電力電子技術(shù)電力電子器件及其應(yīng)用課件

電力電子技術(shù)電力電子器件及其應(yīng)用電力電子技術(shù)電力電子器件及其應(yīng)用電力電子技術(shù)電力電子器件及其應(yīng)用1.1概述電力電子器件的分類(lèi)按照器件的控制能力分為以下三類(lèi)21.1概述電力電子器件的分類(lèi)按照器件的控制能力分為以下三類(lèi)類(lèi)別不控型半控型全控型常用器件功率二極管、功率穩(wěn)壓二極管、瞬變尖峰電壓抑制二極管普通晶閘管、雙向晶閘管功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管特點(diǎn)及應(yīng)用二極管用于控制電流方向；穩(wěn)壓二極管用來(lái)控制電壓幅度；瞬變尖峰電壓抑制二極管用于功率器件的尖峰電壓抑制可以用脈沖控制其開(kāi)通；一旦開(kāi)通不能用控制極關(guān)斷；常用于交流回路的功率控制可以利用控制極控制器件開(kāi)通和關(guān)斷；廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中21.1概述按照器件控制參量特征分為兩類(lèi)電流驅(qū)動(dòng)型：控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制，如SCR、GTR、GTO電壓驅(qū)動(dòng)型：控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷，其本質(zhì)是通過(guò)控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來(lái)改變流過(guò)器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱(chēng)為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)器件，如IGBT、MOSFET31.1概述按照器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類(lèi)單極型器件：僅由一種載流子參與導(dǎo)電的器件；

如MOSFET雙極型器件：由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件；SCR、GTR、GTO復(fù)合型器件：由單極型器件和雙極型器件集成的器件；如

IGBT41.1概述電力電子器件的一般工作特征電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制——驅(qū)動(dòng)電路、控制電路工作時(shí)由于通態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)損耗等引起發(fā)熱——器件工作時(shí)一般都要考慮散熱設(shè)計(jì)或安裝散熱器。51.2功率二極管功率二極管的主要類(lèi)型普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱(chēng)：整流二極管（RectifierDiode）特征：反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5s以上多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上61.2功率二極管快速恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode，F(xiàn)RD）特征：反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)（反向恢復(fù)時(shí)間100ns以下，甚至達(dá)到20～30ns）兩個(gè)等級(jí)。正向?qū)▔航翟?V左右71.2功率二極管肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD）金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管，稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)肖特基二極管肖特基二極管的特點(diǎn)

反向恢復(fù)時(shí)間10～40ns，正向恢復(fù)過(guò)程無(wú)明顯電壓過(guò)沖正向壓降一般在0.5V左右開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗比快速二極管小，效率高反向耐壓一般較低，多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，須嚴(yán)格限制其工作溫度81.2功率二極管功率二極管封裝結(jié)構(gòu)

從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝

b)結(jié)構(gòu)a)外形c)電氣圖形符號(hào)91.2功率二極管靜態(tài)特性(靜態(tài)伏安特性）具有單向?qū)щ娦哉珪r(shí)導(dǎo)通，壓降1V左右。通態(tài)損耗：（表現(xiàn)形式為發(fā)熱）反偏達(dá)到擊穿電壓前，僅有很小的反向漏電流流過(guò)。反偏在達(dá)到擊穿電壓UB后，反向電流急劇增加。功率二極管的靜態(tài)伏安特性101.2功率二極管功率二極管的動(dòng)態(tài)特性二極管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)之間的轉(zhuǎn)換引起PN結(jié)電容帶電狀態(tài)調(diào)整，此過(guò)程中二極管兩端電壓、電流隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換特性，又稱(chēng)開(kāi)關(guān)特性。分為開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程兩部分

111.2功率二極管開(kāi)通過(guò)程

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）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。開(kāi)通損耗：開(kāi)通過(guò)程電壓與電流形成的損耗其中：T為開(kāi)關(guān)周期，以下類(lèi)似功率二極管的開(kāi)通過(guò)程121.2功率二極管關(guān)斷過(guò)程

二極管從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷經(jīng)過(guò)一個(gè)反向恢復(fù)過(guò)程，期間有較大的反向電流與明顯的反向電壓過(guò)沖。

