第1章电力电子器件第四讲

1、v 1.1 、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 v 1.2 、电力二极管电力二极管 v 1.3 、晶闸管晶闸管v 1.4 、可关断晶闸管可关断晶闸管 v 1.5 、电力晶体管电力晶体管 v 1.6 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 1.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 v 1.8 、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件v 1.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护第第1章、电力电子器件章、电力电子器件 1.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 IGBTIGBT：绝缘栅双极型晶体管：绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate

2、Bipolar(Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor) 。 兼具功率兼具功率MOSFETMOSFET高速高速开关特性和开关特性和GTRGTR的的低导通压降低导通压降特性特性两者优点的一种复合器件。两者优点的一种复合器件。 IGBTIGBT于于19821982年开始研制，年开始研制，19861986年投产，是发展最快而年投产，是发展最快而且很有前途的一种混合型器件。且很有前途的一种混合型器件。 目前目前IGBTIGBT产品已系列化，最大电流容量达产品已系列化，最大电流容量达1800A1800A，最高，最高电压等级达电压等级达4500V4500

3、V，工作频率达，工作频率达50kHZ50kHZ。 在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速在电机控制、中频电源、各种开关电源以及其它高速低损耗的中小功率领域，低损耗的中小功率领域，IGBTIGBT取代了取代了GTRGTR和一部分和一部分MOSFETMOSFET的市场。的市场。 1.7.1 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 及其工作原理及其工作原理 1.7.2 缘栅双极型晶体管的缘栅双极型晶体管的 特性与主要参数特性与主要参数 1.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 1.7.1 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 及其工作原理及其工作原理 1. IGBT的结构的结构 IGB

4、TIGBT的结构如图的结构如图1.7.1(a)1.7.1(a)所示。所示。 简化等效电路如图简化等效电路如图1.7.1(b)1.7.1(b)所所示。示。 电气符号如图电气符号如图1.7.11.7.1（c c）所示）所示 它是在它是在VDMOSVDMOS管结构的基础上管结构的基础上再增加一个再增加一个P P+ +层，形成了一个层，形成了一个大面积的大面积的P+NP+N结结J1J1，和其它结，和其它结J J2 2、J J3 3一起构成了一个相当于一起构成了一个相当于由由VDMOSVDMOS驱动的厚基区驱动的厚基区PNPPNP型型GTR;GTR; IGBTIGBT有三个电极有三个电极: : 集电极、

5、集电极、发射极和栅极发射极和栅极; ;图图1.7.1 IGBT的结构、简化等的结构、简化等 效电路效电路 与电气符号与电气符号 IGBT IGBT也属场控器件，其驱动原也属场控器件，其驱动原理与电力理与电力MOSFETMOSFET基本相同，是一基本相同，是一种由种由栅极电压栅极电压UGEUGE控制集电极电流控制集电极电流的栅控自关断器件。的栅控自关断器件。v 导通：导通：U UGEGE大于开启电压大于开启电压U UGE(th)GE(th)时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，为晶体管提内形成沟道，为晶体管提供基极电流，供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。v 导通压降：导通压降：电导调

6、制效应使电阻电导调制效应使电阻R RN N减小，使通态压降小。减小，使通态压降小。v 关断：关断：栅射极间施加反压或不加栅射极间施加反压或不加信号时，信号时，MOSFETMOSFET内的沟道消失，内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。1.7.1 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 及其工作原理及其工作原理图图1.7.2 IGBT1.7.2 IGBT伏安特性伏安特性2.IGBT2.IGBT的工作原理的工作原理 1.7.1 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管 及其工作原理及其工作原理 1.7.2 缘栅双极型晶体管的缘栅双极型晶体管的 特性与主

7、要参数特性与主要参数 1.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性 与主要参数与主要参数 （1）IGBT的伏安特性（如图的伏安特性（如图a)a) 反映在一定的栅极一发射极电压反映在一定的栅极一发射极电压U UGEGE下器件的输出下器件的输出端电压端电压U UCECE与电流与电流I Ic c的关系。的关系。 IGBTIGBT的伏安特性分为的伏安特性分为: :截止区、有源放大区、饱和截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。区和击穿区。图图1.7.2 IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性1、IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和

