2器件原理
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2014-11-1 2-10
器件原理
全控型器件： 通过控制极（门极或基极 或柵极）是否施加驱动信号既能控制管子 导通又能控制管子关断，如GTO、GTR/BJT、 IGBT、 MOSFET及其它新型场控器件MCT、 IGCT、SIT、SITH、IPM等
2014-11-1
2-11
器件原理
小资料 电力二极管（D）——Power Diode 快恢复二极管（FRD）——Fast Recovery Diode 晶闸管/可控硅（SCR）——Thyristor （Silcon Controlled Rectifier） 快速晶闸管（FST）——Fast Switching Thyristor 光控晶闸管（LTT）——Light Triggered Thyristor 双向晶闸管（TRIAC）——Bidirectional triode Thyristor 逆导晶闸管（RCT）——Reverse Conducting Thyristor
2014-11-1 2-24
器件原理
四、主要参数:
正向平均电流 IF（AV）：指在规定的管壳温度 （TC）和散热条件下，允许流过的最大工频 正弦半波电流的平均值。 正向压降 UF ：指在规定的温度下流过某一指 定的稳态电流时对应的正向压降 。
反向重复峰值电压 URRM ：指电力二极管所能 重复施加的反向最高峰值电压。
2014-11-1 2-2
器件原理
本章内容
2.1 电力电子器件概述
2.2 电力（功率）二极管 2.3 晶闸管（SCR） 2.6 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT）
2014-11-1
2-3
器件原理
2.1 电力电子器件概述
1、电力电子器件的概念
电力电子器件的是指可直接用于处理电能， 实现电能变换或控制的电子器件，通常专指 电力半导体器件。
A K A I P J b) N K
K
A a)
2014-11-1
c)
2-19
器件原理
三、特 性
1、静态特性
伏安特性
电力二极管承受的正向 电压大到一定值（门槛 电压UTO），正向电流才 开始明显增加，处于稳 定导通状态。 当电力二极管承受反向 电压时，有微小的反向 漏电流。
2014-11-1
2014-11-1 2-6
器件原理
3、电力电子器件的特征☆（与信息电子器件相比） 功率远大于信息电子器件，从mW~MW。额定电压 和额定电流等级是其最重要的参数； 工作在开关状态（相当于普通晶体管的饱和与 截止状态），因而动态特性（开关特性）也是 很重要的参数，有时甚至是最重要的参数； 需要用驱动电路驱动；
I IF
O UTO
UF
U
电力二极管的伏安特性
2-20
器件原理
iD I iD
1、静态特性（续） 理想伏安特性1
+ v D (a)
0 反向 阻断区 (b)
≈
A
id
K
VB
vD
0
vD
ห้องสมุดไป่ตู้
(c)
图2.3 （a）功率二极管符号；（b）伏安特性；（c）理想特性
iD
理想伏安特性2
0 (a)
iD vAK A
+ E -
RD
K
(b)
图2.4 考虑二极管正向压降
在以后的电路分析中，我们均采用理想伏安特 性1来简化电力二极管。
2014-11-1 2-21
器件原理
2、动态特性
电力电子器件工作状态的转换并非瞬间完成， 需要一定的时间。 动态特性是指器件在通态和断态之间转换过 程中的开关特性（电压—电流特性）。
对工频整流电路来说可认为器件是理想开关 （瞬间开通/瞬间关断）。 对高频电路来说，需要考虑动态特性。
iD
trr Qrr
0
t
IRM
2014-11-1
2-26
图2.5 二极管关断特性
器件原理
五、电力二极管的主要类型☆: 整流二极管： 反向恢复时间trr >5us，一 般用于开关频率1KHz以下的整流电路（低频、 大容量）。 ——正向电流定额和反向电压定额可以达到 很高，分别可达数千安和数千伏以上。 反向恢复时间 trr ：
iD
trr Qrr
在关断过程中，从电流 降到零起到完全恢复反向 阻断能力止的时间。
2014-11-1
0
t
IRM
图2.5 二极管关断特性
2-27
器件原理
快恢复二极管：指反向恢复时间trr很短的二 极管（ trr =几十~几百ns）。一般用于高频 电路。 ——性能上可分为快速恢复和超快速恢复 两个等级。
2014-11-1
2-15
器件原理
• 双极型器件特点
通态压降较低、阻断电压高、电流容量大
• 单极型器件特点 开关时间短、输入阻抗高（电压控制型） 具有负的电流—温度特性，即正的电阻—温 度特性。
通态压降高、电压和电流定额较小。
• 复合型器件特点
既有电流容量大、导通压降小的优点；
又有输入阻抗高、响应速度快的优点。
2014-11-1 2-12
器件原理
小资料 门极可关断晶闸管（GTO）——Gate Turn Off Thyristor 集成门极换流晶闸管（IGCT）——Integrated Gate-Commutated Thyristor 电力晶体管（GTR）或双极结型晶体管（BJT）— —Giant Transistor或Bipolar Junction Transistor 电力场效应晶体管（电力 MOSFET）—— 绝缘栅双极晶体管（IGBT）——Insulated-gate Bipolar Transister
2014-11-1
2-22
器件原理
IF UF tF t0 d iF dt td trr t1 d iR dt IRP u i tf t2 UR t 2V 0 uF tfr t UFP iF
