第2章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 2.3 半控型器件——晶闸管 2.4 典型全控型器件

Presentation on theme: "第2章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 2.3 半控型器件——晶闸管 2.4 典型全控型器件"— Presentation transcript:

1 第2章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 2.3 半控型器件——晶闸管 2.4 典型全控型器件
第2章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件——电力二极管 2.3 半控型器件——晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块

2 第2章 电力电子器件·引言 电子技术的基础 ———电子器件：晶体管 电力电子电路的基础 ———电力电子器件:晶闸管 本章主要内容：
第2章 电力电子器件·引言 电子技术的基础 ———电子器件：晶体管 电力电子电路的基础 ———电力电子器件:晶闸管 本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。

3 2.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类
2.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点

4 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件 1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 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。 2）分类: 电真空器件 (水银整流器、闸流管) 半导体器件 (采用硅为主要材料）

5 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 3）同信息电子器件相比其一般特征为：
处理电功率的能力（承受电压和电流的能力），一般远大于处理信息的电子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制，而且需要加驱动电路。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。

6 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗 通态损耗=管压降×通态电流 断态损耗=漏电流×断态电压 主要损耗 开通损耗
开关损耗 关断损耗 通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。

7 2.1.2 应用电力电子器件系统组成 电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路组成的系统。 控
R L 主电路 V 1 2 保护电路 在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行。 电气隔离 图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成

8 2.1.3 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： 半控型器件（晶闸管）
电力电子器件的分类 半控型器件（晶闸管） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（IGBT，MOSFET) ——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。 不可控器件(电力二极管) ——不能用控制信号来控制其通断。 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：

9 2.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类： 电流驱动型 ——通过从控制端注入电流来实现导通或者关断的控制。
电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的性质，分为两类： 电流驱动型 ——通过从控制端注入电流来实现导通或者关断的控制。 电压驱动型 ——通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号来实现导通或者关断的控制。

10 2.1.3 电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的波形，分为两类： 脉冲触发型 电平控制型
电力电子器件的分类 按照驱动电路信号的波形，分为两类： 脉冲触发型 ——通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号，来实现器件的开通或者关断的控制。 电平控制型 ——必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。

11 2.1.3 电力电子器件的分类 按照载流子参与导电的情况，分为三类： ◆单极型器件 ☞由一种载流子参与导电。 ◆双极型器件
☞由电子和空穴两种载流子参与导电。 ◆复合型器件 ☞由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。

12 2.1.4 本章学习内容与学习要点 本章内容: 学习要点: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。
本章学习内容与学习要点 本章内容: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 学习要点: 最重要的是掌握其静态特性，了解动态特性。 掌握电力电子器件的参数和特性曲线的使用方法。 了解电力电子器件的半导体结构和基本工作原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。

13 2.2 不可控器件—电力二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数
2.2 不可控器件—电力二极管 PN结与电力二极管的工作原理 电力二极管的基本特性 电力二极管的主要参数 电力二极管的主要类型

14 2.2 不可控器件—电力二极管·引言 电力二极管的结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。
2.2 不可控器件—电力二极管·引言 电力二极管的结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块

15 图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号
2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。 A K a) I P N J b) c) 图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号

16 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 PN结的电容效应：
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容CB 。 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容CD 。 结电容

17 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 ☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。
☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。 ☞在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主要成分。 正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。

18 2.2.2 电力二极管的基本特性 1) 静态特性（主要指其伏安特性） 门槛电压UTO：正向电流IF开始明显增加所对应的电压。
电力二极管的基本特性 1) 静态特性（主要指其伏安特性） 门槛电压UTO：正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 正向电压降UF：与IF对应的电力二极管两端的电压。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。 I O F U TO 图2-4 电力二极管的伏安特性

19 2.2.3 电力二极管的主要参数 ☞额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
电力二极管的主要参数 1) 正向平均电流IF(AV) ☞额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 ☞ IF(AV)是按电流的发热效应在允许的范围内来定义的，使用时应按电流的有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。

