电力电子技术--第一章

1、1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 1.2 1.2 电力二极管电力二极管 1.3 1.3 晶闸管晶闸管 1.4 1.4 全控型电力电子器件全控型电力电子器件 1.5 1.5 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动1.6 1.6 电力电子器件的保护电力电子器件的保护第第1章章 电力电子器件与保护电力电子器件与保护1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件组成的应用系统电力电子器件组成的应用系统 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特

2、征电力电子器件电力电子器件1.概念概念1）主电路（）主电路（Power Circuit） -在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2）电力电子器件（）电力电子器件（Power Electronic Device） -可以直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2.分类分类 R 不可控器件（电力二极管等）不可控器件（电力二极管等）R 半控型器件（普通晶闸管半控型器件（普通晶闸管SCR等）等）R 全控型器件（全控型器件（GTR,GTO,IGBT,Power MOSFET等）等）能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状

3、态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。3.3.同处理信息的电子器件相比的一般特征：同处理信息的电子器件相比的一般特征：1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子电力电子器件的损耗器件的损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损开关损耗耗驱动损耗驱动损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.2 1.1.2 电力电子器件组成的应用系统电力电子器件组成的应用系统u 电力电子器件在实际应用中，一般是电力电子器件在实际应用中，一般是由

4、控制电路、驱动电路、检测电路和以电由控制电路、驱动电路、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路构成的一个完力电子器件为核心的主电路构成的一个完整的系统。整的系统。 1.1.2 1.1.2 电力电子器件组成的应用系统电力电子器件组成的应用系统u 我们通常将电力电子系统简单的分我们通常将电力电子系统简单的分为主电为主电路和控制电路。路和控制电路。主电路中的电压和电流都较主电路中的电压和电流都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处；检测电路上，如驱

5、动电路与主电路的连接处；检测电路与主电路的连接处，一般都需要进行电气隔离，与主电路的连接处，一般都需要进行电气隔离，通常采用光电转换、磁电转换等技术手段通常采用光电转换、磁电转换等技术手段来传递信号。来传递信号。电力电子系统：由电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以和以 电力电子器件为核心的电力电子器件为核心的主电路主电路组成。组成。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路控制电路控制电路电气隔离电气隔离 在主在主电路和控电路和控制电路中制电路中附加一些附加一些电路，以电路，以保证电力保证电力电子器件电子器件和整个系和整个系统正常可统正常可靠运行。

6、靠运行。1.1.2 1.1.2 电力电子器件组成的应用系统电力电子器件组成的应用系统1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为下列三类：分为下列三类：不可控器件不可控器件(Power Diode)(Power Diode) -不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需 要驱动电路。 半控型器件（半控型器件（ThyristorThyristor） -通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET)IGBT,MOSFET) -通过控制信号既可控制其导通

7、又可控制其关 断，又称自关断器件。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类：分为电流驱动型和电压驱动型两类：v电流驱动型电流驱动型 -通过从控制端注入或者抽出电流来实现导 通或者 关断的控制。v电压驱动型电压驱动型 -仅通过在控制端和公共端之间施加一定的 电压信号就可实现导通或者关断的控制。1.1.3 1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管1.2.1 电力二极管的工作原理电

8、力二极管的工作原理1.2.2 电力二极管的基本特性与参数电力二极管的基本特性与参数 一、电力二极管的伏安特性一、电力二极管的伏安特性 二、电力二极管的开关特性二、电力二极管的开关特性 三、电力二极管的主要参数三、电力二极管的主要参数1.2.1 1.2.1 电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理 基本结构和工作基本结构和工作原理与信息电子原理与信息电子电路中的二极管电路中的二极管是一样的。是一样的。 由一个面积较大由一个面积较大的的PN结和两端引结和两端引线以及封装外壳线以及封装外壳组成。组成。 从外形上看，主从外形上看，主要有螺栓型和平要有螺栓型和平板型两种封装。板型两种封装。图图1-2 1

