電力電子ppt 第一章

第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2不可控器件——電力二極管1.3半控型器件——晶閘管1.4典型全控型器件1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.7電力電子器件的保護(hù)1.8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

本章小結(jié)1電子技術(shù)的基礎(chǔ)

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電子器件：晶體管和集成電路電力電子電路的基礎(chǔ)

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電力電子器件本章主要內(nèi)容：概述電力電子器件的概念、特點(diǎn)和分類等問題。介紹常用電力電子器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。第1章電力電子器件·引言21.1電力電子器件概述1.1.1電力電子器件的概念和特征1.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.3電力電子器件的分類1.1.4本張內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)31.1.1電力電子器件的概念和特征1.概念主電路（PowerCircuit）

在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變化或控制任務(wù)的電路。電力電子器件（PowerElectronicDevice)直接用于處理電能主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。2.分類電真空器件（汞弧整流器、閘流管等，已逐步被半導(dǎo)體器件取代）半導(dǎo)體器件（目前所指電力電子器件，采用材料任然是硅）

4電力電子器件是功率半導(dǎo)體器件1、電力電子器件所能處理電功率的大小遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。2、電力電子器件因電功率較大，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。3、電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中往往由信息電子電路來控制。信息電子電路是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。4、電力電子器件盡管工作在開關(guān)狀態(tài)，但是自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，不僅在器件封裝上考慮散熱設(shè)計(jì)，而且在其工作時(shí)一般都還需,要設(shè)計(jì)安裝散熱器。3.特征5通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗電力電子器件特征電力電子器件的損耗6電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行1.1.2應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路7PowerElectronics1.1.3電力電子器件的分類1、按照電力器件能夠被控制信號所控制程度分為三類半控型器件全控型器件可控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷｛晶閘管及其派生器件關(guān)斷主電路電流電壓通過控制信號即可控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷｛絕緣柵雙極晶體管電力效應(yīng)晶體管門極可關(guān)斷晶體管自關(guān)斷器件門極可關(guān)斷晶體管處理兆瓦級大功率電能（1）、半控器件（2）、全控器件8PowerElectronics不能用控制信號控制其通斷，不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管不控型器件主電路｛通

斷電流電壓只有兩個(gè)端子2.按驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和共端之間信號的性質(zhì)分為兩類（1）、電流驅(qū)動(dòng)型（2）、電壓驅(qū)動(dòng)型（3）、不控器件9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就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。2、按照驅(qū)動(dòng)電路信號的性質(zhì)，分為兩類：103、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)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件11本章內(nèi)容: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。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。學(xué)習(xí)要點(diǎn):最重要的是掌握其基本特性。掌握電力電子器件的型號命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法?？赡軙麟娐返钠渌娐吩刑厥獾囊?。1.1.4本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)12第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2不可控器件——電力二極管1.3半控型器件——晶閘管1.4典型全控型器件1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.7電力電子器件的保護(hù)1.8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

本章小結(jié)131.2不可控器件——電力二極管1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理1.2.2電力二極管的基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類型14PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。1.2不可控器件—電力二極管·引言整流二極管及模塊151.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成，外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝，基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號16狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理

PN結(jié)的狀態(tài)17PowerElectronicsPN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。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（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿18PN結(jié)的電量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容荷CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。

PN結(jié)的電容效應(yīng)：191.2不可控器件——電力二極管1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理1.2.2電力二極管的基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類型20主要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF

。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4電力二極管的伏安特性1.2.2電力二極管的基本特性1、靜態(tài)特性IOIFUTOUFU212、動(dòng)態(tài)特性——二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化的——結(jié)電容的存在1.2.2電力二極管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形

a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。22圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置電力二極管的關(guān)斷經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。IRP——電流過沖最大值URP——電壓過沖最大值td=t1-t0——延遲時(shí)間tf=t2-t1——電流下降時(shí)間trr=td+tf——反向恢復(fù)時(shí)間tf/td——恢復(fù)特性的軟度，用Sr表示a)IFtdtrrtfIRPt1t2UFURttFt0