20 2.2.3 电力二极管的主要参数 ☞对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 2）正向压降UF
电力二极管的主要参数 2）正向压降UF ☞在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。 3）反向重复峰值电压URRM ☞对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 ☞使用时，按照电力二极管可能承受的反向峰值电压的2倍来选定URRM 。

21 2.2.3 电力二极管的主要参数 5）最高工作结温TJM 6) 浪涌电流IFSM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。
电力二极管的主要参数 5）最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。 6) 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

22 2.2.4 电力二极管的主要类型 1) 普通二极管（General Purpose Diode）
电力二极管的主要类型 1) 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路。 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。

23 2.2.4 电力二极管的主要类型 2) 快恢复二极管 简称快速二极管 快恢复外延二极管 UF很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V
电力二极管的主要类型 2) 快恢复二极管 简称快速二极管 快恢复外延二极管 UF很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V 以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者的反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。

24 2.2.4 电力二极管的主要类型 3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管。 肖特基二极管的弱点
电力二极管的主要类型 3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管。 肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（10~40ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。

25 2.3 半控型器件—晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数
晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的基本特性 晶闸管的主要参数 晶闸管的派生器件

26 2.3 半控器件—晶闸管·引言 晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR） 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量在目前电力电子器件中最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。

27 晶闸管的结构与工作原理 常用晶闸管的结构 螺栓型晶闸管 晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构

28 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端：阳极A、阴极K和门极G。 内部是PNPN四层半导体结构。
晶闸管的结构与工作原理 图2-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端：阳极A、阴极K和门极G。 内部是PNPN四层半导体结构。

29 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 ☞按晶体管的工作原理 ，得： 半控型器件？ （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）
晶闸管的结构与工作原理 ☞按晶体管的工作原理 ，得： 半控型器件？ （2-2） （2-1） （2-3） （2-4） 式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ： 从门极流入，从阴极流出 （2-5） 图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理

30 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 晶 体管的特性：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。
晶闸管的结构与工作原理 晶 体管的特性：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，而1+2很小。有式（2-5）可知流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。 注：由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。

31 2.3.2 晶闸管的基本特性 晶闸管正常工作时的特性总结如下：（掌握）
晶闸管的基本特性 晶闸管正常工作时的特性总结如下：（掌握） 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 （关断条件） 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 （导通条件） 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，无论门极触发电流是否存在，晶闸管保持导通。 要使已导通的晶闸管关断，只能使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。（关断条件）

32 2.3.2 晶闸管的基本特性 1） 静态特性 （1）正向特性 IG=0时，如果器件两 端施加正向电压，只有很 小的正向漏电流，为正向
晶闸管的基本特性 1） 静态特性 （1）正向特性 IG=0时，如果器件两 端施加正向电压，只有很 小的正向漏电流，为正向 阻断状态。 如果正向电压超过正向 转折电压Ubo，则漏电流 急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增 大，正向转折电压降低。 正向 导通 雪崩 击穿 O + U A - I H G2 G1 G = bo DSM DRM RRM RSM 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG

33 2.3.2 晶闸管的基本特性 1） 静态特性 （1）正向特性 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
晶闸管的基本特性 1） 静态特性 （1）正向特性 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。 正向 导通 雪崩 击穿 O + U A - I H G2 G1 G = bo DSM DRM RRM RSM 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG

34 2.3.2 晶闸管的基本特性 （2）反向特性 反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。
晶闸管的基本特性 （2）反向特性 I A 反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后，若无限制措施可能导致晶闸管发热损坏。 正向 导通 I I I = I G2 G1 G U U H RSM RRM - O U U + U U DRM bo A A U DSM 击穿 - I A 图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG

35 2.3.3 晶闸管的主要参数 思考？ 1）电压定额 器件上的正向峰值电压。 上的最大瞬时电压。 ☞断态重复峰值电压UDRM
晶闸管的主要参数 1）电压定额 ☞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。 ☞断态不重复峰值电压UDSM ——在门极断路而结温为额定值时，允许加在器件 上的最大瞬时电压。 思考？

