第2章 变频器常用电力电子器件

第二章变频器常用电力电子器件

2.1功率二极管（D）功率二极管的内部是P-N或P-I-N结构，图示为功率二极管的电路符号和外形。

a)b)c)图2-1功率二极管的符号和外形a)功率二极管的符号b)螺旋式二极管的外形c)平板式二极管的外形

2.伏安特性

功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图所示。正向特性：当从零逐渐增大正向电压时，开始阳极电流很小，当正向电压大于0.5V时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导通。

反向特性：当二极管加上反向电压时，起始段的反向漏电流也很小，而且随着反向电压增加，反向漏电流只略有增大，但当反向电压增加到反向不重复峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增加。

2.2.2电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V电力二极管的动态过程波形正向偏置转换为反向偏置零偏置转换为正向偏置■动态特性◆因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。◆由正向偏置转换为反向偏置

☞电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。

☞在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。☞延迟时间：td=t1-t0

电流下降时间：tf=t2-t1

反向恢复时间：trr=td+tf

恢复特性的软度：

tf

/td，或称恢复系数，用Sr表示。t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻重点

2.1.2主要参数

1.额定正向平均电流IF

在规定的环境温度和标准散热条件下，元件所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。

2.反向重复峰值电压URRM

在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM。

3.正向平均电压UF

在规定环境温度和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值

2.1.3功率二极管的选用

1.选择额定正向平均电流IF

的原则

IDn=1.57IF=(1.5～2)IDM2.选择额定电压URRM

的原则

URRM

=（2～3）UDM

2.1.4功率二极管的分类

功率二极管一般分为三类：(1)标准或慢速恢复二极管；

(2)快速恢复二极管；

(3)自特基二极管。

2.2晶闸管（SCR）

2.2.1晶闸管的结构晶闸管是四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其内部结构和等效电路如图所示。

a)b)c)图2-3晶闸管的内部结构及等效电路

a)芯片内部结构b)以三个PN结等效c)以互补三极管等效

晶闸管的外形及符号

a)b)c)图2-4晶闸管的外形及符号

a)晶闸管的符号b）螺栓式外形b）带有散热器平板式外形

2.2.2晶闸管的导通和关断控制晶闸管的导通控制：

在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，即可使晶闸管导通。导通的晶闸管的关断控制：令门极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。

2.2.3晶闸管的阳极伏安特性

晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。

图2-5晶闸管的阳极伏安特性

2.2.4晶闸管的参数

1.正向断态重复峰值电压ＵDRM2.反向重复峰值电压ＵRRM

3.通态平均电压ＵT(AV)

4.晶闸管的额定电流ＩT(Ａv)

5.维持电流ＩH

6.擎住电流ＩL

2.2.5晶闸管的门极伏安特性及主要参数

1.门极伏安特性

门极伏安特性是指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结，所以电压与电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线如图2-6所示。

图2-6

2.门极主要参数

（1）门极不触发电压ＵGD和门极不触发电流ＩGD（2）门极触发电压ＵGT和门极触发电流ＩGT（3）门极正向峰值电压ＵGM、门极正向峰值电流ＩGM和门极峰值功率ＰGM

2.2.6晶闸管触发电路

1.晶闸管对触发电路的要求

①触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；②触发脉冲与主电路电源电压必须同步；③触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。2.触发电路的分类依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。

2.触发电路的分类

触发电路可按不同的方式分类，依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。

2.2.7晶闸管的保护

1.晶闸管的过电流保护

1)快速熔断器保护(见下图）2）过电流继电器保护。过电流继电器可安装在交流侧或直流侧。3）限流与脉冲移相保护。

2.晶闸管过电压保护

晶闸管过电压产生的原因主要有：关断过电压、操作过电压和浪涌过电压等。对过电压的保护方式主要是接入阻容吸收电路、硒堆或压敏电阻等。图2-8为交流侧接入阻容吸收电路的几种方法。硒堆或压敏电阻的联结方法与此相同。

交流侧接入阻容吸收电路的几种方法

图2-8

2.3门极可关断晶闸管（GTO）

2.3.1GTO的结构

GTO的结构也是四层三端器件

a)

b)

图2-9GTO的结构与符号

a)GTO的结构剖面b)图形符号

2.3.2GTO的主要参数1.最大可关断阳极电流ＩＡTO

通常将最大可关断阳极电流ＩＡTO作为GTO的额定电流。2.关断增益βoff关断增益βoff为最大可关断阳极电流ＩATO与门极负电流最大值ＩGM之比，其表达式为

βoff＝ＩATO/│ＩGM│βoff比晶体管的电流放大系数β小得多，一般只有５左右。

2.3.3GTO的门极控制

GTO桥式门极驱动电路的工作原理是：当V1与V2饱和导通时，形成门极正向触发电流，使GTO导通；当触发VT1、VT2这两只普通晶闸管导通时，形成较大的门极反向电流，使GTO关断。

GTO桥式门极驱动电路

2.3.4GTO的缓冲电路

图2-13GTO斩波器及其保护电路图中R、L为负载，VD为续流二极管，LA是GTO导通瞬间限制di／dt的电感。RsCs和VDs组成了缓冲电路。GTO的阳极电路串联一定数值的电感LＡ来限制di／dt。

