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1、第1章电力电子器件识别与选用明理知行明理知行 精工致远精工致远概述概述v什么是电力电子技术什么是电力电子技术? ? 应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件电力电子器件(Power Electronic Device)对电能进行变换和控制电能进行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换(Power Conversion)。一、电力电子技术发展史 1、 1904年出现了电子管。电子管。2、1947年美国贝尔实验室发明晶体管晶体管，引发了电子技术的一场革命。3、1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管。晶闸管。4、70年代出现电力晶体管电力晶体管、电力场效应管。电力场效应管。5、80年
2、代后期开始：绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBTIGBT）为代表。6、90年代主要有：功率模块功率模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。明理知行明理知行 精工致远精工致远交流直流整流整流二、二、电力变换分类电力变换分类 直流交流逆变逆变 直流直流斩波斩波 交流交流交流调压、变频交流调压、变频 明理知行明理知行 精工致远精工致远三、电力电子技术的重要性v 交通运输交通运输 电气机车 电动汽车 电瓶车 缆车 电梯电子装置用电源 新能源 电视机 电冰箱 计算机 不间断电源 节能灯太阳能 风能 燃
3、料电池 电力系统 直流输电 交流输电 工业电机 明理知行明理知行 精工致远精工致远课程特点及要求课程特点及要求1、要求掌握的对象不同2、器件的工作特点不同 大功率3、分析方法不同 弱电控制强电4、实用电力电子电路分析一、课程特点一、课程特点三、要求三、要求1、听课（30分）2、考试（70分）二、课程主要内容二、课程主要内容1、电力器件2、触发及整流3、逆变与斩波明理知行明理知行 精工致远精工致远v作业提交作业提交明理知行明理知行 精工致远精工致远第一章第一章 电力电子器件识别与选用电力电子器件识别与选用明理知行明理知行 精工致远精工致远91.1 晶 闸 管 晶闸管晶闸管(Thyristor)(
4、Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅闸管也称为可控硅SCRSCR，普通晶闸管是一种具有开关作，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。用的大功率半导体器件。从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品 ；晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对强电的控制 ； 晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。 明理知行明理知行 精工致远精工致远10一、晶闸管的结构 晶闸管具有四层晶闸管具有四层P
5、NPNPNPN结构，引出结构，引出阳极阳极A A、阴极、阴极K K和和门极门极G G三个联接端；三个联接端； 晶闸管的常见封装外形有晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；螺栓型、平板型、塑封型； 晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。两个散热器将其夹在中间。图图1-2 1-2 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) a) 外形外形 b) b) 结构结构 c) c) 电气图形符号电气图形符号
6、AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3G G明理知行明理知行 精工致远精工致远11晶闸管的管耗和散热： 管耗流过器件的电流管耗流过器件的电流器件两端的电压器件两端的电压 管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。 冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风扇）冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷、水冷明理知行明理知行 精工致远精工致远12二、晶闸管的导通和关断条件简单描述简单描述晶闸管晶闸管SCRSCR相当于一个半可控的、可开相当于一个
7、半可控的、可开不可关的单向开关。不可关的单向开关。图图1-3 晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管的工作条件的试验电路明理知行明理知行 精工致远精工致远13当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0 同时同时 UGK0由导通由导通关断的条件：关断的条件：使流过使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降低至维持电流以下。 (一般通过减小一般通过减小EA,直至直至EA0时，且时，且EGk0，SCR才能才能导通导通。SCR一旦导通，门极一旦导通，门极G将失去控制作用将失去控制作用，即无论，即无论EG如何，均保持导通状态。如何，均保持导通状态。SCR导导通后的管压降为通后的管压降为1V左右，主
8、电路中的电流左右，主电路中的电流I由由R和和RW以及以及EA的大小决定；的大小决定；当当UAK0时，无论时，无论SCR原来的状态，都原来的状态，都会使会使R熄灭，即此时熄灭，即此时SCR关断。关断。其实，在其实，在I逐逐渐降低（通过调整渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，）至某一个小数值时，刚刚能够维持刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低导通。如果继续降低I，则，则SCR同样会关断。该小电流称为同样会关断。该小电流称为SCR的维持的维持电流。电流。明理知行明理知行 精工致远精工致远14RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图1
9、-4 1-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) b) 工作原理工作原理三、晶闸管的工作原理分析如果如果IG(门极电流门极电流)注入注入V2基极，基极，V2导通，产生导通，产生IC2（ 2IG ）。它同时为。它同时为V1的基极电的基极电流，使流，使V1导通，且导通，且IC1= 1IC2,IC1加上加上IG进一步加大进一步加大V2的基极电流，从而形成强烈的基极电流，从而形成强烈的正反馈，使的正反馈，使V1V2很快进入完全饱和状态。此时很快进入完全饱和状态。此时SCR饱和导通，通过饱和导通，通过SCR的电流的电流由由R确定为确
