第1章电力电子器件1.

1、1电力电子技术电力电子技术23电力电子器件的概念及分类电力电子器件的概念及分类全控型电力电子器件全控型电力电子器件-IGBT半控型电力电子器件半控型电力电子器件-晶闸管晶闸管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保护电力电子器件的保护电力电子器件的串联和并联电力电子器件的串联和并联41.1 1.1 电力电子器件概念及分类电力电子器件概念及分类电力电子器件电力电子器件可直接用于处理电可直接用于处理电能的主电路中能的主电路中,实现电能的变换或控制实现电能的变换或控制的电子器件的电子器件5 能处理电功率的大小能处理电功率的大小, ,即承受电压和电流的能力即承受电压和电流的能力, ,是器件

2、最重要的参数是器件最重要的参数1.1.1 1.1.1 电力电子器件的特征电力电子器件的特征 电力电子器件一般工作在开关状态电力电子器件一般工作在开关状态 电力电子器件常常需要信息电子电路来控制电力电子器件常常需要信息电子电路来控制 电力电子器件的功率损耗通常比信息电子电路器电力电子器件的功率损耗通常比信息电子电路器件的大件的大61.1.2 1.1.2 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度按照器件能够被控制电路信号所控制的程度, ,分为三类分为三类: :(1(1）不可控器件）不可控器件不能用控制信号来控制不能用控制信号来控制其通断其通断, ,因此也就不需要驱

3、动电路（二极管）因此也就不需要驱动电路（二极管）(2(2）半控型器件）半控型器件通过控制信号可以控制通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断（晶闸管）其导通而不能控制其关断（晶闸管）(3(3）全控型器件）全控型器件通过控制信号既可控制通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断其导通又可控制其关断 , ,又称自关断器件又称自关断器件（MOSFETMOSFET、IGBTIGBT）7按照加在器件控制端驱动信号的性质按照加在器件控制端驱动信号的性质, ,分为两类分为两类(1)(1)电流驱动型电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流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来实现导通或者关断的控

4、制(2)(2)电压驱动型电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施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加一定的电压信号就可实现导通或者关断按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类况分为三类(1)(1)单极型器件单极型器件(2)(2)双极型器件双极型器件(3)(3)复合型器件复合型器件81 1二极管是由一个二极管是由一个PNPN结组成的半导体元件结组成的半导体元件2 2二极管的基本特性二极管的基本特性: :单向导电性单向导电性3 3电力二极管的容量很大电力二极管的容量很大4 4分为普通整流二极管分为普通整流二极管,

5、 ,快速二极管等类快速二极管等类1.2 1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 91 1 静态特性：稳态时阳极电流与其阳极阴极间电压的关系静态特性：稳态时阳极电流与其阳极阴极间电压的关系. . U UB B : :雪崩击穿电压雪崩击穿电压U UTOTO: :门槛电压门槛电压,U,UF FUUTOTO时二极管导通时二极管导通1.2.11.2.1电力二极管的主要特性电力二极管的主要特性U UF F : :二极管正向电压二极管正向电压I IF F : :二极管正向电流二极管正向电流额定运行时额定运行时 U UF F* *I IF F决定通态损耗决定通态损耗101/2 1/2 动态特性动态特

6、性- -开通特性开通特性 反映器件在通态、断态之反映器件在通态、断态之间转换过程中电流、电压随时间转换过程中电流、电压随时间变化的特性间变化的特性, ,通常也称为开关通常也称为开关特性特性 二极管承受正向电压时二极管承受正向电压时, ,电电流经过一定时间才能达到稳态值流经过一定时间才能达到稳态值, ,这个时间这个时间t tfrfr就是正向恢复时间就是正向恢复时间, ,或称开通时间或称开通时间. .112/2 2/2 动态特性动态特性- -关断特性关断特性 12131)1) 正向平均电流正向平均电流I IF F（AVAV）指在规定的散热条件与管壳温度下指在规定的散热条件与管壳温度下, ,二极管长

