第3章 全控器件 (2013)

1、第第3章章 第第3章章 全控型器件全控型器件引言引言门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久在晶闸管问世后不久出现。出现。2020世纪世纪8080年代以来，电力电子技术进入了一年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。个崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。（图3-20）第第3章章 全控型器件全控型器件引言引言常用的常用的全控型器件全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块3.1 典型全控型器件典型全控型器件3.1.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管晶闸管的一种

2、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，与普通晶闸管的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近接近( (9KV9KV、1KA1KA，4.5KV4.5KV、4.5KA)4.5KA)因而在兆瓦因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）3.1.1 门极可关断晶门极可关断晶闸管闸管结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同

3、点：GTO是一种多元的功率集成器件。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图3-1 GTO的内部结构 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 1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理3.1.1 门极可关断晶闸门极可关断晶闸管管工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图3-23-2所示的双晶体管模所示的双晶体管模型来分析。型来分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图图3-2 3-2 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型及其工作原理及其工作原理

4、 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由由P P1 1N N1 1P P2 2和和N N1 1P P2 2N N2 2构成构成的两个晶体管的两个晶体管V V1 1、V V2 2分分别具有共基极电流增别具有共基极电流增益益 1 1和和 2 2 。2 GCBO1CBO2A121()IIIIaaa+=-+（3-1）3.1.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO能够通过门极关断的原因是其能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下与普通晶闸管有如下区别区别：RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )图图3-3 3-3 晶闸

5、管的工作原理晶闸管的工作原理c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK导通时导通时 1 1+ + 2 2更接近更接近1 1，导通，导通时接近临界饱和，有利门极时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降控制关断，但导通时管压降增大。增大。 设计设计 2 2较大，使晶体管较大，使晶体管V V2 2控控 制灵敏，易于制灵敏，易于GTOGTO关断。关断。多元集成结构，使得多元集成结构，使得P P2 2基区基区横向电阻很小，能从门极抽横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。出较大电流。 3.1.1 门极可关门极可关断晶闸管断晶闸管开通过程开通过程：与普通晶闸管相同：与普通晶闸管相同关

6、断过程关断过程：与普通晶闸管有所不：与普通晶闸管有所不同同储存时间储存时间t ts s，使等效晶体管，使等效晶体管退出饱和。退出饱和。下降时间下降时间t tf f 尾部时间尾部时间t tt t 残存载流子复残存载流子复合。合。通常通常t tf f比比t ts s小得小得多，而多，而t tt t比比t ts s要长。要长。门极负脉冲电流幅值门极负脉冲电流幅值越大，越大，t ts s越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图图3-3 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形2) GTO的动态特性的动态特性3.1.1 门极可

7、关断晶闸门极可关断晶闸管管3)3)GTOGTO的主要参数的主要参数 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1212 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。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于尾部时间。下降时间一般小于2 2 s s。（2） 关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间ton 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。以下只介绍意义不同的参数。3.1.1 门极可关断门

8、极可关断晶闸管晶闸管（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流I IATOATO（4） 电流关断增益电流关断增益 off offoff一般很小，只有一般很小，只有5 5左右，这是左右，这是GTOGTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A1000A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200A200A 。 GTOGTO额定电流。额定电流。 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值大值I IGMGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。（3-2）ATOoffGMIIb=3.1.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管电力晶体管

9、（Giant TransistorGiant TransistorGTRGTR，直译为，直译为巨型晶体管）巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Bipolar Junction TransistorJunction TransistorBJTBJT），英文有时候也称），英文有时候也称为为Power BJTPower BJT。DATASHEET DATASHEET 1 1 2 2 应用应用2020世纪世纪8080年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被管，但目前又大多被IGBTIGBT和

10、电力和电力MOSFETMOSFET取代取代。术语用法术语用法：与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。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 。3.1.2 电力晶体管电力晶体管1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动3.1.2 电力晶体管电力晶体管 (1) 静态特性静态特性共发射极接法时的典型输共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区出特性：截止区、放大区和饱和区。和饱和区。

11、在电力电子电路中在电力电子电路中GTRGTR工作工作在开关状态。在开关状态。在开关过程中，即在截止在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2 BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BuBuceoceo。实际使用时，最高工作电压要实际使用时，最高工作电压要比比BUBUceoceo低得低得多。多。3）GTR的主要参数的主要参数oICUceBUceoBUcboBUcexBUcesBUcer 电流放大倍数电流放大倍数 、直流电流增益、直流电流增益h hFEFE、集射极间

