第1章电力电子器件.ppt

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1、第1章 电力电子器件,1.1 整流器件的应用 1.2 晶闸管(SCR)1.3 电力晶体管和电力场效应晶体管 1.4 绝缘栅双极型晶体管 1.5 其他电力电子器件 习题与思考题,1.1 整流器件的应用,1.1.1 功率二极管的基本特性 功率二极管又称为电力二极管，可以承受高电压大电流且具有较大的耗散功率，是由一个面积较大的PN结和两端引线封装组成的，引出的两个电极分别称为阳极A和阴极K。功率二极管与中小功率二极管的结构、工作原理和伏安特性相似。图11所示为功率二极管的结构和图形符号。当二极管处于正向电压作用下，管子两端正偏压很小（约为1 V左右）时，PN结导通，正向管压降（正向平均电压UF，约为

2、0.451 V左右）很小；反之，若二极管处于反向电压作用下（应小于击穿电压），PN反向，二极管处于阻断状态，仅有极小的可忽略的漏电流流过。由于二极管的导通速度和反向恢复时间相对于电力电路的暂态变化过程快得多，因此，可以把二极管看成是理想开关。,图11 功率二极管的结构和图形符号,功率二极管主要参数的选择原则与普通二极管有所不同。在规定的环境温度和标准散热条件下，元件允许长时间连续流过50 Hz正弦半波的电流平均值，将此电流值取规定系列的电流等级，作为元件的额定正向平均电流IF，简称额定电流。其有效值应大于管子在工作中可能流过的最大电流有效值IDM。考虑到元件的过载能力较小，因此选择时一般选择1

3、.52倍的安全裕量，即按照,（1-1）,取相应标准系列值。,在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM，将URRM值取规定的电压等级作为该元件的额定电压。反向重复峰值电压URRM 的选择原则应为管子所工作的电路中可能承受到的最大反向瞬时值电压UDM 23倍，即,（1-2）,取相应标准系列值。,1.整流二极管整流二极管的特点是通态正向压降很低，反向阻断电压和工作电流可以高达几千伏和几千安，但反向恢复时间较长。整流二极管多用于开关频率不高的场合，一般开关频率在1 kHz以下使用。2.快速恢复二极管快速恢复二极管的特点是恢复时间短，尤其是反向恢复

4、时间短，一般在5 s以内，多用于与可控开关配合的高频电路中。,3.肖特基二极管肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，其反向恢复时间更短，一般为几十ns。它适用于较低输出电压和要求较低正向管压降（典型值为0.3 V）的换流电路中。,1.1.2 二极管的基本应用1 续流如图12(a)所示，为防止在开关器件S切断电感电路时，电感产生的反向电势与电源叠加很大而对开关器件造成损坏，特接入二极管，给电感电流提供一个继续流动的回路，以保证开关管S在关断时其两端电压不超过电源电压US，从而有效地避免因电感关断而在开关器件两端出现的高压。,2限幅如图1-2（b）所示，当输入信号US变化范围很

5、大时，利用二极管可以使信号电压的幅值限制在某个范围之内。设二极管的阈值电压为Uth，当US Uth时二极管导通，二极管被限制为正向导通电压。硅管的导通电压为0.7V，锗管的导通电压为0.3V。通过把几个二极管串联起来就可以得到不同的限副值。,3钳位如图1-2（c）所示，当负载RL改变时，只要二极管处于正偏导通时，则输出电压将UO等于电源电压Us和二极管UF的压降之和，与负载RL无关。即被钳位到。当二极管反偏截止，将随RL的改变而改变，钳位电路失去作用。4稳压稳压管的正常工作区是在反向击穿区，当二极管被反向击穿后，反向端电压基本不变。如图1-2（d）所示，当电源电压改变时，通过稳压二极管的反向电

6、流改变，使串联电阻R上的压降改变，而使负载电压UO基本不变。,图12 二极管的续流、限幅、钳位、稳压应用(a)续流；(b)限幅；(c)钳位；(d)稳压,5 整流利用二极管正偏时导通、反偏时截止的特性可实现整流变换。由于二极管的通断只能由电源控制，因此，二极管称为不可控器件。图13所示为二极管组成的半波整流电路。图中T为电源变压器，VD为整流二极管，RL代表负载，u1、u2分别为变压器的一次、二次正弦波电压，uo是负载输出电压，uD是二极管两端的电压。当u2为正半周时，二极管承受正向电压而导通，负半周承受反向电压而截止忽略二极管正向导通时的压降，半波整流电路各处波形图如图14所示。根据波形，可以