9、-2 电力二极管的外形、结构和电气符号电力二极管的外形、结构和电气符号 a) a) 外形外形 b) b) 结构结构 c) c) 电气电气图形符号 PN PN结的状态结的状态 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态1.2.1 1.2.1 电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理1.2.1 1.2.1 电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式)p 雪崩击穿p 齐纳击穿均可能导致热击穿均可能导致热击穿( (永久性击穿）永久性击穿） 电力二极管与信息电子电路中的

10、电力二极管与信息电子电路中的 普通二极管普通二极管 的区别的区别 u 由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。 1.2.1 1.2.1 电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性与参数电力二极管的基本特性与参数一、静态特性（伏安特性）一、静态特性（伏安特性）图1-3 电力二极管的伏安特性门槛电压门槛电压UTO，正向

11、电流I IF F开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降正向电压降U UF F 。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流反向漏电流I IRRRR。反向击穿电压反向击穿电压U UB B1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性与参数电力二极管的基本特性与参数二、二、 动态特性动态特性 （开关特性）（开关特性）延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd

12、iFdtdiRdtb)UFPuiiFuFtfrt02V图1-4 电力二极管的动态过程波形 （a) 正向偏置转换为反向偏置 （b) 零偏置转换为正向偏置电力二极管的电压电力二极管的电压- -电流特性电流特性是随时间变化的是随时间变化的 关断过程关断过程v须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。v关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 开通过程开通过程：v正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。v正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，UFP越高 。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdi

13、Rdt图1-4(a)关断过程UFPuiiFuFtfrt02V图1-4(b)开通过程1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性与参数电力二极管的基本特性与参数电力二极管的应用范围很广，我们主要常见电力二极管的应用范围很广，我们主要常见的有以下几种类型。的有以下几种类型。普通二极管 普通二极管又称为整流二极管（Rectifier Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路中，其反向恢复时间在5s以上，额定电流可达数千安培，额定电压达数千伏以上。1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性与参数电力二极管的基本特性与参数1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性与参数电力二极管的基本特性

14、与参数快恢复二极管快恢复二极管 反向恢复时间在5s以下的称为快恢复二极管（Fast Recovrery Diode简称为FRD）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数ns以上，后者的反向恢复时间则在100ns以下，多用于高频整流和逆变电路中。肖特基二极管肖特基二极管 反向恢复时间为1040ns，反向耐压在200V以下。多用于高频小功率整流或高频控制电路。三、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 1 1、额定正向平均电流、额定正向平均电流I IF(AV)F(AV) 器件长期运行在规定管壳温度和散热条件下允许流过器件长期运行在规定管壳温度和散热条件下允许流

15、过的最大工频正弦半波电流的平均值。的最大工频正弦半波电流的平均值。I IF(AV)F(AV)是按照电流的发是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电来选取电流定额，并应留有一定的裕量。流定额，并应留有一定的裕量。2 2、正向压降、正向压降U UF F 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压（又称管压降）。正向平均电压（又称管压降）。1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性与参数电力二极管的基本特性与参数 3 3、反向重复峰值电压、反向重复峰值电压U URRMRR

16、M 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）。此电压通常为击穿电压的压）。此电压通常为击穿电压的2/32/3。使用中通常按照。使用中通常按照电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选定此项参数。定此项参数。 4 4、反向漏电流、反向漏电流I IRRRR 指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。 5 5、最高工作温度、最高工作温度T TJMJM 指器件中指器件中PNPN结不至于损坏的前提下所能承受的最高结不至于损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。平均

17、温度。TJMTJM通常在通常在125125175175范围内。范围内。1.2.2 1.2.2 电力二极管的基本特性与参数电力二极管的基本特性与参数1.3 半控型器件半控型器件-晶闸管晶闸管 1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理 一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构 二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数晶闸管的基本特性与主要参数 一、晶闸管的伏安特性一、晶闸管的伏安特性 二、晶闸管的主要特性参数二、晶闸管的主要特性参数1.3 半控型器件半控型器件-晶闸管晶闸管 晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon

18、Controlled RectifierSCR），也称为可控硅，是能够承受高电压、大电流的半控型电力电子器件。q 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。q 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。q 1958年开始商业化。q 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的新时代。q 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。q 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的 场合具有重要地位。1.3 半控型器件半控型器件-晶闸管晶闸管 晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管（SCR），但随着电力电子技术的发展。），但随着电力电子技术的发展。晶闸管还应包括许多类型

19、的派生器件。包晶闸管还应包括许多类型的派生器件。包括快速晶闸管（括快速晶闸管（FST）、双向晶闸管）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（）、逆导晶闸管（RCT）和光控）和光控晶闸管（晶闸管（LTT）等。在本书中所说的晶闸）等。在本书中所说的晶闸管都是指普通晶闸管。管都是指普通晶闸管。1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理 普通晶闸管也可称为可控硅整流管（Silicon Controlled Rectifier）简称SCR。 耐压高、电流容量大（目前可以达到 4.5KA/6.5KV），开通的可控性。 已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域。 是低频（200H

20、Z以下）、大功率变流装置中的主要器件。 1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理一、晶闸管的结构一、晶闸管的结构 图图15 晶闸管的外形及图形符号晶闸管的外形及图形符号 图15（e）图形符号晶闸管有三个电极，它们分别是阳极A、阴极K和 门极G（或称为栅极）,图15（a）小电流 塑封式图15（d）大电流平板式额定电流在200A以上图15（c）大电流螺拴式额定电流在200A以上图15（b）小电流螺拴式按照外形封装形式可分为1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理 图图16 晶闸管所使用的散热器晶闸管所使用的散热器 晶闸管是大功率器件，工作时将产生大量的热量，因此，必

21、须安装散热器。螺旋式晶闸管可以紧栓在铝制散热器上，采用自然散热冷却方式，如图16（a）所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧紧的夹在中间，散热方式可以采用风冷或水冷，以获得较好的散热效果，如图16（b）、（c）所示。1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 由于通过门极我们可以控制晶闸管的开通；而通过门极我们不能控制晶闸管的关断，因此，晶闸管才被我们称为半控型器件。图17 晶闸管的管芯结构和等效电路 按照等效电路和晶体管的工作原理，我们可列出如下方程： IC11IAICO1 (11) IC22IKICO2 (12) IKIAIG (1

22、3) IAIC1IC2 (14) 1IC1/IA、2IC2/IK分别是晶体管V1和V2的共基极接法的电流放大倍数，ICO1和ICO2则分别是V1和V2的共基极漏电流。推出： )(121212COCOGAIIII （1-5） 1.3.1 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。阻断状态：阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。饱和导通：饱和导通：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。1.3.1

23、 晶闸管的结构及工作原理晶闸管的结构及工作原理晶闸管导通的必要条件是：晶闸管导通的必要条件是：Y 必须在晶闸管的阳极、阴极加上正向电压。Y 必须在门极和阴极之间加上正向门极电压，也称为触发电压。Y 流过晶闸管的阳极电压IA必须大于晶闸管的维持电流IH。1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参晶闸管的基本特性与主要参数数一、晶闸管的伏安特性晶闸管阳极、阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系，称为晶闸管的伏安特性。 图图18 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性 图中物理量定义如下：UDRM、URRM-正、反向断态重复峰值电压（UDRM=0.8UDSM、 URRM=0.8URSM）UDSM、URSM-

24、正、反向断态不重复峰值电压UBO正向转折电压URO反向转折电压1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参晶闸管的基本特性与主要参数数（1 1）正向特性正向特性l IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。l 正向电压超过正向转折电压UBO，则漏电流急剧增大，器件开通。l 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。l 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。l 反向特性和二极管的反向特性极其类似。l 承受反向阳极电压，呈现反向阻断状态时，只有很小的反相漏电流流过。l 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管永久性发热损坏。（2）反向特性反向特性1.3.2 晶闸管的基本特性与

