电力电子技术及应用

2070年代发展起来的新兴技术，是高新技术产业发展的主要基础技术之一，也是传统产业改造的重要。随着各种新型电力电子器件的不断涌现，电的衔接，做到既打好基础，又尽量避免重复。重点和难点部分尽量翔实，便于。各章3个方面的内容。在器件方面：除了传统的晶闸管器件之外，主要介绍PIC、IPM等；对电力电子开关器件的DC/DC，DC/AC，AC/DCAC/AC4类基本变换电路的拓扑结构、基本工作原理、分本书由内工业大学张润和任主编。全书共分10章，绪论、第4、6、8章由张润和编写，第1、2章由内工业大学田立欣编写，第3章由内大学郝整清编写，第5章由内工业大学刘磊协助绘制了部分插图。在此对本书所的参考文献的所有作者一并编20086 第0章绪 习 1第1章电力电子开关器 本章小 习 第2章电力电子开关器件的辅助电 本章小 习 2篇电力电子变换电路第3章直流变换电 本章小 习 第4章无源逆变电 本章小 习 第5章整流电 本章小 习 第6章交流变换电 ·IV· 本章小 习 第7章谐振软开关技 本章小 习 3篇电力电子技术的应用 本章小 习 第9章电力电子装置对电网的影响和可靠 本章小 习 参考文 第0章 电力电子技术的形成及特点技术。国际电气和电子工程师(IEEE)的电力电子学会对电力电子技术的定义是：“有率从1W以下到数百MW甚至达到GW。电力电子技术是横跨电子技术、电力技术和控制技电力电子学这一名词是20世纪60年代称呼。1974年，的W.Newell用如0.1所示的倒三角形对电力电子学进行了描电力电子技术和电子技术有其相 图0.1表征电力电子技术的倒三角 统有关的科学技术。主要来研究电子器件，以及利用电子器件来处理信息电路号的产生、变换、处理、、发送和接收等问题。电力电子技术中的电力电子器件和电力电电力电子技术的发展1957—1980年为传统电力电子技术阶段。自从1957年通用电气公司研制出第一力有了根本性的突破；另一方面实现了弱电对以晶闸管为的强电变换电路的控制，使术。以晶闸管为的电力电子电路，在电能变换领域得到迅速而广泛的应用，变流装置由旋转方式变为静止方式，具有效率高、体积小、重量轻、长、噪声小、便于维第0章绪 由于器件的开关速度偏低，一般情况下低 400Hz，大大限制了它的应用范围19802080(也称自关断器件)，如门极可关断晶闸管、双极型功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等。全控型器件的特点是：通过对门极(基极、栅极)新器件出现推了变换的变器中的普晶闸管渐被这器件所度调制方式()。控制技术2080年代中期诞生了功率集成电路(PIC)，它将电力电子器件与驱动、保护、检测电路集成在一块上，开辟了电力电子器件智能化的方向，使应用电路的结成电路的发展阶段，现在已有专为各种控制功能而设计的集成电路，使变换器的控制 块，还有的几乎把一个整机的所有硬件都以的形式安装到一个模块中，经过严格、合(1)器件的集成。传统的电力电子器件采用分立的方式，而绝大部分全控型器件都是40AMOSFET(2)的集成。把不同功能的控制单元集成在一个中，构成具有特殊控制(3)系统集成。在变换功率较小的场合，把控制电路、驱动电路、保护电路和电力电高频化是指电力电子器件的工作频率提高了。例如，GTO的工作频率可达几千赫兹，的工作频率可达几十千赫兹，功率MOSFET的工作频率可达到数百千赫兹以上。理现代电力电子技术中广泛采用控制技术和多重化技术，使得变换器的谐波大为关器件中植入传感器、数字等，并通过通信和网络的使其功能不断扩大。单元器第0章绪 2021世纪仍将以迅猛的速度电力电子技术的电各类低压直流开关电源。在电源领域，当前的发展方向是采用有源功率因数校正技术，使之功率因数为1，并成为对电网无谐波污染的“绿色”电源。同时采用软开关技术，等。由于运用了高频技术，去掉了工频变压器，大大减小了电源的体积和开关损耗，提高了效率，节省了有色金属，实现了电源的小型化。 电力4种类型是电力电子技术在传动领域中的典风机、泵类负载其用电量占总发电量的30%左右。用电动频调速来取代传统电力75%2195%尽管增加了电力变换环节(交流电—直流电—交流电)，但在技术经济意义上仍是远距2080年代中后期，电力科学提出了柔流输电(FACTS)和用户定制电力技术，它们都以电力电子技术为。前者的基本作用是控制输电系统中的潮流和提高第0章绪 交通照10%～12%。过去人们大量使用白炽灯和日光灯。2080%左右，灯管的实际工作延长3～5倍，可节电50%，同时能提高亮度，减小无功和源及新型发电方式越来越受到世界各国的高度重视。从电池、微燃气轮机、风能、太进行能量转换、输送、和缓冲等，可以大大改善电能的质量，可直接供给标准电气负电力电子技术研究的电力电子技术所研究的内容包括3个方面：电力电子器件、电力电子变换电路和控 以电力电子器件为，采用不同的电路拓扑结构和控制方式来实现电能的变换和控产生低次谐波，造成电网严重污染，同时对电网呈感性负载，功率因数低。2080第0章绪 代后期，将技术引入整流器的控制之中，使整流器网侧电流正弦化，且可运行于单应装置也称为交-交变频器或周波变换器。新型交-交变频器是在变换理论的基础上是在所有工作范围内，总可以保持功率因数为10～200Hz。不停电电源(AC-DC-AC)和开关电源(AC-DC-DC)等。以上4种变换如图0.2所示。0.2电力变换类作频率的控制。