7、得到输出的直流平均电压Uo=0.45U2，流过二极管的电流平均值为负载电流的平均值，即,二极管承受的最大反向电压为变压器二次电压的峰值，,图1-3 半波整流电路,图1-4 半波整流电路波形图,图1-5所示为二极管所组成的桥式整流电路，通常有三种画法。在u2正半周时，VD1、VD2导通，VD3、VD4截止，而在u2负半周时，VD1、VD2截止，VD3、VD4导通，电路各处电流、电压波形如图1-6所示。由波形可知，其输出电压为，流过二极管的电流为,二极管承受的最大反向电压仍为变压器二次电压的峰值，即,图15 单相桥式整流电路,图16 桥式整流电路波形图,6 倍压整流电路半波整流电路或桥式整流电路无

8、法得到高压直流电源，而采用倍压整流电路则可以获得。它是利用二极管的整流和导引作用，把较低的直流电压分别存于多个电容器上，然后把它们按照相同的极性串联起来，从而得到较高的直流电压。如图1-7所示为二倍压整流电路。当u2正半周时，VD1导通，VD2截止，u2向C1充电，充电至，极性如图中所示。当u2为负半周时，VD2导通，VD1截止，u2向C2充电，充电至，极性如图中所示。负载RL电压为C1、C2电压之和为，因输出电压可以达到电容滤波输出电压的二倍，所以该电路称为二倍压整流电路。,图17 二倍压整流电路,根据同样的原理，只要把更多的电容串联起来，并且增加相应的充电二极管，则可以组成多倍压整流电路。

9、图18所示为六倍压整流电路。实际上由于存在电容的放电，使电容电压不可能始终保持最大值，而且由于电容的充放电，将使电容电压产生波动，因此存在脉动成分。负载阻抗越小，电容充放电就越快，以电压脉动成分也就越大。所以，倍压整流电路仅适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。,图1-8 多倍压整流电路,1.2 晶闸管（SCR）,1.2.1 晶闸管的基本结构与工作原理晶闸管的外形及符号如图19所示。晶闸管的外形大致有三种：塑封形、螺栓形和平板形。额定电流10 以下的多为塑封形，在10 以上至200 以下的为螺栓形，200 以上的为平板形。晶闸管的外形是为便于安装散热器而设计的，这是因为器件工作时，因损耗

10、而产生热量，需要通过散热器来降低管芯温度。,图19 晶闸管的外形及符号(a)塑封形；(b)、(c)螺栓形；(d)平板形,如图1.10所示为晶闸管的内部结构和等效电路。晶闸管是具有三个PN结的四层（1122）三端（、）器件，由最外的P1层和N2层引出两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间P2层引出的电极是门极G（也称控制极）。晶闸管内部具有三个结，即1、2、3，它的结构又可以等效为两个互补连接的三极管，其中1和2区既是一个三极管的集电极同时又是另一个管子的基极。我们通过图1-11所示的实验线路来说明晶闸管的导通关断条件。在该电路中，由主电源EA、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极，通过双刀开关1组成晶闸

11、管主电路；门极电路由门极电源EG、晶闸管的门极和阴极，通过双刀开关2组成，又叫控制电路，也称为触发电路。,图110 晶闸管的内部结构及等效电路(a)芯片内部结构；(b)、(c)互补三极管等效示意图,图111 晶闸管的导通关断实验电路,通过以上实验结果，可得到如下结论：（）晶闸管的导通条件：在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加适当的正向电压，两者缺一不可。（）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，此时可以把门极电压撤去。因此，门极电压不需保持直流电压，常采用脉冲电压。晶闸管从阻断变为导通的过程称为触发导通，一般门极的触发电流只有几十毫安到几百毫安，而晶闸管导通后，却可以通过

12、几百、几千安的电流。所以说，通过晶闸管实现了弱电对强电的控制。,（)晶闸管的关断条件：使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。维持电流是保持晶闸管导通的最小电流。由于门极只能控制晶闸管的导通，却无法控制其关断，所以又称晶闸管为半控型器件。晶闸管为什么有以上的导通关断特性呢？我们通过图1-12来说明。设1和2分别是1和V2的电流放大系数。当晶闸管阳极承受正向电压，门极也加正向电压时，晶体管V2处于正向偏置，EG产生的控制极电流IG就是2的基极电流IB2，V2的集电极电流IC2（=2 IG）又是晶体管1的基极电流IB1，1的集电极电流IC1（=1IC2=12 IG）又流入V2的基极，再一次放大2的基极

