电力电子课件二章

1、第第2 2章章 电力电子器件的原理与特性电力电子器件的原理与特性不可控不可控半控型半控型全控型全控型GTO（门极可关断晶闸管）（门极可关断晶闸管） GTR（电力晶体管）（电力晶体管）电力电力MOSFET（电力场效应晶体管）（电力场效应晶体管）IGBT（绝缘栅双极型晶体管）（绝缘栅双极型晶体管）SCR（晶闸管）（晶闸管）电力二极管电力二极管门控特性门控特性2-1 2-1 电力电子器件概述电力电子器件概述电流驱动型电流驱动型电压驱动型电压驱动型GTO（门极可关断晶闸管）（门极可关断晶闸管） GTR（电力晶体管）（电力晶体管）电力电力MOSFETIGBT驱动信号性质驱动信号性质SCR（晶闸管）（晶闸

2、管）单极型单极型双极型双极型GTO（门极可关断晶闸管）（门极可关断晶闸管） GTR（电力晶体管）（电力晶体管）电力电力MOSFETIGBT载流特性载流特性SCR（晶闸管）（晶闸管）复合型复合型器件名称器件名称国外研制水平国外研制水平国内研制水平国内研制水平普普通通晶闸管晶闸管SCR12kV/8kA, 8kV/6kA 6.5kV/3.5kA快速晶闸管2.5kV/1.6kA2kV/1.5kA光控晶闸管6kV/6kA, 8kV/4kA 4.5kV/2kA可关断晶闸管GTO9kV/2.5kA,8kV/8kA (400Hz)4.5kV/2.5kA电力晶体管GTR模块：1.8kV/1kA (2kHz) 模

3、块：1.2kV/400A电力电力MOSFET60A/200V（2MHz)500V/50A(100MHz)1kV/35A绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT单管：4.5 kV/1kA 模块：3.5 kV/1.2kA （50kHz) 单管：1 kV/50A 模块：1.2 kV/200A集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT单管：6 kV/kAMOS控制晶闸管MCT1 kV/100A （Td=1 s)1 kV/75A功率集成电路IPM:1.8kV/1.2kA600V/75A电力电子器件的最新研制水平电力电子器件的最新研制水平电力电子器件应用电力电子器件应用电力电子器件电力电子器件 电力变

4、换电路电力变换电路lSCRlTRIAClGTOlGTRlMOSFETlIGBT可控整流电路可控整流电路有源逆变电路有源逆变电路直流斩波电路直流斩波电路交流调压电路交流调压电路*软开关软开关 电路电路脉宽调制电路脉宽调制电路电力电子器件主要厂家电力电子器件主要厂家ABBABB、三菱、三菱、infineoninfineon、GEGE、日立、东芝、富士、日立、东芝、富士、motoloramotolora，IRIR等等 以IGBT为例，全球IGBT主要供应商集中在英飞凌、三菱、ABB、富士等少数几家公司 2-2 2-2 不可控器件电力二极管不可控器件电力二极管1. 1. 电力二极管电力二极管Power

5、 DiodePower Diode的结构和原理的结构和原理 Power DiodePower Diode结构简单，工作可靠，自结构简单，工作可靠，自2020世纪世纪5050年代初期就获年代初期就获得应用；得应用； 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位；以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位； 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体体PNPN结为基础；结为基础； 从外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封

6、装，小功从外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。率的和普通二极管一致。 AKAKa)IKAPNJb)c)图图2-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号2.2.电力二极管电力二极管Power DiodePower Diode中中3. 3. 电力二极管电力二极管4. 4. 电力二极管电力二极管 静态特性静态特性 二极管具有单向导电能力，二极管正二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压向导电时必须克服一定的门坎电压U Uthth( (又又称死

7、区电压称死区电压) )，当外加电压小于门坎电压时，当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压正向电流几乎为零。硅二极管的门坎电压约为约为0.7V0.7V，当外加电压大于，当外加电压大于U Uthth后，电流会后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流反向电流I IS S是很小的，但是当外加反向电是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压压超过二极管反向击穿电压U URORO后二极管被后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。电击穿，反向电流迅速增加。5. 5. 电力二极管电力二极管6. 6. 部分电力二极管部分电力二极管2-