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（恢復(fù)系數(shù)）：

Sr=tf/td，同等條件下，Sr大則URP較小功率二極管的關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷損耗：一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生的損耗131.2功率二極管功率二級(jí)管主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)即額定電流，在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用TC表示）和散熱條件下，允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值實(shí)際應(yīng)用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。141.2功率二極管定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用Kf表示，即對(duì)于正弦半波電流，假定其電流峰值為IM，則其平均值為

其正弦半波電流的有效值為151.2功率二極管正弦半波電流的波形系數(shù)實(shí)際使用中，流過(guò)二極管的電流波形并不一定是正弦半波，對(duì)于周期性的電流波形都可以計(jì)算電流有效值，依據(jù)有效值相等的原則，選擇二極管額定電流

式中：ksa是安全系數(shù)，一般取2左右；IDrms是流過(guò)二極管的最大實(shí)際電流有效值，IF(AV)是二極管額定電流值。

161.2功率二極管正向壓降UF指功率二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)功率二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的2倍左右來(lái)選定該值

171.2功率二極管反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+tf

，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0開(kāi)始到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時(shí)間浪涌電流IDSM指功率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(guò)電流。

最高工作結(jié)溫TJM最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度18a)外形b)結(jié)構(gòu)c)符號(hào)1.3晶閘管晶閘管的結(jié)構(gòu)與外形四層PNPN結(jié)構(gòu)三個(gè)引出電極陽(yáng)極A，陰極K門(mén)極(控制極)G191.3晶閘管晶閘管的工作原理晶閘管可以將其等效為兩個(gè)晶體管VT1和VT2串級(jí)而成其工作過(guò)程如下：

UGK>0→產(chǎn)生IG→VT2通→產(chǎn)生

IC2→VT1通→IC1↑→IC2↑→出現(xiàn)強(qiáng)烈的正反饋，VT1和VT2完全飽和，SCR導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，即使去掉門(mén)極電流，仍能維持導(dǎo)通。a)雙晶體管模型b)工作原理模型201.3晶閘管晶閘管的靜態(tài)特性正向特性－第I象限IG＝0，正向阻斷；IG＝0，UAK>Ubo時(shí)硬開(kāi)通IG增大，轉(zhuǎn)折電壓降低IG足夠大，轉(zhuǎn)折電壓接近二極管反向特性－第Ⅲ象限反向特性與二極管相似。

IG2>IG1>IG＝0晶閘管的靜態(tài)特性211.3晶閘管晶閘管的靜態(tài)特性晶閘管的關(guān)斷IAK<IH（維持電流），內(nèi)部正反饋不能維持而關(guān)斷方法：①增大負(fù)載阻抗、②切斷電流、③UAK<0門(mén)極伏安特性G、K之間是PN結(jié)，特性類(lèi)似二極管特性，但反向電流較大可靠觸發(fā)的保證：IGK足夠大（足夠的UGK)、但不超過(guò)極限功率221.3晶閘管晶閘管的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程（t=0時(shí)觸發(fā)）延遲時(shí)間：td上升時(shí)間：tr開(kāi)通時(shí)間：tgt=td+

tr晶閘管的開(kāi)通過(guò)程231.3晶閘管晶閘管的動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過(guò)程（t=0時(shí)外電源反向）存在反向恢復(fù)電流IRM反向恢復(fù)時(shí)間：trr正向阻斷恢復(fù)時(shí)間:tgr關(guān)斷時(shí)間：tq=tgr+

trr

晶閘管的關(guān)斷過(guò)程IAOOUAK241.3晶閘管晶閘管主要參數(shù)額定電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM：門(mén)極斷路和額定結(jié)溫下，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓,一般為正向轉(zhuǎn)折電壓UbO的80％。

反向重復(fù)峰值電壓URRM：門(mén)極斷路和額定結(jié)溫下，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓，一般為反向擊穿電壓的80％。

取UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。通態(tài)（峰值）電壓UTM：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251.3晶閘管晶閘管主要參數(shù)額定電流通態(tài)平均電流IT(AV)：即額定電流，環(huán)境溫度40C、規(guī)定的冷卻條件下，允許連續(xù)流過(guò)的單相工頻正弦半波電流的最大平均值。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)按電流有效值相等的原則來(lái)選取額定電流。維持電流IH：晶閘管處于通態(tài)時(shí)，使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小261.3晶閘管晶閘管主要參數(shù)額定電流擎住電流

