第二章電力電子器件

第二章電力電子器件引言第一節(jié)功率二極管第二節(jié)晶閘管及其派生器件第三節(jié)可關(guān)斷晶閘管第四節(jié)雙極型功率晶體管第五節(jié)功率場效應(yīng)管第六節(jié)絕緣柵雙極型功率晶體管第七節(jié)集成門極換流晶閘管IGCT第八節(jié)功率集成電路第九節(jié)電力電子器件的串并聯(lián)第十節(jié)電力電子器件的保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路小結(jié)1引言電力半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電力電子設(shè)備的核心。它們以開關(guān)陣列的形式應(yīng)用于電力變流器中,把相同頻率或不同頻率的電能進(jìn)行交-直(整流器)、直-直(斬波器)、直-交(逆變器)和交-交變換。開關(guān)模式的電力電子變換具有較高的效率,不足之處是由于開關(guān)的非線性而同時(shí)在電源端和負(fù)載端產(chǎn)生諧波。開關(guān)不是理想的,它們都具有導(dǎo)通和開關(guān)損耗。2變流器廣泛用于加熱和照明控制、交直流電源、電化學(xué)處理、直流和交流傳動(dòng)、靜態(tài)無功功率(VAR)產(chǎn)生、有源濾波之類的應(yīng)用中。雖然電力電子設(shè)備中的電力半導(dǎo)體器件的價(jià)格幾乎不超過20%~30%,但是整臺(tái)設(shè)備的價(jià)格和性能在很大程度上受到這些器件特性的影響。3要設(shè)計(jì)出高效、可靠、性價(jià)比高的系統(tǒng),設(shè)計(jì)師必須對(duì)這些器件及其特性有深入的了解?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)基本上是隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展而發(fā)展起來的。微電子領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)電力半導(dǎo)體器件的材料、加工、制造、封裝、建模和仿真等方面產(chǎn)生了巨大的影響。4今天的電力半導(dǎo)體器件幾乎完全是建立在半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)上的,它們可以歸為以下幾類:1)二極管;2)晶閘管(SCR)及派生器件;3)電力晶體管(GTR)；4)門極關(guān)斷晶閘管(GTO)；5)電力MOSFET;6)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT);7)集成門極換流晶閘管(IGCT)以及其它功率半導(dǎo)體器件等。5第一節(jié)功率二極管1一、功率二極管工作原理和靜態(tài)伏安特性2二、功率二極管的動(dòng)態(tài)特性3三、功率二極管的參數(shù)4四、功率二極管的主要類型6功率二極管(Powerdiode)從20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用。雖然是不可控器件，但其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，因而直到現(xiàn)在功率二極管仍然大量用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中。目前已形成普通整流管、快恢復(fù)整流管和肖特基整流管等三種主要類型。特別是快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，仍分別在中、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。7一、功率二極管工作原理和靜態(tài)伏安特性

典型的正向?qū)▔航凳?.0V。該壓降會(huì)引起導(dǎo)通損耗,因此必須用適當(dāng)?shù)纳崞瑢?duì)器件進(jìn)行冷卻以限制結(jié)溫。如果反向電壓超過一個(gè)閥值,器件就會(huì)發(fā)生雪崩式的擊穿,這時(shí)反向電流變大,二極管由于結(jié)內(nèi)的大量功率損耗而過熱毀壞,這個(gè)闕值稱為擊穿電壓。圖2-1a)功率二極管符號(hào)b)伏安特性c)理想特性比較其工作時(shí)的電壓和電流的變化，我們可以得到它的理想伏安特性，如圖2-1c)所示。由于功率二極管的導(dǎo)通速度相對(duì)電力電路的暫態(tài)變化過程來說要快得多，因此，可把功率二極管看成理想開關(guān)。

8二、功率二極管的動(dòng)態(tài)特性開關(guān)特性

反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。動(dòng)態(tài)特性因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的。9開通過程：電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。正向電流的上升會(huì)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。10圖2-2a)給出了電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)為正向偏置時(shí)動(dòng)態(tài)過程的波形?？梢钥闯?，在這一動(dòng)態(tài)過程中，電力二極管的正向壓降會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓過沖UFP，經(jīng)過一段tFR時(shí)間才出現(xiàn)趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降值。圖2-2b給出了電力二極管由正向偏置轉(zhuǎn)為反向偏置時(shí)動(dòng)態(tài)過程的波形。當(dāng)原處于正向?qū)ǖ碾娏ΧO管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，該電力二極管不能立即關(guān)斷，而是需經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。

圖2-2功率二極管的動(dòng)態(tài)過程波形

a）開通過程波形b）關(guān)斷過程波形11三、功率二極管的參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)

額定電流——在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其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是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小122.正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降3.反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定134.

最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內(nèi)。5.反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+

tf

，關(guān)斷過程中，電流降到零起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間。6.浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。14四、功率二極管的主要類型按照正向壓降、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。在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的。1.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）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上。15恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），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），但其反向耐壓多在1200V以下2.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）163.肖特基二極管以金屬和半導(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），簡稱為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(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(huì)有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高17第二節(jié)晶閘管及其派生器件一、晶閘管的工作原理和靜態(tài)伏安特性五、雙向晶閘管二、晶閘管的動(dòng)態(tài)特性

三、功率損耗和熱阻抗四、電流額定值18晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司（GE）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，開始被性能更好的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往往專指晶閘管的一種基本類型——普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件本節(jié)將主要介紹普通晶閘管的工作原理、基本特性和主要參數(shù)，然后簡要介紹其一種派生器件－雙向晶閘管。19一、晶閘管的工作原理和靜態(tài)伏安特性1、晶閘管的常見封裝外形有螺栓型和平板型兩種封裝：引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端；對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。圖2-00晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)202、晶閘管的其它封裝形式：還有塑封和模塊式兩種封裝。213、晶閘管的管耗和散熱：管耗＝流過器件的電流×器件兩端的電壓

