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1、电力电子技术教案第1章 电力力电子器器件主要内容容：各种种二极管管、半控控型器件件-晶闸闸管的结结构、工作原原理、伏安特特性、主要静静态、动动态参数数，器件件的选取取原则，典典型全控控型器件件：GTTO、电电力MOOSFEET、IGBBT，功功率集成成电路和和智能功功率模块块，电力力电子器器件的串串并联、电电力电子子器件的的保护，电电力电子子器件的的驱动电电路。重点：晶晶闸管的的结构、工作原原理、伏安特特性、主要静静态、动动态参数数，器件的的选取原原则，典典型全控控型器件件。难点：晶晶闸管的的结构、工作原原理、伏安特特性、主要静静态、动动态参数数。基本要求求：掌握握半控型型器件-晶闸管管的结构
2、构、工作原原理、伏安特特性、主要静静态、动动态参数数，熟练练掌握器器件的选选取原则则，掌握握典型全全控型器器件，了了解电力力电子器器件的串串并联，了了解电力力电子器器件的保保护。1电力电电子器件件概述(1)电电力电子子器件的的概念和和特征主电路（main power circuit）-电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路；电力电子子器件（power electronic device）-可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件；广义上电电力电子子器件可可分为电电真空器器件和半半导体器器件两类类。两类中，自自20世纪纪50年代代以来，真真空管仅仅在频率率很
3、高（如如微波）的的大功率率高频电电源中还还在使用用，而电电力半导导体器件件已取代代了汞弧弧整流器器（Meercuury Arcc Reectiifieer）、闸闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。电力半导导体器件件所采用用的主要要材料仍仍然是硅硅。同处理信信息的电电子器件件相比，电电力电子子器件的的一般特特征：a.能处处理电功功率的大大小，即即承受电电压和电电流的能能力，是是最重要要的参数数；其处理电电功率的的能力小小至毫瓦瓦级，大大至兆瓦瓦级，大大多都远远大于处处理信息息的电子子器件。b.电力力电子器器件一般般都工作作在开关
4、关状态；导通时（通通态）阻阻抗很小小，接近近于短路路，管压压降接近近于零，而而电流由由外电路路决定；阻断时（断断态）阻阻抗很大大，接近近于断路路，电流流几乎为为零，而而管子两两端电压压由外电电路决定定；电力电子子器件的的动态特特性（也也就是开开关特性性）和参参数，也也是电力力电子器器件特性性很重要要的方面面，有些些时候甚甚至上升升为第一一位的重重要问题题。作电路分分析时，为为简单起起见往往往用理想想开关来来代替c.实用用中，电电力电子子器件往往往需要要由信息息电子电电路来控控制。在主电路路和控制制电路之之间，需需要一定定的中间间电路对对控制电电路的信信号进行行放大，这这就是电电力电子子器件的的
5、驱动电电路。d.为保保证不致致于因损损耗散发发的热量量导致器器件温度度过高而而损坏，不不仅在器器件封装装上讲究究散热设设计，在在其工作作时一般般都要安安装散热热器。导通时器器件上有有一定的的通态压压降，形形成通态态损耗阻断时器器件上有有微小的的断态漏漏电流流流过，形形成断态态损耗在器件开开通或关关断的转转换过程程中产生生开通损损耗和关关断损耗耗，总称称开关损损耗对某些器器件来讲讲，驱动动电路向向其注入入的功率率也是造造成器件件发热的的原因之之一通常电力力电子器器件的断断态漏电电流极小小，因而而通态损损耗是器器件功率率损耗的的主要成成因器件开关关频率较较高时，开开关损耗耗会随之之增大而而可能成成
6、为器件件功率损损耗的主主要因素素(2)应应用电力力电子器器件的系系统组成成电力电子子系统：由控制制电路、驱驱动电路路和以电电力电子子器件为为核心的的主电路路组成。控制电路路按系统统的工作作要求形形成控制制信号，通通过驱动动电路去去控制主主电路中中电力电电子器件件的通或或断，来来完成整整个系统统的功能能。有的电力力电子系系统中，还还需要有有检测电电路。广广义上往往往其和和驱动电电路等主主电路之之外的电电路都归归为控制制电路，从从而粗略略地说电电力电子子系统是是由主电电路和控控制电路路组成的的。主电路中中的电压压和电流流一般都都较大，而而控制电电路的元元器件只只能承受受较小的的电压和和电流，因因此
