電力電子課件二章

1、第第2 2章章 電力電子器件的原理與特性電力電子器件的原理與特性不可控不可控半控型半控型全控型全控型GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）（門極可關(guān)斷晶閘管） GTR（電力晶體管）（電力晶體管）電力電力MOSFET（電力場效應(yīng)晶體管）（電力場效應(yīng)晶體管）IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）（絕緣柵雙極型晶體管）SCR（晶閘管）（晶閘管）電力二極管電力二極管門控特性門控特性2-1 2-1 電力電子器件概述電力電子器件概述電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）（門極可關(guān)斷晶閘管） GTR（電力晶體管）（電力晶體管）電力電力MOSFETIGBT驅(qū)動信號性質(zhì)驅(qū)動信號性質(zhì)SCR（晶閘管）（晶閘

2、管）單極型單極型雙極型雙極型GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）（門極可關(guān)斷晶閘管） GTR（電力晶體管）（電力晶體管）電力電力MOSFETIGBT載流特性載流特性SCR（晶閘管）（晶閘管）復(fù)合型復(fù)合型器件名稱器件名稱國外研制水平國外研制水平國內(nèi)研制水平國內(nèi)研制水平普普通通晶閘管晶閘管SCR12kV/8kA, 8kV/6kA 6.5kV/3.5kA快速晶閘管2.5kV/1.6kA2kV/1.5kA光控晶閘管6kV/6kA, 8kV/4kA 4.5kV/2kA可關(guān)斷晶閘管GTO9kV/2.5kA,8kV/8kA (400Hz)4.5kV/2.5kA電力晶體管GTR模塊：1.8kV/1kA (2kHz) 模

3、塊：1.2kV/400A電力電力MOSFET60A/200V（2MHz)500V/50A(100MHz)1kV/35A絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT單管：4.5 kV/1kA 模塊：3.5 kV/1.2kA （50kHz) 單管：1 kV/50A 模塊：1.2 kV/200A集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCT單管：6 kV/kAMOS控制晶閘管MCT1 kV/100A （Td=1 s)1 kV/75A功率集成電路IPM:1.8kV/1.2kA600V/75A電力電子器件的最新研制水平電力電子器件的最新研制水平電力電子器件應(yīng)用電力電子器件應(yīng)用電力電子器件電力電子器件 電力變

4、換電路電力變換電路lSCRlTRIAClGTOlGTRlMOSFETlIGBT可控整流電路可控整流電路有源逆變電路有源逆變電路直流斬波電路直流斬波電路交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路*軟開關(guān)軟開關(guān) 電路電路脈寬調(diào)制電路脈寬調(diào)制電路電力電子器件主要廠家電力電子器件主要廠家ABBABB、三菱、三菱、infineoninfineon、GEGE、日立、東芝、富士、日立、東芝、富士、motoloramotolora，IRIR等等 以IGBT為例，全球IGBT主要供應(yīng)商集中在英飛凌、三菱、ABB、富士等少數(shù)幾家公司 2-2 2-2 不可控器件電力二極管不可控器件電力二極管1. 1. 電力二極管電力二極管Power

5、 DiodePower Diode的結(jié)構(gòu)和原理的結(jié)構(gòu)和原理 Power DiodePower Diode結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，自結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，自2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代初期就獲年代初期就獲得應(yīng)用；得應(yīng)用； 快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，快恢復(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；以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位； 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，以半導(dǎo)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，以半導(dǎo)體體PNPN結(jié)為基礎(chǔ)；結(jié)為基礎(chǔ)； 從外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型兩種封

6、裝，小功從外形上看，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。率的和普通二極管一致。 AKAKa)IKAPNJb)c)圖圖2-1 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號2.2.電力二極管電力二極管Power DiodePower Diode中中3. 3. 電力二極管電力二極管4. 4. 電力二極管電力二極管 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 二極管具有單向?qū)щ娔芰?，二極管正二極管具有單向?qū)щ娔芰?，二極管正向?qū)щ姇r必須克服一定的門坎電壓向?qū)щ姇r必須克服一定的門坎電壓U Uthth( (又又稱死

7、區(qū)電壓稱死區(qū)電壓) )，當(dāng)外加電壓小于門坎電壓時，當(dāng)外加電壓小于門坎電壓時，正向電流幾乎為零。硅二極管的門坎電壓正向電流幾乎為零。硅二極管的門坎電壓約為約為0.7V0.7V，當(dāng)外加電壓大于，當(dāng)外加電壓大于U Uthth后，電流會后，電流會迅速上升。當(dāng)外加反向電壓時，二極管的迅速上升。當(dāng)外加反向電壓時，二極管的反向電流反向電流I IS S是很小的，但是當(dāng)外加反向電是很小的，但是當(dāng)外加反向電壓超過二極管反向擊穿電壓壓超過二極管反向擊穿電壓U URORO后二極管被后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。電擊穿，反向電流迅速增加。5. 5. 電力二極管電力二極管6. 6. 部分電力二極管部分電力二極管2-

8、3 2-3 半控型器件晶閘管（半控型器件晶閘管（SCRSCR） 晶閘管SCR（ Silicon Controlled Rectifier）又稱：晶體閘流管(Thyristor)，可控硅整流器。1956年美國貝爾實驗室（Bell Lab）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)用的嶄新時帶；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。(12KV/8KA)1、晶閘管的結(jié)構(gòu)與封裝、晶閘管的結(jié)構(gòu)與封裝引出引出陽極陽極A、陰極陰極K和和門極（控制

