第1章电力电子器件

第1页第一章电力电子器件电力电子器件概述电力二极管晶闸管及其派生器件典型全控型器件其他新型电力电子器件电力电子器件的驱动电力电子器件的保护电力电子器件的串联与并联运行第2页主电路和电力电子器件的基本概念。电力电子器件的分类和电气图形符号。晶闸管、电力二极管、电力晶体管、电力MOSFET和IGBT的工作原理、开关特性、主要参数以及在选择和使用中应注意的事项。重点第一章电力电子器件第3页1.1电力电子器件概述（一）基本概念(P8)主电路(PowerCircuit):电力电子器件(PowerElectronicDevice):可直接用于处理电能的主电路中,实现电能的变换或控制的电子器件。

在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变换或控制任务的电路。第4页能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。（二）同处理信息的电子器件相比的一般特征1.1电力电子器件概述第5页（三）电力电子器件的分类(P10)按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下3类:不可控型器件——不能用控制信号来控制其通断。半控型器件——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。1.1电力电子器件概述第6页（1）可控器件按照驱动电路信号的性质来分

电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。

电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。（2）按照功率等级来分

微功率器件

小功率器件

大功率器件（3）按照导电机理来分

双极型单极型混合型其它分类方法:1.1电力电子器件概述第7页1.2电力二极管(P11)电力二极管（PowerDiode）结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。整流二极管及模块第8页1.2.1结构、工作原理和基本特性基本结构和工作原理与微电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线及封装组成。外形——主要有螺栓型和平板型两种封装。第9页额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)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原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。1.2.2电力二极管的主要参数1)

正向平均电流IF(AV)第10页在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3）反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。

4）反向恢复时间trrtrr=td+tf1.2.2电力二极管的主要参数2）正向压降UF第11页结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C范围之内。6)

浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

1.2.2电力二极管的主要参数5）最高工作结温TJM第12页1.2.3电力二极管的主要类型（P14）1.标准工频型（普通型）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其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,可以达到数千安或数千伏以上第13页2.快速恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）简称快速二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5µs以下）。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20～30ns。1.2.2电力二极管的品种第14页3.肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）

(a)反向恢复时间很短（10～40ns）。

(b)正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。

(c)反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。

(d)效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。(a)反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。

(b)反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。

(c)容量小、漏电流大。肖特基二极管的缺点肖特基二极管的优点1.2.2电力二极管的品种第15页1.3晶闸管及其派生器件（P15)晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956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。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代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。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。第16页AAGGKKa)G图1.6晶闸管的外形、结构和电气图形符号1.3.1晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的结构外形——螺栓型和平板型两种封装。联接端——三个。螺栓型——螺栓是阳极，与散热器紧密联接且安装方便。平板型——由两个散热器将其夹在中间。第17页螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构1.3.1晶闸管的结构和工作原理第18页2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作条件的实验电路

①承受反向阳极电压时,处于关断状态，与门极无关。②承受正向阳极电压时,若门极不施加电压,晶闸管也处于关断状态.③承受正向阳极电压,同时在门极施加正向电压，晶闸管由阻断变为导通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。有正向阻断能力和单向导电性。

1.3.1晶闸管的结构和工作原理④要使晶闸管关断,必须去掉阳极正向电压,或给阳极加反向电压,或降低正向阳极电压,使通过晶闸管的电流小于维持电流(即保持晶闸管导通的最小阳极电流)。第19页晶闸管的工作原理图1.7晶闸管的双晶体管模型1.3.1晶闸管的结构和工作原理第20页（1）阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。（2）阳极电压上升率du/dt过高，中间结电容产生位移电流。（3）结温较高，漏电流增大。（4）光触发——光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。其它几种情况要尽量防止。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其它几种可能导通的情况:(P17)1.3.1晶闸管的结构和工作原理第21页1.3.2晶闸管的特性图1.8晶闸管的阳极伏安特性和门极伏安特性（P17）1.静态特性第22页2.动态特性（P18）图1.9晶闸管的动态过程（P18）延迟时间Td(0.5~1.5s)上升时间Tr