8、3 2-3 半控型器件晶闸管（半控型器件晶闸管（SCRSCR） 晶闸管SCR（ Silicon Controlled Rectifier）又称：晶体闸流管(Thyristor)，可控硅整流器。1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管；1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品，1958年商业化；开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时带；20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代；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。(12KV/8KA)1、晶闸管的结构与封装、晶闸管的结构与封装引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制

9、端门极（控制端）G三个联接三个联接端；端；晶闸管的常见封装外形有晶闸管的常见封装外形有螺栓型和平板型螺栓型和平板型两种封装：两种封装：对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3 图图2-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号2、晶闸管的开关特性、晶闸管的开关特性

10、晶闸管晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。的单向开关。图图2-3 晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管的工作条件的试验电路电路工作分析：电路工作分析：当当SCR的阳极和阴极电压的阳极和阴极电压UAK0时，只有时，只有EGk0，SCR才能导通才能导通,灯泡亮灯泡亮 。说明。说明SCR具有具有正正向阻断能力向阻断能力；SCR一旦导通，门极一旦导通，门极G将失去控制作用将失去控制作用，即无论，即无论EG如何，均保持如何，均保持导通状态。导通状态。SCR导通后的管压降为导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流左右，主电路中的电流I由由R和和RW以及以及EA的

11、大小决定；的大小决定；当当UAK0 同时同时 UGK0导通导通关断的条件关断的条件：使流过使流过SCR的电流降低至维持电流以下。的电流降低至维持电流以下。 (一般通过减小一般通过减小EA,直至直至EA00 产生产生I IGG V2V2通通产生产生I IC2C2 V1V1通通 I IC1C1 I IC2C2 出出现强烈的正反馈，现强烈的正反馈，GG极失去控制作用，极失去控制作用，V1V1和和V2V2完全饱和，完全饱和，SCRSCR饱饱和导通。和导通。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图2-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸

12、管的双晶体管模型及其工作原理3、晶闸管的工作原理、晶闸管的工作原理2Gc0A121 ()III和 分别为Q1管和Q2管的电流放大系数 12GI为门极触发电流 Ic0 为反向漏电流 1. 当晶闸管承受正向阳极电压时, ，而门极未加电压时， 很小，阳极电流等于反向漏电流,晶闸管处于正向阻断状态；12()2. 当晶闸管承受正向阳极电压时 ，而门极施加触发电压时，晶闸管形成强烈的开通正反馈,当(a1+a2)1时，式中分母1-(a1+a2)0 ，因而大大地提高了晶闸管的阳极电流 ,这时，流过晶闸管的电流完全由主电路的电源电压和回路电阻所决定， 晶闸管处于正向导通状态；3. 晶闸管导通以后，即使门极电流为

13、零，晶闸管仍能保持原来的阳极电流而继续导通，门极失去控制作用；4.想关断已导通的晶闸管，可减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流减小到维持以下，此时，a1和a2迅速下降，当1-(a1+a2)1时，晶闸管恢复阻断状态。 4、晶闸管的基本特性、晶闸管的基本特性（1） 静态特性静态特性 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；闸管都不会导通； 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；晶闸管才能开通； 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用； 要使晶闸

14、管关断，只能使晶闸管的电流降到接近要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下（小于维持电流）于零的某一数值以下（小于维持电流） 。 因此，因此，SCR是一种电流控制型的电力电子器件。是一种电流控制型的电力电子器件。 （2） 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 第第I象限的是正向特性象限的是正向特性 第第III象限的是反向特性象限的是反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图图2-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG（3） 晶闸管门极伏安特性晶闸管门极伏安特性 门极门极G与阴极与阴极K之间相当于

15、一个二极管。由于晶之间相当于一个二极管。由于晶闸管门极参数分散性较大，采用门极伏安特性区闸管门极参数分散性较大，采用门极伏安特性区域来表示。域来表示。图图2-6 晶闸管门极伏安特性晶闸管门极伏安特性ADEFGCBA为可为可靠触发区，应根据靠触发区，应根据主电路的不同应用，主电路的不同应用，正确选择合适的门正确选择合适的门极触发电压和触发极触发电压和触发电路。电路。（4） 晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA图图2-7 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间td：门极电流阶跃时

