電力電子器件概述new課件

1第1章電力電子器件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其他新型電力電子器件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

本章小結(jié)及作業(yè)21.1.1電力電子器件的概念和特征1.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成1.1.3電力電子器件的分類1.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)1.1電力電子器件概述356能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。1.1.1電力電子器件的概念和特征3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：7電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行1.1.2應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路9半控型器件---------通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定。b.全控型器件---------通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。絕緣柵雙極晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(簡(jiǎn)稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（

-GTO）c.不可控器件---------不能用控制信號(hào)來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管（PowerDiode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

1.1.3電力電子器件的分類一.按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：1011二.按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與

導(dǎo)電的情況分為三類：?jiǎn)螛O型器件----由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。雙極型器件----由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。復(fù)合型器件-----由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。13本章內(nèi)容:介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題。集中講述電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用這三個(gè)問題。學(xué)習(xí)要點(diǎn):最重要的是掌握其基本特性。掌握電力電子器件的型號(hào)命名法，以及其參數(shù)和特性曲線的使用方法?？赡軙?huì)主電路的其它電路元件有特殊的要求。1.1.4本章學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)要點(diǎn)141.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理1.2.2電力二極管的基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類型1.2不可控器件—電力二極管15一.結(jié)構(gòu)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。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2電力二極管的外形、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)1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK17

1.二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。2.PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理二.PN結(jié)的狀態(tài)18PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。電容影響PN結(jié)的工作頻率，尤其是高速的開關(guān)狀態(tài)。1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理3.PN結(jié)的電容效應(yīng)：192)動(dòng)態(tài)特性——二極管的電壓-電流特性隨時(shí)間變化的——結(jié)電容的存在b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過程波形

a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置延遲時(shí)間：td=t1-t0,電流下降時(shí)間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf/td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。21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）。正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程1.2.2電力二極管的基本特性2.開通過程：1.關(guān)斷過程須經(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)。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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過程22額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，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。1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1)

正向平均電流IF(AV)23結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM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。1.2.3電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫TJM25功率二極管的型號(hào)和選擇原則

1、功率二極管的型號(hào)262.功率二極管的選擇原則（1）選擇額定正向平均電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于管子在電路中實(shí)際可能通過的最大電流有效值即可?？紤]元件的過載能力，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計(jì)算公式為：（2）選擇額定電壓的原則選擇功率二極管的反向重復(fù)峰值電壓等級(jí)（額定電壓）的原則應(yīng)為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時(shí)值電壓的2~3倍，即27簡(jiǎn)稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。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trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。1.2.4電力二極管的主要類型2)快恢復(fù)二極管29肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(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。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。1.2.4電力二極管的主要類型3).肖特基二極管SBD以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。301.3半控器件—晶閘管1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.2晶閘管的基本特性1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.3.4晶閘管的派生器件311.3半控器件—晶閘管·引言發(fā)展過程1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(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，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。晶閘管

：晶體閘流管VT，可控硅整流器

SCR321.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理一.結(jié)構(gòu):

具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。常見的外形有兩種：螺栓型和平板型。

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。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。331.3.1

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)341.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理351.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理二.晶閘管的工作原理1、晶閘管工作原理的實(shí)驗(yàn)說明361.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理2.晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件:

（1）晶閘管主電路加正向電壓。（2）晶閘管控制電路加合適的正向電壓。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。3.晶閘管關(guān)斷條件:1)晶閘管主電路加反向電壓。2)必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有通過使陽極電壓減小到零或反向的方法來實(shí)現(xiàn)。371.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

（1-5）4、晶閘管工作原理的等效電路說明

當(dāng)晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時(shí)，形成了強(qiáng)烈的正反饋，正反饋過程如下：

IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

381.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理391.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理三.工作狀態(tài)阻斷狀態(tài)：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。開通狀態(tài)：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的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。401.3.1

晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理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（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況：411.3.2