• • 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示
和普通半导体器件一样，目前电力半导体器 件所用的主要材料仍然是——硅。
2014-11-1
2-4
器件原理
2、主要损耗☆
通态损耗：导通（相当于普通晶体管饱和导通） 时器件上有一定的通态压降，产生损耗。 断态损耗：阻断（相当于普通晶体管管截止） 时器件上有微小的断态漏电流流过，产生损耗。 开关损耗 开通损耗：在器件开通（阻断→开通）过程 中产生的损耗； 关断损耗：在器件关断（开通→阻断）过程 中产生的损耗。
——通常是其雪崩击穿电压UB的2/3
——使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的 反向最高峰值电压的两倍来选定。
2014-11-1 2-25
器件原理
四、主要参数（续） 最高工作结温 TJM ：指在PN结不致损坏的前 提下，PN结所能承受的最高平均结温。 ——通常在1250C~1750C之间。 浪涌电流 IFSM ：指电力二极管所能承受的 最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 反向恢复时间 trr ：关断过程中，电流降到 零起到完全恢复反向阻断能力止的时间。
需要装散热器散热；
2014-11-1
2-7
器件原理
4、电力电子器件的发展概况 第一代电力电子器件
无关断能力的SCR（57年美国GE公司发明）
第二代电力电子器件
有关断能力的GTO(61年)、GTR/BJT(75年) 等
第三代电力电子器件 性能优异的复合型器件如：IGBT(1983年)、 智能器件IPM (Intelligent Power Module) 等
2014-11-1 2-16
器件原理
按门极驱动信号的种类（电流、电压）分类： 电流控制型器件 IGCT、SITH等 如晶闸管、GTO、GTR/BJT、
电压控制型器件 SIT、MCT等
如MOSFET、IGBT、IPM、
——电压控制型器件的驱动功率要远小于 电流控制型器件 ，驱动电路也简单，而且 工作频率高。
2014-11-1 2-8
器件原理
电力电子器件的发展目标和评价标准
• 70年代 — 大容量（电压、电流）
• 80年代 — 高频化（功率、频率）
• 90年代 — 高性能化 （大容量、高频率、易驱动、低损耗） 评价标准：功率容量、开关速度、通态压降、 驱动功率、驱动信号 • 现在 — 集成化、模块化、智能化
2014-11-1 2-13
器件原理
小资料 MOS控制晶闸管（MCT）——MOS controlled Thyristor 静电感应晶闸管（SITH）——Static Induction Thyristor 静电感应晶体管（SIT）——Static Induction Transistor
2014-11-1
器件原理
第二章
电力电子器件的原理与特性
2014-11-1
2-1
器件原理
要求及重点
• 要求：
了解电力电子器件的发展、分类与应用；
理解和掌握功率二极管、SCR、MOSFET和 IGBT等常用器件的工作原理、电气特性和主 要参数。 • 重点：
各种电力电子器件原理、性能上的不同点， 各自应用的场合（可工作区域）。
2014-11-1 2-23
URP a) 正向偏置转换为反向偏置 a) 正向恢复时间：tfr
b) 零偏置转换为正向偏置 b)
器件原理
（1）关断过程：
须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻
断能力，进入截止状态。
在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随
有明显的反向电压过冲。
（2）开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP， 经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值 （如 2V ）。这一动态过程时间被称为正向 恢复时间tfr。
5、电力二极管的工作原理、静态特性与信息二 极管的工作原理、静态特性基本相同
2014-11-1 2-29
器件原理
2. 3 晶闸管
一、名称 晶闸管 （Thyristor） 可控硅 （SCR） 二、外形与符号 螺栓式结构 (<200A) 平板式结构 (>200A)
2014-11-1 2-30
器件原理
2014-11-1 2-17
器件原理
6、应用场合（可工作区域）☆ 决定应用场合的基本因素：容量和工作频率 SCR GTO GTR IGBT MOSEFT
2014-11-1
2-18
器件原理
2.2 电力（功率）二极管
一、工作原理（与普通二极管相同）
PN结：正向导通
反向截止
二、外形
肖特基二极管：反向恢复时间很短（ trr =10~40ns） 耐压较低，一般用于高频、低 电压电路。
2014-11-1
2-28
器件原理
2.1、2.2 小 结
1、理解电力电子器件的特征（与普通电子器件 的不同点）（4个方面） 2、了解电力电子器件的分类（3种分类方法） 3、理解电力电子器件的主要损耗（3种） 4、掌握电力电子器件所能达到的功率等级、开 关频率比较
2-14
器件原理