这种控制方式多用于DC/AC变换电路中。高于输入、输出电压频率的开关频率运行。如控制，在全控型器件未投入使用时， 策略。同一变换电路由于控制水平的提高，可以达到更为完善的性能水平。如技术形，输出电压反馈和电压前馈控制，能使普通整流装置的功率因数从0.5提高到0.99早期的控制电路采用数字或模拟的分立元件电路。随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，16位和32位的微处理器、DSP、功率变换器的、现场可关器件，按导通开关器件的关断方式，换流方式可分为4种。换流方式需要设置附加的换流电路。强迫换流通常利用附加电容上所的能量来实现，43为器件或变流器自身原因而实现的换流，也称为自换流；电网换流和负载换流不是依靠变流器自身的原因，而是借助于外部(电网电压或负载电压)来实现的换流，也称为外部换流。电力电子技术课程的性质、任务及第0章绪 应用器件组成电路，故应注意掌握器件的外部特性和极限参数。本课程主要研究由不本原则，要以电路为主线，重点放在电，正确处理好器件、电路、应用三者的关系。的措施或，并在此基础上进行分析计算。注意在不同变换电路中器件导通、关断的变 第1 电力电子开关器件1电力电子开关器件自1957年第一个晶闸管(SCR)问世以来，电力电子器件在过去的50经历了从传采用分立式结构。工作频率不高，多数低于400Hz采用移相控制技术。电路功率因数低，网侧及负载上谐波严重，造成电网“公害”电压、电流高。例如：普通晶闸管，1200V/1000A；快速晶闸管2500V/400A；逆导晶闸管，2500V/1000A；双向晶闸管，1200V/300A 第1章电力电子开关器 2070(GTO)、电力晶体管(GT)、电力场效应管(POWER-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管()、静电感应晶体管ST)、静电感应晶闸管(STH)、MOS栅控晶闸管(MT(T()断强大。除具有开关功能外，增加了保护、检测和驱动等功能，如功率集成电路PIC，它随着新型现代电力电子开关器件的不断出现，器件性能的不断发展提高，大量变流装置中的普通晶闸管被新型器件取代，主电路结构更加紧凑，控制电路更加简便灵活，许多6000A/3000V。晶闸管SCR及其派生的系列晶闸管器件。和SIT，这类器件属于电压控制型器件，其输入阻抗高、驱动功率小、工作频率高、开关产品有、MCT、IGCTPIC驱动功率小的MOSFET作为输入级，使器件兼备了两者的优点，近年来发展非常迅速。 1.1装置容量与变换频率的关SCR、GTOIGCTSCR装置400Hz以下4500V/4500A、9000V/1000A，在高电压大电流领域有着明显的优势。力和低通态压降，而且有着与相同的开关性能，目前容量达6000V/4000A，很大程度上可以取代GTO。T、和STH用大变置。TR虽着电、容，目前量仅为120V400A在许频变换装中被所代。SH关损耗小；容量达2500V1000A、4500V400A，但器件制造工艺比较复杂，成本较高，发展受T，第四代450V1000在1000V/200A水平，常用于中小功率、开关频率较高的变换装置中。第1章电力电子开关器 电压电流在同一数量级下，器件功率损耗与工作频率的关系曲线如图1.2所示。功率损耗较大。随着频率的升高，功率MOSFET加，一般工作频率较低。如GTO最高工作频率1kHz～2kHz，GTR最高工作频率5kHz， 图1.2功率损耗与工作频率的关系曲1.3应用领域与设备容量、工作频率关系曲SCR、GTO和IGCT用于高压大容量直流输电、电力机车牵引、大容量UPS电源和直流电解电源中。GTR 常用于中等容量UPS电源、电动机控制和感应加热电源MOSFET适用于工作频率较高，容量不大的变频器、逆变焊机和高频电源设GTR模块。随着功率集成电路PIC的发展，高压集成电路HVIC和智能功率集成电路SPIC在小容量变频器、逆变电源和开关电源中的应用越来越广。 20世纪70年代后期出现的各种全控型器件经历了几代后，有的已经实现了大容量化和实用化，而有的则进入了期。电压控制型器件(、MOSFET、SIT、SITH和MCT等)因其输入阻抗高、控制功率小、控制电路简单、工作频率高及抗辐射能力强等优制电流和控制功率较大，控制电路比较复杂，目前GTR已逐渐被所替代，GTO则产生出了很多派生器件，IGCT就是将GTO的优点结合起来的一种新型器件，控PIC实现了功率功率二装置的器件。与普通二极管相比，它们的工作原理和特性相似，具有单向导电性。实PN结上加装引线以及封装形成的，主要有螺栓式和平板式，其外形、内部结构和电气图形符号如图1.4所示，A为阳极，K为阴极。1.4功率二极管的外形、内部结构和电气图形符第1章电力电子开关器 二极管外加正向电压(正向偏置)时，即阳极A接电源正极，阴极K接电源负极，外电场高于内电场后，内部多数载流子扩散运动加强，空间电荷区变窄，形成很大的正向电二极管外加反向电压(反向偏置)AK接电源正极，外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽，内部数载流子的漂移运动，产生的反PN结特性有一定正向电流才开始明显增加。二极管导通后，正向电流IFIF相对应的二极管两端电压UF二极管外加反向电压时，反向漏电流很小且随反向电流突然急剧增大，称二极管反向击穿，对应的电