晶閘管的基本特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。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。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：基本特性:靜態(tài)特性(正向特性,反向特性)動(dòng)態(tài)特性(開通過程,關(guān)斷過程)421.3.2

晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(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。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG431.3.2

晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性441.3.2

晶閘管的基本特性1)

開通過程延遲時(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

（1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

關(guān)斷過程反向阻斷恢復(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)特性圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形451.3.3

晶閘管的主要參數(shù)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。規(guī)定此電壓為正向不重復(fù)峰值電壓UDSM的80%。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。此電壓取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80%。通態(tài)（峰值）電壓UT——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。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)，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。使用注意：一.主要參數(shù)1）電壓定額46UDRM、URRM——正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓；UDSM、URSM——正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；UBO——正向轉(zhuǎn)折電壓；URO——反向擊穿電壓。

471.3.3

晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流

IT(AV）——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。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。

又:額定電流IT(AV)

是指：在環(huán)境溫度為+40度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載時(shí)的單相、工頻（50Hz）、正弦半波（導(dǎo)通角不小于170度）的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125度時(shí)所允許的通態(tài)平均電流。注意：晶閘管是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額，這是因?yàn)榫чl管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按直流平均值來計(jì)算。2）電流定額48

它的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦電流最大值Im之間的關(guān)系表示為：

正弦半波電流的有效值為：

式中Kf―為波形系數(shù)

49流過晶閘管的電流波形不同，其波形系數(shù)也不同，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原則進(jìn)行換算，通常選用晶閘管時(shí)，電流選擇應(yīng)取(1.5～2)倍的安全裕量。501.3.3

晶閘管的主要參數(shù)元件允許流過的最大電流有效值元件允許流過的最大電流平均值5152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

——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。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。531.3.3

晶閘管的主要參數(shù)541.3.3

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

——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)換的外加電壓最大上升率。

——電壓上升率過大，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，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

——如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。4）動(dòng)態(tài)參數(shù)551.3.3

晶閘管的主要參數(shù)56K—可控快速型S—雙向型N—逆導(dǎo)型G—可關(guān)斷型57

2、普通晶閘管的選擇原則

（1）選擇額定電流的原則在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，只要所選管子的額定電流有效值大于等于管子在電路中實(shí)際可能通過的最大電流有效值即可?？紤]元件的過載能力，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量。計(jì)算公式為：然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。58（2）選擇額定電壓的原則選擇普通晶閘管額定電壓的原則應(yīng)為管子在所工作的電路中可能承受的最大反向瞬時(shí)值電壓的2~3倍，即然后取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。593．晶閘管的簡(jiǎn)單測(cè)試方法

對(duì)于晶閘管的三個(gè)電極，可以用萬用表粗測(cè)其好壞。依據(jù)PN結(jié)單向?qū)щ娫恚萌f用表歐姆擋測(cè)試元件的三個(gè)電極之間的阻值，可初步判斷管子是否完好。如用萬用表R×1kΩ擋測(cè)量陽極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大，在幾百千歐以上，且正、反向電阻相差很??；用R×10或R×100擋測(cè)量控制極G和陰極K之間的阻值，其正向電阻應(yīng)小于或接近于反向電阻，這樣的晶閘管是好的。如果陽極與陰極或陽極與控制極間有短路，陰極與控制極間為短路或斷路，則晶閘管是壞的。601.3.4晶閘管的派生器件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，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1.快速晶閘管

611.3.4晶閘管的派生器件2.雙向晶閘管

圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。62(1)雙向晶閘管的型號(hào)63(2).雙向晶閘管與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，并且控制電路比較簡(jiǎn)單，但有以下局限性：（1）雙向晶閘管重新施加du/dt的能力差，這使它難以用于感性負(fù)載。（2）電路靈敏度比較低。（3）管子的關(guān)斷時(shí)間tq比較長(zhǎng)。641.3.4晶閘管的派生器件3.逆導(dǎo)晶閘管

a)AKGb)UOIIG=0圖1-11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性將晶閘管反并聯(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)。651.3.4晶閘管的派生器件4.光控晶閘管

a)GKAAK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。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(chǎng)合。661.4典型全控型器件1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管1.4.2電力晶體管1.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.4絕緣柵雙極晶體管671.4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(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。681.4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691.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^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(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。DATASHEET門極可關(guān)斷晶閘管（