(0.5~3s)

开通时间Ton为以上两者之和，

Ton=Td+Tr①开通过程1.3.2晶闸管的特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA第23页反向阻断恢复时间Trr正向阻断恢复时间Tgr电路换向关断时间Toff为以上两者之和Tq=Trr+Tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒图1.9晶闸管的动态过程（P18）②关断过程100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA1.3.2晶闸管的特性第24页通态损耗

断态损耗开通损耗

关断损耗晶闸管的动态过程及相应损耗③晶闸管的损耗(补充)静态损耗动态损耗1.3.2晶闸管的特性第25页1.额定电压UTN1.3.3晶闸管的主要参数(P19)

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。

实际选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为实际工作电路中可能承受到的正向阻断重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM的最大峰值电压,再取2～3倍的安全裕量.第26页

晶闸管在环境温度为40C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的单相工频正弦半波电流的最大平均值。2.额定电流IT(AV)（P19）额定电流如何计算？1.3.3晶闸管的主要参数0π2π单相工频正弦半波第27页正弦半波电流平均值IT(AV)、电流有效值IT和电流最大值Im三者的关系：额定电流的计算方法0π2π单相工频正弦半波第28页各种有直流分量的电流波形，其电流波形的有效值I与平均值Id之比，称为这个电流的波形系数，用Kf表示。因此，正弦半波电流的波形系数为：额定电流的计算方法考虑1.5～2倍的安全裕量思考：一只100A的晶闸管，流过波形系数为1.2的电流时，其允许通过的电流有效值和平均值各是多少？第29页3.维持电流IH——在室温与门极开路时,使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。4.

擎住电流IL——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2～4倍。1.3.3晶闸管的主要参数第30页5.通态平均电压UT(AV)——当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结温时，元件阳极与阴极之间电压降的平均值。1.3.3晶闸管的主要参数6.断态电压临界上升率du／dt——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。第31页7.通态电流临界上升率di／dt8.门极触发电流IGT和门极触发电压UGT

——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。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。——IGT是指在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极电流。UGT是对应于门极触发电流时的门极触发电压。

1.3.3晶闸管的主要参数9.额定结温Tjm——晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（器件内部）。第32页1.3.4晶闸管的派生器件（P20）1.快速晶闸管(FastSwitchingThyristor——FST)包括快速晶闸管和高频晶闸管，分别应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s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。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。第33页2.双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1.10a)电气图形符号b)伏安特性可认为是一对反并联的普通晶闸管的集成。两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。1.3.4晶闸管的派生器件第34页3.逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）图1.11a)电气图形符号b)伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。1.3.4晶闸管的派生器件第35页4.光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）图1.12a)电气图形符号b)伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。1.3.4晶闸管的派生器件第36页1.4典型全控型器件（P21）20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。器件典型代表——电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。第37页1.4.1电力晶体管(GTR)（P23）电力晶体管（GiantTransistor——GTR，BipolarJunctionTransistor——BJT），也称为PowerBJT。优点——耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等。缺点——二次击穿、驱动功率大等。应用——20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。第38页1.基本工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。2.结构

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。1.4.1电力晶体管(GTR)第39页图1.15GTR内部结构和电气符号

共发射极接法时GTR的静态特性

NNPPPN3.静态特性

(1)共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。

(2)电力电子电路中GTR工作在开关状态。

(3)开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，经过放大区。第40页4.动态特性

开通过程——延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。

关断过程——储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。图1.17GTR的开通和关断过程电流波形ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd1.4.1电力晶体管(GTR)第41页5.GTR的主要参数(1)

最高工作电压（即额定电压）(2)

集电极最大允许电流IcM(3)集电极最大耗散功率PcM

GTR上电压超过规定值时会发生击穿。

击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。

BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>BUceo。实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。