25、主要参数晶闸管的基本特性与主要参数 晶闸管就像一个可以控制的单向无触点开关。当然，这个单向无触点开关不是一个理想的开关，在正向阻断或反向阻断时，晶闸管的电阻不是无穷大；正向导通时，晶闸管的电阻也不为零，因此存在一定的管压降。1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参晶闸管的基本特性与主要参数数二、晶闸管的主要特性参数二、晶闸管的主要特性参数1、重复峰值电压、重复峰值电压额定电压额定电压UTe 晶闸管铭牌标注的额定电压，通常取UDRM与URRM中较小的数值，然后根据表12所示的标准电压等级，标定器件的额定电压等级UTe。表12 晶闸管的正反向电压等级（额定电压）级别正反向重复峰值电压（V）级别正反向重

26、复峰值电压（V）级别正反向重复峰值电压（V）1100880020200022009900222200330010100024240044001212002626005500141400282800660016160030300077001818001.3.2 晶闸管的基本特性与主要参晶闸管的基本特性与主要参数数2、晶闸管的额定通态平均电流、晶闸管的额定通态平均电流IT(AV)额定电流额定电流 在环境温度为40和器件规定的冷却条件下，晶闸管在电阻性负载，导通角不小于170的单相工频正弦半波电路中，当结温稳定且不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流，称为额定通态平均电流，用IT(AV)来表示，

27、称为元件的额定电流。 我们根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦半波电流时的最大允许平均电流，设该正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流（平均电流）为:0mm)(I)(sinI1ttdIAVT（16） 1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参晶闸管的基本特性与主要参数数 在实际使用中，流过晶闸管的电流波形、导通角并不是一定的，各种含有直流分量的电流波形都有一个不同的电流平均值（一个周期内波形面积的平均值），也都有一个电流有效值（均方根值）。我们定义电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用Kf来表示：电流平均值电流有效值fK（18）额定电流有效值为： 2I)()si

28、n(I21m02mtdtIT（17）1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数晶闸管的基本特性与主要参数3、门极触发电流、门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT（门极伏安特性）（门极伏安特性） 在室温下在晶闸管的阳极和阴极之间加上6V的正向电压时，能使晶闸管由阻断状态完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压，称为门极触发电压UGT。门极的触发电流、触发电压的大小必须有一定的范围限制。如图19所示： 图19 晶闸管的门极伏安特性 （a）门极伏安特性 （b）不可靠触发区放大图1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数晶闸管的基本特性与主要参数4、通态

29、平均电压、通态平均电压UT(AV) 在规定的环境温度、标准散热条件下，器件流过正弦半波额定电流时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压UT(AV)（又称为管压降），UT(AV)愈小愈好，其等级标准见表14。在实际使用中，从减小损耗和器件发热来看，应尽可能选择UT(AV)小的晶闸管。表14 通态平均电压的分组组 别通态平均电压UT(AV) (V)组 别通态平均电压UT(AV) (V)ABCDEUT(AV)0.40.4UT(AV) 0.50.5UT(AV) 0.60.6UT(AV) 0.70.7UT(AV) 0.8FGHI0.8UT(AV) 0.90.9UT(AV) 1.01.0UT(A

30、V) 1.11.1UT(AV) 1.21.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数晶闸管的基本特性与主要参数5 5、维持电流、维持电流I IH H和掣住电流和掣住电流I IL L维持电流IH 在室温下且门极开路时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通所需的最小阳极电流称为维持电流IH。维持电流IH一般约为几十毫安，同时维持电流与器件的容量、结温等因数有关，结温愈高，维持电流愈小，维持电流大的元件容易关断。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下器件的IH的实测值。掣住电流IL 在晶闸管的门极加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就撤掉触发电压，此时晶闸管要保持继续导通所需要的最小阳极电流，称为掣住电