管耗將產(chǎn)生熱量，使管芯溫度升高。如果超過允許值，將損壞器件，所以必須進(jìn)行散熱和冷卻。冷卻方式：自然冷卻（散熱片）、風(fēng)冷（風(fēng)扇）、水冷22〔簡單描述〕晶閘管SCR相當(dāng)于一個(gè)半可控的、可開不可關(guān)的單向開關(guān)。圖2－00晶閘管的工作條件的試驗(yàn)電路23〔解釋〕當(dāng)SCR的陽極和陰極電壓UAK<0，即EA下正上負(fù)，無論門極G加什么電壓，SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)；UAK>0時(shí)，只有EGk>0，SCR才能導(dǎo)通。說明SCR具有正向阻斷能力；SCR一旦導(dǎo)通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當(dāng)UAK<0時(shí)，無論SCR原來的狀態(tài)，都會(huì)使R熄滅，即此時(shí)SCR關(guān)斷。其實(shí)，在I逐漸降低（通過調(diào)整RW）至某一個(gè)小數(shù)值時(shí)，剛剛能夠維持SCR導(dǎo)通。如果繼續(xù)降低I，則SCR同樣會(huì)關(guān)斷。該小電流稱為SCR的維持電流。綜上所述：SCR導(dǎo)通條件：UAK>0同時(shí)UGK>0由導(dǎo)通→關(guān)斷的條件：使流過SCR的電流降低至維持電流以下。

(一般通過減小EA,直至EA<0來實(shí)現(xiàn)。）（教材上提出降低正向陽極電壓的提法有些不妥，因?yàn)榇藭r(shí)UAK一直保持在1V左右）24晶閘管的雙晶體管模型25共基極電流增益忽略ICB0：26Ic1=1IA+ICBO1

（1-1）Ic2=2IK+ICBO2

（1-2）IK=IA+IG

（1-3）IA=Ic1+Ic2

晶閘管工作原理：外加反向電壓（UA<UK）時(shí)J1、J3反偏，晶閘管反向阻斷，只有很小的反向漏電流。外加正向電壓（UA>UK）（1-4）27晶體管的特性是：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。外加正向電壓（UA>UK）門極未加電壓，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，晶閘管正向阻斷狀態(tài)。開通（門極觸發(fā)）：在晶閘管門極加正向觸發(fā)脈沖。28

IG（IB2）IC2（IB1）IC1（IB2）門極觸發(fā)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，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。UAK

很?。?V左右）IA實(shí)際由外電路決定。一管基極電流能維持另一管的飽和，此時(shí)除去門極正向電壓晶閘管仍導(dǎo)通。（不可控）導(dǎo)通的過程是一個(gè)正反饋過程。V1、V2飽和。29晶閘管通斷規(guī)律：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(huì)導(dǎo)通。（反向阻斷）承受正向電壓時(shí)，無門極正向觸發(fā)電壓時(shí)處于正向阻斷狀態(tài)。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用（不可控）。要使晶閘管關(guān)斷，只有使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值（維持電流IH）以下。（P6）承受正向電壓時(shí)，僅在門極有正向觸發(fā)電壓的情況下晶閘管才能開通。（正向?qū)ǎ┏惺芊聪螂妷簳r(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。（反向阻斷）承受正向電壓時(shí)，無門極正向觸發(fā)電壓時(shí)處于正向阻斷狀態(tài)。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用（不可控）。要使晶閘管關(guān)斷，只有使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值（維持電流IH）以下。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有正向觸發(fā)電壓的情況下晶閘管才能開通。（正向?qū)ǎ?0其他幾種可能導(dǎo)通的情況：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)溫較高以上三種情況，因不易控制，難以應(yīng)用于實(shí)踐。光直接照射硅片，即光觸發(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。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段31晶閘管的基本特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性1.晶閘管的伏安特性32隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低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。33晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性342.門極伏安特性：門極電流IG與門極和陰極之間電壓UGK的關(guān)系。晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的35極限高阻伏安特性極限低阻伏安特性可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)不觸發(fā)區(qū)IFGM：門極正向峰值電流UFGM：門極正向峰值電壓IGT：門極觸發(fā)電流UGT：門極觸發(fā)電壓IGD：門極不觸發(fā)電流UGD：門極不觸發(fā)電壓PG：平均功率PGM：瞬時(shí)最大功率

為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。36（1）開通過程延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間上升時(shí)間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間開通時(shí)間tgt以上兩者之和，

tgt=td+tr

（1-5）普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5~1.5s，上升時(shí)間為0.5~3s二、晶閘管的動(dòng)態(tài)特性

37反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間（2）關(guān)斷時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間38在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)▽?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

（1-6）普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。39（3）舉例電路在圖2-5a)的簡單電路中，當(dāng)電源電壓為正半周時(shí)，施加門極控制信號(hào)，晶閘管立即導(dǎo)通，此時(shí)有主電流Ia流過。當(dāng)電源電壓為負(fù)半周時(shí)，晶閘管中主電流趨于反方向。從圖2.5b)所示波形看到，t＝T/2時(shí)，理想晶閘管中的電流波形應(yīng)立即為零。實(shí)際上，晶閘管中的電流如圖2.5c)所示，在主電流保持為零之前會(huì)出現(xiàn)反向電流的情況。電流從負(fù)值到零值的時(shí)間trr并不是晶閘管的重要參數(shù)，我們所關(guān)心的晶閘管的關(guān)斷時(shí)間tq。在tq期間，為保證晶閘管可靠關(guān)斷，器件兩端必須保持一定時(shí)間的反向電壓，只有這樣晶閘管才能恢復(fù)阻斷正向電壓的能力。否則在關(guān)斷時(shí)間之前，又施加正向電壓，可能會(huì)在沒有控制信號(hào)觸發(fā)的條件下，晶閘管過早的導(dǎo)通，引起器件本身或電路的損壞。40動(dòng)態(tài)損耗這兩部分屬于靜態(tài)損耗導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗41在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，是動(dòng)態(tài)損耗還有擴(kuò)展損耗和過渡損耗，也是動(dòng)態(tài)損耗開通損耗關(guān)斷損耗42對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(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)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素