9、端門極（控制端）G三個聯(lián)接三個聯(lián)接端；端；晶閘管的常見封裝外形有晶閘管的常見封裝外形有螺栓型和平板型螺栓型和平板型兩種封裝：兩種封裝：對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便；緊密聯(lián)接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 圖圖2-2 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形外形 b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號電氣圖形符號2、晶閘管的開關(guān)特性、晶閘管的開關(guān)特性

10、晶閘管晶閘管SCR相當(dāng)于一個半可控的、可開不可關(guān)相當(dāng)于一個半可控的、可開不可關(guān)的單向開關(guān)。的單向開關(guān)。圖圖2-3 晶閘管的工作條件的試驗電路晶閘管的工作條件的試驗電路電路工作分析：電路工作分析：當(dāng)當(dāng)SCR的陽極和陰極電壓的陽極和陰極電壓UAK0時，只有時，只有EGk0，SCR才能導(dǎo)通才能導(dǎo)通,燈泡亮燈泡亮 。說明。說明SCR具有具有正正向阻斷能力向阻斷能力；SCR一旦導(dǎo)通，門極一旦導(dǎo)通，門極G將失去控制作用將失去控制作用，即無論，即無論EG如何，均保持如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流左右，主電路中的電流I由由R和和RW以及以及EA的

11、大小決定；的大小決定；當(dāng)當(dāng)UAK0 同時同時 UGK0導(dǎo)通導(dǎo)通關(guān)斷的條件關(guān)斷的條件：使流過使流過SCR的電流降低至維持電流以下。的電流降低至維持電流以下。 (一般通過減小一般通過減小EA,直至直至EA00 產(chǎn)生產(chǎn)生I IGG V2V2通通產(chǎn)生產(chǎn)生I IC2C2 V1V1通通 I IC1C1 I IC2C2 出出現(xiàn)強烈的正反饋，現(xiàn)強烈的正反饋，GG極失去控制作用，極失去控制作用，V1V1和和V2V2完全飽和，完全飽和，SCRSCR飽飽和導(dǎo)通。和導(dǎo)通。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖圖2-4 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理晶閘

12、管的雙晶體管模型及其工作原理3、晶閘管的工作原理、晶閘管的工作原理2Gc0A121 ()III和 分別為Q1管和Q2管的電流放大系數(shù) 12GI為門極觸發(fā)電流 Ic0 為反向漏電流 1. 當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時, ，而門極未加電壓時， 很小，陽極電流等于反向漏電流,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)；12()2. 當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時 ，而門極施加觸發(fā)電壓時，晶閘管形成強烈的開通正反饋,當(dāng)(a1+a2)1時，式中分母1-(a1+a2)0 ，因而大大地提高了晶閘管的陽極電流 ,這時，流過晶閘管的電流完全由主電路的電源電壓和回路電阻所決定， 晶閘管處于正向?qū)顟B(tài)；3. 晶閘管導(dǎo)通以后，即使門極電流為

13、零，晶閘管仍能保持原來的陽極電流而繼續(xù)導(dǎo)通，門極失去控制作用；4.想關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，可減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流減小到維持以下，此時，a1和a2迅速下降，當(dāng)1-(a1+a2)1時，晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。 4、晶閘管的基本特性、晶閘管的基本特性（1） 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通；閘管都不會導(dǎo)通； 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通；晶閘管才能開通； 晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用； 要使晶閘

14、管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近要使晶閘管關(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（小于維持電流）于零的某一數(shù)值以下（小于維持電流） 。 因此，因此，SCR是一種電流控制型的電力電子器件。是一種電流控制型的電力電子器件。 （2） 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 第第I象限的是正向特性象限的是正向特性 第第III象限的是反向特性象限的是反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM圖圖2-5 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性IG2IG1IG（3） 晶閘管門極伏安特性晶閘管門極伏安特性 門極門極G與陰極與陰極K之間相當(dāng)于

15、一個二極管。由于晶之間相當(dāng)于一個二極管。由于晶閘管門極參數(shù)分散性較大，采用門極伏安特性區(qū)閘管門極參數(shù)分散性較大，采用門極伏安特性區(qū)域來表示。域來表示。圖圖2-6 晶閘管門極伏安特性晶閘管門極伏安特性ADEFGCBA為可為可靠觸發(fā)區(qū)，應(yīng)根據(jù)靠觸發(fā)區(qū)，應(yīng)根據(jù)主電路的不同應(yīng)用，主電路的不同應(yīng)用，正確選擇合適的門正確選擇合適的門極觸發(fā)電壓和觸發(fā)極觸發(fā)電壓和觸發(fā)電路。電路。（4） 晶閘管的動態(tài)特性晶閘管的動態(tài)特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA圖圖2-7 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形1) 開通過程開通過程延遲時間延遲時間td：門極電流階躍時

16、刻開始，到陽極電：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間的時間上升時間上升時間tr：陽極電流從：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間所需的時間開通時間開通時間tgt以上兩者之和：以上兩者之和： tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時間為普通晶閘管延遲時間為0.51.5 s，上升時間為，上升時間為0.53 s，這是設(shè)計觸發(fā)脈沖的依據(jù)，這是設(shè)計觸發(fā)脈沖的依據(jù)。2) 關(guān)斷過程關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時間反向阻斷恢復(fù)時間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間。至接近于零的時間。正向阻斷恢復(fù)時間正

