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1、第1章电力电子器件第1页，共76页，编辑于2022年，星期日一、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 为为二二端端器器件件，一一端端是是阳阳极极，另另一一端端是是阴阴极极。其其开开关关操操作作仅仅取取决决于于施施加加于于器器件件阳阳、阴阴极极间间的的电电压压。正正向向导导通通，负负向向关关断断，流流过过其其中中的的电电流流是是单单方方向向的的。其其开开通通和和关关断断不不能能按按需需要要控控制制，为为不不控型器件。控型器件。第2页，共76页，编辑于2022年，星期日n（2）半控型）
2、半控型 是三端器件是三端器件:阳极、阴极和控制门极。也具有单向导电性，开阳极、阴极和控制门极。也具有单向导电性，开通需在其阳、阴极间施加正压，而且还必须在门极输入正向控通需在其阳、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。然而这类器件一旦开通，就不能再制电压，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，只能从外部改变加在阳、阴极间的电压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流变成零才能使其关断。极性或强制阳极电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
3、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。可控制其开通，而且也能控制其关断，故称全控型。第3页，共76页，编辑于2022年，星期日二、电力电子变流技术二、电力电子变流技术n换换流流:变变流流电电路路工工作作时时，各各开开关关器器件件轮轮流流导导通通向向负负载载传传递递电电能能，流流向向负负载载的的电电能能一一定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：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：n电电源源换换流流通通过过改改变变电电源源电电压压极极性性向向导导通通元元件件提提供供反反向向电电压压使使其其关
4、关断断。适适用用于交流电源供电，以不控或半控开关器件组成的变流电路。于交流电源供电，以不控或半控开关器件组成的变流电路。n负负载载换换流流由由负负载载电电压压或或电电流流极极性性的的改改变变，向向导导通通元元件件施施加加反反向向电电压压使使其其关关断断。它用于直流供电、负载可振荡的直流它用于直流供电、负载可振荡的直流-交流变换电路。交流变换电路。n强强迫迫换换流流由由外外部部电电路路向向导导通通元元件件强强行行提提供供反反向向电电压压或或从从导导通通元元件件控控制制极极施施加加关关断信号迫使其关断。这种方式常见于晶闸管直流断信号迫使其关断。这种方式常见于晶闸管直流-直流变换电路和所有斩波变换电
5、路。直流变换电路和所有斩波变换电路。第4页，共76页，编辑于2022年，星期日 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)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直直流流-交交流流(DC-AC)变变换换：将将直直流流电电转转换换为为交交流流电电。当当输输出出接接电电网网时时，称称之为有源逆变；当输出接无源负载时，称之为无源逆变。之为有源逆变；当输出接无源负载时，称之为无源逆变。n交交流流-交交流流(AC-AC)变变换换：将将交交流流电电能能的的参参数数加加以以变变换换。其其中中：改改变变交交流流电电压压有有效效值值称称为为交交流流调调压压；将将
6、工工频频交交流流电电直直接接转转换换成成其其他他频频率率的的交交流流电电，称称为为交交-交交变变频。频。n直流直流-直流直流(DC-DC)变换：将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。变换：将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。第5页，共76页，编辑于2022年，星期日三、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系分类。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。n相控式：器件开通信号相位即导通时刻的相位，受控于控制信号幅度相控式：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。的变
7、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，以实现器件开频控式：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。关工作频率的控制。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，利用斩控式：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导通占空比控制电压（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 第6页，共76页，编辑于2022年，星期日四、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
8、）第第一一阶阶段段是是电电子子管管、离离子子管管（闸闸流流管管、汞汞弧弧整整流流器器）的的发发展展与与应应用用阶段；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、晶闸管的发展与应用阶段n（3）第第三三阶阶段段是是全全控控型型电电力力电电子子器器件件的的发发展展与与应应用用阶阶段段，是是电电力力变变流流器器向向高高频频化发展的阶段，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。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。第7页，共76页，编辑于2022年，星期日 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
