第二章电力电子器件

1、 变频器技术及应用 主讲教师子目录任务一 电力电子器件概述任务二 不可控器件电力二极管任务三 半控型器件晶闸管任务四 全控型器件第二章 电力电子器件3 3通过本项目的学习，让学生学习电子电子器件的概念、特征、组成及分类；熟悉电力二极管的工作原理、基本特征、主要参数和类型等；初步认识晶闸管的结构、工作原理及基本特征。学习重点第二章 电力电子器件4 41.基本概念主电路(main power circuit)是指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。电力电子器件(power electronic device)是指可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。广

2、义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类。5 52.电力电子器件的特征同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征如下。(1)处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，优于处理信息的电子器件。处理电功率的能力，即承受电压和电流的能力，是电力电子器件最重要的参数。(2)电力电子器件一般都工作在开关状态。导通时(通态)，其阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时(断态)，其阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。6 6(3)实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放

3、大，这就是电力电子器件的驱动电路。(4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上要进行散热设计，在其工作时一般还要安装散热器。7 7电力电子系统是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。控制电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路控制主电路中电力电子器件的通断，来完成整个系统的功能。有的电力电子系统中，还需要有检测电路，广义上往往将其和驱动电路等主电路之外的电路都归为控制电路，因此，可以粗略地说电力电子系统是由主电路和控制电路组成的。8 8主电路中的电压和电流一般都较大，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

4、路径上，如驱动电路与主电路的连接处，或者驱动电路与控制信号的连接处，以及主电路与检测电路的连接处，一般都需要进行电气隔离，通过其他手段如光、磁等来传递信号。由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中要附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行。9 9器件一般有3个端子(或称极)，其中两个连接在主电路中，而第三端被称为控制端(或控制极)。器件通断是通过在其控制端和一个主电路端子之间加一定的信号来控制的，这个主电路端子是驱动电路和主电路的公共端，一般是主电路电流流出器件

5、的端子。10101.按照器件能够被控制电路信号所控制的程度分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，电力电子器件可分为以下3类。(1)不可控器件。不可控器件是指不能用控制信号来控制其通断的器件，如电力二极管(Power Diode)等。不可控器件只有两个端子，其通断是由在主电路中承受的电压和电流决定的。(2)半控型器件。半控型器件是指通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的器件，如晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件等。半控型器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。1111(3)全控型器件。全控型器件是指通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，又称为自关断器件，如

6、绝缘栅双极晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT)、电力场效应晶体管(Power MOSFET，电力MOSFET)和门极可关断晶闸管(GateTurnOff Thyristor, GTO)等。2.按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号性质分类按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为以下两类。(1)电流驱动型。电流驱动型即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。1212(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加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的

7、两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件或场效应器件。13133.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为以下3类。 (1)单极型器件。单极型器件是指由一种载流子参与导电的器件。 (2)双极型器件。双极型器件是指由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。 (3)复合型器件。复合型器件是指由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。1414电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，它也是以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，从外形

8、上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。其外形、结构和电气图形符号如图所示。 (a)外形；(b)结构；(c)电气图形符号15151.PN结的单向导电性电力二极管的核心是PN结，其特性即PN结的特性。在PN结两端加电压，称为给PN结以偏置电压。PN结的偏置方式不同，表现出的特性也不同。(1)PN结的正向偏置。给PN结加正向偏置电压，PN结处于正向导通状态。(2)PN结的反向偏置。给PN结加反向偏置电压，PN结处于反向导通状态。16162.造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的因素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，电导调制效应不能忽略，引线和

9、焊接电阻的压降等都有明显的影响，承受的电流变化率didt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会受到较大影响，为了提高反向耐压能力，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。1717电力二极管的基本特性主要是指其伏安特性，如图所示。1818当电力二极管承受的正向电压大到一定值(门槛电压UTO)时，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起微小而数值恒定的反向漏电流。19191.正向平均电流IF在指定的管壳温度(简称壳温，用TC表示)和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值称为正向平均电流，用

