重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院(2014)第7章新型電力器件

7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)入了一個嶄新時代。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。7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7典型全控型器件7.1

門極可關(guān)斷晶閘管7.2

電力晶體管7.3

電力場效應(yīng)晶體管7.4

絕緣柵雙極晶體管7.1門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負(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）7.1門極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點：

PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極。和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號

a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK7.1門極可關(guān)斷晶閘管工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。

圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2

。7.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時管壓降增大。

多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。

圖1-7晶閘管的工作原理7.1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)通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程中有強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。由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：7.1門極可關(guān)斷晶閘管開通過程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同儲存時間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時間tf

尾部時間tt

—殘存載流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

圖1-14

GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形GTO的動態(tài)特性7.1門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1~2s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大?！话阒竷Υ鏁r間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于2s。（2）關(guān)斷時間toff（1）開通時間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)

。許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。7.1門極可關(guān)斷晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽極電流IATO（4）

電流關(guān)斷增益off

off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個主要缺點。1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值要200A

。——GTO額定電流。

——最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。（1-8）7.2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：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。7.2電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號和內(nèi)部載流子的流動

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號c)內(nèi)部載流子的流動達(dá)林頓三極管達(dá)林頓三極管又稱復(fù)合管。這種復(fù)合管是由兩只輸出功率大小不等的三極管按一定接線規(guī)律復(fù)合而成。根據(jù)內(nèi)部兩只三極管復(fù)合的不同，有四種形式的達(dá)林頓三極管。復(fù)合以后的極性取決于第一只三極管，例如若第一只三極管是NPN型三極管，則復(fù)合以后的極性為NPN型。達(dá)林頓三極管主要作為功率放大管和電源調(diào)整管，如下圖所示。達(dá)林頓電路有四種接法：

NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP,PNP+NPN.

前二種是同極性接法，后二種是異極性接法。

7.2電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。集電極電流ic與基極電流ib之比為（1-9）

——GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對集電極電流的控制能力。當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時，ic和ib的關(guān)系為ic=

ib+Iceo

（1-10）單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益?？昭麟娮恿鱟)EbEcibic=bibie=(1+b)ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理7.2電力晶體管

(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：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)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過放大區(qū)。截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce圖1-16共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性2）GTR的基本特性7.2電力晶體管開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。加快開通過程的辦法。關(guān)斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關(guān)斷時間toff

。加快關(guān)斷速度的辦法。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖1-17GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形(2)

動態(tài)特性7.2電力晶體管前已述及：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、開通時間ton和關(guān)斷時間toff

(此外還有)：

1)

最高工作電壓

GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(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)。實際使用時，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)7.2電力晶體管通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應(yīng)的Ic

。實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。

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時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。

2)

集電極最大允許電流IcM7.2電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。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、二次擊穿臨界線限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18GTR的安全工作區(qū)GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)7.3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——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。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7.3電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道。

電力MOSFET主要是N溝道增強型。DATASHEET1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理7.3電力場效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號7.3電力場效應(yīng)晶體管小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)7.3電力場效應(yīng)晶體管截止：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當(dāng)UGS大于UT時，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。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力MOSFET的工作原理7.3電力場效應(yīng)晶體管

(1)靜態(tài)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。ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A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2）電力MOSFET的基本特性7.3電力場效應(yīng)晶體管截止區(qū)（對應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應(yīng)GTR的飽和區(qū)）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。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。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的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)1020305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A7.3電力場效應(yīng)晶體管開通過程開通延遲時間td(on)

上升時間tr開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)下降時間tf關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間和下降時間之和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)

動態(tài)特性7.3電力場效應(yīng)晶體管

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(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)動功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。MOSFET的開關(guān)速度7.3電力場效應(yīng)晶體管3)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CDS7.4

絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長補短結(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）(DATASHEET1

2)GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點。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——雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。

MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。7.4

絕緣柵雙極晶體管1)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E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7.4