31、流IL。对同一个晶闸管而言，掣住电流IL要比维持电流IH大24倍。1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数晶闸管的基本特性与主要参数6 6、晶闸管的开通与关断时间、晶闸管的开通与关断时间 晶闸管作为无触点开关，在阻断与导通两钟工作状态之间的转换并不是在瞬间完成的，需要一定的时间。当器件工作在开关频率较高的场合时，就必须考虑开关时间的影响。开通时间tgt 从门极触发电压前沿的10到元件阳极电压下降到10所需的时间，称为开通时间tgt， 图110 晶闸管开通过程的电流电压波形 1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数晶闸管的基本特性与主要参数6、晶闸管的开通与关断时间、晶闸管的开通与关断时间晶闸管的关

32、断时间tq 我们把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的时间称为关断时间tq。 晶闸管的关断时间与元件的结温、关断前阳极电流的大小以及所加电压的大小有关。普通晶闸管的关断时间tq约为几十到几百微秒。 晶闸管虽然存在着开通与关断时间，但在工频电路中可以不计，在高频电路中就必须考虑，如果普通晶闸管不能满足高频电路的要求，可选用快速晶闸管，因为它的开通时间在1微秒左右，关断时间在10微秒以下。1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数晶闸管的基本特性与主要参数7 7、通态电流临界上升率、通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。 如果电流

33、上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏8 8、断态电压临界上升率、断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 1.4 全控型电力电子器件全控型电力电子器件1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）一、电力晶体管的结构和工作原理一、电力晶体管的结构和工作原理二、电力晶体管的特性与参数二、电力晶体管的特性与参数1.4 全控型电力电子器件全控型电力电子器件 晶闸管通过控制信号可以控制其导通，而无法控制其关断，因此

34、，我们称其为半控型器件半控型器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型全控型器件器件。是当前电力电子器件中发展最快的一类器件，这类器件品种很多，目前常见的有门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（Power MOSFET）、结缘栅双极型晶体管（IGBT）等。1.4 全控型电力电子器件全控型电力电子器件 根据器件内部载流子参与导电的种类不同，全控全控型器件又可分为单极型、双极型和复合型三类型器件又可分为单极型、双极型和复合型三类。器件内部只有一种载流子参与导电的称为单极型，如电力场控晶体管（Power MOSFET）、静电感应晶体管

35、（SIT）等；器件内部有电子和空穴两种载流子导电的称为双极型器件，如GTR、GTO、SITH等；由双极型器件与单极型器件复合而成的新型器件称为复合型器件，如IGBT等。1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO） 门极可关断晶闸管GTO是普通晶闸管的一种派生器件，与晶闸管一样都是PNPN四层三端结构。其电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，因而在大功率场合仍有较多的应用。 GTO主要用于直流变换和逆变等需要器件强迫关断的地方。 和普通晶闸管的管芯结构基本一样，外部仍然是引出阳极、阴极和门极（控制极）。不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个电极，但内部则包含了

36、数拾个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些小GTO单元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。 1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）图图111 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号 a. 各单元的阴极、门极间隔排列 b. 并联单元结构断面示意图 c. 电气图形符号1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO） 工作原理工作原理GTO的工作原理仍然可以用图17所示的互补双晶体管模型来分析。 图图17 晶闸管的管芯结构和等效电路晶闸管的管芯结构和等效电路 P1N1P2和N1P2N2构成的两个互补晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益（共基极放大倍数）1和

37、2。由普通晶闸管的分析可以看出，121是器件临界导通的条件。 当121时，两个互补晶体管V1、V2进入过饱和而使器件导通；当121时，不能维持饱和导通而关断 1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO） GTO能够通过门极关断的原因是因为与普通晶闸管相比有如下特点特点： 设计器件时2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于控制GTO。 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但是导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO） GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度

38、较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt能力更强 。u 由上述分析我们可以得到以下结论结论：1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO）p GTO和普通晶闸管意义不同的参数：1、最大可关断阳极电流IATO是用来标称GTO额定电流的参数。2、电流关断增益off最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。即： GTO的off一般很小，这是GTO的一个主要缺点。GMATOoffII（1 9）1.4.1 1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO）3