通常规定为直流电流放大系数hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。

1.4.1电力晶体管(GTR)第42页6.二次击穿现象与安全工作区(1)一次击穿①集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿；②只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。(2)二次击穿①一次击穿发生时，如果继续增高外接电压，则Ic继续增大，当达到某个临界点时，Uce会突然降低至一个小值，同时导致Ic急剧上升，这种现象称为二次击穿。②二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常立即导致器件的永久损坏，必须避免。1.4.1电力晶体管(GTR)第43页图1.18ＧＴＲ的安全工作区(3)安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）

最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线PSB限定。1.4.1电力晶体管(GTR)第44页1.4.2电力场效应晶体管(P25)特点——用栅源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的电力电子装置场效应晶体管(MOSFET)——分为结型和绝缘栅型。电力场效应晶体管主要指绝缘栅型场效应晶体管。结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）第45页主要用N沟道、增强型、绝缘栅型。和微电子里的MOS管导电机理相同。和微电子里的区别：前者是一次扩散而成，后者是二次扩散而成，前者是横向导电型，后者是垂直导电型。1.结构和工作原理1.4.2电力场效应晶体管第46页

①

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。②按源漏极存在导电沟道时的栅极电压类型分为耗尽型和增强型。③耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。④增强型——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。⑤

电力MOSFET主要是N沟道增强型。MOSFET的种类1.4.2电力场效应晶体管第47页2.静态特性(注意和GTR的区别，特别是饱和区的位置不同)图1.20a)转移特性b)输出特性010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。1.4.2电力场效应晶体管第48页截止区（GTR的截止区）饱和区（GTR的放大区）非饱和区（GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1.20a)转移特性b)输出特性1.4.2电力场效应晶体管第49页3.动态特性

图1.21a)测试电路b)开关过程波形RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tfa)b)开通过程——开通延迟时间td(on)

和上升时间tr之和为开通时间ton关断过程——关断延迟时间td(off)和下降时间tf之和为关断时间toff1.4.2电力场效应晶体管第50页①MOSFET的开关速度和输入电容Cin的充放电有很大关系；②使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，所以选择RS很关键（一般为几十欧姆）；③MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速；④MOSFET开关时间在10～100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是常用电力电子器件中最高的；⑤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。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关特点：1.4.2电力场效应晶体管第51页4.电力MOSFET的主要参数1)

漏源额定电压UDS

——电力MOSFET电压定额2)漏极额定电流ID和漏极峰值电流IDM——电力MOSFET电流定额3)栅源电压UGS

——UGS>20V将导致绝缘层击穿。4)通态电阻Ron——限制电力MOSFET功率容量的主要因素。5)最大耗散功率PD——器件所能承受的最大发热功率。1.4.2电力场效应晶体管第52页1.4.3绝缘栅双极晶体管（P29）

特点器件优点缺点晶体管GTR开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽存在二次击穿、驱动功率较大、驱动电路复杂电力MOSFET驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高、输入阻抗高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽电流容量小，耐压低，通态电阻大，只适用于中小功率电力电子装置绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）集二者的优点于一身。1986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GTO的地位。第53页1.IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E1.4.3绝缘栅双极晶体管第54页(1)结构IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT。RN为晶体管基区内的扩展电阻。IGBT是以BJT为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件。图1.22a是N沟道MOSFET与BJT组合——N沟道IGBT。1.4.3绝缘栅双极晶体管第55页(2)工作原理

驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极间电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。1.4.3绝缘栅双极晶体管第56页静态特性2.基本特性图1.22a)转移特性b)输出特性O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.3绝缘栅双极晶体管第57页动态特性开通过程与MOSFET相似开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

开通时间tonuCE的下降过程分为tfu1和tfu2两段。

tfu1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；

tfu2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。图1.23IGBT的动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfu1tfu2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1.4.3绝缘栅双极晶体管第58页图1.24IGBT的动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM关断延迟时间td(off）电流下降时间tf

