門極。螺栓型晶閘管

晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)2.雙三極管理論：晶閘管 ＝兩個(gè)三極管的復(fù)合體P1N2

N1P2A

N1

P2KGAKGT1T2RaEaUg反偏時(shí)阻斷，與門極無關(guān)正偏和有門極觸發(fā)電流時(shí)導(dǎo)通觸發(fā)導(dǎo)通不能用門極電流關(guān)斷R+Ua-+Ug-GKA僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下晶閘管的特點(diǎn)：僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)導(dǎo)通條件：晶閘管承受正向電壓，同時(shí)門極有觸發(fā)電流時(shí)，晶閘管導(dǎo)通。維持導(dǎo)通條件：流過晶閘管的電流大于維持電流。關(guān)斷條件：晶閘管承受正向電壓。 或流過晶閘管的電流小于維持電流。這三個(gè)條件是晶閘管電路分析的基礎(chǔ)。僅內(nèi)部使用郭小舟uAK理想伏安特性

西南交通大學(xué)雪崩

-UA-IAIHOIG2

IG1IG=0UDRMUbo+UA

UDSMURSMURRM

擊穿a.反向特性

僅內(nèi)部使用郭小舟

3.晶閘管的特性伏安特性

b.正向伏安特性

IA

正向 導(dǎo)通

iA西南交通大學(xué)反向特性：反向阻斷時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。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。正向特性：正向阻斷狀態(tài)：IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。僅內(nèi)部使用郭小舟晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間=延遲時(shí)間+上升時(shí)間晶閘管關(guān)斷時(shí)間=反向恢復(fù)時(shí)間+正向恢復(fù)時(shí)間

西南交通大學(xué)ttO10% 0uAKtdtrtrrtgrURRMIRM

僅內(nèi)部使用郭小舟

晶閘管的開關(guān)特性

iA100% 90%西南交通大學(xué)4.晶閘管的主要參數(shù)與意義（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（UDRM）：門極開路，重復(fù)率為每秒50次，持續(xù)時(shí)間不大大于10ms的斷態(tài)最大脈沖電壓。其值為正向轉(zhuǎn)折電壓的80%。（2）反向重復(fù)峰值電壓（URRM）：其定義同UDRM，其值為反向轉(zhuǎn)折電壓的80%。（3）額定電壓：選UDRM和URRM中較小的值作為額定電壓。額定電壓定義復(fù)雜。理解為器件安全工作(不誤導(dǎo)通或擊穿時(shí)能承受的最大工作電壓。僅內(nèi)部使用郭小舟ò0Imsinwtd(wt)

1p2pIT(AV)=發(fā)熱是器件電流參數(shù)的限制條件。發(fā)熱量只與有效值有關(guān)。在實(shí)際工作中，電流的波形是不同的。但有效值若相等，發(fā)熱量就相同。

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟（4）通態(tài)平均電流：指在環(huán)境溫度為+40°C和規(guī)定的冷卻條件下，元件在電阻性負(fù)載、導(dǎo)電角不小于170度的單相工頻正弦半波整流電路中，當(dāng)穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時(shí)所允許的最大平均電流。Imò0(Imsinwt)d(wt)=2pò0Imsinwtd(wt)=p2IT=

12p而=

1pIm2pIT(AV)消去變量Im得：IT(AV)=1.57IT(AV)IT=p

2這表明，一個(gè)額定電流為IT(AV)的晶閘管允許通過的有效值電流為其額定值的1.57倍。

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟當(dāng)散熱條件確定后，要讓器件發(fā)熱不超過其允許值，流過它的電流有效值就不能超過額定值。定義額定電流的波形的有效值是：òò西南交通大學(xué)例1.流過晶閘管的電流波形如圖問額定電流為100安的晶閘管允許通過的電流平均值是多少?2ppIm解：平均值為：Im

2Id=Imd(wt)=

12p

p0有效值為：(A)Im

2IT=

2Imd(wt)=

12p

p0從上式解出Im為使晶閘管安全工作，必須滿足：Im

2IT(AV)3p

2IT(AV)=222.14(A)Im￡2p

2僅內(nèi)部使用郭小舟代入平均值計(jì)算式，得Id=111.07(A)（5）通態(tài)平均電壓：晶閘管通以額定通態(tài)平均電流時(shí)的管壓降平均值。（6）維持電流：維持晶閘管導(dǎo)通所需要的電小陽極電流。（7）斷態(tài)電壓臨界上升率：在額定結(jié)溫和門極斷路條件下，使元件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)時(shí)的最低電壓上升率。（8）通態(tài)電流臨界上升率：晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)不致使元件損壞的通態(tài)電流最大上升率。（9）門極觸發(fā)電壓、門極觸發(fā)電流