8、转移特性 U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)( (开启电压开启电压, ,一般为一般为3 36V) 6V) ；其输出电流；其输出电流I Ic c与驱动与驱动电压电压U UGEGE基本呈线性关系；基本呈线性关系； 图图1.7.2 IGBT的伏安特的伏安特 性和转移特性性和转移特性1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性 与主要参数与主要参数 1、IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性（2 2）IGBTIGBT的转移特性曲线（如图的转移特性曲线（如图b b）IGBTIGBT关断：关断：IGBTIGBT开通：开通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)； 2、IG

9、BT的开关特性的开关特性 （1）IGBT的开通过程：的开通过程： 从正向阻断状态转换从正向阻断状态转换到正向导通的过程。到正向导通的过程。 v 开通延迟时间开通延迟时间td(on) ： IC从从10%UCEM到到10%ICM所需时间。所需时间。v 电流上升时间电流上升时间tr ： IC从从10%ICM上升至上升至90%ICM所需时间。所需时间。v 开通时间开通时间ton ton ： ton = td(on) + + tr1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性 与主要参数与主要参数 图图1.7.3 IGBT的开关特性的开关特性 2、IGBT的开关特性的开关特性（2）IGBT的关

10、断过程的关断过程v 关断延迟时间关断延迟时间td(off) ：从从UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的时刻的时刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v 电流下降时间：电流下降时间：ic从从90%ICM下降至下降至10%ICM 。v 关断时间关断时间toff：关断延迟时间关断延迟时间与电流下降之和。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tfi1和和tfi2 tfi1IGBT内部的内部的MOSFET的的关断过程，关断过程，ic下降较快；下降较快； tfi2IGBT内部的内部的PNP晶体管晶体管的关断过程，的关断过程，ic下降较慢。下降较慢。1.7.2 缘栅双极型

11、晶体管的特缘栅双极型晶体管的特 性与主要参数性与主要参数 图图1.7.3 IGBT的开关特性的开关特性 v （1 1）最大集射极间电压）最大集射极间电压U UCEMCEM： IGBTIGBT在关断状态时集电极和发射极之间能承受的在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。最高电压。 v （2 2）通态压降：）通态压降： 是指是指IGBTIGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。降。v （3 3）集电极电流最大值）集电极电流最大值I ICMCM： IGBTIGBT的的 I IC C增大，可至器件发生擎住效应，此时为增大，可至器件发生擎住效应，此时为防

12、止防止 发生擎住效应，规定的集电极电流最大值发生擎住效应，规定的集电极电流最大值I ICMCM。 v （4 4）最大集电极功耗）最大集电极功耗P PCMCM： 正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。 1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数与主要参数 l3、IGBT的主要参数的主要参数 3、IGBT的主要参数的主要参数v (5) (5) 安全工作区安全工作区正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在开通在开通时为时为正向偏置正向偏置时的安全工作区，如图时的安全工作区，如图1.7.5(a)1.7.5(a)所示。所示。反偏安

13、全工作区反偏安全工作区RBSOARBSOA：IGBTIGBT在关断在关断时为时为反向偏置反向偏置时的安全工作区，如图时的安全工作区，如图1.7.5 (b) 1.7.5 (b) IGBTIGBT的导通时间越长，发热越严重，的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。安全工作区越小。 在使用中一般通过选择适当的在使用中一般通过选择适当的UCEUCE和和栅极驱动电阻控制栅极驱动电阻控制 ，避免，避免IGBTIGBT因因 过高而产生擎住效应。过高而产生擎住效应。1.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数与主要参数 l图图1.7.5 IGBT1.7.5 IGBT的的l 安全工作区

14、安全工作区 dtdUCEdtdUCE (6) 输入阻抗：输入阻抗：IGBT的输入阻抗高，可达的输入阻抗高，可达1091011数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与些与VDMOS相似。相似。 (7) 最高允许结温最高允许结温TjM：IGBT的最高允许结温的最高允许结温TjM为为150。VDMOS的通态压降随结温升高而显的通态压降随结温升高而显著增加，而著增加，而IGBT的通态压降在室温和最高结温之的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。间变化很小，具有良好的温度特性。1.7.2 缘栅双极型晶体管缘栅双极型晶体管的特性与主要参数的特性与主要参数

15、 3、IGBT的主要参数的主要参数v 1.1 、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 v 1.2 、电力二极管电力二极管 v 1.3 、晶闸管晶闸管v 1.4 、可关断晶闸管可关断晶闸管 v 1.5 、电力晶体管电力晶体管 v 1.6 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 1.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 v 1.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v 1.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护第第1章、电力电子器件章、电力电子器件1.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件 1.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 1.8.