36 2.3.3 晶闸管的主要参数 思考？ 1）电压定额 ☞反向重复峰值电压URRM ☞反向不重复峰值电压URSM 反向击穿电压
晶闸管的主要参数 1）电压定额 ☞反向重复峰值电压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。 ☞反向不重复峰值电压URSM ——在门极断路而结温为额定值时，允许加在器件上 的反向最大瞬时电压。 反向击穿电压 思考？

37 2.3.3 晶闸管的主要参数 1）电压定额 ☞通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为晶闸管的额定电压。
晶闸管的主要参数 1）电压定额 ☞通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为晶闸管的额定电压。 ☞选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。 ☞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。

38 2.3.3 晶闸管的主要参数 2）电流定额 ☞国标规定通态平均电流为：晶闸管在环境温度为
晶闸管的主要参数 2）电流定额 ◆通态平均电流 IT(AV） (标称其额定电流的参数) ☞国标规定通态平均电流为：晶闸管在环境温度为 40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温 时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 ☞一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有 效值相等）的原则所得计算结果的1.5~2倍。 例：有效值为1000A，按有效值相等的原则得通态平 均电流为1000/1.57A，可选额定电流为1200A的晶闸管。

39 2.3.3 晶闸管的主要参数 ◆维持电流IH 维持电流是使晶闸管维持导通所必需的最小电流， 注意：结温越高，则IH越小。 ◆擎住电流 IL
一般为几十到几百毫安。（晶闸管维持导通的条件） 注意：结温越高，则IH越小。 ◆擎住电流 IL ☞擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信 号后，能维持导通所需的最小电流。 注意：擎住电流约为IH的2~4倍。 ◆浪涌电流ITSM ☞指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温 的不重复性最大正向过载电流。

40 2.3.3 晶闸管的主要参数 3）动态参数 ◆断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的 情况下，不导致晶闸管从断态到
晶闸管的主要参数 3）动态参数 ◆断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的 情况下，不导致晶闸管从断态到 通态转换的外加电压最大上升率。 注意：如果正向电压上升率过 大，就会使晶闸管误导通。

41 2.3.3 晶闸管的主要参数 3）动态参数 ◆通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的
晶闸管的主要参数 3）动态参数 ◆通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的 最大通态电流上升率。如果电流上升太快，晶闸管刚 开通，就会有很大的电流集中在门极附近，可能造成 局部过热而使晶闸管损坏。

42 2.3.4 晶闸管的派生器件 1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST) 有常规快速晶闸管和高频晶闸管。
晶闸管的派生器件 1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST) 有常规快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 开通时间为4～8微秒，关断时间为10～60微秒。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。 一种对工作频率有明确标定的快速晶闸管则称为高频晶闸管（中国型号为KG）。例如KG50（20kHz），表示该高频管的标称工作频率为20kHz，通态平均电流为50A（20kHz下正弦半波平均电流值）。

43 2.3.4 晶闸管的派生器件 2）双向晶闸管 可认为是一对反并联联接 的普通晶闸管的集成，但只 有一个控制极。 有两个主电极T1和T2，一
晶闸管的派生器件 2）双向晶闸管 可认为是一对反并联联接 的普通晶闸管的集成，但只 有一个控制极。 有两个主电极T1和T2，一 个门极G。 在第Ｉ和第III象限有对称 的伏安特性。 双向晶闸管通常用在交流 电路中，不用平均值而用有 效值来表示其额定电流值。 a) b) I O U G = T 1 2 图2-11 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

44 2.3.4 晶闸管的派生器件 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）
晶闸管的派生器件 逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT） 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断时间仅几微秒、工作频率达几KHz、高温特性好、额定结温高等优点。可用于开关电源、UPS不间断电源中。

45 2.3.4 晶闸管的派生器件 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）
晶闸管的派生器件 光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT） 又称光触发晶闸管，是利 用一定波长的光照信号触 发导通的晶闸管。 光触发保证了主电路与控 制电路之间的绝缘，且可 避免电磁干扰的影响。 因此目前在高压大功率的 场合。 A G K a) AK 光强度 强 弱 b) O U I 图2-13 光控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

