電力電子技術(shù)程漢湘 第一章 電力電子器件課件

PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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——電力二極管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)1PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.1電力電子器件概述1.1.1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本張內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)2PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.1.1電力電子器件的概念和特征1.概念主電路（PowerCircuit）

在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變化或控制任務(wù)的電路。電力電子器件（PowerElectronicDevice)直接用于處理電能主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。2.分類電真空器件（汞弧整流器、閘流管等，已逐步被半導(dǎo)體器件取代）半導(dǎo)體器件（目前所指電力電子器件，采用材料任然是硅）

｛3PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.1電力電子器件概述1.1.1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本張內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)5PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)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電力電子電路電力電子電路—電力電子系統(tǒng)由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、電力電子器件為核心的主電路組成6PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)導(dǎo)通主電路中電力電子器件關(guān)斷檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路以外的電路控制電路由信息電路組成控制電路主電路電力電子系統(tǒng)檢測(cè)電路檢測(cè)主電路或應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制7PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)

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主電路端子之間信號(hào)導(dǎo)通關(guān)斷電力電子器件控制端主電流端子（公共端）——驅(qū)動(dòng)電路和主電路，是主電路電流流出電力電子器件的端子9PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.1電力電子器件概述1.1.1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本張內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)10PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.1.3電力電子器件的分類1.按照電力電子器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的度分為以下三類半控型器件全控型器件通過(guò)控制信號(hào)可控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷｛晶閘管及其派生器件關(guān)斷主電路電流電壓通過(guò)控制信號(hào)即可控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷｛絕緣柵雙極晶體管電力效應(yīng)晶體管門極可關(guān)斷晶體管自關(guān)斷器件門極可關(guān)斷晶體管處理兆瓦級(jí)大功率電能11PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)3.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)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件13PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.1電力電子器件概述1.1.1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本張內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)14PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.1.4本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)電力電子器件選擇、使用時(shí)注意的問(wèn)題工作原理基本特征主要參數(shù)電力電子器件掌握基本特征型號(hào)命名法參數(shù)特征曲線15PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.2不可控器件——電力二極管逐步取代結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單工作可靠現(xiàn)在仍大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備電力二極管（半導(dǎo)體整流器）20世紀(jì)50年初獲得應(yīng)汞弧整流器應(yīng)用快恢復(fù)二極管肖特基二極管中、高頻電流逆變低壓高頻電流17PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.2不可控器件——電力二極管1.2.1PN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18PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成，外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝，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。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)19PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖1-3PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)>少子的漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散電流PN結(jié)外加電場(chǎng)PN結(jié)自建電場(chǎng)方向相反形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流內(nèi)部外電路造成空間電荷區(qū)變窄正向電流IF－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++P型區(qū)空間電荷區(qū)

N型區(qū)內(nèi)電場(chǎng)21PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)外加電壓升高PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)擴(kuò)散電流增加自建電場(chǎng)削弱PN結(jié)流過(guò)的正向電流電阻值較高且為常數(shù)較小較大電阻率下降電導(dǎo)率增加電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)。22PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@個(gè)主要特征。反向電流IR少子濃度很小，在溫度一定時(shí)漂移電流的數(shù)值趨于恒定PN結(jié)外加反向電壓外電路電流N區(qū)流入P區(qū)流入出反向飽和流IS高電阻幾乎沒(méi)有電流流過(guò)PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)23PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)結(jié)電容CJ(微分電容)PN結(jié)中電荷量隨外加電壓變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)勢(shì)壘電容CB擴(kuò)散電容CDPN結(jié)截面成正比阻擋層成反比大小正向電壓較高正向電壓較低僅在正向偏置時(shí)起作用外加電壓變化時(shí)起作用結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作?5PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.2不可控器件——電力二極管1.2.1PN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26PowerElectronics1.2.2電力二極管的基本特性1.靜態(tài)特性圖1-4電力二極管的伏安特性電力二極管靜態(tài)特征伏安特征值定一到大壓電向正正向電流開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。承受反向電壓時(shí)只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。廣東工業(yè)大學(xué)正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF為其正向電壓降。27PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置電力二極管的關(guān)斷經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。IRP——電流過(guò)沖最大值URP——電壓過(guò)沖最大值td=t1-t0——延遲時(shí)間tf=t2-t1——電流下降時(shí)間trr=td+tf——反向恢復(fù)時(shí)間tf/td——恢復(fù)特性的軟度，用Sr表示a)IFtdtrrtfIRPt1t2UFURttFt0

