【正文】 ◆ 了解電力電子器件的 半導體物理結構 和 基本工作原理 。 ◆ 復合型器件 ? 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成， 也稱混合型器件。 ■ 按照驅動信號的波形（電力二極管除外 ） ◆ 脈沖觸發(fā)型 ? 通過在控制端施加一個電壓或電流的 脈沖 信號來實現(xiàn)器件的開通或者關斷的控制。 ? 通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。 通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 開關損耗 開通損耗 關斷損耗 ? 電力電子器件的功率損耗 7/89 應用電力電子器件的系統(tǒng)組成 ■ 電力電子器件在實際應用中，一般是由 控制電路 、 驅動 電路 和以電力電子器件為核心的 主電路 組成一個系統(tǒng)。 ◆ 由信息電子電路來控制 ,而且需要 驅動電路 。 ? 主電路：在電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。第 2章 電力電子器件 電力電子器件概述 不可控器件 —— 電力二極管 半控型器件 —— 晶閘管 典型全控型器件 其他新型電力電子器件 功率集成電路與集成電力電子模塊 本章小結 2/89 引言 ■ 模擬和數(shù)字電子電路的基礎 —— 晶體管和集成電路等電子器件 電力電子電路的基礎 —— 電力電子器件 ■ 本章主要內(nèi)容： ◆ 對電力電子器件的 概念 、 特點 和 分類 等問題作了簡要概述 。 ? 廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導體器件兩類，目前往往專指電力半導體器件。 ◆ 自身的 功率損耗 通常仍遠大于信息電子器件，在其工作時一般都需要安裝 散熱器 。 電氣隔離 控制電路檢 測電 路保 護電 路驅 動電 路RLV1V2主 電 路圖 21 電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成 8/89 電力電子器件的分類 ■ 按照能夠被控制電路信號所控制的程度 ◆ 半控型器件 ? 主要是指 晶閘管（ Thyristor） 及其大部分派生器件。 ◆ 不可控器件 ? 電力二極管（ Power Diode） ? 不能用控制信號來控制其通斷。 ◆ 電平控制型 ? 必須通過 持續(xù) 在控制端和公共端之間施加一定電平的電壓或電流信號來使器件開通并 維持 在導通狀態(tài)或者關斷并維持在阻斷狀態(tài)。 11/89 本章內(nèi)容和學習要點 ■ 本章內(nèi)容 ◆ 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的順序，分別介紹各種電力電子器件的 工作原理 、 基本特性 、 主要參數(shù) 以及選擇和使用中應注意的一些問題。 ◆ 了解某些主電路中對其它電路元件的特殊要求。 整流二極管及模塊 14/89 A K A K a) I K A P N J b) c) A K PN結與電力二極管的工作原理 ■ 電力二極管是以半 導體 PN結 為基礎的 , 實際上是由一個面積 較大的 PN結 和 兩端引 線 以及 封裝 組成的。 ◆ PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞 PN結反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫 反向擊穿 。 16/89 PN結與電力二極管的工作原理 ■ PN結的電容效應 ◆ 稱為 結電容 CJ，又稱為 微分電容 ◆ 按其產(chǎn)生機制和作用的差別分為 勢壘電容 CB和 擴散電容 CD ? 勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。 ◆ 結電容影響 PN結的 工作頻率 ，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。 I O I F U TO U F U 圖 25 電力二極管的伏安特性 18/89 電力二極管的基本特性 a) IF U F t F t 0 t rr t d t f t 1 t 2 t U R U RP I R P d i F d t d i R d t u b) U FP i i F u F t fr t 0 2V 圖 26 電力二極管的動態(tài)過程波形 a) 正向偏置轉換為反向偏置 b) 零偏置轉換為正向偏置 ■ 動態(tài)特性 ◆ 因為 結電容 的存在，電壓 — 電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性 。 t0:正向電流降為零的時刻 t1:反向電流達最大值的時刻 t2:電流變化率接近于零的時刻 19/89 電力二極管的基本特性 U FP u i i F u F t fr t 0 2V ◆ 由零偏置轉換為正向偏置 ? 先出現(xiàn)一個 過沖 UFP，經(jīng)過 一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降 的某個值（如 2V）。 ◆ IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按 有效值相等 的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。 21/89 電力二極管的主要參數(shù) ■ 最高工作結溫 TJM ◆ 結溫是指管芯 PN結的平均溫度，用 TJ表示。 22/89 電力二極管的主要類型 ■ 按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性 能，特別是反向恢復特性的不同，介紹幾種常用 的電力二極管。 23/89 電力二極管的主要類型 ◆ 快恢復二極管（ Fast Recovery Diode—— FRD） ? 恢復過程 很短，特別是 反向恢復過程 很短（一 般在 5?s以下） 。 