16、刻开始，到阳极电：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的流上升到稳态值的10%的时间的时间上升时间上升时间tr：阳极电流从：阳极电流从10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%所需的时间所需的时间开通时间开通时间tgt以上两者之和：以上两者之和： tgt=td+ tr 普通晶闸管延迟时间为普通晶闸管延迟时间为0.51.5 s，上升时间为，上升时间为0.53 s，这是设计触发脉冲的依据，这是设计触发脉冲的依据。2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间。至接近于零的时间。正向阻断恢复时间正

17、向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间。力还需要一段时间。 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，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。晶闸管会重新正向导通。 关断时间关断时间tq：trr与与tgr之和，即之和，即 tq=trr+tgr 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。这是设计普通晶闸管的关断时间约几百微秒。这是设计反向电压作用时间的依据。反向电压作用时间的依据。5、晶闸管的主要参数、晶闸管的主要参数（1） 电压参数电压参数1) 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在门极开路而结

18、温为额在门极开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。定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极开路而结温为额在门极开路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3) 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定倍晶闸管通以某一规定倍数（数（倍倍)的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压（一的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压（一般为般为2V）。）。 通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件中较小的标值作为该器件的额定电压的额定电压。选用时，

19、额定电压要留有一定裕量。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。倍。（2 2） 电流参数电流参数 通态平均电流通态平均电流 IT(AV)IT(AV) 额定电流额定电流- - 晶闸管在环境温度为晶闸管在环境温度为4040 CC和规定的冷和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的的单相工频正弦半波电流的最大平均值单相工频正弦半波电流的最大平均值。 使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的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

20、取晶闸管原则来选取晶闸管( (依据依据发热效应、有效值相等发热效应、有效值相等的原的原则）则）。 实际使用时应留一定的裕量，一般取实际使用时应留一定的裕量，一般取1.521.52倍。倍。 电流平均值：电流平均值： 指一个周期内的电流算数平均值；指一个周期内的电流算数平均值； 电流有效值：电流有效值： 指一个周期内的电流的方均根值。指一个周期内的电流的方均根值。 波形系数：波形系数： KfKf = I / IT(AV) = I / IT(AV) 工频正弦半波电流的工频正弦半波电流的KfKf=1.57=1.57 维持电流维持电流 IHIH 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

21、小电流一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则则IHIH越小越小 擎住电流擎住电流 IL IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，号后， 能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。 对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL IL约为约为IHIH的的2424倍。倍。 浪涌电流浪涌电流ITSMITSM 指由于电路异常情况（短路或过载）引起指由于电路异常情况（短路或过载）引起的并使结温超过额定结温的的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流不重复性最大正向过载电流。（3 3）动态参数）动

22、态参数 除开通时间和关断时间外，还有：除开通时间和关断时间外，还有： 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dtdu/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶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正向电压最大上升率。闸管从断态到通态转换的外加正向电压最大上升率。过过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。 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，晶闸管能承受而无有害影响的最指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。大通态电流上升率。 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，

23、便会有如果电流上升太快，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。成局部过热而使晶闸管损坏。（4 4） SCRSCR的门极参数的门极参数 门极触发电流门极触发电流IGTIGT 指在室温下，阳极电压直流指在室温下，阳极电压直流6V6V时使时使SCRSCR由断态转由断态转入通态所必需的最小门极电流。入通态所必需的最小门极电流。 门极触发电压门极触发电压UGT 指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。指产生门极触发电流所必需的最小门极电压。 由于由于SCR器件的分散性较大，应使触发电路提供器件的分散性较大，应

24、使触发电路提供给门极的电流和电压适当大于给门极的电流和电压适当大于SCR的参数值，最好在的参数值，最好在PG曲线附近。曲线附近。6、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（Fast Switching ThyristorFast Switching ThyristorFST)FST) 快速晶闸管的关断时间快速晶闸管的关断时间5050s s，常在较高频，常在较高频率率(400HZ)(400HZ)的整流、逆变和变频等电路中使用，它的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平

25、均电流国内已能提供最大平均电流1200A1200A、最高断态电压、最高断态电压1500 V1500 V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为约为2525s s5050s s 。(2) (2) 双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristorBidirectional triode thyristor） 双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主都可以看