7、在主主电路和和控制电电路连接接的路径径上，如如驱动电电路与主主电路的的连接处处，或者者驱动电电路与控控制信号号的连接接处，以以及主电电路与检检测电路路的连接接处，一一般需要要进行电电气隔离离，而通通过其它它手段如如光、磁磁等来传传递信号号。由于主电电路中往往往有电电压和电电流的过过冲，而而电力电电子器件件一般比比主电路路中普通通的元器器件要昂昂贵，但但承受过过电压和和过电流流的能力力却要差差一些，因因此，在在主电路路和控制制电路中中附加一一些保护护电路，以以保证电电力电子子器件和和整个电电力电子子系统正正常可靠靠运行，也也往往是是非常必必要的。器件一般般有三个个端子（或或称极），其其中两个个联
8、结在在主电路路中，而而第三端端被称为为控制端端（或控控制极）。器器件通断断是通过过在其控控制端和和一个主主电路端端子之间间加一定定的信号号来控制制的，这这个主电电路端子子是驱动动电路和和主电路路的公共共端，一一般是主主电路电电流流出出器件的的端子。(3)电电力电子子器件的的分类按照器件件能够被被控制电电路信号号所控制制的程度度，分为为以下三三类：a.半控控型器件件-通过过控制信信号可以以控制其其导通而而不能控控制其关关断晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关关断由其其在主电电路中承承受的电电压和电电流决定定b.全控控型器件件-通过过控制信信号既可可控制其其导通又又可控制制其关断
9、断，又称称自关断断器件是绝缘栅栅双极晶晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor-IGBT）电力场效效应晶体体管（PPoweer MMOSFFET，简简称为电电力MOOSFEET）门极可关关断晶闸闸管（GGatee-Tuurn-Offf Thhyriistoor-GTOO）c.不可可控器件件-不能能用控制制信号来来控制其其通断，因因此也就就不需要要驱动电电路电力二极极管（PPoweer DDiodde）只有两个个端子，器器件的通通和断是是由其在在主电路路中承受受的电压压和电流流决定的的按照驱动动电路加加在器件件控制端端和公共共端之间间信号的的性质，分分为两类类：
10、电流驱动动型-通过从从控制端端注入或或者抽出出电流来来实现导导通或者者关断的的控制电压驱动动型-仅通过过在控制制端和公公共端之之间施加加一定的的电压信信号就可可实现导导通或者者关断的的控制电压驱动动型器件件实际上上是通过过加在控控制端上上的电压压在器件件的两个个主电路路端子之之间产生生可控的的电场来来改变流流过器件件的电流流大小和和通断状状态，所所以又称称为场控控器件，或或场效应应器件按照器件件内部电电子和空空穴两种种载流子子参与导导电的情情况分为为三类：单极型器器件-由一种种载流子子参与导导电的器器件双极型器器件-由电子子和空穴穴两种载载流子参参与导电电的器件件复合型器器件-由单极极型器件件
11、和双极极型器件件集成混混合而成成的器件件2 不可可控器件件-电力力二极管管 Powwer Dioode结结构和原原理简单单，工作作可靠，自自20世纪纪50年代代初期就就获得应应用快恢复二二极管和和肖特基基二极管管，分别别在中、高高频整流流和逆变变，以及及低压高高频整流流的场合合，具有有不可替替代的地地位（1） PN结结与电力力二极管管的工作作原理基本结构构和工作作原理与与信息电电子电路路中的二二极管一一样以半导体体PN结为为基础由一个面面积较大大的PNN结和两两端引线线以及封封装组成成的从外形上上看，主主要有螺螺栓型和和平板型型两种封封装图1-11电力二二极管的的外形、结结构和电电气图形形符号
