電力電子器件 (2)課件

第二章：電力電子器件第一節(jié)概述第二節(jié)電力二極管第三節(jié)電力晶體管第四節(jié)晶閘管第五節(jié)電力MOS場效應晶體管第六節(jié)絕緣柵雙極晶體管第七節(jié)其它電力電子器件第八節(jié)電力電子器件的保護本章小結(jié)1第一節(jié)概述一、電力電子器件的概念和特征1）能夠承受高電壓和通過大電流，處理功率大。2）一般工作在開關(guān)狀態(tài)（開關(guān)特性和參數(shù)）3）實際應用中，由弱電控制強電4）開關(guān)損耗大，器件使用時需安裝散熱器2二、電力電子器件的分類半控型---晶閘管（含雙向、快速）全控型-可關(guān)斷晶閘管GTO電力晶體管GTR場效應晶體管MOSFET絕緣柵雙極型晶體管IGBT其他（MCT、IGCT、PIC。。。）雙極型復合型單極型3電力電子器件的最新研制水平器件名稱國外研制水平國內(nèi)研制水平普通晶閘管SCH12kV/1kA,8kV/6kA6.5kV/3.5kA快速晶閘管2.5kV/1.6kA2kV/1.5kA光控晶閘管6kV/6kA,8kV/4kA4.5kV/2kA可關(guān)斷晶閘管GTO9kV/2.5kA,6kV/6kA(400Hz)4.5kV/2.5kA電力晶體管GTR模塊：1.8kV/1kA(2kHz)模塊：1.2kV/400A功率MOSFET60A/200V（2MHz)500V/50A(100MHz)1kV/35A絕緣柵雙極晶體管IGBT單管：4.5kV/1kA模塊：3.5kV/1.2kA（50kHz)單管：1kV/50A模塊：1.2kV/200A集成門極換流晶閘管IGCT單管：6kV/1.6kAMOS控制晶閘管MCT1kV/100A（Td=1μs)1kV/75A功率集成電路IPM:1.8kV/1.2kA600V/75A5AKAKa)第二節(jié)電力二極管電力二極管是指可以承受高電壓大電流具有較大耗散功率的二極管，它與其他電力電子器件相配合，作為整流、續(xù)流、電壓隔離、鉗位或保護元件，在各種變流電路中發(fā)揮著重要作用；它的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性與信息電子電路中的二極管相同，以半導體PN結(jié)為基礎(chǔ)；主要類型有普通二極管、快恢復二極管和肖特基二極管；由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成，從外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型兩種封裝，小功率的和普通二極管一致。IKAPNJb)c)圖2-2-1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6第四節(jié)晶閘管

晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR，普通晶閘管是一種具有開關(guān)作用的大功率半導體器件。從1957年美國研制出第一只普通晶閘管以來，至今已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品；晶閘管作為大功率的半導體器件，只需用幾十至幾百毫安的電流，就可以控制幾百至幾千安培的大電流，實現(xiàn)了弱電對強電的控制；

晶閘管具有體積小、重量輕、損耗小、控制特性好等優(yōu)點，曾經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。

7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，所以必須進行散熱和冷卻。

冷卻方式：自然冷卻（散熱片）、風冷（風扇）、水冷9二、晶閘管的導通和關(guān)斷條件〔簡單描述〕晶閘管SCR相當于一個半可控的、可開不可關(guān)的單向開關(guān)。圖2-4-2晶閘管的工作條件的試驗電路10〔解釋〕當SCR的陽極和陰極電壓UAK<0，即EA下正上負，無論門極G加什么電壓，SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)；UAK>0時，且EGk>0，SCR才能導通。SCR一旦導通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導通狀態(tài)。SCR導通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當UAK<0時，無論SCR原來的狀態(tài)，都會使R熄滅，即此時SCR關(guān)斷。其實，在I逐漸降低（通過調(diào)整RW）至某一個小數(shù)值時，剛剛能夠維持SCR導通。如果繼續(xù)降低I，則SCR同樣會關(guān)斷。該小電流稱為SCR的維持電流。導通和關(guān)斷條件綜上所述：SCR導通條件：

UAK>0同時UGK>0由導通→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來實現(xiàn)。）11晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系，稱為陽極伏安特性。三、晶閘管的基本特性IG

=0圖2-4-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向?qū)?gt;>UBO正向特性反向特性雪崩擊穿1、靜態(tài)特性（1）陽極伏安特性131)正向特性