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倍浪涌電流ITSM：指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流271.3晶閘管晶閘管主要參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)晶閘管的開(kāi)通時(shí)間tgt與關(guān)斷時(shí)間

tq：含義如前所述

斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt：額定結(jié)溫與門(mén)極開(kāi)路，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。通態(tài)電流臨界上升率di/dt：指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。如電流上升太快，晶閘管開(kāi)通瞬間，門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)會(huì)有很大的電流集中，造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。281.3晶閘管晶閘管主要參數(shù)門(mén)極參數(shù)門(mén)極觸發(fā)電流IGT：規(guī)定環(huán)境溫度下，陽(yáng)極與陰極之間施加正向電壓（一般為6V），使晶閘管從阻斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通所需的最小門(mén)極直流電流。門(mén)極觸發(fā)電壓UGT：能夠產(chǎn)生門(mén)極觸發(fā)電流IGT的最小門(mén)極直流電壓。291.3晶閘管晶閘管主要參數(shù)門(mén)極參數(shù)門(mén)極反向峰值電壓URGM：門(mén)極所能承受的反向最大電壓，一般不超過(guò)10V。注意：晶閘管數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定了最小和最大觸發(fā)電流、電壓范圍，其中最大觸發(fā)電流、電壓指該型號(hào)所有晶閘管都能觸發(fā)導(dǎo)通所需的最小觸發(fā)電流、電壓，兩者都為直流值。實(shí)際應(yīng)用多為脈沖電流觸發(fā)，觸發(fā)電流通常比最大觸發(fā)電流大3～5倍，并保持足夠的脈沖寬度，以保證晶閘管可靠觸發(fā)。30晶閘管知識(shí)要點(diǎn)晶閘管開(kāi)通控制觸發(fā)導(dǎo)通條件

UAK>0，UGK>0（或IGK>0），并有足夠的觸發(fā)功率。

一旦器件導(dǎo)通，門(mén)極電流就不再具有控制作用。因此，門(mén)極觸發(fā)電流可用脈沖電流，無(wú)需用直流。硬開(kāi)通

晶閘管IG=0時(shí)，為正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓，即

UAK>UbO時(shí)，則器件硬開(kāi)通。硬開(kāi)通為非受控狀態(tài)，會(huì)引起電路故障，通過(guò)選擇合適的器件額定電壓來(lái)避免。31晶閘管知識(shí)要點(diǎn)晶閘管開(kāi)通控制du/dt導(dǎo)通晶閘管IG=0時(shí)，為正向阻斷狀態(tài)，當(dāng)UAK兩端的電壓變化率過(guò)大時(shí)，PN結(jié)電容流過(guò)的位移電流有可能觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，此種狀態(tài)為誤導(dǎo)通。

誤導(dǎo)通為非受控狀態(tài)，會(huì)引起電路故障，通過(guò)采用緩沖吸收電路抑制du/dt值來(lái)避免。32晶閘管知識(shí)要點(diǎn)晶閘管的關(guān)斷

自然關(guān)斷：在導(dǎo)通期間，如果要求器件返回到正向阻斷狀態(tài)，必須令門(mén)極電流為零，且將陽(yáng)極電流降低到一個(gè)稱(chēng)為維持電流的臨界極限值以下，并保持一段時(shí)間。

強(qiáng)迫關(guān)斷：通過(guò)加一反向電壓UAK<0，并保持一段時(shí)間使其關(guān)斷。331.3.4晶閘管的派生器件*1.快速晶閘管（FastSwitchingThyristor,FST）包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)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，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)341.3.4晶閘管的派生器件*2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch,TRIAC或BidirectionalTriodethyristor）相當(dāng)于一對(duì)反并聯(lián)晶閘管的集成主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極G門(mén)極正、負(fù)脈沖電流均可觸發(fā)正、反向均可觸發(fā)導(dǎo)通有效值表示額定電流值交流調(diào)壓、固態(tài)繼電器和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性351.3.4晶閘管的派生器件*3.逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor，RCT）晶閘管反并一個(gè)二極管的集成器件額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流常應(yīng)用于各類(lèi)逆變器和斬波器中。