13、电流IB2。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流与外加电压和负载有关。,图1-12晶闸管工作原理示意图,1.2.2 晶闸管的伏安特性晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图1-13所示。图中位于第一象限的是正向特性，位于第三象限的是反向特性，其主要特性表现如下：,图1-13 晶闸管的阳极伏安特性,图中位于第一象限的是正向特性，位于第三象限的是反向特性，其主要特性表现如下：（1）在正向偏置下，当G时，如果在晶闸管两端所

14、加正向电压末增到正向转折电压O时，元件都处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流。当=O时，发生转折，漏电流急剧增大，器件由阻断状态进入导通状态，正向电压降低，其特性和二极管的正向伏安特性相仿。这种由电压引起的导通称为电压触发导通，是一种硬开通，多次这样会造成晶闸管的损坏，所以通常不允许采用。,（2）当采用门极触发导通方式时，门极触发电流G越大，正向转折电压O就越低。而当IG足够大时，管子就导通了，此时的晶闸管的正向转折电压O很小，压降也很小。晶闸管正向导通的伏安特性与二极管的正向特性类似。晶闸管一旦触发导通后，即使去掉门极信号，器件仍能维持导通状态不变。所以，晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用

15、。（3）导通之后，只要逐步减小阳极电流IA，使IA下降到小于维持电流IH，器件又可恢复到阻断状态。这种关断方式称为自然关断，除此之外，还可采用加反偏电压的方法进行强迫关断。,（4）在反向偏置下，其伏安特性和整流管的反向伏安特性相似。处于反向阻断状态时，只有很小的反向漏电流，当反向电压超过反向击穿电压O后，反向漏电流急剧增大，造成晶闸管反向击穿而损坏。,1.2.3 晶闸管主要参数1电压参数(1)额定电压Tn在门极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM。一般规定此电压为正向转折电压UBO的80%。同理，在门极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向

16、峰值电压称为反向重复峰值电压URRM。此电压取反向击穿电压URO的80%。一般把UDRM和UDRM中较小的那个值按百位取整后作为该晶闸管的额定电压值。晶闸管元件的耐压会因散热条件恶化和结温升高而降低，因此选择元件的额定电压时应注意留有充分的裕量，一般应按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压TM的23倍来选择，即,Tn（）TM,(1-3),(2)通态平均电压UT(AV)当流过正弦半波电流并达到稳定的额定结温时，晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。额定电流大小相同的管子,通态平均电压越小,耗散功率就越小，管子质量就越好。,2电流参数(1)额定电流T(AV)晶闸管的额定电流用通态平

17、均电流来表示。在环境温度小于40和标准散热及全导通的条件下，晶闸管允许通过的工频正弦半波电流平均值称为通态平均电流T(AV)或正向平均电流，按晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流。通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。如果正弦半波电流的最大值为Im，则,（1-4）,额定电流有效值为IT,（1-5）,但是在实际使用中，对于不同的电路、不同的负载、流过晶闸管的电流波形形状、波形导通角并不是一定的，各种含有直流分量的电流波形都有一个电流平均值（一个周期内波形面积的平均值），也就有一个电流有效值（均方根值）。我们把某电流波形的有效值与平均值之比称为该电流的波形系数，用Kf表示，即,(1-6)

18、,这说明额定电流IT(AV)=100 A的晶闸管，其额定电流有效值为。在选用晶闸管的时候，首先要根据管子的额定电流求出元件允许流过的最大有效电流。不论流过晶闸管的电流波形如何，只要流过元件的实际电流最大有效值小于或等于管子的额定电流有效值，且散热冷却在规定的条件下，管芯的发热就可以限制在允许范围内。考虑到晶闸管的电流过载能力比一般电机、电器要小得多，因此在选用晶闸管额定电流时，要根据实际最大的电流计算后至少要乘以1.52的安全系数，即,(1-7),2)维持电流H 在室温和门极断开时，元件从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维持电流。它一般为十几毫安到几百毫安。维持电流与元件容量、结

19、温有关，元件的额定电流愈大，维持电流也愈大。而维持电流大的晶闸管更容易关断。3)掣住电流L 晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能使元件保持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流L。L为维持电流H的2-4倍。欲使晶闸管触发导通，必须使触发脉冲保持到阳极电流上升到掣住电流以上，否则会造成晶闸管重新恢复阻断状态，因此触发脉冲必须具有一定的宽度。,3其他参数(1)晶闸管的开通时间ton与关断时间toff晶闸管开通时间ton是指从门极触发电压前沿的10%到元件阳极电压下降至10%所需的时间，普通晶闸管的ton约为6s。为了缩短开通时间，常采用实际触发电流比规定触发电流大35倍、前沿陡的窄脉冲来触发。如