46 光控电路在路灯中的应用 ☞如何实现路灯的昼夜交替点亮？ 思考？

47 晶闸管光控电路在路灯中的应用 AC为输入交流电，H为路灯，VS为晶闸管，V为NPN三极管，
D为光敏二极管，DW为稳压管，R1、R2、RP为三个电阻， 还有组成整流桥的四个二极管。

48 LED控制电路

49 LED控制电路

50 2.4 典型全控型器件 门极可关断晶闸管 电力晶体管 电力场效应晶体管 绝缘栅双极晶体管

51 2.4 典型全控型器件·引言 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。
2.4 典型全控型器件·引言 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。

52 2.4 典型全控型器件·引言 常用的典型全控型器件 电力MOSFET IGBT单管及模块

53 2.4.1 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 晶闸管的一种派生器件。
门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —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。

54 2.4.1 门极可关断晶闸管 1）GTO的结构和工作原理 图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号 b) 并联单元结构断面示意图
门极可关断晶闸管 1）GTO的结构和工作原理 图2-14 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) 电气图形符号

55 2.4.1 门极可关断晶闸管 ◆结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN 四层半导体结构，外部引出阳极、 阴极和门极。
门极可关断晶闸管 ◆结构： 与普通晶闸管的相同点： 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：GTO是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出三个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。

56 2.4.1 门极可关断晶闸管 工作原理： 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和2 。
门极可关断晶闸管 工作原理： 图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 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和2 。 1+2=1是器件临界导通（临界饱和）的条件。

57 2.4.1 门极可关断晶闸管 GTO与普通晶闸管有如下区别：
门极可关断晶闸管 GTO与普通晶闸管有如下区别： 导通时1+2≈1.05，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（在门极加负脉冲）。设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断? 图2-8 晶闸管的工作原理

58 2.4.1 门极可关断晶闸管 由上述分析我们可以得到以下结论： GTO导通过程与普通晶闸管一样，也有强烈正反馈只是导通时饱和程度较浅。
门极可关断晶闸管 GTO导通过程与普通晶闸管一样，也有强烈正反馈只是导通时饱和程度较浅。 GTO关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使1+2<1时，器件退出饱和而关断。 由上述分析我们可以得到以下结论：

59 2.4.1 门极可关断晶闸管 GTO的主要参数 （1）最大可关断阳极电流IATO （2）电流关断增益off （2-8）
门极可关断晶闸管 GTO的主要参数 （1）最大可关断阳极电流IATO ——GTO的额定电流。 （2）电流关断增益off ——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。 （2-8） off一般很小，只有5左右，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 。

60 2.4.2 电力晶体管 术语用法： 电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管） 。
电力晶体管 电力晶体管（Giant Transistor——GTR，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 Transistor——BJT），英文有时候也称为Power BJT。  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和电力MOSFET取代。 术语用法：

61 2.4.2 电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理 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。
电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理 +表示高掺杂浓度，-表示低掺杂浓度 图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动 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 。

62 2.4.2 电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为 （2-9）
电力晶体管 空穴流 电 子 流 c) E b c i = e =(1+ ) 1）GTR的结构和工作原理 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为 （2-9）  ——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集 电极电流的控制能力 。 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （2-10）

63 2.4.2 电力晶体管 GTR产品说明书中通常给出的是直流电流增益， 它是在直流工作情况下，集电极电流与基极电流之 比。
电力晶体管 GTR产品说明书中通常给出的是直流电流增益， 它是在直流工作情况下，集电极电流与基极电流之 比。 一般认为，直流电流增益 单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通 常为10左右，而小功率晶体管的值约为几十—几 百。采用达林顿接法可有效增大电流增益。

64 2.4.2 电力晶体管 2）GTR的基本特性 (1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。
电力晶体管 2）GTR的基本特性 (1)  静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在饱和区和截止区。 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 O I c i b3 b2 b1 < U ce 图2-17 共发射极接法时GTR的输出特性

65 2.4.2 电力晶体管 3）GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集
电力晶体管 3）GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集 射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、 (此外还有)： 1)  最高工作电压 GTR上所加电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。