URP在關(guān)斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過(guò)沖。29PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的開(kāi)通2V0tb)正向恢復(fù)時(shí)間tfr

電力二極管的正向壓降出現(xiàn)過(guò)沖uFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間接近穩(wěn)態(tài)降壓的某個(gè)值，這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間。電壓過(guò)沖原因1)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用所需大量少子需要一定時(shí)間儲(chǔ)存達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大。2)正向電流的上升因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大,

UFP越高。30PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)廣東工業(yè)大學(xué)

注意：電流、電壓反向問(wèn)題

正偏壓時(shí)，正向偏壓降約為1V左右；導(dǎo)通時(shí)，二極管看成是理想開(kāi)關(guān)元件，因?yàn)樗倪^(guò)渡時(shí)間與電路的瞬時(shí)過(guò)程相比要小的得多；但在關(guān)斷時(shí)，它需要一個(gè)反向恢復(fù)的時(shí)間（reverser-recoverytime）以清除過(guò)剩載流子。31PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.2不可控器件——電力二極管1.2.1PN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32PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.2.3電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應(yīng)定義，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定，應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的的場(chǎng)合，其開(kāi)關(guān)損耗也不能忽略。當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小。正向壓降UF

電力二極管在正向電流導(dǎo)通時(shí)二極管上的正向壓降。33PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)浪涌電流IFSM

電力二極管所能承受的最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。最高工作結(jié)溫TJM在PN結(jié)不受損壞的前提下，二極管所能承受的最高平均溫度。一般在125-175℃范圍內(nèi)。反向恢復(fù)時(shí)間trr

二極管由導(dǎo)通到截止、并恢復(fù)到自然阻斷狀態(tài)所需的時(shí)間。反向重復(fù)峰值電壓URRM

對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓34PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.2不可控器件——電力二極管1.2.1PN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35PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.2.4電力二極管的主要類型普通二極管(整流二極管）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中

反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)一般在5μs以上正向電流定額和反向電壓定額很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上

36PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)快恢復(fù)二極管恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5μs以下）的二極管，簡(jiǎn)稱快速二極管。工藝多采用摻金措施結(jié)構(gòu)上采用PN結(jié)構(gòu)也有采用加以改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)

采用外延型PiN結(jié)構(gòu)快恢復(fù)外延二極管其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），反向耐壓多在1200V以下?？焖倩謴?fù)二極管超快速恢復(fù)二極管反向恢復(fù)時(shí)間數(shù)百納秒或更長(zhǎng)100ns以下，甚至達(dá)20～30ns快恢復(fù)二極管從性能上分為兩種37PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管。導(dǎo)通壓降只有0.3V（forwardvoltagedrop）

，反壓為50-100V。反向恢復(fù)時(shí)間更短，10～40ns，不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。缺點(diǎn)是當(dāng)提高反向耐壓時(shí)，正向壓降也會(huì)提高，多用于200V以下的低壓場(chǎng)合；反向漏電流也很大。38PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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——電力二極管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)39PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.3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（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、）

1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.3.4晶閘管的派生器件40PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)晶閘管的正向阻斷電壓（blockingvoltage）是相同的，根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象，有各種不同的晶閘管。除了電壓電流的額定值外，tq、正向?qū)▔航?、?dǎo)通時(shí)的電流上升率di/dt，關(guān)斷時(shí)的電壓上升率dv/dt等，都是要考慮的特性。相控晶閘管Phase-controlThyrister，有時(shí)稱作整流晶閘管Converterthyristor，用于主要用于整流器。器件圓盤達(dá)到10cm。平均電流4000A或更高，阻斷電壓5-7kV，通態(tài)壓降從1.5V（1000V器件）到30V（對(duì)5-7kV晶閘管）。逆導(dǎo)晶閘管Inverter-gradethyristor，導(dǎo)通壓降低，tq(考慮了trr的可靠系數(shù))小，額定值達(dá)到2500V/1500A，tq一般在幾個(gè)微秒到100微秒，這取決于阻斷電壓的而定值及導(dǎo)通電壓降。光控晶閘管Light-cutivatedthyristor：級(jí)聯(lián)方式用于高壓系統(tǒng)，易于觸發(fā)，4kV/3kA。41PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG圖1-6晶閘管外形、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)

a)c)b)AGKGKA42PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b工作原理)產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流IG的電路觸發(fā)門極觸發(fā)電路對(duì)晶體管的驅(qū)動(dòng)43PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)晶體管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1