按器件内部载流子参与导电的种类分类： 单极型器件：只有一种载流子参与导电，如 MOSFET、SIT等 双极型器件：有两种载流子参与导电，如二 极管、 晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。 复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成，如IGBT、IPM、MCT等。
2014-11-1 2-5
器件原理
• 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是 造成器件发热的原因之一。
• 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态 损耗是造成器件功率损耗的主要原因。
• 器件开关（工作）频率较高时，开关损耗会随之 增大而可能成为器件功率损耗的主要因素 。 讨论☆ ：各种损耗与那些因素有关？ 器件通态电流、器件通态电阻/通态压降、开 通/关断时间、器件工作频率等。
2014-11-1
2-9
5、分类☆
按其开关控制性能分类：
器件原理
不控型器件： 无控制极，器件的导通与 关断完全由其在主电路中承受的电压和电 流决定，正偏置导通、反偏置关断，如电 力二极管(D)
半控型器件： 控制极（门极）只能控制 管子导通而不能控制管子关断，器件的关 断完全由其在主电路中承受的电压和电流 决定，如晶闸管(SCR)及其家族器件（FST、 RCT、TRIAC、LTT）
三、SCR的工作原理分析
内部结构：PNPN四层结构；P1区引出阳极A， P2 区引出门极G， N2区引出阴极K；四个区形成三个 PN结J1、J2、J3。
A A A
IA P1 N1
G
A P 1 J1 N1 IC2 N1 T2 N2 IC K R
P1 J1 J2 J3
器件原理
全控型器件： 通过控制极（门极或基极 或柵极）是否施加驱动信号既能控制管子 导通又能控制管子关断，如GTO、GTR/BJT、 IGBT、 MOSFET及其它新型场控器件MCT、 IGCT、SIT、SITH、IPM等
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器件原理
小资料 电力二极管（D）——Power Diode 快恢复二极管（FRD）——Fast Recovery Diode 晶闸管/可控硅（SCR）——Thyristor （Silcon Controlled Rectifier） 快速晶闸管（FST）——Fast Switching Thyristor 光控晶闸管（LTT）——Light Triggered Thyristor 双向晶闸管（TRIAC）——Bidirectional triode Thyristor 逆导晶闸管（RCT）——Reverse Conducting Thyristor
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器件原理
四、主要参数:
正向平均电流 IF（AV）：指在规定的管壳温度 （TC）和散热条件下，允许流过的最大工频 正弦半波电流的平均值。 正向压降 UF ：指在规定的温度下流过某一指 定的稳态电流时对应的正向压降 。
反向重复峰值电压 URRM ：指电力二极管所能 重复施加的反向最高峰值电压。
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器件原理
本章内容
2.1 电力电子器件概述
2.2 电力（功率）二极管 2.3 晶闸管（SCR） 2.6 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） 2.7 绝缘栅双极晶体管（IGBT）
2014-11-1
2-3
器件原理
2.1 电力电子器件概述
1、电力电子器件的概念
电力电子器件的是指可直接用于处理电能， 实现电能变换或控制的电子器件，通常专指 电力半导体器件。
A K A I P J b) N K
K
A a)
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c)
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器件原理
三、特 性
1、静态特性
伏安特性
电力二极管承受的正向 电压大到一定值（门槛 电压UTO），正向电流才 开始明显增加，处于稳 定导通状态。 当电力二极管承受反向 电压时，有微小的反向 漏电流。
2014-11-1
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器件原理
3、电力电子器件的特征☆（与信息电子器件相比） 功率远大于信息电子器件，从mW~MW。额定电压 和额定电流等级是其最重要的参数； 工作在开关状态（相当于普通晶体管的饱和与 截止状态），因而动态特性（开关特性）也是 很重要的参数，有时甚至是最重要的参数； 需要用驱动电路驱动；
I IF
O UTO
UF
U
电力二极管的伏安特性
2-20
器件原理
iD I iD
1、静态特性（续） 理想伏安特性1
+ v D (a)
0 反向 阻断区 (b)
≈
A
id
K
VB
vD
0
vD
ห้องสมุดไป่ตู้
(c)
图2.3 （a）功率二极管符号；（b）伏安特性；（c）理想特性
iD
理想伏安特性2
0 (a)
iD vAK A
+ E -
RD
K
(b)
图2.4 考虑二极管正向压降
在以后的电路分析中，我们均采用理想伏安特 性1来简化电力二极管。
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器件原理