20、果触发脉冲不够宽，晶闸管就不可能触发导通，为保证晶闸管可靠触发，要求触发脉冲的宽度稍大于ton。晶闸管的关断时间toff是把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需要的时间称为关断时间。晶闸管的关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。普通晶闸管的toff约为几十到几百微秒。,(2)门极触发电流GT和门极触发电压GT在室温下，对晶闸管加上6伏正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发电流GT，相应的门极电压称为门极触发电压GT。若触发电流太小，容易受干扰而引起误触发；若触发电流太大会造成控制电路功率的负担，因此不同系列的晶闸管都规定了

21、最大和最小触发电流、触发电压的范围。因为受温度影响很大，而元件铭牌上的数据是常温下所测，所以实际工作时的触发电压和触发电流应视具体情况而定。,(3)断态电压临界上升率和通态电流临界上升率在额定结温和门极开路情况下，使元件从断态到通态所需的最低阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。为防止晶闸管的误导通，晶闸管使用中要求要求断态下阳极电压的上升速度要低于此值。可以通过在元件两端并接阻容电路，利用电容两端电压不能突变的性质来限制电压上升率。在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时管子能够承受而不致损坏的最大通态电流上升率称为通态电流临界上升率。为限制通态电流临界上升率，可以在阳极回路中串入小电感，来对增

22、长过快的电流进行限制。,1.2.4 晶闸管的型号及简单测试方法1晶闸管的型号 晶闸管通常用两种命名标准，一种为KP型，另一种为CT型。命名如下：KP额定电流等级-额定电压等级通态平均电压组别3CT额定电流等级/额定电压其中K和3CT代表晶闸管，P代表类型为普通型，可以替换为S（双向型），G（可关断型），N（逆导型）。额定电压值为额定电压等级乘以100，当额定电流小于100A时，通态平均电压组别可以不标。,例如：KP100-12G，表示额定电流为100A，额定电压为1200V，通态平均电压小于1V的普通型晶闸管。又如3CT50/500V，表示额定电流为50A，额定电压为500V的普通型晶闸管。,

23、例1 一晶闸管接在220V交流回路中，通过器件的电流有效值为50，额定电压电流均考虑2倍的余量，问应选择多大的晶闸管？解：晶闸管额定电压,按晶闸管参数系列取700V，即7级。,晶闸管的额定电流,按晶闸管参数系列取100，所以选取晶闸管型号为KP100-7。到目前为止，世界上普通晶闸管的最大额定电流可达4000A，最大额定电压可达7000V，导通压降在1000V额定电压时为1.5V，在5000V额定电压时仅为3V。,2晶闸管的简单测试方法利用万用表欧姆挡测试元件的三个电极之间的阻值的方法，可初步判断管子是否完好。当用万用表R1k挡测量阳极A和阴极K之间电阻，若阻值在几百千欧以上，且正、反向电阻相

24、差很小；用R10或R100挡测量门极G和阴极K之间的阻值，其正向电阻应小于或接近于反向电阻，这样的晶闸管是好的，否则晶闸管已经损坏。,1.2.5 晶闸管的派生器件1 门极可关断晶闸管(GTO)门极可关断晶闸管具有普通晶闸管的全部特性，如耐压高（工作电压可高达6000 V）、电流大（电流可达6000A）以及造价便宜等。GTO广泛应用于电力机车的逆变器和大功率的直流斩波器中。GTO与普通晶闸管类似，都是PNPN四层半导体器件，有阳极A、阴极K和门极G三个电极，但内部包含着数百个共阳极的小GTO单元。它的结构、等效电路和电气符号如图114所示。,图114 门极可关断晶闸管的结构、等效电路和电气符号,

25、GTO的工作原理与普通晶闸管相似。GTO触发导通的条件是：当它的阳极与阴极之间承受正向电压，门极与阴极间加正脉冲信号可以使元件导通。普通晶闸管导通时处于深度饱和状态，切断门极电流无法使其关断；但GTO采取了特殊工艺，使管子导通后处于接近临界饱和状态，可用门极与阴极间加负脉冲信号破坏临界状态使其关断。因此，GTO是全控型双极型器件。GTO导通压降较大，一般为23V，门极触发电流较大，所以GTO的导通功耗与门极功耗均较普通晶闸管大。,GTO的主要参数有最大可关断阳极电流IATO和关断增益q。IATO也就是管子的铭牌电流。GTO的阳极电流不能过大，在使用中必须小于最大可关断阳极电流IATO，否则破坏