IG=0時，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。圖2-4-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管的陽極伏安特性142)反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管的陽極伏安特性圖2-4-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG152、動態(tài)特性圖2-4-6晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形1)開通過程延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間。上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。開通時間tgt：以上兩者之和，tgt=td+tr

普通晶閘管延遲時為0.5~1.5s，上升時間為0.5~3s。172、動態(tài)特性圖2-4-6晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形2)關(guān)斷過程反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間在正向阻斷恢復時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?。實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作。

關(guān)斷時間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。181.電壓參數(shù)1)

正向斷態(tài)重復峰值電壓UDRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。2)

反向阻斷重復峰值電壓URRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。3)

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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。四、晶閘管的主要參數(shù)195）通態(tài)平均電壓UT(AV)：當晶閘管中流過額定電流并達到穩(wěn)定的額定結(jié)溫時，陽極與陰極之間電壓降的平均值，稱為通態(tài)平均電壓。通態(tài)平均電壓UT(AV)分為A～Ｉ，對應為0.4V～1.2V共九個組別。21舉例：

一晶閘管用于相電壓一晶閘管用于相電壓為220V的單相電路中時，器件的電壓等級選擇如下：

考慮到既能滿足耐壓要求，又較經(jīng)濟取系列值：

221）額定電流（通態(tài)平均電流）IT(AV)

額定電流：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)溫時所允許連續(xù)流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。電流平均值：指一個周期內(nèi)的電流算數(shù)平均值；電流有效值：指一個周期內(nèi)的電流的方均根值。2、電流參數(shù)23使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管。實際選用時，一般取（1.5~2）的安全裕量

IT(AV)＝（1.5～2）ITM／1.57ITM:流過晶閘管中可能出現(xiàn)的最大電流有效值25有一晶閘管的電流額定值I（TAV）=100A，用于電路中流過的電流波形如圖所示，允許流過的電流峰值IM=？分析：I（TAV）=100A的晶閘管對應的電流有效值為IT=1.57×I（TAV）

＝157A

；波形對應的電流有效值：舉例：考慮2倍的安全裕量后得：262)

維持電流IH：使晶閘管維持導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)信號后，能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。4)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)溫的不重復性最大正向過載電流。

274)斷態(tài)電壓臨界上升率du／dt

：在額定結(jié)溫和門極開路情況下，不使元件從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大陽極電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率。5）通態(tài)電流臨界上升率di／dt

：在規(guī)定條件下，晶閘管在門極觸發(fā)開通時所能承受不導致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率稱為通態(tài)電流臨界上升率。4、動態(tài)參數(shù)29

1、雙向晶閘管1）雙向晶閘管的外形與結(jié)構(gòu)雙向晶閘管的外形與普通晶閘管類似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其內(nèi)部是一種NPNPN五層結(jié)構(gòu)引出三個端線的器件。五、其他類型的晶閘管圖2-4-7雙向晶閘管

302）雙向晶閘管的特性與參數(shù)雙向晶閘管具有正反向?qū)ΨQ的伏安特性曲線。正向部分位于第I象限，反向部分位于第III象限。如圖2-4-7（d）所示。用有效值來表示其額定電流值。雙向晶閘管均方根值電流與普通晶閘管平均值電流之間的換算關(guān)系式為

313)雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個方向都能導通，門極加正負電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：Ⅰ+觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負；門極電壓G為正，T2為負。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅰ-觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負；門極電壓G為負，T2為正。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅲ+觸發(fā)方式：主極T1為負，T2為正；門極電壓G為正，T2為負。特性曲線在第Ⅲ象限。Ⅲ-觸發(fā)方式：主極T1為負，T2為正；門極電壓G為負，T2為正。特性曲線在第Ⅲ象限。由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以Ⅲ+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時要盡量避開，常采用的觸發(fā)方式為Ⅰ+和Ⅲ-

。

324)雙向晶閘管的門極控制雙向晶閘管的控制方式常用的有兩種，第一種為移相觸發(fā)，與普通晶閘管一樣，是通過控制觸發(fā)脈沖的相位來達到調(diào)壓的目的。第二種是過零觸發(fā)，適用于調(diào)功電路及無觸點開關(guān)電路。本相電壓強觸發(fā)電路這種觸發(fā)方式電路簡單、工作可靠，主要用于雙向晶閘管組成的交流開關(guān)電路。