GTO）701.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管一.結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：

PNPN四層,三端(陽極、陰極和極)。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO內(nèi)部是由許多四層結(jié)構(gòu)的小晶閘管并聯(lián)而成，這些小晶閘管的門極和陰極并聯(lián)在一起，成為GTO元，而普通晶閘管是獨(dú)立元件結(jié)構(gòu)。

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(hào)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(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理71721.4.1

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(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益1和2

。73關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同.

有三個(gè)不同的時(shí)間，即存儲(chǔ)時(shí)間ts、下降時(shí)間tf及尾部時(shí)間tt。儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf

尾部時(shí)間tt

—?dú)埓孑d流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。741.4.1

門極可關(guān)斷晶閘管GTO的主要參數(shù)——延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽極電流的增大而增大?！话阒竷?chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2）關(guān)斷時(shí)間toff（1）開通時(shí)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(shí)，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)。751.4.1

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(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A?！狦TO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）761.4.2電力晶體管(GTR)電力晶體管________也稱巨型晶體管,是一種雙極型、大功率、高反壓晶體管(BipolarJunctionTransistor-BJT)。GTR和GTO一樣具有自關(guān)斷能力，屬于電流控制型自關(guān)斷器件。

GTR可通過基極電流信號(hào)方便地對(duì)集電極-發(fā)射極的通斷進(jìn)行控制，并具有飽和壓降低、開關(guān)性能好、電流較大、耐壓高等優(yōu)點(diǎn)。GTR已實(shí)現(xiàn)了大功率、模塊化、廉價(jià)化。

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。771.4.2電力晶體管(又稱功率晶體管GTR)一）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理1、電力晶體管的結(jié)構(gòu)

GTR屬三端三層兩結(jié)的雙極型晶體管，結(jié)構(gòu)與小功率晶體管相似.

三端:為B(基極)、C(集電極)、E(發(fā)射極)。三層:有兩種基本類型，NPN型和PNP型。

78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(gè)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。1.4.2電力晶體管圖1-15GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng)

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)792.GTR的工作原理以NPN型晶體管為例，若外電源使UBC<0,則集電結(jié)的PN結(jié)處于反偏狀態(tài)；若UBE>0，則發(fā)射結(jié)的PN結(jié)處于正偏狀態(tài)。此時(shí)晶體管內(nèi)部電流分布為：（1）由于UBC<0，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，形成反向飽和電流ICBO從N區(qū)流向P區(qū)。（2）由于UBE>0，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，P區(qū)的多數(shù)載流子空穴不斷地向N區(qū)擴(kuò)散形成空穴電流IPE，N區(qū)的多數(shù)載流子電子不斷地向P區(qū)擴(kuò)散形成電子電流INE。1.4.2電力晶體管801.4.2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(duì)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(shí)，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。空穴流電子流c)EbEcibic=bibie=(1+b)ib2.工作原理811.4.2電力晶體管

(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)。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)。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(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性821.4.2電力晶體管開通過程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間ton。加快開通過程的辦法。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

。加快關(guān)斷速度的辦法。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。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd圖1-17GTR的開通和關(guān)斷過程電流波形(2)

動(dòng)態(tài)特性831.4.2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(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff

(此外還有)：

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)。BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓要比BUceo低得多。3）GTR的主要參數(shù)841.4.2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(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。

2)

集電極最大允許電流IcM851.4.2電力晶體管一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。

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。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)861.4.3電力場(chǎng)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(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點(diǎn)——用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(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，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管871.4.3電力場(chǎng)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(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道。