关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT的关断过程1.4.3绝缘栅双极晶体管第59页——正常工作温度下允许的最大功耗。(3)最大集电极功耗PCM——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——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压UCES3.主要参数1.4.3绝缘栅双极晶体管第60页IGBT的特性和参数特点总结如下：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GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比电力MOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR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。1.4.3绝缘栅双极晶体管第61页4.擎住效应或自锁效应引发擎住效应的原因：集电极电流过大（静态擎住效应）或者duce/dt过大（动态擎住效应），或者温度升高。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。——NPN寄生晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P型体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。1.4.3绝缘栅双极晶体管寄生晶闸管结构第62页——最大集电极电流Icp、最大集射极间电压UCES和最大允许电压上升率duCE/dt确定。反向偏置安全工作区（RBSOA）——最大集电极电流Icp、最大集射极间电压UCES和最大集电极功耗PCM确定。正向偏置安全工作区（FBSOA）5.安全工作区1.4.3绝缘栅双极晶体管第63页1.5其他全控型电力电子器件简介（P32）门极可关断晶闸管GTO（P21)高电压、大电流双极全控型器件。反向电流大，控制复杂、控制功率较大。适用于大功率场合。静电感应晶体管SIT（P32)多子导电，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，适用于高频大功率场合。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。栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，使用不方便。通态电阻较大，通态损耗也大。

第64页静电感应晶闸管SITHMOS控制晶闸管MCT——MOSFET与晶闸管的复合器件承受极高di/dt和du/dt，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。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。1.5其他全控型电力电子器件简介两种载流子导电、双极型，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。

制造工艺复杂，成本较高。关断时需要较大的门极驱动电流。第65页

集成门极换流晶闸管IGCT1.5其他全控型电力电子器件简介20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。第66页20世纪80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。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在同一芯片上，称为功率集成电路PIC（PowerIntegratedCircuit）。6.功率模块与功率集成电路1.5其他全控型电力电子器件简介第67页智能功率集成电路SPIC（SmartPowerIC）通常指纵向功率器件与控制和保护电路的集成。通常用于电压调节器、汽车功率开关、开关电源、电机驱动、家用电器等产品上。高压集成电路HVIC（HighVoltageIC）一般指高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。通常用于小型电机驱动及电话交换机用户电路等需要较高电压的地方。智能功率模块IPM（IntelligentPowerModule）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。实际应用电路——按照制作工艺及应用范围分1.5其他全控型电力电子器件简介第68页1.6电力电子器件的驱动(P33)

作用和任务——主电路与控制电路之间的接口，将控制电路输出的信号按照其控制目标的要求，转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。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。驱动电路还提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。

1.6.1电力电子变流装置驱动电路概述第69页图1.25光耦的类型及接法(a)普通型(b)高速型(c)高传输比型

变流装置中，为了防止主电路的高压引入控制电路带来安全隐患和尽量减小主电路对控制电路的电磁干扰，控制电路和主电路之间一般要采取电气隔离措施。常常用光隔离或磁隔离。电气隔离措施1.6.1电力电子变流装置驱动电路概述第70页

光耦的输入和输出脉冲波形图1.27脉冲变压器隔离电路1.6.1电力电子变流装置驱动电路概述第71页1.6.3典型全控型器件驱动电路GTR驱动电路的设计原则——保证输出比较理想的基极电流波形和选择高效可靠的驱动电路。GTR对驱动电路的基本要求：

（1）GTR开通时，驱动电路提供的基极电流应具有足够的基极驱动和快速的上升沿，并一开始有一定的过冲，以加速开通的过程，减小开通损耗。（2）GTR导通期间，驱动电路提供的基极电流在任何负载情况下都能保证GTR处于饱和导通状态，使GTR的饱和压降较低，以保证低的导通损耗。为了减小存储时间，能控制GTR在关断前处于临界饱和状态，即准饱和状态。1.GTR驱动电路第72页