12、a) 外外形 bb) 结结构 cc) 电电气图形形符号PN结的的反向截截止状态态，PNN结的单单向导电电性；PN结的的反向击击穿：有雪崩击击穿和齐齐纳击穿穿两种形形式，可可能导致致热击穿穿。PN结的的电容效效应：PN结的的电荷量量随外加加电压而而变化，呈呈现电容容效应，称称为结电电容CJJ，又称称为微分分电容。结结电容按按其产生生机制和和作用的的差别分分为势垒垒电容CCB和扩扩散电容容CD势垒电容容只在外外加电压压变化时时才起作作用，外外加电压压频率越越高，势势垒电容容作用越越明显。势势垒电容容的大小小与PNN结截面面积成正正比，与与阻挡层层厚度成成反比而扩散电电容仅在在正向偏偏置时起起作用。
13、在在正向偏偏置时，当当正向电电压较低低时，势势垒电容容为主正正向电压压较高时时，扩散散电容为为结电容容主要成成分结电容影影响PNN结的工工作频率率，特别别是在高高速开关关的状态态下，可可能使其其单向导导电性变变差，甚甚至不能能工作，应应用时应应加以注注意。造成电力力二极管管和信息息电子电电路中的的普通二二极管区区别的一一些因素素：正向导通通时要流流过很大大的电流流，其电电流密度度较大，因因而额外外载流子子的注入入水平较较高，电电导调制制效应不不能忽略略引线和焊焊接电阻阻的压降降等都有有明显的的影响承受的电电流变化化率dii/dtt较大，因因而其引引线和器器件自身身的电感感效应也也会有较较大影响
14、响为了提高高反向耐耐压，其其掺杂浓浓度低也也造成正正向压降降较大（2）电电力二极极管的基基本特性性a 静静态特性性主要指其其伏安特特性当电力二二极管承承受的正正向电压压大到一一定值（门门槛电压压UTO），正正向电流流才开始始明显增增加，处处于稳定定导通状状态。与与正向电电流IF对应的的电力二二极管两两端的电电压UF即为其其正向电电压降。当当电力二二极管承承受反向向电压时时，只有有少子引引起的微微小而数数值恒定定的反向向漏电流流。b 动态态特性动态特性性-因结结电容的的存在，三三种状态态之间的的转换必必然有一一个过渡渡过程，此此过程中中的电压压-电流特特性是随随时间变变化的开关特性性-反映映通态
15、和和断态之之间的转转换过程程关断过程程：须经过一一段短暂暂的时间间才能重重新获得得反向阻阻断能力力，进入入截止状状态在关断之之前有较较大的反反向电流流出现，并并伴随有有明显的的反向电电压过冲冲图1-2 反向恢复过程中电流和电压波形(3)电电力二极极管的主主要参数数a. 正正向平均均电流IIF(AAV)额定电流流-在指指定的管管壳温度度（简称称壳温，用用TC表示示）和散散热条件件下，其其允许流流过的最最大工频频正弦半半波电流流的平均均值正向平均均电流是是按照电电流的发发热效应应来定义义的，因因此使用用时应按按有效值值相等的的原则来来选取电电流定额额，并应应留有一一定的裕裕量。当用在频频率较高高的
16、场合合时，开开关损耗耗造成的的发热往往往不能能忽略当采用反反向漏电电流较大大的电力力二极管管时，其其断态损损耗造成成的发热热效应也也不小b. 正正向压降降UF指电力二二极管在在指定温温度下，流流过某一一指定的的稳态正正向电流流时对应应的正向向压降有时参数数表中也也给出在在指定温温度下流流过某一一瞬态正正向大电电流时器器件的最最大瞬时时正向压压降c. 反反向重复复峰值电电压URRRM指对电力力二极管管所能重重复施加加的反向向最高峰峰值电压压通常是其其雪崩击击穿电压压UB的2/33使用时，往往往按照照电路中中电力二二极管可可能承受受的反向向最高峰峰值电压压的两倍倍来选定定d. 最最高工作作结温TT
17、JM结温是指指管芯PPN结的的平均温温度，用用TJ表示示最高工作作结温是是指在PPN结不不致损坏坏的前提提下所能能承受的的最高平平均温度度 TJMM通常在在12551775C范围之之内e. 反反向恢复复时间ttrrtrr= tdd+ ttf ，关关断过程程中，电电流降到到0起到恢恢复反响响阻断能能力止的的时间f. 浪浪涌电流流IFSSM指电力二二极管所所能承受受最大的的连续一一个或几几个工频频周期的的过电流流。(4)电电力二极极管的主主要类型型按照正向向压降、反反向耐压压、反向向漏电流流等性能能，特别别是反向向恢复特特性的不不同介绍绍在应用时时，应根根据不同同场合的的不同要要求，选选择不同同类