43三、功率損耗和熱阻抗

晶閘管和二極管一樣有明顯的導(dǎo)通損耗,但是其開關(guān)損耗(稍后討論)非常小。器件的規(guī)格說明一般給出了在正弦和不同占空比的矩形波電流情況下的功率損耗。圖2-6給出了在矩形波電流情況下的功率損耗特性，反向阻斷損耗和門極電路損耗也包括在圖中。這些曲線適用的最大電源頻率為400Hz。44結(jié)附近功率損耗產(chǎn)生的熱量流向外殼,然后通過外裝的散熱器發(fā)散到周圍,引起結(jié)溫TJ的升高。一個(gè)器件的最大TJ

必須受到限制，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)器件的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。對(duì)于穩(wěn)定的功率損耗P，TJ

可以通過下式來計(jì)算:TA是環(huán)境溫度;θJC、θCS和θSA分別代表結(jié)與外殼之間、外殼與散熱器之間、以及散熱器和周圍環(huán)境之間的熱阻。θSA由冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定,冷卻的方法可以包括散熱器加自然對(duì)流冷卻、強(qiáng)制空氣冷卻和強(qiáng)制液體冷卻。(2-3)45從式(2-3)明顯可以看出,對(duì)于一個(gè)限定TJmax(通常是125℃),通過減小θSA可以增加允許功耗P。這就意味著更高效率的冷卻系統(tǒng)會(huì)增加散熱能力，也就是增加器件的能量處理能力θSA

=0表示一個(gè)無窮大散熱器

,即外殼溫度TC=TA。

46在實(shí)際運(yùn)行中,功率損耗P是循環(huán)的

,而熱容或存儲(chǔ)效應(yīng)延遲了結(jié)溫的升高,從而允許器件帶更大的負(fù)載。瞬態(tài)熱等效電路可以用一個(gè)并聯(lián)的RC電路來表示,其中P等效為電流源,而其在電路上產(chǎn)生的電壓代表溫度TJ。圖2-7a)給出了單個(gè)脈沖功率損耗對(duì)應(yīng)的TJ

曲線。再考慮到加熱和冷卻曲線的性質(zhì),我們可以寫出下列等式

:式中

,(tl)是

tl時(shí)刻的瞬態(tài)熱阻抗。器件規(guī)格表通常會(huì)給出結(jié)和外殼之間的熱阻抗。如果需要

,還可以加上散熱器引起的附加效應(yīng)。

(2-4)(2-5)47如果需要,還可以加上散熱器引起的附加效應(yīng)。圖2-7b)顯示了三個(gè)重復(fù)脈沖的典型結(jié)溫曲線。對(duì)應(yīng)的可以通過疊加原理表示為(2-6)(2-7)(2-8)48圖2-8為一個(gè)晶閘管

(CM4208A2型

)的瞬態(tài)熱阻抗

[θJC(t)]隨時(shí)間的變化曲線。該器件額定熱阻抗為θJC

=0.8℃/W,θSC=0.2℃/W。請(qǐng)注意

,這里討論的器件冷卻和熱阻抗的概念同樣適用于所有電力半導(dǎo)體器件。

49四、電流額定值基于上面討論的限制TJ的條件,圖2-9給出了不同占空比下平均額定電流和允許的殼溫TC的關(guān)系。例如,如果限制Tc為110℃,那么晶閘管可以承載120℃的12A的平均電流。如果有一個(gè)更好的散熱器,限制Tc為100℃,那么電流可以增加到18A。圖2-9可以和圖2-6一起用來設(shè)計(jì)散熱器的熱阻。

圖2-9通過矩形波電流時(shí)允許的最大外殼溫度(CM4208A2型)501)

通態(tài)平均電流IT(AV)

晶閘管在環(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。決定晶閘管容許電流大小的是溫度，即管芯PN結(jié)的溫度。造成發(fā)熱的原因是損耗。主要是通態(tài)損耗，希望正向壓降小些；其次是斷態(tài)損耗，希望IDRM和IRRM小些；還有開關(guān)損耗，工作頻率要加以考慮；門極損耗通常較小。晶閘管正向電流愈大，通態(tài)損耗愈大。51波形不同，其有效值相等時(shí)，相對(duì)應(yīng)的平均值卻不同。同一管子在不同波形條件下，能達(dá)到的最大平均值將不同。電流額定值是按平均值標(biāo)定的。但是，實(shí)際工作的最大電流平均值不能簡單地以電流額定值來確定。電流波形不同，平均值和有效值的關(guān)系也不一樣。因此要進(jìn)行換算。換算的原則是電流有效值相等。有效值相等，發(fā)熱相同。整流輸出關(guān)心平均值，因此額定電流按平均值標(biāo)定但是與發(fā)熱成比例關(guān)系的是有效值。52波形系數(shù)：有效值平均值有效值：平均值：波形系數(shù)：額定值的波形系數(shù)：53變換方法：額定波形條件下的電流有效值：

I額定=1.57IT（AV）某種波形的電流有效值：

I=KfId有效值相等：

KfId=1.57IT（AV）54使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍55計(jì)算中常用的積分式：用于有效值計(jì)算：用于平均值計(jì)算：56矩形波有效值：矩形波平均值：周期的周期的574)

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)

維持電流IH

使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小3)

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(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流

對(duì)同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍58電壓定額1)

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。2)

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)，額定電壓要留有一定裕量,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593)