7、期运行所容许流过的最大工频二极管长期运行所容许流过的最大工频正弦半波正弦半波电流的电流的平均值平均值. .这也是标称器这也是标称器件额定电流的参数件额定电流的参数. . 2) 2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRM RRM U URRMRRM通常规定为雪崩击穿电压的通常规定为雪崩击穿电压的2/3.2/3.应用中所选二极管的反向重复峰值电应用中所选二极管的反向重复峰值电压应为该二极管实际承受的反向电压压应为该二极管实际承受的反向电压峰值的峰值的2-32-3倍倍. . 1.2.2 1.2.2 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数143) 3) 正向压降正向压降U UF F4) 4)

8、 反向恢复时间反向恢复时间t trrrr 一般称反向恢复时间在一般称反向恢复时间在5 5微秒以上的二极管为微秒以上的二极管为普通二极管普通二极管, ,反向恢复时间在反向恢复时间在5 5微秒以下的二极管微秒以下的二极管为快恢复二极管为快恢复二极管. .普通二极管多用于开关频率在普通二极管多用于开关频率在1 1kHzkHz以下的整流电路中以下的整流电路中. .在高频开关电路中在高频开关电路中, ,通常通常选择二极管的选择二极管的t trrrr为其开关周期的百分之一以下。为其开关周期的百分之一以下。二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

9、正向电流时对应的正向压降。155) 5) 最高工作结温最高工作结温T Tjmaxjmax在规定电流和散热条件下在规定电流和散热条件下,PN,PN结不致损坏条件下结不致损坏条件下所能承受的最高平均温度所能承受的最高平均温度 161.3 1.3 半控型电力电子器件半控型电力电子器件晶闸管晶闸管晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件17 外形有螺栓型和平板型两外形有螺栓型和平板型两种封装种封装 引出阳极引出阳极A A、阴极、阴极K K和门极和门极（控制端）（控制端）G G三个联接端三个联接端 对于螺

10、栓型封装对于螺栓型封装, ,通常螺通常螺栓是其阳极栓是其阳极, ,另一端较粗另一端较粗的是阴极的是阴极, ,细的是门极细的是门极 平板型封装的晶闸管平板型封装的晶闸管, ,两两个平面分别是阳极和阴极个平面分别是阳极和阴极, ,细长端是门极细长端是门极1.3.1 1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3a)a)外形外形b)b)结构结构c)c)电气符号图电气符号图1.1.晶闸管的结构晶闸管的结构182.2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理A A、K K接正向电压接正向电压, ,灯泡不燃亮灯泡不燃亮A A、K K接正向电

11、压接正向电压,G,G、K K接负电压接负电压, ,灯泡不燃亮灯泡不燃亮A A、K K接正向电压接正向电压,G,G、K K接正电压接正电压, ,灯泡燃亮灯泡燃亮A A、K K接负向电压接负向电压, ,灯泡不燃亮灯泡不燃亮A A、K K接负向电压接负向电压, ,无论无论G G、K K接何种电压灯泡不燃亮接何种电压灯泡不燃亮灯泡燃亮后灯泡燃亮后, ,撤除撤除G G、K K间电压或间电压或G G、K K间接负向电压间接负向电压, ,灯泡仍然燃亮灯泡仍然燃亮灯泡燃亮后灯泡燃亮后, ,撤除撤除A A、K K间电压或间电压或A A、K K接负向电压接负向电压, ,灯泡熄灭灯泡熄灭1)1)晶闸管的导通实验晶闸

12、管的导通实验192)2)晶闸管的通断规律晶闸管的通断规律当晶闸管承受阳极反向电压时当晶闸管承受阳极反向电压时,无论门极是否有触发电无论门极是否有触发电流流,晶闸管都处于关断状态晶闸管都处于关断状态当晶闸管承受阳极正向电压时当晶闸管承受阳极正向电压时,仅在门极有触发电流的仅在门极有触发电流的情况下，情况下，,晶闸管才能导通。晶闸管才能导通。晶闸管一旦导通晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。门极就失去控制作用。要使晶闸管关断要使晶闸管关断,必须去掉阳极正向电压必须去掉阳极正向电压,或者给阳极施或者给阳极施加反压加反压,或者降低正向阳极电压或者降低正向阳极电压,使通过晶闸管的电流降使通过晶闸管的电流

