第1讲器件、驱动、保护

1、1第一章第一章 电力电子器件电力电子器件 第一讲第一讲 电力电子器件电力电子器件1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.2 1.2 不可控器件不可控器件二极管二极管1.3 1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.4 1.4 典型全控型器件典型全控型器件1.5 1.5 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件1.6 1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动1.7 1.7 电力电子器件的保护电力电子器件的保护1.8 1.8 电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用1.1 1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.处理功率的能力远大于信息电子器件。处理功率的

2、能力远大于信息电子器件。2.2.工作在开关状态。工作在开关状态。3.3.需要由信息电子电路来控制需要由信息电子电路来控制4.4.自身功耗远大于信息电子器件，要安装散热器自身功耗远大于信息电子器件，要安装散热器主要主要损耗损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗关断损耗关断损耗开通损耗开通损耗器件功耗主要是通态损耗器件功耗主要是通态损耗当当 f 较高时，功耗主要是较高时，功耗主要是开关损耗开关损耗一般一般特征特征分分类类 电力电子器件的分类电力电子器件的分类半控型器件（半控型器件（Thyristor）通过控制信号可控制通,不能控制关全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) )

3、 通过控制信号既可控制通又可控制通过控制信号既可控制通又可控制 关又称自关断器件关又称自关断器件 不可控器件不可控器件 ( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, , 不需要不需要 驱动电路驱动电路按照驱动电路信号的性质分按照驱动电路信号的性质分电流驱动型电流驱动型从控制端注入或抽出电流来实现通、断从控制端注入或抽出电流来实现通、断电压驱动型电压驱动型在控制端和公共端间施加电压就可实现通、断在控制端和公共端间施加电压就可实现通、断1.2 电力二极管电力二极管UFPuiiFuFtfrt02V1)1)静态特性静态特性 主要指其伏安特性伏安特性IOIF

4、U二极管的电压二极管的电压- -电流特性随时间变化电流特性随时间变化2) 动态特性动态特性开通过程开通过程关断过程关断过程v经一短暂时间重获反向阻断能力，进入断态。经一短暂时间重获反向阻断能力，进入断态。v关断前有较大反向电流关断前有较大反向电流, ,伴有明显反向电压过冲伴有明显反向电压过冲v正向压降先出现一个过冲正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。）。v正向恢复时间正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，电流上升率越大，UFP越高越高 。开通过程开通过程FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIR

5、PdiFdtdiRdt关断过程关断过程i1)1)正向平均电流正向平均电流I IF(AV)F(AV)主要参数主要参数额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流工频正弦半波电流的平均值的平均值。 I IF(AV)F(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的有效值相等的原则原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量来选取电流定额，并应留有一定的裕量2 2）正向压降正向压降U UF F 指定温度下，流过允许电流时对应的正向压降。指定温度下，流过允许电流时对应的正向压降

6、。3） 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应留有两倍裕量能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应留有两倍裕量4）反向恢复时间反向恢复时间trr trr= td+ tf5 5）最高工作结温）最高工作结温T TJMJMTJM是指在是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。6) 浪涌电流浪涌电流IFSM 指能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流指能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流1.2.3 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1）普通二

7、极管）普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中，反向恢复时间较长以下）的整流电路中，反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高正向电流定额和反向电压定额可以达到很高2) 快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）简称快速二极管简称快速二极管反向耐压多在反向耐压多在1200V1200V以下。分以下。分快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等级两个等级3. 3. 肖特基二极管肖特基二极管弱点：弱点：反向耐压反

8、向耐压 正向压降正向压降，多用于，多用于200V200V以下以下。优点：优点：反向恢复时间很短反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复无明显的电压过冲。，正向恢复无明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器晶体闸流管，可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。

9、年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。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代。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。耐高电压大电流，工作可靠耐高电压大电流，工作可靠, ,在大容量场合具有重要地位。在大容量场合具有重要地位。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3螺栓型螺栓型平板型平板型有三个联接端有三个联接端1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工

10、作原理 常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构由两个散热器将其夹在中间由两个散热器将其夹在中间晶体管的结构晶体管的结构 EGEAR晶体管的工作原理晶体管的工作原理 SGCII22211CCII)(122CGCIIIGGII212形成强烈正反馈形成强烈正反馈 晶闸管导通晶闸管导通IG（EG）失去作用，）失去作用，IA大小由外电路决定大小由外电路决定晶闸管承受正向电压晶闸管承受正向电压U UGKGK00I IA A I IHH晶闸管晶闸管导通条导通条件件使晶闸管的电流小于维持电流使晶闸管的电流小于维持电流晶闸管晶闸管关断？关断？增大增大R或减小或减小EA晶闸管的结构与工作原理