66 BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> BUceo
电力晶体管 ☞发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo ☞基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo ☞发射极与基极间用电阻联接时集电极和发射极间的击穿电压BUcer ☞发射极与基极间用短路联接时集电极和发射极间的击穿电压BUces ☞发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex 且存在以下关系： BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> BUceo ☞实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。

67 2.4.2 电力晶体管 2) 集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic 。
电力晶体管 2) 集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3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 。

68 2.4.2 电力晶体管 4）GTR的二次击穿现象与安全工作区 ◆当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电
电力晶体管 4）GTR的二次击穿现象与安全工作区 ◆当GTR的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电 流Ic迅速增大，这种首先出现的击穿是雪崩击穿，被称 为一次击穿。 ◆发现一次击穿发生时如不有效地限制电流，Ic增大 到某个临界点时会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡 然下降，这种现象称为二次击穿。 ◆出现一次击穿后，GTR一般不会损坏，二次击穿常 常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变， 因而对GTR危害极大。

69 2.4.2 电力晶体管 ◆安全工作区（Safe Operating Area——SOA）
电力晶体管 ◆安全工作区（Safe Operating Area——SOA） ☞将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线。 ☞GTR工作时不仅不能超过最高电压UceM，集电极最大电流IcM和最大耗散功率PcM，也不能超过二次击穿临界线。 二次击穿功率 SOA O I c cM P SB U ce ceM 图2-19 GTR的安全工作区

70 2.4.3 电力场效应晶体管 ■分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中
的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简 称电力MOSFET（Power MOSFET）。 ■电力MOSFET是用栅源极电压来控制漏极电流， 它的特点有： ◆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，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。

71 2.4.3 电力场效应晶体管 ■电力MOSFET的结构和工作原理 ◆电力MOSFET的种类 ☞按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。 ☞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的称为增强型。 ☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。

72 图2-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号
电力场效应晶体管 G:栅极 D:漏极 S:源极 电力MOSFET的结构 图2-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号 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。

73 2.4.3 电力场效应晶体管 ◆电力MOSFET的截止与导通 ☞截止：当漏源极间接正电压，栅极和 源极间电压为零时，漏源极之间无电流流过，
电力场效应晶体管截止。 ☞导通： √在栅极和源极之间加一正电压UGS，当UGS大 于某一电压值UT时，漏极和源极导电，电力场效 应晶体管导通。 √UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过 UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。

74 2.4.3 电力场效应晶体管 ■电力MOSFET的基本特性 ☞转移特性 √指漏极电流ID和栅源间电压UGS 的关系，反映了输入电压和输出
电流的关系 。 √ID较大时，ID与UGS的关系近似 线性，曲线的斜率被定义为跨 导，即 图2-21 电力MOSFET的转移特性 √是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。

75 2.4.3 电力场效应晶体管 ☞输出特性 √是MOSFET的漏极伏安特性。 √截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区）
☞饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加；非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。 √工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 图2-21 电力MOSFET的输出特性

76 2.4.3 电力场效应晶体管 ■电力MOSFET的主要参数 ◆漏极电压UDS ☞标称电力MOSFET电压定额的参数。
◆漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM ☞标称电力MOSFET电流定额的参数。 ◆栅源电压UGS ☞栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。 ◆漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。一般不存在二次击穿。

77 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小，驱动电路简单。 两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。

78 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆IGBT的结构 ☞是三端器件，具有栅极G、 集电极C和发射极E。 ☞简化等效电路表明IGBT是
用GTR与MOSFET组成的达林顿 结构，相当于一个PNP晶体管。 图2-23 IGBT的简化等效电路和电气图形符号 ◆ IGBT的导通与关断 导通条件： uGE大于开启电压UGE(th) 。 关断条件：uCE<0或栅射极间施加反压或不加信号时。

79 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■IGBT的基本特性 ☞转移特性 √描述的是集电极电流 IC与栅射电 压UGE之间的关系。
√开启电压UGE(th)是IGBT能实现导 通的最低栅射电压，随温度升高而略 有下降。25℃时，一般取2～6V 。 图2-24 IGBT的转移特性

80 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ☞输出特性（伏安特性） √描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。
√分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 √在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。 图 IGBT的输出特性