通態(tài)（峰值）電壓UTM——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。60五、雙向晶閘管(TRIAC)雙向晶閘管可視為一對(duì)反并聯(lián)的普通晶閘管的集成，常用于交流調(diào)壓和調(diào)功電路中。其電路符號(hào)如圖2-10a)所示。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。門極使主電路的正向和反向均可觸發(fā)導(dǎo)通，因此雙向晶閘管可通過施加正負(fù)門極電流脈沖來控制主電路雙向?qū)?。雙向晶閘管的伏安特性如圖2-10b)所示。在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。61圖2-11為一個(gè)使用雙向晶閘管的常用白熾燈燈光調(diào)節(jié)電路及相應(yīng)的波形。雙向晶閘管的門極通過一個(gè)兩端交流開關(guān)(一種對(duì)稱電壓阻斷器件)從RC電路中集到驅(qū)動(dòng)脈沖。電容電壓落后于線路電壓。當(dāng)超過兩端交流開關(guān)(Diac)的闊值電壓±Vs時(shí),對(duì)應(yīng)極性的電流脈沖就會(huì)在角度時(shí)觸發(fā)雙向晶閘管,在負(fù)載產(chǎn)生一個(gè)交流全波相控的輸出O觸發(fā)延遲角可以通過改變電阻從變化到,以控制燈光的強(qiáng)度。

62GTO的工作原理和靜態(tài)伏安特性GTO的關(guān)斷特性第三節(jié)可關(guān)斷晶閘管一二63門極可關(guān)斷晶閘管（Gate－Turn－OffThyristor――GTO），也是晶閘管的一種派生器件，但可以通過門極加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，因而屬于全控器件。GTO容量最大、工作頻率最低(1～2kHz)。GTO是電流控制型器件，因而在關(guān)斷時(shí)需要很大的反向驅(qū)動(dòng)電流；GTO通態(tài)壓降大、du/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。目前，GTO雖然在低于2000V的某些領(lǐng)域內(nèi)已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢；它也必將在高壓領(lǐng)域占有一席之地。64一、GTO的工作原理和靜態(tài)伏安特性

圖2-12a所示為可關(guān)斷晶閘管GTO的電路符號(hào)，圖2-12b所示為它的靜態(tài)伏安特性。同普通晶閘管一樣，GTO也可由門極脈沖觸發(fā)導(dǎo)通。并且一旦導(dǎo)通，再無任何門極脈沖作用下仍保持導(dǎo)通態(tài)。與晶閘管不同的是，GTO能夠在負(fù)的門極電壓作用下引起足夠大的負(fù)門控電流而關(guān)斷。另外GTO是一種多元的功率集成器件。它的理想開關(guān)特性如圖2-12c所示。65二、GTO的關(guān)斷特性盡管GTO與MOSFET和GTR一樣屬于可控開關(guān)，但其關(guān)斷過渡區(qū)間的變化卻與以上兩種器件的特性不同。這是因?yàn)槟壳翱墒褂肎TO的器件還很難用來關(guān)斷電感性電路，除非在GTO兩端加裝吸收元件如圖2-13a）所示。由于現(xiàn)有的GTO器件還不能夠承受關(guān)斷感性電路而出現(xiàn)的過du/dt應(yīng)力影響，所以必須在GTO器件兩端加裝由R、C和二級(jí)管D組成的吸收電路以減小關(guān)斷時(shí)電壓變化率。圖2-13b）給出了加裝吸收電路后的電壓電流波形，與沒有關(guān)斷吸收電路時(shí)的相比，電壓的突變量明顯減小。

66GTO在應(yīng)用中要特別注意幾個(gè)問題（1）明確驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求：門極導(dǎo)通和門極關(guān)斷波形。（2）驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓的選擇。（3）吸收電路的合理設(shè)計(jì)。（4）吸收電路雜散電感的消除。（5）設(shè)計(jì)陽極電路的電抗器等。67第四節(jié)雙極型功率晶體管1一、GTR的工作原理與靜態(tài)伏安特性2二、GTR的動(dòng)態(tài)特性3三、二次擊穿和安全工作區(qū)68電力晶體管GTR（GiantTransistor，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在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。

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69一、GTR的工作原理與靜態(tài)伏安特性2.GTR的基本特性(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)；在電力電子電路中GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性70(2)

動(dòng)態(tài)特性（了解）

開通過程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間tontd主要是由發(fā)射結(jié)勢壘電容和集電結(jié)勢壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開通過程圖2-15GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形71關(guān)斷過程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toff；ts是用來除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分；減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度；負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗；GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。72三、二次擊穿和安全工作區(qū)（一）GTR的二次擊穿現(xiàn)象(重要）二次擊穿是大功率晶體管損壞的主要原因，是影響晶體管變流裝置可靠性的一個(gè)重要因素。一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿(如圖2-16所示)

；只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

73二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)，如果繼續(xù)增高外接電壓，則Ic繼續(xù)增大，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)（圖2-17中A點(diǎn)）

，Uce會(huì)突然降低至一個(gè)小值，同時(shí)導(dǎo)致Ic急劇上升，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿；開始發(fā)生二次擊穿的電壓（PSB）和電流（ISB）稱為二次擊穿的臨界電壓和臨界電流，其乘積為PSB稱為二次擊穿的臨界功率。二次擊穿的持續(xù)時(shí)間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞。必需避免。通常認(rèn)為，在出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)時(shí)，電流會(huì)急劇向發(fā)射區(qū)的局部地方集中，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)局部溫度升高，引起局部區(qū)域電流密度更加增大的惡性循環(huán)反應(yīng)，直至燒毀硅材料。把不同下發(fā)生二次擊穿的臨界點(diǎn)連接起來就二次擊穿臨界線，如圖2-18所示。PSB越大，二次擊穿越不容易發(fā)生。74（二）安全工作區(qū)

GTR的主要參數(shù)（了解）前已述及：電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff，還有：1)

最高工作電壓GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿；擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)；實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。