11、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特性曲线晶闸管特性曲线正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（1）正向特性正向特性IG=0时，器件两端加正向电压，有很时，器件两端加正向电压，有很小小 的正向漏电流，为正向阻断状态。的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏，则漏 电流急剧增大，器件开通。电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值随着门极电流幅值，正向转折电压正向转折电压晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，1V左右。左右。转折电压转折电压IG2IG1I

12、G阻断状态时，有极小反相漏电流。阻断状态时，有极小反相漏电流。反向击穿后，可能导致发热损坏反向击穿后，可能导致发热损坏（2 2）反向特性反向特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间t tq以上两者之和tq=trr+tgr （1-7) 普通晶闸管的关断时间约几百微秒2 2）动态特性）动态特性晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1) 开通过程延迟时间延迟时间td (0.51.5 s)上升时间上升时间tr (0.53 s)开通时间开

13、通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr 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UDRM 门极断路而结温额门极断路而结温额定时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。定时，允许重复加在器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URRM 门极断路而结温额门极断路而结温额定时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。定时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT某一规定倍数的额定某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通态平均电流时的瞬态峰值电压。 2 2）电流定额电流定额通态平均电流通态平均电流

14、I IT(AVT(AV）允许长期流过的允许长期流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按。使用时应按有效值相等有效值相等的原则的原则来选取晶闸管。来选取晶闸管。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。擎住电流擎住电流 I IL L 刚从断态转入通态并移除触发信号后，刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需能维持导通所需的最小电流。的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常I IL L约为约为I IH H的的2424倍倍。浪涌电流浪涌电流I ITSM TSM 使超过额定结温的不重复性

15、最大正向过载电流使超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。3 3）动态参数动态参数 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 额定结温、门极开路，从断态到通态转换的外加电压最大上升率。额定结温、门极开路，从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt t指在规定条件下，晶闸管能承受而无有指在规定条件下，晶闸管能

16、承受而无有害影响的最大通态电流上升率。害影响的最大通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。过热而使晶闸管损坏。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 Thyristor FST)Fast Switching Thyristor FST)有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。开关时间以及开关时间以及d du u/d/dt t和和d di i/d/dt t耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速为数十微秒，高频的普通晶闸管关断时间数百微秒，快速为数

17、十微秒，高频的1010 s s左右左右高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。2 2）双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIACTriode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional Bidirectional triode thyristortriode thyristor）可认为是一对反并联普通管的集成。可认为是一对反并联普通管的集成。有两个主电极有两个主电极T T1 1和和T T2 2，一个门极，

18、一个门极G G。在第和在第和IIIIII象限有对称的伏安特性。象限有对称的伏安特性。用有效值来表示其额定电流值用有效值来表示其额定电流值。GT1T2IOUIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor-RCTReverse Conducting Thyristor-RCT）KGAUOIIG=0将晶闸管反并联一个二将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上极管制作在同一管芯上的功率集成器件。的功率集成器件。具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、时间短、高温特性好、额定结温高等优点。额定结温高等优点。晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件光控

19、晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTTLight Triggered ThyristorLTTAGKAK光强度光强度强强弱弱OUIA又称光触发晶闸管，利用一定波又称光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发导通长的光照信号触发导通保证了主电路与控制电路之间的保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰影响。绝缘，且可避免电磁干扰影响。多应用在高压大功率的场合。多应用在高压大功率的场合。晶闸管晶闸管 常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构由两个散热器将其夹在中间由两个散热器将其夹在中间电力电力MOSFETMOSFETIGBTIGBT

20、单管及模块单管及模块常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件1.4 典型全控型器件典型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出现。在晶闸管问世后不久出现。2020世纪世纪8080年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、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。绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETMOSFETIGBTIGBT单管及模块单管及模块常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件GTO GTR MOSFETIGBT（Gate-Tu

21、rn-Off Thyristor GTOGate-Turn-Off Thyristor GTO）Giant TransistorGTRGiant TransistorGTRMetal Oxide Semiconductor FETMetal Oxide Semiconductor FETInsulated-gate Bipolar TransistorIGBTInsulated-gate Bipolar TransistorIGBT所希望的开关特性应该是：所希望的开关特性应该是： 关断时的漏电流较小，导通时关断时的漏电流较小，导通时U Uonon小。小。 很高的正反向阻断电压的能力，减少元件的