13、降低到接近于低到接近于0的某一数值以下的某一数值以下当门极未加触发电压时当门极未加触发电压时,晶闸管具有正向阻断能力晶闸管具有正向阻断能力20RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)a) 双晶体管模型 b) 工作原理 晶闸管内部是晶闸管内部是PNPNPNPN四层半导体结四层半导体结构（构（P1,N1P1,N1，P2, P2, N2N2）. .如果施加阳如果施加阳极正向电压极正向电压, ,则则J2J2处于反向偏置状态处于反向偏置状态, ,器件关断；如果施器件关断；如果施加阳极反向电加阳极反向电压压,J1,J1、J3J3处于反处于反向偏置

14、状态向偏置状态, ,器件器件关断关断. .3)3)晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理J2J1J321NPNPNPAGSKEGIGIKIc2Ic1IAV1V2晶闸管的导通可以用双晶体晶闸管的导通可以用双晶体(P1N1P2和和N1P2N2）模来解释）模来解释.门极注入电流门极注入电流IG,IG流入晶体管流入晶体管V2的基极的基极,那么在那么在V2的集电极产生电流的集电极产生电流IC2,而而IC2又是晶又是晶体管体管V1的基极电流的基极电流,放大成集电极电流放大成集电极电流IC1,进进一步增大了一步增大了V2的基极电流的基极电流,形成了强烈的正反形成了强烈的正反馈馈,最后最后V1、V2进入饱和状态进入

15、饱和状态,晶闸管导通晶闸管导通.当晶闸管导通后当晶闸管导通后,撤除门极电流撤除门极电流,由于晶由于晶体管内部已经形成了强烈的正反馈体管内部已经形成了强烈的正反馈.所以管子所以管子仍然导通；若要使晶闸管关断则必须撤除阳仍然导通；若要使晶闸管关断则必须撤除阳极的正电压极的正电压,或者给阳极施加反电压或者给阳极施加反电压,或者使流或者使流过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值过晶闸管的电流降低为零或低于某一数值.晶闸管的驱动过程称为晶闸管的驱动过程称为触发触发。22式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的的共基极电流增益共基极电流增益;ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2

16、的共基极漏电流的共基极漏电流.由以上式由以上式(1-1)-(1-4)可可得得 晶体管的特性是晶体管的特性是:在低发射极电流下在低发射极电流下 是很小的是很小的,而当发射极电流建立起来之而当发射极电流建立起来之后后, 迅速增大迅速增大.) 51 ()(121CBO2CBO1G2AIIII晶闸管的工作方程晶闸管的工作方程Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 （1-4）23 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结

17、温较高结温较高 光直接照射硅片光直接照射硅片,即光触发即光触发.光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘，光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘，而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。除此之外）。除此之外,其它都因不易控制而难以应用于实践其它都因不易控制而难以应用于实践,只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段的控制手段4)4)晶闸管其它导通情况晶闸管其它导通情况241.3.2 1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1

18、. 1. 晶闸管的静特性晶闸管的静特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG第第I I象限是正向特性象限是正向特性, ,第第IIIIII象限是反向性象限是反向性URSM反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压URRM 反向重复峰值电压反向重复峰值电压UDRM 正向重复峰值电压正向重复峰值电压UDSM 正向不重复峰值电压正向不重复峰值电压Ubo 正向转折电压正向转折电压IH 维持电流维持电流I IG 门极触发电流门极触发电流25正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUD

19、SMUDRMURRMURSMI IG G=0=0时时, ,器件两端施加正向电压器件两端施加正向电压, ,正正向阻断状态向阻断状态, ,只有很小的正向漏电只有很小的正向漏电流流过流流过, ,正向电压超过临界极限即正向电压超过临界极限即正向转折电压正向转折电压U Ubobo, ,则漏电流急剧增则漏电流急剧增大大, ,器件开通器件开通导通期间导通期间, ,如果门极电流为零如果门极电流为零, ,并且并且阳极电流降至接近于零的某一数值阳极电流降至接近于零的某一数值I IH H以下以下, ,则晶闸管又回到正向阻断则晶闸管又回到正向阻断状态状态.I.IH H称为维持电流称为维持电流 晶闸管上施加反向电压时晶