26、成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。发导通。(3) (3) 逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorReverse Conducting ThyristorRCTRCT） 逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。上的集成元件。4. 4. 光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLight Triggered ThyristorLTTLTT） 光控晶闸管光控晶闸管(Light

27、Activated Thyristor(Light Activated Thyristor) )是利是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。其结构也用一定波长的光照信号控制的开关器件。其结构也是由是由P1N1P2N2P1N1P2N2四层构成四层构成。2-4 2-4 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO）门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off ThyristorGate-Turn-Off Thyristor GTOGTO）GTO是继晶闸管后出现的大功率电力电子器件，属是继晶闸管后出现的大功率电力电子器件，属于全控型器件。于全控型器件。 可以通过在门极施加负的脉

28、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（目前制造水平为的电压、电流容量较大（目前制造水平为8KV/8KA)8KV/8KA)，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上，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。的大功率场合仍有较多的应用。GTO的应用简化了电力电子装置，不需要强迫换流的应用简化了电力电子装置，不需要强迫换流装置。装置。1.1. GTOGTO的结构与外形的结构与外形结构：与结构：与普通晶闸管的相同点普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极；和普通晶闸管结构，外部引出阳极、阴极和

29、门极；和普通晶闸管的不同：的不同：GTO是一种多元的功率集成器件是一种多元的功率集成器件(多胞结多胞结构），内部包含数十个甚至数百个共阳极的小构），内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。一起。8KV/8KA，工作频率达到，工作频率达到1Kc)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK 图图2-8 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、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形

30、符号电气图形符号2. GTO2. GTO的工作原理的工作原理 与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图2-9所示的双晶体管所示的双晶体管模型来分析模型来分析 开通过程与普通开通过程与普通晶闸管相同晶闸管相同 1+ 2=1是器件临界导通的条件。当是器件临界导通的条件。当 1+ 21时，时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当 1+ 21时，不能维持饱和导通而关断。时，不能维持饱和导通而关断。RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图2-9 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理GTOGTO能够通

31、过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：下区别：（1 1）导通时过程与普通晶闸管一样，）导通时过程与普通晶闸管一样，只是只是 1+1+ 2 2更更接近接近1 1（ 1.051.05，普通晶闸管，普通晶闸管 1+1+ 2 2 1.151.15），），这样导通这样导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断；时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断；（2 2）多元集成结构使）多元集成结构使GTOGTO元阴极面积很小，门、阴元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得极间距大为缩短，使得P2P2基区横向电阻很小，能从门基区横向电阻很小，能从门极抽出较大

32、电流极抽出较大电流; ; （3 3）关断过程：）关断过程：强烈正反馈强烈正反馈门极加负脉冲即从门极加负脉冲即从门极抽出电流，则门极抽出电流，则Ib2Ib2减小，使减小，使IKIK和和Ic2Ic2减小，减小，Ic2Ic2的减的减小又使小又使IAIA和和Ic1Ic1减小，又进一步减小减小，又进一步减小V2V2的基极电流，当的基极电流，当IAIA和和IKIK的减小使的减小使 1+1+ 21220V20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿 这个特性十分重要：因为人体常常带有高压静电，这个特性十分重要：因为人体常常带有高压静电，所以在接触所以在接触MOSMOS型器件，包括电力型器件，包括电力MOSFETM

33、OSFET、普通、普通MOSFETMOSFET、MOSMOS型集成电路时，可以先用手接触一下型集成电路时，可以先用手接触一下接地的导体，将身体的静电放掉，否则容易将接地的导体，将身体的静电放掉，否则容易将GSGS间间的绝缘层击穿。的绝缘层击穿。 4. 4. 电力电力MOSFETMOSFET与与GTOGTO、GTRGTR的区别的区别 GTRGTR和和GTOGTO的特点的特点双极型，电流驱动，通流双极型，电流驱动，通流能力很强，开关速度较低，所需驱能力很强，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动功率大，驱动电路复杂；动电路复杂； MOSFET MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关单极型，电

34、压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功速度快，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；率小而且驱动电路简单； 两类器件取长补短结合而成一些复合器件两类器件取长补短结合而成一些复合器件Bi-Bi-MOSMOS器件器件（如（如IGBT)IGBT)。2-6 2-6 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT） 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT（Insulated-gate Bipolar Insulated-gate Bipolar TransistorTransistor） IGBTIGBT为为GTRGTR和和MOSFETMOSFET复