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用郭小舟

GTO的特點(diǎn)晶閘管的一種派生器件；多元功率集成器件?？梢酝ㄟ^在門極施加正的脈沖電流使其導(dǎo)通；施 加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。開關(guān)頻率不高，關(guān)斷增益小。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接 近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場合仍有較多 的應(yīng)用（如電力機(jī)車的主電路）。

西南交通大學(xué)§1-3門極關(guān)斷晶閘管(GTO)僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)1.GTO的開通與關(guān)斷原理GTO是一種共用陽極門極，陰極分離的結(jié)構(gòu)。它由若干小的GTO元并聯(lián)構(gòu)成。GTO元與晶閘管一樣都是PNPN四層三端結(jié)構(gòu)GTO元與普通晶閘管相同可用雙晶體管模型來分析GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管類似。注入正的門極電流時(shí)，T1T2因正反饋而迅速飽和僅內(nèi)部使用郭小舟

N1P2

AP1

N1

P2

N2

KGAKGT1T2Ra

EaUg也減小，于是引起IC1的進(jìn)一步下降。如此不斷循環(huán)，GTO元的陽極電流迅速下降到零而關(guān)斷。

GTO能夠用門極負(fù)電流信號(hào)關(guān)斷的主要原因在于其門—陰極結(jié)構(gòu)。普通晶閘管在結(jié)構(gòu)上是所謂的“單胞”結(jié)構(gòu)，而GTO的陰極是由許多小塊組成，其陰極橫向?qū)挾群苄?，G—K極間橫向電阻遠(yuǎn)小于普通晶閘管，所以

西南交通大學(xué)關(guān)斷時(shí)在門極施加反向電壓，T1管的集電極電流IC1被抽出形成門極負(fù)電流-IG，這使T2的基極電流減小進(jìn)而使其集電極電流IC2也僅內(nèi)部使用郭小舟KARG

GUg橫向電阻GTO部分關(guān)斷區(qū)晶閘管GTO嚴(yán)格控制等效三極管的飽和度。GTO的等效三極管工作在淺飽和狀態(tài)，而晶閘管為深飽和

西南交通大學(xué)AK

GUgRG

僅內(nèi)部使用郭小舟可以用門極負(fù)電壓抽出等效的IC1，從而使器件關(guān)斷。西南交通大學(xué)小結(jié)GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。多元集成結(jié)構(gòu)，使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。多元集成結(jié)構(gòu)，使GTO容易在關(guān)斷過程中損壞。僅內(nèi)部使用郭小舟tonuaponigtrtt

ia90%10%

tdGTO開通

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟2GTO的開關(guān)特性iauapoff-igtftt90%

ts10%tt存儲(chǔ)時(shí)間ts，使等 效晶體管退出飽 和。下降時(shí)間tf尾部時(shí)間tt：殘存 載流子復(fù)合。通常tf比ts小得 多，而tt比ts要 長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟GTO關(guān)斷西南交通大學(xué)3.GTO的主要參數(shù)1）可關(guān)斷峰值電流ITGQM：GTO的陽極可關(guān)斷電流的最大值，即可關(guān)斷峰值電流。（額定電流）2）關(guān)斷時(shí)的陽極尖峰電壓Vp尖峰電壓是陽極電流在tf時(shí)間內(nèi)的電流變化率與緩沖電路中的電感的乘積。尖峰電壓Vp與陽極電流成正比，并直接決定了關(guān)斷損耗。3）陽極電壓上升率du/dt陽極電壓上升率du/dt分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種。前者與晶閘管相同；后者指的是關(guān)斷過程中的陽極電壓上升率，又稱重加du/dt。僅內(nèi)部使用郭小舟boff=IATO/IGMboff=3-56）開通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間開通時(shí)間是延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷時(shí)間是存儲(chǔ)時(shí)間與下降時(shí)間之和GTO的其它參數(shù)與晶閘管相似。它正在被淘汰。