Buceo為基極開路時(shí)，b和e之間的擊穿電壓。752)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic；實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。3)集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率；產(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。76安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線PSB限定圖2-19GTR的安全工作區(qū)77第五節(jié)功率場效應(yīng)管1一、電力MOSFET的工作原理和靜態(tài)伏安特性2二、電力MOSFET的動(dòng)態(tài)特性3三、電力MOSFET的參數(shù)78MOSFET（MetalOxideSemiconductorFET）分為結(jié)型和絕緣柵型。電力場效應(yīng)管（PowerMOSFET）通常主要指絕緣柵型MOSFET結(jié)型電力場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管SIT（StaticInductionTransistor——SIT）

POWERMOSFET的特點(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??；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；抗過載能力弱。79一、電力MOSFET的工作原理和靜態(tài)伏安特性電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。801)

靜態(tài)特性（注意和GTR的區(qū)別，特別是飽和區(qū)的位置不同）圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性MOSFET的轉(zhuǎn)移特性：漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性，如圖a。其中：UT為MOSFET的開啟電壓，或閾值電壓。ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)

Gfs＝dId/dUGS。MOSFET是電壓控制型器件（場控器件），其輸入阻抗極高，輸入電流非常小，有利于控制電路的設(shè)計(jì)。81MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換；電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通，可看為是逆導(dǎo)器件。在畫電路圖時(shí)，為了不遺忘，常常在MOSFET的電氣符號(hào)兩端反向并聯(lián)一個(gè)二極管；電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利。原因是電流越大，發(fā)熱越大，通態(tài)電阻就加大，從而限制電流的加大，有利于均流。82二、電力MOSFET的動(dòng)態(tài)特性電力MOSFET的開關(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(duì)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。圖2-21給出了電力MOSFET的開關(guān)過程的波形。與GTR相似，其開通延遲時(shí)間td(on)與上升時(shí)間tr的和為開通時(shí)間ton，關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)與下降時(shí)間tf的和為關(guān)斷時(shí)間toff。圖2-21電力MOSFET的開關(guān)過程波形83三、電力MOSFET的參數(shù)除了前面涉及到的跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及開關(guān)過程中的各時(shí)間常數(shù)之外，電力MOSFET還有以下主要參數(shù)。1.漏極電壓UDS

：這是標(biāo)稱電力MOSFET的電壓定額的參數(shù)。2.漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM：這是標(biāo)稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。3柵源電壓UGS柵極和源極之間的絕緣層很薄，當(dāng)UGS>20V時(shí)，將導(dǎo)致絕緣層擊穿。4.極間電容電力MOSFET的三個(gè)電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，這些電容都是非線性的。漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電流MOSFET的安全工作區(qū)。一般來說，電流MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際使用中，仍應(yīng)保留一定的裕量。84二、IGBT的參數(shù)特點(diǎn)一、IGBT的工作原理和靜態(tài)伏安特性三、IGBT的過載能力第六節(jié)絕緣柵雙極型功率晶體管12385絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應(yīng)晶體管的復(fù)合。在20世紀(jì)80年代中期的出現(xiàn)，在電力半導(dǎo)體器件的歷史上是一個(gè)重要的里程碑。在中等功率范圍(數(shù)千瓦到數(shù)兆瓦)內(nèi)，它是非常受歡迎的電力電子器件，并且廣泛應(yīng)用于直流/交流傳動(dòng)和電源系統(tǒng)。

86它在高端范圍取代了GTR,并且目前也正在較低功率范圍內(nèi)逐步取代GTO品閘管。IGBT基本上是一種混合式的MOS柵極開關(guān)雙極型晶體管，它同時(shí)結(jié)合了MOSFET和BJT的優(yōu)點(diǎn)。IGBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關(guān)頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護(hù)功能的智能產(chǎn)品。87一、IGBT的工作原理和靜態(tài)伏安特性

IGBT的電氣圖形符號(hào)如圖2-22a所示。與MOSFET相類似，IGBT的門極為高輸入阻抗型電壓驅(qū)動(dòng)控制，只要在門極上施加電壓就可以保證器件的導(dǎo)通，其門極控制功率小。由圖b)可見，當(dāng)uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，IGBT導(dǎo)通，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻減小，使通態(tài)壓降減小。當(dāng)柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。IGBT可以看成是MOSFET驅(qū)動(dòng)的GTR大功率晶體管，其輸出特性如圖c所示。它的主電路技術(shù)性能與GTR相近。理想的IGBT的伏安特性如同開關(guān)性能，如圖2-22所示。

圖2-22a)IGBT的電氣圖形符號(hào)b)轉(zhuǎn)移特性c)輸出特性d)理想特性88二、IGBT的參數(shù)特點(diǎn)有關(guān)IGBT的參數(shù)和特性，各國廠家給出的并不完全一樣，但從總的方面來看，IGBT具有下列特點(diǎn)：（1）IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，IGBT電壓在1000V以上時(shí)的開關(guān)損耗只及GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。（2）IGBT的通態(tài)壓降比電力MOSFET低，特別是大電流區(qū)段（3）IGBT的通態(tài)壓降在1/2或1/3額定電流以下區(qū)段具有負(fù)的溫度系數(shù)，在以上區(qū)段具有正的溫度系數(shù)，因此，IGBT在并聯(lián)使用時(shí)具有電流自動(dòng)調(diào)節(jié)的能力，即有易與并聯(lián)的特點(diǎn)。89（4）IGBT的安全工作區(qū)比GTR寬，而且它還具有耐脈沖電流沖擊的性能。（5）IGBT的輸入特性與電力MOSFET相似，輸入阻抗高，它在驅(qū)動(dòng)電路中作為負(fù)載時(shí)呈容抗性質(zhì)。