35、合，它结合二者的优点，具有复合，它结合二者的优点，具有比它们更好的特性；比它们更好的特性； 19861986年投入市场后，取代了年投入市场后，取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市的市场场, ,成为中小功率电力电子设备的主导器件，在成为中小功率电力电子设备的主导器件，在MWMW以下以下功率应用场合首选；功率应用场合首选； 大功率大功率IGBT模块达到模块达到1200-1800A/1800-3300V的水平的水平（参考）。在中等电压区域（参考）。在中等电压区域（370-600V），工作频率），工作频率可达到可达到150-180KHz。 目前目前, ,高速列车广泛采用高速列

36、车广泛采用6.5KV/600A6.5KV/600A、3.3KV/1200A3.3KV/1200A的的IGBTIGBT。1. 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GG、集电极、集电极CC和发射极和发射极E E 图2-13 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EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc) （1) IGBT1) IGBT的结构的结构 图图2-13aN2-13aN沟道

37、沟道MOSFETMOSFET与与GTRGTR组合组合NN沟道沟道IGBTIGBT（N-IGBTN-IGBT）；）；IGBTIGBT比比MOSFETMOSFET多一层多一层P+P+注入区，形成了一个大注入区，形成了一个大面积的面积的P+NP+N结结J1J1；IGBTIGBT导通时，由导通时，由P+P+注入区向注入区向N N基区发射少子，从基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得而对漂移区电导率进行调制，使得IGBTIGBT具有很强的具有很强的通流能力；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组成的组成的达林顿结构，一个由达林

38、顿结构，一个由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNPPNP晶晶体管；体管；RNRN为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。（2) IGBT2) IGBT的工作原理的工作原理 驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFETMOSFET基本相同，属于场控器基本相同，属于场控器件，件，通断由栅射极电压通断由栅射极电压UGEUGE决定决定 导通：导通：UGEUGE大于开启电压大于开启电压UGE(thUGE(th) )时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。 集射极间集射极间导通压降：电导调制效

39、应使电阻导通压降：电导调制效应使电阻RNRN减减小，使通态压降减小。小，使通态压降减小。关断：关断：施加反压或不加信号时施加反压或不加信号时，MOSFETMOSFET内的沟内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。2. IGBT2. IGBT的基本特性的基本特性（1)IGBT1)IGBT的静态特性的静态特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加 图图2-14 IGBT2-14 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性 a) a) 转移特性转移特性 b) b

40、) 输出特性输出特性 转移特性转移特性ICIC与与UGEUGE间的关系间的关系，与，与MOSFETMOSFET转移转移特性类似特性类似开启电压开启电压UGE(thUGE(th)IGBT)IGBT能实现电导调制而导能实现电导调制而导通的最低栅射电压通的最低栅射电压UGE(thUGE(th) )随温度升高而略有下降，在随温度升高而略有下降，在+25+25 CC时，时，UGE(thUGE(th) )的值一般为的值一般为2626V V 输出特性输出特性（伏安特性）（伏安特性）以以UGEUGE为参考变量时，为参考变量时，ICIC与与UCEUCE间的关系间的关系分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分

41、为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与分别与GTRGTR的截止区、放大区和饱和区相对应的截止区、放大区和饱和区相对应UCE0UCE0时，时，IGBTIGBT为反向阻断工作状态，不具有为反向阻断工作状态，不具有逆导能力。逆导能力。（2)IGBT2)IGBT的动态特性的动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图图2-15 IGBT2-15 IGBT的开关过程的开关过程 IGBTIGBT的开通过程分析的开通过程分析 与与MOSFE

42、TMOSFET的相似，因为开通过程中的相似，因为开通过程中IGBTIGBT在大部在大部分时间作为分时间作为MOSFETMOSFET运行运行开通延迟时间开通延迟时间td(on) td(on) 从从U UGEGE上升至其幅值上升至其幅值10%10%的时刻，到的时刻，到iiCC上升至上升至10% I10% ICMCM 电流上升时间电流上升时间tr itr iCC从从10%I10%ICMCM上升至上升至90%I90%ICMCM所所需时间需时间 开通时间开通时间tonton开通延迟时间与电流上升时间开通延迟时间与电流上升时间之和之和U UCECE的下降过程分为的下降过程分为tfv1tfv1和和tfv2t