2.4功率晶体管（GTR）2.4.1GTR的结构a)b)c)图2-14GTR摸块a)GTR的结构示意图b)GTR摸块的外形c)GTR摸块的等效电路

2.4.2GTR的参数

(1)UCEO：既基极开路CE间能承受的电压。

(2)最大电流额定值ICM：

(3)最大功耗额定值PCM

（4）开通时间ton：包括延迟时间td和上升时间tr。（5）关断时间ｔoff：包括存储时间ｔs和下降时间ｔf

。

2.4.3二次击穿现象当集电极电压UCE逐渐增加，到达某一数值时，如上述UCEO，IC剧增加，出现击穿现象。首先出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要适当限制晶体管的电流(或功耗)，流过结的反向电流不会太大，进入击穿区的时间不长，一次击穿具有可逆性，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC将继续增大，此时若GTR仍在工作，GTR的工作状态将迅速出现大电流，并在极短的时间内，使器件内出现明显的电流集中和过热点。电流急剧增长，此现象便称为二次击穿。一旦发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏。

2.4.4GTR的驱动电路

抗饱和恒流驱动电路

图2-16抗饱和恒流驱动电路

2.4.5GTR的缓冲电路缓冲电路也称为吸收电路，它是指在GTR电极上附加的电路，通常由电阻、电容、电感及二极管组成，如图2-17所示为缓冲电路之一。

图2-17GTR的缓冲电路2.5电力场效应晶体管■分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称电力MOSFET（PowerMOSFET）。■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有：◆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，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。

2.5电力场效应晶体管■电力MOSFET的结构和工作原理◆电力MOSFET的种类

☞按导电沟道可分为P沟道和N沟道。☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。

☞对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。

☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。

2.5电力场效应晶体管◆电力MOSFET的结构

☞是单极型晶体管。☞结构上与小功率MOS管有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，而目前电力MOSFET大都采用了垂直导电结构，所以又称为VMOSFET（VerticalMOSFET），这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。☞按垂直导电结构的差异，分为利用

V型槽实现垂直导电的VVMOSFET

（VerticalV-grooveMOSFET）和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET）。☞电力MOSFET也是多元集成结构。图2-20电力MOSFET的结构和电气图形符号内部结构断面示意图b)电气图形符号2.5电力场效应晶体管◆电力MOSFET的工作原理☞截止：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，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。

☞导通

√在栅极和源极之间加一正电压UGS，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大于某一电压值UT时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

√UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。

■电力MOSFET的基本特性

◆静态特性

☞转移特性√指漏极电流ID和栅源间电压

UGS的关系，反映了输入电压和输出电流的关系。

√ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为

MOSFET的跨导Gfs，即

2.5电力场效应晶体管图2-21电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性(2-11)√是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。2.5电力场效应晶体管☞输出特性

√是MOSFET的漏极伏安特性。√截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。

√工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。☞本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。☞通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。

图2-21电力MOSFET的转移特性和输出特性

b)输出特性感性负载开关模型开通过程关断过程◆动态特性

开通过程开通过程开通延迟阶段，电源通过RGATE给CGS充电；门极电压充到VTH，进入线性区，漏极电流随VGS线性增大到最大值，而这时VDS不变；ID不变，VGS进入Miller平台，保持基本不变，VDS开始下降，直到0。Miller平台结束后，VGS继续充电到电源电压。关断过程关断过程2.5电力场效应晶体管☞不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常迅速的。☞开关时间在10~100ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。☞在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

2.5电力场效应晶体管■电力MOSFET的主要参数◆跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。◆漏极电压UDS

☞标称电力MOSFET电压定额的参数。◆漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

☞标称电力MOSFET电流定额的参数。

◆栅源电压UGS

☞栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。

◆极间电容

☞

CGS、CGD和CDS。◆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。

2.6绝缘栅双极晶体管■IGBT的结构和工作原理

◆IGBT的结构

☞是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。☞由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT，比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。☞简化等效电路表明，IGBT

是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由

MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

图2-23IGBT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RN为晶体管基区内的调制电阻。

2.6.2IGBT的基本特性

1)传输特性2)输出特性

2.6.3IGBT的主要参数

1)集电极-发射极额定电压UCES

2)栅极-发射极额定电压UGES

3)额定集电极电流IC，

4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat)

5)开关频率

2.6.4IGBT的驱动电路

1)驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2)用内阻小的驱动源对栅极电容充放电。3)驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4)驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。5)在关断过程中，应施加一负偏压UGE。6)在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以确保IGBT的安全。

7)驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。

2.7集成门极换流晶闸管（IGCT）

2.7.1IGCT的结构与工作原理1.结构

a）b）图2-25

GTO、GCT的结构图图2-26IGCT的符号a）GTO的结构图b）GCT的结构图

2.IGCT的工作原理

IGCT的导通原理与GTO完全一样，但关断原理与GTO完全不同，在GCT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，所以它不受外加电压变化率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，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制外加电压变化率du/dt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益PNP晶体管与门极电源的串联电路。

2.7.2IGCT的特点

（1）缓冲层（2）透明阳极（3）逆导技术（4）门极驱动技术

2.8智能功率模块(1PM)

2.8.1IPM的结构

IPM智能功率模块内部基本结构图

2.8.2IPM的主要特点

IPM内含驱动电路，可以按最佳的IGBT驱动条件进行设定；IPM内含过流（OC）保护、短路（SC）保护，使检测功耗小、灵敏、准确；IPM内含欠电压（UV）保护，当控制电源电压小于规定值时进行保护；IPM内含过热（OH）保护，可以防止IGBT和续流二极管过热，在IGBT内部的绝缘基板上设有温度检测元件，结温过高时即输出报警（ALM）信号，该信号送给变频器的单片机，使系统显