22、串联。很高的正反向阻断电压的能力，减少元件的串联。 很大的电流导通能力。这可减少元件并联。很大的电流导通能力。这可减少元件并联。 较短的导通和关断时间，这可提高开关频率。较短的导通和关断时间，这可提高开关频率。 较小的控制功率。较小的控制功率。 具有阻止电压和电流上升率的能力，可以不使用外具有阻止电压和电流上升率的能力，可以不使用外部电路保护。部电路保护。 具有较高的具有较高的dv/dtdv/dt，di/dtdi/dt额定值。额定值。1. GTO1. GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构结构GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)a)各单元的阴极、门极间排列的图形 b)并联单元

23、结构断面示意图 c)电气图形符号1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTO GTO 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的容量与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上大功率场合仍有较多的应用的容量与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上大功率场合仍有较多的应用Gate-Turn-Off Thyristor与普通晶闸管的相同点与普通晶闸管的相同点PNPNPNPN四层半导体结构四层半导体结构外部引出阳极、阴极和门极外部引出阳极、阴极和门极与普通晶闸管的不同点与普通晶闸管的不同点多元功率集成器件，内部包含数十个甚多元功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个

24、共阳极小至数百个共阳极小GTOGTO元元GTOGTO元的阴极和门极在内部并联在一起元的阴极和门极在内部并联在一起RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)a) 双晶体管模型 b工作原理)GTOGTO导通：与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。导通：与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 多元集成结构使多元集成结构使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受比普通晶闸管开通过程快，承受 di/dt能力强能力强 工作原理工作原理与普通晶闸管一样可以用双晶体管模型来分析与普通晶闸管一样可以用双晶体管模型来分析GTO关断：门极加负脉冲即从门极抽

25、出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，继而使IA和Ic1减小又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小到不能维持时，器件退出饱和关断2008年4月网上资料：GTO容量达到4500V/3000A,广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。1、判定GTO的电极将万用表拨至R*1档，测量任意两脚电阻，仅当黑表笔接G极，红表笔接K极时呈低阻值，其它均是高阻值。 1.4 1.4 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTRGiant TransistorGTR，直译为巨型晶体管），直译为巨型晶体管） 。2020世纪世纪8080年代以来，

26、在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBTIGBT和电力和电力MOSFETMOSFET取代。取代。1 1）GTRGTR的结构和工作原理的结构和工作原理与普通的双极型晶体管一样与普通的双极型晶体管一样主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。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单元结构。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 bcii单管单管GTRGTR的的 值通常为值通常为1010左右，采用达林顿接法可有效

27、增大电流增益左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益 1.4 电力晶体管电力晶体管截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V20V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之外还有：之外还有： (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 CDSDS1.4 1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTRGTR和和GTOGTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力双极型，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。很强，开关速度较低，所

28、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，开关速度快，输入阻抗高，热单极型，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。稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。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（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBTInsulated-gate Bipolar TransistorIGBT）GTRGTR和和MOSFETMOSFET复合，结合二者的优点。复合，结合二者的

29、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。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)1.4 1.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT IGBT的结构的结构IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一层多一层P P+ +注入区注入区, ,有很强的通流能力有很强的通流能力是是GTRGTR

30、与与MOSFETMOSFET组成的达组成的达林顿结构林顿结构R RN N为基区内调制电阻为基区内调制电阻N N沟道沟道IGBTIGBTVDMOSFETVDMOSFETGTRGTR组合组合场控器件，原理与电力场控器件，原理与电力MOSFETMOSFET基本相同，通断由栅射极电压基本相同，通断由栅射极电压u uGEGE决定。决定。导通导通：u uGEGE大于大于U UGE(th)GE(th)时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，提供基极电流，内形成沟道，提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻R RN N减小，使通态压降减小。减小，使

31、通态压降减小。关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，：栅射极间施加反压或不加信号时，IGBTIGBT关断。关断。 IGBT IGBT的原理的原理1 1）IGBTIGBT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 EO有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管转移特性转移特性输出特性分为三个区输出特性分为三个区 (2) IGBTIGBT的动态特性的动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGE

32、MICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBTIGBT的开关过程的开关过程2)IGBT2)IGBT的基本特性的基本特性 (1)(1) IGBTIGBT的静态特性的静态特性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正常工作温度下允许的最大功耗 。(3)(3) 最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM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 (2)(2) 最大集电极电流最大集电极电流由内部由内部PNPPNP晶体管的击穿

