电力电子器件 (2)课件

第二章：电力电子器件第一节概述第二节电力二极管第三节电力晶体管第四节晶闸管第五节电力MOS场效应晶体管第六节绝缘栅双极晶体管第七节其它电力电子器件第八节电力电子器件的保护本章小结1第一节概述一、电力电子器件的概念和特征1）能够承受高电压和通过大电流，处理功率大。2）一般工作在开关状态（开关特性和参数）3）实际应用中，由弱电控制强电4）开关损耗大，器件使用时需安装散热器2二、电力电子器件的分类半控型---晶闸管（含双向、快速）全控型-可关断晶闸管GTO电力晶体管GTR场效应晶体管MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT其他（MCT、IGCT、PIC。。。）双极型复合型单极型3电力电子器件的最新研制水平器件名称国外研制水平国内研制水平普通晶闸管SCH12kV/1kA,8kV/6kA6.5kV/3.5kA快速晶闸管2.5kV/1.6kA2kV/1.5kA光控晶闸管6kV/6kA,8kV/4kA4.5kV/2kA可关断晶闸管GTO9kV/2.5kA,6kV/6kA(400Hz)4.5kV/2.5kA电力晶体管GTR模块：1.8kV/1kA(2kHz)模块：1.2kV/400A功率MOSFET60A/200V（2MHz)500V/50A(100MHz)1kV/35A绝缘栅双极晶体管IGBT单管：4.5kV/1kA模块：3.5kV/1.2kA（50kHz)单管：1kV/50A模块：1.2kV/200A集成门极换流晶闸管IGCT单管：6kV/1.6kAMOS控制晶闸管MCT1kV/100A（Td=1μs)1kV/75A功率集成电路IPM:1.8kV/1.2kA600V/75A5AKAKa)第二节电力二极管电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同，以半导体PN结为基础；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。IKAPNJb)c)图2-2-1电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号6第四节晶闸管

晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体器件。从1957年美国研制出第一只普通晶闸管以来，至今已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品；晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对强电的控制；

晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。

7晶闸管的管耗和散热：

管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压

管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。

冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷9二、晶闸管的导通和关断条件〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。图2-4-2晶闸管的工作条件的试验电路10〔解释〕当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始终处于关断状态；UAK>0时，且EGk>0，SCR才能导通。SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；当UAK<0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。导通和关断条件综上所述：SCR导通条件：

UAK>0同时UGK>0由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。(一般通过减小EA,,直至EA<0来实现。）11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。三、晶闸管的基本特性IG

=0图2-4-4晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向导通>>UBO正向特性反向特性雪崩击穿1、静态特性（1）阳极伏安特性131)正向特性

IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。图2-4-4晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG晶闸管的阳极伏安特性142)反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。晶闸管的阳极伏安特性图2-4-4晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG152、动态特性图2-4-6晶闸管的开通和关断过程波形1)开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt：以上两者之和，tgt=td+tr

普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。172、动态特性图2-4-6晶闸管的开通和关断过程波形2)关断过程反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。

关断时间tq：trr与tgr之和，即tq=trr+tgr

普通晶闸管的关断时间约几百微秒。181.电压参数1)

正向断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。2)

反向阻断重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3)

通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。四、晶闸管的主要参数195）通态平均电压UT(AV)：当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。通态平均电压UT(AV)分为A～Ｉ，对应为0.4V～1.2V共九个组别。21举例：

一晶闸管用于相电压一晶闸管用于相电压为220V的单相电路中时，器件的电压等级选择如下：

考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：

221）额定电流（通态平均电流）IT(AV)

额定电流：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最大工频正弦半波电流的平均值。电流平均值：指一个周期内的电流算数平均值；电流有效值：指一个周期内的电流的方均根值。2、电流参数23使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。实际选用时，一般取（1.5~2）的安全裕量

IT(AV)＝（1.5～2）ITM／1.57ITM:流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值25有一晶闸管的电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过的电流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？分析：I（TAV）=100A的晶闸管对应的电流有效值为IT=1.57×I（TAV）

＝157A

；波形对应的电流有效值：举例：考虑2倍的安全裕量后得：262)

维持电流IH：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3)

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。4)浪涌电流ITSM：指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

274)断态电压临界上升率du／dt

：在额定结温和门极开路情况下，不使元件从断态到通态转换的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。5）通态电流临界上升率di／dt

：在规定条件下，晶闸管在门极触发开通时所能承受不导致损坏的通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。4、动态参数29

1、双向晶闸管1）双向晶闸管的外形与结构双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其内部是一种NPNPN五层结构引出三个端线的器件。五、其他类型的晶闸管图2-4-7双向晶闸管