12、漏电、集射极间漏电流流I Iceoceo、集射极、集射极间饱和压间饱和压降降U Ucesces、开通时间、开通时间t tonon和关断时间和关断时间t toffoff (此此外还有外还有)： 电力晶体管的击穿特性3.1.2 电力晶体管电力晶体管通常规定通常规定为为h hFEFE下降到规定值的下降到规定值的1/2-1/31/2-1/3时所对应时所对应的的I Ic c 。实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点。 3) 3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允许的耗散功率。最高工作温度下允许的耗散功

13、率。产品说明书产品说明书中给中给P PcMcM时同时给出时同时给出壳温壳温T TC C，间接表示了最高工，间接表示了最高工作温度作温度 。 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM3.1.2 电力晶体管电力晶体管一次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，I Ic c迅速增大。迅速增大。只要只要I Ic c不超过限度，不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿二次击穿：二次击穿发生二次击穿发生时，时，I Ic c突然急剧上升，电压陡然下降。突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特

14、性明显衰变常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。安 全 工 作 区 （安 全 工 作 区 （ S a f e Operating AreaSOA）最高电压最高电压U UceMceM、集电极最大电、集电极最大电流流I IcMcM、最大耗散功率、最大耗散功率P PcMcM、二、二次击穿临界线限定。次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图3-6 GTR的安全工作区4) GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区3.1.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOSMOS型型（Metal Ox

15、ide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT） 特点特点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 。电力场效应晶体管电力场效应晶体管3.1.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道。 耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。 增强型增强型对于

16、N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力MOSFET主要是N沟道增强型沟道增强型。DATASHEET1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理3.1.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的结构的结构导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图3-7 电力MOSFET的结构和电气图形符号3.1.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。截止：漏源极间加正电源，栅源极间

17、电压为零。P P基区与基区与N N漂移区之间形成漂移区之间形成的的PNPN结结J J1 1反偏，漏源极之反偏，漏源极之间无电流流过。间无电流流过。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图3-8 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理3.1.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管导电：在栅源极间加正电压导电：在栅源极间加正电压U UGSGS当当U UGSGS大于大于U UT T时，时，P P型半导体反型成型半导体反型成N N型而成为反型层，型而成为反型层，该反型层形成该反型层形成N N沟道而使沟道而使PNPN结结J J

18、1 1消失，漏极和源极消失，漏极和源极导电导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图3-8 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理3.1.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFETMOSFET的开关速度的开关速度和和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R Rs s减小时间常数，加快开关速度。减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在开关时间在10100ns10100ns之间，工作频

19、率可达之间，工作频率可达100kHz100kHz以上，以上，是主要电力电子器件中最高的。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。但在开关过程中场控器件，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。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开关频率越高，所需要的驱动功率越大。大。MOSFET的开关速度的开关速度3.1.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2) 电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 电力电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额(1) 漏极电压漏极电压UDS (2) 漏极直流电流漏极直流电流

20、ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力电力MOSFETMOSFET电流定额电流定额(3) 栅源电压栅源电压UGS U UGSGS 20V20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿 。 除跨导除跨导G Gfsfs、开启电压、开启电压U UT T以及以及t 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： (4) 极间电容极间电容极间电容极间电容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS3.3.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管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

21、绝 缘 栅 双 极 晶 体 管绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 （ I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r I n s u l a t e d - g a t e B i p o l a r TransistorTransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）(DATASHEET (DATASHEET 1 1 2 2 ) )GTRGTR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

22、继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位的地位。 GTRGTR和和GTOGTO的特点的特点电流驱动，有电导调制效应，通流能力很电流驱动，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。强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFETMOSFET的优点的优点电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳电压驱动，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。定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。3.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1) 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

23、电极C C和发射极和发射极E EEGCN+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)图3-9 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E3.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图图3-9a3-9aN N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

24、等效电路表明，简化等效电路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组成的达林顿结构，组成的达林顿结构，一个由一个由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。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)图3-9 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 IGBT的结构的结构E3.1.4

25、绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT的原理的原理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) 驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFETMOSFET基本相同，场控器件，通断由栅基本相同，场控器件，通断由栅射极电压射极电压u uGEGE决定。决定。导导通通：u uGEGE大于开启电压大于开启电压U UGE(thGE(th) )时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，内形成沟道，为晶体管提供基极电流，为晶体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，

26、：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFETMOSFET内的内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加3.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的静态特性的静态特性图3-10 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。3.1.4 绝

27、缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图3-11 IGBT的开关过程IGBTIGBT的开通过程的开通过程 与与MOSFETMOSFET的相似的相似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= = t td(ond(on) ) +t +tr ru 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

