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1、电力电子课件-第1章电力电子器件概要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、元件结构、元件结构 2、工作原理、工作原理v由于由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个结具有单向导电性，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。正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。1.1.2 功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性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（额定电流）、正向平均电流（额定电流）v指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期通指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长
2、期通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。是这个电流。2、正向压降（管压降）、正向压降（管压降）v是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。向压降。3、反向重复峰值电压（额定电压）、反向重复峰值电压（额定电压）v反向重复峰值电压是功率二极管能重复施加的反向最高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反向重复峰值电压。受的反向峰
3、值电压的两倍来选择反向重复峰值电压。4 4、反向恢复时间、反向恢复时间v反向恢复时间是指功率二极管从正向电流降至零起到恢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。复反向阻断能力为止的时间。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 1、功率二极管的型号、功率二极管的型号 2.2.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）选择额定正向平均电流IdD的原则的原则v在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流定电流IdD对应的有效值对应的有效值IDM大于管子在电路中实际大于
4、管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值可能通过的最大电流有效值ID即可。考虑元件的过即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有载能力，实际选择时应有1.52倍的安全裕量。计倍的安全裕量。计算公式为：算公式为：（2）选择额定电压的原则）选择额定电压的原则v选择功率二极管的反向重复峰值电压等级（额定电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最大反向瞬时值电压 的的23倍，即倍，即1.2 晶闸管晶闸管v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
5、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（LATT）等。）等。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v具有四层具有四层PNPN结构、三端引出线结构、三端引出线(A
6、、K、G)的器件。常的器件。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。见的外形有两种：螺栓型和平板型。v2 2、结构和图形符号、结构和图形符号 1.2.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 1 1、晶闸管的导通、关断实验、晶闸管的导通、关断实验v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、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、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触发电路）。发电路）。（a）(b)(c)实验实验顺序顺序实验前实验前灯的情灯的情况况实验时晶闸管条件实验时晶闸管条件实验后实验后灯的情灯的情况况结论结论阳极电压阳
7、极电压U UA A门极电压门极电压U UG G导导通通实实验验1 1暗暗反向反向反向反向暗暗晶闸管在反向阳极电压作用晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何电压，它下，不论门极为何电压，它都处于关断状态。都处于关断状态。2 2暗暗反向反向零零暗暗3 3暗暗反向反向正向正向暗暗1 1暗暗正向正向反向反向暗暗晶闸管在正向阳极电压与正晶闸管在正向阳极电压与正向门极电压的共同作用下，向门极电压的共同作用下，才能导通。才能导通。2 2暗暗正向正向零零暗暗3 3暗暗正向正向正向正向亮亮关关断断实实验验1 1亮亮正向正向正向正向亮亮已导通的晶闸管在正向阳极已导通的晶闸管在正向阳极作用下，门极失去控制作用。作
8、用下，门极失去控制作用。2 2亮亮正向正向零零亮亮3 3亮亮正向正向反向反向亮亮4 4亮亮正向（逐渐正向（逐渐减小到接近减小到接近于零）于零）任意任意暗暗晶闸管在导通状态时，当阳晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，极电压减小到接近于零时，晶闸管关断。晶闸管关断。v2、实验说明、实验说明v3、实验结论、实验结论 通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件个条件:（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，故晶晶闸管一旦
9、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数值以下，这只有通过使阳阳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实现。极电压减小到零或反向的方法来实现。4、晶闸管的导通关断原理、晶闸管的导通关断原理 当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，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，形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：正反馈过程如下：IGIB2IC2(IB1)IC1IB2 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