a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性361.3.4晶閘管的派生器件*4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor,LTT）又稱(chēng)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)通多在高壓大功率的場(chǎng)合應(yīng)用a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性371.3.4晶閘管的派生器件*5、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor，GTO)當(dāng)UAK>0，UGK>0（或IGK>0），觸發(fā)導(dǎo)通門(mén)極施加負(fù)的脈沖電流（IGK<0）使其關(guān)斷全控型器件（控制極可以控制開(kāi)通、也可以控制關(guān)斷）在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用GTO電氣圖形符號(hào)381.4功率晶體管（GTR）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理基本原理與普通的雙極結(jié)型晶體管一樣主要特性:耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好采用達(dá)林頓接法組成的多單元并聯(lián)結(jié)構(gòu)分NPN和PNP兩種，一般為NPN，PNP耐壓低391.4功率晶體管（GTR）靜態(tài)特性分為：截止區(qū)、有源區(qū)（放大區(qū)）和飽和區(qū)、失控區(qū)截止區(qū)（又稱(chēng)阻斷區(qū)）特征：iB＝0，iC＝0，開(kāi)關(guān)處于斷態(tài)工作狀態(tài)：UBC<0，UBE≤0

；有源區(qū)（又稱(chēng)放大區(qū)或線(xiàn)性區(qū)）特征：iC與iB之間呈線(xiàn)性關(guān)系，特性曲線(xiàn)近似平直工作狀態(tài)：

UBC<0，UBE>0

工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的GTR來(lái)說(shuō)，要快速通過(guò)有源區(qū)，實(shí)現(xiàn)截止與飽和的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，否則功耗很大。401.4功率晶體管（GTR）GTR靜態(tài)工作特性411.4功率晶體管（GTR）飽和區(qū)特征：

UCE≈0，iB增大時(shí)，iC不再隨之變化工作狀態(tài)：UBC≥0，UBE>0準(zhǔn)飽和區(qū)特征：iC與iB呈非線(xiàn)性關(guān)系，工作狀態(tài)：UBC<0，UBE>0，UCE≈0失控區(qū)當(dāng)UCE超過(guò)一定值時(shí)，晶體管進(jìn)入失控區(qū)，會(huì)導(dǎo)致雪崩擊穿。UCEO為基極開(kāi)路時(shí)集、射極之間的擊穿電壓；UCES為基極和發(fā)射極短接時(shí)集、射極之間的擊穿電壓；UCEX為發(fā)射極反偏時(shí)集、射極之間的擊穿電壓；UCBO為發(fā)射極開(kāi)路時(shí)集電極與基極之間的擊穿電壓421.4功率晶體管（GTR）動(dòng)態(tài)特性

開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間：td上升時(shí)間：tr開(kāi)通時(shí)間：ton＝td+

tr增大IB1的幅值并增大

diB/dt，可縮短延遲時(shí)間與上升時(shí)間，加快開(kāi)通過(guò)程

GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形431.4功率晶體管（GTR）關(guān)斷過(guò)程儲(chǔ)存時(shí)間：ts下降時(shí)間：tf關(guān)斷時(shí)間：toff＝

ts+

tf減小導(dǎo)通飽和深度、增大基極負(fù)電流IB2幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，加快關(guān)斷減小飽和深度副作用：增加飽和壓降，增大通態(tài)損耗GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形441.4功率晶體管（GTR）

除電流放大倍數(shù)、直流電流增益hFE（hFE）、集射極間漏電流ICEO、集射極間飽和壓降UCES、開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff之外有：最高工作電壓UCEM

GTR上電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿擊穿電壓與晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)，有UCBO>UCEX>UCES>UCEO實(shí)際使用時(shí)，最高工作電壓UCEM要比UCEO低得多

451.4功率晶體管（GTR）集電極最大允許電流ICM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(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)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(shuō)明書(shū)中給PCM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度

4)最高結(jié)溫TJM硅管一般為125℃

～175℃之間461.4功率晶體管（GTR）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高至擊穿電壓時(shí)，IC迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿特點(diǎn)：在IC增大過(guò)程中，集電結(jié)電壓基本不變，只要IC不超過(guò)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增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨集電極電壓的陡然下降，即出現(xiàn)了負(fù)阻效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為二次擊穿。二次擊穿的持續(xù)時(shí)間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞。471.4功率晶體管（GTR）安全工作區(qū)（SafeOperatingArea，SOA）安全工作區(qū)通常由最大工作電流、最大耗散功率、最高工作電壓構(gòu)成。晶體管增加二次擊穿臨界線(xiàn)PSB