43、fv2两段。两段。tfv1tfv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET单独工作的电压下降过程；单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFETtfv2MOSFET和和PNPPNP晶体管同时工作的电压下晶体管同时工作的电压下降过程降过程 IGBT IGBT的关断过程分析的关断过程分析关断延迟时间关断延迟时间td(off) td(off) 从从u uGEGE后沿下降到其幅后沿下降到其幅值值90%90%的时刻起，的时刻起，到到iiCC下降至下降至90%I90%ICMCM 电流下降时间电流下降时间iiCC从从90%I90%ICMCM下降至下降至10%I10%ICMCM 关断时间关断时间toffto

44、ff关断延迟时间与电流下降之和关断延迟时间与电流下降之和电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1tfi1和和tfi2tfi2两段。两段。tfi1tfi1IGBTIGBT内部的内部的MOSFETMOSFET的关断过程，的关断过程，iiCC下降较快；下降较快；tfi2IGBTtfi2IGBT内部的内部的PNPPNP晶体管的关断过程，晶体管的关断过程，i iCC下下降较慢降较慢 IGBTIGBT中双极型中双极型PNPPNP晶体管的存在，虽然带来了电导晶体管的存在，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，因而调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBTIGBT的开关速度低

45、于电力的开关速度低于电力MOSFETMOSFET。 IGBTIGBT的的击穿电压、通态压降和关断时间击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷也是需要折衷的参数。的参数。 （3) 3) 擎住效应擎住效应 IGBTIGBT为四层结构，存在一个寄生为四层结构，存在一个寄生晶闸管，在晶闸管，在NPNNPN晶体管的基极与晶体管的基极与发射极之间存在一个体区短路电发射极之间存在一个体区短路电阻，阻， P P型体区的横向空穴流过此型体区的横向空穴流过此电阻会产生一定压降，对电阻会产生一定压降，对J3J3结相结相当于一个正偏置电压。在规定的当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置集电极电流范围

46、内，这个正偏置电压不会使电压不会使NPNNPN晶体管导通；当晶体管导通；当I IC C大到一定程度时，该偏置电压大到一定程度时，该偏置电压使使NPNNPN晶体管开通，进而使晶体管开通，进而使NPNNPN和和PNPPNP晶体管处于饱和状态。于是晶体管处于饱和状态。于是栅极失去控制作用，这就是所谓栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。的擎住效应。3. IGBT3. IGBT的主要参数和特点的主要参数和特点1) 1) 最大集射极间电压最大集射极间电压UCESUCES： 由内部由内部PNPPNP晶体管晶体管的击穿电压确定的击穿电压确定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

47、额定直流电流ICIC和和1ms1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICPICP3) 3) 最大集电极功耗最大集电极功耗PCMPCM ： 正常工作温度下允许正常工作温度下允许的最大功耗的最大功耗 决定安全工作区决定安全工作区IGBT的参数的参数 IGBTIGBT的特点的特点(1)(1)开关速度高，开关损耗小。在电压开关速度高，开关损耗小。在电压1000V1000V以上以上时，开关损耗只有时，开关损耗只有GTRGTR的的1/101/10，与电力，与电力 MOSFETMOSFET相相当；当；(2) (2) 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，大，且具有耐脉冲

48、电流冲击能力；且具有耐脉冲电流冲击能力；(3) (3) 通态压降比通态压降比MOSFETMOSFET低，特别是在电流较大的低，特别是在电流较大的区域；区域；(4) (4) 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；(5) IGBT(5) IGBT往往与反向并联的快速二极管封装在一起，往往与反向并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。目前还有多管模块和制成模块，成为逆导器件。目前还有多管模块和IPMIPM（IGBT+IGBT+控制和保护电路）。控制和保护电路）。2.7 2.7 集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCTIGCT） IGCTI