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟4）陽極電流上升率di/dtGTO能承受的極限電流上升率。5）電流關(guān)斷增益最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖最大值之比：西南交通大學(xué)集成門極換相晶閘管IGCTGTO是多元集成器件。主要問題是如何保證在關(guān)斷時(shí)各個(gè)單元?jiǎng)幼鞯囊恢隆TO損壞的主要原因之一是在關(guān)斷過程中陰極導(dǎo)電面積的收縮引起電流的集中與關(guān)斷的不同步。IGCT的關(guān)斷增益為1。即門極關(guān)斷電流幅值不小于陽極電流。這樣可將流過陰極的電流全部從門極抽出。GTO以PNP三極管方式關(guān)斷。IGCT的特點(diǎn)與GTO相似。但工作頻率更高。為提供巨大的門極關(guān)斷電流，必須將門極電路緊靠主開關(guān)安放。僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用郭小舟

P1N1

P2N2N2

P1N1

P2

P1N1

P2N2N2

P1N1

P2GTO與GCT的關(guān)斷方式比較：GTO抽出部份載流子使等效三極管產(chǎn)生正反饋而迅速關(guān)斷；GCT抽出全部載流子使GCT以PNP三極管方式關(guān)斷。結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍。省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用郭小舟NNPDGS–+NNPSDG–+漏極D接外加電壓的高電位，源極S接低電位。源極與襯底相聯(lián)。VGS為負(fù)時(shí)漏源之間不導(dǎo)電。漏極D接外加電壓的高電位，源極S接低電位。源極與襯底相聯(lián)。VGS為正時(shí)漏源之間導(dǎo)通。

西南交通大學(xué)

僅內(nèi)部使用郭小舟

§1-4電力場效應(yīng)管（MOSFET）

1．工作原理P型反型成N型，形成N溝道使PN結(jié)消失，漏源極間導(dǎo)通；反型消失N溝道消失，PN結(jié)出現(xiàn)，漏源極間截止柵極

源極2．場效應(yīng)管的特點(diǎn)：靠一種載流子導(dǎo)電的器件。開關(guān)速度極高，熱穩(wěn)定性好；沒有二次擊穿現(xiàn)象?？煽啃愿撸踩ぷ鲄^(qū)大容易并聯(lián)。電壓控制器件。驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡單導(dǎo)通電阻大，導(dǎo)通損耗大，元件的電壓值小導(dǎo)通電阻隨阻斷電壓的升高而迅速升高主要用于小功率電路，如開關(guān)電源。

西南交通大學(xué)電路僅內(nèi)部使用郭小舟

漏極 等效10 030202468VGSiD

50 40飽和區(qū)區(qū)截止區(qū)

西南交通大學(xué)302050非 飽40和10 0102030

UGS=5V

UGS=4V4050UGS=7VUGS=6VUGS=8VVDSiD

僅內(nèi)部使用郭小舟

3電力MOSFET的基本特性

1)靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性：漏極電流和柵源間電壓的關(guān)系漏極伏安特性(或輸出特性)：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)GTR的飽和區(qū)）uPtttuGStd(on)0 0iD0td(off)tftr2)開關(guān)特性一個(gè)有阻抗的信號(hào)源給FET提供柵極信號(hào)。開關(guān)響應(yīng)如圖開通時(shí)間：開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和

關(guān)斷時(shí)間：關(guān)斷延遲時(shí)間與下降時(shí)間之和。特點(diǎn)：

開關(guān)速度和柵極輸入電容的大小有關(guān)。降低驅(qū)動(dòng) 電路內(nèi)阻可加快開關(guān)速度。 不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速 工作頻率可達(dá)1M以上，為電力電子器件中最高

西南交通大學(xué)僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)場控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān) 過程中需驅(qū)動(dòng)輸入電容，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大3)電力MOSFET的主要參數(shù)(1)漏極電壓UDS--電力MOSFET電壓定額(2)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM--電力MOSFET電流定額(3)柵源電壓UGS(4)極間電容其它參數(shù)與電子學(xué)中相同僅內(nèi)部使用郭小舟西南交通大學(xué)GC

E等效電路

僅內(nèi)部使用郭小舟

§1-5絕緣柵極雙極型三極管（IGBT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)；開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，安全工作區(qū)大，具有耐脈沖電流沖擊能力；輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似，驅(qū)動(dòng)容易