(6）與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓可以繼續(xù)做的高，電流可以繼續(xù)做的大，同時(shí)還保持工作頻率高的特點(diǎn)。最后值得注意的是：IGBT的關(guān)斷波形如圖2-23所示，即存在電流拖尾現(xiàn)象——在時(shí)間內(nèi)電流快速下降，在時(shí)間內(nèi)電流下降變的緩慢。除此之外，IGBT的開關(guān)時(shí)間定義與電力MOSFET是一樣的。90三、IGBT的過載能力

（一）IGBT的短路特性通過圖2-24試驗(yàn)電路可以測試IGBT的短路特性。將電容上的電壓加在IGBT管的CE兩端。這時(shí)給其柵極施加一個(gè)低重復(fù)率、幅值固定的脈沖，則被試IGBT管就通過一個(gè)短路的脈沖電流，然后逐漸加大短路時(shí)間（tsc），直至器件損壞為止。圖2-24簡單的IGBT短路試驗(yàn)電路91利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就可以初步確定任何一個(gè)IGBT在規(guī)定溫度、規(guī)定和規(guī)定柵極電壓值下的承受電流的能力。這個(gè)試驗(yàn)方法與實(shí)際應(yīng)用仍有差距，即未顧及到動(dòng)態(tài)du/dt可能引起的鎖定效應(yīng)。但通過該試驗(yàn)電路獲得一個(gè)結(jié)果：IGBT器件的飽和壓降越高，其允許的短路時(shí)間越長，如圖2-25所示，這時(shí)施加的柵極電壓應(yīng)能維持器件正常時(shí)的飽和壓降接近實(shí)際的最小值（這是最危險(xiǎn)狀況，是正常工作時(shí)要求的），并在整個(gè)故障過程中保持不變。92由圖2-26可知，飽和壓降小于2V的器件，其允許的短路時(shí)間小于或等于5。當(dāng)飽和壓降增加到4～5V時(shí)，其允許的短路時(shí)間增加到30左右（這與雙極型晶體管的典型數(shù)量級(jí)相同，但飽和壓降卻比雙極型晶體管高）。顯然，廠家提供的這條曲線可為電路設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)過載或短路保護(hù)提供基本的設(shè)計(jì)依據(jù)。若無這條短路曲線，只要需要，可以通過試驗(yàn)來確定器件固有的承受短路電流的能力。93引伸上述結(jié)論，在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過減少柵極電壓來降低短路電流和延長短路時(shí)間，如圖2-26所示。該曲線是根據(jù)IR公司的IRGPC40F器件給出的，該型號(hào)的器件參數(shù)為。從圖2-25可看出，這種器件在5μs內(nèi)，可承受250A以上的短路電流，當(dāng)柵極電壓從15V降低到10V時(shí)，允許的短路時(shí)間增加了10μs。94（二）故障保護(hù)方案對(duì)于正常過載，像電機(jī)啟動(dòng)、濾波電容的合閘沖擊或者是負(fù)載的突然變化，需通過正常的閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，對(duì)于非正常和偶然的短路故障可以采用撤除柵電壓保護(hù)方案。這種方案不去區(qū)別真實(shí)故障、偶然故障和虛偽故障，而在2μs內(nèi)迅速撤除柵極信號(hào)，如圖2-27所示。95第七節(jié)集成門極換流晶閘管IGCT一、IGCT的基本工作原理二、IGCT的特性三、IGCT的典型應(yīng)用舉例IGCT96IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也有廠家稱為GCT（Gate-CommutatedThyristor）。IGCT是一種新型的電力電子器件,它將GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接,結(jié)合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點(diǎn),即晶體管的穩(wěn)定的關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗。97IGCT在導(dǎo)通期間發(fā)揮晶閘管的性能,關(guān)斷階段呈類似晶體管的特性。IGCT具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點(diǎn)。此外,IGCT還象GTO一樣,具有制造成本低和成品率高的特點(diǎn),有極好的應(yīng)用前景。98一、IGCT的基本工作原理

當(dāng)GCT工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),是一個(gè)象晶閘管一樣的正反饋開關(guān),其特點(diǎn)是攜帶電流能力強(qiáng)和通態(tài)壓降低。在關(guān)斷狀態(tài)下,整個(gè)器件呈晶體管方式工作,該器件在這兩種狀態(tài)下的等效電路及其符號(hào)如圖2－28所示。GCT關(guān)斷時(shí),通過打開一個(gè)與陰極串聯(lián)的開關(guān)(通常是MOSFET),這樣便把GTO轉(zhuǎn)化成為一個(gè)無接觸基區(qū)的npn晶體管,消除了陰極發(fā)射極的正反饋?zhàn)饔?GTO也就均勻關(guān)斷,而且沒有載流子收縮效應(yīng)。這樣,它的最大關(guān)斷電流比傳統(tǒng)GTO的額定電流高出許多。由于GCT在增益接近1時(shí)關(guān)斷,因此,保護(hù)性的吸收電路可以省去。圖2-28IGCT的電路符號(hào)及導(dǎo)通和阻斷狀態(tài)示意圖

99二、IGCT的特性(一)開通特性因?yàn)镮GCT是雙穩(wěn)態(tài)開通的器件，它可以調(diào)整di/dt或

dv/dt，就象真正三極管那樣。雖然這些參數(shù)對(duì)器件本身并不十分重要，但是開通一個(gè)開關(guān)的同時(shí)，總會(huì)強(qiáng)制關(guān)斷一個(gè)相聯(lián)的同樣等級(jí)的二極管。圖2－29顯示了典型的開通轉(zhuǎn)換波形。

100(二)通態(tài)特性IGCT

通過利用緩沖層結(jié)構(gòu)及陽極透明發(fā)射極技術(shù)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)壓降和高關(guān)斷能力。圖3為IGCT器件的通態(tài)特性,其中給出了125℃下及1000～5000A電流范圍內(nèi),通態(tài)壓降的最大值(左)、最小值(右)及典型值(中)。此通態(tài)特性使得在TC=85℃下,器件能通過2200A