(1-1)Ic2=a2IK+ICBO2(1-2)IK=IA+IG

(1-3)

IA=IC1+IC2

(1-4)a1和a2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由式（1-1）~式（1-4）得：(1-5)44PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通（門極觸發(fā)）：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(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。其他幾種可能導(dǎo)通的情況:陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(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，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）。

只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手45PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.3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（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、）

1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.3.4晶閘管的派生器件46PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.3.2晶閘管的基本特性

（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、）1.靜態(tài)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(kāi)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。47PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖1-8晶閘管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向?qū)ㄑ┍罁舸㊣H-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2UPRMURSM第Ⅰ象限是正向特性第Ⅲ象限是反向特性IG2>IG1>IGIG=0時(shí)，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(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)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(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)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。正向特性

反向特性晶閘管上施加反向電壓時(shí)，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(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。48PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)2.動(dòng)態(tài)特性圖1-9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td

陽(yáng)極電流從零上升到穩(wěn)態(tài)值10%的時(shí)間上升時(shí)間tr陽(yáng)極電流從10%上到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgttgt=td+tr（1-6）普通晶閘管的延遲時(shí)間為0.5ms，上升時(shí)間為0.5～3ms。其延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減??；關(guān)斷過(guò)程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr

正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr晶體管恢復(fù)載流子復(fù)合過(guò)程對(duì)正向電壓的阻斷的時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tq

tq=trr+tgr

（1-7）普通晶閘管的時(shí)間約為幾百微秒延遲時(shí)間td

上升時(shí)間tr開(kāi)通時(shí)間tgt

tgt=td+tr

(1-6)49PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.3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（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、）

1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.3.4晶閘管的派生器件50PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.3.3晶閘管的主要參數(shù)

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(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。

反向重復(fù)峰值電壓URRM

反向重復(fù)峰值電壓是在門極斷路而結(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。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(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。

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。額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的2～3倍。1．電壓定額51PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)

通態(tài)平均電流IT(AV)

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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。維持電流IH

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(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。2.電流定額52PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

在額定結(jié)溫和門極開(kāi)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。位移電流在斷態(tài)的晶閘管兩端所施加的電壓具有正向的上升率，在逐段狀態(tài)下相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)流過(guò)的充電電流。通態(tài)電流臨界上升率di/dt

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。3．動(dòng)態(tài)參數(shù)53PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.3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（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、）

1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.3.4晶閘管的派生器件54PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.3.4晶閘管的派生器件常規(guī)快速晶閘管高頻晶閘管包括所有為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管與普通晶閘管相比快速晶閘管關(guān)斷時(shí)間為數(shù)十微秒高頻晶閘管關(guān)斷時(shí)間為10μs左右電壓和電流定額不易做高應(yīng)用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt、di/dt的耐量都有了明顯的改善快速晶閘管55PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)GT1T2IG=0IU0a)b)圖1-10雙向晶閘管的電器圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)

b)伏安特性雙向晶閘管

是一對(duì)反并聯(lián)結(jié)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。

門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通。

不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。56PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)IU0I=0GAKG逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并連一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。與普通晶閘管相比正向壓降小關(guān)斷時(shí)間短高溫特性好額定電流晶閘管電流反并聯(lián)的二極管的電流圖1-11雙向晶閘管a)電氣圖形符號(hào)

b)伏安特性a)b)57PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)IAUAK0AKG光照強(qiáng)度弱強(qiáng)圖1-12光控晶閘管a)電氣圖形符號(hào)

