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1、太原理工大学第8章 现代电力电子器件及其应用本章要求了解常用电力电子器件晶闸管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管等全控型器件的结构、工作原理、主要参数及其应用。本章内容电力电子技术是电力、电子、控制三大领域的交叉学科。晶闸管已成为目前半导体器件从弱电领域进入强电领域中制造技术最为成熟、应用最广泛的器件之一。它主要用于整流器（把交流电压变为固定的或可调的直流电压）、逆变器（把直流电压变为固定的或可调的交流电压）、斩波器（把固定的直流电压变为可调的直流电压）、交流调压器（把固定的交流电压变为可调的交流电压）等方面。随着高速晶闸管、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等全

2、控型器件的问世，晶闸管的应用日益广泛。电子技术也由传统的电力电子阶段进入现代电力电子阶段，现代电力电子技术已经成为衡量一个国家电子工业和电力工业是否现代化的主要标志之一。是现代电子技术中不可或缺的内容。本章介绍一些常用的电力半导体器件和应用。本章学时4学时8.1晶闸管本节学时1学时本节重点、晶闸管的工作原理；、伏安特性及主要参数：教学方法首先简单介绍晶闸管的结构,进而分析其工作原理,使学生了解晶闸管的半控性。教学手段以电子课件与传统教学手段相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容8.1.1 晶闸管的结构与符号晶闸管与二极管相比,它的单向导电能力还受到控制极上的信号控制。晶

3、闸管内部结构示意图如图8-1（a），它由PNPN四层半导体交替叠合而成，中间形成三个PN结。阳极A从上端P区引出，阴极K从下端N区引出，又在中间P区上引出控制极（或称门极）G。图8-1（b）是晶闸管的符号。晶闸管中通过阳极的电流比控制极中的电流大得多，所以一般晶闸管控制极的导线比阳极和阴极的导线要细。8.1.2 晶闸管的工作原理1晶闸管导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压，同时控制极和阴极之间加适当的正向电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。2导通以后的晶闸管，关断的方法是在阳极上加反向电压或将阳极电流减小到足够小的程度（维持电流IH以下）。8.1.3 晶闸管的伏安特性 晶闸管的阳极电

4、压U与阳极电流IA之间的关系曲线称为晶闸管的伏安特性曲线，如图8-4所示。在无触发信号时，如果在阳极和阴极之间加上额定的正向电压，则在晶闸管内只有很小的正向漏电流通过，它对应特性曲线的oa段，以后逐渐增大阳极电压到b点，此时晶闸管会从阻断状态突然转向导通状态。b点所对应的阳极电压称为无触发信号时的正向转折电压（或称“硬开通”电压），用UBO表示。晶闸管导通后，阳极电流IA的大小就由电路中的阳极电压UA和负载电阻来决定。晶闸管导通后，减小阳极电流IA，并使IA0），MOSFET内沟道出现，在漏极和源极之间加有电压时，就有漏极电流ID形成，器件导通；反之当栅极和源极之间加反向电压时（UGS0），沟

5、道消失，器件关断。8.3.2 功率MOSFET的主要特性1 输出特性 指在栅源电压UGS一定的情况下，漏极电流ID与漏源电压UDS关系的曲线族，如图8-10（a）所示。它分为三个区：（1）可调电阻区 当UGS一定时，漏极电流ID与漏极电压UGS几乎呈线性关系。当作为开关器件应用时，工作在此区内。（2）线性放大区 在该区中，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而加大，ID近似为一常数。当用于线性放大时工作在此区内。（3）击穿区 当漏极电压UDS过高时，漏极电流ID会急剧增加。在使用器件时应避免出现此种情况，否则会使器件损坏。2 转移特性转移特性 是以漏、源极电压UDS为参变量，反映栅、源电压