39、、开通时间ton是指延迟时间与上升时间之和。GTO的延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。4、关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。 不少GTO都制成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）v 电力晶体管（Giant Transistor）简称GTR，又称为巨型晶体管。是一种双极型大功率高耐压晶体管。因此，也称为BJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称是等效的。v 它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。目前GTR的容量已达40

40、0A/1200V、1000A/400V，工作频率可达5kHz，因此被广泛应用于不停电电源、中频电源和交/直流电机调速等电力变流装置中。1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）一、电力晶体管的结构和工作原理一、电力晶体管的结构和工作原理 图112 GTR的结构及电气符号 NPN三层扩散台面型结构是单管GTR的典型结构。如左图（a）所示：图中掺杂浓度高的N区称为GTR的发射区，E为发射极。基区是一个厚度在几微米至几十微米之间的P型半导体层薄层，B为基极。集电区是N型半导体，C为集电极。左图（c）是GTR的电气符号。为了提高GTR的耐压能力，在集电区中设置了轻掺杂的N 区。在两种不同类型的半导体

41、交界处N+ -P构成发射结J1, P-N构成集电结J2,如左图（b）所示。1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）图113 GTR的开关电路及输出特性 一、电力晶体管的结构和工作原理一、电力晶体管的结构和工作原理 在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态，我们希望它在电路中的表现接近于理想开关-即导通时的管压降趋近于零，截止时的电流趋近于零，而且两种状态间的转换过程要足够快。 1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）二、二、 电力晶体管的特性与参数电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数 （1）GTR共射极电路输出特性共射极电路输出特性 图114 共射极电路的输出特性曲线 在共射

42、极接法电路中在共射极接法电路中GTRGTR的集电的集电极电压极电压U UCECE与集电极电流与集电极电流I IC C的关系的关系曲线称为输出特性曲线，如图曲线称为输出特性曲线，如图1 11414所示。从图中可以看出，随着所示。从图中可以看出，随着I IB B从小到大的变化，从小到大的变化，GTRGTR经过截止区经过截止区（又称为阻断区）、线形放大区、（又称为阻断区）、线形放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。在准饱和区和深饱和区四个区域。在截止区类似于开关的断态；工作在截止区类似于开关的断态；工作在开关状态的开关状态的GTRGTR应避免工作在线形应避免工作在线形区以防止大功率损坏区以防止大功率损

43、坏GTRGTR；随着；随着I IB B的增大，的增大，GTRGTR进入准饱和区，进入准饱和区，I IC C与与I IB B之间不再呈线形关系；在深饱和之间不再呈线形关系；在深饱和区，区，I IB B变化时，变化时，I IC C不再改变；管压不再改变；管压降降U UCESCES很小，类似于开关的通态。很小，类似于开关的通态。1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）二、二、 电力晶体管的特性与参数电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数 电压定额集电极、基极击穿电压BUCBO：发射极开路时，集基极所能承受的最高电压。集电极、发射极击穿电压BUCEO：基极开路时，集射极

44、所能承受的最高电压。电流定额集电极电流最大值ICM：一般以值下降到额定值的1213时的IC值定为ICM。基极电流最大值IBM：规定为内引线允许通过的最大电流，通常取IBM（1/21/6）ICM。最高结温TjM：GTR的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管TjM为125150，金封硅管TjM为150170，高可靠平面管TjM为175200。1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）二、二、 电力晶体管的特性与参数电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数最大耗散功率P PCMCM：即GTR在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工

45、作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热。如果散热条件不好，GTR会因温度过高而迅速损坏。共射直流电流增益：=IC/IB表示GTR的电流放大能力。高压大功率GTR(单管)一般10。饱和压降U UCESCES：GTR工作在深饱和区时，集射极间的电压值。图115为GTR的饱和压降特性曲线。由图可知，UCES随IC增加而增加，在IC不变时，UCES随管壳温度Tc的增加而增加。图115 GTR的饱和压降特性曲线1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）二、二、 电力晶体管的特性与参数电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数