10、IF表示。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。2.正向压降UF正向压降是指电力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电压降，用UF表示。20203.反向击穿电压UB电力二极管反向电流急剧增加时对应的反应电压称为反向击穿电压。为安全考虑，在实际工作中，最大反向工作电压一般只按反向击穿电压UB的一半计算。4.反向重复峰值电压URRM反向重复峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其反向击穿电压UB的23，使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。21215

11、.最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，用TJM表示。TJM通常在125175范围之内。6.浪涌电流IFSM浪涌电流指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流，用IFSM表示。2222电力二极管主要是以正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同来进行分类的，一般分为普通二极管(General Purpose Diode)、快恢复二极管(Fast Recovery Diode, FRD)和肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)。使用时，应根据不同

12、场合的不同要求，选择不同类型的电力二极管。电力二极管性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。23231.普通二极管 普通二极管又称为整流二极管(Rectifier Diode)，多用于开关频率不高(1kHz以下)的整流电路中，其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要，正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。24242.快恢复二极管快恢复二极管是指恢复过程很短特别是反向恢复过程很短(5s以下)的二极管，也简称快速二极管。工艺上多采用掺金措施，有的采用PN结型结构，有的采用改进的PiN结构。采用外延型PiN结构的快恢复外延二极管(Fas

13、t Recovery Epitaxial Diodes, FRED)，其反向恢复时间更短(可低于50ns)，正向压降也很低(0.9V左右)，但其反向耐压多在400V以下。快恢复二极管从性能上又可进一步分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。25253.肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管，20世纪80年代以来，由于工艺的发展使肖特基二极管得以在电力电子电路中广泛应用。肖特基二极管的反向恢复时间很短(1040ns)，正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。在反向耐压较

14、低的情况下，其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管，其开关损耗和正向导通损耗也都比快速二极管还要小，因此效率较高。但是当肖特基二极管的反向耐压提高时，也会因其正向压降过高而不能满足要求，因此多用于200V以下，且其反向漏电流较大，对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。2626晶闸管(Thyristor)全称晶体闸流管，由美国贝尔实验室(Bell Laboratories)于1956年发明。1957年美国通用电气公司(General Electric Company)开发出第一只晶闸管产品。1958年晶闸管进入商业化时期，开始了其迅速发展和广泛应用。20世纪80年

15、代以来，晶闸管开始被性能更好的全控型器件取代。晶闸管的特性是能承受的电压和电流容量高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。一般地讲，晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，但从广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。2727晶闸管有螺栓型和平板型两种封装形式，引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G 3个连接端。晶闸管的外形、结构和电气图形符号如图所示。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密连接且安装方便。 (a)晶闸管外形；(b)内部结构；(c)电气图形符号2828平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。晶闸管工作条件的实验电路及模型如图所示，其各物理量间的关系如下。

16、 图为晶闸管工作条件的实验电路 图为晶闸管的双晶体管模型2929Ic1=1 IA+ICBO1(21)Ic2=2 IK+ICBO2 (22)IK=IA+IG(23)IA=IC1+IC2(24)式中1、2三极管VT1和VT2的共基极电流增益；ICBO1、ICBO2VT1和VT2的共基极漏电流。晶闸管的特性是指在低发射极电流下1、2是很小的，而当发射极电流建立起来之后，1、2迅速增大。阻断状态下IG=0，1+2很小。3030流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。若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，流过晶闸管的电流IA(阳极电流)将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外

17、电路决定。除了上述的门极触发外，晶闸管还有以下几种可能导通的情况。(1)阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。(2)阳极电压上升率dudt过高。(3)结温较高。(4)光直接照射硅片，即光触发。其中，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。3131 1.晶闸管的基本特性(1)静态特性。晶闸管在承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；在承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管的伏安特性3232第I象限的是正向特性，第III象限的是反向特性。

18、IG=0时，器件两端施加正向电压，处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低，导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相似，晶闸管本身的压降很小，在1V左右，导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。3333晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端，门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生

19、的。晶闸管的门极和阴极之间是PN结，其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。3434(2)动态特性。晶闸管的动态过程及相应的损耗如图所示：3535开通过程。a.延迟时间td。延迟时间是从指门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。b.上升时间tr。上升时间是指阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。c.开通时间tgt。开通时间是指延迟时间与上升时间之和，即tgt=td+tr(25)普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s。3636关断过程。a.反向阻断恢复时间trr。反向阻断恢复时间是