20、闸管上施加反向电压时, ,伏安特性类伏安特性类似二极管的反向特性。似二极管的反向特性。26100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性开通时间开通时间: :t tgtgt= =t td d+ +t tr r t td d =0.5-1.5=0.5-1.5 s st tr r =0.5-3 =0.5-3 s s关断时间关断时间: : t tq q= =t trrrr+ +t tgr gr 约约几百微秒几百微秒T Td d延迟时间；延迟时间；t tr r上升时间；上升时间；t trrrr反向阻断恢复时间；反向阻断恢复时间；t tg

21、rgr正正向阻断恢复时间向阻断恢复时间t tgtgtt tq q？271.3.3 1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.1.电压定额电压定额断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM - 在门极断路在门极断路而结温为额定值时而结温为额定值时, ,允许重复加在器允许重复加在器件上的正向峰值电压件上的正向峰值电压. .反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM - 在门极断路在门极断路而结温为额定值时而结温为额定值时, ,允许重复加在器允许重复加在器件上的反向峰值电压件上的反向峰值电压. . 通态通态( (峰值峰值) )电压电压U UTMTM - 晶闸管通以某一晶闸管通以

22、某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压态峰值电压. .28 通常取晶闸管的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作中较小的标值作为该器件的额定电压为该器件的额定电压. .选用时选用时, ,额定电压要额定电压要留有一定裕量留有一定裕量, ,一般取额定电压为正常工作一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压时晶闸管所承受峰值电压2-32-3倍倍292.2.电流定额电流定额（1 1）通态平均电流）通态平均电流I IT(AV)T(AV)晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为4040 C C和和规定的冷却状态下规定的冷却状态下, ,稳

23、定稳定结温不超过额定结温结温不超过额定结温时所允许时所允许流过的最大流过的最大工频工频正弦半波正弦半波电流的电流的平均值平均值1 1）计算实际波形的有效值）计算实际波形的有效值2 2）根据有效值相等的原则）根据有效值相等的原则, ,计算出定义波形下的平均值计算出定义波形下的平均值3 3）将计算值乘以）将计算值乘以1.51.5或或2,2,即为所选晶闸管的电流定额即为所选晶闸管的电流定额使用时应按实际电流使用时应按实际电流( (非正弦波非正弦波) )与通态平均电流与通态平均电流有有效值相等的原则效值相等的原则来选取晶闸管来选取晶闸管, ,因此要进行相应的换因此要进行相应的换算算选择使应留一定的裕量

24、选择使应留一定的裕量, ,一般取换算结果的一般取换算结果的1.5-21.5-2倍倍0)()(sin21MMAVTIttdII2)()sin(2102MMItdtII根据通态平均电流根据通态平均电流I IT(AV)T(AV)的定义的定义, ,当电流的峰值为当电流的峰值为I IM M时时20IMIT(AV)t3031而对于某一不是半波导通的电流波形，其有效值与平均值而对于某一不是半波导通的电流波形，其有效值与平均值的比值为仅称为波形系数的比值为仅称为波形系数K Kf f57. 12/2/)(0MMAVTfIIIIK例如例如, ,一只额定电流一只额定电流I IT(AV)T(AV)=100A=100A

25、的晶闸管的晶闸管, ,在定义规定的半在定义规定的半波导通的工况下，允许通过的电流有效值为波导通的工况下，允许通过的电流有效值为I=157AI=157A在在I IT(AV)T(AV)的定义下，即电流为半波时，有效值与平均值的的定义下，即电流为半波时，有效值与平均值的比值为称为波形系数比值为称为波形系数K Kf0f0322/2)(sin21MMdIttdII22)()sin(212/2MMItdtII22. 22dfIIK例例: :通过晶闸管的实际波形如图通过晶闸管的实际波形如图, ,求其电流平均值求其电流平均值I Id d, ,电流有效值电流有效值I,I,波形系数波形系数K Kf f. .当不考