增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，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。DATASHEET1）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理881.4.3電力場(chǎng)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(jī)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(jì)。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)891.4.3電力場(chǎng)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(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）。這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)901.4.3電力場(chǎng)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(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。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力MOSFET的工作原理911.4.3電力場(chǎng)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(shí)，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921.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止區(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)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(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。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/A931.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管開通過程開通延遲時(shí)間td(on)

上升時(shí)間tr開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)下降時(shí)間tf關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信號(hào)+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21電力MOSFET的開關(guān)過程a)測(cè)試電路b)開關(guān)過程波形up—脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—負(fù)載電阻，RF—檢測(cè)漏極電流(2)

動(dòng)態(tài)特性941.4.3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?？山档万?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)斷過程非常迅速。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(chǎng)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。MOSFET的開關(guān)速度951.4.3電力場(chǎng)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CDS961.4.4絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(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或IGT）(DATASHEET1

2)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。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。971.4.4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(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)981.4.4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(qiáng)的通流能力。簡(jiǎn)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(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)

IGBT的結(jié)構(gòu)991.4.4絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)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(shí)，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(hào)時(shí)，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100a)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1.4.4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(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。1011.4.4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(shí)間td(on)

電流上升時(shí)間tr

開通時(shí)間tonuCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程。(2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性1021.4.4絕緣柵雙極晶體管圖1-24IGBT的開關(guān)過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off）電流下降時(shí)間

關(guān)斷時(shí)間toff電流下降時(shí)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)UGEMUGEMICMICM1031.4.4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UCES1041.4.4絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)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(shí)，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)。1051.4.4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(dòng)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(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。1061.5其他新型電力電子器件1.5.1MOS控制晶閘管MCT1.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT1.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH1.5.4集成門極換流晶閘管IGCT1.5.5功率模塊與功率集成電路1071.5.1

MOS控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：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(gè)MCT器件由數(shù)以萬計(jì)的MCT元組成。每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)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(shí)際應(yīng)用。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合(DATASHEET)1081.5.2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(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。SIT（StaticInductionTransistor）——結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管1091.5.3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(qiáng)。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(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）110問題:如何防止電力MOSFET因靜電感

應(yīng)引起的損壞？答：電力MOSFET的柵極絕緣層很薄弱，容易被擊穿而損壞。MOSFET的輸入電容是低泄漏電容，當(dāng)柵極開路時(shí)極易受靜電干擾而充上超過20的擊穿電壓，所以為防止MOSFET因靜電感應(yīng)而引起的損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①一般在不用時(shí)將其三個(gè)電極短接；②裝配時(shí)人體、工作臺(tái)、電烙鐵必須接地，測(cè)試時(shí)所有儀器外殼必須接地；③電路中，柵、源極間常并聯(lián)齊納二極管以防止電壓過高④漏、源極間也要采取緩沖電路等措施吸收過電壓。1111.5.4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(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。DATASHEET

1

2IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）1121.5.5

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(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(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)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(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）。DATASHEET基本概念1131.5.5

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(dòng)電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。實(shí)際應(yīng)用電路1141.5.5

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(diǎn)：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(chǎng)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。發(fā)展現(xiàn)狀1151.6

電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)1.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1161.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)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(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)。1.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)。一.驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口1171.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述2.驅(qū)動(dòng)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1181.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型。驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件的，但目前的趨勢(shì)是采用專用集成驅(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。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(dòng)電路。3.分類1191.6.2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(shí)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(shí)間（<1s）t1~t3強(qiáng)脈寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）二.晶閘管的觸發(fā)電路1201.6.2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(shí)，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1.常見的晶閘管觸發(fā)電路1211.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)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(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。1221.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路直接耦合式驅(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。圖1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路1231.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路開通驅(qū)動(dòng)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(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)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(dòng)電流波形(2)GTR1241.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。圖1-31GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL較為常見。1251.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件。為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小。使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15~20V。關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)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(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路1261.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1)電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號(hào)電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。