18、型的的电力二二极管性能上的的不同是是由半导导体物理理结构和和工艺上上的差别别造成的的a. 普普通二极极管（GGeneerall Puurpoose Dioode）又称整流流二极管管（Reectiifieer DDiodde）多用于开开关频率率不高（1kHz以下）的整流电路中其反向恢恢复时间间较长，一一般在55s以上上，这在在开关频频率不高高时并不不重要正向电流流定额和和反向电电压定额额可以达达到很高高，分别别可达数数千安和和数千伏伏以上b. 快快恢复二二极管（Fast Recovery Diode-FRD）恢复过程程很短特特别是反反向恢复复过程很很短（55s以下下）的二二极管，也也简称快快速二
19、极极管工艺上多多采用了了掺金措措施有的采用用PN结型型结构有的采用用改进的的PiNN结构采用外延延型PiiN结构构的的快快恢复外外延二极极管（FFastt Reecovveryy Eppitaaxiaal DDioddes-FRRED），其其反向恢恢复时间间更短（可可低于550nss），正正向压降降也很低低（0.9V左左右），但但其反向向耐压多多在4000V以以下从性能上上可分为为快速恢恢复和超超快速恢恢复两个个等级。前前者反向向恢复时时间为数数百纳秒秒或更长长，后者者则在1100nns以下下，甚至至达到220330nss。图1-3 快速整流二极管的正向恢复特性a） 管压降随时间变化的曲线 b
20、) 二极管开通电流波形c. 肖肖特基二二极管以金属和和半导体体接触形形成的势势垒为基基础的二二极管称称为肖特特基势垒垒二极管管（Scchotttkyy Baarriier Dioode-SBBD），简简称为肖肖特基二二极管20世纪纪80年代代以来，由由于工艺艺的发展展得以在在电力电电子电路路中广泛泛应用肖特基二二极管的的优点：反向恢复复时间很很短（110440nss）；正向恢复复过程中中也不会会有明显显的电压压过冲；在反向耐耐压较低低的情况况下其正正向压降降也很小小，明显显低于快快恢复二二极管；其开关损损耗和正正向导通通损耗都都比快速速二极管管还要小小，效率率高。肖特基二二极管的的弱点：当反向
21、耐耐压提高高时其正正向压降降也会高高得不能能满足要要求，因因此多用用于2000V以以下；反向漏电电流较大大且对温温度敏感感，因此此反向稳稳态损耗耗不能忽忽略，而而且必须须更严格格地限制制其工作作温度。3 半半控型器器件-晶闸管管基本要求求：掌握握半控型型器件-晶闸管管的结构构、工作作原理、伏伏安特性性、主要要静态、动动态参数数，熟练练掌握器器件的选选取原则则。重点：晶晶闸管的的结构、工工作原理理、伏安安特性、主主要静态态、动态态参数，器器件的选选取原则则。难点：晶晶闸管的的结构、工工作原理理、伏安安特性、主主要静态态、动态态参数。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Sili
22、con Controlled Rectifier-SCR） 19556年美美国贝尔尔实验室室（Beell Labboraatorriess）发明明了晶闸闸管 19557年美美国通用用电气公公司（GGeneerall Ellecttricc Coompaany）开开发出第第一只晶晶闸管产产品 19558年商商业化开辟了电电力电子子技术迅迅速发展展和广泛泛应用的的崭新时时代 20世世纪800年代以以来，开开始被性性能更好好的全控控型器件件取代能承受的的电压和和电流容容量最高高，工作作可靠，在在大容量量的场合合具有重重要地位位晶闸管往往往专指指晶闸管管的一种种基本类类型-普通晶晶闸管广义上讲讲，晶闸
23、闸管还包包括其许许多类型型的派生生器件(1)晶晶闸管的的结构与与工作原原理图1-4 晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形a) 晶闸管外形 b) 内部结构 c) 电气图形符号 d) 模块外形外形有螺螺栓型和和平板型型两种封封装引出阳极极A、阴极极K和门极极（控制制端）GG三个联联接端对于螺栓栓型封装装，通常常螺栓是是其阳极极，能与与散热器器紧密联联接且安安装方便便平板型封封装的晶晶闸管可可由两个个散热器器将其夹夹在中间间Ic1=1 IA + ICBBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBBO2 （1-22）IK=IIA+IG （1-3）IA=IIC1+IIC2 （1-4）图1-5