URP在關(guān)斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過沖。23圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的開通2V0tb)正向恢復(fù)時(shí)間tfr

電力二極管的正向壓降出現(xiàn)過沖uFP，經(jīng)過一段時(shí)間接近穩(wěn)態(tài)降壓的某個(gè)值，這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間。電壓過沖原因1)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需大量少子需要一定時(shí)間儲存達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。2)正向電流的上升因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大,

UFP越高。24PowerElectronics

注意：電流、電壓反向問題

正偏壓時(shí)，正向偏壓降約為1V左右；導(dǎo)通時(shí)，二極管看成是理想開關(guān)元件，因?yàn)樗倪^渡時(shí)間與電路的瞬時(shí)過程相比要小的得多；但在關(guān)斷時(shí)，它需要一個(gè)反向恢復(fù)的時(shí)間（reverser-recoverytime）以清除過剩載流子。25PowerElectronics1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1、正向平均電流IF(AV)

在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應(yīng)定義，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定，應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的的場合，其開關(guān)損耗也不能忽略。當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。2、正向壓降UF

電力二極管在正向電流導(dǎo)通時(shí)二極管上的正向壓降。26PowerElectronics6、浪涌電流IFSM

電力二極管所能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。4、最高工作結(jié)溫TJM在PN結(jié)不受損壞的前提下，二極管所能承受的最高平均溫度。一般在125-175℃范圍內(nèi)。5、反向恢復(fù)時(shí)間trr

二極管由導(dǎo)通到截止、并恢復(fù)到自然阻斷狀態(tài)所需的時(shí)間。3、反向重復(fù)峰值電壓URRM

對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

271、普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高DATASHEET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。1.2.4電力二極管的主要類型28PowerElectronics普通二極管(整流二極管）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中

反向恢復(fù)時(shí)間長一般在5μs以上正向電流定額和反向電壓定額很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上

29簡稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V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。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。DATASHEET

1

2

31.2.4電力二極管的主要類型2、快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）30PowerElectronics2、快恢復(fù)二極管恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（5μs以下）的二極管，簡稱快速二極管。其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），反向耐壓多在1200V以下?？焖倩謴?fù)二極管超快速恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間數(shù)百納秒或更長100ns以下，甚至達(dá)20～30ns快恢復(fù)二極管從性能上分為兩種31肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。1.2.4電力二極管的主要類型3.肖特基二極管(DATASHEET)以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。321.3半控器件—晶閘管1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.2晶閘管的基本特性（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、）

1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.3.4晶閘管的派生器件331.3半控器件—晶閘管·引言1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）341.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)351.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG圖1-6晶閘管外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)

c)電氣圖形符號

a)c)b)AGKGKA36PowerElectronics圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b工作原理)產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流IG的電路觸發(fā)門極觸發(fā)電路對晶體管的驅(qū)動(dòng)37晶體管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1

(1-1)Ic2=a2IK+ICBO2(1-2)IK=IA+IG

(1-3)

IA=IC1+IC2

(1-4)a1和a2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由式（1-1）~式（1-4）得：(1-5)38在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。

阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。39陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：401.3.2晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：411.3.2晶閘管的基本特性

（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、）1.靜態(tài)特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。42PowerElectronics圖1-8晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ㄑ┍罁舸㊣H-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2UPRMURSM第Ⅰ象限是正向特性第Ⅲ象限是反向特性IG2>IG1>IG

IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。(1)正向特性431.3.2晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性441.3.2晶閘管的基本特性1)

開通過程延遲時(shí)間td(0.5~1.5s)上升時(shí)間tr

(0.5~3s)開通時(shí)間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr

（1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr關(guān)斷時(shí)間tq以上兩者之和tq=trr+tgr