46、动态参数图116 GTR开关过程电流波形 开通过程开通过程延迟时间t td d和上升时间t tr r，二者之和为开通时间开通时间t tonon。加快开通过程的办法 。关断过程关断过程储存时间t ts s和下降时间t tf f，二者之和为关断时间关断时间t toffoff 。加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）二、二、 电力晶体管的特性与参数电力晶体管的特性与参数2二次击穿和安全工作区(1) 二次击穿 处于工作状态的GTRGTR，当其集电极反偏电压U UCECE逐渐增大到最大电压定额BUBUCEOCEO时，集电

47、极电流I IC C 急剧增大(雪崩击穿)，但此时集电结的电压基本保持不变，这叫做一次击穿，如图117所示。 图117 GTR的二次击穿示意图 如果继续增大U UCECE，又不限制I IC C的增长，就会产生二次击穿。A点对应的电压U USBSB和电流I ISBSB称为二次击穿的临界电压和临界电流，其乘积 P PSB SB = U= USBSBI ISBSB称为二次击穿的临界功率。二次击穿的时间在纳秒甚至微秒数量级内，将会造成GTR永久性损坏。1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）二、二、 电力晶体管的特性与参数电力晶体管的特性与参数2、二次击穿和安全工作区(1) 二次击穿 把不同IB下二

48、次击穿的临界点联接起来就形成二次击穿临界线，如图118所示。从图中可知PSB越大，越不容易发生二次击穿。值得注意的是，GTR发生二次击穿损坏，必须同时具备三个条件：高电压、大电流和持续时间。 图118 二次击穿临界曲线 一般来说，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。 1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）二、二、 电力晶体管的特性与参数电力晶体管的特性与参数2、二次击穿和安全工作区(2)安全工作区 安全工作区SOA(Safe Operation Area)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流电压的极限范围。按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工

49、作区RBSOA。 正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA 正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条件下由GTR的最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压BUCEO、最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域，如图119所示。图119 GTR的正偏工作区（FBSOA） 1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）二、二、 电力晶体管的特性与参数电力晶体管的特性与参数2、二次击穿和安全工作区(2)安全工作区 反偏安全工作区RBSOA 反偏安全工作区又称为GTR的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE、电流Ic限制界线所围

50、成的区域，如图120所示。从图中可以看出RBSOA随基极反向电流的增大而变窄。另外RBSOA还受结温的影响，如果配给GTR的散热器质量不佳，RBSOA会缩小。 图120 GTR的反偏工作区（RBSOA） 1.4.3 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Insulated Gate Bipolar TransistorTransistor）简称为）简称为IGBTIGBT，因为它的等效结构具有晶体管模，因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。IG

51、BTIGBT于于19821982年开始研制，年开始研制，19861986年投入生产，是当前发展最快而且最有前途的一种混合年投入生产，是当前发展最快而且最有前途的一种混合型器件。目前型器件。目前IGBTIGBT的产品已经系列化，其最大电流容量达的产品已经系列化，其最大电流容量达1800A1800A，最高电压等级达，最高电压等级达4500V4500V，工作频率达，工作频率达50KHz50KHz。IGBTIGBT综综合了合了MOSFETMOSFET和和GTRGTR的优点，其导通电阻是同一耐压规格的优点，其导通电阻是同一耐压规格MOSFETMOSFET的的1/101/10，开关时间是同容量，开关时间是

52、同容量GTRGTR的的1/101/10。在电机拖动。在电机拖动控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低耗的中、小控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低耗的中、小功率领域，功率领域，IGBTIGBT大有取代大有取代GTRGTR和和MOSFETMOSFET的趋势。的趋势。 1.4.3 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）一、一、IGBTIGBT的工作原理的工作原理图121 IGBT的结构、等效电路及电气符号 在实际应用电路中IGBT的集电极C接电源正极，发射极E接电源负极，它的导通和关断由栅极电压来控制。 1.4.3 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）二、二、I