24、 晶闸管工作条件的实验电路图1-6 晶闸管的双晶体管模型式中11和2分别别是晶体体管V11和V2的共共基极电电流增益益；ICCBO11和ICBBO2分分别是VV1和V2的共共基极漏漏电流。晶体管的的特性是是：在低低发射极极电流下下是很小小的，而而当发射射极电流流建立起起来之后后，迅速增增大。阻断状态态：IG=0，1+2很很小。流流过晶闸闸管的漏漏电流稍稍大于两两个晶体体管漏电电流之和和开通（门门极触发发）：注注入触发发电流使使晶体管管的发射射极电流流增大以以致11+22趋近于于1的话，流流过晶闸闸管的电电流IA（阳极极电流）将将趋近于于无穷大大，实现现饱和导导通。IIA实际由由外电路路决定。其
25、他几种种可能导导通的情情况：阳极电压压升高至至相当高高的数值值造成雪雪崩效应应阳极电压压上升率率du/dt过过高结温较高高光直接照照射硅片片，即光光触发光触发可可以保证证控制电电路与主主电路之之间的良良好绝缘缘而应用用于高压压电力设设备中之之外，其其它都因因不易控控制而难难以应用用于实践践，称为为光控晶晶闸管（Light Triggered Thyristor-LTT）只有门极极触发（包包括光触触发）是是最精确确、迅速速而可靠靠的控制制手段（2 ）晶晶闸管的的基本特特性a. 静静态特性性：承受反向向电压时时，不论论门极是是否有触触发电流流，晶闸闸管都不不会导通通；承受正向向电压时时，仅在在门极
26、有有触发电电流的情情况下晶晶闸管才才能开通通；晶闸管一一旦导通通，门极极就失去去控制作作用；要使晶闸闸管关断断，只能能使晶闸闸管的电电流降到到接近于于零的某某一数值值以下。晶闸管的的伏安特特性：第I象限限的是正正向特性性；第IIII象限的的是反向向特性； IG=0时，器器件两端端施加正正向电压压，正向向阻断状状态，只只有很小小的正向向漏电流流流过，正正向电压压超过临临界极限限即正向向转折电电压Ubo，则则漏电流流急剧增增大，器器件开通通；随着门极极电流幅幅值的增增大，正正向转折折电压降降低；导通后的的晶闸管管特性和和二极管管的正向向特性相相仿；晶闸管本本身的压压降很小小，在11V左右右；导通期
27、间间，如果果门极电电流为零零，并且且阳极电电流降至至接近于于零的某某一数值值IH以下下，则晶晶闸管又又回到正正向阻断断状态。IH称为维持电流。晶闸管上上施加反反向电压压时，伏伏安特性性类似二二极管的的反向特特性。图1-7 晶闸管的伏安特性IG2 IG1 IG晶闸管的的门极触触发电流流从门极极流入晶晶闸管，从从阴极流流出，阴极是晶晶闸管主主电路与与控制电电路的公公共端，。门极触发发电流也也往往是是通过触触发电路路在门极极和阴极极之间施施加触发发电压而而产生的的。晶闸管的的门极和和阴极之之间是PPN结J3，其伏伏安特性性称为门门极伏安安特性。为为保证可可靠、安安全的触触发，触触发电路路所提供供的触
28、发发电压、电电流和功功率应限限制在可可靠触发发区。b. 动动态特性性图1-8 晶闸管的动态过程及相应的损耗1) 开开通过程程延迟时间间td：门极极电流阶阶跃时刻刻开始，到到阳极电电流上升升到稳态态值的110%的的时间；上升时间间tr：阳极极电流从从10%上升到到稳态值值的900%所需需的时间间；开通时间间tgt：以以上两者者之和，tgt= td + tr（1-6）普通晶闸闸管延迟迟时间为为0.55-1.5ss，上升升时间为为0.55-3s。2) 关关断过程程反向阻断断恢复时时间trr：正正向电流流降为零零到反向向恢复电电流衰减减至接近近于零的的时间；正向阻断断恢复时时间tgr：晶晶闸管要要恢复
29、其其对正向向电压的的阻断能能力还需需要一段段时间；在正向阻阻断恢复复时间内内如果重重新对晶晶闸管施施加正向向电压，晶晶闸管会会重新正正向导通通；实际应用用中，应应对晶闸闸管施加加足够长长时间的的反向电电压，使使晶闸管管充分恢恢复其对对正向电电压的阻阻断能力力，电路路才能可可靠工作作。关断时间间tq：trr与tgr之和和，即 tq=trrr+tgrr（1-77）普通晶闸闸管的关关断时间间约几百百微秒。(3)晶晶闸管的的主要参参数a. 电电压定额额1) 断断态重复复峰值电电压UDRMM在门极断断路而结结温为额额定值时时，允许许重复加加在器件件上的正正向峰值值电压。2) 反反向重复复峰值电电压URR