（1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒2、

動(dòng)態(tài)特性圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形451.3.3

晶閘管的主要參數(shù)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。反向重復(fù)峰值電壓URRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，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。使用注意：1）電壓定額461.3.3

晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流

IT(AV）——在環(huán)境溫度為40C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。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流

IL

——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。2）電流定額471.3.3

晶閘管的主要參數(shù)

除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

——電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。

通態(tài)電流臨界上升率di/dt

——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

——如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)481.3.4晶閘管的派生器件常規(guī)快速晶閘管高頻晶閘管包括所有為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管與普通晶閘管相比快速晶閘管關(guān)斷時(shí)間為數(shù)十微秒高頻晶閘管關(guān)斷時(shí)間為10μs左右電壓和電流定額不易做高應(yīng)用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中開關(guān)時(shí)間以及du/dt、di/dt的耐量都有了明顯的改善1、快速晶閘管49GT1T2IG=0IU0a)b)圖1-10雙向晶閘管的電器圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性2、雙向晶閘管

是一對反并聯(lián)結(jié)的普通晶閘管的集成。

有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。

門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通。

不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。50IU0I=0GAKG3、逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并連一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。與普通晶閘管相比正向壓降小關(guān)斷時(shí)間短高溫特性好額定電流晶閘管電流反并聯(lián)的二極管的電流圖1-11雙向晶閘管a)電氣圖形符號

b)伏安特性a)b)51IAUAK0AKG光照強(qiáng)度弱強(qiáng)圖1-12光控晶閘管a)電氣圖形符號

b)伏安特性

4、光控晶閘管（光觸發(fā)晶閘管）

是利用一定波長的光照信號觸發(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。

大功率光控晶閘管帶有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器的光纜。

光觸發(fā)保證主電路與控制電路之間的絕緣，避免電磁干擾的影響。a)b)52PowerElectronics第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2不可控器件——電力二極管1.3半控型器件——晶閘管1.4典型全控型器件

1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.7電力電子器件的保護(hù)1.8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

本章小結(jié)531.4典型全控型器件·引言門極可關(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，電力電子技術(shù)進(jìn)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。541.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊551.4.1門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^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（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）56PowerElectronics1.4.1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)GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)圖1-13GTO內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)各單元的陰極、門極間排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號57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、陰極和門極與普通晶閘管的不同點(diǎn)內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO元的多元功率集成器件GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起工作原理與普通晶閘管一樣可以用雙晶體管模型來分析58PowerElectronics圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b工作原理)

GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程：強(qiáng)烈正反饋——門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。591.4.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng)。由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：602.GTO的動(dòng)態(tài)特性SnubberAkG觸發(fā)關(guān)斷脈沖不用保持，關(guān)斷時(shí)間幾個(gè)微秒，但是需要很大的門電流（1/3陽極電流），關(guān)斷時(shí)，為了限制dv/dt，要用Snubber電路（切斷感性負(fù)載）。開關(guān)時(shí)間幾個(gè)微秒到25微秒，導(dǎo)通壓降2-3V、比晶閘管稍微高一點(diǎn)。最大優(yōu)點(diǎn)是能處理高電壓和大電流，現(xiàn)在最大容量6KV/4KA，開關(guān)頻率幾百HZ—10KHZ。圖1-14GTO的開關(guān)和關(guān)斷過程電流波形tstdtrtfttiGt0t1t2t3t4t5t6t0IAiA90%IA10%IAt061（4）關(guān)斷時(shí)間toff

儲存時(shí)間和下降時(shí)間之和3.GTO的主要參數(shù)（1）最大可關(guān)斷陽極電流IATO

GTO額定電流（2）電流關(guān)斷增益off最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。boff=ATOIGM___________I(1-8)（3）開通時(shí)間ton

延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和621.4.2電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——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（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT。