b)伏安特性光控晶閘管

（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。

小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子。

大功率光控晶閘管帶有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器的光纜。

光觸發(fā)保證主電路與控制電路之間的絕緣，避免電磁干擾的影響。a)b)58PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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——電力二極管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)59PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4典型全控型器件1.4.1理想的可控開(kāi)關(guān)元件1.4.2門極可關(guān)斷晶閘管1.4.3電力晶體管1.4.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.5絕緣柵雙極晶體管60PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4.1理想的可控開(kāi)關(guān)元件所希望的開(kāi)關(guān)特性應(yīng)該是：關(guān)斷時(shí)的漏電流較小，導(dǎo)通時(shí)Von小。很高的正反向阻斷電壓的能力，這可減少元件的串聯(lián)，并因此而減少相應(yīng)保護(hù)電路的功率損耗。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(kāi)關(guān)頻率。導(dǎo)通電阻具有正的溫度特性，這可保證并聯(lián)的元件能共同分擔(dān)總電流。較小的控制功率。具有阻止電壓和電流上升率的能力，這樣就可以不使用外部Snubber電路保護(hù)。具有較高的dv/dt，di/dt額定值。61PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖功率元件的開(kāi)關(guān)損耗62PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4典型全控型器件1.4.1理想的可控開(kāi)關(guān)元件1.4.2門極可關(guān)斷晶閘管1.4.3電力晶體管1.4.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.5絕緣柵雙極晶體管63PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4.2門極可關(guān)斷晶閘管1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)圖1-13GTO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)64PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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)內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元的多元功率集成器件GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起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65PowerElectronics圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b工作原理)

GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程：強(qiáng)烈正反饋——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，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，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(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)。66PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)2.GTO的動(dòng)態(tài)特性SnubberAkG觸發(fā)關(guān)斷脈沖不用保持，關(guān)斷時(shí)間幾個(gè)微秒，但是需要很大的門電流（1/3陽(yáng)極電流），關(guān)斷時(shí)，為了限制dv/dt，要用Snubber電路（切斷感性負(fù)載）。開(kāi)關(guān)時(shí)間幾個(gè)微秒到25微秒，導(dǎo)通壓降2-3V、比晶閘管稍微高一點(diǎn)。最大優(yōu)點(diǎn)是能處理高電壓和大電流，現(xiàn)在最大容量6KV/4KA，開(kāi)關(guān)頻率幾百HZ—10KHZ。圖1-14GTO的開(kāi)關(guān)和關(guān)斷過(guò)程電流波形tstdtrtfttiGt0t1t2t3t4t5t6t0IAiA90%IA10%IAt067PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)關(guān)斷時(shí)間toff

儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和3.GTO的主要參數(shù)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO

GTO額定電流電流關(guān)斷增益off

最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。boff=ATOIGM___________I(1-8)開(kāi)通時(shí)間ton

延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和68PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4典型全控型器件1.4.1理想的可控開(kāi)關(guān)元件1.4.2門極可關(guān)斷晶閘管1.4.3電力晶體管1.4.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.5絕緣柵雙極晶體管69PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4.3電力晶體管電力晶體管耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管1.GRT的結(jié)構(gòu)和工作原理P基區(qū)N漂移區(qū)襯底集電極c基極b發(fā)射極e基極bcbe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)斷面圖b)電氣圖形符號(hào)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)a)b)

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(kāi)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。70PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)電子流空穴流EcEbic=βibibie=(1+β)ibc)圖1-15GTR的內(nèi)部載流子的流動(dòng)c)內(nèi)部載流子的流動(dòng)GRT共發(fā)射極接法時(shí)內(nèi)部主要載流子的流動(dòng)，集電極電流ic與基電流ib之比為β=(1-9)β為GRT的電流放大系數(shù)，當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的電流Iceo時(shí)，ic與ib關(guān)系為

ic=

βib+Iceo

(1-10)單管GRT的β值比處理信息用的小功率的晶體管小采，用達(dá)林頓接法可以有效增大電流增益71PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)2.GRT的基本特性圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性ib2ib1ib3ib1<ib2<ib3截止區(qū)Ic0Uce飽和區(qū)放大區(qū)開(kāi)關(guān)狀態(tài)工作在截止區(qū)或飽和區(qū)開(kāi)關(guān)過(guò)程在截止區(qū)或飽和區(qū)過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)靜態(tài)特征72PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)GTR用基極電流控制電極電流動(dòng)態(tài)特征trtdtstontftoff90%Icsic10%IcsIb2t0t1t2t3t4t5t90%Ib110%Ib1Ib1t00ib圖1-17GTR的開(kāi)關(guān)和關(guān)斷過(guò)程電流波形開(kāi)通延遲時(shí)間td上升時(shí)間tr關(guān)斷儲(chǔ)存時(shí)間ts下降時(shí)間tf減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度或增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可以縮短儲(chǔ)存時(shí)間，加快關(guān)斷速度。增大基極驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短延遲時(shí)間和上升時(shí)間，加快開(kāi)通過(guò)程。73PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)3.GRT的主要參數(shù)最高工作電壓發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極和基極間的反向擊穿電壓BUcbo