17、向阻斷恢復(fù)時間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間。力還需要一段時間。 在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，在正向阻斷恢復(fù)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)ā＞чl管會重新正向?qū)ā?關(guān)斷時間關(guān)斷時間tq：trr與與tgr之和，即之和，即 tq=trr+tgr 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。這是設(shè)計普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。這是設(shè)計反向電壓作用時間的依據(jù)。反向電壓作用時間的依據(jù)。5、晶閘管的主要參數(shù)、晶閘管的主要參數(shù)（1） 電壓參數(shù)電壓參數(shù)1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM在門極開路而結(jié)

18、溫為額在門極開路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。2) 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極開路而結(jié)溫為額在門極開路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3) 通態(tài)（峰值）電壓通態(tài)（峰值）電壓UTM晶閘管通以某一規(guī)定倍晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)（數(shù)（倍倍)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓（一的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓（一般為般為2V）。）。 通常取晶閘管的通常取晶閘管的UDRM和和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓的額定電壓。選用時，

19、額定電壓要留有一定裕量。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。倍。（2 2） 電流參數(shù)電流參數(shù) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV)IT(AV) 額定電流額定電流- - 晶閘管在環(huán)境溫度為晶閘管在環(huán)境溫度為4040 CC和規(guī)定的冷和規(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)流過的的單相工頻正弦半波電流的最大平均值單相工頻正弦半波電流的最大平均值。 使用時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的使用時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選

20、取晶閘管原則來選取晶閘管( (依據(jù)依據(jù)發(fā)熱效應(yīng)、有效值相等發(fā)熱效應(yīng)、有效值相等的原的原則）則）。 實際使用時應(yīng)留一定的裕量，一般取實際使用時應(yīng)留一定的裕量，一般取1.521.52倍。倍。 電流平均值：電流平均值： 指一個周期內(nèi)的電流算數(shù)平均值；指一個周期內(nèi)的電流算數(shù)平均值； 電流有效值：電流有效值： 指一個周期內(nèi)的電流的方均根值。指一個周期內(nèi)的電流的方均根值。 波形系數(shù)：波形系數(shù)： KfKf = I / IT(AV) = I / IT(AV) 工頻正弦半波電流的工頻正弦半波電流的KfKf=1.57=1.57 維持電流維持電流 IHIH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最

21、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，一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則則IHIH越小越小 擎住電流擎住電流 IL IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。能維持導(dǎo)通所需的最小電流。 對同一晶閘管來說，通常對同一晶閘管來說，通常IL IL約為約為IHIH的的2424倍。倍。 浪涌電流浪涌電流ITSMITSM 指由于電路異常情況（短路或過載）引起指由于電路異常情況（短路或過載）引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流不重復(fù)性最大正向過載電流。（3 3）動態(tài)參數(shù)）動

22、態(tài)參數(shù) 除開通時間和關(guān)斷時間外，還有：除開通時間和關(guān)斷時間外，還有： 斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率du/dtdu/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶指在額定結(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)換的外加正向電壓最大上升率。閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加正向電壓最大上升率。過過大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導(dǎo)通。大的斷態(tài)電壓上升率會使晶閘管誤導(dǎo)通。 通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dtdi/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最指在規(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。大通態(tài)電流上升率。 如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，

23、便會有如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。成局部過熱而使晶閘管損壞。（4 4） SCRSCR的門極參數(shù)的門極參數(shù) 門極觸發(fā)電流門極觸發(fā)電流IGTIGT 指在室溫下，陽極電壓直流指在室溫下，陽極電壓直流6V6V時使時使SCRSCR由斷態(tài)轉(zhuǎn)由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必需的最小門極電流。入通態(tài)所必需的最小門極電流。 門極觸發(fā)電壓門極觸發(fā)電壓UGT 指產(chǎn)生門極觸發(fā)電流所必需的最小門極電壓。指產(chǎn)生門極觸發(fā)電流所必需的最小門極電壓。 由于由于SCR器件的分散性較大，應(yīng)使觸發(fā)電路提供器件的分散性較大，應(yīng)

24、使觸發(fā)電路提供給門極的電流和電壓適當(dāng)大于給門極的電流和電壓適當(dāng)大于SCR的參數(shù)值，最好在的參數(shù)值，最好在PG曲線附近。曲線附近。6、晶閘管的派生器件、晶閘管的派生器件(1) (1) 快速晶閘管（快速晶閘管（Fast Switching ThyristorFast Switching ThyristorFST)FST) 快速晶閘管的關(guān)斷時間快速晶閘管的關(guān)斷時間5050s s，常在較高頻，常在較高頻率率(400HZ)(400HZ)的整流、逆變和變頻等電路中使用，它的整流、逆變和變頻等電路中使用，它的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同。目前的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同。目前國內(nèi)已能提供最大平

25、均電流國內(nèi)已能提供最大平均電流1200A1200A、最高斷態(tài)電壓、最高斷態(tài)電壓1500 V1500 V的快速晶閘管系列，關(guān)斷時間與電壓有關(guān)，的快速晶閘管系列，關(guān)斷時間與電壓有關(guān)，約為約為2525s s5050s s 。(2) (2) 雙向晶閘管（雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor） 雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性方面來說，雙向晶閘管不論從結(jié)構(gòu)還是從特性方面來說，都可以看成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主都可以看