絕緣柵雙極晶體管圖1-22a—N溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT。IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。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

IGBT的結(jié)構(gòu)7.4

絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動原理與電力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，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，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a)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7.4

絕緣柵雙極晶體管2)IGBT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))輸出特性分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。7.4

絕緣柵雙極晶體管ttt10%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的相似開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr

開通時間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程。

(2)

IGBT的動態(tài)特性7.4

絕緣柵雙極晶體管圖1-24IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時間td(off）電流下降時間

關(guān)斷時間toff電流下降時間又可分為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)UGEMUGEMICMICM7.4

絕緣柵雙極晶體管3)IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗。(3)

最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

(2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。(1)

最大集射極間電壓UCES7.4

絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(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，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，同時保持開關(guān)頻率高的特點。7.4

絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：

IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件?！畲蠹姌O電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——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。正偏安全工作區(qū)（FBSOA）動態(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。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決?！狽PN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。7.5其他新型電力電子器件7.5.1MOS控制晶閘管MCT7.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT7.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH7.5.4集成門極換流晶閘管IGCT7.5.5功率模塊與功率集成電路7.5.1MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點：承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過程，開關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，低導(dǎo)通壓降。一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成。每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實際應(yīng)用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合(DATASHEET)7.5.2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：柵極不加信號時導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時關(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7.5.3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。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）7.5.4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，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。DATASHEET

1

2IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）7.5.5

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，將多個器件封裝在一個模塊中，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）。DATASHEET基本概念7.5.5

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)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。實際應(yīng)用電路7.5.5

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：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難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。發(fā)展現(xiàn)狀7.6電力電子器件器件的驅(qū)動7.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述7.6.2晶閘管的觸發(fā)電路7.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路1.6.1電力電子器件驅(qū)動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)時間，減小開關(guān)損耗。對裝置的運行效率、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)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)。驅(qū)動電路的基本任務(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)動電路——主電路與控制電路之間的接口1.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述驅(qū)動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1.6.1電力電子器件驅(qū)動電路概述按照驅(qū)動信號的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型。驅(qū)動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)動電路。分類1.6.2晶閘管的觸發(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刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：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)。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。tIIMt1t2t3t4圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1~t2脈沖前沿上升時間（<1s）t1~t3強脈寬度IM強脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）晶閘管的觸發(fā)電路1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。

V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路常見的晶閘管觸發(fā)電路1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路(1)GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似。GTO關(guān)斷控制需施加負(fù)門極電流。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1)

電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓GTO驅(qū)動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(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)動電路1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路開通驅(qū)動電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)。關(guān)斷GTR時，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓。tOib

圖1-30理想的GTR基極驅(qū)動電流波形(2)GTR1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路GTR的一種驅(qū)動電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。圖1-31

GTR的一種驅(qū)動電路驅(qū)動GTR的集成驅(qū)動電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動型器件。為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動電壓一般15~20V。關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻可以減小寄生振蕩。2)電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路(1)電力MOSFET的一種驅(qū)動電路：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分圖1-32

電力MOSFET的一種驅(qū)動電路專為驅(qū)動電力MOSFET而設(shè)計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)動電壓+15V和-10V。

1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動電路(2)IGBT的驅(qū)動圖1-33

M57962L型IGBT驅(qū)動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)動器。1.7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1.7.1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，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1.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)過電壓保護(hù)措施圖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電路電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。1.7.2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作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。圖1-37過電流保護(hù)措施及配置位置1.7.2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1.7.3

緩沖電路關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——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）——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗。復(fù)合緩沖電路——關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(jié)合。按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）。通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。緩沖電路(SnubberCircuit)

：

又稱吸收電路，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。b)tuCEiCOdidt抑制電路無時didt抑制電路有時有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC1.7.3

緩沖電路緩沖電路作用分析無緩沖電路：有緩沖電路：圖1-38

di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形ADCB無緩沖電路有緩沖電路uCEiCO

圖