基極開(kāi)路時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUceo發(fā)射極與基極間用電阻連接或短路連接時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcer和BUces發(fā)射結(jié)反向偏置時(shí)集電極和發(fā)射極間的擊穿電壓BUcex

BUcbo

>BUcex>BUces

>BUcer>BUceo

集電流最大允許電流IcM

直流電流放大系數(shù)hFE下降到規(guī)定值得1/2~1/3時(shí)，所對(duì)應(yīng)的Ic為集電流最大允許電流集電流最大耗散功率PcM

最高工作溫度允許的耗散功率74PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)一次擊穿集電極電壓升高到擊穿電壓時(shí)，集電極電流迅速增大，首先出現(xiàn)的雪崩擊穿的現(xiàn)象一次擊穿后只要Ic不要超過(guò)最大允許耗散功率相對(duì)應(yīng)的限度，GTR一般不會(huì)損壞二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)未有效限制電流，Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)突然急劇上升，電壓突然下降的現(xiàn)象二次擊穿常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，對(duì)GTR危害極大4.GRT的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)75PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)SOAIcIcMPSBPcMUceMUce0圖1-18GTR的安全工作區(qū)GTR的安全工作區(qū)二次擊穿臨界線GTR工作時(shí)不能超過(guò)最高電壓集電極最大電流最大耗散功率76PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4典型全控型器件1.4.1理想的可控開(kāi)關(guān)元件1.4.2門極可關(guān)斷晶閘管1.4.3電力晶體管1.4.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.5絕緣柵雙極晶體管77PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理耗盡型

柵極電壓為零時(shí)漏源極之間存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型

柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道單極型晶體管

電力MOSFET導(dǎo)通是時(shí)只有一種極性的載流子參與導(dǎo)電電力MOSFET垂直導(dǎo)電利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)小功率MOS橫向?qū)щ奝溝道N溝道電力MOSFET種類1.4.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管78PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)DGSN溝道DSGP溝道PN+N+N-N+N+N+P溝道SGDa)b)圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)79PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)2.電力MOSFET的基本特征靜態(tài)特征圖1-20電力MOSFET電氣符號(hào)和轉(zhuǎn)移特性a)電氣圖形符號(hào)b)轉(zhuǎn)移特性

a)b)GSDVGS+-VDS+-n-channel504030201002468UGS/VID/A(1-11)80PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)c)504030201001020304050UGS/VID/AUGS=UT=3VUGS=8VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7V飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)圖1-20c)電力MOSFET輸出特性

漏源電壓增加時(shí)漏極電流不再增加飽和非飽和漏源電壓增加時(shí)漏極電流相應(yīng)增加MOSFET在漏極和源極之間形成一個(gè)反向并聯(lián)的寄生二極管，與MOSFET構(gòu)成整體，使得在漏、源極間加反向電壓時(shí)器件導(dǎo)通。需要保持Vgs的值，以使電流通過(guò)，門電流為零，除了開(kāi)關(guān)作用期間的充放電過(guò)程。開(kāi)關(guān)時(shí)間短（幾個(gè)ns-幾百ns）。源漏極之間的導(dǎo)通電阻為阻斷電壓的函數(shù)。BVDSS（BlockingVoltage）缺點(diǎn)是導(dǎo)通電阻較大。Rds（on）=kBVss2.5-2.7，k取決于器件的幾何尺寸，正的溫度特性。81PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)動(dòng)態(tài)特征uGSuGSpuT00iDuPtd(on)trttftd(off)tt0a)RFRsupRGuGSiD信號(hào)iD+UERLb)圖1-20電力MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)從uP前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)始出現(xiàn)iD的這段時(shí)間上升時(shí)間truGS從開(kāi)啟電壓上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓uGSP的時(shí)間ton=td(on)+tr(1-12)MOSFET開(kāi)通時(shí)間ton關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)從脈沖電壓up下降到零時(shí)，柵極輸入電容Cin通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻RG(》RS)和柵極電阻開(kāi)始放電，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線下降，下降到uGSP時(shí)，漏極電流iD開(kāi)始減小的這段時(shí)間下降時(shí)間tfCin繼續(xù)放電，uGS從繼續(xù)下降，iD減小，到