81 ——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。
2.4.4 绝缘栅双极晶体管 3） IGBT的主要参数 (1) 最大集射极间电压UCES 由器件内部PNP晶体管的所能承受的击穿电压确定。 (2)  最大集电极电流 ——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (3) 最大集电极功耗PCM ——正常工作温度下允许的最大功耗 。

82 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度高，开关损耗小。
相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降低。 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。 与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点 。

83 2.5 其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管SITH
2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件

84 2.5.1 MOS控制晶闸管MCT ■MCT（MOS Controlled Thyristor）是将MOSFET与晶
闸管组合而成的复合型器件。 ■结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的 开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点。 ■由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个 PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一 个控制该晶闸管关断的MOSFET。 ■其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未 达到预期的数值，未能投入实际应用。

85 2.5.2 静电感应晶体管SIT ■是一种结型场效应晶体管。 ■是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，
甚至超过电力MOSFET，而功率容量比电力MOSFET大，因 而适用于高频大功率场合。 ■栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被 称为正常导通型器件，使用不方便，此外SIT通态电阻较大， 使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得 到广泛应用。

86 2.5.3 静电感应晶闸管SITH ■可以看作是SIT与GTO复合而成。
■又被称为场控晶闸管（Field Controlled Thyristor—— FCT），本质上是两种载流子导电的双极型器件，具有电 导调制效应，通态压降低、通流能力强。 ■其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多， 是大容量的快速器件。 ■一般也是正常导通型，但也有正常关断型 ，电流关断增 益较小，因而其应用范围还有待拓展。

87 2.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT ■是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电MOSFET
设计的互联结构和封装工艺集成在一起。 ■容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的GTO快10 倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电 路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。 ■目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。

88 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件 ■硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV），而宽禁带半导体
材料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材 料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石 等材料。 ■基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将 具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态 电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和 射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。 ■宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和制造以 及随后的半导体制造工艺的困难。

89 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 ■基本概念 ◆将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断、
等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路 （Power Integrated Circuit——PIC）。 ■实际应用电路 ◆高压集成电路（High Voltage IC——HVIC） ◆智能功率集成电路（Smart Power IC——SPIC） ◆智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM）

90 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 ■发展现状 ◆功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的 绝缘问题以及温升和散热的处理。
◆以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应 用场合。 ◆智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点， 最近几年获得了迅速发展。 ◆功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电 一体化的理想接口。

91 本章小结 ■将各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、 基本特性和主要参数等问题作了全面的介绍。 ■电力电子器件归类
◆按照器件内部电子和空穴 两种载流子参与导电的情况 ☞单极型：肖特基二极管、 电力MOSFET和SIT等。 ☞双极型：基于PN结的电 力二极管、晶闸管、GTO 和GTR等。 ☞复合型 ：IGBT、SITH 和MCT等。 图2-26 电力电子器件分类“树”

92 本章小结 ◆按驱动类型 ☞电压驱动型器件 √单极型器件和复合型器件。 √共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。
☞电流驱动型器件 √双极型器件。 √共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。 ◆按控制信号的波形 ☞电平控制型器件 √电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如GTR） ☞脉冲触发型器件 √部分电流驱动型器件（如晶闸管和GTO）

93 本章小结 ■电力电子器件的现状和发展趋势 ◆20世纪90年代中期以来，逐渐形成了小功率（10kW
以下）场合以电力MOSFET为主，中、大功率场合以 IGBT为主的压倒性局面，在10MVA以上或者数千伏以上 的应用场合，如果不需要自关断能力，那么晶闸管仍然 是目前的首选器件 。 ◆电力MOSFET和IGBT中的技术创新仍然在继续， IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域 。 ◆宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材 料，因而是很有前景的电力半导体材料 。

94 本章小结 当前的格局: IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。 光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。 电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。 功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。

95 本章小结 电力电子器件的特征 电力电子器件的损耗 电力电子器件的分类 电力二极管的主要参数 晶闸管的关断条件、导通条件、维持导通条件
晶闸管的静态特性 晶闸管的主要参数 门极可关断晶闸管的导通与关断条件 电力场效应晶体管的导通与关断条件 绝缘栅双极晶体管的导通与关断条件