28、。 t tfv1fv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET单单独工作的电压下降过程；独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过管同时工作的电压下降过程程。 (2) IGBTIGBT的动态特性的动态特性3.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管图3-11 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 tfi1fi1IGBTIGB

29、T器件内部的器件内部的MOSFETMOSFET的关断过程的关断过程，i iC C下降较快。下降较快。t tfi2fi2IGBTIGBT内部的内部的PNPPNP晶体管的关断过程晶体管的关断过程，i iC C下降较下降较慢。慢。 IGBT的关断过程的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM3.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管3) IGBT的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗 。(3) 最大集电极功耗最大集电极功耗PC

30、M包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (2) 最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1) 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES(例如：例如：BSM200GB120DN2 )3.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT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，且大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比通态压降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性

31、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步提高，同时保持开关频率高的特点 。 3.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管4) IGBT4) IGBT的的擎住效应和正偏安全工作区擎住效应和正偏安全工作区擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：NPNNPN晶体管基极与发射极之间存在晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻体区短路电阻，P P形体区的横形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J J3

32、 3结施加正偏压，一结施加正偏压，一旦旦J J3 3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。图3-12 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)J33.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应： 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 。最大集电极电流、最大

33、集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。 反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）（阻断）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。 正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）(通态）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。4) IGBT4) IGBT的的擎住效应和正偏安全工作区擎住效应和正偏安全工作区3.1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管5) IGBT5) IGBT的的应用实例应用实例（图3-25）（图3-23）（图3-24）3.2 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件

34、3.2 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路2020世纪世纪8080年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。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，可大大减小线路电感，从而简对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等将器件与逻辑、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，称为信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集

35、成电路功率集成电路（Power Integrated CircuitPower Integrated CircuitPICPIC）。）。DATASHEET基本概念基本概念3.2.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHigh Voltage ICHVICHVIC）一般指）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSmart Power ICSPICSPIC）一般）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。指纵

36、向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power ModuleIntelligent Power ModuleIPMIPM）则专指则专指IGBTIGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能集成，也称智能IGBTIGBT（Intelligent IGBTIntelligent IGBT）。实际应用电路实际应用电路3.2.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路功率集成电路的主要技术难点：功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘高低压电路之间的绝缘问题问题以及以及温升和散热的处理

37、温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点，最近智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点，最近几年获得了几年获得了迅速发展迅速发展。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。化的理想接口。发展现状发展现状3.3 电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动3.3.1 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

38、安全性都有重要的意义。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驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。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。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口3.3.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气隔离气隔离环节，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ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图3-13 光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速

39、型 c) 高传输比型3.3.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型电流驱动型和电电压驱动型压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。 分类分类（图3-22）3.3.2 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路 IGBT的驱动的驱动图3-14M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富

40、士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。 多采用专用的混合集成驱动器。（图3-27）（图3-26）3.4 3.4 电力电子器件的串并联电力电子器件的串并联引言3.4.1 3.4.1 晶闸管的串联晶闸管的串联3.4.23.4.2 晶闸管的并联晶闸管的并联3.4.3 3.4.3 电力电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并联运行的特点并联运行的特点3.4 电力电子器件的串并联引言对较大型的电力电子装置，单个电力电子器件的电压和电流定额不能满足要求。在电力电子电路中，采用合适的保护措施可以充分发挥电力电子器件的过载能力，提高电力电子装置运行的可靠性。

41、3.4.1 晶闸管的串联晶闸管的串联问题问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。目的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT23.4.1 晶闸管的串联晶闸管的串联静态不均压静态不均压：串联的器件：串联的器件流过的漏电流相同，但因流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。各器件分压不等。动态不均压动态不均压：由于器件动：由于器件动态参数和特性的差异造成态参数和特性的差异造成的不均压的不均压。目的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。b)a)RCRCVT

42、1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT23.4.1 晶闸管的串联晶闸管的串联静态均压措施静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。采用电阻均压，R Rp p的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图3-15晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施动态均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。3.4.2 晶闸管的并联晶闸管的并联问题问题：会分别因静态和动态特性参数会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。的差异而

43、电流分配不均匀。 均流措施均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。目的目的：多个器件并联来承担较大的电流a)IOUUT1IRUT2VT1VT2I2I1UT3.4.3电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。IGBT并联运行的特点并联运行的特点在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具

44、有负负温度系数。在以上的区段则具有正正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点3.5 电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护3.5.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压雷击过电压：由雷击引起：由雷击引起 （图图3-283-28）内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程过程换相过电压换

45、相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速：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。降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压外因过电压外因过电压和内内因过电压因过电压3.5.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施图3-16过电压抑制措施及配置位置F避雷