9、则；功率二极管的结构、工作原理、特性、参数，选用原则；n晶晶闸闸管管、双双向向晶晶闸闸管管的的结结构构、工工作作原原理理、特特性性、参参数数，选选用原则；用原则；n可可关关断断晶晶闸闸管管（GTO）、电电力力晶晶体体管管（GTR）、功功率率场场效效应应晶晶体体管管（P-MOSFET）、绝绝缘缘栅栅双双极极型型晶晶体体管管（IGBT）的的结结构构、工作原理、特性、参数；工作原理、特性、参数；第8页，共76页，编辑于2022年，星期日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 第9页，共76页，编辑于202
10、2年，星期日 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、反方向阻断的结具有单向导电性，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。电力电子器件。第10页，共76页，编辑于2022年，星期日1.1.2 功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性第11页，共76页，编辑于2022年，星期日1.1.3 功率二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大工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
11、流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。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。第12页，共76页，编辑于2022年，星期日 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。一般在选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的两倍来选择用功率二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值
12、电压的两倍来选择反向重复峰值电压。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断能力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。为止的时间。第13页，共76页，编辑于2022年，星期日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、功率二极管的型号第14页，共76页，编辑于2022年，星期日 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于管子在规
13、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在电路中实际可能通过的最大电流有效值 即可。考虑元件的过载能力，即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计算公式为：倍的安全裕量。计算公式为：第15页，共76页，编辑于2022年，星期日（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）的原则应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瞬时值电压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 的的23倍，即倍，即第1
14、6页，共76页，编辑于2022年，星期日1.2 晶闸管晶闸管n晶晶闸闸管管是是一一种种能能够够用用控控制制信信号号控控制制其其导导通通，但但不不能能控控制制其其关关断断的的半半控控型型器器件件。其其导导通通时时刻刻可可控控，满满足足了了调调压压要要求求。它它具具有有体体积积小小、重重量量轻轻、效效率率高高、动动作作迅迅速速、维维护护简简单单、操操作作方方便便和和寿寿命命长长等等特特点点，获获得得了了广广泛泛的的应应用用。晶晶闸闸管管也也有有许许多多派派生生器器件件，如如快快速速晶晶闸闸管管（FST）、双双向向晶晶闸闸管管（TRIAC）、逆逆导导晶晶闸闸管管（RCT）和和光光控控晶晶闸闸管（管（
15、LCT）等。）等。第17页，共76页，编辑于2022年，星期日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。常见的外形有两种：的器件。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。螺栓型和平板型。第18页，共76页，编辑于2022年，星期日n2、结构和图形符号、结构和图形符号 第19页，共76页，编辑于2022年，星期日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；由电源、开关由电源、晶闸管
16、的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路；由电源、开关S、晶、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。第20页，共76页，编辑于2022年，星期日n通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件:（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，故晶闸管为半晶闸管一旦导通，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，必须使其阳极电流减小到一定控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳
17、极电流减小到一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的方法来数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。实现。第21页，共76页，编辑于2022年，星期日 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，形成了强烈的正反馈，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：正反馈过程如下：nIGIB2IC2(IB1)IC1IB2 第22页，共76页，编辑于2022年，星期日 晶晶闸闸管管导导通通之之后后，它它的的导导通通状状态态完完全全依依靠靠管管子子本本身身的的正正反反
18、馈馈作作用用来来维维持持，即即使使控控制制极极电电流流消消失失，晶晶闸闸管管仍仍将将处处于于导导通通状状态态。因因此此，控控制制极极的的作作用用仅仅是是触触发发晶晶闸闸管管使使其其导导通通，导导通通之之后后，控控制制极极就就失失去去了了控控制制作作用用。要要想想关关断断晶晶闸闸管管可可采采用用的的方方法法有有:将将阳阳极极电电源源断断开开；改改变变晶晶闸闸管管的的阳阳极极电电压压的的方方向向，即即在在阳阳极极和和阴极间加反向电压。阴极间加反向电压。第23页，共76页，编辑于2022年，星期日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 晶晶闸闸管管的的伏伏安
19、安特特性性是是晶晶闸闸管管阳阳极极与与阴阴极极间间电电压压UAK和和晶晶闸闸管管阳阳极极电电流流IA之之间间的的关关系特性。系特性。第24页，共76页，编辑于2022年，星期日（1）正向特性）正向特性n在在门门极极电电流流IG=0情情况况下下，晶晶闸闸管管处处于于断断态态，只只有有很很小小的的正正向向漏漏电电流流；随随着着正正向向阳阳极极电电压压的的增增加加，达达到到正正向向转转折折电电压压UBO时时，漏漏电电流流突突然然剧剧增增，特特性性从从正正向向阻阻断断状状态态突突变变为为正正向向导导通通状状态态。正正常常工工作作时时，不不允允许许把把正正向向电电压压加加到到转转折折值值UBO，而而是是
20、从从门门极极输输入入触触发发电电流流IG，使使晶晶闸闸管管导导通通。门门极极电电流流愈愈大大阳阳极极电电压压转转折折点点愈愈低低。晶晶闸闸管管正正向向导导通通后后，要要使使晶晶闸闸管管恢恢复复阻阻断断，只只有有逐逐步步减减少少阳阳极极电电流流。当当IA小小到到等等于于维维持电流持电流IH时，晶闸管由导通变为阻断。时，晶闸管由导通变为阻断。第25页，共76页，编辑于2022年，星期日 （2）反向特性）反向特性n是是指指晶晶闸闸管管的的反反向向阳阳极极电电压压与与阳阳极极漏漏电电流流的的伏伏安安特特性性。晶晶闸闸管管的的反反向向特特性性与与一一般般二二极极管管的的反反向向特特性性相相似似。当当晶晶
21、闸闸管管承承受受反反向向阳阳极极电电压压时时，晶晶闸闸管管总总是是处处于于阻阻断断状状态态。当当反反向向电电压压增增加加到到一一定定数数值值时时，反反向向漏漏电电流流增增加加较较快快。再再继继续续增增大大反反向向阳阳极极电电压压，会会导导致致晶晶闸闸管管反反向向击击穿穿，造造成晶闸管的损坏。成晶闸管的损坏。第26页，共76页，编辑于2022年，星期日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。第27页，共76页，编辑于2022年，星期日 晶闸管开关特性的说明晶闸管开关特性的说明n第第一一段段延延迟迟时时间间td。阳阳极极电电流流上上升
22、升到到10所所需需时时间间，此此时时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第第二二段段上上升升时时间间tr，阳阳极极电电流流由由0.1上上升升到到0.9所所需需时时间间，这这时时靠靠近近门门极极的的局局部部区区域域已已经经导导通通，相相应应的的J2结结已已由由反反偏偏转转为为正偏，电流迅速增加。正偏，电流迅速增加。n通通常常定定义义器器件件的的开开通通时时间间ton为为延延迟迟时时间间td与与上上升升时时间间tr之之和和。即即 ton=td+tr第28页，共76页，编辑于2022年，星期日n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电源电压反向后，从正向
23、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为止定义为器件的电路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间。反向阻断恢复时间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 第29页，共76页，编辑于2022年，星期日1.2.4 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在在控控制制极极断断路路和和正正向向阻阻断断条条件件下下，可可重重复复加加在在晶晶闸闸管管两两端端的的正正向向峰峰值值电压。规定此电压为正向不重复峰值电压电压。规定此电压为正向不重复峰
24、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在在控控制制极极断断路路时时，以以重重复复加加在在晶晶闸闸管管两两端端的的反反向向峰峰值值电电压压。此此电电压压取取反反向向不不重重复复峰值电压峰值电压URSM的的80%。第30页，共76页，编辑于2022年，星期日n晶闸管的额定电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所对应的的较小值且靠近标准电压等级所对应的电压值。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电压的应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的23倍。倍。第31页，共76页，编