10、定为EA/R。UAK之间的压降相当于一个之间的压降相当于一个PN结加一个三极管的饱和压降约为结加一个三极管的饱和压降约为1V。此时，将。此时，将I IG G调整为调整为0，即，即UGK0 0 产生产生I IGG V2 V2通通产生产生I IC2C2 V1 V1通通 I IC1C1 I IC2C2 出现强烈的正反馈出现强烈的正反馈，GG极失去控制作用，极失去控制作用，V1V1和和V2V2完全饱和完全饱和，SCRSCR饱和导通。饱和导通。明理知行明理知行 精工致远精工致远15晶闸管的阳极与阴极晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流间的电压和阳极电流之间的关系，称为之间的关系，称为阳阳极伏安特性极伏安
11、特性。（见图。（见图1-51-5）四、晶闸管的阳极伏安特性IG =0=0图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IGUAIAIG1IG2正向正向导通导通UBO正向特性正向特性反向特性反向特性雪崩雪崩击穿击穿明理知行明理知行 精工致远精工致远161) 正向特性正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即流流过，正向电压超过临界极限即正正向转折电压向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件开通。，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折随着门极
12、电流幅值的增大，正向转折电压降低。电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V左右左右。 导通期间，如果门极电流为零，并且导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。称为维持电流。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG四、晶闸管的阳极
13、伏安特性明理知行明理知行 精工致远精工致远172) 2) 反向特性反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。热损坏。四、晶闸管的阳极伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUD
14、RMURRMURSM图图1-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG明理知行明理知行 精工致远精工致远181. 1. 额定电压（额定电压（U UTnTn）1) 正向断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。2) 反向阻断重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3) 通态（峰值）电压UTM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。五、晶闸管的主要参数明理知行明理知行 精工致远精工致远19通常取通常取晶闸管的晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为该器中较小的
15、标值作为该器件的额定电压件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕。选用时，额定电压要留有一定裕量量, ,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压值电压2 23 3倍：倍：U UTnTn（）（）U UTMTM ( (在交流市电中在交流市电中U UTMTM311V)311V)一般来说，一般来说，SCRSCR的额定电压等级规范标准为：的额定电压等级规范标准为：100V100V1000V1000V，每，每100V100V一个等级；一个等级；1000V1000V3000V3000V，每每200V200V一个等级。一个等级。明理知行明理知行 精工致远精工致远
16、202. 2. 额定电流（通态平均电流）额定电流（通态平均电流）I IT(AV)T(AV)定义：在环境温度为定义：在环境温度为+140度和规定的散热条件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（下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于）、正弦半波（导通角不小于170度）的度）的电路中，结温稳定在额定值电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通度时所允许的通态平均电流。态平均电流。v注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整注意：由于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，它是以电流的流电路往往按直流平均值来计算，它是以电流的
17、平均值而非有效值作为它的电流定额。平均值而非有效值作为它的电流定额。明理知行明理知行 精工致远精工致远21闸管的通态平均电流闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大和正弦电流最大值值Im之间的关系表示为：之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为：正弦半波电流的有效值为： 平均电流平均电流IT(AV)与有效值关系为：与有效值关系为： m0mT(AV)1)(sin21IttdIIm02mT21)()sin(21ItdtII57. 1)T(AVTII明理知行明理知行 精工致远精工致远22v流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值也不同，以上比值也不同。实
18、际应用中，应根也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选用晶闸管时，电流电流参数还应取用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.52)倍的安全裕量，即倍的安全裕量，即57. 1)25 . 1 ()(TAVTII式中式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值明理知行明理知行 精工致远精工致远231 1）通态平均电压通态平均电压U UT(AV)T(AV)：当晶闸管中流过额定电流并达：当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均到稳定的额定结温时，阳极与阴极之
19、间电压降的平均值，称为通态平均电压。通态平均电压值，称为通态平均电压。通态平均电压U UT(AV)T(AV)分为分为A A，对应为，对应为0.4V0.4V1.2V1.2V共九个组别。共九个组别。 2)2) 维持电流维持电流 I IH H ：使晶闸管维持导通所必需的最小电流：使晶闸管维持导通所必需的最小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小3)3) 擎住电流擎住电流 I IL L：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，信号后， 能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。3. 其他参数明