圖2-4-8本相電壓的觸發(fā)方式33包括所有專為快速應用而設(shè)計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管（10kHz以上）；管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進行了改進，開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善；普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右；高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高；由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應；FST由于允許長期通過的電流有限，所以其不宜在低頻下工作。2、快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)34逆導晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種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。3、逆導晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）圖2-4-9逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性354、光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管。圖2-4-10光控晶閘管電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。36全控型電力電子器件GTO——門極可關(guān)斷晶閘管GTR——電力晶體管MOSFET——電力場效應晶體管IGBT——門極絕緣柵雙極晶體管37門極可關(guān)斷（GTO）晶閘管1.結(jié)構(gòu)與普通晶閘管的相同點：PNPN四層半導體結(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，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。圖2-4-11GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號382、工作原理：圖2-4-12晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理1+2=1是器件臨界導通的條件。當1+2>1時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導通；當1+2<1時，不能維持飽和導通而關(guān)斷。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α1和α2。門極可關(guān)斷晶閘管39GTO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：門極可關(guān)斷晶閘管

（1）設(shè)計2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。（2）導通時1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導通時管壓降增大。

（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。40門極可關(guān)斷晶閘管由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：GTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過程：強烈正反饋——門極加負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，又進一步減小V2的基極電流。當IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。413.導通關(guān)斷條件導通：同晶閘管，AK正偏，GK正偏關(guān)斷：門極加負脈沖電流423.特點全控型容量大

off≈5電流控制型電流關(guān)斷增益off：最大可關(guān)斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益1000A的GTO關(guān)斷時門極負脈沖電流峰值要200A。43第三節(jié)GTR——電力晶體管電力晶體管GTR（GiantTransistor，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在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱等效。

應用20世紀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441.

GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-3-1GTR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。45在應用中，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

——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，采用達林頓接法可有效增大電流增益。46達林頓GTR單管GTR的電流增益低，將給基極驅(qū)動電路造成負擔。達林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益一種有效方式。達林頓結(jié)構(gòu)由兩個或多個晶體管復合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質(zhì)由驅(qū)動管來決定達林頓GTR的開關(guān)速度慢，損耗大

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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)，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，要經(jīng)過放大區(qū)圖2-3-2共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性2、GTR的基本特性48(2)

動態(tài)特性開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間ton。td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，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程。圖2-3-3GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形49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

。ts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時間的主要部分。減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關(guān)斷速度。負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。圖2-3-3GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形50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)。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。3、GTR的主要參數(shù)512)

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時所對應的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。52一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿。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增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨Uce電壓的陡然下降。二次擊穿的持續(xù)時間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。4、GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)53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。圖2-3-4GTR的安全工作區(qū)545、主要特點全控型，電流控制型二次擊穿（工作時要防止）中大容量，開關(guān)頻率較低551.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理

電力MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道

增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道

電力MOSFET主要是N溝道增強型第五節(jié)電力MOS場效應晶體管（MOSFET）

56G：柵極D：漏極S：源極圖2-5-1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

57導通關(guān)斷條件漏源極導通條件：在柵源極間加正電壓UGS漏源極關(guān)斷條件：柵源極間電壓UGS為零導通時只有一種極性的載流子（多子）參與導電，是單極型晶體管。581)

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Gfs。圖2-5-2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59MOSFET的漏極伏安特性：截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應于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器件導通。電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。圖2-5-2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60開通過程開通延遲時間td(on)——up前沿時刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段。上升時間tr——

uGS從uT上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段。iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻決定。UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS達到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變。開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和。圖2-5-3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—負載電阻，RF—檢測漏極電流2)

動態(tài)特性61關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時間td(off)——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時，iD開始減小止的時間段。下降時間tf——

uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時溝道消失，iD下降到零為止的時間段。關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。圖2-5-3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—負載電阻，RF—檢測漏極電流62MOSFET的開關(guān)速度

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。使用者無法降低Cin，但可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關(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。633、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——柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層擊穿。除跨導Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

644、特點控制級輸入阻抗大驅(qū)動電流小防止靜電感應擊穿中小容量，開關(guān)頻率高導通壓降大（不足）65第六節(jié)

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

絕緣柵雙極型晶體管簡稱為IGBT（InsulatedGateBiopolarTransistor）,是80年代中期發(fā)展起來的一種新型復合器件。IGBT綜合了MOSFET和GTR的輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大的優(yōu)點。成為當前電力半導體器件的發(fā)展方向。661、結(jié)構(gòu)復合結(jié)構(gòu)（=MOSFET+GTR）柵極集電極發(fā)射極圖2-6-1IGBT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672.導通關(guān)斷條件驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，屬于場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定導通條件：在柵射極間加正電壓UGEUGE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導通。關(guān)斷條件：柵射極反壓或無信號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。681)