（GTR特有）實(shí)際應(yīng)用時(shí)器件必須工作于安全工作區(qū)的范圍內(nèi)，以免損壞。

GTR的安全工作區(qū)481.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管基礎(chǔ)知識(shí)通常指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET），簡(jiǎn)稱(chēng)功率MOSFET（PowerMOSFET）

特點(diǎn)柵源極電壓（電場(chǎng)）控制漏極電流柵源極之間絕緣，需要的驅(qū)動(dòng)功率小開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高無(wú)二次擊穿現(xiàn)象容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置491.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)P-MOSFET的基本工作特性功率MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型截止：UDS>0，UGS=0導(dǎo)通：

UDS>0，UGS>UGS(th)（典型值2～4V）■501.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)（a）（b）P-MOSFET的靜態(tài)工作特性可變電阻區(qū)Ⅰ：導(dǎo)通電阻與UGS相關(guān)飽和區(qū)Ⅱ：壓控恒流特性，ID僅與UGS相關(guān)，跨導(dǎo)擊穿區(qū)Ⅲ：電流失控，應(yīng)予以避免漏源極間有寄生二極管，加反向電壓器件導(dǎo)通通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，有利器件并聯(lián)時(shí)的均流漏極伏安特性轉(zhuǎn)移特性511.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)P-MOSFET的動(dòng)態(tài)工作特性極間電容等效模型多數(shù)載流子器件，無(wú)少子存儲(chǔ)效應(yīng)，開(kāi)關(guān)速度快。開(kāi)關(guān)速度主要受極間電容影響。

增大驅(qū)動(dòng)電路功率，可以加快充放電速度，充分發(fā)揮MOS管開(kāi)關(guān)速度輸入電容輸入電容等效電路521.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)P-MOSFET的開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間：td(on)電流上升時(shí)間：tri電壓下降時(shí)間：tfv

開(kāi)通時(shí)間：ton＝td(on)+tri+tfv

531.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)P-MOSFET的關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間：td(off)電壓上升時(shí)間：trv電流下降時(shí)間：tfi關(guān)斷時(shí)間:toff=td(off)+trv+tfi541.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)P-MOSFET的主要參數(shù)

除跨導(dǎo)gm、開(kāi)啟電壓UGS(th)、td(on)、tr、td(off)和tf之外，還有：漏源擊穿電壓U(BR)DSS：規(guī)定了MOS管的電壓定額漏極連續(xù)直流電流ID：在最大導(dǎo)通壓降UDS(on)和占空比為

100％時(shí)，產(chǎn)生的功率損耗使MOS

管節(jié)點(diǎn)溫度上升到最大值150℃（外殼溫度為100℃）時(shí)的漏極電流?？芍貜?fù)漏極電流幅值IDM：脈沖運(yùn)行狀態(tài)下MOS管漏極最大允許峰值電流。

柵源電壓UGS：UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿551.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)極間電容：

一般廠(chǎng)家提供的是漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss，它們之間的關(guān)系是：

Ciss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD

輸入電容可近似用Ciss代替，但這些電容都是非線(xiàn)性的。56P-MOSFET的安全工作區(qū)

正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）低壓時(shí)受漏極電流和通態(tài)電阻雙重限制。由最大漏極電流限制線(xiàn)、最大功耗限制線(xiàn)、最大漏源電壓限制線(xiàn)、漏源通態(tài)電阻限制線(xiàn)決定。

1.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)571.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)

P-MOSFET的安全工作區(qū)反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）又稱(chēng)開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）功率管關(guān)斷時(shí)允許的工作范圍由最大漏極電流限制線(xiàn)、最大漏源電壓限制線(xiàn)、最高結(jié)溫決定。581.5功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)P-MOSFET的安全工作區(qū)

轉(zhuǎn)換安全工作區(qū)（CSOA）表示寄生二極管開(kāi)關(guān)過(guò)程中的安全工作范圍由最大二極管正向電流、最大漏源電壓限制線(xiàn)、二極管換向時(shí)電流上升率來(lái)決定59

1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT

IGBT的基本特性復(fù)合器件：MOS與GTR復(fù)合，柵極G、集電極C和發(fā)射極E場(chǎng)控器件：UGE<UGE(th)（2~6V）關(guān)斷，