26、成是一對反向并聯(lián)的普通晶閘管。在主電極的正、反兩個方向均可用交流或直流電流觸電極的正、反兩個方向均可用交流或直流電流觸發(fā)導(dǎo)通。發(fā)導(dǎo)通。(3) (3) 逆導(dǎo)晶閘管（逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorReverse Conducting ThyristorRCTRCT） 逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管和整流管制作在同一管芯逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。上的集成元件。4. 4. 光控晶閘管（光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT） 光控晶閘管光控晶閘管(Light

27、Activated Thyristor(Light Activated Thyristor) )是利是利用一定波長的光照信號控制的開關(guān)器件。其結(jié)構(gòu)也用一定波長的光照信號控制的開關(guān)器件。其結(jié)構(gòu)也是由是由P1N1P2N2P1N1P2N2四層構(gòu)成四層構(gòu)成。2-4 2-4 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTOGTO）門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off ThyristorGate-Turn-Off Thyristor GTOGTO）GTO是繼晶閘管后出現(xiàn)的大功率電力電子器件，屬是繼晶閘管后出現(xiàn)的大功率電力電子器件，屬于全控型器件。于全控型器件。 可以通過在門極施加負(fù)的脈

28、沖電流使其關(guān)斷；可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷； GTOGTO的電壓、電流容量較大（目前制造水平為的電壓、電流容量較大（目前制造水平為8KV/8KA)8KV/8KA)，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上，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。的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。GTO的應(yīng)用簡化了電力電子裝置，不需要強迫換流的應(yīng)用簡化了電力電子裝置，不需要強迫換流裝置。裝置。1.1. GTOGTO的結(jié)構(gòu)與外形的結(jié)構(gòu)與外形結(jié)構(gòu)：與結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導(dǎo)體四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極；和普通晶閘管結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和

29、門極；和普通晶閘管的不同：的不同：GTO是一種多元的功率集成器件是一種多元的功率集成器件(多胞結(jié)多胞結(jié)構(gòu)），內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小構(gòu)），內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。一起。8KV/8KA，工作頻率達(dá)到，工作頻率達(dá)到1Kc)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK 圖圖2-8 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(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)斷面示意圖并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c) 電氣圖形

30、符號電氣圖形符號2. GTO2. GTO的工作原理的工作原理 與普通晶閘管一樣，可以用圖與普通晶閘管一樣，可以用圖2-9所示的雙晶體管所示的雙晶體管模型來分析模型來分析 開通過程與普通開通過程與普通晶閘管相同晶閘管相同 1+ 2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng) 1+ 21時，時，兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)兩個等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng) 1+ 21時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖2-9 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理GTOGTO能夠通

31、過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：下區(qū)別：（1 1）導(dǎo)通時過程與普通晶閘管一樣，）導(dǎo)通時過程與普通晶閘管一樣，只是只是 1+1+ 2 2更更接近接近1 1（ 1.051.05，普通晶閘管，普通晶閘管 1+1+ 2 2 1.151.15），），這樣導(dǎo)通這樣導(dǎo)通時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷；時飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷；（2 2）多元集成結(jié)構(gòu)使）多元集成結(jié)構(gòu)使GTOGTO元陰極面積很小，門、陰元陰極面積很小，門、陰極間距大為縮短，使得極間距大為縮短，使得P2P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大

32、電流極抽出較大電流; ; （3 3）關(guān)斷過程：）關(guān)斷過程：強烈正反饋強烈正反饋門極加負(fù)脈沖即從門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則門極抽出電流，則Ib2Ib2減小，使減小，使IKIK和和Ic2Ic2減小，減小，Ic2Ic2的減的減小又使小又使IAIA和和Ic1Ic1減小，又進一步減小減小，又進一步減小V2V2的基極電流，當(dāng)?shù)幕鶚O電流，當(dāng)IAIA和和IKIK的減小使的減小使 1+1+ 21220V20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿將導(dǎo)致絕緣層擊穿 這個特性十分重要：因為人體常常帶有高壓靜電，這個特性十分重要：因為人體常常帶有高壓靜電，所以在接觸所以在接觸MOSMOS型器件，包括電力型器件，包括電力MOSFETM

33、OSFET、普通、普通MOSFETMOSFET、MOSMOS型集成電路時，可以先用手接觸一下型集成電路時，可以先用手接觸一下接地的導(dǎo)體，將身體的靜電放掉，否則容易將接地的導(dǎo)體，將身體的靜電放掉，否則容易將GSGS間間的絕緣層擊穿。的絕緣層擊穿。 4. 4. 電力電力MOSFETMOSFET與與GTOGTO、GTRGTR的區(qū)別的區(qū)別 GTRGTR和和GTOGTO的特點的特點雙極型，電流驅(qū)動，通流雙極型，電流驅(qū)動，通流能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)能力很強，開關(guān)速度較低，所需驅(qū) 動功率大，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜；動電路復(fù)雜； MOSFET MOSFET的優(yōu)點的優(yōu)點單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)單極型，電