26、GTO的临界导通条件，导致门极关断失败。关断增益q为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比，即是用来反映GTO关断能力的。q 一般较小，只有35，这是GTO的一个主要缺点。因为使GTO关断的门极负电流比较大，约为阳极电流的1/5左右，所以要求触发驱动电路要采用高幅值的窄脉冲以减少关断所需的能量。图1-15是GTO的门极驱动电路，（a）只能用于小容量电路；（b）和（c）适用于较大容量的电路。,图 1-15 GTO的驱动电路,为减轻GTO在开关过程中的功耗，对GTO需要设置缓冲电路。缓冲电路必须能抑制GTO开通时阳极电流上升率和关断时的电压上升率。图1-16为GTO的阻容缓冲电路，

27、（a）只能用于小电流电路；（b）与（c）是较大容量GTO电路中常见的缓冲器，其二极管尽量选用快速型、接线短的二极管，这将使缓冲器阻容效果更显著。,图 1-16 GTO阻容缓冲电路,2快速晶闸管(FST)快速晶闸管通常是指那些关断时间toff50、响应速度快的晶闸管。它的基本结构、伏安特性和符号与普通晶闸管完全一样；它的特点是：开通速度快，关断时间短，一般开通时间约为12，关断时间约为数微秒，比普通晶闸管快一个数量级。通态压降低，开关损耗小。有较高的通态电流临界上升率山及断态电压临界上升率。使用频率范围广，几十至几千赫兹。这种快速晶闸管主要应用于直流电源供电的逆变器的斩波器中。快速晶闸管的型号用

28、KK表示。,3逆导型晶闸管(RCT)普通晶闸管表现为正向可控闸流特性，反向高阻特性，称为逆阻型器件。而逆导型晶闸管是一个反向导通的晶闸管，是将一个晶闸管与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上构成的新器件，如图117所示。逆导型晶闸管正向表现为晶闸管正向伏安特性，反向表现为二极管特性。与普通晶闸管相比，逆导型晶闸管有如下特点：正向转折电压比普通晶闸管高，电流容量大，易于提高开关速度，高温特性好(允许结温可达150以上)，减小了接线电感，缩小了装置体积。逆导型晶闸管的型号用KN表示。,图1-17 逆导晶闸管,4双向晶闸管(TRIAC)双向晶闸管TRIAC是一个NPNPN五层三端器件，有两个主电极T

29、1、T2和一个门极G，触发信号加在T1极和门极G之间，它在正反两个方向电压下均可用同一门极控制触发导通。所以在结构上可以看做是一对普通晶闸管的反并联，其符号、等效电路和阳极伏安特性如图1-18所示。其特性反映了反并联晶闸管的组合效果，即在第一和第三象限具有对称的阳极伏安特性。对双向晶闸管在门极G和主电极T1之间送入正触发脉冲电流(IG从G流入，从T1流出)或负脉冲电流(IG从T1流入，从G流出)均能使双向晶闸管导通。根据T1、T2间电压极性的不同及门极信号极性的不同，双向晶闸管有4种触发和开通方式。双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性,(1)主电极T1相对T2电位为正的情况下，门极G和T1之间加

30、正触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通工作在第一象限，称为I+触发方式。(2)主电极T1相对T2电位为正的情况下，门极G和T1之间加负触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通工作在第一象限，称为I触发方式。(3)主电极T2相对T1电位为正的情况下，门极G和T1之间加正触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通工作在第三象限，称为+触发方式。(4)主电极T2相对T1电位为正的情况下，门极G和T1之间加负触发脉冲电压、电流，这时双向晶闸管导通也工作在第三象限，称为触发方式。,I+、两种触发方式灵敏度很高，在实用中常被采用。双向晶闸管主要应用在交流调压电路中采用，正、负半波都工作；所以通态时的额定电流不

31、像二极管和晶闸管那样按正弦半波电流平均值定义，而是用有效值来定义。由额定电流的定义可知：在交流电流中一只有效值为IT的双向晶闸管能承载全波负载电流有效值为IT，半波负载电流为IT2；若用普通晶闸管，其额定电流应为0.45IT,。因此，电流为IT的双向晶闸管可代替两只并联的电流额定值为0.45IT的普通型晶闸管。双向晶闸管的型号用KS表示。,图1-18 双向晶闸管,1.3 电力晶体管和电力场效应晶体管,1.3.1 电力晶体管（GTR）,1电力晶体管的结构GTR与普通晶体管有着相似的结构、工作原理和工作特性，都是三层半导体两个PN结的三端器件，也有PNP和NPN之分，但大多采用NPN型。图1-19