26、虑安全裕量时当不考虑安全裕量时, ,求选择晶闸管的电流定额求选择晶闸管的电流定额20IMIT(AV)2/t33所谓有效值相等的原则，就是针对某一特定波形，当该波形的有所谓有效值相等的原则，就是针对某一特定波形，当该波形的有效值与半波导通波形的有效值相等，求该电流平均值效值与半波导通波形的有效值相等，求该电流平均值 。上例中，根据电流有效值相等的原则，先计算波形的有效值上例中，根据电流有效值相等的原则，先计算波形的有效值I I，然，然后将该有效值后将该有效值I I作为到正弦半波电流的有效值，再计算正弦半波的平作为到正弦半波电流的有效值，再计算正弦半波的平均值：均值：44. 457. 122/0)

27、(MMfAVTIIKII此例中此例中, ,如果选用电流定额为如果选用电流定额为100A100A的晶闸管的晶闸管, ,如果不如果不考虑裕量，那么实际允许的平均电流是多少？考虑裕量，那么实际允许的平均电流是多少？所以，对于上述电流波形，当不考虑安全裕量时所以，对于上述电流波形，当不考虑安全裕量时, ,选择晶闸管的选择晶闸管的电流定额为电流定额为I IM M/4.44/4.4434特定波形下特定波形下, ,导通角导通角不同不同, ,平均值与有效值关系平均值与有效值关系也不一样也不一样, ,波形系数与定义情况下有所不同波形系数与定义情况下有所不同,越小波越小波形系数越大形系数越大, ,电流平均值电流平

28、均值I Id d、有效值、有效值I I、波形系数、波形系数K Kf f具具有如下关系有如下关系: :I=KI=Kf f I Id d选择原则为选择原则为: :使实际电流波形的有效值等于定义波使实际电流波形的有效值等于定义波形形( (半波半波) )的有效值的有效值I=KI=Kf0f0I Id d=1.57I=1.57IT(AV)T(AV) 。如选择的晶闸。如选择的晶闸管电流定额管电流定额I IT(AV)T(AV) =100A =100A，则，则I=157AI=157A，则上例中，则上例中I Id d=I/K=I/Kf f=157/K=157/Kf f=157/2.22=71A=157/2.22=

29、71A35(4)(4)浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM: :指由于电路异常情况引起的并使结温超过额指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流定结温的不重复性最大正向过载电流. .(2)(2)维持电流维持电流I IH H: :使晶闸管维持导通所必需的最小电流使晶闸管维持导通所必需的最小电流, ,一般为一般为几十到几百毫安几十到几百毫安, ,与结温有关与结温有关, ,结温越高则结温越高则I IH H越小越小. .(3)(3)擎住电流擎住电流 I IL L: :晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后, , 能维持导通所需的最小电流。

30、对同一晶闸管来说能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说, ,通常通常I IL L约为约为I IH H的的2-42-4倍倍. .36(1) (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/du/dtdt. .指在额定结温和门极开路的情况下指在额定结温和门极开路的情况下, ,不导致晶闸不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率管从断态到通态转换的外加电压最大上升率. .3.3.动态参数动态参数除开通时间除开通时间t tgtgt和关断时间和关断时间t tq q外外, ,还有还有: :(2)(2) 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt指在规定条件下指在规定条件下, ,晶

31、闸管能承受而无有害影响的晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率最大通态电流上升率. .371.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件1.1.快速晶闸管（快速晶闸管（FST)FST)包括所有专为快速应用而设计的晶闸包括所有专为快速应用而设计的晶闸管管, ,有快速晶闸管和高频晶闸管有快速晶闸管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进管芯结构和制造工艺进行了改进, ,开开关时间以及关时间以及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明耐量都有明显改善显改善普通晶闸管关断时间数百微秒普通晶闸管关断时间数百微秒, ,快速晶快速晶闸管数十微秒闸管数十微秒, ,高频晶闸管高频晶

32、闸管1010 s s左右左右38高频晶闸管的不足在于其电压和电流高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不高定额都不高由于工作频率较高由于工作频率较高, ,选择通态平均电流选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应时不能忽略其开关损耗的发热效应39双向晶闸的电气符号和伏安特性2.2.双向晶闸管双向晶闸管可认为是一对反并联联可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成接的普通晶闸管的集成, ,有有两个主电极两个主电极T T1 1和和T T2 2, ,一个门一个门极极G,G,正反两方向均可触发正反两方向均可触发导通导通, ,所以双向晶闸管在第所以双向晶闸管在第和第和第IIIIII象限有对称的伏象限有