16、2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 1.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 1.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 1.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT） 它是一种多子导电的单极型器件，具它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点； 广泛用于高频感应加热设备广泛用于高频感应加热设备( (例如例如200kHz200kHz、200kW200kW的高频感应加热电源的高频感应加热电源) )。并适用

17、于高音质音频放大器、大功率中并适用于高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术等领域。波以及空间技术等领域。 1 1、SITSIT的工作原理的工作原理 1 1）结构：）结构：SITSIT为为三层结构三层结构，其元胞，其元胞结构图如图结构图如图1.8.1(a)1.8.1(a)所示，其三个所示，其三个电极分别为电极分别为栅极栅极G G，漏极，漏极D D和源极和源极S S。其表示符号如图其表示符号如图1.8.1 (b)1.8.1 (b)所示。所示。 2 2）分类：）分类：SITSIT分分N N沟道、沟道、P P沟道沟道两种，两种，箭头

18、向外的为箭头向外的为NSITNSIT，箭头向内的，箭头向内的为为PSITPSIT。 3 3）导通、关断：）导通、关断：SITSIT为常开器件，为常开器件，即栅源电压为零时，两栅极之间的即栅源电压为零时，两栅极之间的导电沟道使漏极导电沟道使漏极D-SD-S之间的导通。则之间的导通。则SITSIT导通导通；当加上负栅源电压；当加上负栅源电压U UGSGS时，时，栅源间栅源间PNPN结产生耗尽层。随着负偏结产生耗尽层。随着负偏压压U UGSGS的增加，其耗尽层加宽，漏源的增加，其耗尽层加宽，漏源间导电沟道变窄。当间导电沟道变窄。当U UGSGS=U=UP P( (夹断电夹断电压压) )时，导电沟道被

19、耗尽层所夹断，时，导电沟道被耗尽层所夹断，SITSIT关断关断。1.8.1 1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SITSIT） SIT的漏极电流的漏极电流ID不但受栅不但受栅极电压极电压UGS控制，同时还受漏极控制，同时还受漏极电压电压UDS控制。控制。 l图图1.8.1 SIT1.8.1 SIT的结构及其符号的结构及其符号 2 2、SITSIT的特性的特性 静态伏安特性曲线（静态伏安特性曲线（N N沟道沟道SITSIT）：当栅源电压）：当栅源电压U UGSGS一定时，一定时，随着漏源电压随着漏源电压UDSUDS的增加，漏的增加，漏极电流极电流I ID D也线性增加，其大小也线性增加，

20、其大小由由SITSIT的通态电阻所决定的通态电阻所决定 ； SITSIT采用采用垂直导电结构垂直导电结构, ,其导其导电沟道短而宽电沟道短而宽, ,适应于高电压适应于高电压, ,大电流的场合；大电流的场合； SITSIT的漏极电流具有的漏极电流具有负温度负温度系数系数, ,可避免因温度升高而引可避免因温度升高而引起的恶性循环；起的恶性循环； 1.8.1 1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SITSIT）图图1.8.2 N-SIT1.8.2 N-SIT静态静态 伏安特性曲线伏安特性曲线SITSIT的漏极电流通路上不存在的漏极电流通路上不存在PNPN结结, ,一般不会发生热不稳定性和二次击

21、一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象穿现象, ,其其安全工作区安全工作区范围较宽；范围较宽； SITSIT是短沟道多子器件是短沟道多子器件, ,无电荷积无电荷积累效应累效应, ,它的开关速度相当快它的开关速度相当快, ,适应适应于高频场合；于高频场合； SITSIT的的栅极驱动电路比较简单栅极驱动电路比较简单：关断关断SITSIT需加数十伏的负栅压需加数十伏的负栅压-U-UGSGS , , 使使SITSIT导通，也可以加导通，也可以加5 56V6V的正栅的正栅偏压偏压+U+UGSGS, ,以降低器件的通态压降；以降低器件的通态压降；1.8.1 1.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT

22、SIT）l2 2、SITSIT的特性的特性 图图1.8.3 SIT1.8.3 SIT的的 安全工作区安全工作区 1.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 1.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 1.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 1.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 1.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 1.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件1.8.2 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH） 它自它自1972年开始研制并生产年开始研制并生产；优点：优点：与与GTO相比，相比，SITH的的通态电阻小、通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗

23、小、通态压降低、开关速度快、损耗小、 及及 耐量高等；耐量高等； 应用：应用：应用在直流调速系统，高频加热电应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域；源和开关电源等领域； 缺点：缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；制造工艺复杂，成本高； dtdidtdu 1 1、SITHSITH的工作原理的工作原理 1 1）结构：）结构：在在SITSIT的结构的基础上再增的结构的基础上再增加一个加一个P P+ +层即形成了层即形成了SITHSITH的元胞结构，的元胞结构，如图如图1.8.4(a)1.8.4(a)。 2 2）三极：）三极：阳极阳极A A、阴极、栅极、阴极、栅极G G， 3 3）原理：）原

24、理： 栅极开路，在阳极和阴极之间加正栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有电流流过向电压，有电流流过SITHSITH； 在栅极在栅极G G和阴极和阴极K K之间加负电压，之间加负电压，G-G-K K之间之间PNPN结反偏，在两个栅极区之间的结反偏，在两个栅极区之间的导电沟道中出现耗尽层，导电沟道中出现耗尽层，A-KA-K间电流被间电流被夹断，夹断，SITHSITH关断；关断； 栅极所加的负偏压越高，可关断的栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。阴极电流也越大。 1.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管（SITH） 图图1.8.4 SITH1.8.4 SITH元胞元胞 结构其及符号结构

25、其及符号 特性曲线的正向偏置部分与特性曲线的正向偏置部分与SIT相似。栅极负压相似。栅极负压-UGK可控制阳可控制阳极电流关断，已关断的极电流关断，已关断的SITH，A-K间只有很小的漏电流存在。间只有很小的漏电流存在。 SITH 为场控少子器件，其动为场控少子器件，其动态特性比态特性比GTO优越。优越。SITH的电导调的电导调制作用使它比制作用使它比SIT的通态电阻小、的通态电阻小、压降低、电流大，但因器件内有大压降低、电流大，但因器件内有大量的存储电荷，量的存储电荷， 所以它的关断时间所以它的关断时间比比SIT要长、工作频率要低。要长、工作频率要低。 1.8.2 静电感应晶闸管（静电感应晶

26、闸管（SITH） 图图1.8.5 SITH1.8.5 SITH的的 伏安特性曲线伏安特性曲线2 2、SITHSITH的特性：的特性：静态伏安特性曲线（图静态伏安特性曲线（图1.8.5）： 1.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 1.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 1.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 1.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 1.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） MCTMCT自自2020世纪世纪8080年代末问世，已生产出年代末问世，已生产

27、出300A/2000V300A/2000V、1000A/1000V1000A/1000V的器件；的器件； 结构：结构：是晶闸管是晶闸管SCR和场效应管和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其复合而成的新型器件，其主导主导元件元件是是SCR，控制元件控制元件是是MOSFET； 特点：特点：耐高电压、大电流、通态压降耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；度高； 1 1）结构：）结构： MCTMCT是在是在SCRSCR结构中集成一对结构中集成一对MOSFETMOSFET构成的，通过构成的，通过MOSFETMOSFET来控制来控制SCR

28、SCR的的导导通通和和关断关断。 使使MCTMCT导通的导通的MOSFETMOSFET称为称为ON-FETON-FET，使，使MCTMCT关断的关断的MOSFETMOSFET称为称为OFF-FETOFF-FET。 MCTMCT的元胞有两种结构类型，一种的元胞有两种结构类型，一种为为N-MCTN-MCT，另一种为，另一种为P-MCTP-MCT。 三个三个电极电极称为栅极称为栅极G G、阳极、阳极A A和阴极和阴极K K。 图图1.8.61.8.6中中(a)(a)为为P-MCTP-MCT的典型结构，图的典型结构，图(b)(b)为其等效电路，图为其等效电路，图(c)(c)是它的表示符是它的表示符号号