32、所示是NPN型晶体管的内部结构，大多数GTR是采用三重扩散法制成的，或者是在集电极高掺杂的N+硅衬底上用外延生长法生长一层N漂移层，然后在上面扩散P基区，接着扩散掺杂N+的发射区。,图1-19 GTR的内部结构,2GTR的主要参数（1）最大电流额定值ICM和 IBM一般将电流放大倍数下降到额定值的1/21/3 时集电极电流IC的值定为集电极最大电流ICM，使用时绝不能让IC值达到ICM，否则前面所说的三种物理效应会使GTR的电气性能变差，甚至于使器件损坏。基极电流的最大额定值IBM规定为内引线允许流过的最大基极电流，通常取IBM=(1/21/6)ICM。,（2）集电极的额定电压UCEM既集电极

33、的最高工作电压不可超过规定值，否则会出现击穿现象，它与GTR的本身特性及外电路的接法有关。常用BUCBO、BUCEO、BUCES、BUCER和BUCEX表示。BUCBO为发射结开路时集基极的击穿电压；BUCEO为发射结开路时集射极的击穿电压；BUCES为发射结短路时集射极的击穿电压；BUCER表示基射间并联电阻时的基射击穿电压，随并联电阻的减小而增大；BUCEX表示基射极施加反偏电压时的集射极击穿电压。一般情况下BUCEO BUCEXBUCESBUCERBUCEO，当GTR的最高工作电压UCEM应比最小击穿电压BUCEO低，从而保证元器件的工作安全。,（3）饱和压降UCES单个GTR的饱和压降

34、一般不超过11.5V，UCES随集电极电流的增大而增大。（4）集电极最大耗散功率PCMPCM即GTR在最高允许结温TjM时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使GTR发热，在使用中要特别注意GTR的散热。如果散热条件不好，器件会因温度过高而使迅速损坏。所以GTR使用时必须选配合适的散热器。,3二次击穿现象二次击穿是GTR突然损坏的主要原因之一，是它在使用中最大的弱点。二次击穿现象可以用图1-20来说明。处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增加到最大电压BUCEO时，集电极电流IC急剧增大，出现击穿现象,但此时集电结的电压基本保持不变，

35、这叫一次击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要进入击穿区的时间不长，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，则当IC上升到某一数值时，UCE突然下降，而IC继续增大（负阻效应），这时进入低压大电流段，在极短的时间内，将使器件内出现明显的电流集中和过热点，导致管子被烧坏，这个现象称为二次击穿。为了防止发生二次击穿，重要的是保证GTR开关过程中的瞬时功率不要超过集电极最大耗散功率PCM。一般说来，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。,图1-20 GTR的二次击穿,4安全工作区安全工作区SOA（Safe Operati

36、on Area）是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流电压的极限范围，它受到GTR的直流极限参数ICM、PCM、电压容量BCEO及二次击穿等问题的限制，并由这四条限制界线所围成，如图1-21所示，阴影部分即为SOA。,图121 GTR安全工作区,1.3.2 电力场效应晶体管（P-MOSFET）,1PMOSFET的结构与工作原理MOSFET的类型很多，按导电沟道可分为P沟道和N沟道；根据栅极电压与导电沟道出现的关系可分为耗尽型和增强型，电力场效应晶体管一般为N沟道增强型。电力场效应晶体管是多元集成结构，即一个器件由多个MOSFET单元组成。MOSFET单元结构如图122所示，有三个引脚，

37、分别为源极S、栅极G和漏极D。从结构上看，PM与小功率MOS管有比较大的差别。小功率MOS管的三电极位于芯片的同一侧，导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。而PM为提高器件耐压、电流的能力，把漏极移到芯片的另一侧表面上，采用的是垂直导电结构，称为 VMOSFET。,其中源极的金属电极将管子内的N+区和P区连接在一起，相当于在源极漏极间形成了一个寄生二极管。管子截止时，漏源间的反向电流就在此二极管内流动，所以电力场效应晶体管无反向阻断能力。其管子符号和等效电路符号如图123（a）、（b）所示。PM元件在变流电路中常串接一个二极管 VD1，并在它的外面并接一个快速二极管 VD2，如图123（c）

38、所示，目的是避免电路中反向大电流流过元件内的寄生二极管，对元件造成损坏。,图1-22 MOSFET单元结构,图1-23 P-MOSFET的图形符号,当漏极接电源正极，源极接电源负极，即UDS0，栅源之间电压UGS0，型区和N-型漂移区之间的结反向，漏源之间无电流流过。如果在栅极和源极所加正向电压UGSUT（UT为开启电压，又叫阈值电压，典型值为24 V）时，不会有栅流，也没有漏极电流ID出现，PM处于截止状态。但栅极的正电压所形成电场的感应作用却会将其下面型区中的少数载流子电子吸引到栅极下面的型区表面。当UGS UT时，栅极下面型区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使型半导体反型成型半导体，沟通了

