第2章_理想开关和半导体开关
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第二章门电路
D off， 假设正确 ID 0 11V 1.5V I1 I 2 2 .5 V （4 1）K
7
§2.2 半导体三极管的开关特性 一. 双极型三极管的结构 IC
IB
VBC – + + + VCE VBE – – IE
NPN Si管
8
二. 特性
1.电流：IE =IB +IC 2.工作状态： 工作状态分类 导通 截止
IC1
T2 • IE2 • Y ° T5
R3
•
IR3
IB5
N—表示N个发射极。
41
●T1的状态：
∵VB1=VBC1+VBE2+VBE5=2.1V ∴T1处于倒置状态。 I C1 I B1 N反 I B1
I B1 VCC VB1 R1
0.73mA
● T2、 T5的状态：
T2、 T5饱和VO=0.3V
45
二.TTL与非门 • R1 4K • Vcc =5V
°
R2 1.6K
•
R4 130
T4
A
B
T1
T2
• R3 1K • 倒相级
D3
• T5 Y °
输入级
输出级
46
三.负载能力分析 负载——指门电路输出端所接的其它 电路。 NO——扇出系数，表示能够驱动同类门的数目。 灌电流负载——负载电流从后级门注入前级门 负载
14
5）饱和条件及特点 条件：IB >IBS IB — 进入饱和以后的基流。 IBS—临界饱和基流。 求IB 、 IBS的步骤： Vi VBE a）I B Rb
b）I CS c）I BS VCC VCES VCC RC RC I CS
7
§2.2 半导体三极管的开关特性 一. 双极型三极管的结构 IC
IB
VBC – + + + VCE VBE – – IE
NPN Si管
8
二. 特性
1.电流：IE =IB +IC 2.工作状态： 工作状态分类 导通 截止
IC1
T2 • IE2 • Y ° T5
R3
•
IR3
IB5
N—表示N个发射极。
41
●T1的状态：
∵VB1=VBC1+VBE2+VBE5=2.1V ∴T1处于倒置状态。 I C1 I B1 N反 I B1
I B1 VCC VB1 R1
0.73mA
● T2、 T5的状态：
T2、 T5饱和VO=0.3V
45
二.TTL与非门 • R1 4K • Vcc =5V
°
R2 1.6K
•
R4 130
T4
A
B
T1
T2
• R3 1K • 倒相级
D3
• T5 Y °
输入级
输出级
46
三.负载能力分析 负载——指门电路输出端所接的其它 电路。 NO——扇出系数，表示能够驱动同类门的数目。 灌电流负载——负载电流从后级门注入前级门 负载
14
5）饱和条件及特点 条件：IB >IBS IB — 进入饱和以后的基流。 IBS—临界饱和基流。 求IB 、 IBS的步骤： Vi VBE a）I B Rb
b）I CS c）I BS VCC VCES VCC RC RC I CS
第二章 半导体二极管及其应用
ui R ui t VD1 UREF=5V VD2 uo uo UREF+0.7V 0 −（UREF+0.7V） t
0
图2-12 双向限幅电路
开关作用 电子开关电路。在自动化控制电路和数字电路中有广泛地应 用。电子开关比机械开关的开关速度快得多，可达一秒钟上万 次，且无触点的颤动引起的火花，安全可靠。 图2-13所示的两个电路。
我们将在下一节详细讨论。
2. 检波 通常，无线电波中含有复杂的多种频率成分， 调幅收音机必须从中挑选出需要的音频信号， 为此要设置检波电路。半导体二极管检波电 路如图2-11所示。其中VD是检波二极管，C1 是高频滤波电容，R是检波电路负载电阻， C2是与下一级电路的耦合电容。
ui 调频 信号 VD C1
N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 S p+ Si 子 电方式，称为电子半导体 i 动画 或N型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 磷原子 在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
二极管电路定性分析
导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。
定性分析：判断二极管的工作状态
否则，正向管压降
硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
N型半导体和 P 型半导体
0
图2-12 双向限幅电路
开关作用 电子开关电路。在自动化控制电路和数字电路中有广泛地应 用。电子开关比机械开关的开关速度快得多，可达一秒钟上万 次，且无触点的颤动引起的火花，安全可靠。 图2-13所示的两个电路。
我们将在下一节详细讨论。
2. 检波 通常，无线电波中含有复杂的多种频率成分， 调幅收音机必须从中挑选出需要的音频信号， 为此要设置检波电路。半导体二极管检波电 路如图2-11所示。其中VD是检波二极管，C1 是高频滤波电容，R是检波电路负载电阻， C2是与下一级电路的耦合电容。
ui 调频 信号 VD C1
N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素 掺杂后自由电子数目 Si Si 多 余 大量增加，自由电子导电 电 成为这种半导体的主要导 S p+ Si 子 电方式，称为电子半导体 i 动画 或N型半导体。 失去一个 电子变为 正离子 磷原子 在N 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
二极管电路定性分析
导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。
定性分析：判断二极管的工作状态
否则，正向管压降
硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。 若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
N型半导体和 P 型半导体
第二章 门电路
第二章门电路（一）授课时间：第一次（二）教学目的：理解门电路基本概念；掌握半导体器件的开关特性；（三）教学重点与难点：半导体器件的开关特性（四）教学内容与过程：2.1 概述一、门电路：实现基本和常用逻辑运算的电子电路。
二、逻辑变量与两种状态的开关：变量：0 1开关：二极管三极管、场效应管三、高低电平与正负逻辑：1、高电平：2.4 ——5V低电平：0—0.8V2、正逻辑：高电平1 低电平0负逻辑：高电平0 低电平1四、分立元件门电路与集成门电路2.2 半导体器件的开关特性理想开关特性：动态：开通关断瞬间完成，时间为0静态：断开：电流为0 ，电阻为无穷大闭合：电压为0 ，电阻为0一、二极管的开关特性：1、符号、伏安特性：2、开关特性：（1）静态特性：a、导通条件和特点：发射结压降大于0.5V；相当于开关闭合b 、截止条件和特点：发射结压降小于0.5V ；相当于开关断开 （2）动态特性：t off t on 为不为0（用曲线解释） 原因：载流子的存储 二、三极管的开关特性： 1、符号、伏安特性： 2、开关特性：CCESCC BS R U V I β-=BS B I i 〉 饱和BS B I i 〈〈0 放大 三种状态的特点见表格p400=B i 截止（1）静态特性：a 、饱和导通条件和特点：BS B I i 〉；相当于开关闭合b 、截止条件和特点：0=B i ；相当于开关断开 （2）动态特性：开通时间：由截止到饱和导通所需的时间叫做开通时间 关闭时间：由饱和导通到截止所需的时间叫做关闭时间例1：在如图所示电路中，试分别分析当V V V u i 3,1,3.0=时的输出电压0u ，并判断三极管的工作状态。