29、(N-MCT(N-MCT的表示符号箭头反向的表示符号箭头反向) )。 对于对于N-MCTN-MCT管，要将图管，要将图1.8.61.8.6中各区的中各区的半导体材料用相反类型的半导体材料代半导体材料用相反类型的半导体材料代替，并将上方的阳极变为阴极，而下方替，并将上方的阳极变为阴极，而下方的阴极变为阳极。的阴极变为阳极。 1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 图图1.8.6 P-MCT的结构、的结构、 等效电路和符号等效电路和符号1、MCT的工作原理的工作原理 控制信号：控制信号：用双栅极控制，栅极信号以阳用双栅极控制，栅极信号以阳极为基准；极为基准； 导通：导通：当栅极相对于阳

30、极加负脉冲电压时，当栅极相对于阳极加负脉冲电压时，ON-FETON-FET导通，其漏极电流使导通，其漏极电流使NPNNPN晶体管导通。晶体管导通。NPNNPN晶体管的导通又使晶体管的导通又使PNPPNP晶体管导通且形晶体管导通且形成正反馈触发过程，最后导致成正反馈触发过程，最后导致MCTMCT导通；导通； 关断：关断：当栅极相对于阳极施加正脉冲电压当栅极相对于阳极施加正脉冲电压时，时，OFF-FETOFF-FET导通，导通，PNPPNP晶体管基极电流中晶体管基极电流中断断, PNP, PNP晶体管中电流的中断破坏了使晶体管中电流的中断破坏了使MCTMCT导通的正反馈过程，于是导通的正反馈过程，

31、于是MCTMCT被关断。被关断。 其中：其中：1 1）导通的）导通的MCTMCT中晶闸管流过主电流，中晶闸管流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。而触发通道只维持很小的触发电流。 2 2）使）使P-MCTP-MCT触发导通的栅极相对阳极触发导通的栅极相对阳极的负脉冲幅度一般为的负脉冲幅度一般为-5-5-15V-15V，使其关断，使其关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为为+10V+10V。 对于对于N-MCTN-MCT管管 ，其工作原理刚好相反。，其工作原理刚好相反。 1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 图图1.8.6 P-MCT的

32、结构、的结构、 等效电路和符号等效电路和符号2 2）工作原理（）工作原理（P-MCTP-MCT）(1) 阻断电压高阻断电压高(达达3000V)、峰值电流大、峰值电流大(达达1000A)、最大可关断电流密度为最大可关断电流密度为6000Acm2;(2) 通态压降小通态压降小(为为IGBT的的13，约，约2.1V);(3) 开关速度快、损耗小，工作频率可达开关速度快、损耗小，工作频率可达20kHz;(4) 极高的极高的dudt和和didt耐量耐量(du/ dt耐量达耐量达20kV/s，di/ dt耐量达耐量达2kA/s);(5) 工作允许温度高工作允许温度高(达达200以上以上); (6) 驱动电

33、路简单驱动电路简单;1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） l2 2、MCTMCT的特性的特性 （兼有（兼有MOS器件和双极型器件的优点）器件和双极型器件的优点） (7)(7)安全工作区：安全工作区：MCTMCT无正偏安无正偏安全工作区，只有反偏安全工作全工作区，只有反偏安全工作区区RBSOARBSOA； RBSOA与结温有关，反映与结温有关，反映MCT关断时电压和电流的极限关断时电压和电流的极限容量。容量。 （8 8）保护装置：）保护装置：MCT可用简可用简单的熔断器进行单的熔断器进行短路保护短路保护。因。因为当工作电压超出为当工作电压超出RBSOA时时器件会失效，但当峰值可控电

34、器件会失效，但当峰值可控电流超出流超出RBSOA时，时，MCT不会不会像像GTO那样损坏，只是不能用那样损坏，只是不能用栅极信号关断。栅极信号关断。1.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 图图1.8.7 MCT1.8.7 MCT的的RBSOARBSOA2 2、MCTMCT的特性的特性 1.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 1.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 1.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 1.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 1.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.8 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件1.8.4 MOS控制晶

35、闸管（控制晶闸管（IGCT/GCT） IGCT ：（Integrated Gate-Commutated Thyristor） 也称也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）。）。 20 20世纪世纪9090年代后期出现。结合了年代后期出现。结合了IGBTIGBT与与GTOGTO的优点，的优点，容量与容量与GTOGTO相当，开关速度快相当，开关速度快1010倍，且可省去倍，且可省去GTOGTO庞大而庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大； IGCT IGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优可望成为高功率高电压低