39、漏极和源极，形成漏极电流ID，PM处于导通状态。UGS超过UT越多，导电能力越强。漏极电流ID越大。,2 PM的特性1）转移特性转移特性是指电力场效应晶体管的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系，如图124所示。当ID较大时，该特性基本为线性。曲线的斜率gm=iD/UGS称为跨导，表示PM栅源电压对漏极电流的控制能力。仅当UGSUT时，才会出现导电沟道，产生栅极电流ID。转移特性反映了该器件是电压型场控器件。由于栅极的输入电阻很高，可以等效为一个电容，所以栅源电压UGS能够形成电场，但栅极电流基本为零。因此，MOSFET的驱动功率很小。,图1-24 PM的转移特性,（2）输出特性 如

40、图1-25所示的输出特性，是以栅源电压为参变量，漏极电流与漏极电压关系之间的曲线族。输出特性曲线分为三个区域：可调电阻区，饱和区和雪崩区。在区内，漏源电阻RDS的阻值是变化的。固定栅极电压UGS，漏源电压UDS从零上升过程中，漏极电流ID首先线性增长，接近饱和区时，ID变化缓慢，达到饱和区后，此后UDS虽然增大，但ID维持恒定。当MOSFET用做线性放大时，工作在饱和区。从该区域中可以看出，在同样的漏源电压下，UDS越高，漏极电流ID也就越大。但当UGS继续增大时，进入雪崩击穿区。在应用中要避免出现这种情况，否则造成器件的损坏。,图1-25 PM的输出特性曲线,3）开关特性PM是多数载流子器件

41、，不存在少数载流子特有的存储效应，因此开关时间很短，典型值为20 ns。影响开关速度的主要因素是器件极间电容，开关时间与输入电容的充、放电时间常数有很大关系。PM的开关过程如图126所示，uP为驱动电源信号。开通时间ton=td+tr，关断时间toff=ts+tf。PM在静态时几乎不需要输入电流，但在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率,而且开关频率越高，驱动损耗越大。,图126 PM的开关特性,3重要参数（1）漏极电压UDS：就是PM的额定电压，选用时应小于漏源击穿电压BUDS，必需留有较大安全余量。（2）漏极连续电流ID：就是PM允许通过的最大漏极连续电流，其大小主要受管子的

42、温升限制，应小于峰值电流IDM。（3）栅源电压UGS：栅极和源极之间的绝缘层很薄，承受电压很低，一般不能超过20V，否则绝缘层可能被击穿而损坏。（4）通态电阻Ron：在确定的UGS下，PM由可调电阻区进入饱和区时的直流电阻为通态电阻。输出功率的大小与该参数直接相关。,4安全工作区PM是多数载流子工作的器件，元件的通态电阻具有正的温度系数，即温度升高通态电阻增大，使漏极电流能随温度升高而下降，因而不存在电流集中和二次击穿的限制，有较宽的安全工作区。PM的正向偏置安全工作区是由四条边界包围而成，如图1-27所示。其中为漏源通态电阻限制线，为最大漏极电流限制线，为最大功耗限制线，为最大漏源电压限制线

43、。,图1-27 PM的正向偏置安全工作区,5PM的栅极驱动电路对栅极驱动电路的要求：(1)可向栅极提供所需要的栅压，以保证PM的可靠导通和关断。(2)为提高器件的开关速度，应减小驱动电路的输入电阻以提高栅极充放电速度。(3)主电路与控制电路间要实现电的隔离。(4)应具有较强的抗干扰能力，这是因为PM的工作频率和输入阻抗都较高，易被干扰的缘故。,图1-28 理想的栅极控制电压波形,图1-29是一种数控逆变器，两个PM的栅极驱动电路是由两个与非门与RC组成的振荡电路，电路起振时，在PM1、PM2的栅极分别产生高、低电平，使它们轮流导通，将直流电压变为交流电压，实现逆变。,图129 PM数控逆变器,