电路图（略）解：（1）截止 V R i V u C C CC 50=-=（2）放大： V R i V u C C CC 5.315.150=⨯-=-= （3）饱和导通：V U u CES 3.00== 三、场效应管的开关特性：1、 符号、伏安特性：类似三极管的特性曲线： 基极——栅极；发射极——源极；漏极——集电极2、 开关特性：截止：T GS U u 〈；0=D i ，MOS 如同断开了的开关导通：T GS U u 〉；MOS 如同一个具有一定电阻的闭合了的开关对比：由于内部电路结构的原因及外部电路结构的需要，MOS 的开关速度比三极管低。
电力电子教材重点知识点总结范文
电力电子教材重点知识点总结范文《电力电子技术》复习题第1章绪论1 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进展变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。
2 电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC-AC：逆变（3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现，也叫斩波电路（4）交流变交流AC-AC：可以是电压或电力的变换，一般称作交流电力控制3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。
4、相控方式;对晶闸管的电路的控制方式主要是相控方式5、斩空方式：与晶闸管电路的相位控制方式对应，采用全空性器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制方式。
相对于相控方式可称之为斩空方式。
第2章电力电子器件1 电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：电力电子系统中指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。
（2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。
广义可分为电真空器件和半导体器件。
2 电力电子器件一般特征：1、处理的电功率小至毫瓦级大至兆瓦级。
2、都工作于开关状态，以减小本身损耗。
3、由电力电子电路来控制。
4、安有散热器3 电力电子系统根本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。
（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。
（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。
（4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。
4 电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。
如SCR晶闸管。
（2）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。
如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。
（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。
《模拟电子技术》课件第2章半导体二极管及其基本电路
成为本自由征电半子导（体带负电）， 同时的共价导键电中机留理下一个空
位，称为空穴（带正电）。
+4
+4
+4
+4 空穴
&;4
4
自由电子
空穴：共价键中的空位。
空穴的移动：相邻共价
+4
键中的价电子依次充填
空穴来实现。 +4
电子空穴对：由热激发
而产生的自由电子和空
+4
穴对。
§1.1 半导体的基本知识
P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。【Positive】
1. P型半导体
三、杂质半导体
掺入三价元素（如硼）
Si
Si
BS–i
Si
空穴
掺杂后空穴数 目大量增加，空穴导电 成为这种半导体的主要 导电方式，称为空穴半 导体或 P型半导体。
接受一个 电子变为 负离子
硼原子
空穴：多子（多数载流子）
26
三、二极管的主要参数： (1) 最大整流电流IF
§3.3 二极管
二极二管极长管期反连向续电工流作急时， 允许剧通增过加二时极对管应的的最反大 整流向电电流压的值平称均为值反。向
击穿电压VBR。
(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工为作安全电计压，V在R实M际工作
(3) 反向电流IR (4) 极间电容Cj
当vI = 6 sinωt (V)时，分别对于理想模型和恒压降模型绘出相应
的输出电压vO的波形。
R
+a.理想模型 D
当AVI=0V时 +
D截止
当VI=4V时
D导通
当VI=6V时
D导通
vI
VREF
位，称为空穴（带正电）。
+4
+4
+4
+4 空穴
&;4
4
自由电子
空穴：共价键中的空位。
空穴的移动：相邻共价
+4
键中的价电子依次充填
空穴来实现。 +4
电子空穴对：由热激发
而产生的自由电子和空
+4
穴对。
§1.1 半导体的基本知识
P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。【Positive】
1. P型半导体
三、杂质半导体
掺入三价元素（如硼）
Si
Si
BS–i
Si
空穴
掺杂后空穴数 目大量增加，空穴导电 成为这种半导体的主要 导电方式，称为空穴半 导体或 P型半导体。
接受一个 电子变为 负离子
硼原子
空穴：多子（多数载流子）
26
三、二极管的主要参数： (1) 最大整流电流IF
§3.3 二极管
二极二管极长管期反连向续电工流作急时， 允许剧通增过加二时极对管应的的最反大 整流向电电流压的值平称均为值反。向
击穿电压VBR。
(2) 反向击穿电压VBR和最大反向工为作安全电计压，V在R实M际工作
(3) 反向电流IR (4) 极间电容Cj
当vI = 6 sinωt (V)时，分别对于理想模型和恒压降模型绘出相应
的输出电压vO的波形。
R
+a.理想模型 D
当AVI=0V时 +
D截止
当VI=4V时
D导通
当VI=6V时
D导通
vI
VREF
第2章 理想开关和半导体开关讲解
随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿 晶闸管本身的压降很小，在1V左右
动态特性
iA 100%
90%
10%
0 td tr
t
uAK
IRM
O
t
trr
URRM tgr
2.5 电力晶体管
GTR的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组 成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的 良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其 它都因不易控制而难以应用于实践，称为光 控晶闸管（LTT）
晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管 广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接
且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
A
G
只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速 而可靠的控制手段
静态特性 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管才能开通
动态特性
iA 100%
90%
10%
0 td tr
t
uAK
IRM
O
t
trr
URRM tgr
2.5 电力晶体管
GTR的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组 成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的 良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其 它都因不易控制而难以应用于实践，称为光 控晶闸管（LTT）
晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管 广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接
且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
A
G
只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速 而可靠的控制手段
静态特性 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管才能开通
数字电路 第二章门电路
DA
DB B
DC
Y
C
R
–5v
第2章 2.2
由以上分析可知： 只有当A、B、C全为 低电平时，输出端才 为低电平。正好符合
或门的逻辑关系。
A
B C
>1
Y
Y= A+B+C
三、 非门电路
第2章 2.2
RA A
RB
+5V
Rc uY=0.3V 设 uA= 3.6V，T饱和导通
• Y
uY= 0.3V
T
Y= 0
3. CMOS与非门
TP1 与TP2并联，TN1 与TN2串联；
当AB都是高电平时TN1 与TN2
TP2
同时导通TP1 与TP2同时截止；
输出Y为低电平。
当AB中有一个是低电平时， B
TN1 与TN2中有一个截止，
TP1 与TP2中有一个导通， 输出Y为高电平。
A
第2章 2. 3
+VDD
TP1 Y
正逻辑：L=0,H=1 ； 负逻辑：H=0,L=1 。
2. 1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性
一、理想开关的开关特性： 1 .静态特性 2. 动态特性
二、半导体二极管的开关特性 1.静态特性：
半导体二极管的结构示意图、符号和伏安 特性
一、二极管等效模型
(b)为理想二极管+恒压源模型 (c)为理想二极管模型
当D、S间加上正 向电压后可产生 漏极电流ID 。
第2章 2. 1
UDS
。
S UGS G
D ID
N++
NN++
N型导电沟道
耗尽层
第2章半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性培训讲学
0.3V
2.1.4 MOS管的开关特性
输入特性和输出特性：
输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动 态有影响。 输出特性：iD = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。
(a) 符号
(b) 漏极特性
漏极特性曲线（分三个区域）
① 截止区：VGS<VGS(th)，iD = 0, ROFF > 109Ω
工作状态 条件
偏置情况
工
作 集电极电流
特
点
ce 间电压
ce 间等效电阻
截止 iB＝0 发射结反偏 集电结反偏 uBE<0，uBC<0 iC＝0
uCE＝VCC
很大， 相当开关断开
放大 0＜iB＜IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE>0，uBC<0
iC＝βiB
uCE＝VCC－ iCRc
可变
饱和
iB＞IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0，uBC>0
+VCC Rc iC
Rb b c uo
ui
iB
e
iB(μA)
iC (mA) 直流负载线
VCC Q2 Rc
饱 和 区
放
Q
大
区
80μA 60μA 40μA 20μA Q1 iB=0
工作原理电路
0 0.5 uBE(V)
输入特性曲线
0 UCES
VCC uCE(V)
截止区
输出特性曲线
NPN 型三极管截止、放大、饱和 3 种工作状态的特点
2.1.2 半导体二极管的开关特性 高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0
• VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC
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URSM URRM -UA IH O
正向 导通
IG2
IG1
IG=0
UDRM Ubo +UA UDSM
雪崩 击穿
-IA
晶闸管阳极伏安特性 IG2>IG1>IG
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状 态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超
过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急
剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”， 一般不允许硬开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿
电力二极管的外形、结构和电气图形符号
I IF
O UTO
UF
U
电力二极管的伏安特性
2.4 晶闸管
晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器（SCR） 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取 代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管 广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
Ri VDi Li
di 抑制电路 dt uCE iC 无缓冲电路时 di 无 抑制电路 时 dt iC uCE
缓冲电路 V Rs
VDs
有缓冲电路时 O di 有 抑制电路 时 dt
Cs
t
L VD
a)
a) 电路
b)
di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 图1-38
b) 波形
按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，
分为以下三类：
1）半控型器件——通过控制信号可以控制