24/89 電力二極管的主要類型 ◆ 肖特基二極管（ Schottky Barrier Diode—— SBD） ? 屬于 多子 器件 ? 優(yōu)點在于： 反向恢復時間 很短（ 10~40ns），正向恢 復過程中也不會有明顯的 電壓過沖 ；在反向耐壓較低的情 況下其 正向壓降 也很小，明顯低于快恢復二極管；因此， 其 開關損耗 和 正向導通損耗 都比快速二極管還要小，效率 高。 ■ 1956年美國貝爾實驗室（ Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管，到 1957年美國通用電氣公司（ General Electric）開發(fā)出了世界上第一只 晶閘管產(chǎn)品，并于 1958年使其商業(yè)化。 ◆ 內(nèi)部是 PNPN四層半導體結構。由上式 可看出，此時流過晶閘管的漏電流只是稍大于兩個晶體管 漏電流之和。只 有 門極觸發(fā) 是最精確、迅速而可靠的控制手段。 ? 若要使已導通的晶閘管關斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的 電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。 √如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值 IH以下，則晶閘管又回到 正向阻斷 狀態(tài)，IH稱為 維持電流 。 圖 29 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 正向轉折電壓Ubo 正向 導通 雪崩 擊穿 O + U A U A I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 34/89 晶閘管的基本特性 ■ 動態(tài)特性 ◆ 開通過程 ? 由于晶閘管內(nèi)部的 正反饋 過程 需要時間，再加上 外電路 電感 的限制，晶閘管受到觸發(fā) 后，其陽極電流的增長不可能 是 瞬時 的。 ? 反向阻斷恢復時間 trr 正向阻斷恢復時間 tgr 關斷時間 tq=trr+tgr ? 關斷時間約幾百微秒。 ? 斷態(tài)不重復峰值電壓應低于 正向轉折電壓 Ubo。 37/89 晶閘管的主要參數(shù) ◆ 通態(tài)（峰值）電壓 UT ? 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電 壓。 ? 按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的 發(fā)熱效應 來定義的。 ◆ 擎住電流 IL ? 擎住電流是晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號 后，能維持導通所需的 最小 電流。 ◆ 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt ? 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的 最大通態(tài)電流上升率 。 ◆ 從 關斷時間 來看，普通晶閘管一般為 數(shù)百 微秒，快速 晶閘管為 數(shù)十 微秒，而高頻晶閘管則為 10?s左右。 ◆ 門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通，在第Ｉ 和第 III象限有 對稱的伏安特性 。 圖 212 逆導晶閘管的電氣圖形符號 和伏安特性 a) 電氣圖形符號 b) 伏安特性 43/89 晶閘管的派生器件 A G K a) AK 光強度 強 弱 b) O U I A ■ 光控晶閘管（ Light Triggered Thyristor——LTT） ◆ 是利用一定波長的 光照信號 觸發(fā)導通的晶閘管。 ■ 20世紀 80年代以來，電力電子技術進入了一個 嶄新時代。 ? 是一種多元的功率集成 器件，雖然外部同樣引出個 極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個甚 至數(shù)百個共陽極的 小 GTO 元 ，這些 GTO元的 陰極 和 門 極 則在器件內(nèi)部 并聯(lián) 在一起。 √導通時 ?1+?2更接近 1，導通時接近 臨界飽和 ，有利門極控制關斷，但導通時管 壓降 增大。 ? GTO的 多元集成結構 使得其比普通晶閘管 開通過程 更快，承受 di/dt的能力增強。使門極負脈沖的 后沿緩慢衰減，在 tt階段仍能保持適當?shù)?負電壓 ，則可以縮短 尾部時間 。 ? ?off一般很小，只有 5左右，這是 GTO的一個主要缺點。 ? 儲存時間隨 陽極電流 的增大而增大，下降時間一般小于 2?s。 ◆ 最主要的特性是 耐壓高 、 電流大 、 開關 特性好。集電極電流 ic與基極電流 ib之比為 ?稱為 GTR的 電流放大系數(shù) ，它反映了基極電流對集電極電流的控制能力。 ? 在開關過程中，即在截 止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時， 一般要經(jīng)過 放大區(qū) 。 √減小導通時的 飽和深度 以減 小儲存的載流子，或者增大基極 抽取負電流 Ib2的幅值和負偏壓， 可以縮短儲存時間，從而加快關 斷速度。 56/89 電力晶體管 ■ GTR的主要參數(shù) ◆ 電流放大倍數(shù) ?、直流電流增益 hFE、集電極與發(fā)射極間漏電流 Iceo、 集電極和發(fā)射極間飽和壓降 Uces、開通時間 ton和關斷時間 toff ◆ 最高工作電壓 ? GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生 擊穿 。 ? 實際使用時要留有較大裕量，只能用到 IcM的 一半 或 稍多一點 。 ◆ 發(fā)現(xiàn)一次擊穿發(fā)生時如不有效地限制電流， Ic增大到某個臨界點時 會突然急劇上升，同時伴隨著電壓的陡然下降，這種現(xiàn)象稱為二次擊 穿。 59/89 電力場效應晶體管 ■ 分為 結型 和 絕緣柵型 ，但通常主要指絕緣柵型