1271.6.3

典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(2)IGBT的驅(qū)動(dòng)圖1-33M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)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(dòng)器。1281.7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1291.7.1過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)1.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2.內(nèi)因過電壓：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(huì)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(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。一．過電壓產(chǎn)生的原因：

在變流電路中，電感性電路的開與關(guān)、整流變壓器的合閘分閘、快速熔斷器的熔斷以及電源側(cè)侵入的浪涌?jī)?nèi)電壓等，都會(huì)產(chǎn)生過電壓。130二.過電壓保護(hù)措施1．晶閘管關(guān)斷過電壓及其保護(hù)1)產(chǎn)生原因:在晶閘管導(dǎo)通換相瞬間，兩相晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，在換相重疊角γ期間相當(dāng)于線電壓被短路，因而在輸出電壓波形上出現(xiàn)一個(gè)缺口，當(dāng)加在晶閘管上的電壓變化率du/dt為正時(shí)，有可能造成晶閘管誤導(dǎo)通。2)過電壓保護(hù)的目的--------是使元件在任何情況下不致受到超過元件所能承受的電壓的侵害,因此必須采取有效措施消除和抑制可能產(chǎn)生的各種過電壓。3).保護(hù)方法及保護(hù)元件：1）只并電容C，使電壓不能突變，但會(huì)產(chǎn)生振蕩，使U上升。

2）只并電阻R，一方面產(chǎn)生阻尼LC振蕩；另一方面將限制元件的開通損耗與電流的上升率方法：并RC元件，形成阻容吸收電路。注意：電路要盡量靠近晶閘管，引線要短，最好采用無電感電阻。1314)晶閘管過電壓保護(hù)（1）防止du/dt過大造成誤導(dǎo)通的方法是在

每個(gè)橋臂串接一個(gè)空心電抗器LS，(2)晶閘管換相過電壓的保護(hù)。通常是在

晶閘管元件兩端并聯(lián)RC電路，圖換相過電壓保護(hù)電路

1322.交流側(cè)過電壓及其保護(hù)

1)產(chǎn)生原因：高壓側(cè)合閘瞬間負(fù)載切除或整流直流側(cè)開關(guān)斷開，回路中的電感產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將造成過電壓。在整流變壓器空載且電源電壓過零時(shí)，一次側(cè)拉閘，二次側(cè)感應(yīng)出瞬時(shí)高電壓。電網(wǎng)受雷擊或有干擾電壓時(shí)，將產(chǎn)生偶發(fā)性的浪涌電壓。1332)交流側(cè)過電壓保護(hù)方法：(1)交流側(cè)過電壓常用保護(hù)有三種方法：采用避雷器、RC過電壓抑制電路非線性元件。避雷器用以保護(hù)由大氣雷擊所產(chǎn)生的過電壓，主要用于保護(hù)變壓器。因這種過電壓能量較大，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，一般采用閥型避雷器。RC過電壓抑制電路通常并聯(lián)在變壓器次級(jí)（元件側(cè)），以吸收變壓器鐵心磁場(chǎng)釋放的能量，并把它轉(zhuǎn)換為電容器的電場(chǎng)能而儲(chǔ)存起來。串聯(lián)電阻是為了在能量轉(zhuǎn)換過程中消耗一部分能量并且抑制RC回路可能產(chǎn)生的振蕩。當(dāng)整流器容量較大時(shí)，RC電路也可接在變壓器的電源側(cè)，134圖交流側(cè)阻容過電壓保護(hù)電路的接法135(2)交流側(cè)過電壓其他保護(hù)有三種方法：