其导通而不能控制其关断 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和 电流决定
2）全控型器件——通过控制信号既可控制其导 通又可控制其关断，又称自关断器件
共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱 和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止 区或饱和区
饱和区
在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经 过放大区 Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uc e
截止区 O
图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性
缓冲电路作用分析 无缓冲电路： V开通时电流迅速上升，di/dt很大 关断时du/dt很大，并出现很高的过电压 有缓冲电路 V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个 台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢 V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻 了V的负担，抑制了du/dt和过电压
2.6 电力MOSFET
也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor——FET）
但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）
简称 电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶 体管（Static Induction Transistor——SIT）
IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射 极E
发射极 栅极 G E N+ N N+ N P P J3 J N 2 N+ J1 P+ C 集电极 a)
+ +
漂移区 缓冲区 G 注入区
VJ1+ ID RN + + IDRon -
C IC C G
E b) c)
IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
1.理想开关进行电能变换，其开关器件没有能量 损耗，半导体开关器件存在能量损耗； 2.用开关来进行电能变换的控制方式有移相控制
和PWM控制；
3.电能变换后一半采用LC低通滤波器来滤除高频 成分；在采用PWM控制方式中，LC滤波器在设 计时使其谐振频率为开关器件的开关频率的十分 之一左右。
2.2 电力半导体器件的分类
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导 电的情况分为三类：
1）单极型器件——由一种载流子参与导
电的器件 2）双极型器件——由电子和空穴两种载 流子参与导电的器件 3）复合型器件——由单极型器件和双极
型器件集成混合而成的器件
2.3 电力二极管
A A K I
P J b)
N
K
K
A a) c)
电力MOSFET主要是N沟道增强型
MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减 小时间常数，加快开关速度 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应， 因而关断过程非常迅速 开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz 以上，是主要电力电子器件中最高的 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关 过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功 率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
2.9 缓冲电路
缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、 du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗
关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关 断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时 的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起——复 合缓冲电路 其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 （无损吸收电路） 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电 路叫做di/dt抑制电路
第2章 理想开关和半导体开关
赵春柳
理想开关
1.开关处于关断状态时流过的漏电流为零
2.开关处于导通时开关的电压降为零
3.开关的关断状态和导通状态的切换时间为零
理想开关和半导体开关
理想开关
开关导通时间 电压降为零
半导体开关
存在正向压降
开关关断时间
开关动作时间
完全关断
无
存在漏电流
需要一定时间
2.1 用开关来进行电能变换
晶闸管本身的压降很小，在1V左右
动态特性
iA 100% 90%
10% 0 uAK
td
tr
t
IRM
O
t
trr
URRM t gr
2.5 电力晶体管
GTR的结构和工作原理
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组 成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成
外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接 且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
A P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K
G
K
K
J1 J2 J3
G
A
晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称
为电力MOSFET）
门极可关断晶闸管（GTO）
3）不可控器件——不能用控制信号来控制其 通断，因此也就不需要驱动电路 电力二极管
只有两个端子，器件的通和断是由其在主
电路中承受的电压和电流决定的
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号 的 性质，分为两类： 1）电流驱动型——通过从控制端注入或者抽 出电流来实现导通或者关断的控制 2）电压驱动型——仅通过在控制端和公共端 之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关 断的控制 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的 电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的 电场来改变流过器件的电流大小和通断状态， 所以又称为场控器件(Field Controlled Device)， 或场效应器件