uSG<UT時(shí)溝道消失，iD下降到零的時(shí)間toff=td(off)+tf(1-13)MOSFET關(guān)斷時(shí)間toff82PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)ton=td(on)+tr(1-12)關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)從脈沖電壓up下降到零時(shí)，柵極輸入電容Cin通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻RG(》RS)和柵極電阻開(kāi)始放電，柵極電壓uGS按指數(shù)曲線下降，下降到uGSP時(shí)，漏極電流iD開(kāi)始減小的這段時(shí)間開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)從uP前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)始出現(xiàn)iD的這段時(shí)間toff=td(off)+tf(1-13)上升時(shí)間truGS從開(kāi)啟電壓上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓uGSP的時(shí)間下降時(shí)間tfCin繼續(xù)放電，uGS從繼續(xù)下降，iD減小，到

uSG<UT時(shí)溝道消失，iD下降到零的時(shí)間MOSFET關(guān)斷時(shí)間toffMOSFET開(kāi)通時(shí)間ton83PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)3.電力MOSFET的主要參數(shù)漏極電壓UDS電力MOSFET電壓定額參數(shù)漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

電力MOSFET電流定額參數(shù)柵源電壓UGS

︱UGS︱>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿極間電容

Ciss=CGS+CGD(1-14)

Crss

=CGD(1-15)

Coss

=CDS+CGD(1-16)

漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定電力MOSFET的安全工作區(qū)電力MOSFET不存在二次擊穿84PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4典型全控型器件1.4.1理想的可控開(kāi)關(guān)元件1.4.2門極可關(guān)斷晶閘管1.4.3電力晶體管1.4.4電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.4.5絕緣柵雙極晶體管85PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.4.5絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）—

GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性。1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理PN+N+N-N+N+N+P緩沖區(qū)J2GEJ3J1P+漂移區(qū)注入?yún)^(qū)C集電極發(fā)射極柵極GEIDRon+－ICIDRNVJI+－C－+ECG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)a)b)c)86PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.IGBT的基本特征0UGEUGE(th)ICUFMURM

反向阻斷區(qū)飽和區(qū)有源區(qū)正向阻斷區(qū)UGE增加UCE0ICa)b)圖1-23IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性靜態(tài)特征87PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)動(dòng)態(tài)特征圖1-24IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)驅(qū)動(dòng)電壓uGE前沿上升至幅值的10%到集電極電流iC上升至幅值的10%的時(shí)間電流上升時(shí)間tr集電極電流iC從10%ICM上升90%ICM的時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton

ton=td(on)+tr

uCEuCEM00td(on)trttftfv1tt0tfv2tontofftfi1tfi2td(off)10%ICM90%ICMICMICUGEUGEM10%UGEM90%UGEM關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)驅(qū)動(dòng)電壓uGE后沿下降至幅值的90%到集電極電流iC下降至幅值的90%的時(shí)間電流下降時(shí)間tf集電極電流iC從90%ICM下降至10%ICM的時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff

toff=td(off)+tf

IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來(lái)了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于電力MOSFET。IGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)。高壓器件的N基區(qū)必須有足夠?qū)挾群洼^高的電阻率，這會(huì)引起通態(tài)壓降的增大和關(guān)斷時(shí)間的延長(zhǎng)。88PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)3.IGBT的主要參數(shù)最大集射極間電壓UCES

由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓決定

最大集電極電流額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP最大集電極功耗PCM

正常工作溫度下允許的最大耗散

IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)

開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)。

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，特別是在電流較大的區(qū)域。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(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。89PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)擎住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)）

NPN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(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。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。4.IGBT的擎住效應(yīng)和安全區(qū)PN+N+N-N+N+N+P緩沖區(qū)J2GEJ3J1P+漂移區(qū)注入?yún)^(qū)C集電極發(fā)射極柵極圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖正向偏置安全工作區(qū)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IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍。反向偏置安全工作區(qū)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大最大允許電壓上升率確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限范圍。