25、辑于2022年，星期日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，晶闸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（管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波）、正弦半波（导通角不小于（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值度）的电路中，结温稳定在额定值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电注意：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，而整流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整流电路，
26、而整流电路往往按直流平均值来计算。流电路往往按直流平均值来计算。第32页，共76页，编辑于2022年，星期日 它的通态平均电流它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值和正弦电流最大值Im之间的关系表示之间的关系表示为：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 第33页，共76页，编辑于2022年，星期日n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，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，通常选用晶闸管时，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，电流选择应取电流选择应取
27、(1.52)倍的安全裕量。倍的安全裕量。第34页，共76页，编辑于2022年，星期日 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，从较大的通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。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去触发信号之后，要器件维持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。对于同一个晶闸管来说，通常通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流擎住电流IL约为维持电流约为维持电流IH的的(24)倍
28、。倍。第35页，共76页，编辑于2022年，星期日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，使晶闸管从阻断到完直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。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。触发电路给门极的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应适当地大于所规定的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和和IGT上限，但不应超上限，但不应超过其峰值过其峰值IGFM 和和 UGFM。第36页，共76页，编辑于2022年，星期日 7、断态电压
29、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入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使晶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。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，晶闸管在规定条件下，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电流的最大上升率。在晶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，会使门极电流密度过闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密
30、度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。第37页，共76页，编辑于2022年，星期日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、普通晶闸管的型号第38页，共76页，编辑于2022年，星期日 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在在规规定定的的室室温温和和冷冷却却条条件件下下，只只要要所所选选管管子子的的额额定定电电流流有有效效值值大大于于等等于于管管子子在在电电路路中中实实际际可可能能通通过过的的最最大大电电流流有有效效值值 即即可可。考考虑虑元元件件的的过过载载能能力
31、力，实实际际选选择择时时应应有有1.52倍倍的的安安全全裕裕量量。计算公式为：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。第39页，共76页，编辑于2022年，星期日（2）选择额定电压的原则）选择额定电压的原则n选选择择普普通通晶晶闸闸管管额额定定电电压压的的原原则则应应为为管管子子在在所所工工作作的的电电路中可能承受的最大反向瞬时值路中可能承受的最大反向瞬时值 电压的电压的23倍，即倍，即 然后取相应标准系列值然后取相应标准系列值。第40页，共76页，编辑于2022年，星期日1.2.6 晶闸管的其它派生元件晶闸管的其它派生元件(简介简介)n双双向向晶晶闸闸管管从从结结构构和和特
32、特性性来来说说，都都可可以以看看成成是是一一对对反反向向并并联联的的普普通通晶晶闸闸管管。在在主主电电极极的的正正、反反两两个个方方向向均均可可用用交交流流或直流电流触发导通。或直流电流触发导通。第41页，共76页，编辑于2022年，星期日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。第42页，共76页，编辑于2022年，星期日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第43页，共76页，编辑于2022年，星期日n1、GTO的结构的结构nGTO为四层为四层PNPN结构、