（3）关断瞬时，驱动电路应提供足够的反向基极驱动，以迅速抽出基区的剩余载流子，减小存储时间ts；并加反偏截止电压，使集电极电流迅速下降以减小下降时间tf。而在功率管开通前功率管基射极间的反偏电压应为零或很小。（4）驱动电路损耗要小，电路尽可能简单可靠，便于集成。（5）驱动电路中常要解决控制电路与主电路之间的电气隔离图1.30比较理想的基极驱动电流波形tOib1.6.3典型全控型器件驱动电路第73页GTR驱动电路简介（1）GTR具体的驱动电路形式繁多，这里仅简单介绍几个典型的GTR驱动电路。图1.31GTR的一种驱动电路1.6.3典型全控型器件驱动电路贝克箝位电路第74页UAA4002原理框图

在GTR的驱动专用集成电路中，法国汤姆森半导体公司的UAA4002和日本三菱公司的M57215BL得到较为广泛的应用。下面简单介绍一下UAA4002。

1.6.3典型全控型器件驱动电路第75页

由UAA4002组成的GTR驱动电路UAA4002组成的GTR驱动电路。

UAA4002的独特设计使它也非常适用于驱动电力场控器件，如电力MOSFET或IGBT。且由于UAA4002的输出电流足以快速地控制输入电容为纳法的器件，所以它特别适用于控制若干个并联的电力场控器件。1.6.3典型全控型器件驱动电路第76页2.IGBT的驱动电路

GTR为电流型控制器件，用基极电流来控制集电极电流。而IGBT是电压型控制器件，用栅极电压来控制漏极电流。因此，其对驱动电路的要求不同。IGBT对驱动电路的要求（1）栅极正偏电压+UGE

的影响IGBT通态电压与栅极电压的关系1.6.3典型全控型器件驱动电路第77页（2）栅极负偏压-UGE

的影响

集电极浪涌电流与栅极负电压的关系（3)栅极电阻RG1.6.3典型全控型器件驱动电路第78页IGBT的驱动电路简介IGBT实际应用中的一个重要问题是栅极驱动电路设计得是否合理。总的来说，由于场控制件的导电机理，IGBT的驱动电路比GTR的驱动电路简单。IGBT的驱动电路1.6.3典型全控型器件驱动电路第79页M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图1.6.3典型全控型器件驱动电路第80页

经过一级放大后驱动(用来驱动大电流模块)1.6.3典型全控型器件驱动电路第81页

直接驱动（采用驱动IC驱动）1.6.3典型全控型器件驱动电路第82页IGBT的栅极驱动设计

典型栅极驱动电路框图1.6.3典型全控型器件驱动电路第83页1.7晶闸管变流装置的保护电路(P37)原因——财产安全和人身安全通常有五种保护电路：晶闸管过流保护晶闸管过压保护晶闸管du/dt保护晶闸管di/dt保护晶闸管门极保护第84页1.7.1晶闸管的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雷击过电压：由雷击所产生的大气干扰引起操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程在晶闸管从导通到阻断过程中，由于晶闸管反向电流突变会因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——外因过电压和内因过电压第85页A、避雷器保护1.7.1晶闸管的过电压保护保护措施B、利用非线性过电压保护元件保护压敏电阻的伏安特性

压敏电阻过电压保护的接法第86页C、利用储能元件保护

阻容过电压保护的连接方法RCD过电压吸收电路1.7.1晶闸管的过电压保护第87页.晶闸管变流装置过电压保护主要措施及设置位置A─避雷器；B─接地电容，C─阻容保护；D─整流式阻容保护；E─压敏电阻保护；F─器件侧阻容保护D、利用引入电压检测的电子保护电路作过电压保护1.7.1晶闸管的过电压保护第88页1.7.2晶闸管变流装置的过电流保护保护措施：过电流——过载和短路两种情况同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，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，过电流继电器整定在过载时动作。负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器

过电流保护措施及其配置位置(P38)