IGBT與反并聯(lián)快速二極管封裝在一起制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。

90PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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——電力二極管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)91PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5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功率模塊與集成電路92PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5.1MOS控制晶閘管MCT高輸入阻抗低驅(qū)動(dòng)功率快速開(kāi)關(guān)過(guò)程高電壓大電流低導(dǎo)通壓降MOSFET晶閘管

MCT具有高電壓、大電流、高載流密度、低通態(tài)壓降的特點(diǎn)。

關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有突破，電壓、電流容量未達(dá)到預(yù)期效果。MOS控制晶閘管93PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5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功率模塊與集成電路94PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5.2靜電感應(yīng)晶體管SIT將用于信息處理的小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，可制成大功率SIT器件。SIT是多子導(dǎo)電器件,工作效率與電力MOSFET相當(dāng)或更大，功率容量大于電力MOSFET，是用于高頻大功率場(chǎng)合。SIT柵極不加任何信號(hào)是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，被稱為正常導(dǎo)通型器件。SIT通態(tài)電阻大，通態(tài)損耗大。95PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5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功率模塊與集成電路96PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH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)。工作原理與SIT類似，門極和陽(yáng)極電壓均能通過(guò)電場(chǎng)控制陽(yáng)極電流。制造工藝比GTO復(fù)雜、特性多與GTO相似，開(kāi)關(guān)速度比GTO快，是大容量快速器件。是正常導(dǎo)通型，也是正常關(guān)斷型，電流關(guān)斷增益較小。靜電感應(yīng)晶體管SITH（場(chǎng)控晶體管）SITH在SIT的漏極層上加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層比SIT多了一個(gè)具有少子注入功能的PN結(jié)97PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5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功率模塊與集成電路98PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5.4集成門極換流晶閘管IGCT集成門極換流晶閘管IGCT(門極換流晶閘管GCT)將IGBT與GTO優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起容量與GTO相當(dāng)開(kāi)關(guān)速度比GTO快10倍省去GTO應(yīng)用時(shí)龐大復(fù)雜的緩沖電路驅(qū)動(dòng)功率仍然大99PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5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功率模塊與集成電路100PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.5.5功率模塊與集成電路功率模塊按照典型電力電子電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多個(gè)相同的電力電子器件或多個(gè)相互配合使用的不同電力電子器件封裝在一個(gè)模塊中，該模塊可減小線路電感，簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求。功率集成電路將電力電子器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電路制作在同一芯片上。高壓集成電路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IPM(智能IGBT)IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的封裝集成101PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)PIC包括高壓功率集成電路(HVIC)、智能功率集成電路(SmartPower-IC)和功率專用集成電路，簡(jiǎn)稱SPIC。HVIC可達(dá)500V/600Ma，用于平板發(fā)光顯示驅(qū)動(dòng)裝置和長(zhǎng)途電話的功率變換裝置。PIC可分為三個(gè)領(lǐng)域：(1)低壓大電流PIC，主要用于汽車點(diǎn)火、開(kāi)關(guān)電源、和同步發(fā)電機(jī)等；(1)高壓小電流PIC，主要用于平板顯示、交換機(jī)等；(3)高壓大電流PIC，主要用于交流電機(jī)控制、家用電器等。智能功率模塊IPM它不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)熱等故障監(jiān)測(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)送給CPU。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可保證IPM自身不受損壞。該模塊一般采用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，也內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。PIC是電力半導(dǎo)體技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其根本特征是使動(dòng)力與信息結(jié)合，成為機(jī)電借口，是機(jī)電一體化的基礎(chǔ)元件。102PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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——電力二極管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)103PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.6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104PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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性能良好的驅(qū)動(dòng)電路使電力電子器件理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間減小開(kāi)關(guān)損耗對(duì)裝置的運(yùn)行效率，可靠性、安全性有重要意義驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)將信息電子電路傳來(lái)的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。105PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)半控型器件提供開(kāi)通控制信號(hào)關(guān)斷信號(hào)開(kāi)通信號(hào)對(duì)全控型器件提供驅(qū)動(dòng)電路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）。驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號(hào)電流驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型晶閘管電流驅(qū)動(dòng)型器件半控型器件觸發(fā)電路

晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路

106PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.6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107PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管觸發(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。廣義上講，還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求觸發(fā)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(guò)門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。應(yīng)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。

典型的觸發(fā)電路有KJ004,TCA785108PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)理想觸發(fā)脈沖電流波形IMIt3t2t1t4t圖1-22理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波t1~t2—脈沖前沿上升時(shí)間(<1μs)t1~t3

—強(qiáng)脈沖寬度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

)V2R3R2R1R4+E1+E2V1VD2VD1VD3TM圖1-27常見(jiàn)的晶體管觸發(fā)電路109PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.6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110PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1.電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

1)GTO

ttuGti00圖1-28推薦的GTO門及電壓電流波形需施加負(fù)門極電流，對(duì)幅值和陡度要求更高開(kāi)通觸發(fā)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，需在整個(gè)導(dǎo)通極期間施加正門極電流。關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路門極反偏電路脈沖變壓器耦合式直接耦合式111PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖1-29典型的直接耦合式GTO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，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。

二極管VD1和電容C1提供+5V電壓

VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓

VD4和電容C4提供-15V電壓

V1開(kāi)通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖

V2開(kāi)通時(shí)輸出正脈沖平頂部分

V2關(guān)斷而V3開(kāi)通時(shí)輸出負(fù)脈沖

V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓112PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)ttb0圖1-30理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形開(kāi)通GTR的基極驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使其處于準(zhǔn)飽和狀態(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)間和管段損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值的負(fù)偏壓。113PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)2)GTR二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負(fù)載較輕時(shí)，如V5發(fā)射極電流全注入V，會(huì)使V過(guò)飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過(guò)飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持Ubc≈0。C2為加速開(kāi)通過(guò)程的電容。開(kāi)通時(shí)，R5被C2短路。可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過(guò)沖，并增加前沿的陡度，加快開(kāi)通。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114PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)2.電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓。當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓

。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。

圖1-32電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路115PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)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——電力二極管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)116PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.7電力電子器件器件的保護(hù)1.7.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)1.7.2過(guò)電流保護(hù)1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）117PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.7.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓外因過(guò)電壓內(nèi)因過(guò)電壓操作過(guò)電壓雷擊過(guò)電壓換相過(guò)電壓關(guān)斷過(guò)電壓換相過(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)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過(guò)，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，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。118PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)圖1-34過(guò)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(guò)電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過(guò)電壓抑制器RC3閥器件換相過(guò)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(guò)電壓抑制用RCD電路過(guò)電壓保護(hù)措施119PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)直流側(cè)閥側(cè)網(wǎng)側(cè)CdcRdcRaRaCaCa~+-CdcRdcRaRaCaCa+-~圖1-35RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相

a)b)RC過(guò)電壓抑制電路網(wǎng)側(cè)

閥側(cè)

電力電子電路的直流側(cè)供電變壓器接于或接于R2R1C1C2電力電子裝置過(guò)電壓抑制電路圖1-36反向阻斷式過(guò)電壓抑制用RC電路120PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.7電力電子器件器件的保護(hù)1.7.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)1.7.2過(guò)電流保護(hù)1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）121PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.7.2過(guò)電流保護(hù)圖1-37過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置過(guò)電流保護(hù)措施過(guò)電流繼電器快速熔斷器直流快速斷路器同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性過(guò)電流短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作短路過(guò)載122PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)快熔是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施，選擇快熔時(shí)考慮：電壓等級(jí)應(yīng)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓來(lái)確定。電流容量因按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定?？烊鄣腎2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值。保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。保護(hù)方式短路保護(hù)需與其他過(guò)電流保護(hù)措施相配合全保護(hù)只適用于小功率裝置或器件使用裕度較大的場(chǎng)合不論過(guò)載還是短路均由快熔保護(hù)只在短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用123PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.7電力電子器件器件的保護(hù)1.7.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)1.7.2過(guò)電流保護(hù)1.7.3緩沖電路（SnubberCircuit）124PowerElectronics廣東工業(yè)大學(xué)1.7.3緩沖電路緩沖電路（吸收電路）作用抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt、過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)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(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗開(kāi)通緩沖電路（di/dt抑制電路）用于抑制器件開(kāi)通的電流過(guò)沖和di/dt，減小開(kāi)通損耗緩沖電路復(fù)合緩沖電路