33、三端引出线（结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的）的器件。和晶闸管不同的是：是：GTO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，成为和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸管是独立元件结构。下图是元，而普通晶闸管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等效电路及电气符号。的结构示意图、等效电路及电气符号。第44页，共76页，编辑于2022年，星期日 2、GTO的工作原理的工作原理 （1）开通过程）开通过程nGTO也也可可等等效效成成两两个个晶晶体体管管P1N1P2和和N1P2N2互互
34、连连，GTO与与晶晶闸闸管管最最大大区区别别就就是是导导通通后后回回路路增增益益1+2数数值值不不同同，其其中中1和和2分分别别为为P1N1P2和和N1P2N2的的共共基基极极电电流流放放大大倍倍数数。晶晶闸闸管管的的回回路路增增益益1+2常常为为1.15左左右右，而而GTO的的1+2非非常常接接近近1。因因而而GTO处处于于临临界界饱饱和和状状态态。这这为为门门极极负负脉脉冲冲关关断断阳阳极电流提供有利条件。极电流提供有利条件。第45页，共76页，编辑于2022年，星期日 （2）关断过程）关断过程n当当GTO已已处处于于导导通通状状态态时时，对对门门极极加加负负的的关关断断脉脉冲冲，形形成成
35、IG，相相当当于于将将IC1的的电电流流抽抽出出，使使晶晶体体管管N1P2N2的的基基极极电电流流减减小小，使使IC2和和IK随随之之减减小小，IC2减减小小又又使使IA和和IC1减减小小，这这是是一一个个正正反反馈馈过过程程。当当IC2和和IC1的的减减小小使使1+21时时，等等效效晶晶体体管管N1P2N2和和P1N1P2退退出出饱饱和和，GTO不不满满足足维维持持导导通通条条件件，阳极电流下降到零而关断。阳极电流下降到零而关断。n由由于于GTO处处于于临临界界饱饱和和状状态态，用用抽抽走走阳阳极极电电流流的的方方法法破破坏坏临临界界饱饱和和状状态态，能能使使器器件件关关断断。而而晶晶闸闸管
36、管导导通通之之后后，处处于于深深度度饱饱和和状状态态，用用抽抽走走阳阳极极电电流流的的方方法法不不能能使使其关断。其关断。第46页，共76页，编辑于2022年，星期日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 第47页，共76页，编辑于2022年，星期日 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组成组成第48页，共76页，编辑于2022年，星期日 3、GTO的关断特性的关断特性 nGTO的的关关断断过过程程有有三三个个不不同同的的时时间间，即即存存储储时时间间ts、下下降
37、降时时间间tf及及尾尾部部时时间间tt。n存存储储时时间间ts：对对应应着着从从关关断断过过程程开开始始，到到阳阳极极电电流流开开始始下下降降到到90%IA为为止止的的一一段段时间间隔。时间间隔。n下下降降时时间间tf：对对应应着着阳阳极极电电流流迅迅速速下下降降，阳阳极极电电压压不不断断上上升升和和门门极极反反电电压压开始建立的过程。开始建立的过程。n尾尾部部时时间间tt：则则是是指指从从阳阳极极电电流流降降到到极极小小值值时时开开始始，直直到到最最终终达达到到维维持持电电流流为止的时间。为止的时间。第49页，共76页，编辑于2022年，星期日n GTO的关断特性的关断特性(开关电压、电流及
38、门极电流波形开关电压、电流及门极电流波形)第50页，共76页，编辑于2022年，星期日 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（4）维持电流）维持电流n（5）擎住电流）擎住电流第51页，共76页，编辑于2022年，星期日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、高反压晶体管是一种双极型、大功率、高反压晶体管(Bipol
39、ar Junction Transistor-BJT)。GTR和和GTO一样具有自关断能力，属于一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。电流控制型自关断器件。GTR可通过基极电流信号方便地可通过基极电流信号方便地对集电极对集电极-发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。关性能好、电流较大、耐压高等优点。GTR已实现了大功已实现了大功率、模块化、廉价化。率、模块化、廉价化。第52页，共76页，编辑于2022年，星期日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
40、结构构与与小小功功率率晶晶体体管管相相似似，也也有有三三个个电电极极，分分别别为为B(基基极极)、C(集集电电极极)、E(发发射射极极)。GTR属属三三端端三三层层两两结结的的双双极极型型晶晶体体管管，有有两两种种基基本本类类型型，NPN型和型和PNP型。型。GTR的基本结构及电气符号如下图所示。的基本结构及电气符号如下图所示。第53页，共76页，编辑于2022年，星期日n2、功率晶体管的工作原理、功率晶体管的工作原理n以以NPN型型晶晶体体管管为为例例，若若外外电电源源使使UBC0，则则发发射射结结的的PN结结处处于于正正偏偏状状态态。此此时晶体管内部电流分布为：时晶体管内部电流分布为：n（
41、1）由由于于UBC0，发发射射结结处处于于正正偏偏状状态态，P区区的的多多数数载载流流子子空空穴穴不不断断地地向向N区区扩扩散散形形成成空空穴穴电电流流IPE，N区区的的多多数数载载流流子子电电子不断地向子不断地向P区扩散形成电子电流区扩散形成电子电流INE。第54页，共76页，编辑于2022年，星期日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，相当于开关断开。结均承受高反偏电压，相当于开关断开。放大区：放大区：