20、指正向电流降为0到反向恢复电流衰减至接近于0的时间。b.正向阻断恢复时间tgr。正向阻断恢复时间是指晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力所需要的一段时间。在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。c.关断时间tq。关断时间是指反向阻断恢复时间与正向阻断恢复时间之和，即tq=trr+tgr(26)普通晶闸管的关断时间约几百微秒。37372.晶闸管的主要参数(1)电压定额。断态重复峰值电压UDRM。断态重复峰值电压是指在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压，用UDRM表示。反向重复峰值电压URRM。反向重复峰值电压是指在门极断路而结温为额定值时，允

21、许重复加在器件上的反向峰值电压，用URRM表示。通态(峰值)电压UTM。通态(峰值)电压是指晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压，用UTM表示。3838(2)电流定额。通态平均电流(额定电流)IT(AV)。通态平均电流是指晶闸管在环境温度为40和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，用IT(AV)表示，使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，应留一定的裕量，一般取1.52倍。正弦半波电流平均值IT(AV)、电流有效值IT 和电流最大值Im 3者的关系为IT(AV)=120Imsintd(t)=Im(27)I

22、T=120(Imsint)2d(t)=Im2(28)3939各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I与平均值Id之比，称为这个电流的波形系数，用Kf 表示。因此，在正弦半波情况下电流波形系数为Kf=ITIT(AV)=2=1.57(29)所以，晶闸管在流过任意波形电流并考虑了安全裕量的情况下，额定电流IT(AV)的计算公式为IT(AV)=(1.52)IT1.57(210)在使用中还应注意，当晶闸管散热条件不满足规定要求时，则元件的额定电流应立即降低使用，否则元件会由于结温超过允许值而损坏。4040常见的4种波形Kf值与100A晶闸管允许电流平均值见表：4141由于晶闸管的电流过载能力极小，

23、在选用时要至少考虑1.52倍的电流裕量，即1.57IT(AV)=ITn(1.52)ITm(流过管子的最大有效电流)所以IT(AV)(1.52)ITm1.57(211)维持电流IH。维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，用IH表示，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，IH越小。擎住电流IL。擎住电流是指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，用IL表示。对于同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。4242浪涌电流ITSM。浪涌电流是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，用ITSM表示。(3)动态参数。除开通时间tgt和

24、关断时间tq外，动态参数还包括通态电压临界上升率和通态电流临界上升率等。通态电压临界上升率dudt。通态电压临界上升率是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，用dudt表示。4343通态电流临界上升率didt。通态电流临界上升率是指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。3.晶闸管的派生器件(1)快速晶闸管(Fast Switching Thyristor, FST)。快速晶闸管是指专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管

25、和高频晶闸管两类，其管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间、dudt和didt等参数都有明显改善。普通晶闸管的关断时间有数百微秒，而快速晶闸管只有数十微秒，高频晶闸管为10s左右。4444高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。另外，由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。(2)双向晶闸管(Triode AC Switch, TRIAC或Bidirectional triode thyristor)。双向晶闸管可看做是一对反并联连接的普通晶闸管的集成，有两个主电极T1和T2，一个门极G。正、反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性

26、，如图所示：(a)电气图形符号；(b)伏安特性4545(3)逆导晶闸管(Reverse Conducting Thyristor, RCT)。逆导晶闸管是指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，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，其电气图形符号和伏安特性如图所示。(a)电气图形符号；(b)伏安特性4646(4)光控晶闸管(Light Triggered Thyristor, LTT)。光控晶闸管又称为光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管，其电气图形符号和伏安特性如图所示：(a)电气图形符号；(b)伏安特性4747小功率光控晶闸管只有阳极

27、和阴极两个端子，大功率光控晶闸管还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，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中，占据重要的地位。4848门极可关断晶闸管(GateTurnOff Thyristor, GTO)是在晶闸管问世后不久出现的，是晶闸管的一种派生器件，它可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，其外形如图所示：GTO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。阶段一 门极可关断晶闸管4949电力晶体管(Giant Transistor, G