33、电压确定。晶体管的击穿电压确定。(1)(1) 最大集射极间电压最大集射极间电压U UCESCES1.4.4 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管v开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。 v安全工作区比安全工作区比GTRGTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。大，且具有耐脉冲电流冲击能力。v通态压降比通态压降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。v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。v与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，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同时保持

34、开关频率高的特点 。 IGBTIGBT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： IGBTIGBT与反并联的快速二极管封装在一起与反并联的快速二极管封装在一起, ,制成模块制成模块, ,成为逆导器件成为逆导器件 1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.5 MOS1.5 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCTMCTMCT（MOS Controlled Thyristor)MOSFET与晶闸管的复合承受极高承受极高di/dtdi/dt和和du/dtdu/dt，快速的开关过程，开关损耗小。快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。高电压，大电流、

35、高载流密度，低导通压降。一个一个MCTMCT器件由数以万计的器件由数以万计的MCTMCT元组成。元组成。每个元组成：一个每个元组成：一个PNPNPNPN管，一控制开通的管，一控制开通的MOSFETMOSFET，一关断的，一关断的MOSFETMOSFET。其关键技术无大突破，电压和电流未达预期数值，未投入实际应用。其关键技术无大突破，电压和电流未达预期数值，未投入实际应用。 SITSIT（Static Induction Transistor）结型场效应晶体管多子导电器件，频率与电力多子导电器件，频率与电力MOSFETMOSFET相当，适用于高频大功率场合。相当，适用于高频大功率场合。在雷达通信

36、设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等在雷达通信设备、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。领域获得应用。缺点缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型正常导通型器件，器件，使用不太方便。使用不太方便。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。中得到广泛应用。结合了二者的优点结合了二者的优点1.5 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH和和集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT IGCT SITHSITH（Sta

37、tic Induction Thyristor）场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）SITHSITH是双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。是双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与其很多特性与GTOGTO类似，但开关速度比类似，但开关速度比GTOGTO高，是大容量的快速器件。高，是大容量的快速器件。 SITH SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展小，因而其应用范围还有待拓展2020世纪世纪9090年代

38、后期出现，结合了年代后期出现，结合了IGBTIGBT与与GTOGTO的优点，容量与的优点，容量与GTOGTO相相当，开关速度快当，开关速度快1010倍。倍。可省去可省去GTOGTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与目前正在与IGBTIGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTOGTO在大功率在大功率场合的位置。场合的位置。IGCTIGCT（Integrated Gate-Commutated ThyristorIntegrated Gate-Commutated Thyristor） GCTGCT（Gate-Commu

39、tated ThyristorGate-Commutated Thyristor）1.5 1.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路基本概念基本概念20st8020st80年代中后期开始年代中后期开始, , 多个器件装在一个模块中多个器件装在一个模块中, ,称为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。对频率高的电路对频率高的电路, ,可大大减小线路电感可大大减小线路电感, ,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、自诊断等信息电子电路制作将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测

40、、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为在同一芯片上，称为功率集成电路功率集成电路（Power Integrated CircuitPower Integrated CircuitPICPIC）实际应用电路实际应用电路高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHVICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSPICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPMIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和

41、驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。1.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路发展现状发展现状主要技术难点：主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题高低压电路之间的绝缘问题以及以及温升和散热的处理温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。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。智能功率模块在一定程度上回避了上述两难点智能功率模块在一定程度上回避了上述两难点, ,近几年获得近几年获得迅速发展迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化

42、的理想接口。1.6.1 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。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分类分类电流驱动型电流驱动型,电压驱动型电压驱动型分立元件分立元件,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

43、成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1.6 电力电子器件器件的驱动电力电子器件器件的驱动1.6.2 1.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路IIMt1t2t3t4理想触发脉冲电流波形晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路v晶闸管触发电路应满足下列要求晶闸管触发电路应满足下列要求：宽度应保证可靠导通。有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。t1t3强脉宽度t1t4脉冲宽度IM强脉冲幅值常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路vV V1 1、V V2 2构成构成脉冲放大环节脉冲放大环节。v脉冲变压器脉冲变压器TMTM

44、和附属电路构成和附属电路构成脉脉冲输出环节冲输出环节。v V V1 1、V V2 2导通时，通过脉冲变压导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。出触发脉冲。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推荐的推荐的GTOGTO门极电压电流波形门极电压电流波形OttOuGiG1) 1) 电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流正的门极电流5V5V的负偏压的负偏压 GTOGTO驱动电路通常包括驱动电路通常包括开通驱开通驱动电路动电路、关断驱动电路关断驱动电路和和门门极反偏电路极反偏电路三部分，可分为三部分