30、MM在门极断断路而结结温为额额定值时时，允许许重复加加在器件件上的反反向峰值值电压。3) 通通态（峰峰值）电电压UTM晶闸管通通以某一一规定倍倍数的额额定通态态平均电电流时的的瞬态峰峰值电压压。通常取晶晶闸管的的UDRMM和URRMM中较小小的标值值作为该该器件的的额定电电压。选选用时，额额定电压压要留有有一定裕裕量，一一般取额额定电压压为正常常工作时时晶闸管管所承受受峰值电电压的223倍倍，b. 电电流定额额1) 通通态平均均电流IIT(AAV)（额额定电流流）晶闸管在在环境温温度为440(CC和规定定的冷却却状态下下，稳定定结温不不超过额额定结温温时所允允许流过过的最大大工频正正弦半波波电
31、流的的平均值值。使用时应应按实际际电流与与通态平平均电流流有效值值相等的的原则来来选取晶晶闸管应留一定定的裕量量，一般般取1.5-22倍正弦半波波电流平平均值IIT (AV)、电流流有效值值IT 和电电流最大大值Im三者的的关系为为：（1.11）（1.22）各种有直直流分量量的电流流波形，其其电流波波形的有有效值II与平均均值Id之比，称称为这个个电流的的波形系系数，用用K f表示。因因此，在在正弦半半波情况况下电流流波形系系数为：（1.33）所以，晶晶闸管在在流过任任意波形形电流并并考虑了了安全裕裕量情况况下的额额定电流流IT(AAV) 的计算算公式为为：（1.44）在使用中中还应注注意，当
32、当晶闸管管散热条条件不满满足规定定要求时时，则元元件的额额定电流流应立即即降低使使用，否否则元件件会由于于结温超超过允许许值而损损坏。2) 维维持电流流IH使晶闸管管维持导导通所必必需的最最小电流流一般为几几十到几几百毫安安，与结结温有关关，结温温越高，则则IH越小3) 擎擎住电流流IL晶闸管刚刚从断态态转入通通态并移移除触发发信号后后，能维维持导通通所需的的最小电电流对同一晶晶闸管来来说，通通常ILL约为IHH的244倍4) 浪浪涌电流流ITSMM指由于电电路异常常情况引引起的并并使结温温超过额额定结温温的不重重复性最最大正向向过载电电流c. 动动态参数数除开通时时间tgt和关关断时间间tq
33、外，还还有：a.）断断态电压压临界上上升率ddu/ddt指在额定定结温和和门极开开路的情情况下，不不导致晶晶闸管从从断态到到通态转转换的外外加电压压最大上上升率在阻断的的晶闸管管两端施施加的电电压具有有正向的的上升率率时，相相当于一一个电容容的J22结会有有充电电电流流过过，被称称为位移移电流。此此电流流流经J33结时，起起到类似似门极触触发电流流的作用用。如果果电压上上升率过过大，使使充电电电流足够够大，就就会使晶晶闸管误误导通b.）通通态电流流临界上上升率ddi/ddt指在规定定条件下下，晶闸闸管能承承受而无无有害影影响的最最大通态态电流上上升率如果电流流上升太太快，则则晶闸管管刚一开开通
34、，便便会有很很大的电电流集中中在门极极附近的的小区域域内，从从而造成成局部过过热而使使晶闸管管损坏(4)晶晶闸管的的派生器器件a. 快快速晶闸闸管（FFastt Swwitcchinng TThyrristtor-FSST）包括所有有专为快快速应用用而设计计的晶闸闸管，有有快速晶晶闸管和和高频晶晶闸管管芯结构构和制造造工艺进进行了改改进，开开关时间间以及ddu/ddt和di/dt耐耐量都有有明显改改善普通晶闸闸管关断断时间数数百微秒秒，快速速晶闸管管数十微微秒，高高频晶闸闸管100s左左右高频晶闸闸管的不不足在于于其电压压和电流流定额都都不易做做高由于工作作频率较较高，选选择通态态平均电电流时