1IGBT的結(jié)構(gòu)與工作原理N-西南交通大學(xué)

Cp+EGGN-

pN+pN-關(guān)斷時(shí)N-pN+

Cp+EGG導(dǎo)通時(shí)N-pN+pN+pN-

僅內(nèi)部使用郭小舟當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，集電極與發(fā)射極間不導(dǎo)通因?yàn)?；等效PNP三極管的基極電流無法流動(dòng)。當(dāng)柵極上加正的電壓時(shí)，控制極G下的P層表面形成N溝道，發(fā)射極與N-區(qū)接通，等效三極管的基極電流經(jīng)N溝道流動(dòng)，由于電調(diào)制效應(yīng)，N-區(qū)電阻降低電流增大，元件導(dǎo)通。在電力電子電路中，只允許工作在飽和區(qū)或截止區(qū)，不能在有源區(qū)(放大區(qū))

西南交通大學(xué)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)ICUGE(th)UGEOICURM反向阻斷區(qū)UFMUCEUGE(th)UGE增加

僅內(nèi)部使用郭小舟

2IGBT的特性(1)IGBT的靜態(tài)特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性tttOUGEUGEMICMtfv1tfv2td(off)

tfi1

tofftf

tfi2

td(on)

tonUCEMtrUCE(on)90%UGEM10%UGEM

0

IC

90%ICM

10%ICM

0

UCE

tfv1--MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2--MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過 程。

西南交通大學(xué)IGBT的開通過程與MOSFET相似，開通時(shí)間ton為延遲時(shí)間td(on)與電流上升時(shí)間tr之和。

僅內(nèi)部使用郭小舟(2)IGBT的開關(guān)特性tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。IGBT關(guān)斷時(shí)，有大的電流下降率與顯著的尾部電流。前者是場效應(yīng)管關(guān)斷的結(jié)果，后者是PNP三極管造成的。

西南交通大學(xué)tttOUGEUGEMICMtfv1tfv2td(off)

tfi1

tofftf

tfi2

td(on)

tonUCEMtrUCE(on)90%UGEM10%UGEM

0

IC

90%ICM

10%ICM

0

UCEIGBT的關(guān)斷時(shí)間toff為延遲時(shí)間td(of)與電流下降時(shí)間tr構(gòu)成。tfi1--IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快

僅內(nèi)部使用郭小舟關(guān)斷特性：西南交通大學(xué)3IGBT的參數(shù)(1)最大集射極間電壓UCES：由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定(2)最大集電極電流：包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP(3)最大集電極功耗PCM：正常工作溫度下允許的最大功耗IGBT的其它參數(shù)參見相關(guān)的資料僅內(nèi)部使用郭小舟PP西南交通大學(xué)SS

射能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)

DD N+N+GPPG N- N+N+柵源電壓為零時(shí)，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。柵源極間施加負(fù)的電壓，這使PN結(jié)對(duì)應(yīng)的空間電荷區(qū)（也稱“耗盡層”）變厚，使導(dǎo)電溝道消失，器件關(guān)斷。

僅內(nèi)部使用郭小舟

§1-6其它電力半導(dǎo)體開關(guān)器件

1．靜電感應(yīng)晶體管SIT(結(jié)型場效應(yīng)管)靜電感應(yīng)晶體管SIT（StaticInductionTransistor）是一種依靠場效應(yīng)引起元件中導(dǎo)電溝道形成或消失、實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能的器件。SIT具有輸出功率大、失真小、輸入阻抗高、開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定性好以及抗輻在靜電感應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)上加一P型層即構(gòu)成SITH。當(dāng)SITH的A接電源正、K接負(fù)、UGK不為負(fù)時(shí)，電流能從A流向K。UGK為負(fù)時(shí)，PN間形成耗盡層，器件截止。特點(diǎn)：高壓、在電流、高頻、有尾部電流、關(guān)斷時(shí)間短、di/dt、du/dt大GNN+ KPP

AP+3.MOS控制晶閘管MCT

MCT是在SCR結(jié)構(gòu)中集成一對(duì)MOSFET，使MCT導(dǎo)通的

MOSFET稱為ON—FET，使MCT關(guān)斷的MOSFET稱為OFF