53、GBTIGBT的基本特性与参数的基本特性与参数1 1、IGBTIGBT的基本特性的基本特性 图122 IGBT的输出特性和转移特性曲线 与与GTRGTR一样，一样，IGBTIGBT的伏安特性的伏安特性也分为截止区、也分为截止区、有源放大区、饱有源放大区、饱和区和击穿区。和区和击穿区。值得我们注意的值得我们注意的是，是，IGBTIGBT承受反承受反向电压的能力很向电压的能力很差，从图差，从图1 12222中可知，其反向中可知，其反向阻断电压阻断电压U UBMBM只有只有几十伏，因此，几十伏，因此，大大的限制了它大大的限制了它在高反压场合的在高反压场合的应用。应用。 1.4.3 绝缘栅双极型晶体管

54、（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）二、二、IGBTIGBT的基本特性与参数的基本特性与参数 2 2IGBTIGBT的主要参数的主要参数 （1 1）集射极击穿电）集射极击穿电压压U UCESCES 集射极击穿电压UCES即为IGBT的最高工作电压，它取决于IGBT内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压的大小。 （2 2）开启电压）开启电压U UGE(TH)GE(TH)和最大和最大栅射极电压栅射极电压U UGESGES 开启电压UGE(TH)是IGBT导通所需的最低栅射极电压，即转移特性与横坐标的交点电压。在25时，IGBT的开启电压一般为26V。由于IGBT的驱动为MOSFET，应将最大栅射极电压U

55、GES限制在20V以内，其最佳值一般取15V左右。 1.4.3 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）二、二、IGBTIGBT的基本特性与参数的基本特性与参数 2 2IGBTIGBT的主要参数的主要参数 （3）通态压降UCE(ON) 通态压降UCE(ON)是指IGBT处于导通状态时集射极间的导通压降。它决定了IGBT的通态损耗，此值越小，管子的功率损耗越小。富士公司IGBT模块的UCE(ON)值约为2.53.5V。（4）集电极连续电流IC和峰值电流ICM IGBT集电极允许流过的最大连续电流IC为IGBT的额定电流。IC的大小主要取决于结温的限制。为了防止电流锁定效应的出现，IGB

56、T也规定了最大集电极电流峰值ICM。一般情况下峰值电流为额定电流的2倍左右。 1.4.4 1.4.4 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 一、一、MOSMOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT MCT(MOS Controlled Thyristor)是将MOSFET与晶闸管组 合而成的复合型器件。 MCT将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来。 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 MCT具有高电压、大电流、高载

57、流密度、低通态压降的特点。其通态压降只有GTR的13左右。 MCT可承受极高的didt和dudt，使得其保护电路可以简化。MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也较小。 1.4.4 1.4.4 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 二、静电感应晶体管二、静电感应晶体管SITSIT SIT(Static Induction Transistor)诞生于1970年，实际上是一种结型场效应晶体管。SIT是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，功率容量也比电力MOSFET大，适用于高频大功率场合，但是SIT在栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件。此外

58、，SIT通态电阻较大，使得通态损耗较大。三、静电感应晶闸管三、静电感应晶闸管SITHSITH SITH(Static Induction Thyristor)诞生于1972年，是在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。SITH又被称为场控晶闸管(Field Controlled Thyristor FCT)。具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。 1.4.4 1.4.4 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 四、集成门极换流晶闸管四、集成门极换流

59、晶闸管IGCT IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor)也称为GCT(Gate-Conunutat- ed Thyristor)，即门极换流晶闸管，是20世纪90年代后期出现的新型电力电子器件。IGCT将IGBT与GTO的优点结合起来，其容量与GTO相当，但开关速度比GTO快10倍，而且可以省去GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。目前，IGCT正在与IGBT以及其他新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的应用。五、功率模块与功率集成电路五、功率模块与功率集成电路 按照典型电力电子电路所需要的拓扑结构，将多个相同

60、的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，这种模块被称为功率模块(Power Module)，如果将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，则称为功率集成电路(Power Integrated CircuitPIC)。1.5 1.5 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动 电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的工作性能有很大的影响。 1.5.1 1.5.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述1、驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号，转换为电力电