35、不不能忽略略其开关关损耗的的发热效效应b. 双双向晶闸闸管（TTrioode AC Swiitchh-TTRIAAC或Biddireectiionaal ttrioode thyyrisstorr）图1-9 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a）电气图形符号 b) 伏安特性可认为是是一对反反并联联联接的普普通晶闸闸管的集集成有两个主主电极TT1和T2，一一个门极极G正反两方方向均可可触发导导通，所所以双向向晶闸管管在第和第IIII象象限有对对称的伏伏安特性性与一对反反并联晶晶闸管相相比是经经济的，且且控制电电路简单单，在交交流调压压电路、固固态继电电器（SSoliid SStatte RRel
36、aay-SSRR）和交交流电机机调速等等领域应应用较多多通常用在在交流电电路中，因因此不用用平均值值而用有有效值来来表示其其额定电电流值。c. 逆逆导晶闸闸管（RReveersee Coonduuctiing Thyyrisstorr-RRCT）将晶闸管管反并联联一个二二极管制制作在同同一管芯芯上的功功率集成成器件具有正向向压降小小、关断断时间短短、高温温特性好好、额定定结温高高等优点点逆导晶闸闸管的额额定电流流有两个个，一个个是晶闸闸管电流流，一个个是反并并联二极极管的电电流图1-10 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a） 电气图形符号 b) 伏安特性图1-11 光控晶闸管的电气图形符号和
37、伏安特性a） 电气图形符号 b) 伏安特性d. 光光控晶闸闸管（LLighht TTrigggerred Thyyrisstorr-LLTT）又称光触触发晶闸闸管，是是利用一一定波长长的光照照信号触触发导通通的晶闸闸管小功率光光控晶闸闸管只有有阳极和和阴极两两个端子子大功率光光控晶闸闸管则还还带有光光缆，光光缆上装装有作为为触发光光源的发发光二极极管或半半导体激激光器光触发保保证了主主电路与与控制电电路之间间的绝缘缘，且可可避免电电磁干扰扰的影响响，因此此目前在在高压大大功率的的场合，如如高压直直流输电电和高压压核聚变变装置中中，占据据重要的的地位。4 典型型全控型型器件基本要求求：掌握握典型
38、全全控型器器件重点：典典型全控控型器件件门极可关关断晶闸闸管在晶闸闸管问世世后不久久出现。 20世世纪800年代以以来，信信息电子子技术与与电力电电子技术术在各自自发展的的基础上上相结合合高频频化、全全控型、采采用集成成电路制制造工艺艺的电力力电子器器件，从从而将电电力电子子技术又又带入了了一个崭崭新时代代典型代表表门极极可关断断晶闸管管、电力力晶体管管、电力力场效应应晶体管管、绝缘缘栅双极极晶体管管(1)门门极可关关断晶闸闸管门极可关关断晶闸闸管（GGatee-Tuurn-Offf ThhyriistoorGTOO）晶闸管的的一种派派生器件件可以通过过在门极极施加负负的脉冲冲电流使使其关断断
39、 GTOO的电压压、电流流容量较较大，与与普通晶晶闸管接接近，因因而在兆兆瓦级以以上的大大功率场场合仍有有较多的的应用（2）电电力晶体体管电力晶体体管（GGiannt TTrannsisstorrGGTR，直直译为巨巨型晶体体管）耐高电压压、大电电流的双双极结型型晶体管管（Biipollar Junnctiion TraansiistoorBJTT），英英文有时时候也称称为Poowerr BJJT，在在电力电电子技术术的范围围内，GGTR与与BJTT这两个个名称等等效。应用：20世纪纪80年代代以来，在在中、小小功率范范围内取取代晶闸闸管，但但目前又又大多被被IGBBT和电电力MOOSFEET
40、取代代；a. GGTR的的结构和和工作原原理与普通的的双极结结型晶体体管基本本原理是是一样的的主要特性性是耐压压高、电电流大、开开关特性性好通常采用用至少由由两个晶晶体管按按达林顿顿接法组组成的单单元结构构采用集成成电路工工艺将许许多这种种单元并并联而成成一般采用用共发射射极接法法，集电电极电流流ic与基基极电流流ib之比比为 （11-9）( GTRR的电流流放大系系数，反反映了基基极电流流对集电电极电流流的控制制能力)当考虑到到集电极极和发射射极间的的漏电流流Iceeo时，icc和ib的关关系为ic=ib +IIceoo （1-10）产品说明明书中通通常给直直流电流流增益hhFE在直流流工作