20、理知行明理知行 精工致远精工致远244)4)断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du ud dt t ：在额定结温和门极开路：在额定结温和门极开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大阳极电压情况下，不使元件从断态到通态转换的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。上升率称为断态电压临界上升率。5 5）通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di id dt t ：在规定条件下，晶闸：在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。最大上升率称为通态电流临界上升率。 明理知行明理知行 精工致远
21、精工致远25六、晶闸管门极伏安特性及主要参数1 1、门极伏安特性、门极伏安特性 指门极电压与电流的关系指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只晶闸管的门极和阴极之间只有一个有一个PNPN结，结， 所以电压与所以电压与电流的关系和普通二极管的电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特伏安特性相似。门极伏安特性曲线可通过实验画出，如性曲线可通过实验画出，如图图1-61-6所示。所示。明理知行明理知行 精工致远精工致远26 2 2、门极几个主要参数的标准、门极几个主要参数的标准 1 1）门极不触发电压）门极不触发电压U UGDGD和门极不触发电流和门极不触发电流I IGD GD ： 不
22、能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压称为门极不触发电压为门极不触发电压U UGDGD，相应的最大电流称为门极，相应的最大电流称为门极不触发电流不触发电流I IGDGD。 ）门极触发电压）门极触发电压U UGTGT和门极触发电流和门极触发电流I IGTGT 在室温下，对晶闸管加上在室温下，对晶闸管加上V V正向阳极电压时，正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发电流为门极触发电流I IGTGT，相应的门极电压称为门极触，相应的门极电压称为门极触发电压发电压U UGTGT。 ）门极正向
23、峰值电压）门极正向峰值电压U UGMGM、门极正向峰值电流、门极正向峰值电流I IGMGM和门极峰值功率和门极峰值功率P PGMGM 明理知行明理知行 精工致远精工致远单向晶闸管的检测明理知行明理知行 精工致远精工致远28 1.1.双向晶闸管的外形与结构双向晶闸管的外形与结构 双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其内部是一种、螺栓式和平板式。但其内部是一种NPNPNNPNPN五层结五层结构引出三个端线的器件。如图构引出三个端线的器件。如图1-71-7所示。所示。 七 双向晶闸管及其他派生晶闸管图图1-7 1-7 双向晶闸管双向
24、晶闸管 明理知行明理知行 精工致远精工致远292.2.双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第向部分位于第I I象限，反向部分位于第象限，反向部分位于第IIIIII象限。象限。如如图图1-71-7（d d）所示。所示。双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为流之间的换算关系式为 )()()(45. 02RMSTRMSTAVTIII明理知行明理知行 精工致远精工致远30 3. 3. 双向晶闸管的触发方式双向晶闸管的触发方式 双向晶闸管
25、正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式： + + 触发方式：触发方式：主极主极T T1 1为正，为正，T T2 2为负；门极电压为负；门极电压G G为正，为正，T T2 2为为负。特性曲线在第负。特性曲线在第象限。象限。 - - 触发方式：触发方式：主极主极T T1 1为正，为正，T T2 2为负；门极电压为负；门极电压G G为负，为负，T T2 2为为正。特性曲线在第正。特性曲线在第象限。象限。 + + 触发方式：触发方式：主极主极T
26、T1 1为负，为负，T T2 2为正；门极电压为正；门极电压G G为正，为正，T T2 2为为负。特性曲线在第负。特性曲线在第象限。象限。 - - 触发方式：触发方式：主极主极T T1 1为负，为负，T T2 2为正；门极电压为正；门极电压G G为负，为负，T T2 2为为正。特性曲线在第正。特性曲线在第象限。象限。 由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏度不相同，以度不相同，以+ + 触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为，常采用的触发方式为+ + 和和- - 。 明理知行
27、明理知行 精工致远精工致远314. 4. 双向晶闸管的门极控制双向晶闸管的门极控制双向晶闸管的控制方式常用的有两种，双向晶闸管的控制方式常用的有两种，第一种第一种为移相触发为移相触发，与普通晶闸管一样，是通过控制，与普通晶闸管一样，是通过控制触发脉冲的相位来达到调压的目的。触发脉冲的相位来达到调压的目的。第二种是第二种是过零触发过零触发，适用于调功电路及无触点开关电路，适用于调功电路及无触点开关电路。本相电压强触发电路本相电压强触发电路 这种触发方式电路简单、工作这种触发方式电路简单、工作可靠，主要用于双向晶闸管组可靠，主要用于双向晶闸管组成的交流开关电路。成的交流开关电路。 明理知行明理知行
28、 精工致远精工致远双向晶闸管的检测明理知行明理知行 精工致远精工致远明理知行明理知行 精工致远精工致远v门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久在晶闸管问世后不久出现。出现。v20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。个崭新时代。v典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体门极可关断晶闸管、电力晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。明理知行明理知行 精工致远精工致远典型全控型器件典型全控型器件v常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件P-MOSFETIGBT单管及模块门极可关断晶闸管 GTO明
29、理知行明理知行 精工致远精工致远1.2 电力晶体管电力晶体管(GTR 明理知行明理知行 精工致远精工致远1.2 电力晶体管电力晶体管(GTR)电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 v 应用应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和P-MOSFET取代。术语用法术语用法：明理知行明理知行 精工致远精工致远与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用