302）双向晶闸管的特性与参数双向晶闸管具有正反向对称的伏安特性曲线。正向部分位于第I象限，反向部分位于第III象限。如图2-4-7（d）所示。用有效值来表示其额定电流值。双向晶闸管均方根值电流与普通晶闸管平均值电流之间的换算关系式为

313)双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：Ⅰ+触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅰ象限。Ⅰ-触发方式：主极T1为正，T2为负；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅰ象限。Ⅲ+触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为负。特性曲线在第Ⅲ象限。Ⅲ-触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。特性曲线在第Ⅲ象限。由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏度不相同，以Ⅲ+触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常采用的触发方式为Ⅰ+和Ⅲ-

。

324)双向晶闸管的门极控制双向晶闸管的控制方式常用的有两种，第一种为移相触发，与普通晶闸管一样，是通过控制触发脉冲的相位来达到调压的目的。第二种是过零触发，适用于调功电路及无触点开关电路。本相电压强触发电路这种触发方式电路简单、工作可靠，主要用于双向晶闸管组成的交流开关电路。

图2-4-8本相电压的触发方式33包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管（10kHz以上）；管芯结构和制造工艺进行了改进，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，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应；FST由于允许长期通过的电流有限，所以其不宜在低频下工作。2、快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)34逆导晶闸管是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，这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。3、逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）图2-4-9逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性354、光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。图2-4-10光控晶闸管电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性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，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。36全控型电力电子器件GTO——门极可关断晶闸管GTR——电力晶体管MOSFET——电力场效应晶体管IGBT——门极绝缘栅双极晶体管37门极可关断（GTO）晶闸管1.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点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。图2-4-11GTO的内部结构和电气图形符号382、工作原理：图2-4-12晶闸管的双晶体管模型及其工作原理1+2=1是器件临界导通的条件。当1+2>1时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+2<1时，不能维持饱和导通而关断。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益α1和α2。门极可关断晶闸管39GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：门极可关断晶闸管

（1）设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。（2）导通时1+2更接近1（1.05，普通晶闸管1+21.15）导通时饱和不深，接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

（3）多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。40门极可关断晶闸管由上述分析我们可以得到以下结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程：强烈正反馈——门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+2<1时，器件退出饱和而关断。413.导通关断条件导通：同晶闸管，AK正偏，GK正偏关断：门极加负脉冲电流423.特点全控型容量大

off≈5电流控制型电流关断增益off：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。43第三节GTR——电力晶体管电力晶体管GTR（GiantTransistor，巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

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441.

GTR的结构和工作原理图2-3-1GTR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。45在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力单管GTR的

值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。46达林顿GTR单管GTR的电流增益低，将给基极驱动电路造成负担。达林顿结构是提高电流增益一种有效方式。达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定达林顿GTR的开关速度慢，损耗大

47(1)

静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区图2-3-2共发射极接法时GTR的输出特性2、GTR的基本特性48(2)

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。td主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。图2-3-3GTR的开通和关断过程电流波形49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

。ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。图2-3-3GTR的开通和关断过程电流波形50前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff(此外还有)：1)

最高工作电压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，为确保安全，最高工作电压要比BUceo低得多。3、GTR的主要参数512)

集电极最大允许电流IcM通常规定为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。

3)

集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。52一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。

二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随Uce电压的陡然下降。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，或者工作特性明显衰变。4、GTR的二次击穿现象与安全工作区53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、二次击穿临界线限定。图2-3-4GTR的安全工作区545、主要特点全控型，电流控制型二次击穿（工作时要防止）中大容量，开关频率较低551.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

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——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

电力MOSFET主要是N沟道增强型第五节电力MOS场效应晶体管（MOSFET）

56G：栅极D：漏极S：源极图2-5-1电力MOSFET的结构和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)电气图形符号

57导通关断条件漏源极导通条件：在栅源极间加正电压UGS漏源极关断条件：栅源极间电压UGS为零导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。581)

静态特性漏极电流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。图2-5-2电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性2、电力MOSFET的基本特性59MOSFET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）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET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。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图2-5-2电力MOSFET的转移特性和输出特性

a)转移特性b)输出特性60开通过程开通延迟时间td(on)——up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。上升时间tr——

uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和。图2-5-3电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流2)

动态特性61关断过程关断延迟时间td(off)——up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。下降时间tf——

uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和。图2-5-3电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻，RG—栅极电阻，RL—负载电阻，RF—检测漏极电流62MOSFET的开关速度

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。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。MOSFET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。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，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。633、电力MOSFET的主要参数——电力MOSFET电压定额1)

漏极电压UDS

2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额3)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。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：

