【正文】 (1) 半控型器件 —— 通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷 ?晶閘管 （ Thyristor） 及其大部分派生器件 ?器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定 ■ 電力電子器件的分類 (2) 全控型器件 —— 通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷 ， 又稱自關(guān)斷器件 ?絕緣柵雙極晶體管 （ InsulatedGate Bipolar Transistor—— IGBT） ?電力場效應(yīng)晶體管 （ Power MOSFET， 簡稱為電力 MOSFET） ?門極可關(guān)斷晶閘管 （ GateTurnOff Thyristor — GTO） ■ 電力電子器件的分類 (3) 不可控器件 —— 不能用控制信號(hào)來控制其通斷 ， 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路 ?電力二極管 （ Power Diode） ? 只有兩個(gè)端子 ， 器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的 按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的 性質(zhì) ， 分為兩類： ?電流驅(qū)動(dòng)型 —— 通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 ?電壓驅(qū)動(dòng)型 —— 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制 ■ 電力電子器件的分類 ? 電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài) ， 所以又稱為場控器件 ， 或場效應(yīng)器件 ? 按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類： ?單極型器件 —— 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件 ?雙極型器件 —— 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件 ?復(fù)合型器件 —— 由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 ■ 本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn) ? 介紹各種器件的工作原理 、 基本特性 、 主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題 ， 然后集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng) 、 保護(hù)和串 、 并聯(lián)使用這三個(gè)問題 。 空間電荷建立的電場被稱為 內(nèi)電場 或 自建電場 ， 其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的 ， 另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子 （ 對(duì)本區(qū)而言則為多子 ） 向本區(qū)運(yùn)動(dòng) ， 即 漂移運(yùn)動(dòng) 。 。 。 。++++++++空間電荷區(qū)P 型區(qū) N 型區(qū)內(nèi)電場 ■ ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ? PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 二極管的基本原理就在于 PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一 主 要特征 ? PN結(jié)的反向擊穿 有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式 ， 可能導(dǎo)致熱擊穿 ?PN結(jié)的電容效應(yīng)： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化 ， 呈現(xiàn) 電容效應(yīng) ， 稱 為 結(jié)電容 CJ， 又稱為 微分電容 。 ■ PN結(jié)與電力二極管的工作原理 ?造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： ?正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流 ， 其電流密度較大 ， 因而額外載流子的注入水平較高 ， 電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略 ?引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響 ?承受的電流變化率 di/dt較大 ， 因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響 ?為了提高反向耐壓 ， 其摻雜濃度低也造成正向壓降較大 ■ 電力二極管的基本特性 ? 電力二極管的基本特性 圖 14 電力二極管的伏安特性 ■ IOIFUTOUFU 電力二極管的基本特性 ? 1. 靜態(tài)特性 （ 電力二極管伏安特性圖 ） ?主要指其伏安特性 當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值 （ 門檻電壓 UTO） ， 正向電流才開始明顯增加 ， 處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài) 。 這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間 tfr。 ■ 電力二極管的主要類型 ? 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(fù)特性的不同介紹 ?在應(yīng)用時(shí) ， 應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管 ?性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的 ■ 電力二極管的主要類型 ?1. 普通二極管 （ General Purpose Diode） ?又稱整流二極管 （ Rectifier Diode） ?多用于開關(guān)頻率不高 （ 1kHz以下 ） 的整流電路中 ?其反向恢復(fù)時(shí)間較長 ， 一般在 5?s以上 ， 這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要 ?正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高 ， 分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上 ■ 電力二極管的主要類型 ?2. 快恢復(fù)二極管 （ Fast Recovery Diode—— FRD） ?恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短 （ 5?s以下 ） 的二極管 ， 也簡稱快速二極管 ?工藝上多采用了摻金措施 ?有的采用 PN結(jié)型結(jié)構(gòu) ?有的采用改進(jìn)的 PiN結(jié)構(gòu) ■ 電力二極管的主要類型 ? 采用外延型 PiN結(jié)構(gòu)的的 快恢復(fù)外延二極管 （ Fast Recovery Epitaxial Diodes—— FRED） ， 其反向恢復(fù)時(shí)間更短 （ 可低于 50ns） ， 正向壓降也很低（ ） ， 但其反向耐壓多在 400V以下 ? 從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí) 。 由以上式 （ 11） ~（ 14）可得 ■ )(1 21C B O 2C B O 1G2A????????IIII 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 ?阻斷狀態(tài)： IG=0， ?1+?2很小 。 IH稱為維持電流 。 ■ 晶閘管的主要參數(shù) ?1. 電壓定額 ?1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 UDRM—— 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí) ， 允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓 。 