36、频电力电子装置的优选功率器件之一。选功率器件之一。 1.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 1.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 1.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 1.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 1.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件1.8.5 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，称为功率模块。封装在一个模块中，称为功率模块。 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。可缩

37、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。简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，称为功率集成等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（电路（Power Integrated CircuitPower Integrated CircuitPICPIC）。）。 PIC （Power Integrated Circuit）：）：v 类似功率集成电路的还有许多名称，但实际类似

38、功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重上各有侧重: 高压集成电路高压集成电路（High Voltage IC，简称，简称HVIC，一般指横向高压器件与逻辑或模拟控，一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成）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 IC，简称，简称SPIC，一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控，一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成）制电路的单片集成）; 智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power Module，简称简称IPM，专指，专指IGBT及其辅助器件与其保护和及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片

39、集成，也称智能驱动电路的单片集成，也称智能IGBT）。）。1.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 v 1.1 、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 v 1.2 、电力二极管电力二极管 v 1.3 、晶闸管晶闸管v 1.4 、可关断晶闸管可关断晶闸管 v 1.5 、电力晶体管电力晶体管 v 1.6 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 1.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 v 1.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v 1.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护第第1章、电力电子器件章、电力电子器件 1.9 、电力电子器

40、件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护 电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容：电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容： （1）电力电子开关管的驱动：）电力电子开关管的驱动：驱动器接收控制系统输出驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断状态。器件的通、断状态。 （2）过流、过压保护：）过流、过压保护：包括包括器件保护器件保护和和系统保护系统保护两个方两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系

41、统电源输入、件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。溃而造成事故。 （3）缓冲器：）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压和过在开通和关断过程中防止开关管过压和过 流，减小流，减小 、 减小开关损耗。减小开关损耗。dtdudtdi（4）滤波器：）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用流电

42、能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载的电力质量。及输出至负载的电力质量。 （5）散热系统：）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。减小开关器件的热心力，降低开关器件的结温。（6）控制系统：）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，实现电力电子电路的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机、停机信号和保护信号。关

43、断信号，开机、停机信号和保护信号。 1.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护v 1.9.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式v 1.9.2 驱动电路驱动电路v 1.9.3 保护电路保护电路v 1.9.4 缓冲电路缓冲电路v 1.9.5 散热系统散热系统1.9.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式 在图在图1.9.11.9.1中，中，T T1 1、T T2 2表示由两个电力表示由两个电力半导体器件组成的导电臂，当半导体器件组成的导电臂，当T T1 1关断，关断，T T2 2导导通时，电流流过通时，电流流过T T2 2；当；当T T2 2关断，关断，T

44、T1 1导通时，导通时，电流电流i i从从T T2 2转移到转移到T T1 1。图图1.9.1 桥臂的换流桥臂的换流 电力半导体器件可以用切断或接通电流电力半导体器件可以用切断或接通电流的开关表示。的开关表示。l 定义：电流从一个臂向另一个臂转移的定义：电流从一个臂向另一个臂转移的过程称为换流（或换相）。过程称为换流（或换相）。 （1 1）器件换流：）器件换流：利用电力电子器件自身所有的关断能利用电力电子器件自身所有的关断能力进行换流称为器件换流。力进行换流称为器件换流。 （2 2）电网换流：）电网换流：由电网提供换流电压使电力电子器件由电网提供换流电压使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另

45、一个臂转移称为电网换关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为电网换流。流。 （3 3）负载换流：）负载换流：由负载提供换流电压，使电力电子器由负载提供换流电压，使电力电子器件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载件关断，实现电流从一个臂向另一个臂转移称为负载换流。凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可以换流。凡是负载电流的相位超前电压的场合，都可以实现负载换流。实现负载换流。1.9.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式一般来说，换流方式可分为以下四种：一般来说，换流方式可分为以下四种： 在晶闸管在晶闸管T T处于导通状态时处于导通状态时, ,预预先给电容先给电容C C按图中所