UGE>UGE(th)導(dǎo)通飽和導(dǎo)通壓降比P-MOSFET低601.6絕緣柵雙極晶體管IGBT

IGBT的靜態(tài)特性正向阻斷區(qū)：UGE<UGE(th)，IC＝0飽和區(qū)：UGE>UGE(th)，

UCE≈0有源區(qū)：壓控恒流特性，IC僅與UGE相關(guān)，跨導(dǎo)擊穿區(qū)：電流失控，應(yīng)予以避免61

IGBT的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間：td(on)電流上升時(shí)間：tri電壓下降時(shí)間：tfv1、tfv2開(kāi)通時(shí)間：

ton=td(on)+tri+tfv1+tfv21.6絕緣柵雙極晶體管IGBT62

IGBT的動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間：td(off)電壓上升時(shí)間：trv電流下降時(shí)間：tfi1、tfi2關(guān)斷時(shí)間：

ton=td(off)+trv+tfi1+tfi21.6絕緣柵雙極晶體管IGBT63IGBT的主要參數(shù)

除了前面介紹的td(on)、tr、td(off)、tf、UGE(th)之外，還包括：

最大集射極間電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)可能發(fā)生擊穿擊穿電壓與晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)；柵射極短路時(shí)為UCES、柵射極開(kāi)路時(shí)為UCEO、柵射極反偏時(shí)為UCEX有UCEX>UCEO>UCES，三者差別較小

1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT641.6絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的主要參數(shù)最大集電極電流集電極最大連續(xù)電流為額定電流，表征電流容量。為避免鎖定現(xiàn)象，規(guī)定了最大集電極峰值電流ICM最大集電極功耗PCM正常工作溫度下允許的最大功耗

最大柵極電壓UGE<20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿65IGBT的擎住效應(yīng)內(nèi)部實(shí)際可以等效為雙晶體管結(jié)構(gòu)NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在基區(qū)短路電阻集電極電流產(chǎn)生的壓降有可能導(dǎo)通NPN晶體管，形成晶閘管效應(yīng)

1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT66IGBT的安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）：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允許電壓上升率duCE/dt確定1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT671.7其他新型電力電子器件*MOS控制晶閘管MCT

MOSFET與晶閘管的復(fù)合，屬于全控型器件，80年代以來(lái)一度成為研究的熱點(diǎn)，但經(jīng)過(guò)十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有大的突破，由于IGBT的快速發(fā)展，目前從事MCT研究的人不是很多。靜電感應(yīng)晶體管SIT

一種結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管，SIT屬于多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與P-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。681.7其他新型電力電子器件*靜電感應(yīng)晶閘管SITH

可看作SIT與GTO的復(fù)合，又稱(chēng)場(chǎng)控晶閘管（FCT），雙極型器件，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使導(dǎo)通壓降低，通流能力強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度比GTO高得多，制造工藝比GTO復(fù)雜，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。集成門(mén)極換流晶閘管IGCT

結(jié)合IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開(kāi)關(guān)速度比GTO快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，但所需的驅(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。691.7其他新型電力電子器件*脈沖功率閉合開(kāi)關(guān)晶閘管（PPCST）

適用于傳送極強(qiáng)的峰值功率（數(shù)MW）、極短的持續(xù)時(shí)間（數(shù)ns）的放電閉合開(kāi)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)合，可取代目前的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開(kāi)關(guān)或真空開(kāi)關(guān)等，目前未商業(yè)化。功率模塊與功率集成電路多個(gè)相同器件或多個(gè)相互配合的電力電子器件封裝在一個(gè)模塊中，稱(chēng)為功率模塊（PowerModule）。器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等制作在同一芯片上，這樣的模塊稱(chēng)為功率集成電路（PIC）IGBT與邏輯或控制電路的集成，稱(chēng)智能功率模塊（IPM）701.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管特性發(fā)射極e、第一基極b1、第二基極b2下部基區(qū)電阻rb1受e、b1間電壓控制711.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*截止區(qū)ap段：負(fù)阻區(qū)PV段：Ue過(guò)P點(diǎn)，

Ue減小Ie增大飽和區(qū)VN段：正阻特性721.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*單結(jié)晶體管觸發(fā)電路VS削波形成uT波形電容C充放電形成鋸齒波RP調(diào)節(jié)充放電時(shí)間

