第1講器件、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)

1第一章電力電子器件

第一講電力電子器件1.1電力電子器件概述1.2不可控器件—二極管1.3半控型器件—晶閘管1.4典型全控型器件1.5其它新型電力電子器件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1.1電力電子器件概述1.處理功率的能力遠(yuǎn)大于信息電子器件。2.工作在開關(guān)狀態(tài)。3.需要由信息電子電路來(lái)控制4.自身功耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，要安裝散熱器主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗器件功耗主要是通態(tài)損耗當(dāng)f較高時(shí)，功耗主要是開關(guān)損耗一般特征分類電力電子器件的分類半控型器件（Thyristor）通過(guò)控制信號(hào)可控制通,不能控制關(guān)全控型器件（IGBT,MOSFET)通過(guò)控制信號(hào)既可控制通又可控制關(guān)又稱自關(guān)斷器件不可控器件(PowerDiode)不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,不需要驅(qū)動(dòng)電路按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)分電流驅(qū)動(dòng)型從控制端注入或抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)通、斷電壓驅(qū)動(dòng)型在控制端和公共端間施加電壓就可實(shí)現(xiàn)通、斷1.2電力二極管UFPuiiFuFtfrt02V1)靜態(tài)特性

主要指其伏安特性IOIFU二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化2)動(dòng)態(tài)特性開通過(guò)程關(guān)斷過(guò)程經(jīng)一短暫時(shí)間重獲反向阻斷能力，進(jìn)入斷態(tài)。關(guān)斷前有較大反向電流,伴有明顯反向電壓過(guò)沖正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高。開通過(guò)程FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt關(guān)斷過(guò)程i1)正向平均電流IF(AV)主要參數(shù)額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量2）正向壓降UF指定溫度下，流過(guò)允許電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3）反向重復(fù)峰值電壓URRM能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)留有兩倍裕量4）反向恢復(fù)時(shí)間trr

trr=td+

tf5）最高工作結(jié)溫TJMTJM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)。6)浪涌電流IFSM指能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流1.2.3電力二極管的主要類型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，反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高2)快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）簡(jiǎn)稱快速二極管反向耐壓多在1200V以下。分快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)3.肖特基二極管弱點(diǎn)：反向耐壓↑→正向壓降↑，多用于200V以下。優(yōu)點(diǎn)：反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns），正向恢復(fù)無(wú)明顯的電壓過(guò)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1.3半控器件—晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器

（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)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(lái)，開始被全控型器件取代。耐高電壓大電流，工作可靠,在大容量場(chǎng)合具有重要地位。螺栓型平板型有三個(gè)聯(lián)接端1.3.1

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)由兩個(gè)散熱器將其夾在中間晶體管的結(jié)構(gòu)

EGEAR晶體管的工作原理

S形成強(qiáng)烈正反饋晶閘管導(dǎo)通IG（EG）失去作用，IA大小由外電路決定晶閘管承受正向電壓UGK>0IA>IH晶閘管導(dǎo)通條件使晶閘管的電流小于維持電流晶閘管關(guān)斷？增大R或減小EA晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的基本特性晶閘管特性曲線正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端加正向電壓，有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)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↑，正向轉(zhuǎn)折電壓↓晶閘管本身的壓降很小，1V左右。轉(zhuǎn)折電壓IG2>IG1>IG阻斷狀態(tài)時(shí)，有極小反相漏電流。反向擊穿后，可能導(dǎo)致發(fā)熱損壞（2）反向特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

關(guān)斷過(guò)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)特性晶閘管的開通和關(guān)斷過(guò)程波形晶閘管的基本特性1)

開通過(guò)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

晶閘管的主要參數(shù)1）電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

——門極斷路而結(jié)溫額定時(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

——門極斷路而結(jié)溫額定時(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——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。

2）電流定額通態(tài)平均電流IT(AV）允許長(zhǎng)期流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)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——?jiǎng)倧臄鄳B(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(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——使超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)