44、图1-30所示为直流斩波的驱动电路。UD为斩波电源，当输入电压Ui0时，PM1、PM3截止，电容C1沿V2和CI3（P-MOSFET栅极输入电容）放电，驱动PM2导通，负载得电，输出电流Io0。；当Ui 0时，PM1导通，电容CI3上的电荷沿VD2、PM1放电，VD2的导通保证了PM2关断，负载电流通过VD4续流，直到Io=0，VD4断开，接着受正向电压而导通。,图130 PM直流斩波器驱动电路,6 PM的保护PM的缺点是栅极绝缘氧化层很薄，在静电较强的场合很易引起静电击穿，造成栅源短路或开路。因此，在使用时必须采取静电保护措施。器件应存放在抗静电包装袋、金属容器或导电材料包装袋中。工作人员取

45、用器件时，必须使用腕带，保持良好接地，且应拿器件管壳，不要接触引线；安装时，工作台和电烙铁应良好接地；测试时，测量仪器和工作台要良好接地，器件的三个电极必须都接入测试仪器或电路，才能施加电压。改换测试时，电压和电流要先恢复到零。此外，还需注意进行栅源、漏源过电压保护和过电流保护。,7PM的应用(1)作为高频开关稳压调压电源，可使开关电源的体积减小，重量减轻，成本降低，效率提高。(2)作为功率变换器件，广泛应用在计算机接口电路中。PM器件可直接用集成电路的逻辑信号驱动，开关速度快，工作频率高，大大改善了变换器的功能。(3)作为高频的主功率振荡、放大器件，在高频加热、超声波等设备中使用，具有高效、

46、高频、简单可靠等优点。,1.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,1.4.1 IGBT的结构和工作原理 IGBT的基本结构如图131所示。IGBT比电力MOSFET多了一层P+注入区，因而形成了一个大面积的P+N+结J1，使得IGBT导通时可由P+注入区向基区发射载流子(空穴)，对漂移区电导率进行调制，因而IGBT具有很强的电流控制能力。仔细观察发现,IGBT是在PMOSFET结构的基础上作了相应的改善，相当于一个由PMOSFTET 驱动的厚基区GTR晶体管，其内部实际上包含了两个双极型晶体管P+NP和N+PN。其简化等效电路和电气符号如图132所示。,图131 IGBT的结构,图132 IGB

47、T的简化等效电路和电气符号,IGBT有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G。IGBT的导通和关断由栅极电压来控制，原理与PM相同。当栅极施以正向电压时，PM内形成沟道，为PNP型的晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，从P区注入到N区的空穴（少数载流子）对N区进行电导调制，减少N区的电阻，使高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅极上施以负电压时，PM内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,1.4.2 IGBT的特性1 IGBT的转移特性IGBT的转移特性如图133(a)所示，与PMOSFET的转移特性相似，开启电压UGE(TH)是IGBT能通过电导调制实现导

48、通的最低栅射电压，其值一般为26 V。,2IGBT的静态输出特性IGBT的静态输出特性如图1-33(b)所示，与GTR的输出特性相似，它反映了在一定的栅射极电压UGE下器件的输出端电压UCE与电流IC的关系。UGE越高，IC越大。IGBT的伏安特性分为截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。由于PN结的开启电压不为零，引起IGBT的输出特性曲线不始于坐标原点。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。与P-MOSFET相比，IGBT的通态压降小得多，1000V的IGBT约有25V的通态压降，IGBT开关损耗仅为GTR的1/10。IGBT的通态压降在1/2或1

49、/3额定电流以下区段具有负温度系数，以上区段有正温度系数，因此IGBT在并联使用时具有电流调节的能力，即有易于并联的特点。但是IGBT的反向电压承受能力很差，从曲线可知，其反向阻断电压URM只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。,图133 IGBT的转移特性和静态输出特性,3IGBT的动态特性IGBT的动态特性即开关特性。开通过程的特性类似于MOSFET。由于晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少数载流子的存储效应，因此IGBT的开关速度要低于PMOSFET。开关时间随漏极电流IC和门极电阻RB以及结温的增大而增加，尤其受门极电阻的影响大。,1.4.3 IGBT

50、的主要参数(1)集电极发射极额定电压UCES：该电压值是根据器件的雪崩击穿电压而规定的，是栅射极短路时能承受的耐压值。(2)栅极发射极额定电压UCES：是栅极控制信号的电压额定值。目前，IGBT的UCES值为+20 V，使用时不可超过此值。(3)额定集电极电流IC：是指在导通时能流过器件的持续最大电流。,1.4.4 IGBT的擎住效应和安全工作区从图132可以看出，IGBT内部寄生着一个NPN型晶体管，在NPN管的基极与发射极之间存在体区短路电阻RB，相当于NPN管的一个偏置电阻。在额定集电极电流范围内，RB上的偏压很小，不足以使J3结开通，而一旦J3结开通，就会促使NPN、PNP两晶体管同时