46、示极性充电。按图中所示极性充电。如果合上开关如果合上开关 S S，就可以使晶闸管，就可以使晶闸管T T被加反压而关断。被加反压而关断。 图图1.9.2 脉冲电压脉冲电压 换流原理图换流原理图 1.9.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式 脉冲电压换流原理：脉冲电压换流原理：（4 4）脉冲换流：）脉冲换流： 设置附加的换流电路，由换流电路设置附加的换流电路，由换流电路内的电容提供换流电压，控制电力电子内的电容提供换流电压，控制电力电子器件实现电流从一个臂向另一个臂转移器件实现电流从一个臂向另一个臂转移称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或称为脉冲换流，有时也称为强迫换流或电容换流。电容换

47、流。l 脉冲换流有脉冲换流有脉冲电压换流脉冲电压换流和和脉冲电流换流脉冲电流换流。 晶闸管晶闸管T T处于导通状态时，预先处于导通状态时，预先给电容给电容C C按图中所示的极性充电。按图中所示的极性充电。 图图(a)(a)中，如果闭合开关中，如果闭合开关S S，LCLC振荡电流流过晶闸管，直到其正向振荡电流流过晶闸管，直到其正向电流为零后，再流过二极管电流为零后，再流过二极管D D。 图图(b)(b)中，接通开关中，接通开关S S后，后，LCLC振振荡电流先和负载电流叠加流过晶闸荡电流先和负载电流叠加流过晶闸管管T T，经半个振荡周期，经半个振荡周期t=t=后，振后，振荡电流反向流过荡电流反向

48、流过T T，直到，直到T T正向电流正向电流减至零以后再流过二极管减至零以后再流过二极管D D。 图图1.9.3 脉冲电流脉冲电流 换流原理图换流原理图 1.9.1 电力电子器件的换流方式电力电子器件的换流方式 脉冲电流换流原理脉冲电流换流原理: : 这两种情况，都在晶闸管的正向电这两种情况，都在晶闸管的正向电流为零和二极管开始流过电流时晶闸管流为零和二极管开始流过电流时晶闸管关断，二极管上的管压降就是加在晶闸关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。管上的反向电压。 1.9.2 驱动电路驱动电路 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转

49、换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开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。通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。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。断控制信号。 在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进在高压变换电路中，需要时控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。 驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务： 作用：作用：产生符合要求的门极触产生符合要求的门极

50、触发脉冲，决定每个晶闸管的触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。发导通时刻。 图图1.9.41.9.4为基于脉冲变压器为基于脉冲变压器PTPT和三极管放大器的驱动电路。和三极管放大器的驱动电路。 工作原理：工作原理：当控制系统发出的当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器大器后，变压器PTPT输出电压经输出电压经D D2 2输出脉冲电流触发输出脉冲电流触发SCRSCR导通。导通。当控制系统发出的驱动信号为当控制系统发出的驱动信号为零后，零后，D D1 1、D DZ Z续流，续流，PTPT的原边的原边电压速降为零，防止变压器饱电压速降为零，防止变压器饱

51、和。和。1.9.2 驱动电路驱动电路图图1.9.4 带隔离变压器的带隔离变压器的SCR驱动电路驱动电路 图图1.9.51.9.5光耦隔离的光耦隔离的SCRSCR驱驱动电路。动电路。工作原理：工作原理：当控制系统发当控制系统发出驱动信号致光耦输入端出驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中时，光耦输出电路中R R上的上的电压产生脉冲电流触发电压产生脉冲电流触发SCRSCR导通。导通。图图1.9.5 光耦隔离的光耦隔离的SCR驱动电路驱动电路 1.9.2 驱动电路驱动电路开通：开通：在门极加正驱动电流。在门极加正驱动电流。2GTO的驱动电路的驱动电路lGTO的几种基本驱动电路：的几种基本驱动电路：l

52、关断：关断：在门极加很大的负电流在门极加很大的负电流 1）图）图1.9.6(a) 晶体管导通、关断过晶体管导通、关断过程：程： 电源经使电源经使GTO触发导通，电触发导通，电容充电，容充电， 电压极性如图示。当关电压极性如图示。当关断时，电容放电，反向电流使断时，电容放电，反向电流使GTO关断。关断。 起开通限流作用，在起开通限流作用，在SCR阳阳极电流下降期间释放出储能，补偿极电流下降期间释放出储能，补偿GTO的门极关断电流，提高了关断能的门极关断电流，提高了关断能力。力。 该电路虽然简单可靠，但因无独立该电路虽然简单可靠，但因无独立的关断电源，的关断电源， 其关断能力有限且不易其关断能力有