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

額定結(jié)溫、門極開路，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(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)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(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率?！绻娏魃仙欤赡茉斐删植窟^(guò)熱而使晶閘管損壞。晶閘管的派生器件1）快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時(shí)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(shí)間數(shù)百微秒，快速為數(shù)十微秒，高頻的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，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。2）雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)普通管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。在第Ｉ和III象限有對(duì)稱的伏安特性。用有效值來(lái)表示其額定電流值。GT1T2IOUIG=0逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor-RCT）KGAUOIIG=0將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。晶閘管的派生器件光控晶閘管（LightTriggeredThyristor—LTTAGKAK光強(qiáng)度強(qiáng)弱OUIA又稱光觸發(fā)晶閘管，利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾影響。多應(yīng)用在高壓大功率的場(chǎng)合。晶閘管常用晶閘管的結(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)由兩個(gè)散熱器將其夾在中間電力MOSFETIGBT單管及模塊常用的典型全控型器件1.4典型全控型器件·引言門極可關(guān)斷晶閘管——在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，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(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管。電力MOSFETIGBT單管及模塊常用的典型全控型器件GTOGTRMOSFETIGBT（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）GiantTransistor——GTRMetalOxideSemiconductorFETInsulated-gateBipolarTransistor—IGBT所希望的開關(guān)特性應(yīng)該是：關(guān)斷時(shí)的漏電流較小，導(dǎo)通時(shí)Uon小。很高的正反向阻斷電壓的能力，減少元件的串聯(lián)。很大的電流導(dǎo)通能力。這可減少元件并聯(lián)。較短的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，這可提高開關(guān)頻率。較小的控制功率。具有阻止電壓和電流上升率的能力，可以不使用外部電路保護(hù)。具有較高的dv/dt，di/dt額定值。1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)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(hào)1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管–GTO可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的容量與普通晶閘管接近，在兆瓦級(jí)以上大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用Gate-Turn-OffThyristor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(yáng)極、陰極和門極與普通晶閘管的不同點(diǎn)多元功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極小GTO元GTO元的陰極和門極在內(nèi)部并聯(lián)在一起a)雙晶體管模型b工作原理)GTO導(dǎo)通：與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。多元集成結(jié)構(gòu)使GTO比普通晶閘管開通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)工作原理與普通晶閘管一樣可以用雙晶體管模型來(lái)分析GTO關(guān)斷：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，繼而使IA和Ic1減小又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小到不能維持時(shí)，器件退出飽和關(guān)斷2008年4月網(wǎng)上資料：GTO容量達(dá)到4500V/3000A,廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。1、判定GTO的電極將萬(wàn)用表?yè)苤罵*1檔，測(cè)量任意兩腳電阻，僅當(dāng)黑表筆接G極，紅表筆接K極時(shí)呈低阻值，其它均是高阻值。1.4電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。20世紀(jì)80年代以來(lái)，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。1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理與普通的雙極型晶體管一樣主要特性是耐壓高、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)而成單管GTR的

值通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益

1.4電力晶體管截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce2）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)。在開關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd開通過(guò)程開通時(shí)間ton。關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷時(shí)間toff

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。(2)

動(dòng)態(tài)特性1.4電力晶體管3）GTR的主要參數(shù)GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿3)

集電極最大耗散功率PcM2)

集電極最大允許電流IcM除了、直流電流增益hFE、集射Iceo、集射Uces、ton和toff還有：1)

最高工作電壓GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿：集電極電壓升至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，特性也不變。

二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM安全工作區(qū)（SafeOperatingArea-SOA）1.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

特點(diǎn)——用柵極電壓來(lái)控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，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，一般功率?10kW電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管簡(jiǎn)稱（PowerMOSFET）分為結(jié)型和絕緣柵型通常指絕緣柵型中的MOS型結(jié)型絕緣柵型MetalOxideSemiconductorFET簡(jiǎn)稱靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）電力MOSFET的種類P溝道、N溝道

耗盡型—當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強(qiáng)型—對(duì)于N(P)溝道型，柵極電壓大于(小于)零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。1）結(jié)構(gòu)和工作原理1.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同,

結(jié)構(gòu)上有區(qū)別.小MOS管橫向?qū)щ姴捎枚嘣山Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電力MOSFET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(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）這里以VDMOS器件為例進(jìn)行討論電力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(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，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。MOSFET010203050402468a)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/A2）電力MOSFET的基本特性(1)靜態(tài)特性漏極電流ID和UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。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。1.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET的漏極伏安特性：工作在開關(guān)狀態(tài)漏源極間有寄生二極管，加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利轉(zhuǎn)移特性輸出特性RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf脈沖信號(hào)源檢測(cè)漏極電流柵極電阻開通過(guò)程關(guān)斷過(guò)程動(dòng)態(tài)特性MOSFET的開關(guān)速度1.4電力場(chǎng)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(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(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，頻率可達(dá)100kHz以上，是器件中最高的場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)不需輸入電流。但開關(guān)時(shí)需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。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之外還有：

(4)極間電容—極間電容CGS、CGD和CDS1.4絕緣柵雙極晶體管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(jiǎn)單。兩類器件取長(zhǎng)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）GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，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。1.4絕緣柵雙極晶體管

IGBT的結(jié)構(gòu)IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū),有很強(qiáng)的通流能力是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)RN為基區(qū)內(nèi)調(diào)制電阻N溝道IGBTVDMOSFETGTR組合場(chǎng)控器件，原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，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(hào)時(shí)，IGBT關(guān)斷。

IGBT的原理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EO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1.4.4絕緣柵雙極晶體管轉(zhuǎn)移特性輸出特性分為三個(gè)區(qū)(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的開關(guān)過(guò)程2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的靜態(tài)特性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UCES1.4.4絕緣柵雙極晶體管開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。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)。IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：IGBT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1.5其他新型電力電子器件1.5MOS控制晶閘管MCTMCT（MOSControlledThyristor)—MOSFET與晶閘管的復(fù)合承受極高di/dt和du/dt，快速的開關(guān)過(guò)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(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元組成：一個(gè)PNPN管，一控制開通的MOSFET，一關(guān)斷的MOSFET。其關(guān)鍵技術(shù)無(wú)大突破，電壓和電流未達(dá)預(yù)期數(shù)值，未投入實(shí)際應(yīng)用。SIT（StaticInductionTransistor）——結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管多子導(dǎo)電器件，頻率與電力MOSFET相當(dāng)，適用于高頻大功率場(chǎng)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(hào)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。結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)1.5靜電感應(yīng)晶閘管SITH和集成門極換流晶閘管IGCTSITH（StaticInductionThyristor）——場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）SITH是雙極型器件，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，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20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(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）1.5