2、动态特性
电力电子器件工作状态的转换并非瞬间完成， 需要一定的时间。 动态特性是指器件在通态和断态之间转换过 程中的开关特性（电压—电流特性）。
对工频整流电路来说可认为器件是理想开关 （瞬间开通/瞬间关断）。 对高频电路来说，需要考虑动态特性。
iD
trr Qrr
0
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IRM
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图2.5 二极管关断特性
器件原理
五、电力二极管的主要类型☆: 整流二极管： 反向恢复时间trr >5us，一 般用于开关频率1KHz以下的整流电路（低频、 大容量）。 ——正向电流定额和反向电压定额可以达到 很高，分别可达数千安和数千伏以上。 反向恢复时间 trr ：
iD
trr Qrr
在关断过程中，从电流 降到零起到完全恢复反向 阻断能力止的时间。
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0
t
IRM
图2.5 二极管关断特性
2-27
器件原理
快恢复二极管：指反向恢复时间trr很短的二 极管（ trr =几十~几百ns）。一般用于高频 电路。 ——性能上可分为快速恢复和超快速恢复 两个等级。
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器件原理
• 双极型器件特点
通态压降较低、阻断电压高、电流容量大
• 单极型器件特点 开关时间短、输入阻抗高（电压控制型） 具有负的电流—温度特性，即正的电阻—温 度特性。
通态压降高、电压和电流定额较小。
• 复合型器件特点
既有电流容量大、导通压降小的优点；
又有输入阻抗高、响应速度快的优点。
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器件原理
小资料 门极可关断晶闸管（GTO）——Gate Turn Off Thyristor 集成门极换流晶闸管（IGCT）——Integrated Gate-Commutated Thyristor 电力晶体管（GTR）或双极结型晶体管（BJT）— —Giant Transistor或Bipolar Junction Transistor 电力场效应晶体管（电力 MOSFET）—— 绝缘栅双极晶体管（IGBT）——Insulated-gate Bipolar Transister
2014-11-1
2-22
器件原理
IF UF tF t0 d iF dt td trr t1 d iR dt IRP u i tf t2 UR t 2V 0 uF tfr t UFP iF
• • 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示
和普通半导体器件一样，目前电力半导体器 件所用的主要材料仍然是——硅。
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器件原理
2、主要损耗☆
通态损耗：导通（相当于普通晶体管饱和导通） 时器件上有一定的通态压降，产生损耗。 断态损耗：阻断（相当于普通晶体管管截止） 时器件上有微小的断态漏电流流过，产生损耗。 开关损耗 开通损耗：在器件开通（阻断→开通）过程 中产生的损耗； 关断损耗：在器件关断（开通→阻断）过程 中产生的损耗。
——通常是其雪崩击穿电压UB的2/3
——使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的 反向最高峰值电压的两倍来选定。
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器件原理
四、主要参数（续） 最高工作结温 TJM ：指在PN结不致损坏的前 提下，PN结所能承受的最高平均结温。 ——通常在1250C~1750C之间。 浪涌电流 IFSM ：指电力二极管所能承受的 最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 反向恢复时间 trr ：关断过程中，电流降到 零起到完全恢复反向阻断能力止的时间。
需要装散热器散热；
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器件原理
4、电力电子器件的发展概况 第一代电力电子器件
无关断能力的SCR（57年美国GE公司发明）
第二代电力电子器件
有关断能力的GTO(61年)、GTR/BJT(75年) 等
第三代电力电子器件 性能优异的复合型器件如：IGBT(1983年)、 智能器件IPM (Intelligent Power Module) 等
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器件原理
按门极驱动信号的种类（电流、电压）分类： 电流控制型器件 IGCT、SITH等 如晶闸管、GTO、GTR/BJT、
电压控制型器件 SIT、MCT等
如MOSFET、IGBT、IPM、
——电压控制型器件的驱动功率要远小于 电流控制型器件 ，驱动电路也简单，而且 工作频率高。
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电力电子器件的发展目标和评价标准
• 70年代 — 大容量（电压、电流）
• 80年代 — 高频化（功率、频率）