33、对称的伏安特性安特性. .通常用在交流电路通常用在交流电路中中, ,因此不用平均值而用有因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值效值来表示其额定电流值. . 403.3.逆导晶闸管逆导晶闸管b)a)UOIKGAIG=0逆导晶闸管的电气符号和伏安特性 将晶闸管反并联一个二极管制作将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件；在同一管芯上的功率集成器件； 具有正向压降小、关断时间短、具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点；高温特性好、额定结温高等优点； 逆导晶闸管的额定电流有两个逆导晶闸管的额定电流有两个,一一个是晶闸管电流个是晶闸管电流,一个是反并联二极一个是反并联

34、二极管的电流管的电流414.4.光控晶闸管（光控晶闸管（LTTLTT）光控晶闸管的电气符号和伏安特性又称光触发晶闸管又称光触发晶闸管,是利用一定波长是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管的光照信号触发导通的晶闸管 光触发保证了主电路与控制电路之光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘间的绝缘,且可避免电磁干扰的影且可避免电磁干扰的影响响,因此目前在高压大功率的场合因此目前在高压大功率的场合,如高压直流输电和高压核聚变装置如高压直流输电和高压核聚变装置中中,占据重要的地位占据重要的地位421.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.4.1 门极可关断门极可关断晶闸管晶闸管* 1.4.2 电力晶体管

35、电力晶体管* 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2020世纪世纪8080年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代代。典型。典型代表代表门极门极可关断晶闸管、可关断晶闸管、电力晶体管、电力晶体管、电力电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。常用的典型全控型。常用的典型全控型器件有：器件有：引言引言电力MOSFETIGBT单管及模块431-441.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管Gate-Turn-Off Gate-Turn-Off ThyristorThyristor

36、GTO GTO）晶闸管的一种派生器件。晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。1-45结构：结构：与普通晶闸管与普通晶闸管的相同点：的相同点：PNPNPNPN四四层半导体结构，外层半导体结构，外部引出阳极、阴极部引出阳极、阴极和门极；不同点：和门极；不同点：GTOGTO是一种多元的是一种多元的功率集成器件。功率集成器件。图1-13 GTO的内部结构和电气图

37、形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理1-46RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理工作原理：工作原理：与普通晶闸管与普通晶闸管一样一样, ,由由P1N1P2P1N1P2和和N N1P2N21P2N2构成的两个构成的两个晶体管晶体管V1V1、V2V2分别分别具有共基极电流增具有共基极电流增益益 1 1和和 2 2。 1+1+ 2 2=1=1是器件临界导通是器件临界导通的条件。的条件。1-47G

38、TOGTO能够通过门极关断的原能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别因是其与普通晶闸管有如下区别：设计设计 2 2较大较大，使晶体管，使晶体管V2V2控控 制灵敏，易于关断。制灵敏，易于关断。导通时导通时 1+1+ 2 2更接近更接近1 1，导通，导通时接近时接近临界饱和临界饱和，有利门极控制，有利门极控制关断，但导关断，但导通时管压降增大通时管压降增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2P2基区基区横向电阻很小，横向电阻很小，能从门极抽出较能从门极抽出较大电流。大电流。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)图1-7 晶闸管的工作原理1-48

39、由上述分析我们可以得到以下结论：由上述分析我们可以得到以下结论：GTOGTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。导通时饱和程度较浅。GTOGTO关断过程中有强烈正反馈使器件退关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。出饱和而关断。多元集成结构还使多元集成结构还使GTOGTO比普通晶闸管开比普通晶闸管开通过程快，承受通过程快，承受didi/ /dtdt能力强能力强 。1-49开通过程开通过程 关关断过程断过程Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形2）GTO的

40、动态特性的动态特性1-503)GTO的主要参数的主要参数(1)(1)开通时间开通时间t tonon 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1-1-2 2 s s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。(2)(2)关断时间关断时间t toffoff一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于时间。下降时间一般小于2 2 s s。1-51(3)(3)最大最大可关断阳极电流可关断阳极电流I IATOATO: :GTOGTO额定电流。额定电流。(4)(4)电流关断增益