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。術(shù)語用法：63PowerElectronics1.4.2電力晶體管耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管1.GRT的結(jié)構(gòu)和工作原理P基區(qū)N漂移區(qū)襯底集電極c基極b發(fā)射極e基極bcbe圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)b)

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。64PowerElectronics電子流空穴流EcEbic=βibibie=(1+β)ibc)圖1-15GTR的內(nèi)部載流子的流動(dòng)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)GRT共發(fā)射極接法時(shí)內(nèi)部主要載流子的流動(dòng)，集電極電流ic與基電流ib之比為β=(1-9)β為GRT的電流放大系數(shù)，當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的電流Iceo時(shí)，ic與ib關(guān)系為

ic=

βib+Iceo

(1-10)單管GRT的β值比處理信息用的小功率的晶體管小采，用達(dá)林頓接法可以有效增大電流增益65PowerElectronics2.GRT的基本特性圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性ib2ib1ib3ib1<ib2<ib3截止區(qū)Ic0Uce飽和區(qū)放大區(qū)開關(guān)狀態(tài)工作在截止區(qū)或飽和區(qū)開關(guān)過程在截止區(qū)或飽和區(qū)過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)靜態(tài)特征66PowerElectronicsGTR用基極電流控制電極電流動(dòng)態(tài)特征trtdtstontftoff90%Icsic10%IcsIb2t0t1t2t3t4t5t90%Ib110%Ib1Ib1t00ib圖1-17GTR的開關(guān)和關(guān)斷過程電流波形開通延遲時(shí)間td上升時(shí)間tr關(guān)斷儲存時(shí)間ts下降時(shí)間tf減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度或增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲存時(shí)間，加快關(guān)斷速度。增大基極驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間和上升時(shí)間，加快開通過程。67PowerElectronics3.GRT的主要參數(shù)（1）最高工作電壓發(fā)射極開路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo發(fā)射極與基極間用電阻連接或短路連接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

BUcbo

>BUcex>BUces

>BUcer>BUceo

（2）集電流最大允許電流IcM

直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值得1/2~1/3時(shí)，所對應(yīng)的Ic為集電流最大允許電流（3）集電流最大耗散功率PcM

最高工作溫度允許的耗散功率68PowerElectronics一次擊穿集電極電壓升高到擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，首先出現(xiàn)的雪崩擊穿的現(xiàn)象一次擊穿后只要Ic不要超過最大允許耗散功率相對應(yīng)的限度，GTR一般不會損壞二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)未有效限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)突然急劇上升，電壓突然下降的現(xiàn)象二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，對GTR危害極大4.GRT的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)69PowerElectronicsSOAIcIcMPSBPcMUceMUce0圖1-18GTR的安全工作區(qū)GTR的安全工作區(qū)二次擊穿臨界線GTR工作時(shí)不能超過最高電壓集電極最大電流最大耗散功率701.4.3電力場效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。電力場效應(yīng)晶體管71PowerElectronics1.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理耗盡型

柵極電壓為零時(shí)漏源極之間存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型

柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道單極型晶體管電力MOSFET導(dǎo)通是時(shí)只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電電力MOSFET垂直導(dǎo)電利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)小功率MOS橫向?qū)щ奝溝道N溝道電力MOSFET種類1.4.3電力場效應(yīng)晶體管72PowerElectronicsDGSN溝道DSGP溝道PN+N+N-N+N+N+P溝道SGDa)b)圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號73PowerElectronics2.電力MOSFET的基本特征(1)靜態(tài)特征圖1-20電力MOSFET電氣符號和轉(zhuǎn)移特性a)電氣圖形符號b)轉(zhuǎn)移特性

a)b)GSDVGS+-VDS+-n-channel504030201002468UGS/VID/A(1-11)74PowerElectronicsc)504030201001020304050UGS/VID/AUGS=UT=3VUGS=8VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7V飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)圖1-20c)電力MOSFET輸出特性

漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加飽和非飽和漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加MOSFET在漏極和源極之間形成一個(gè)反向并聯(lián)的寄生二極管，與MOSFET構(gòu)成整體，使得在漏、源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。需要保持Vgs的值，以使電流通過，門電流為零，除了開關(guān)作用期間的充放電過程。開關(guān)時(shí)間短（幾個(gè)ns-幾百ns）。源漏極之間的導(dǎo)通電阻為阻斷電壓的函數(shù)。BVDSS（BlockingVoltage）缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻較大。Rds（on）=kBVss2.5-2.7，k取決于器件的幾何尺寸，正的溫度特性。75開通過程開通延遲時(shí)間td(on)

上升時(shí)間tr開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程a)測試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號源，Rs—信號源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測漏極電流(2)

動(dòng)態(tài)特性76

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開關(guān)速度773電力MOSFET的主要參數(shù)

——電力MOSFET電壓定額(1)

漏極電壓UDS

(2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額(3)柵源電壓UGS——UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿。

除跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和

tf之外還有：

(4)

極間電容——極間電容CGS、CGD和CDS781.4.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡單。79絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）—

GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理PN+N+N-N+N+N+P緩沖區(qū)J2GEJ3J1P+漂移區(qū)注入?yún)^(qū)C集電極發(fā)射極柵極GEIDRon+－ICIDRNVJI+－C－+ECG圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號a)b)c)80

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。

IGBT的原理81a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2IGBT的基本特性(1)

IGBT的靜態(tài)特性圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系(開啟電壓UGE(th))輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。82ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24IGBT的開關(guān)過程IGBT的開通過程

與MOSFET的相似開通延遲時(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

開通時(shí)間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性83圖1-24IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）電流下降時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間toff電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT器件內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快。tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢。

IGBT的關(guān)斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM843.IGBT的主要參數(shù)最大集射極間電壓UCES

由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓決定

最大集電極電流額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP最大集電極功耗PCM

正常工作溫度下允許的最大耗散

IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。

相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。85IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。864.IGBT的擎住效應(yīng)和安全區(qū)擎住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）

NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小。87安全區(qū)PN+N+N-N+N+N+P緩沖區(qū)J2GEJ3J1P+漂移區(qū)注入?yún)^(qū)C集電極發(fā)射極柵極圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖反向偏置安全工作區(qū)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大最大允許電壓上升率確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍。

IGBT與反并聯(lián)快速二極管封裝在一起制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。正向偏置安全工作區(qū)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍。88第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2不可控器件——電力二極管1.3半控型器件——晶閘管1.4典型全控型器件1.5其他新型電力電子器件

1.6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.7電力電子器件的保護(hù)1.8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

本章小結(jié)891.5其他新型電力電子器件1.5.1MOS控制晶閘管MCT1.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT1.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH1.5.4集成門極換流晶閘管IGCT1.5.5功率模塊與集成電路901.5.1MOS控制晶閘管MCT高輸入阻抗低驅(qū)動(dòng)功率快速開關(guān)過程高電壓大電流低導(dǎo)通壓降

MOSFET晶閘管

MCT具有高電壓、大電流、高載流密度、低通態(tài)壓降的特點(diǎn)。

關(guān)鍵技術(shù)問題沒有突破，電壓、電流容量未達(dá)到預(yù)期效果。MOS控制晶閘管911.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合。在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。缺點(diǎn)：柵極不加信號時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便。通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。SIT（StaticInductionTransistor）——結(jié)型場效應(yīng)晶體管921.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。此外，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——場控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）931.5.4集成門極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）941.5.5

功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊?？煽s小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護(hù)和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）?；靖拍?51.5.5

功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。實(shí)際應(yīng)用電路961.5.5

功率模塊與功率集成電路功率集成電路的主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應(yīng)用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個(gè)難點(diǎn),最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實(shí)現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機(jī)電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀97第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2不可控器件——電力二極管1.3半控型器件——晶閘管1.4典型全控型器件1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)