IGBT的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似。開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓。UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時，UGE(th)的值一般為2~6V。輸出特性（伏安特性）——以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關(guān)系。分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應。uCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)。圖2-6-2IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性3.IGBT的基本特性69與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行。開通延遲時間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10%ICM2

。

電流上升時間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間。開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和。uCE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。圖2-6-3IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM

IGBT的開通過程70關(guān)斷延遲時間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM

。電流下降時間——iC從90%ICM下降至10%ICM

。

關(guān)斷時間toff——關(guān)斷延遲時間與電流下降之和。電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT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。圖2-6-3IGBT的開關(guān)過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的關(guān)斷過程714、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UCES72IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：(1)

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當。(2)

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。(3)

通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。(4)

輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似。(5)與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。73擎住效應或自鎖效應：IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件。——最大集電極電流、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)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀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。5、IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)74第八節(jié)電力電子器件的保護一、過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護1.過電壓的產(chǎn)生原因外因過電壓:主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因(1)

操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起(2)

雷擊過電壓：由雷擊引起（浪涌過電壓）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(1)

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)束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓；(2)

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出的過電壓。75電力電子器件換相（關(guān)斷）時的尖峰過電壓波形，如圖所示：圖2-8-1關(guān)斷過電壓波形762.過電壓的保護措施針對過電壓形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，稱為吸收回路。

（1）阻容吸收（操作過電壓、換相過電壓、關(guān)斷過電壓）圖2-8-2交流側(cè)阻容吸收電路的幾種接法a)單相聯(lián)接b)三相星形接c)三相三角形接d)三相整流聯(lián)接77（2）壓敏電阻（吸收浪涌過電壓）壓敏電阻外形同瓷介電容特性曲線同正反相穩(wěn)壓管壓敏電阻的接法：單相聯(lián)接三相星形聯(lián)接

圖2-8-4壓敏電阻接法圖2-8-3壓敏電阻特性曲線78

圖2-8-5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靜電感應過電壓抑制電容RC1閥側(cè)操作過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻浪涌過電壓抑制器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電路過電壓保護措施79過電流保護措施過電流繼電器快速熔斷器直流快速斷路器同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性過電流短路時的部分區(qū)段的保護整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護整定在過載時動作短路過載二、過電流的產(chǎn)生及保護1.產(chǎn)生：短路、過載時會產(chǎn)生過電流2.過流保護措施：80

圖2-8-6過電流保護措施及配置位置81采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應用最廣的一種過電流保護措施。選擇快熔時應考慮：(1)電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定。(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。(3)快熔的I2t值應小于被保護器件的允許I2t值。(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應考慮其時間電流特性。（5）1.57IT(AV)≥IFU≥ITM過電流保護銀質(zhì)熔絲石英沙82圖2-8-7快速熔斷器保護的接法a)串于橋臂中b)串于交流側(cè)c)串于直流側(cè)

83快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。短路保護方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用。對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件（很難用快熔保護），需采用電子電路進行過電流保護。常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，響應最快。過電流保護84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載或電流三、緩沖電路85圖2-8-8di/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86無緩沖電路V開通電流迅速上升，di/dt很大V關(guān)斷du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓有緩沖電路V開通

Cs通過Rs向V放電，使ic先上一個臺階，以后因有di/dt抑制電路的Li,ic上升速度減慢。V關(guān)斷負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓。

tuCEOdidt抑制電路時無didt抑制電路時有有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC87icBADC無緩沖電路有緩沖電路ucE0圖2-8-9關(guān)斷時的負載線無緩沖電路uCE迅速上升，負載L上的感應電壓是續(xù)流二極管VD開始導通，負載線A從移動到B，iC下降到漏電流的大小，負載線隨之移動到C。有緩沖電路CS的分流使iC在uCE開始上升的同時就下降，負載線經(jīng)過D到達C，負載線ABC經(jīng)過的是小電流、小電壓區(qū)，器件的關(guān)斷損耗比無緩沖電路時降低。88Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊。VDs必須選用快恢復二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10。盡量減小線路電感，且選用內(nèi)部電感小的吸收電容。中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個du/dt抑制電路。

對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容。晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可。緩沖電路中的元件選取及其他注意事項89補充一：電力電子器件的串、并聯(lián)使用一、晶閘管的串聯(lián)使用1.串聯(lián)使用的目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。2.串聯(lián)使用時的問題：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