73晶閘管集成化觸發(fā)電路R4輸入同步型信號(hào)，形成P8波形R6、RP1、C1決定鋸齒波斜率偏移電壓UP配合RP1調(diào)節(jié)移相范圍移相電壓UY調(diào)節(jié)觸發(fā)移相角741.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*晶閘管的隔離驅(qū)動(dòng)電路光電隔離驅(qū)動(dòng)磁耦合隔離驅(qū)動(dòng)751.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*典型GTR驅(qū)動(dòng)電路理想驅(qū)動(dòng)波形開(kāi)通初期利用過(guò)驅(qū)動(dòng)加速開(kāi)通采用淺飽和方式維持導(dǎo)通關(guān)斷初始階段采用基極強(qiáng)抽流加速關(guān)斷基極零電流或輕反壓維持關(guān)斷761.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*光電隔離GTR驅(qū)動(dòng)電路C2微分電容產(chǎn)生開(kāi)通瞬間過(guò)驅(qū)動(dòng)與關(guān)斷瞬間的強(qiáng)抽流光電耦合器隔離輸入與輸出VD2貝克鉗位抑制器件深度飽和771.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*磁耦合GTR驅(qū)動(dòng)電路脈沖變壓隔離輸入與輸出變壓器勵(lì)磁電感磁復(fù)位過(guò)程形成反向關(guān)斷脈沖VD2貝克鉗位抑制器件深度飽和781.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*GTR集成化驅(qū)動(dòng)電路GTR集成驅(qū)動(dòng)電路很多，可以參考相關(guān)資料，常用的有UAA4002、UAA4003、M57215BL等791.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*典型的P-MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)電路P-MOSFET和IGBT的驅(qū)動(dòng)電路大多可以互換通用

光電隔離P-MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)電路光電耦合器隔離信號(hào)比較器整形脈沖推挽電路增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)電流801.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*磁耦合P-MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)電路

脈沖變壓器隔離輸入與輸出變壓器勵(lì)磁電感磁復(fù)位過(guò)程形成反向關(guān)斷脈沖VT2加快柵極電荷釋放，加速關(guān)斷811.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*集成化P-MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)電路

集成化P-MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)電路的種類(lèi)比較多，常用的有IR21XX系列、M579XX系列、EXB8XX系列等，這些產(chǎn)品的應(yīng)用可以參考相關(guān)的應(yīng)用資料。IR2110應(yīng)用電路821.8電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制電路*集成化P-MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)電路EXB841應(yīng)用電路831.9電力電子器件的緩沖電路緩沖電路的作用與基本類(lèi)型緩沖電路（snubbercircuit）又稱(chēng)吸收電路，包含L、C儲(chǔ)能元件，可分為能耗式、饋能式兩大類(lèi)能耗式把儲(chǔ)能元件的能量消耗到緩沖電路的電阻上；饋能式把儲(chǔ)能元件的能量反饋到電源或負(fù)載中，又稱(chēng)無(wú)損吸收電路緩沖電路分關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路兩類(lèi)，或兩者結(jié)合關(guān)斷緩沖主要抑制關(guān)斷過(guò)電壓和du/dt，減小關(guān)斷損耗開(kāi)通緩沖主要抑制開(kāi)通電流過(guò)沖和di/dt，減小開(kāi)通損耗841.9電力電子器件的緩沖電路能耗型基本緩沖電路851.9電力電子器件的緩沖電路RCD緩沖電路的參數(shù)設(shè)計(jì)分析電路，確定以下電路運(yùn)行參數(shù)VT關(guān)斷時(shí)AB間最高電壓UABmaxVT最小占空比Dmin或最小導(dǎo)通時(shí)間tonminVT最大負(fù)載電流（A端最大電流）IAmaxVT開(kāi)關(guān)頻率f了解器件特性，確定以下參數(shù)VT的關(guān)斷時(shí)間tfVT允許最大電壓上升率VT導(dǎo)通允許最大峰值電流ICpmaxVT開(kāi)通允許最大電流上升率861.9電力電子器件的緩沖電路RS、CS放電時(shí)間約束VT關(guān)斷，IA經(jīng)VDS向CS充電，緩升UABVT導(dǎo)通，CS經(jīng)RS、VT放電

要求VT開(kāi)通期間CS電荷釋放完，

保證下個(gè)階段VT關(guān)斷時(shí)電壓緩升

VT最小導(dǎo)通時(shí)間tonmin，此時(shí)間內(nèi)

CS放電至充電電荷的5％以下，即要求：

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