10、本本身身的的正正反反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，即在阳极和阴极间加反向电压。向，即在阳极和阴极间加反向电压。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安特特性性是是晶晶闸闸
11、管管阳阳极极与与阴阴极极间间电电压压UAK和和晶晶闸闸管阳极电流管阳极电流IA之间的关系特性。之间的关系特性。（1）正向特性）正向特性v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
12、。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持电电流流IH时时，晶晶闸闸管管由由导导通通变变为为阻阻断。断。（2）反向特性）反向特性v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
13、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，造造成成晶晶闸闸管管的的损损坏。坏。2、晶闸管的开关特性、晶闸管的开关特性(简介简介)晶闸管的开关特性如图所示。晶闸管的开关特性如图所示。晶闸管开关特性的说明晶闸管开关特性的说明v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升到到10所所需需时时间间，此时此时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。v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
14、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结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。结已由反偏转为正偏，电流迅速增加。v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之和。即之和。即 ton=td+trv电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时施加正向电压为止定义为器件的电路换向关断时间间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 1.2.4 晶闸管的主要
15、参数晶闸管的主要参数(简介简介)v1、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UDRMv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电压压。规规定定此此电电压压为为正正向向不不重重复复峰峰值值电电压压UDSM的的80%。（2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRMv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。此电压取反向不重复峰值电压此电压取反向不重复峰值电压URSM的的80%。v晶闸管的额定电压则取晶闸管的额定电压则取UD
16、RM和和URRM的较小值且靠近的较小值且靠近标准电压等级所对应的电压值。标准电压等级所对应的电压值。v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应为晶闸管在电路中可能承受的最大峰值电压的承受的最大峰值电压的23倍。倍。额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定额定电压以电压等级给出，通常标准电压等级规定为：电压在为：电压在1000V以下，每以下，每100V为一级；为一级；1000V到到3000V，每，每200V为一级。为一级。v2、额定电流、额定电流I T(AV)(重点重点)v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，度和规定的散热条件下，晶闸管在
17、电阻性负载时的单相、工频（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）的电路中，结温度）的电路中，结温稳定在额定值稳定在额定值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。v注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为注意：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，而整流电路往往按直流平均值来计算。流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。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之间之间的关系表示为：
18、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：式中式中 Kf为波形系数为波形系数 v流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，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，电流选择应取换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。倍的安全裕量。3、维持电流、维持电流IH v在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，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从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。极电流。4
19、、擎住电流、擎住电流IL v晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，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，通常擎住电流一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流约为维持电流IH的的(24)倍。倍。5、门极触发电流、门极触发电流IGTv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。阻断到完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 v对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路对应于门极