28、TR，巨型晶体管)的外形如图所示：5050耐高电压、大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor, BJT)，英文有时候也称为Power BJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。20世纪80年代以来，GTR在中、小功率范围内逐渐取代了晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。1.GTR的结构和工作原理GTR与普通的双极结型晶体管基本的原理是一样的，通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成，主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。GTR一般采用共发射极接法，集电极电流ic与基极电流

29、ib之比为=iciv(212)5151式中GTR的电流放大系数，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo(213)产品说明书中通常给出直流电流增益hFE，hFE是指在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比，一般可认为hFE。单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。52522.GTR的基本特性(1)静态特性。GTR的基本特性是指其在共发射极接法时的典型输出特性，如图所示。在电力电子电路中，GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。在开关过程中，即在截止区和饱和区之

30、间过渡时，要经过放大区。5353(2)动态特性(见图)。5454开通过程。延迟时间td和上升时间tr 之和称为开通时间ton。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dibdt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。关断过程。储存时间ts和下降时间tf之和称为关断时间toff。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。55553.GTR的主要参数GTR

31、的主要参数主要有电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff等，此外还有最高工作电压、集电极最大允许电流、采电极最大耗散功率等。(1)最高工作电压。GTR上电压超过规定值时会发生击穿，击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比击穿电压低得多。（2）集电极最大允许电流IcM。集电极最大允许电流通常规定为hFE下降到规定值的1213时所对应的集电极电流，实际使用时要留有裕量，一般取IcM为此集电极电流的一半左右。5656（3）集电极最大耗散功率PcM。集电极最大耗散功率是指最

32、高工作温度下允许的耗散功率，用PcM表示。产品说明书中引出PcM时，同时还列出壳温TC，间接表示最高工作温度。4.GTR的二次击穿现象与安全工作区(1)一次击穿。集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿；只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。(2)二次击穿。一次击穿发生时，Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的突然下降，常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。5757 (3)安全工作区(Safe Operating Area, SOA)。安全工作区是指在特性曲线中最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线所限

33、定的区域，如图所示：5858电力场效应管(Field Effect Transistor, FET)分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型(Metal Oxide Semiconductor FET)，简称电力MOSFET(Power MOSFET)。结型电力场效应晶体管一般称为静电感应晶体管(Static Induction Transistor, SIT)，它的特点是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，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR。电力MOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。59591.电力MOSFET

34、的结构(1)按导电沟道分，电力MOSFET可分为P沟道和N沟道两种类型，其结构和电气图形符号，如图所示。(a)内部结构断面示意图；(b)电气图形符号6060耗尽型MOSFET当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，而增强型MOSFET在栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道。电力MOSFET主要是N沟道增强型，导通时只有一种极性的载流子(多子)参与导电，是单极型晶体管。电力MOSFET的导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。小功率MOS管是横向导电器件，而电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET(Vertical MOSFET)，大大提高了MOSFET器件的耐压

35、和耐电流能力。6161（2）按垂直导电结构的差异，电力MOSFET又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET(Vertical Doublediffused MOSFET)。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。从结构特点来看，电MOSFET为多元集成结构。例如，国际整流器公司(International Rectifier)的HEXFET采用了六边形单元；西门子公司(Siemens)的SIPMOSFET采用了正方形单元；摩托罗拉公司(Motorola)的TMOS采用了矩形单元，按“品”字形排列。62622.电力MOSFET的工作原理截止状态

36、下，漏源极间加正电压，栅源极间电压为零。此时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电状态下，在栅源极间加正电压UGS 。栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面，当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。6363(1)静态特性。漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性，如图所示，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义

37、为跨导Gfs。(a)转移特性；(b)输出特性6464MOSFET的漏极伏安特性(输出特性)如图217(b)所示，主要分为截止区(对应于GTR的截止区)、饱和区(对应于GTR的放大区)和非饱和区(对应于GTR的饱和区)。电力MOSFET的工作特点如下：电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换；电力MOSFET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；电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。6565(2)动态特性电力MOSFET的动态特性波形6666开通过程。开通延迟时间td(on)是指脉冲信号源前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时