• 90年代 — 高性能化 （大容量、高频率、易驱动、低损耗） 评价标准：功率容量、开关速度、通态压降、 驱动功率、驱动信号 • 现在 — 集成化、模块化、智能化
2014-11-1 2-13
器件原理
小资料 MOS控制晶闸管（MCT）——MOS controlled Thyristor 静电感应晶闸管（SITH）——Static Induction Thyristor 静电感应晶体管（SIT）——Static Induction Transistor
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器件原理
第二章
电力电子器件的原理与特性
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2-1
器件原理
要求及重点
• 要求：
了解电力电子器件的发展、分类与应用；
理解和掌握功率二极管、SCR、MOSFET和 IGBT等常用器件的工作原理、电气特性和主 要参数。 • 重点：
各种电力电子器件原理、性能上的不同点， 各自应用的场合（可工作区域）。
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URP a) 正向偏置转换为反向偏置 a) 正向恢复时间：tfr
b) 零偏置转换为正向偏置 b)
器件原理
（1）关断过程：
须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻
断能力，进入截止状态。
在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随
有明显的反向电压过冲。
（2）开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP， 经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值 （如 2V ）。这一动态过程时间被称为正向 恢复时间tfr。
5、电力二极管的工作原理、静态特性与信息二 极管的工作原理、静态特性基本相同
2014-11-1 2-29
器件原理
2. 3 晶闸管
一、名称 晶闸管 （Thyristor） 可控硅 （SCR） 二、外形与符号 螺栓式结构 (<200A) 平板式结构 (>200A)
2014-11-1 2-30
器件原理
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器件原理
6、应用场合（可工作区域）☆ 决定应用场合的基本因素：容量和工作频率 SCR GTO GTR IGBT MOSEFT
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器件原理
2.2 电力（功率）二极管
一、工作原理（与普通二极管相同）
PN结：正向导通
反向截止
二、外形
肖特基二极管：反向恢复时间很短（ trr =10~40ns） 耐压较低，一般用于高频、低 电压电路。
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器件原理
2.1、2.2 小 结
1、理解电力电子器件的特征（与普通电子器件 的不同点）（4个方面） 2、了解电力电子器件的分类（3种分类方法） 3、理解电力电子器件的主要损耗（3种） 4、掌握电力电子器件所能达到的功率等级、开 关频率比较
2-14
器件原理
按器件内部载流子参与导电的种类分类： 单极型器件：只有一种载流子参与导电，如 MOSFET、SIT等 双极型器件：有两种载流子参与导电，如二 极管、 晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。 复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复 合而成，如IGBT、IPM、MCT等。
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器件原理
• 对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是 造成器件发热的原因之一。
• 通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态 损耗是造成器件功率损耗的主要原因。
• 器件开关（工作）频率较高时，开关损耗会随之 增大而可能成为器件功率损耗的主要因素 。 讨论☆ ：各种损耗与那些因素有关？ 器件通态电流、器件通态电阻/通态压降、开 通/关断时间、器件工作频率等。
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5、分类☆
按其开关控制性能分类：
器件原理
不控型器件： 无控制极，器件的导通与 关断完全由其在主电路中承受的电压和电 流决定，正偏置导通、反偏置关断，如电 力二极管(D)
半控型器件： 控制极（门极）只能控制 管子导通而不能控制管子关断，器件的关 断完全由其在主电路中承受的电压和电流 决定，如晶闸管(SCR)及其家族器件（FST、 RCT、TRIAC、LTT）
三、SCR的工作原理分析
内部结构：PNPN四层结构；P1区引出阳极A， P2 区引出门极G， N2区引出阴极K；四个区形成三个 PN结J1、J2、J3。
A A A
IA P1 N1
G
A P 1 J1 N1 IC2 N1 T2 N2 IC K R
P1 J1 J2 J3