53、限且不易控制。另一方面，电容上必须有一控制。另一方面，电容上必须有一定的能量才能使定的能量才能使GTO关断，故触发关断，故触发的脉冲必须有一定的宽度。的脉冲必须有一定的宽度。 1.9.2 驱动电路驱动电路图1.9.6(a) 2. GTO的几种基本驱动电路：（续）的几种基本驱动电路：（续）导通和关断过程：图导通和关断过程：图1.9.6(b)导通：导通：1、2导通时导通时GTO被触发；被触发；关断：关断：1、2关断和关断和SCR、SCR 导通时导通时GTO门极与阴极间流过门极与阴极间流过 负电流而被关断；负电流而被关断； 1.9.2 驱动电路驱动电路l图图1.9.6(b)2. GTO的几种基本驱动

54、电路：（续）的几种基本驱动电路：（续）l 由于由于GTO的开通和关断均依赖于的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且一个独立的电源，故其关断能力强且l可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲； 1.9.2 驱动电路驱动电路 图图1.9.6(c)中，导通和关断用两中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电个独立的电源，开关元件少，电路简单。路简单。 图图1.9.6(d)，对于，对于300A以以上的上的GTO，用此驱动电路，用此驱动电路可以满足要求。可以满足要求。 1.9.2 驱动电路驱动电路 1) 作用作用: 将控制电路输出的控制信号放大到将控制电路输出的控

55、制信号放大到足以保证足以保证GTR可靠导通和关断的程度。可靠导通和关断的程度。 2) 功能功能: 提供合适的正反向基流以保证提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断可靠导通与关断(期望的基极驱动电流期望的基极驱动电流波形如图波形如图1.9.7 所示所示)。 实现主电路与控制电路的隔离。实现主电路与控制电路的隔离。 具有自动保护功能，以便在故障发具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。 电路尽可能简单、工作稳定可靠、电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。抗干扰能力强。图图1.9.7 理想的基极理想的基极驱动电流波形驱动

56、电流波形 3GTR的驱动电路的驱动电路 3GTR的参考驱动电路（续）的参考驱动电路（续） 图图1.9.8 双电源驱动电路双电源驱动电路 图图1.9.10 UAA4002组成组成 的的GTR驱动电路驱动电路 由于由于IGBT的输入特性几乎和的输入特性几乎和VDMOS相同相同(阻抗高，阻抗高，呈容性呈容性)所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于的驱动电路同样可以用于VDMOS。 1.9.2 驱动电路驱动电路图图1.9.11 采用脉冲变压器采用脉冲变压器 隔离的栅极驱动电路隔离的栅极驱动电路 图图1.9.12 推挽输出的推挽输出的

57、栅极驱动电路栅极驱动电路 l4MOSFET和和IGBT的驱动电路的驱动电路4MOSFET和和IGBT的驱动电路的驱动电路图图1.9.13 EXB8XX驱动模块框图驱动模块框图 图图1.9.14 集成驱动器的应用电路集成驱动器的应用电路 v 1.9.1 电力电子器件的换流方电力电子器件的换流方式式v 1.9.2 驱动电路驱动电路v 1.9.3 保护电路保护电路v 1.9.4 缓冲电路缓冲电路v 1.9.5 散热系统散热系统 1.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护1.9.3 保护电路保护电路 电力电子系统在发生故障时可能会发生过电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，

58、造成开关器件的永久性损坏。电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。 过流、过压保护包括器件保护和系统保护过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故造成事故 。 措施：措施：通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流

59、继电器等几种过电流断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。保护措施，提高保护的可靠性和合理性。 快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路快熔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，过电流继电器器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。整定在过载时动作。 1.9.3 保护电路保护电路l图图1.9.16 电力电子系统中常用的过流保护方案电力电子系统中常用的过流保护方案 1 . 过电流保护（过流包括过载和短路）过电流保护（过流包括过载和短路） 过电压过电压外因过电压和内因过电压。外因过电压和内因

60、过电压。v 外因过电压：外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。v 内因过电压：内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。关过程。 (1) 换相过电压：换相过电压：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不能立刻恢复阻断，因而有较大的反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，会由线路电感在器件两端感应出过