34、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；率小而且驅(qū)動電路簡單； 兩類器件取長補短結(jié)合而成一些復(fù)合器件兩類器件取長補短結(jié)合而成一些復(fù)合器件Bi-Bi-MOSMOS器件器件（如（如IGBT)IGBT)。2-6 2-6 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBTIGBT） 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT（Insulated-gate Bipolar Insulated-gate Bipolar TransistorTransistor） IGBTIGBT為為GTRGTR和和MOSFETMOSFET復(fù)

35、合，它結(jié)合二者的優(yōu)點，具有復(fù)合，它結(jié)合二者的優(yōu)點，具有比它們更好的特性；比它們更好的特性； 19861986年投入市場后，取代了年投入市場后，取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市的市場場, ,成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，在成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，在MWMW以下以下功率應(yīng)用場合首選；功率應(yīng)用場合首選； 大功率大功率IGBT模塊達(dá)到模塊達(dá)到1200-1800A/1800-3300V的水平的水平（參考）。在中等電壓區(qū)域（參考）。在中等電壓區(qū)域（370-600V），工作頻率），工作頻率可達(dá)到可達(dá)到150-180KHz。 目前目前, ,高速列車廣泛采用高速列

36、車廣泛采用6.5KV/600A6.5KV/600A、3.3KV/1200A3.3KV/1200A的的IGBTIGBT。1. IGBT1. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理 三端器件：柵極三端器件：柵極GG、集電極、集電極CC和發(fā)射極和發(fā)射極E E 圖2-13 IGBT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EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) （1) IGBT1) IGBT的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 圖圖2-13aN2-13aN溝道

37、溝道MOSFETMOSFET與與GTRGTR組合組合NN溝道溝道IGBTIGBT（N-IGBTN-IGBT）；）；IGBTIGBT比比MOSFETMOSFET多一層多一層P+P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的面積的P+NP+N結(jié)結(jié)J1J1；IGBTIGBT導(dǎo)通時，由導(dǎo)通時，由P+P+注入?yún)^(qū)向注入?yún)^(qū)向N N基區(qū)發(fā)射少子，從基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)制，使得而對漂移區(qū)電導(dǎo)率進行調(diào)制，使得IGBTIGBT具有很強的具有很強的通流能力；通流能力；簡化等效電路表明，簡化等效電路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR與與MOSFETMOSFET組成的組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個由達(dá)林

38、頓結(jié)構(gòu)，一個由MOSFETMOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)驅(qū)動的厚基區(qū)PNPPNP晶晶體管；體管；RNRN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻。（2) IGBT2) IGBT的工作原理的工作原理 驅(qū)動原理與電力驅(qū)動原理與電力MOSFETMOSFET基本相同，屬于場控器基本相同，屬于場控器件，件，通斷由柵射極電壓通斷由柵射極電壓UGEUGE決定決定 導(dǎo)通：導(dǎo)通：UGEUGE大于開啟電壓大于開啟電壓UGE(thUGE(th) )時，時，MOSFETMOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBTIGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通。 集射極間集射極間導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效

39、應(yīng)使電阻導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RNRN減減小，使通態(tài)壓降減小。小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：關(guān)斷：施加反壓或不加信號時施加反壓或不加信號時，MOSFETMOSFET內(nèi)的溝內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBTIGBT關(guān)斷。關(guān)斷。2. IGBT2. IGBT的基本特性的基本特性（1)IGBT1)IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性O(shè)有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 圖圖2-14 IGBT2-14 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) a) 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 b) b

40、) 輸出特性輸出特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性ICIC與與UGEUGE間的關(guān)系間的關(guān)系，與，與MOSFETMOSFET轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移特性類似特性類似開啟電壓開啟電壓UGE(thUGE(th)IGBT)IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓通的最低柵射電壓UGE(thUGE(th) )隨溫度升高而略有下降，在隨溫度升高而略有下降，在+25+25 CC時，時，UGE(thUGE(th) )的值一般為的值一般為2626V V 輸出特性輸出特性（伏安特性）（伏安特性）以以UGEUGE為參考變量時，為參考變量時，ICIC與與UCEUCE間的關(guān)系間的關(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

41、為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與分別與GTRGTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)UCE0UCE0時，時，IGBTIGBT為反向阻斷工作狀態(tài)，不具有為反向阻斷工作狀態(tài)，不具有逆導(dǎo)能力。逆導(dǎo)能力。（2)IGBT2)IGBT的動態(tài)特性的動態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖圖2-15 IGBT2-15 IGBT的開關(guān)過程的開關(guān)過程 IGBTIGBT的開通過程分析的開通過程分析 與與MOSFE

42、TMOSFET的相似，因為開通過程中的相似，因為開通過程中IGBTIGBT在大部在大部分時間作為分時間作為MOSFETMOSFET運行運行開通延遲時間開通延遲時間td(on) td(on) 從從U UGEGE上升至其幅值上升至其幅值10%10%的時刻，到的時刻，到iiCC上升至上升至10% I10% ICMCM 電流上升時間電流上升時間tr itr iCC從從10%I10%ICMCM上升至上升至90%I90%ICMCM所所需時間需時間 開通時間開通時間tonton開通延遲時間與電流上升時間開通延遲時間與電流上升時間之和之和U UCECE的下降過程分為的下降過程分為tfv1tfv1和和tfv2t