選用時(shí) ， 額定電壓要留有一定 裕量 ,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓 2~3倍 ■ 晶閘管的主要參數(shù) ?2. 電流定額 1) 通態(tài)平均電流 IT(AV) 額定電流 晶閘管在環(huán)境溫度為 40?C和規(guī)定的冷卻狀態(tài) 下 ， 穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值 。 ■ 晶閘管的派生器件 3. 逆導(dǎo)晶閘管 （ Reverse Conducting Thyristor——RCT） ? 將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件 ? 具有正向壓降小 、 關(guān)斷時(shí)間短 、 高溫特性好 、 額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn) ? 逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè) ， 一個(gè)是晶閘管電流 ，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流 圖 111 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 ■ b)a)UOIKGAIG= 0 晶閘管的派生器件 4. 光控晶閘管 （ Light Triggered Thyristor——LTT） 圖 112 光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性 a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性 ■ 光強(qiáng)度強(qiáng) 弱b)AGKa)O UAKIA 晶閘管的派生器件 ? 又稱光觸發(fā)晶閘管 ， 是利用一定波長的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管 ? 小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個(gè)端子 ? 大功率光控晶閘管則還帶有光纜 ， 光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器 ? 光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣 ， 且可避免電磁干擾的影響 ， 因此目前在高壓大功率的場合 ，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中 ， 占據(jù)重要的地位 ■ 典型全控型器件 典型全控型器件 門極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 電力場效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極晶體管 典型全控型器件 ? 門極可關(guān)斷晶閘管 —— 在晶閘管問世后不久出現(xiàn) ? 20世紀(jì) 80年代以來 ， 信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合 —— 高頻化 、 全控型 、 采用集成電路制造工藝的電力電子器件 ， 從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代 ? 典型代表 —— 門極可關(guān)斷晶閘管 、 電力晶體管 、 電力場效應(yīng)晶體管 、 絕緣柵雙極晶體管 ■ 門極可關(guān)斷晶閘管 ? 門極可關(guān)斷晶閘管 （ GateTurnOff Thyristor — GTO） ?晶閘管的一種派生器件 ?可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷 ?GTO的電壓 、 電流容量較大 ， 與普通晶閘管接近 ，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用 ■ 門極可關(guān)斷晶閘管 ? 1. GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 ?結(jié)構(gòu)： 與普通晶閘管的相同點(diǎn)： PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) ， 外部引出陽極 、 陰極和門極 ?和普通晶閘管的不同： GTO是一種多元的功率集成器件 ， 內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)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 圖 113 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形符號(hào) c)圖1 1 3AG K G GKN 1P 1N 2N 2 P2b)a)AGK ■ 門極可關(guān)斷晶閘管 ? 工作原理： ?與普通晶閘管一樣 ， 可以用圖 17所示的雙晶體管模型來分析 ??1+?2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件 。1000A的 GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要 200A GMAT Oo f f II?? ■ 電力晶體管 ?術(shù)語用法： ?電力晶體管 （ Giant Transistor—— GTR， 直譯為巨型晶體管 ） ?耐高電壓 、 大電流的雙極結(jié)型晶體管 （ Bipolar Junction Transistor—— BJT） ， 英文有時(shí)候也稱為 Power BJT ?在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi) ， GTR與 BJT這兩個(gè)名稱等效 ? 應(yīng)用 ?20世紀(jì) 80年代以來 ， 在中 、 小功率范圍內(nèi)取代晶閘管 ， 但目前又大多被 IGBT和電力 MOSFET取代 ■ 電力晶體管 ?1. GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 (圖 15） ?與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的 ?主要特性是耐壓高 、 電流大 、 開關(guān)特性好 ?通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu) ?采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 ■ 電力晶體管 圖 115 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng) ? 一般采用共發(fā)射極接法 ， 集電極電流 ic與基極電流 ib之比為 （ 19） ? ? —— GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力 圖1 1 5a)基極 bP 基區(qū)N 漂移區(qū)N + 襯底基極 b 發(fā)射極 c集電極 cP + P +N +b)bec空穴流電子流c)EbEcibic= ? ibie= ( 1 + ?? ? ibbcii?? ■ 電力晶體管 ? 當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流 Iceo時(shí) ，ic和 ib的關(guān)系為 ic=? ib +Iceo （ 110） ? 產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益 hFE—— 在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比 。 但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電 ， 仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率 。 ?電流上升時(shí)間 tr —— iC從 10%ICM上升至 90%ICM所需時(shí)間 ? 開通時(shí)間 ton—— 開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和 ?uCE的下降過程分為 tfv1和 tfv