49、GCT（Integrated Gate-Commutated ThyristorIntegrated Gate-Commutated Thyristor），也称），也称GCTGCT（Gate-Commutated ThyristorGate-Commutated Thyristor）；）； IGCTIGCT于于 19961996年由年由ABBABB公司研制成功公司研制成功 ，结合了，结合了IGBTIGBT与与GTOGTO的优点，容量与的优点，容量与GTOGTO相当，开关速度快相当，开关速度快1010倍，倍，且可省去且可省去GTOGTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需庞大而复杂的缓冲电路，只不过

50、所需的驱动功率仍很大；的驱动功率仍很大； 具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。高、结构紧凑、损耗低的特点。 目前正在与目前正在与IGBTIGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取等新型器件激烈竞争，试图最终取代代GTOGTO在大功率场合的位置。和相比，具在大功率场合的位置。和相比，具有单管容量大的典型特征。目前可成熟应用的为有单管容量大的典型特征。目前可成熟应用的为4.5KV/4000A.4.5KV/4000A.是门极换向晶闸管（即是门极换向晶闸管（即 GCT，是指，是指GTO芯片与反并联二极管）芯片与反并联二极管）和栅极驱动电路

51、集成在一和栅极驱动电路集成在一起，再与其栅极驱动器在外围以低电感方式连接，起，再与其栅极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了结合了晶体管晶体管的稳定关断能力和的稳定关断能力和晶闸管晶闸管低通态损低通态损耗的优点，在耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能导通阶段发挥晶闸管的性能，关断关断阶段呈现晶体管的特性阶段呈现晶体管的特性。1. IGCT的定义的定义IGCT导通机理与GTO完全一样，但关断机理与GTO完全不同，在IGCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个pnp晶体管以后再关断，所以它无外加du/dt限制；而GTO必须经过一个既非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换（即“GT

52、O区”），所以GTO需要很大的吸收电路来抑制再加电压的变化率du/dt。阻断状态下IGCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益pnp晶体管与栅极电源的串联。 当GCT处在导通状态时，像晶闸管一样具有携带电流能力强和通态压降低的特点；当GCT处在关断状态时，GCT的门-阴极PN结提前进入反向偏置，并有效退出工作，整个器件呈现晶体管工作方式。 2. IGCT的工作原理的工作原理阻断状态下GCT 的等效电路 IGCT相当于开关特性很硬的相当于开关特性很硬的GTO，但它比，但它比GTO具有更多的优势。具有更多的优势。SIGCT的导通压降较低，开关速度更高。的导通压降较低，开关速度更高。SIGCT不需

53、对不需对吸收电路吸收电路进行特别的设计，甚至可以进行特别的设计，甚至可以不用吸收电路不用吸收电路。SIGCT容易实现连续运行，连续运行的有效性和元容易实现连续运行，连续运行的有效性和元器件的易更换性对工业实际运行非常有利。器件的易更换性对工业实际运行非常有利。3. IGCT的特性的特性IGCT已广泛用于大功率高压变频器、船舶推进等已广泛用于大功率高压变频器、船舶推进等设备之中。设备之中。在牵引和工业领域中，以在牵引和工业领域中，以IGCT或或IGBT作为开关作为开关器件的器件的PWM型型VSC，正在迅速取代普通，正在迅速取代普通GTO作为开作为开关器件的关器件的VSC和电流源型变流器（和电流源

54、型变流器（CSC）。）。4. IGCT的主要参数的主要参数1）正向阻断峰值电压UDRM：即阻断时在额定结温和允许的最大正向漏电流条件下，测得的正向重复峰值电压； 2）结温Tj：指IGCT在额定工作电流下，不使其失效的最高PN结温度；3)最大不重复关断电流ITGQM :在承受规定的电压条件下的最大不重复关断电流;4)通态压降通态压降UT:指在指在I ITGQMTGQM条件下的正向压降条件下的正向压降;其他参数定义请见教材其他参数定义请见教材p421 IGCT可工作在中等电压等级、能关断可工作在中等电压等级、能关断10MW功率的硅材料开关元件。功率的硅材料开关元件。 IGCT将功率处理单元将功率处