41、电流关断增益 offoff: :最大可关断阳极电流与门极最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值负脉冲电流最大值IGMIGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。 offoff一般很小，只有一般很小，只有5 5左右，这是左右，这是GTOGTO的一个主要缺的一个主要缺点点.1000A.1000A的的GTOGTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A.200A. )81 ( GMATOoffII1-521.4.2 电力晶体管电力晶体管GTR( (略略) )1-531.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型分为结型和绝缘栅型通常主要指绝缘栅型中的通常主

42、要指绝缘栅型中的MOSMOS型（型（Metal Metal Oxide Semiconductor FETOxide Semiconductor FET）, ,简称电力简称电力MOSFETMOSFET（Power MOSFETPower MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（体管（Static Induction TransistorStatic Induction TransistorSITSIT）54电力率场效应管的结构和符号电力率场效应管的结构和符号D漏极,S源极,G栅极 N-漂移区或低掺杂N区，提高耐压水平1-55 特点特点用栅

43、极电压来控制漏极电流用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于热稳定性优于GTRGTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW10kW的电力电子装置。的电力电子装置。1-56( (1 1) )静态特性静态特性转移特性转移特性漏极漏极电流电流I ID D和栅源间电压和栅源间电压U UGSGS的关的关系称为系称为MOSFETMOSFET的转移特性。的转移特性。I ID D较大时，较大时，I ID D与与U UGSGS的关系近似线的关系近似线

44、性，曲线的斜率定义为跨导性，曲线的斜率定义为跨导G Gfsfs。010203050402468ID/AUTUGS/V图1-20a)电力MOSFET的转移2）电力）电力MOSFET的基本特性的基本特性1-57输出特性：输出特性：工作区分为截止区、饱和区和非饱和区工作区分为截止区、饱和区和非饱和区工作在开关状态，即在截止区和非饱和工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间转换。区之间转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通（单个反向电压时器件导通（单个MOSMOS）。）。通态电阻具有正温度系数，对器件并联通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有

45、利。时的均流有利。图1-20b)电力MOS管的输出特性1020305040010 20 305040饱和区非饱和区截止区UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A1-58开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间t td(on) d(on) 上升时间上升时间t tr r开通时间开通时间t tonon开通延迟开通延迟时间与上升时间之和时间与上升时间之和关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间t td(off)d(off)下降时间下降时间t tf f关断时间关断时间t toffoff关断延迟关断延迟时间和下降时间之和时间和下降时间之和a）b)Rs

46、RGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21 电力MOSFET的开关过程a) 测试电路 b) 开关过程波形up-脉冲信号源，Rs-信号源内阻，RG-栅极电阻，RL-负载电阻，RF-检测漏极电流(2) (2) 动态特性动态特性1-59MOSFETMOSFET的开关速度的开关速度 MOSFET MOSFET的开关速度和的开关速度和C Cinin充放电有很大关系。充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻可降低驱动电路内阻RsRs减小时间常数，加快开减小时间常数，加快开关速度。关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。不存在

47、少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在开关时间在10-100ns10-100ns之间，工作频率可达之间，工作频率可达100kHz100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。1-603) 3) 电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数除跨导除跨导G Gfsfs、开启电压、开启电压U UT T以及以及t

48、 td(on)d(on)、t tr r、t td(off)d(off)和和t tf f之外还有：之外还有：(1)(1)漏极电压漏极电压U UDSDS ：电力：电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额(2)(2)漏极直流电流漏极直流电流I ID D和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值I IDMDM ：电力电力MOSFETMOSFET电流定额电流定额(3)(3)栅源电压栅源电压U UGSGS ：|U|UGSGS| |20V20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿 。(4)(4)极间电容极间电容：极间电容极间电容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS1-611.4.4 绝缘栅双极晶体管绝

49、缘栅双极晶体管GTRGTR和和GTOGTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFETMOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。小而且驱动电路简单。1-62两类器件取长补短结合而成的复合器件两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOSBi-MOS器件器件绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGB

50、TGTRGTR和和MOSFETMOSFET复合，结合二者的优点。复合，结合二者的优点。19861986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。1-631)IGBT1)IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极三端器件：栅极G G、集电极、集电极C C和发射极和发射极E E图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号E1-64IGBTIGBT的结构的结构图图1-22