30、至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。1.2.1 GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 普通晶体管结构 b) GTR内部结构断面示意图 c) 电气图形符号 d) 内部载流子的流动NPNa)b)c)d)明理知行明理知行 精工致远精工致远1.2.1 GTR的结构和工作原理的结构和工作原理v 在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接一般采用共发射极接法。法。v 集电极电流集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 （1-9） GTR的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集
31、电极电流的控制能力 。v 当考虑到集电极和发射极间的漏电流当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，时，ic和和ib的关系为的关系为 ic= ib +Iceo （1-10）v 单管单管GTR的的 值比小功率的晶体管小值比小功率的晶体管小得多，通常为得多，通常为10左右，采用达林顿接法左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。可有效增大电流增益。cbii空穴流电子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib明理知行明理知行 精工致远精工致远1.2.2 GTR的基本特性的基本特性 (1) 输入特性输入特性大功率晶体管运行时常采用共射极接法，输入特性如图所示，它表示UCE一定时，基极电流IB与基
32、极发射极UBE之间的函数关系，它与二极管PN结的正向伏安特性相似。当UCE增大时，输入特性右移。一般情况下，GTR的正向偏压UBE大约为1V。图1-16 共发射极接法时GTR的输入特性1）静态特性）静态特性明理知行明理知行 精工致远精工致远1.2.2 GTR的基本特性的基本特性 (2) 输出特性输出特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和饱和区饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUcex BUces BUcer Buceo。实际使用时，最高工作
33、电压要比BUceo低得多。 2) 饱和压降饱和压降UCES单个GTR的饱和压降一般不超过11.5V，UCES随集电极电流ICM的增大而增大。明理知行明理知行 精工致远精工致远1.2.3 GTR的主要参数的主要参数 通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic 。 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率。产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。 2) 集电极最大允许电流（额定电流）集电极最大允许电流（额定电流）IcM明理知行明理知行 精工致远精工致远GTR静态参数
34、：静态参数：明理知行明理知行 精工致远精工致远GTR动态参数：动态参数：明理知行明理知行 精工致远精工致远 识别与检测识别与检测明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3 可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO）晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。目前，GTO的容量水平达6000A/6000V、 1000A/9000V ，频率为1kHZ。 DATASHEET门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Tu
35、rn-Off Thyristor GTO）明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.1 可关断晶闸管可关断晶闸管的结构和工作原理的结构和工作原理 结构结构： 与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点不同点： GTO是一种多元的功率集成器件。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 管的结构 d)等效电路 e) 电气图形符号C）d）e）明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.1 可关断晶闸管可关断
36、晶闸管的结构和工作原理的结构和工作原理v工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益 1 1和 2 2 。明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.1 可关断晶闸管可关断晶闸管的结构和工作原理的结构和工作原理v GTO的开通机理：的开通机理：S1闭合闭合 GTO的关断机理： S2闭合图1-7 GTO晶闸管的开通和关断IGIb2 IK 2IC2(Ib1) IA 1 IC1
37、IG IC1 Ib2 IK 2 IC2(Ib1) IA 1 明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.1 可关断晶闸管可关断晶闸管的结构和工作原理的结构和工作原理v GTO能够通过门极关断的原因能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下是其与普通晶闸管有如下区别区别： 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。 导通时1+ 2= 1.05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。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图1-7 晶闸管的工作原理RNPNPNPAGSKEG
38、IGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.1 可关断晶闸管可关断晶闸管的结构和工作原理的结构和工作原理GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。 由上述分析我们可以得到以下结论结论：明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.2 可关断可关断晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性v1）阳极伏安特性与普通晶闸管相同。）阳极伏安特性与普通晶闸管相同。明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.2 可关断可关断晶闸管的基本特性晶闸管的基本
39、特性v开通过程开通过程：与普通晶闸管：与普通晶闸管相同相同v关断过程关断过程：与普通晶闸管：与普通晶闸管有所不同有所不同储存时间储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形 GTO的动态特性的动态特性明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.3 可关断可关断晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 GTO的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以