45、，可分为脉冲变压器耦合式脉冲变压器耦合式和和直接耦直接耦合式合式两种类型。两种类型。(1) GTO(1) GTO开通控制开通控制与普通晶闸管相似。与普通晶闸管相似。关断控制关断控制需施加负门极电流。需施加负门极电流。直接耦合式驱动电路可避免直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，目前应用较广，但其功耗大，效率较低。效率较低。典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驱动电路驱动电路1.7.1 1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护 电力电子装置可能的过电压电

46、力电子装置可能的过电压外因过电压外因过电压和内因过电压内因过电压外因过电压：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：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程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极管在换相结束后，：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，会由线路电感在器件两端感应出过电压。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。

47、关断过电压关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感：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。在器件两端感应出的过电压。1.7 电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护b)tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiCd di i/d/dt t抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCDRCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO关断时的负载线关断时的负载线1.7 缓冲电路缓冲电路缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit)(Snubber Circuit) ：又称：

48、又称吸收电路吸收电路，抑制器件的内因过电，抑制器件的内因过电压、压、d du u/d/dt t、过电流和、过电流和d di i/d/dt t，减小器件的开关损耗。，减小器件的开关损耗。v关断缓冲电路关断缓冲电路（d du u/d/dt t抑制电路）抑制电路）v开通缓冲电路开通缓冲电路（d di i/d/dt t抑制电路）抑制电路）v复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。v通常缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做通常缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做d di i/d/dt t抑制电路抑制电路 目的：当额定电压小于要求时，可串

49、联目的：当额定电压小于要求时，可串联1.8 1.8 晶闸管的串联晶闸管的串联b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2静态均压措施静态均压措施：v选用参数和特性尽量一致的器件电阻均压，Rp阻值应小得多动态均压措施动态均压措施：选择动态参数特性一致器件。选择动态参数特性一致器件。用用RCRC并联支路作动态均压。并联支路作动态均压。用门极强触发减小器件开通时间差异用门极强触发减小器件开通时间差异问题：电压分配不均问题：电压分配不均1.8 晶闸管的并联晶闸管的并联目的目的：多个器件并联来承担较大的电流：多个器件并联来承担较大的电流问题问题：会分别因静态和动态特性参数的差异

50、导致电流分配不均：会分别因静态和动态特性参数的差异导致电流分配不均 均流措施均流措施：*挑选特性参数一致器件。挑选特性参数一致器件。*采用均流电抗器采用均流电抗器 *用门极强触发也有助于动态均流用门极强触发也有助于动态均流静态均流静态均流动态均流动态均流事实：事实：高频逆变器中，为减小开关损耗和开关速度，宁可使用小容量管并联高频逆变器中，为减小开关损耗和开关速度，宁可使用小容量管并联大电流时，管子达不到要求大电流时，管子达不到要求考虑晶闸管并联考虑晶闸管并联电力电子器件分类电力电子器件分类“树树”单极型：电力单极型：电力MOSFETMOSFET和和SITSIT双极型：电力二极管、晶闸管、双极型

51、：电力二极管、晶闸管、GTOGTO、GTRGTR和和SITHSITH 复合型：复合型：IGBTIGBT和和MCTMCT本章小结本章小结主要内容主要内容介绍器件的基本结构、原理、特性和参数等。介绍器件的基本结构、原理、特性和参数等。讨论器件驱动、保护和串、并联使用讨论器件驱动、保护和串、并联使用电压驱动型电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITHSITH特点：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，频率高。特点：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，频率高。电流驱动型电流驱动型：双极型器件中除：双极型器件中除SITHSITH外外特点：有电导调

52、制效应，通态压降低，导通损耗小，频率较低，驱动特点：有电导调制效应，通态压降低，导通损耗小，频率较低，驱动功率大功率大, ,驱动电路较复杂。驱动电路较复杂。本章小结本章小结当前的格局当前的格局:IGBTIGBT为主体，第四代产品，制造水平为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与在不断发展，与IGCTIGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTOGTO。GTOGTO：兆瓦以上首选，制造水平：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA6kV / 6kA。使用。使用4.5kV/3kA4.5kV/3kA光控晶闸管：功率更大场合光控晶闸管：功率更大场合,8kV/3.5kA,8kV/3.5kA,装置最高达装置最高达300MVA,300MVA,容量最大。容量最大。电力电力MOSFETMOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。GTOGTOGTRGTRMOSFETMOSFETIGBTIGBT器件名称器件名称功率容量功率容量驱动电路驱动电路通