功率模塊與功率集成電路基本概念20st80年代中后期開始,多個(gè)器件裝在一個(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(duì)頻率高的電路,可大大減小線路電感,簡(jiǎn)化對(duì)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(cè)、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）實(shí)際應(yīng)用電路高壓集成電路（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）。1.5功率模塊與功率集成電路發(fā)展現(xiàn)狀主要技術(shù)難點(diǎn)：高低壓電路之間的絕緣問(wèn)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(chǎng)合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩難點(diǎn),近幾年獲得迅速發(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。1.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口驅(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(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)。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)分類電流驅(qū)動(dòng)型,電壓驅(qū)動(dòng)型分立元件,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1.6

電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路IIMt1t2t3t4理想觸發(fā)脈沖電流波形晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：寬度應(yīng)保證可靠導(dǎo)通。有足夠的幅度。不超過(guò)門極電壓、電流和功率定額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。t1~t3強(qiáng)脈寬度t1~t4脈沖寬度IM強(qiáng)脈沖幅值常見(jiàn)的晶閘管觸發(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(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路推薦的GTO門極電壓電流波形OttOuGiG1)電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)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)GTO開通控制與普通晶閘管相似。關(guān)斷控制需施加負(fù)門極電流。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。典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路1.7.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)電力電子裝置可能的過(guò)電壓——外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過(guò)程換相過(guò)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(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過(guò)電壓。關(guān)斷過(guò)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(guò)電壓。1.7電力電子器件器件的保護(hù)b)tuCEiCOdidt抑制電路無(wú)時(shí)didt抑制電路有時(shí)有緩沖電路時(shí)無(wú)緩沖電路時(shí)uCEiCdi/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形ADCB無(wú)緩沖電路有緩沖電路uCEiCO關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線1.7

緩沖電路緩沖電路(SnubberCircuit)

：又稱吸收電路，抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt、過(guò)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）開通緩沖電路（di/dt抑制電路）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。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抑制電路目的：當(dāng)額定電壓小于要求時(shí)，可串聯(lián)1.8晶閘管的串聯(lián)b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2靜態(tài)均壓措施：選用參數(shù)和特性盡量一致的器件電阻均壓，Rp阻值應(yīng)小得多動(dòng)態(tài)均壓措施：選擇動(dòng)態(tài)參數(shù)特性一致器件。用RC并聯(lián)支路作動(dòng)態(tài)均壓。用門極強(qiáng)觸發(fā)減小器件開通時(shí)間差異問(wèn)題：電壓分配不均1.8

晶閘管的并聯(lián)目的：多個(gè)器件并聯(lián)來(lái)承擔(dān)較大的電流問(wèn)題：會(huì)分別因靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的差異導(dǎo)致電流分配不均

均流措施：*挑選特性參數(shù)一致器件。*采用均流電抗器*用門極強(qiáng)觸發(fā)也有助于動(dòng)態(tài)均流靜態(tài)均流動(dòng)態(tài)均流事實(shí)：高頻逆變器中，為減小開關(guān)損耗和開關(guān)速度，寧可使用小容量管并聯(lián)大電流時(shí)，管子達(dá)不到要求考慮晶閘管并聯(lián)電力電子器件分類“樹”單極型：電力MOSFET和SIT雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH復(fù)合型：IGBT和MCT本章小結(jié)主要內(nèi)容介紹器件的基本結(jié)構(gòu)、原理、特性和參數(shù)等。討論器件驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用電壓驅(qū)動(dòng)型：?jiǎn)螛O型器件和復(fù)合型器件，雙極型器件中的SITH特點(diǎn)：輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，頻率高。電流驅(qū)動(dòng)型：雙極型器件中除SITH外特點(diǎn)：有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，頻率較低，驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜。本章小結(jié)當(dāng)前的格局:IGBT為主體，第四代產(chǎn)品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首選。仍在不斷發(fā)展，與IGCT等新器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV/6kA。使用4.5kV/3kA光控晶閘管：功率更大場(chǎng)合,8kV/3.5kA,裝置最高達(dá)300MVA,容量最大。電力MOSFET：長(zhǎng)足進(jìn)步，中小功率領(lǐng)域特別是低壓，地位牢固。功率模塊和功率集成電路是現(xiàn)在電力電子發(fā)展的一個(gè)共同趨勢(shì)。GTOGTRMOSFETIGBT器件名稱功率容量驅(qū)動(dòng)電路通態(tài)壓降開關(guān)速度6kV/6kA,9kV/1kA450V/30A,1200V/800A