644、特点控制级输入阻抗大驱动电流小防止静电感应击穿中小容量，开关频率高导通压降大（不足）65第六节

绝缘栅双极晶体管（IGBT）

绝缘栅双极型晶体管简称为IGBT（InsulatedGateBiopolarTransistor）,是80年代中期发展起来的一种新型复合器件。IGBT综合了MOSFET和GTR的输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点。成为当前电力半导体器件的发展方向。661、结构复合结构（=MOSFET+GTR）栅极集电极发射极图2-6-1IGBT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672.导通关断条件驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，通断由栅射极电压uGE决定导通条件：在栅射极间加正电压UGEUGE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。关断条件：栅射极反压或无信号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。681)

IGBT的静态特性转移特性——IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压UGE(th)——IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般为2~6V。输出特性（伏安特性）——以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。图2-6-2IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性3.IGBT的基本特性69与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。开通延迟时间td(on)——从uGE上升至其幅值10%的时刻，到iC上升至10%ICM²

。

电流上升时间tr

——iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间ton——开通延迟时间与电流上升时间之和。uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。图2-6-3IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM

IGBT的开通过程70关断延迟时间td(off)——从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM

。电流下降时间——iC从90%ICM下降至10%ICM

。

关断时间toff——关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT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。图2-6-3IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的关断过程714、IGBT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UCES72IGBT的特性和参数特点可以总结如下：(1)

开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2)

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。(3)

通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)

输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)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。73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（RBSOA）——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（FBSOA）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晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形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。5、IGBT的擎住效应和安全工作区74第八节电力电子器件的保护一、过电压的产生及过电压保护1.过电压的产生原因外因过电压:主要来自雷击和系统中的操作过程等外因(1)

操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起(2)

雷击过电压：由雷击引起（浪涌过电压）内因过电压:主要来自电力电子装置内部器件的开关过程(1)

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，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压；(2)

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在器件两端感应出的过电压。75电力电子器件换相（关断）时的尖峰过电压波形，如图所示：图2-8-1关断过电压波形762.过电压的保护措施针对过电压形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，称为吸收回路。

（1）阻容吸收（操作过电压、换相过电压、关断过电压）图2-8-2交流侧阻容吸收电路的几种接法a)单相联接b)三相星形接c)三相三角形接d)三相整流联接77（2）压敏电阻（吸收浪涌过电压）压敏电阻外形同瓷介电容特性曲线同正反相稳压管压敏电阻的接法：单相联接三相星形联接

图2-8-4压敏电阻接法图2-8-3压敏电阻特性曲线78

图2-8-5过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧操作过电压抑制用RC电路RC2阀侧过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻浪涌过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路过电压保护措施79过电流保护措施过电流继电器快速熔断器直流快速断路器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性过电流短路时的部分区段的保护整定在电子电路动作之后实现保护整定在过载时动作短路过载二、过电流的产生及保护1.产生：短路、过载时会产生过电流2.过流保护措施：80

图2-8-6过电流保护措施及配置位置81采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施。选择快熔时应考虑：(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。(3)快熔的I2t值应小于被保护器件的允许I2t值。(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。（5）1.57IT(AV)≥IFU≥ITM过电流保护银质熔丝石英沙82图2-8-7快速熔断器保护的接法a)串于桥臂中b)串于交流侧c)串于直流侧

83快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。过电流保护84缓冲电路（吸收电路）作用抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路（du/dt抑制电路）用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗开通缓冲电路（di/dt抑制电路）用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗缓冲电路复合缓冲电路

将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起耗能式缓冲电路

缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上馈能式缓冲电路（无损吸收电路）

缓冲电路中储能元件的能量回馈给负载或电流三、缓冲电路85图2-8-8di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形通常缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路86无缓冲电路V开通电流迅速上升，di/dt很大V关断du/dt很大，并出现很高的过电压有缓冲电路V开通

Cs通过Rs向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有di/dt抑制电路的Li,ic上升速度减慢。V关断负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。

tuCEOdidt抑制电路时无didt抑制电路时有有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC87icBADC无缓冲电路有缓冲电路ucE0图2-8-9关断时的负载线无缓冲电路uCE迅速上升，负载L上的感应电压是续流二极管VD开始导通，负载线A从移动到B，iC下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。有缓冲电路CS的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降，负载线经过D到达C，负载线ABC经过的是小电流、小电压区，器件的关断损耗比无缓冲电路时降低。88Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册。VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10。尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容。中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路。

对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可。缓冲电路中的元件选取及其他注意事项89补充一：电力电子器件的串、并联使用一、晶闸管的串联使用1.串联使用的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。2.串联使用时的问题：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