20、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给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和和IGT上限，但不应超过其峰值上限，但不应超过其峰值IGFM 和和 UGFM。7、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率du/dt v在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断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闸管误导通。上升率会使晶闸管误导通。8、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率di/dt v在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，在规定条件下，由门极触发晶闸管使其
21、导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，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大，从而造成局部过热而使会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。晶闸管损坏。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、普通晶闸管的型号组别组别ABCDE通通态态平均平均电电压压（V）UT0.40.4UT0.50.5UT0.60.6UT0.70.7UT0.8组别组别FGHI通通态态平均平均电电压压（V）0.8UT0.90.9UT1.01.0UT1.11.1
22、UT1.2晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组 晶闸管标准电压等级晶闸管标准电压等级 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v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。计计算算公公式为：式为：v然后取相应标准系列值。然后取相应标准系列值。（2）选择额定电压的原则）选择
23、额定电压的原则v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路中中可可能能承承受受的的最最大大反反向向瞬瞬时时值值 电电压压的的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。晶闸管的主要参数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)v双双向向晶晶闸闸管管从从结结构构和和特特性性来来说说，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均可用交流或直流电流触发导通。向均可用交流或直流电流触发导通。塑封式v双向晶闸管在第双向晶闸管在第和第和
24、第象限有对称的伏安特性象限有对称的伏安特性。双向晶闸管的型号双向晶闸管的型号表表1-6 双向晶闸管的主要参数双向晶闸管的主要参数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1、GTO的结构的结构 GTO为四层为四层PNPN结构、三端引出线（结构、三端引出线（A、K、G）的器件。和晶闸管不同的是：）的器件。和晶闸管不同的是：GTO内部是由许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，成为门极和阴极并联在一起，成为GTO元，而普通晶闸元，而普通晶闸管是独立元件结构。
25、下图是管是独立元件结构。下图是GTO的结构示意图、等的结构示意图、等效电路及电气符号。效电路及电气符号。2、GTO的工作原理的工作原理 （1）开通过程）开通过程vGTO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
26、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。（2）关断过程）关断过程v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件，阳极电流下降到零而关断
27、。条件，阳极电流下降到零而关断。v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。而而晶晶闸闸管管导导通通之之后后，处处于于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。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、阳极伏安特性、阳极伏安特性 2、开通特性、开通特性 v 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 3、关断特性、关断特性 vGTO的的关关断断过过程程有有三三个个不不同同的的时
28、时间间，即即存存储储时时间间ts、下下降降时间时间tf及尾部时间及尾部时间tt。v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到降到90%IA为止的一段时间间隔。为止的一段时间间隔。v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和门极反电压开始建立的过程。升和门极反电压开始建立的过程。v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，直直到到最终达到维持电流为止的时间。最终达到维持电流为止的时间。v GTO的关断特性的关断特性(开关电压、电流及门极
29、电流波形开关电压、电流及门极电流波形)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IATOv（2）关断增益）关断增益 off v（3）阳极尖峰电压）阳极尖峰电压 v（4）维持电流）维持电流v（5）擎住电流）擎住电流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），是一种双极型、大功率、高反压晶体管体管(Bipolar Junction Transistor-BJT)。GTR和和GTO一样具有自关断能力，属