的均方根額定電流(正弦半波,50Hz)。101(三)關(guān)斷特性由于具有均勻開關(guān)特性,IGCT的關(guān)斷能力大大提高。ABB半導(dǎo)體部開發(fā)的5SH35L4502器件關(guān)斷和對(duì)應(yīng)的關(guān)斷損耗典型值(非重復(fù)值)見表1。102圖2-31給出了5kA下,吸收電容為4LF時(shí)IGCT的關(guān)斷情形,其吸收電感大于200nH。緩沖層設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在圖中清晰可見,尾部電流大,持續(xù)時(shí)間短。采用不同的輻照工藝可以降低尾部電流及關(guān)斷損耗,而通態(tài)電壓只略有提高。圖2-315SHY35L4502器件關(guān)斷5kA的波形,Cs=4LF,T=125℃103三、IGCT的典型應(yīng)用舉例(一)串聯(lián)應(yīng)用與GTO相比,IGCT的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)時(shí)間短,因而在串聯(lián)應(yīng)用時(shí),各個(gè)IGCT關(guān)斷時(shí)間的偏差極小,其分擔(dān)的電壓會(huì)較為均衡,所以適合大功率應(yīng)用。在鐵路用100MVA(已商業(yè)化)轉(zhuǎn)換控制網(wǎng)絡(luò)的輸出級(jí)中,采用了12個(gè)IGCT,每組6個(gè)串聯(lián),VDC2link(直流中間電路電壓)額定為10kV,輸出電流為1430A。104(二)牽引逆變器由于牽引領(lǐng)域的廣泛需要,逆導(dǎo)IGCT發(fā)展很快,IGCT可無吸收關(guān)斷,比GTO逆變器更加緊湊。在目前已成功應(yīng)用的IGCT三相逆變器中,只需要di/dt限制電路,門極驅(qū)動(dòng)電源在中心放置,進(jìn)一步減小了逆變器的體積。逆變器電路如圖2-32所示。105經(jīng)過幾年的發(fā)展，IGCT已經(jīng)成為MV級(jí)使用的功率器件的首選，它可以獲得最低的成本，最高的可靠性、效率和頻率，最大的功率密度。采用4種或5種標(biāo)準(zhǔn)封裝形式，它可以涵蓋0.3～300MW的使用功率范圍，其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)1000倍!因?yàn)榫哂袠?biāo)準(zhǔn)的外形和標(biāo)準(zhǔn)器件(標(biāo)準(zhǔn)芯片、封裝、門極單元、散熱器、鉗位電路等)，通用的電力電子組件單元正令人矚目地浮現(xiàn)。106串聯(lián)使用易于實(shí)現(xiàn)并且其注定自然會(huì)在可以預(yù)見的將來更簡便。并聯(lián)使用因其附帶的不確定性，仍然不是必需的使用。近幾年的名譽(yù)掃地的壓結(jié)式封裝，又重新因其簡便性、可靠性、低阻，固有的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化等而重新被人們所認(rèn)識(shí)，IGCT如此，IGBT亦然，而且在電壓源逆變器組裝時(shí)減弱開關(guān)的高能量的直流連接這一明智之舉，已經(jīng)被這二種器件廣泛地接受。107第八節(jié)功率集成電路

在電力電子器件的開發(fā)和研制過程中的一個(gè)共同趨勢模塊化，它是將多個(gè)功率半導(dǎo)體芯片按照應(yīng)用要求復(fù)合連接封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊。按照所含芯片的種類，可分為二極管模塊（DiodeModule）晶體管模塊（transistormodule）以及智能功率模塊（IPM-InterligentPowerModule）等。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）。

108晶體管模塊（主要有IGBTModule,MOSFETModule）和智能功率模塊（IPM）得到重點(diǎn)開發(fā)和研制，這是因?yàn)楣β誓K除了保持原有功率器件的基本技術(shù)性能還具有以下的特點(diǎn)：

1)外部電路端口與散熱相同（安裝平臺(tái)）實(shí)現(xiàn)了完全電隔離，因而多個(gè)模塊可安裝在同一個(gè)散熱板上。2)將開關(guān)組合電路與輔助電路（驅(qū)動(dòng)控制、續(xù)流和指定部分等）集成為一體可以直接利用邏輯信號(hào)（如微處理器）觸發(fā)，并具有自保護(hù)功能，由于縮短了驅(qū)動(dòng)引線，噪聲影響減小。3)模塊結(jié)構(gòu)緊湊，可縮小裝置體積，降低成本，易于實(shí)現(xiàn)應(yīng)用設(shè)備的小型化。4)組裝連接簡易，便于裝卸和維護(hù)。5)對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求109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）。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。110功率集成電路發(fā)展現(xiàn)狀：1)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。2)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。111第九節(jié)電力電子器件的串并聯(lián)一、晶閘管的串聯(lián)電力電子器件二、晶閘管的并聯(lián)112對(duì)于大型電力電子裝置，當(dāng)單個(gè)電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時(shí)，往往需要將電力電子器件串聯(lián)或并聯(lián)起來工作。本章先介紹由晶閘管組成的串、并聯(lián)電路應(yīng)注意的問題和處理措施，然后介紹應(yīng)用較多的電力MOSFET并聯(lián)和IGBT并聯(lián)的一些特點(diǎn)。113一、晶閘管的串聯(lián)目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻：靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等；承受電壓高的器件首先達(dá)到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個(gè)器件承擔(dān)全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用；反向時(shí)，可能使其中一個(gè)器件先反向擊穿，另一個(gè)隨之擊穿。1141.靜態(tài)均壓措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件；采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時(shí)的正、反向電阻小得多。圖晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施1152.動(dòng)態(tài)均壓措施動(dòng)態(tài)不均壓——由于器件動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓。動(dòng)態(tài)均壓措施：選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件；用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓；采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間上的差異。116二、晶閘管的并聯(lián)