41、情情况下集集电极电电流与基基极电流流之比。一一般可认认为hFFE单管GTTR的值值比小功功率的晶晶体管小小得多，通通常为110左右右，采用用达林顿顿接法可可有效增增大电流流增益b. GGTR的的基本特特性图1.12 共发射极接法时GTR的静态特性(1) 静态特特性共发射极极接法时时的典型型输出特特性：截截止区、放放大区和和饱和区区在电力电电子电路路中GTTR工作作在开关关状态，即即工作在在截止区区或饱和和区在开关过过程中，即即在截止止区和饱饱和区之之间过渡渡时，要要经过放放大区(2) 动态特特性开通过程程图1.13 GTR的开通和关断过程电流波形延迟时间间td和上上升时间间tr，二二者之和和为
42、开通通时间ttontd主要要是由发发射结势势垒电容容和集电电结势垒垒电容充充电产生生的。增增大ibb的幅值值并增大大dibb/dtt，可缩缩短延迟迟时间，同同时可缩缩短上升升时间，从从而加快快开通过过程关断过程程储存时间间ts和下下降时间间tf，二二者之和和为关断断时间ttofffts是用用来除去去饱和导导通时储储存在基基区的载载流子的的，是关关断时间间的主要要部分减小导通通时的饱饱和深度度以减小小储存的的载流子子，或者者增大基基极抽取取负电流流Ib22的幅值值和负偏偏压，可可缩短储储存时间间，从而而加快关关断速度度负面作用用是会使使集电极极和发射射极间的的饱和导导通压降降Ucees增加加，从
43、而而增大通通态损耗耗 GTRR的开关关时间在在几微秒秒以内，比比晶闸管管和GTTO都短短很多c. GGTR的的主要参参数前已述及及：电流流放大倍倍数(、直流流电流增增益hFFE、集集射极间间漏电流流Iceeo、集集射极间间饱和压压降Ucces、开开通时间间tonn和关断断时间ttofff此外还有有：1) 最最高工作作电压GTR上上电压超超过规定定值时会会发生击击穿击穿电压压不仅和和晶体管管本身特特性有关关，还与与外电路路接法有有关BUcbbo BUccex BUUcess BBUceer BUcceo实际使用用时，为为确保安安全，最最高工作作电压要要比BUUceoo低得多多2) 集集电极最最大
44、允许许电流IIcM通常规定定为hFFE下降降到规定定值的11/21/33时所对对应的IIc实际使用用时要留留有裕量量，只能能用到IIcM的一一半或稍稍多一点点3) 集集电极最最大耗散散功率PPcM最高工作作温度下下允许的的耗散功功率产品说明明书中给给PcM时同同时给出出壳温TTC，间接接表示了了最高工工作温度度d. GGTR的的二次击击穿现象象与安全全工作区区一次击穿穿：集电极电电压升高高至击穿穿电压时时，Icc迅速增增大，出出现雪崩崩击穿；只要Icc不超过过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿穿：一次击穿穿发生时时Ic增大大到某个个临界点点时会突突然急剧剧上升，并并伴随电电压的
45、陡陡然下降降，常常立即即导致器器件的永永久损坏坏，或者者工作特特性明显显衰变。安全工作作区（SSafee Opperaatinng AAreaaSSOA）最高电压压UceeM、集集电极最最大电流流IcMM、最大大耗散功功率PccM、二二次击穿穿临界线线限定。图1-114 GTTR的安安全工作作区(3)电电力场效效应晶体体管也分为结结型和绝绝缘栅型型（类似似小功率率Fieeld Efffectt TrranssisttorFEET）但通常主主要指绝绝缘栅型型中的MMOS型型（Meetall Oxxidee Seemiccondducttor FETT）简称电力力MOSSFETT（Powwer MOSSFETT）结型电力力场效应应晶体管管一般称称作静电电感应晶晶体管（Static Induction TransistorSIT）特点用栅极极电压来来控制漏漏极电流流驱动电路路简单，需需要的驱驱动功率率小开关速度度快，工工作频率率高热稳定性性优于GGTR电流容量量小，耐耐压低，一一般只适适用于功功率不超超过100kW的的电力电电子装置置a. 电电力MOOSFEET的结结构和工工作原理理电力MOOSFEET的种种类按导电沟沟道可分分为P沟道和和N沟道耗尽型当栅栅极电压压为零时时漏源极极之间就就存在导导电沟道道增强型对于于N（P