特点——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小
开关速度快，工作频率高
热稳定性优于GTR
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率 不超过10kW的电力电子装置
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为 P沟道 和N沟道
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之 间就存在导电沟道 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极 电压大于（小于）零时才存在导电沟道
静态特性
承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到 接近于零的某一数值以下
IA
晶闸管的阳 极伏安特性
第I象限的是 正向特性 第III象限的 是反向特性
其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的 良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其 它都因不易控制而难以应用于实践，称为光 控晶闸管（LTT） 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速 而可靠的控制手段
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor— —IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有 好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分 MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导 器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的 地位P-MOSFET通态导电 Nhomakorabea的等效电
正向 导通
IG2
IG1
IG=0
UDRM Ubo +UA UDSM
雪崩 击穿
-IA
晶闸管阳极伏安特性 IG2>IG1>IG
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状 态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超
过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急
剧增大，器件开通。这种开通叫“硬开通”， 一般不允许硬开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿
电力二极管的外形、结构和电气图形符号
I IF
O UTO
UF
U
电力二极管的伏安特性
2.4 晶闸管
晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器（SCR） 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品 1958年商业化 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代 20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取 代 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管 广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件
Ri VDi Li
di 抑制电路 dt uCE iC 无缓冲电路时 di 无 抑制电路 时 dt iC uCE
缓冲电路 V Rs
VDs
有缓冲电路时 O di 有 抑制电路 时 dt
Cs
t
L VD
a)
a) 电路
b)
di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 图1-38
b) 波形
按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，
分为以下三类：
1）半控型器件——通过控制信号可以控制
其导通而不能控制其关断 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和 电流决定
2）全控型器件——通过控制信号既可控制其导 通又可控制其关断，又称自关断器件
共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱 和区 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止 区或饱和区
饱和区
在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经 过放大区 Ic
放大区 ib3 ib2 ib1 ib1<ib2<ib3 Uc e
截止区 O
图1-16 共发射极接法时GTR的输出特性
缓冲电路作用分析 无缓冲电路： V开通时电流迅速上升，di/dt很大 关断时du/dt很大，并出现很高的过电压 有缓冲电路 V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个 台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢 V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻 了V的负担，抑制了du/dt和过电压
2.6 电力MOSFET
也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect Transistor——FET）
但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）
简称 电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶 体管（Static Induction Transistor——SIT）
IGBT是三端器件：栅极G、集电极C和发射 极E
发射极 栅极 G E N+ N N+ N P P J3 J N 2 N+ J1 P+ C 集电极 a)
+ +
漂移区 缓冲区 G 注入区
VJ1+ ID RN + + IDRon -
C IC C G
E b) c)
IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号
1.理想开关进行电能变换，其开关器件没有能量 损耗，半导体开关器件存在能量损耗； 2.用开关来进行电能变换的控制方式有移相控制
和PWM控制；
3.电能变换后一半采用LC低通滤波器来滤除高频 成分；在采用PWM控制方式中，LC滤波器在设 计时使其谐振频率为开关器件的开关频率的十分 之一左右。
2.2 电力半导体器件的分类
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导 电的情况分为三类：