38、间段；上升时间tr是指uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定，UGSP的大小和iD的稳态值有关。当UGS达到UGSP后，在脉冲信号源作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间ton是指开通延迟时间与上升时间之和。6767MOSFET的开关速度。MOSFET的开关速度和电容充放电有很大关系，作为使用者，无法降低电容，但可以通过降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，在主要电力电子器

39、件中是最高的。电力MOSFET是场控器件，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，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。68684.电力MOSFET的主要参数电力MOSFET的主要参数包括跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf ，除此之外，还有以下参数。(1)电力MOSFET的额定电压。电力MOSFET的额定电压是指漏极电压UDS。(2)电力MOSFET的额定电流。电力MOSFET的额定电流包括两部分，即漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM。(3)栅源电压UGS。电力MOSFET栅源之间的绝缘层很薄，一般来讲，当UGS20V

40、时，将导致绝缘层击穿。6969(4)极间电容。极间电容包括CGS、CGD和CDS，这些电容都是非线性的。漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区，一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点，但在实际使用中，仍应注意留有适当的裕量。7070通过前述内容可知，GTR和GTO的特点是双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂；MOSFET的优点是单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管(Insulatedgate Bipolar Tr

41、ansistor, IGBT或IGT)是对两类器件取长补短结合而成的复合器件BiMOS器件，其外形如图所示：BiMOS器件外形7171绝缘栅双极晶体管(IGBT)复合了GTR和MOSFET二者的优点，因此具有良好的特性。1986年IGBT投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件。1.IGBT的结构和工作原理。IGBT为三端器件，具有三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E，其结构、简化等效电路和电气图形符号如图所示：(a)内部结构断面示意图；(b)简化等效电路；(c)电气图形符号。7272简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿

42、结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。IGBT驱动原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压UGE决定。当UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小；栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。73732.IGBT的基本特性(1)IGBT的静态特性。图为IGBT的转移特性和输出特性(a)转移特性；(b)输出特性7474转移特性。IC与UGE间的关系称为IGBT的转移特性，如图(a)所示，与MOSFET的转

43、移特性类似。IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压称为开启电压UGE(th)。UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25时，UGE(th)的值一般为26V。输出特性(伏安特性)。以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系称为IGBT的输出特性，如图(b)所示。输出特性分为3个区域，即正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。当uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。7575（）IGBT的动态特性(见图)。7676IGBT的开通过程。IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为在开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。从uGE上升至其幅值10%的时

44、刻，到iC上升至10% ICM，这段时间称为开通延迟时间td(on)；iC从10%ICM上升至90%ICM所需的时间称为电流上升时间tr ；开通延迟时间与电流上升时间之和称为开通时间ton。uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段，tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。7777IGBT的关断过程。关断时间toff是指关断延迟时间与电流下降时间之和。其中，关断延迟时间td(off)是指从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM的时间；电流下降时间是指iC从90%ICM下降至10%ICM的时间。电

45、流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段，tfi1为IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2为IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。78783.IGBT的主要参数(1)最大集射极间电压UCES。最大集射极间电压由内部PNP晶体管的击穿电压确定，用UCES表示。(2)最大集电极电流。最大集电极电流包括两部分，即额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(3)最大集电极功耗

46、PCM。最大集电极功耗是指正常工作温度下允许的最大功耗，用PCM表示。79794.IGBT的特性(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1 000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。(3)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)与MOSFET和GTR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。80805.IGBT的擎住效应和安全工作区(1)擎住效应(自锁效应)。NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形

47、体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为IGBT的擎住效应。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。8181(2)安全工作区。正偏安全工作区(FBSOA)。正偏安全工作区由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定，如图(a)所示。反向偏置安全工作区(RBSOA)。反向偏置安全工作区由最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定，如图(b)所示。IGBT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。(a)FBSOA；(b)RBSOA8282

48、1.MOS控制晶闸管MCTMCT(MOS Controlled Thyristor)为MOSFET与晶闸管的复合，结合了二者的优点，具体如下：(1)MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。(2)晶闸管的高电压大电流、低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元由一个晶闸管、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组成。8383MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。2.静电感应晶

49、体管SITSIT(Static Induction Transistor)为结型场效应晶体管。小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。8484多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用，其缺点如下：(1)栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。(2)通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。85853.静电感应晶闸管SITH SITH(Static Induction Th

