电力电子-陈坚第2章

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1、第2章半导体电力开关器件22半导体电力开关器件2.1电力二极管2.2双极结型电力晶体管BJT2.3晶闸管及其派生器件2.4门极可关断晶闸管GTO2.5电力场效应晶体管P－MOSFET2.6绝缘门极双极型晶体管IGBT*2.7*2.8自学2.9半导体电力开关模块和功率集成电路本章小结3电力开关器件家族树4电力开关器件发展史52.1电力二极管5电力二极管实物图62.1.1半导体PN结P型、N型半导体和PN结72.1.2半导体二极管基本特性—单向导电性正向接法时内电场被削弱，扩散运动强于漂移运动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。反向

2、接法时内电场被增强，漂移运动强于扩散运动，光热激发形成的少数载流子导电，等效电阻很大。7半导体二极管的符号及正反向接法82.1.2半导体二极管基本特性—单向导电性（续1）正向接法反向接法92.1.2半导体二极管基本特性—单向导电性（续2）一般表达式：反向时的表达式：正向时的表达式：Is：反向饱和电流102.1.2半导体二极管基本特性—单向导电性（续3）PN结高频等效电路112.1.3半导体电力二极管重要参数半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量二极管使用过程中：是否被过压击穿是否会过热烧毁开关特性12额定电流的定义：其额定发热所允许的正弦

3、半波电流的平均值。当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：13当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：最大允许全周期均方根正向电流的定义：当二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms称为最大允许全周期均方根正向电流。14二极管电流定额的含义如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。由额定电流和最大允许全周期均方根正向电流

4、的公式，得：15选择二极管电流定额的过程：求出电路中二极管电流的有效值IFrms；求二极管电流定额IFR，等于有效值IFrms除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。16半导体电力二极管的开关特性开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完成，它要经历一个短时的过渡过程；此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管有很大差异；理解开关过程对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。状态：过程：导通、阻断开通、关断17半导体电力二极管的开关特性（续）二极管开通及反向恢复

5、过程示意图18半导体电力二极管的开关特性（续）二极管关断过程示意图19半导体电力二极管重要参数有关半导体电力二极管使用特性和准则的几个重要参数是：最大允许反向重复峰值电压额定电流最大允许的全周期均方根正向电流最大允许非重复浪涌电流最大允许的PN结结温和管壳温度结－壳、壳－散热器热阻反向恢复时间20半导体电力二极管重要参数（续1）二极管关断电压、电流波形212.1.4二极管的基本应用整流续流222.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用2.2.2静态特性2.2.3电力三极管使用参数和特性BJT(BipolarJunctionTransi

6、stor)或GTR(GiantTransistor)2.2双极结型电力晶体管BJT232.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用三极管的结构和符号242.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用(续1)载流子流向示意图252.2.1晶体管基极电流对集电极电流的控制作用(续2)基极电流控制集电极电流262.2.2三极管的特性三极管输入、输出特性272.2.3电力三极管使用参数和特性图2.9不同基极状态时，集－射极击穿电压1.集电极额定电压2.集电极额定电流（最大允许电流）3.饱和压降4.基极电流的最大允许值5.开通和关断时间6.安全工

7、作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。2、二次击穿和安全工作区（1）二次击穿图2.5.6一次击穿、二次击穿原理图2.5.7二次击穿临界线正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条件下由GTR的最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压BUCEO、最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域

8、。反偏安全工作区又称GTR的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE、电流IC限制界线所围成的区域。2.5.1电力晶体管及其工作原理（2）、安全工作区图2.5.9GTR