當(dāng)發(fā)生雷擊或從電網(wǎng)侵入更高的浪涌電壓時(shí)，僅用阻容保護(hù)是不夠的，此時(shí)過電壓仍可能超過元件所能承受的電壓值，因此必須同時(shí)設(shè)置非線性元件保護(hù)。非線性元件有與穩(wěn)壓管相近似的伏安特性，可以把浪涌過電壓抑制在晶閘管元件允許的范圍。常用的非線性元件有硒堆和金屬氧化物壓敏電阻。136RC保護(hù)：1).應(yīng)用范圍：一般操作引起的過電壓；對(duì)大容量的裝置，三相阻容吸收設(shè)備龐大，硒堆保護(hù)：1)應(yīng)用范圍：交流側(cè)2)特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：硒片的體積大，擊穿時(shí)只燒焦幾個(gè)點(diǎn)，過電壓消失后，硒片恢復(fù)正常，可繼續(xù)起保護(hù)作用。缺點(diǎn)：體積大，反向伏安特性不陡，易老化3)運(yùn)用方法：三相交流側(cè)的連接方法可采用星形或三角形連接方法。3.壓敏電阻保護(hù)：1)應(yīng)用范圍：直流側(cè)、交流側(cè)、橋臂2)特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：正反向特性對(duì)稱，反應(yīng)快，體積小，價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：持續(xù)平均功率小（幾瓦），一旦電壓超出額定電壓，很快燒毀。3)注意事項(xiàng)：三相交流側(cè)的連接方法可采用星形或三角形連接方法。137(3)交流側(cè)過電壓整流式保護(hù)方法

(只用一個(gè)電容）

特點(diǎn)：應(yīng)用廣泛，性能可靠；但運(yùn)行時(shí)能耗較大，易發(fā)熱，且體積大，對(duì)能量較大的過電壓不能完全吸收。1383．直流側(cè)過電壓及其保護(hù)1)產(chǎn)生原因：整流器直流側(cè)斷開時(shí)，如出現(xiàn)直流側(cè)快速開關(guān)斷開或橋臂快速熔斷等情況，則也會(huì)產(chǎn)生過電壓。前者因變壓器儲(chǔ)能的釋放產(chǎn)生過電壓，后者則由于直流電抗器儲(chǔ)能的釋放產(chǎn)生過電壓，都可使晶閘管元件損壞。當(dāng)直流端處在短路情況下斷開直流電路時(shí)，產(chǎn)生的浪涌峰值電壓特別嚴(yán)重，所以對(duì)直流側(cè)過電壓必須采取措施加以抑制139圖9-5直流側(cè)快速開關(guān)斷開或快速熔斷引起的過電壓1402)直流側(cè)過電壓保護(hù)方法：

1.壓敏電阻2.直流快速開關(guān)3.RC吸收回路用非線性元件抑制直流側(cè)過電壓

1411.7.1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1421.7.2過電流保護(hù)1.過電流——過載和短路兩種情況·外部短路，如直流輸出端發(fā)生短路；·內(nèi)部短路，如整流橋主臂中某一元件被擊穿而發(fā)生的短路；·可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生換流失敗和環(huán)流過大；·生產(chǎn)機(jī)械發(fā)生過載或堵轉(zhuǎn)等。1432.保護(hù)措施：交流進(jìn)線中串接電抗器，或采用漏抗較大的變壓器。采用靈敏過電流繼電器進(jìn)行保護(hù)。采用限流與脈沖移相的保護(hù)。采用直流快速開關(guān)保護(hù)。采用快速熔斷器保護(hù)。（圖4.16）

接法：1）接入橋臂與晶閘管串聯(lián)。2）接入交流側(cè)，每相分別串接。3）接入直流側(cè)。144晶閘管變流裝置可能采用的過流保護(hù)措施有:交流斷路器、進(jìn)線電抗器、靈敏過電流繼電器、短路器、電流反饋控制電路、直流快速開關(guān)及快速熔斷器等，1451.7.2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(chǎng)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(duì)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(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快。快熔對(duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種146147快熔的選用原則如下：·額定電壓的選擇?？烊垲~定電壓URN不小于線路正常工作電壓的方均根值。

·額定電流的選擇。快熔的額定電流IRN應(yīng)按它所保護(hù)的元件實(shí)際流過的電流IR（方均根值）來選擇