目的：目的：多個(gè)器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流。特別是在有些頻率較高的逆變器中，有時(shí)為了減小SCR的開關(guān)損耗和di/dt，減小關(guān)斷時(shí)間，達(dá)到所需的工作頻率和輸出功率，常常使用多個(gè)SCR并聯(lián)。問題：SCR會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻。SCR導(dǎo)通后的內(nèi)阻極小是并聯(lián)時(shí)很難均流的根本原因。1171.靜態(tài)均流措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)均流的根本措施；采用電阻均流，Rp的阻值應(yīng)顯著大于SCR導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻。還可以采用電感均流：當(dāng)SCR由于伏安特性差別，器件電流趨于不均衡時(shí)，電感阻止各支路電流的變化，以減小各支路電流的差異。1182.動(dòng)態(tài)均流措施動(dòng)態(tài)均流——主要是指SCR由截止到導(dǎo)通的過渡過程中的均流，SCR開通延遲時(shí)間不一致是動(dòng)態(tài)不均流的主要原因。動(dòng)態(tài)均流措施：最基本的措施是選取開通延遲時(shí)間比較一致的SCR；采用門極強(qiáng)脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時(shí)間上的差異。使用均流變壓器也是一種有效辦法。（利用各個(gè)支路中的均流變壓器繞組來減小各個(gè)SCR在開通延遲時(shí)間上的差別）當(dāng)需要同時(shí)串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時(shí)，通常采用先串后并的方法聯(lián)接。119電力MOSFET并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動(dòng)均衡的能力，容易并聯(lián)；注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián)；電路走線和布局應(yīng)盡量對(duì)稱；可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用。

IGBT并聯(lián)運(yùn)行的特點(diǎn)在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負(fù)的溫度系數(shù)；在以上的區(qū)段則具有正溫度系數(shù)；并聯(lián)使用時(shí)也具有電流的自動(dòng)均衡能力，易于并聯(lián)。120第十節(jié)電力電子器件的保護(hù)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路電力電子器件保護(hù)電路電力電子器件一二121驅(qū)動(dòng)電路－－主電路與控制電路之間的接口。是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，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(duì)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)。122驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：1)按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號(hào)。2)對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。3)對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。按驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，可將電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩類。晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路常稱為觸發(fā)電路。典型的全控器件將按電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型分別討論。123(一)晶閘管的觸發(fā)電路

作用：按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向?qū)?yīng)的晶閘管提供控制門極電流使其導(dǎo)通。常見的觸發(fā)信號(hào)波形如圖2-34所示。一般，晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列基本要求：1)觸發(fā)信號(hào)可以是交流直流或脈沖，常采用脈沖形式。2)觸發(fā)脈沖必須有足夠的電壓和電流。3)觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度（考慮掣住電流）。與負(fù)載功率因數(shù)有關(guān)；橋式全控：60o—120o寬脈沖或雙窄脈沖；較寬的觸發(fā)信號(hào)也可采用脈沖列的形式。4)觸發(fā)脈沖必須與主回路電源同步。5)觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)滿足變流裝置的要求。6)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，溫度穩(wěn)定性好。124圖2-35a）所示為一個(gè)典型的帶強(qiáng)觸發(fā)變壓器的耦合驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)極達(dá)林頓晶閘管V2開路期間，電容C被充電至E2.V2導(dǎo)通，C通過脈沖變壓器一次繞組和V2放電，形成前沿尖峰。以后變壓器一次繞組由E1供電。V2關(guān)斷后，C再次充電至E2。圖b）示出了各點(diǎn)的電壓波形。125(二)電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

圖2-36給出了一個(gè)門極驅(qū)動(dòng)電路的例子。需要GTO開通時(shí)，MOS管M1、M2接收來自控制系統(tǒng)的開通信號(hào)（M1、M2為高頻互補(bǔ)式方波脈沖電壓）兩個(gè)MOS管M1、M2交替地通斷變換。脈沖變壓器PTR傳輸高頻脈沖列，脈沖變壓器副方為高頻交流脈沖電壓VAB,當(dāng)A為正、B為負(fù)時(shí)，副方電壓VOB從O點(diǎn)經(jīng)穩(wěn)壓齊納二極管DZ和電感L產(chǎn)生正向電流IG，再經(jīng)D2回到B點(diǎn)。當(dāng)B為正，A為負(fù)時(shí)，副方電壓VOA從O點(diǎn)經(jīng)DZ和L產(chǎn)生正向IG開通GTO，再經(jīng)D1回到A點(diǎn)。在GTO被正向IG驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，電容C經(jīng)由四個(gè)二極管組成的整流橋RCT充電。GTO導(dǎo)通后，撤除M1、M2信號(hào)，GTO仍保持通態(tài)，電容C已被充好電，積蓄了關(guān)斷GTO所需能量，一旦需要關(guān)斷GTO時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出的關(guān)斷信號(hào)，一方面令M1、M2失去開通信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)圖中的晶閘管導(dǎo)通，電容C經(jīng)晶閘管到GTO的陰極、門極和電感L放電，產(chǎn)生反向電流IG,關(guān)斷GTO。圖2-36有隔離變壓器的GTO驅(qū)動(dòng)器126(三)電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電路MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。電力MOSFET的柵源極之間和IGBT的柵射極之間都有數(shù)千皮法左右的極間電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路具有較小的輸出電阻。電力MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓一般取10～15V,IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓取15～20V。同樣，關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取－5V～－15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗。127比如IGBT的驅(qū)動(dòng)電路多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。常用的有三菱公司的M579系列和富士公司的EXB系列。同一系列的不同型號(hào)其引角和接線基本相同，只是適用被驅(qū)動(dòng)器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。圖2-37給出了EXB840/841的原理和接線圖。128二、電力電子器件的保護(hù)電路在電力電子電路中，除了電力電子器件參數(shù)選擇合適、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)良好外，采用