96 END

97 N型半导体 多数载流子 在单晶硅中掺入五价元素，可以形成电子占主导地位而空穴较少的N型半导体，电子是其主要载流子。
杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。 磷（P）

98 P型半导体 多数载流子 在单晶硅中掺入三价元素，可以形成空穴占主导地位而电子较少的P型半导体，空穴是其主要载流子 。
硼（B）

99 PN结的形成及其单向导电性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。 气体、液体、固体均有扩散现象。 P区空穴浓度远高于N区。

100 PN 结的形成 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 由于扩散运动使P区与N区的交界面形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。
内电场使空穴从N区向P区、使自由电子从P区向N 区运动。 漂移运动 因电场作用所产生的运动称为漂移运动。 当参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同时，达到动态平衡，就形成了PN结。

101 PN 结的单向导电性 PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。
耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。

102 正弦半波电流有效值和平均值的关系 正弦电流的平均值为： 正弦电流的有效值为：

103 正弦半波电流有效值和平均值的关系 正弦半波电流的平均值为： 正弦半波电流的有效值为：

104 正弦半波电流有效值和平均值的关系 正弦半波电流的平均值与正弦半波电流的有效值 的比值为： 即：

105 达林顿管的接法 达林顿管(Darlington Transistor)又称复合管。它采 用复合连接方式，将二只三极管适当的连接在一起，
以组成一只等效的新的三极管，极性只认前面的三极 管。 达林顿电路有四种接法：NPN+NPN，PNP+PNP， NPN+PNP，PNP+NPN。前二种是同极性接法，后 二种是异极性接法。

106 达林顿管的接法 同极性接法：

107 达林顿管的接法 异极性接法：

108 达林顿管的接法 达林顿管的典型应用： 1、用于大功率开关电路、电机调速、逆变电路。 2、驱动小型继电器 3、驱动LED智能显示屏

109 晶体管工作原理 一、晶体管的结构和符号 为什么有孔？ 大功率管 中功率管 小功率管 晶体管有三个极、三个区、两个PN结。
多子浓度很低，且很薄 多子浓度高，且面积大 晶体管有三个极、三个区、两个PN结。

110 晶体管工作原理 二、NPN晶体管的放大原理 扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。
少数载流子的运动 因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区 基区薄且多子(空穴)浓度低，使扩散到基区的电子中的极少数与空穴复合 因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区 基区空穴的扩散 扩散运动形成发射极电流IE，复合运动形成基极电流IB，漂移运动形成集电极电流IC。

111 晶体管工作原理 IE－扩散运动形成的电流 IB－复合运动形成的电流 IC－漂移运动形成的电流 电流分配： IE＝IB＋IC 交流电流放大系数
直流电流放大系数 穿透电流 集电结反向电流

112 雪崩击穿 当PN结反向电压增加时，空间电荷区中的电场随着 增强。这样通过空间电荷区的电子和空穴，就会在电场
作用下，使获得的能量增大。在晶体中运行的电子和空 穴将不断的与晶体原子发生碰撞，通过这样的碰撞可使 束缚在共价键中的价电子碰撞出来，产生自由电子-空穴 对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价电子,又产 生新的自由电子空穴对。如此连锁反应，使得阻挡层中 的载流子的数量雪崩式地增加，流过PN结的电流就急剧 增大，所以这种碰撞电离称为雪崩击穿。也称为电子雪 崩现象 。它是一种非破坏性的电子现象，是暂时性可恢 复的。 热击穿是破坏性的，也就是不可逆的。

113 双向晶闸管 双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的， 对外也引出三个电极，其结构如图所示。
双向晶闸管也具有触发控制特性，无论在阳极和阴极间 接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉 冲，也不管这个脉冲是什么极性的,都可以使双向晶闸管导通。 

114 禁带宽度 禁带宽度是指一个能带宽度(单位是电子伏特 (ev))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而
是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存 在，自由电子存在的能带称为导带（能导电），被 束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量 从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。