51、aN1-22aN沟道沟道VDMOSFETVDMOSFET与与GTRGTR组合组合N N沟道沟道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一层多一层P P+ +注入区，具有很强的通流能力。注入区，具有很强的通流能力。简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组成的达林顿结组成的达林顿结构，一个由构，一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNPPNP晶体管。晶体管。R RN N为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。1-65IGBTIGBT的原理：与电力的原理：与电力MOSFETMOSF

52、ET基本相同，场控器基本相同，场控器件，通断由栅射极电压件，通断由栅射极电压u uGEGE决定。决定。 导通：导通：u uGEGE大于开启电压大于开启电压U UGE(thGE(th) )时，时，IGBTIGBT导通导通 通态压降：电导调制效应使电阻通态压降：电导调制效应使电阻R RN N减小，使减小，使通态压降减小。通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，关断：栅射极间施加反压或不加信号时，IGBTIGBT关断关断1-66b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICa)ICUGE(th)UGEOURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2) IGBT2) IGBT的基本特性的基本特性

53、(1)(1) 静态特性静态特性图1-23 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性1-67ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24 IGBT的开关过程IGBTIGBT的开通过程的开通过程 开通延迟时间开通延迟时间t td(on) d(on) 电流上升时间电流上升时间t tr r 开通时间开通时间t tonon u uCECE的下降过程分为的下降过程分为t tfv1fv1和和t tfv2fv2两段。两段。 t tf

54、v1fv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET单独单独工作的电压下降过程；工作的电压下降过程； t tfv2fv2MOSFETMOSFET和和PNPPNP晶体晶体管同时工作的电压下降管同时工作的电压下降过程过程 (2) IGBT (2) IGBT的动态特性的动态特性1-68图1-24 IGBT的开关过程 关断延迟时间关断延迟时间t td(offd(off） 电流下降时间电流下降时间t tf f 关断时间关断时间t toffoff 电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为t tfi1fi1和和t tfi2fi2两段。两段。 t tfi1fi1IGBTIGBT器件内部的器件内部的MOSFE

55、TMOSFET的关断过程，的关断过程，i iC C下下降较快。降较快。 t tfi2fi2IGBTIGBT内部的内部的PNPPNP晶晶体管的关断过程，体管的关断过程，i iC C下降下降较慢。较慢。IGBTIGBT的关断过程的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-693) IGBT3) IGBT的主要参数的主要参数(1)(1)最大集射极间电压最大集射极间电压U UCESCES由内部由内部PNPPNP晶晶体管的击穿电压确定。体管

56、的击穿电压确定。(2)(2)最大集电极电流最大集电极电流包括额定直流电流包括额定直流电流I IC C和和1ms1ms脉宽最大电流脉宽最大电流I ICP CP 。(3) (3) 最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM 正常工作温正常工作温度下允许的最大功耗度下允许的最大功耗1-70IGBTIGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比相同电压和电流定额时，安全工作区比GTRGTR大，且具大，且具有耐脉冲电流冲击能力。有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比通态压降比VDMOSFETVDMOS

57、FET低。低。 输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似。类似。 与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐压和通流能力还可以进一步相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点提高，同时保持开关频率高的特点 。 1-71擎住效应或自锁效应：擎住效应或自锁效应：动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。NPNNPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P P形体形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对区的横向

58、空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J J3 3结施结施加正偏压，一旦加正偏压，一旦J J3 3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。作用，电流失控。1-72 正偏安全工作区（正偏安全工作区（FBSOAFBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。集电极功耗确定。 反向偏置安全工作区（反向偏置安全工作区（RBSOARBSOA）最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率允许电压上升率duduCECE/ /dtdt确定。确定。 IGBTIGB

59、T往往与反并联的快速二极管封装在一起，往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件制成模块，成为逆导器件1-731.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.5.1 MOS1.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT1.5.2 1.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT1.5.3 1.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH1.5.4 1.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT1.5.5 1.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路（略）（略）1-741.6 电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动1.6.1

60、 1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述1.6.2 1.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路1.6.3 1.6.3 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1-751.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。缩短开关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。要的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通一