43、fv2兩段。兩段。tfv1tfv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET單獨工作的電壓下降過程；單獨工作的電壓下降過程；tfv2MOSFETtfv2MOSFET和和PNPPNP晶體管同時工作的電壓下晶體管同時工作的電壓下降過程降過程 IGBT IGBT的關(guān)斷過程分析的關(guān)斷過程分析關(guān)斷延遲時間關(guān)斷延遲時間td(off) td(off) 從從u uGEGE后沿下降到其幅后沿下降到其幅值值90%90%的時刻起，的時刻起，到到iiCC下降至下降至90%I90%ICMCM 電流下降時間電流下降時間iiCC從從90%I90%ICMCM下降至下降至10%I10%ICMCM 關(guān)斷時間關(guān)斷時間toffto

44、ff關(guān)斷延遲時間與電流下降之和關(guān)斷延遲時間與電流下降之和電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為tfi1tfi1和和tfi2tfi2兩段。兩段。tfi1tfi1IGBTIGBT內(nèi)部的內(nèi)部的MOSFETMOSFET的關(guān)斷過程，的關(guān)斷過程，iiCC下降較快；下降較快；tfi2IGBTtfi2IGBT內(nèi)部的內(nèi)部的PNPPNP晶體管的關(guān)斷過程，晶體管的關(guān)斷過程，i iCC下下降較慢降較慢 IGBTIGBT中雙極型中雙極型PNPPNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBTIGBT的開關(guān)速度低

45、于電力的開關(guān)速度低于電力MOSFETMOSFET。 IGBTIGBT的的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時間也是需要折衷也是需要折衷的參數(shù)。的參數(shù)。 （3) 3) 擎住效應(yīng)擎住效應(yīng) IGBTIGBT為四層結(jié)構(gòu)，存在一個寄生為四層結(jié)構(gòu)，存在一個寄生晶閘管，在晶閘管，在NPNNPN晶體管的基極與晶體管的基極與發(fā)射極之間存在一個體區(qū)短路電發(fā)射極之間存在一個體區(qū)短路電阻，阻， P P型體區(qū)的橫向空穴流過此型體區(qū)的橫向空穴流過此電阻會產(chǎn)生一定壓降，對電阻會產(chǎn)生一定壓降，對J3J3結(jié)相結(jié)相當(dāng)于一個正偏置電壓。在規(guī)定的當(dāng)于一個正偏置電壓。在規(guī)定的集電極電流范圍內(nèi)，這個正偏置集電極電流范圍

46、內(nèi)，這個正偏置電壓不會使電壓不會使NPNNPN晶體管導(dǎo)通；當(dāng)晶體管導(dǎo)通；當(dāng)I IC C大到一定程度時，該偏置電壓大到一定程度時，該偏置電壓使使NPNNPN晶體管開通，進而使晶體管開通，進而使NPNNPN和和PNPPNP晶體管處于飽和狀態(tài)。于是晶體管處于飽和狀態(tài)。于是柵極失去控制作用，這就是所謂柵極失去控制作用，這就是所謂的擎住效應(yīng)。的擎住效應(yīng)。3. IGBT3. IGBT的主要參數(shù)和特點的主要參數(shù)和特點1) 1) 最大集射極間電壓最大集射極間電壓UCESUCES： 由內(nèi)部由內(nèi)部PNPPNP晶體管晶體管的擊穿電壓確定的擊穿電壓確定2) 2) 最大集電極電流最大集電極電流 ： 包括額定直流電流包括

47、額定直流電流ICIC和和1ms1ms脈寬最大電流脈寬最大電流ICPICP3) 3) 最大集電極功耗最大集電極功耗PCMPCM ： 正常工作溫度下允許正常工作溫度下允許的最大功耗的最大功耗 決定安全工作區(qū)決定安全工作區(qū)IGBT的參數(shù)的參數(shù) IGBTIGBT的特點的特點(1)(1)開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V1000V以上以上時，開關(guān)損耗只有時，開關(guān)損耗只有GTRGTR的的1/101/10，與電力，與電力 MOSFETMOSFET相相當(dāng)；當(dāng)；(2) (2) 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTRGTR大，大，且具有耐脈沖

48、電流沖擊能力；且具有耐脈沖電流沖擊能力；(3) (3) 通態(tài)壓降比通態(tài)壓降比MOSFETMOSFET低，特別是在電流較大的低，特別是在電流較大的區(qū)域；區(qū)域；(4) (4) 輸入阻抗高，輸入特性與輸入阻抗高，輸入特性與MOSFETMOSFET類似；類似；(5) IGBT(5) IGBT往往與反向并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，往往與反向并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。目前還有多管模塊和制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。目前還有多管模塊和IPMIPM（IGBT+IGBT+控制和保護電路）?？刂坪捅Ｗo電路）。2.7 2.7 集成門極換流晶閘管（集成門極換流晶閘管（IGCTIGCT） IGCTI

49、GCT（Integrated Gate-Commutated ThyristorIntegrated Gate-Commutated Thyristor），也稱），也稱GCTGCT（Gate-Commutated ThyristorGate-Commutated Thyristor）；）； IGCTIGCT于于 19961996年由年由ABBABB公司研制成功公司研制成功 ，結(jié)合了，結(jié)合了IGBTIGBT與與GTOGTO的優(yōu)點，容量與的優(yōu)點，容量與GTOGTO相當(dāng)，開關(guān)速度快相當(dāng)，開關(guān)速度快1010倍，倍，且可省去且可省去GTOGTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過