6、UGS与漏极电流ID之间的关系，如图8-10（b）所示。3开关特性 功率MOSFET是单极性电压控制器件，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，与关断时间相联系的存储时间大大减小，因而具有开关速度快的优点。 8.3.3 功率MOSFET的主要参数1 通态电阻ROND等于1mA时的栅极电压定义为开启电压。UT具有负温度系数。2 跨导gm跨导gm和晶体管的相似，反映了功率MOSFET的栅、源电压对漏极电流的控制能力。定义为： 单位为西门子简称（S）。3 漏、源击穿电压UBDS4 栅、源击穿电压UBGS5 漏极峰值电流IDM8.4 绝缘栅双极型晶体管本节学时1学时本节重点、绝缘栅双极型晶体管

7、的结构和工作原理 、绝缘栅双极型晶体管的主要特性及参数。教学方法首先了解绝缘栅双极型晶体管的结构和工作原理，进而了解其主要特性及其组成的功率模块（IPM）的应用。教学手段以电子课件与传统教学手段相结合的手段，让学生在有限的时间内掌握更多的相关知识。教学内容8.4.1 IGBT的结构和工作原理N沟道IGBT的结构与图形符号如图8-11所示。它有三个电极，即控制极G、集电极C和发射极E。它是在功率MOSFET的基础上增加一个高浓度P+层，形成了四层结构，由 PNPNPN 晶体管构成 IGBT。但是，NPN 晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使 NPN 不起作用。所以说，IGBT 的工作基本

8、与 NPN 晶体管无关，可以认为IGBT是以晶体管为主导元件（输出）、MOSFET为驱动元件（输入）的单向达林顿管。 8.4.2 IGBT的主要特性IGBT的特性可分为静态特性和动态特性。静态特性主要指IGBT的伏安特性、转移特性，动态特性主要指IGBT的开关特性。1.IGBT的伏安特性 当以栅极、发射极之间的电压UGE为参变量时，IGBT的集电极电流IC和集电极与发射极之间电压UCE的关系曲线，称为IGBT的伏安特性，如图8-12所示。2.IGBT的转移特性IGBT的转移特性是描述集电极电流与控制极、发射极电压UCE的关系曲线，如图8-13所示。3.动态特性 IGBT的动态特性也称开关特性，

9、它包括开通过程和关断过程。IGBT的开通时间约为0.51.2S，IGBT的关断时间约为0.551.5S。8.4.3 IGBT的主要参数1 控制极发射极击穿电压UGEM这个参数表示了IGBT控制极和发射极之间的耐压能力，其值一般为20V左右。2 集电极发射极最高电压UCEM该参数决定了IGBT的最高工作电压，目前IGBT的最高工作电压分为600V、1000V、1200V、1400V、1700V和3300V几个档次。3 开启电压UGE（th）开启电压是IGBT导通所需要的最低控制极电压。这个参数随温度升高而下降，温度每升高1OC，UGE（th）值下降5mV左右。在常温时的开启电压一般为26V。4通

10、态压降UCE（on）IGBT的通态压降UCE（on）约为25。5集电极最大电流ICM该参数表征IGBT的电流容量。由于IGBT大多工作在开关状态，因而ICM更具有实际意义，只要不超过额定结温（1500C），IGBT就可以工作在ICM范围内。 8.4.4 智能型器件IPM在IGBT的基础上,到20世纪90年代，具有智能型的功率模块，即IPM发展起来，使弱电和强电达到了完美的结合，推动电子电力进入智能化时代。IPM内部由PWM控制电路、故障检测和各种保护电路，以及采用带有电流传感器的IGBT芯片组成。IPM的结构框图如图8-14所示，它是由两个IGBT组成的桥路，集电极和发射极间并有续流二极管。IGBT为双发射极结构，其中的一个发射极是专为检测电流而设的，流过它的电流为集电极电流的1/10001/2000，取样电阻R上的电压作为检测信号，分别引入过电流保护和短路保护环节，从而精确地保护IGBT芯片。另外由于IPM的模块结构使其内部布线短且合理，线路的杂散电感可忽略，既使对较大的浪涌电压，也能将控制极电压有效地控制在开启电压以内，避免管子误导通。8.5现代电力电子技术应用实例分析 8.5.1 用功率MOSFET构成的高频电源 8.5.2 逆变器