30、于电流控制型自关一样具有自关断能力，属于电流控制型自关断器件。断器件。GTR可通过基极电流信号方便地对集电极可通过基极电流信号方便地对集电极-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已实现已实现了大功率、模块化、廉价化。了大功率、模块化、廉价化。1.4.1 GTR的结构与工作原理的结构与工作原理v1、GTR的结构的结构v结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
31、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型型和和PNP型型。GTR的的基基本结构及电气符号如下图所示。本结构及电气符号如下图所示。v2、GTR的工作原理的工作原理v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结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：结处于正偏状态。此时晶体管内部电流分布为：v（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子不不断断地地向向P区
32、区扩扩散散形形成成电电子子电流电流INE。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的静态（输出）特性的静态（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。截截止止区区：GTR的的e结结和和c结结均均承承受受高高反反偏偏电电压压，相相当当于开关断开。于开关断开。放大区：放大区：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在截止区，通态工作点
33、须在饱和区。须在截止区，通态工作点须在饱和区。v共射极电路的输出特性曲线共射极电路的输出特性曲线 2、GTR的动态（开关）特性的动态（开关）特性 v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用用开开关关工工作作方方式式。GTR主主要要应应用于开关工作方式。用于开关工作方式。v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中总存在
34、着一定的延时和存储时间。程中总存在着一定的延时和存储时间。GTR的的开关响应特性开关响应特性v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，直直到到iC上上升到升到0.1I CS。v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上上升升到到0.9ICS所需要的时间。所需要的时间。vGTR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+trv当当基基极极电电流流突突然然从从
35、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，仍仍保保持持ICS，要要经经过过一一段段时时间才下降。间才下降。v存存储储时时间间ts：把把基基极极电电流流从从正正向向IB1变变为为反反向向IB2时时到到iC下降到下降到0.9ICS所需的时间。所需的时间。v下降时间下降时间tf：iC从从0.9ICS下下降到降到0.1ICS所需的时间。所需的时间。v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，这时这时BJT完全恢复到截止状态。完全恢复到截止状态。vBJT的关断时间的关断时间toff：存储时间：存储时间
36、ts和下降时间和下降时间tf之和，即之和，即 toff=ts+tf 3、GTR的主要参数的主要参数(简介简介)v(1)电压参数电压参数 电压参数体现了电压参数体现了GTR的耐压能力的耐压能力v(2)集电极电流额定值集电极电流额定值v(3)最大耗散功率最大耗散功率 v(4)直流电流增益直流电流增益 v(5)开关频率开关频率v(6)最高结温额定值最高结温额定值1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 v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
37、稳稳定定性性优优良良、无无二二次次击击穿穿、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、耐耐压压低低、功功率率不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。v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；v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；v目目前前功功率率MOSFET的的容容量量水水平平为为50A500 V，频频率率为为100kHz。1.5.1 P-MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理
38、1、P-MOSFET的结构的结构vP-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时漏漏源源极极之之间
39、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）才存在导电沟道的称为增强型。才存在导电沟道的称为增强型。v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。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v下下图图是是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管管，电电子子流流出出源源极极；图图b表表示示P沟沟道道功功率率场场效效应应管管，空穴流入源极。空穴流入源极
40、。v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无无反反向向阻阻断能力。图中所示虚线为寄生二极管。断能力。图中所示虚线为寄生二极管。2、P-MOSFET的工作原理的工作原理v(1)栅源极电压栅源极电压UGS0时，栅极下的时，栅极下的P型区表面呈现空穴堆型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使在漏源之间施加电压，在