50、所需的驅(qū)動功率仍很大；的驅(qū)動功率仍很大； 具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性具有電流大、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。高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低的特點。 目前正在與目前正在與IGBTIGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取等新型器件激烈競爭，試圖最終取代代GTOGTO在大功率場合的位置。和相比，具在大功率場合的位置。和相比，具有單管容量大的典型特征。目前可成熟應(yīng)用的為有單管容量大的典型特征。目前可成熟應(yīng)用的為4.5KV/4000A.4.5KV/4000A.是門極換向晶閘管（即是門極換向晶閘管（即 GCT，是指，是指GTO芯片與反并聯(lián)二極管）芯片與反并聯(lián)二極管）和柵極驅(qū)動電路

51、集成在一和柵極驅(qū)動電路集成在一起，再與其柵極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接，起，再與其柵極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了結(jié)合了晶體管晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管晶閘管低通態(tài)損低通態(tài)損耗的優(yōu)點，在耗的優(yōu)點，在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性階段呈現(xiàn)晶體管的特性。1. IGCT的定義的定義IGCT導(dǎo)通機理與GTO完全一樣，但關(guān)斷機理與GTO完全不同，在IGCT的關(guān)斷過程中，GCT能瞬間從導(dǎo)通轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，變成一個pnp晶體管以后再關(guān)斷，所以它無外加du/dt限制；而GTO必須經(jīng)過一個既非導(dǎo)通又非關(guān)斷的中間不穩(wěn)定狀態(tài)進行轉(zhuǎn)換（即“GT

52、O區(qū)”），所以GTO需要很大的吸收電路來抑制再加電壓的變化率du/dt。阻斷狀態(tài)下IGCT的等效電路可認(rèn)為是一個基極開路、低增益pnp晶體管與柵極電源的串聯(lián)。 當(dāng)GCT處在導(dǎo)通狀態(tài)時，像晶閘管一樣具有攜帶電流能力強和通態(tài)壓降低的特點；當(dāng)GCT處在關(guān)斷狀態(tài)時，GCT的門-陰極PN結(jié)提前進入反向偏置，并有效退出工作，整個器件呈現(xiàn)晶體管工作方式。 2. IGCT的工作原理的工作原理阻斷狀態(tài)下GCT 的等效電路 IGCT相當(dāng)于開關(guān)特性很硬的相當(dāng)于開關(guān)特性很硬的GTO，但它比，但它比GTO具有更多的優(yōu)勢。具有更多的優(yōu)勢。SIGCT的導(dǎo)通壓降較低，開關(guān)速度更高。的導(dǎo)通壓降較低，開關(guān)速度更高。SIGCT不需

53、對不需對吸收電路吸收電路進行特別的設(shè)計，甚至可以進行特別的設(shè)計，甚至可以不用吸收電路不用吸收電路。SIGCT容易實現(xiàn)連續(xù)運行，連續(xù)運行的有效性和元容易實現(xiàn)連續(xù)運行，連續(xù)運行的有效性和元器件的易更換性對工業(yè)實際運行非常有利。器件的易更換性對工業(yè)實際運行非常有利。3. IGCT的特性的特性IGCT已廣泛用于大功率高壓變頻器、船舶推進等已廣泛用于大功率高壓變頻器、船舶推進等設(shè)備之中。設(shè)備之中。在牽引和工業(yè)領(lǐng)域中，以在牽引和工業(yè)領(lǐng)域中，以IGCT或或IGBT作為開關(guān)作為開關(guān)器件的器件的PWM型型VSC，正在迅速取代普通，正在迅速取代普通GTO作為開作為開關(guān)器件的關(guān)器件的VSC和電流源型變流器（和電流源

54、型變流器（CSC）。）。4. IGCT的主要參數(shù)的主要參數(shù)1）正向阻斷峰值電壓UDRM：即阻斷時在額定結(jié)溫和允許的最大正向漏電流條件下，測得的正向重復(fù)峰值電壓； 2）結(jié)溫Tj：指IGCT在額定工作電流下，不使其失效的最高PN結(jié)溫度；3)最大不重復(fù)關(guān)斷電流ITGQM :在承受規(guī)定的電壓條件下的最大不重復(fù)關(guān)斷電流;4)通態(tài)壓降通態(tài)壓降UT:指在指在I ITGQMTGQM條件下的正向壓降條件下的正向壓降;其他參數(shù)定義請見教材其他參數(shù)定義請見教材p421 IGCT可工作在中等電壓等級、能關(guān)斷可工作在中等電壓等級、能關(guān)斷10MW功率的硅材料開關(guān)元件。功率的硅材料開關(guān)元件。 IGCT將功率處理單元將功率處

55、理單元GCT和控制電路集成在一個封裝內(nèi)，這樣更易于和控制電路集成在一個封裝內(nèi)，這樣更易于控制，可有效降低開關(guān)元件的成本?？刂?，可有效降低開關(guān)元件的成本。 2 在相同運行功率的條件下，在相同運行功率的條件下，IGCT比比GTO和和IGBT的開關(guān)頻率更高，開關(guān)損耗更低。在中等電壓的開關(guān)頻率更高，開關(guān)損耗更低。在中等電壓等級下控制相同的兆瓦級功率，并保證相同效率和等級下控制相同的兆瓦級功率，并保證相同效率和可靠性的前提下，它的封裝尺寸更小，費用更低?？煽啃缘那疤嵯?，它的封裝尺寸更小，費用更低。5.IGCT的應(yīng)用比較分析的應(yīng)用比較分析3 在高頻工作條件下，若采用在高頻工作條件下，若采用IGCT來實現(xiàn)逆