50、yristor)通过在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，因其工作原理与SIT类似，门极和阳极电压均能通过电场控制阳极电流，因此SITH又被称为场控晶闸管(Field Controlled Thyristor, FCT)。SITH比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结。86864.集成门极换流晶闸管IGCTIGCT(Integrated GateCommutated Thyristor)也称为GCT(GateCommutated Thyristor)，于20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，但开关速度比GTO快10倍，且可省去GT

51、O庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。目前IGCT正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。87875.功率模块与功率集成电路(1)功率模块。20世纪80年代中后期开始的模块化趋势，研究人员将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。其可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性，对工作频率高的电路，可大大减小电路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。(2)功率集成电路。将器件与逻辑、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，称为功率集成电路(Power Integrated Circuit, PIC)。8888类似功率集成电路的还有许多名

52、称，但实际上各有侧重。高压集成电路(High Voltage IC, HVIC)一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路(Smart Power IC, SPIC)一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块(Intelligent Power Module, IPM)是指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT(Intelligent IGBT)。8989功率集成电路的主要技术难点在于高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理，以前功率集成电路的开发和研究主要针对中小功率应用场合，智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难

53、点，最近几年获得了迅速发展，功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。90901.电力电子器件驱动电路概述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，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要的意义。对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务是将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。9191驱动电路对半控型器件只需提供开通控制信号，对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路还要提供控制电

54、路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离：光隔离一般采用光耦合器；磁隔离的元件通常是脉冲变压器。2.晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路用于产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。9292广义上讲，晶闸管的触发电路还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。晶闸管触发电路应满足下列要求。(1)触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通(结合擎住电流的概念)。(2)触发脉冲应有足够的幅度。(3)不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。(4)应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。93933.典型全控型器件的驱动电路(1)电流驱动型器件的驱动电路

55、。开通GTR时，驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基极与射极之间施加一定幅值(6V左右)的负偏压。图为GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。9494二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入VT，会使VT过饱和。有了贝克箝位电路，当VT过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc=0。C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，

56、并增加前沿的陡度，加快开通。9595(2)电压驱动型器件的驱动电路。栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小，使MOSFET开通的驱动电压一般为1015V，使IGBT开通的驱动电压一般为15 20V，关断时施加一定幅值的负驱动电压(一般取-5 -15V)有利于减小关断时间和关断损耗，在栅极串入一只低值电阻(数十欧左右)可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。9696图为电力MOSFET的一种驱动电路，包括电气隔离和三极管放大电路两部分，当无输入信号时，高速放大器A输出负电平，VT3导通输出负驱动电压，当有输入信号时，A输出正电平，VT

57、2导通输出正驱动电压。电力MOSFET驱动电路9797专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57962L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压为+15V和-10V，如图所示：9898IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，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)，内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为-10

58、V。99991.过电压的产生及过电压保护电力电子装置可能的过电压包括外因过电压和内因过电压两部分。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因。(1)操作过电压。操作过电压由分闸、合闸等开关操作引起。(2)雷击过电压。由雷击引起内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。100100(3)换相过电压。晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由电路电感在器件两端感应出过电压。(4)关断过电压。关断过电压是指全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。101101电力电子

59、装置过压保护的主要措施及设置位置如图所示，可视具体情况只采用其中的一种或几种，保护电路参数计算可参考相关工程手册。除此之外，也可用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管(BOD)等非线性元器件限制或吸收过电压。A避雷器;B接地电容;C阻容保护;D整流式阻容保护; E压敏电阻保护;F器件侧阻容保护1021022.过电流保护过电流有过载和短路两种情况。过电流保护可采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器，如图所示。同时采用几种过电流保护措施，可提高可靠性和合理性。103103电子电路作为第一保护措施，快速熔断器仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护

60、，过电流继电器整定在过载时动作。快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施，选择快熔时应考虑以下几方面。(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路的连接形式确定。(3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。104104快速熔断器对器件的保护方式有全保护和短路保护两种：全保护是指过载、短路均由快速熔断器进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合；短路保护方式是指快速熔断器只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备或全控型器件(