1）单极型器件——由一种载流子参与导
电的器件 2）双极型器件——由电子和空穴两种载 流子参与导电的器件 3）复合型器件——由单极型器件和双极
型器件集成混合而成的器件
2.3 电力二极管
A A K I
P J b)
N
K
K
A a) c)
电力MOSFET主要是N沟道增强型
MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系 使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减 小时间常数，加快开关速度 MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应， 因而关断过程非常迅速 开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz 以上，是主要电力电子器件中最高的 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关 过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功 率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
2.9 缓冲电路
缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、 du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗
关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关 断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时 的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起——复 合缓冲电路 其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路 （无损吸收电路） 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电 路叫做di/dt抑制电路
第2章 理想开关和半导体开关
赵春柳
理想开关
1.开关处于关断状态时流过的漏电流为零
2.开关处于导通时开关的电压降为零
3.开关的关断状态和导通状态的切换时间为零
理想开关和半导体开关
理想开关
开关导通时间 电压降为零
半导体开关
存在正向压降
开关关断时间
开关动作时间
完全关断
无
存在漏电流
需要一定时间
2.1 用开关来进行电能变换
晶闸管本身的压降很小，在1V左右
动态特性
iA 100% 90%
10% 0 uAK
td
tr
t
IRM
O
t
trr
URRM t gr
2.5 电力晶体管
GTR的结构和工作原理
与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的
主要特性是耐压高、电流大、开关特性好 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组 成的单元结构 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成
外形有螺栓型和平板型两种封装 引出阳极A、阴极K和门极控制端）G三个联接端 对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接 且安装方便 平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间
A P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K
G
K
K
J1 J2 J3
G
A
晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
绝缘栅双极晶体管（IGBT）
电力场效应晶体管（Power MOSFET，简称
为电力MOSFET）
门极可关断晶闸管（GTO）
3）不可控器件——不能用控制信号来控制其 通断，因此也就不需要驱动电路 电力二极管
只有两个端子，器件的通和断是由其在主
电路中承受的电压和电流决定的
按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号 的 性质，分为两类： 1）电流驱动型——通过从控制端注入或者抽 出电流来实现导通或者关断的控制 2）电压驱动型——仅通过在控制端和公共端 之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关 断的控制 电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的 电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的 电场来改变流过器件的电流大小和通断状态， 所以又称为场控器件(Field Controlled Device)， 或场效应器件
特点——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小
开关速度快，工作频率高
热稳定性优于GTR
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率 不超过10kW的电力电子装置
电力MOSFET的种类
按导电沟道可分为 P沟道 和N沟道
耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之 间就存在导电沟道 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极 电压大于（小于）零时才存在导电沟道
静态特性
承受反向电压时，不论门极是否有触发电流， 晶闸管都不会导通
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情 况下晶闸管才能开通 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到 接近于零的某一数值以下
IA
晶闸管的阳 极伏安特性
第I象限的是 正向特性 第III象限的 是反向特性
其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的 良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其 它都因不易控制而难以应用于实践，称为光 控晶闸管（LTT） 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速 而可靠的控制手段
绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor— —IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有 好的特性 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分 MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导 器件 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的 地位P-MOSFET通态导电 Nhomakorabea的等效电