56、變來實現(xiàn)逆變器時，可將逆變器的元件數(shù)量減少器時，可將逆變器的元件數(shù)量減少50%，因而可節(jié)，因而可節(jié)省約省約30%的能量。這種開關(guān)元件的典型電壓應(yīng)用等的能量。這種開關(guān)元件的典型電壓應(yīng)用等級有：級有：2.3, 4.16和和6.9kV。這可保證它能直接用于工。這可保證它能直接用于工業(yè)電機，電力機車牽引，輪船推進，流水線等大功業(yè)電機，電力機車牽引，輪船推進，流水線等大功率應(yīng)用場合。率應(yīng)用場合。 相對相對IGBT而言，而言，IGCT在過流及短路保護能力在過流及短路保護能力方面稍遜一色方面稍遜一色 44 IGCT是對是對GTO和和IGBT的改進和提高。的改進和提高。GTO需要復(fù)雜的外圍電路，以保證可靠的工

57、作，工作需要復(fù)雜的外圍電路，以保證可靠的工作，工作頻率也低；頻率也低；IGBT在中等電壓等級應(yīng)用時，損耗在中等電壓等級應(yīng)用時，損耗增加。在大功率應(yīng)用時，需要較多的元件組成模增加。在大功率應(yīng)用時，需要較多的元件組成模塊。塊。IGCT則克服了則克服了GTO和和IGBT設(shè)計中內(nèi)在的開設(shè)計中內(nèi)在的開關(guān)技術(shù)缺陷。關(guān)技術(shù)缺陷。5 IGCT技術(shù)是一個高速的技術(shù)飛躍，它的開關(guān)技術(shù)是一個高速的技術(shù)飛躍，它的開關(guān)特性相當(dāng)于特性相當(dāng)于IGBT，而導(dǎo)通能力則相當(dāng)于，而導(dǎo)通能力則相當(dāng)于GTO，但，但I(xiàn)GCT減少了成本和外圍器件。減少了成本和外圍器件。 b在相同運行功率的條件下，在相同運行功率的條件下，IGCT比比GTO

58、和和IGBT的開關(guān)頻率更高，而且開關(guān)損耗更低。的開關(guān)頻率更高，而且開關(guān)損耗更低。b在中等電壓等級下控制相同的兆瓦級功率，并保證在中等電壓等級下控制相同的兆瓦級功率，并保證相同效率和可靠性的前提下，相同效率和可靠性的前提下， IGCT比比GTO和和IGBT的封裝尺寸更小，費用更低。的封裝尺寸更小，費用更低。bIGBT在中等電壓等級應(yīng)用時，損耗增加。在大功在中等電壓等級應(yīng)用時，損耗增加。在大功率應(yīng)用時，需要較多的元件組成模塊。率應(yīng)用時，需要較多的元件組成模塊。比較總結(jié)比較總結(jié)GTO晶閘管晶閘管 高壓高壓IGBT模塊模塊 IGCT的性能的性能 開開關(guān)關(guān)技技術(shù)術(shù) 可靠性高可靠性高結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)緊湊 高頻

59、開關(guān)特性高頻開關(guān)特性低開關(guān)損耗低開關(guān)損耗無需吸收器無需吸收器集成門驅(qū)動集成門驅(qū)動 高頻開關(guān)特性高頻開關(guān)特性低開關(guān)和通態(tài)損耗低開關(guān)和通態(tài)損耗無需吸收器無需吸收器可用于大多數(shù)的電壓等級可用于大多數(shù)的電壓等級 功功率率電電路路 不發(fā)生災(zāi)難不發(fā)生災(zāi)難性的事故性的事故 低壓時，元件低壓時，元件數(shù)較少數(shù)較少低壓時，適合低壓時，適合并聯(lián)和級聯(lián)并聯(lián)和級聯(lián) 不發(fā)生災(zāi)難性的事故不發(fā)生災(zāi)難性的事故可靠性高可靠性高集成了二極管和門控單元集成了二極管和門控單元適合于并聯(lián)和級聯(lián)適合于并聯(lián)和級聯(lián) 器件器件設(shè)計設(shè)計 對各種電壓對各種電壓等級都有效等級都有效低通態(tài)損耗低通態(tài)損耗 模塊設(shè)計模塊設(shè)計 允許緊湊和模塊化設(shè)計允許緊湊和

60、模塊化設(shè)計減少電纜互連線減少電纜互連線 典型開關(guān)元件的特性歸納典型開關(guān)元件的特性歸納IGBT,GTO和IGCT三種電力器件的性能比較 2.8 2.8 其它新型電力電子器件其它新型電力電子器件 （1 1）MOSMOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMCT （2 2）靜電感應(yīng)晶體管）靜電感應(yīng)晶體管SITSIT （3 3）靜電感應(yīng)晶閘管）靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH （4 4）功率模塊與功率集成電路）功率模塊與功率集成電路（1） MOS控制晶閘管MCT MCTMOSFET與晶閘管的復(fù)合 MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點： MOSFETMOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速