42、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。饱饱和和区区：特特点点是是e结结和和c结结均均正正偏偏。GTR饱饱和和导导通通，相相当当于于开开关关闭闭合合。GTR作作开开关关时时，其其断断态态工工作作点点须须在在截截止止区区，通态工作点须在饱和区。通态工作点须在饱和区。第55页，共76页，编辑于2022年，星期日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 第56页，共76页，编辑于2022年，星期日 2、GTR的动态（开关）特性的动态（开关）特性 n晶晶体体管管有有线线性性和和开开关关两两种种工工作作方方式式。当当只只需需要要导导通通和和关关断断作作用用时时采采
43、用用开开关关工工作作方方式式。GTR主主要要应应用用于于开开关关工工作作方式。方式。n在在开开关关工工作作方方式式下下，用用一一定定的的正正向向基基极极电电流流IB1去去驱驱动动GTR 导导通通，而而用用另另一一反反向向基基极极电电流流IB2迫迫使使GTR关关断断，由由于于GTR 不不是是理理想想开开关关，故故在在开开关关过过程程中中总总存存在在着着一一定定的的延延时和存储时间。时和存储时间。第57页，共76页，编辑于2022年，星期日GTR的开关响应特性的开关响应特性n延延迟迟时时间间td：加加入入IB1后后一一段段时时间间里里，iC仍仍保保持持为为截截止止状状态态时时的的很很小小电电流流，
44、直到直到iC上升到上升到0.1I CS。n上上升升时时间间tr：iC不不断断上上升升，直直到到iC=ICS，GTR进进入入饱饱和和状状态态。tr指指iC从从0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需要的时间。所需要的时间。nGTR的的开开通通时时间间ton：延延迟迟时时间间td和和上上升升时时间间tr之之和和。即即 ton=td+tr第58页，共76页，编辑于2022年，星期日n当当基基极极电电流流突突然然从从正正向向IB1变变为为反反向向IB2时时，GTR的的集集电电极极电电流流iC并并不不立立即即减减小小，仍保持仍保持ICS，要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t
45、s：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所需的时间。所需的时间。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此此后后，iC继继续续下下降降，一一直直到到接接近近反反向向饱饱和和电电流流为为止止，这这时时BJT完完全全恢恢复复到到截截止止状态。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 第59页，共76页，编辑于2022年，星期日 3、GTR的主要参数的主要参数(简介简介)n(
46、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第60页，共76页，编辑于2022年，星期日1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 n功功率率场场效效应应晶晶体体管管，简简称称P-MOSFET。特特点点是是：属属电电压压全全控控型型器器件件、控控制制极极静静态态内内阻阻极极高高、驱驱动动功功率率很很小小、工工作作频频率率高高、热热稳稳定定性性优优良良、无无二
47、二次次击击穿穿、安安全全工工作作区区宽宽和和跨跨导导线线性性度度高高等等。但但P-MOSFET的的电电流流容容量量小小、耐压低、功率不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。耐压低、功率不易做得过大。常用于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。第61页，共76页，编辑于2022年，星期日1.5.1 P-MOSFET的结构和工作
48、原理的结构和工作原理1、P-MOSFET的结构的结构nP-MOSFET和和小小功功率率MOS管管导导电电机机理理相相同同，但但在在结结构构上上有有较较大大的的区区别别。小小功功率率MOS管管是是一一次次扩扩散散形形成成的的器器件件，其其栅栅极极G、源源极极S和和漏漏极极D在在芯芯片片的的同同一一侧侧。而而P-MOSFET主主要要采采用用立立式式结结构构，其其三三个个外外引引电电极极与与小小功功率率MOS管管相相同同，为为栅栅极极G、源源极极S和和漏漏极极D，但但不不在在芯芯片片的的同同一一侧侧。功功率率场场效效应应管管的的导导电电沟沟道道分分为为N沟沟道道和和P沟沟道道，栅栅偏偏压压为为零零时
49、时漏漏源源极极之之间间就就存存在在导导电电沟沟道道的的称称为为耗耗尽尽型型，栅栅偏偏压压大大于于零零（N沟沟道道）才才存存在在导导电电沟道的称为增强型。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。第62页，共76页，编辑于2022年，星期日P-MOSFETP-MOSFET的结构示意图的结构示意图的结构示意图的结构示意图P-MOSFETP-MOSFET的电气符号的电气符号的电气符号的电气符号第63页，共76页，编辑于2022年，星期日n上上图图是是P-MOSFET的的电电气气图图形形符符号号，图图a表表示示N沟沟道道功功率率场场效效应应
50、管管，电电子子流出源极；图流出源极；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从从结结构构上上看看，P-MOSFET还还含含有有一一个个寄寄生生二二极极管管，该该寄寄生生二二极极管管的的阳阳极极和和阴阴极极就就是是功功率率MOSFET的的S极极和和D极极，它它是是与与MOSFET不不可可分分割割的的整整体体，使使P-MOSFET无反向阻断能力。图中所示虚线为寄生二极管。无反向阻断能力。图中所示虚线为寄生二极管。第64页，共76页，编辑于2022年，星期日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