1.7電力電子器件的保護(hù)1.8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

本章小結(jié)981.6電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)1.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路991.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗。對裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口1001.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離。

光隔離一般采用光耦合器

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25光耦合器的類型及接法a)普通型b)高速型c)高傳輸比型1011.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述按照驅(qū)動(dòng)信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路。雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路。為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。分類1021.6.2晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路作用

產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。廣義上講，還包括對其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。

典型的觸發(fā)電路有KJ004,TCA785103理想觸發(fā)脈沖電流波形IMIt3t2t1t4t圖1-22理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波t1~t2—脈沖前沿上升時(shí)間(<1μs)t1~t3

—強(qiáng)脈沖寬度IM—強(qiáng)脈沖幅值(3IGT~5IGT

)t1~t4—脈沖寬度I—脈沖平頂幅值(1.5IGT~2IGT

)V2R3R2R1R4+E1+E2V1VD2VD1VD3TM圖1-27常見的晶體管觸發(fā)電路1041.電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

1)GTO

ttuGti00圖1-28推薦的GTO門及電壓電流波形需施加負(fù)門極電流，對幅值和陡度要求更高開通觸發(fā)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，需在整個(gè)導(dǎo)通極期間施加正門極電流。關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路開通驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路門極反偏電路脈沖變壓器耦合式直接耦合式105直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿。目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。圖1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路106ttb0圖1-30理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形開通GTR的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)飽和狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和管段損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值的負(fù)偏壓。2)GTRGTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分107

二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負(fù)載較輕時(shí)，如V5發(fā)射極電流全注入V，會使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2會自動(dòng)導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持Ubc≈0。C2為加速開通過程的電容。開通時(shí)，R5被C2短路?？蓪?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通。圖1-31GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路1082.電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件無輸入信號時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)有輸入信號時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓

。專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路(1)MOSFET電壓驅(qū)動(dòng)109(2)IGBT的驅(qū)動(dòng)圖1-33M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。

多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。110第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2不可控器件——電力二極管1.3半控型器件——晶閘管1.4典型全控型器件1.5其他新型電力電子器件1.6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.7電力電子器件的保護(hù)

1.8電力電子器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用

本章小結(jié)1111.7電力電子器件器件的保護(hù)1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)1.7.2過電流保護(hù)1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）1121.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)外因過電壓：主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。電力電子裝置可能的過電壓——外因過電壓和內(nèi)因過電壓113

圖1-34過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路過電壓保護(hù)措施114直流側(cè)閥側(cè)網(wǎng)側(cè)CdcRdcRaRaCaCa~+-CdcRdcRaRaCaCa+-~圖1-35RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相

a)b)RC過電壓抑制電路網(wǎng)側(cè)

閥側(cè)

電力電子電路的直流側(cè)供電變壓器接于或接于R2R1C1C2電力電子裝置過電壓抑制電路圖1-36反向阻斷式過電壓抑制用RC電路1151.7.2過電流保護(hù)過電流——過載和短路兩種情況保護(hù)措施負(fù)載觸發(fā)電路開關(guān)電路過電流繼電器交流斷路器動(dòng)作電流整定值短路器電流檢測電子保護(hù)電路快速熔斷器變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作。圖1-37過電流保護(hù)措施及配置位置1161.7.2過電流保護(hù)全保護(hù)：過載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快?？烊蹖ζ骷谋Ｗo(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種1171.7.3緩沖電路緩沖電路（吸收電路）作用抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗開通緩沖電路（di/dt抑制電路）用于抑制器件開通的電流過沖和di/dt，減小開通損耗緩沖電路復(fù)合緩沖電路

將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起耗能式緩沖電路

緩沖電路中儲能元件的能量消耗在其吸收電阻上饋能式緩沖電路（無損吸收電路）

緩沖電路中儲能元件的能量回饋給負(fù)載或電流118圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形通常緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路119無緩沖電路V開通

電流迅速上升，