40、的许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。下只介绍意义不同的参数。 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2） 关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和功率二极管串联 。明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.3 可关断可关断晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO（4） 电流关断增益电流关断增益 off off一般很小，只有5左右，
41、这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。GTO的额定电流。该电流过大时，1+2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。因此，GTO的标称电流定额定义为阳极可关断的最大电流。最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。（1-8）ATOoffGMII明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.3 可关断可关断晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数（5）阳极尖峰电压阳极尖峰电压UP（7） 擎住电流擎住电流ILGTO经门极触发后，阳极电流上升到保持所有经门极触发后，阳极电流上升到保持所有GTO元导通的最低值即擎住电流值。
42、元导通的最低值即擎住电流值。 UP是在下降时间末尾出现的极值电压，随阳极关断电流线性增加，过高会导致GTO失效。 UP的产生是由缓冲电路中的引线电感、二极管正向恢复电压和电容中的电感造成的，减小UP应尽量缩短缓冲电路的引线，采用快恢复二极管和无感电容。GTO的维持电流指阳极电流减小到开始出现GTO元不能再维持导通时的数值。因为若GTO在阳极电流纹波较大的情况下工作时，当电流瞬时值到达最低时，因GTO元间电流分布不均匀，以及维持电流值的差异，其中部分GTO元因电流小于其维持电流值而截止，则在阳极电流回复到较高值时，已截止的GTO元不能再导电，于是导电的GTO元的电流密度增大，出现不正常工作状态。
43、（6） 维持电流维持电流IH（8） 浪涌电流浪涌电流IFSM与与SCR类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重复最大通态过载电类似，浪涌电流是指使结温不超过额定结温时的不重复最大通态过载电流；一般为通态峰值电流的流；一般为通态峰值电流的6倍。会引起器件性能的变差。倍。会引起器件性能的变差。明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.4 可关断晶闸管的安全工作区可关断晶闸管的安全工作区vGTO安全工作区是指在门极加负脉冲关断信安全工作区是指在门极加负脉冲关断信号时，号时，GTO能够可靠关断的阳极电流与阳极能够可靠关断的阳极电流与阳极电压的轨迹。既然是在一定条件下确定的安全电压的轨迹。既然是在
44、一定条件下确定的安全运行范围，如条件改变，比如门极驱动电路或运行范围，如条件改变，比如门极驱动电路或缓冲电路参数改变之后，安全工作区也随之改缓冲电路参数改变之后，安全工作区也随之改变，实际实用中应加以注意。变，实际实用中应加以注意。明理知行明理知行 精工致远精工致远vGTO的安全工作区的安全工作区明理知行明理知行 精工致远精工致远可关断晶闸管的主要参数和电气特性:明理知行明理知行 精工致远精工致远1.3.5 GTO的检测与识别的检测与识别明理知行明理知行 精工致远精工致远691.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管v 分为分为结型和绝缘栅型结型和绝缘栅型v 通常主要指通常主要指绝缘栅型中的绝缘
45、栅型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）v 简称电力简称电力MOSFET（Power MOSFET）v 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT） 特点特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。明理知行明理知行 精工致远精工致远TO-247ACTO-220FTO-92TO-1261.4 电力场效应晶体管电力场
46、效应晶体管明理知行明理知行 精工致远精工致远71v电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道。 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理1.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管明理知行明理知行 精工致远精工致远72v电力电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。N+GSDP
47、沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号明理知行明理知行 精工致远精工致远73v 小功率小功率MOS管是横向导电器件。管是横向导电器件。v 电力电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。v 按垂直导电结构的差异，分为利用按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导型槽实现垂直导电的电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散和具有垂直导电双扩散MOS结构的结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）
48、。v 这里主要以这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的结构的结构明理知行明理知行 精工致远精工致远74截止：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：导电：在栅源极间加正电压UGS 当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理明理知行明理知行 精工
49、致远精工致远75 (1) 静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性转移特性。ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图图1-20 电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性2）电力）电力MOSFET的基本特性的基本特性明理知行明理知行 精工致
50、远精工致远76截止区截止区（对应于GTR的截止区）饱和区饱和区（对应于GTR的放大区）非饱和区非饱和区（对应GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图图1-20电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 b) 输出特性输出特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=