55、理单元GCT和控制电路集成在一个封装内，这样更易于和控制电路集成在一个封装内，这样更易于控制，可有效降低开关元件的成本。控制，可有效降低开关元件的成本。 2 在相同运行功率的条件下，在相同运行功率的条件下，IGCT比比GTO和和IGBT的开关频率更高，开关损耗更低。在中等电压的开关频率更高，开关损耗更低。在中等电压等级下控制相同的兆瓦级功率，并保证相同效率和等级下控制相同的兆瓦级功率，并保证相同效率和可靠性的前提下，它的封装尺寸更小，费用更低。可靠性的前提下，它的封装尺寸更小，费用更低。5.IGCT的应用比较分析的应用比较分析3 在高频工作条件下，若采用在高频工作条件下，若采用IGCT来实现逆

56、变来实现逆变器时，可将逆变器的元件数量减少器时，可将逆变器的元件数量减少50%，因而可节，因而可节省约省约30%的能量。这种开关元件的典型电压应用等的能量。这种开关元件的典型电压应用等级有：级有：2.3, 4.16和和6.9kV。这可保证它能直接用于工。这可保证它能直接用于工业电机，电力机车牵引，轮船推进，流水线等大功业电机，电力机车牵引，轮船推进，流水线等大功率应用场合。率应用场合。 相对相对IGBT而言，而言，IGCT在过流及短路保护能力在过流及短路保护能力方面稍逊一色方面稍逊一色 44 IGCT是对是对GTO和和IGBT的改进和提高。的改进和提高。GTO需要复杂的外围电路，以保证可靠的工

57、作，工作需要复杂的外围电路，以保证可靠的工作，工作频率也低；频率也低；IGBT在中等电压等级应用时，损耗在中等电压等级应用时，损耗增加。在大功率应用时，需要较多的元件组成模增加。在大功率应用时，需要较多的元件组成模块。块。IGCT则克服了则克服了GTO和和IGBT设计中内在的开设计中内在的开关技术缺陷。关技术缺陷。5 IGCT技术是一个高速的技术飞跃，它的开关技术是一个高速的技术飞跃，它的开关特性相当于特性相当于IGBT，而导通能力则相当于，而导通能力则相当于GTO，但，但IGCT减少了成本和外围器件。减少了成本和外围器件。 b在相同运行功率的条件下，在相同运行功率的条件下，IGCT比比GTO

58、和和IGBT的开关频率更高，而且开关损耗更低。的开关频率更高，而且开关损耗更低。b在中等电压等级下控制相同的兆瓦级功率，并保证在中等电压等级下控制相同的兆瓦级功率，并保证相同效率和可靠性的前提下，相同效率和可靠性的前提下， IGCT比比GTO和和IGBT的封装尺寸更小，费用更低。的封装尺寸更小，费用更低。bIGBT在中等电压等级应用时，损耗增加。在大功在中等电压等级应用时，损耗增加。在大功率应用时，需要较多的元件组成模块。率应用时，需要较多的元件组成模块。比较总结比较总结GTO晶闸管晶闸管 高压高压IGBT模块模块 IGCT的性能的性能 开开关关技技术术 可靠性高可靠性高结构紧凑结构紧凑 高频

59、开关特性高频开关特性低开关损耗低开关损耗无需吸收器无需吸收器集成门驱动集成门驱动 高频开关特性高频开关特性低开关和通态损耗低开关和通态损耗无需吸收器无需吸收器可用于大多数的电压等级可用于大多数的电压等级 功功率率电电路路 不发生灾难不发生灾难性的事故性的事故 低压时，元件低压时，元件数较少数较少低压时，适合低压时，适合并联和级联并联和级联 不发生灾难性的事故不发生灾难性的事故可靠性高可靠性高集成了二极管和门控单元集成了二极管和门控单元适合于并联和级联适合于并联和级联 器件器件设计设计 对各种电压对各种电压等级都有效等级都有效低通态损耗低通态损耗 模块设计模块设计 允许紧凑和模块化设计允许紧凑和

60、模块化设计减少电缆互连线减少电缆互连线 典型开关元件的特性归纳典型开关元件的特性归纳IGBT,GTO和IGCT三种电力器件的性能比较 2.8 2.8 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件 （1 1）MOSMOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT （2 2）静电感应晶体管）静电感应晶体管SITSIT （3 3）静电感应晶闸管）静电感应晶闸管SITHSITH （4 4）功率模块与功率集成电路）功率模块与功率集成电路（1） MOS控制晶闸管MCT MCTMOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点： MOSFETMOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过的高输入阻抗、低驱动功率、快速