41、漏源之间施加电压，MOS管也不会导通。如图管也不会导通。如图a所示。所示。v(2)当栅源极电压当栅源极电压UGS0且不够充分时，栅极下面的且不够充分时，栅极下面的P型区型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时MOS管仍保管仍保持关断状态。如图持关断状态。如图b所示。所示。v(3)当栅源极电压当栅源极电压UGS达到或超过一定值时，栅极下面的硅达到或超过一定值时，栅极下面的硅表面从表面从P型反型成型反型成N型，形成型，形成N型沟道把源区和漏区联系起型沟道把源区和漏区联系起来，从而把漏源沟通，使来，从而把漏源沟通，使MOS管进入导通状态。如图管进入导通状态
42、。如图c所所示。示。1.5.2 P-MOSFET的特性和参数的特性和参数(简介简介)1、转移特性、转移特性 转移特性是指在输出特性转移特性是指在输出特性的饱和区内，的饱和区内，UDS维持不变维持不变时，时，UGS与与ID之间的关系曲之间的关系曲线，如右图所示。转移特线，如右图所示。转移特性表征器件输入电压对输性表征器件输入电压对输出电流的控制作用和放大出电流的控制作用和放大能力。图中能力。图中UT是是P-MOSFET的开启电压的开启电压(又称又称阀值电压阀值电压)。2、P-MOSFET的输出特性的输出特性vP-MOSFET输输出出特特性性反反映映的的是是：当当UGS一一定定时时，ID与与UDS
43、间间的的关关系系曲曲线线族族.它它分分为为三三个个区区域域，即即线线性性导导电电区区I，饱饱和和恒流区恒流区II和雪崩击穿区和雪崩击穿区III。v在线性导电区在线性导电区内，内，ID与与UDS几乎呈线性关系。几乎呈线性关系。v在饱和在饱和恒流恒流区区中，当中，当UGS不变时，不变时，ID趋于不变。趋于不变。v当当UDS增增大大至至使使漏漏极极PN结结反反偏偏电电压压过过高高，发发生生雪雪崩崩击击穿穿，ID突突然然增增加加，此此时时进进入入雪雪崩崩区区，直直至至器件损坏。器件损坏。v当当P-MOSFET用用作作电电子子开开关关时时，导导通通时时它它必必须须工工作作在在线线性性导导电电区区I。P-
44、MOSFET无无反反向向阻阻断断能能力力，在在D-S极极间间加加反反向向电压时器件导通，可看作是逆导器件。电压时器件导通，可看作是逆导器件。3、P-MOSFET的开关特性的开关特性 4、P-MOSFET的的(简介简介)（1）漏源击穿电压）漏源击穿电压BUDS。（2）栅源击穿电压）栅源击穿电压BUGS。（3）漏极最大电流）漏极最大电流ID。（4）开启电压）开启电压UT。（5）通态电阻）通态电阻Ron。（6）极间电容。）极间电容。1.6 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）v绝绝缘缘栅栅双双极极型型晶晶体体管管，简简称称IGBT(Insulated Gate Bipolar Tran
45、sistor)。是是由由P-MOSFET与与双双极极晶晶体体管管混混合合组组成成的的电电压压控控制制的的双双极极型型自自关关断断器器件件。它它将将P-MOSFET和和GTR的的优优点点集集于于一一身身，既既具具有有P-MOSFET输输入入阻阻抗抗高高、开开关关速速度度快快、工工作作频频率率高高、热热稳稳定定性性好好、无无二二次次击击穿穿和和驱驱动动电电路路简简单单的的长长处处，又又有有GTR通通态态压压降降低低、耐耐压压高高和和承承受受电电流流大大的的优优点点。IGBT的的发发展展方方向向有有两两个个：一一是是追追求求更更低低损损耗耗和更高速度；二是追求更大容量。和更高速度；二是追求更大容量。
46、1.6.1 IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理v1、IGBT的基本结构的基本结构v IGBT是是在在P-MOSFET基基础础上上发发展展起起来来的的集集成成新新型型器器件件，其其结结构构是是以以GTR为为主主导导元元件件，P-MOSFET为为驱驱动动元元件件的的达达林林顿顿结结构构的的复复合合器器件件。其其结结构构、电电路路符符号号、等等效效电电路路如如下图示。外部有三个电极下图示。外部有三个电极(G门极、门极、C集电极、集电极、E发射极发射极)。2、IGBT的工作原理的工作原理v当当IGBT门门极极加加上上正正电电压压时时，MOSFET内内形形成成沟沟道道，使使IGBT导导通通；当当I
47、GBT门门极极加加上上负负电电压压时时，MOSFET内内沟沟道道消消失失，IGBT关断。关断。v当当UCE0时，时，J3的的PN结处于反偏，结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。呈反向阻断状态。v当当UCE0时，分两种情况：时，分两种情况：v（1）若若门门极极电电压压UGEUT（开开启启电电压压），沟沟道道不不能能形形成成，IGBT呈正向阻断状态。呈正向阻断状态。v（2）若若门门极极电电压压UGEUT，门门极极下下的的沟沟道道形形成成，从从而而使使IGBT导导通通。此此时时，空空穴穴从从P+区区注注入入到到N基基区区进进行行电电导导调调制制，减少减少N基区电阻基区电阻RN的值，使得的值，使得IG
48、BT也具有很低的通态压降。也具有很低的通态压降。1.6.2 IGBT的特性与参数的特性与参数(简介简介)v1、静态特性、静态特性v（1）IGBT的输出（伏安）特性和转移特性的输出（伏安）特性和转移特性 （2）IGBT动态动态特性特性 3、IGBT的主要参数的主要参数(简介简介)（1）集射极额定电压）集射极额定电压UCES （2）栅射极额定电压）栅射极额定电压UGES （3）栅射极开启电压）栅射极开启电压UT （4）集电极额定电流）集电极额定电流IC （5）通态压降）通态压降UCE(on)。1.8、电力电子器件的驱动、电力电子器件的驱动 晶闸管、晶闸管、GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT
49、等电等电力电子器件要正常工作，必须在其门极加驱动信号，力电子器件要正常工作，必须在其门极加驱动信号，各种器件对驱动信号的要求是不一样的，必须分别或各种器件对驱动信号的要求是不一样的，必须分别或分类讨论。晶闸管的门极驱动又称为触发，相应的门分类讨论。晶闸管的门极驱动又称为触发，相应的门极驱动电路又称触发电路。极驱动电路又称触发电路。v1.8.1 晶闸管的简易门极驱动（触发）晶闸管的简易门极驱动（触发）v 晶晶闸闸管管阳阳极极加加正正向向电电压压后后，还还须须在在门门极极与与阴阴极极间间加加上上触触发发电电压，才能从阻断变为导通。压，才能从阻断变为导通。v1 1、对触发电路的要求、对触发电路的要求
50、v1）为减小门极损耗，应采用脉冲触发信号。）为减小门极损耗，应采用脉冲触发信号。v2）触发脉冲应有足够的功率，并留有一定的裕量。）触发脉冲应有足够的功率，并留有一定的裕量。v3）脉脉冲冲应应有有一一定定的的宽宽度度，前前沿沿尽尽可可能能陡陡，使使元元件件在在触触发发导导通通后后，阳阳极极电电流流能能迅迅速速上上升升超超过过掣掣住住电电流流而而维维持持导导通通。对对感感性性负负载，触发脉冲应为宽脉冲或双窄脉冲；有些需强触发脉冲。载，触发脉冲应为宽脉冲或双窄脉冲；有些需强触发脉冲。v4）触触发发脉脉冲冲必必须须与与晶晶闸闸管管的的阳阳极极电电压压同同步步，脉脉冲冲移移相相范范围围必必须满足电路要求