1.5功率二极管的伏PN结温度升高，二PNtrrtd 1.6二极管导通和关断过程中电压、电流动态过程波称为正向恢复时间，其值一般远小于反向恢复时间。反向恢复时间trr对二极管的工作频率波电流的平均值。此电流下由于二极管正向压降引起的损耗使结温升高不超过最高允许结温。1.11.7所示。试计算该电解1I

Isintd(t) 20 1(Isint)21(Isint)22

1.7二极管半波整流电流波100A的二极管，工频半波下允许流过的电流有效值为157A。第1章电力电子开关器 IKfI

d反向重复峰值电压U功率二极管反向所能承受的重复施加的最值电压。一般为反向击穿电压UBR的正向管压降U最高允许结温结温(Tj)PNPN结正常工作时所能承受的最高平均温度。根据管子半导体材料的不同，最高允许结温一般在125～175℃范围内。功率二极管是电力电子开关器件中结构最简单、应用最广泛的一种器件，利用其单向导电特性可以在各种电路中发挥不同的作用。在交直流变换中起着续流、回馈、、钳可达几千伏/几千安。例如，国产ZP系列二极管，主要用于各种设备的整流电源部分。一般在5s以下，制造工艺采用扩散法，通过掺金或铂来控制反向恢复时间。另外一种采公司的MUR系列为超快恢复二极管。快恢复二极管的电压、电流最大值不如普通肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode，SBD)N型半导体接触形成的势垒二 正向压降较低。但存在一些缺点：漏电流较大，电压较低，温度特性较差。如晶闸普通晶闸管也称作硅可控整流器(SiliconControlledRectifier，SCR)，简称可控硅。它是一种半控型开关器件，立足于分立式结构，工作频率较低，是目前电压、电流最大式和平板式。3个极A、阴K和G，外形和电1.8所示。平板SCR。晶闸管的管芯结构如图1.9(a)所示，是具有3PN结的四层半导体器件。结构示意图如图1.9(b)所示P1、N1、P2、N2四层半导

1.8晶闸管的外形和电气图形符1.9晶闸管管芯结构和等效结构示意第1章电力电子开关器 4PNPN结构的晶闸管可以看成PNP和NPN两只晶体管的互联结构，等效电路如图1.10IGNPN管基极，IC1NPN管基极，形成正反馈过程，两子迅速进入饱和导通晶闸管的阳极电流IA表达式为IIC02 1.10 1( 1IC1IA2IC2IK。IKIAIG

IC012IAIC0IG的增加，晶体管发射极电流增大，使1和2增大，当121IA急剧增大，实IAEAR的限制，否则会阳极伏安特性是指晶闸管阳极电压UAK与阳极电流IA之间的关系，如图1.11所示。

外加电压小于正向转折电压UBO，晶闸达到正向转折电压UBO时，反偏的J2结IA突然急剧增大，晶闸管进入导通状

1.11晶闸管的阳极伏安特 结温过高和阳极电压上升率du/dt过大也会使SCR触发导通，这些都属于触发，应流很小。当反向电压增大到反向转折电压URSM时，晶闸管反向击穿，反向电流急剧增大，晶闸管门极伏安特性是指门极电压UK与门IG的关系，其特性与二极管伏安特性基本1.12上图中，由门极触发电流IGT，门极触发电

1.12晶闸管的门极伏安特反馈的建立需要一定的时间，阳极电流和电压的变化过程如图1.13(a)所示。开通过程可分为三个阶段，分别是延迟时间td、上升时间tr和扩展时间ts，晶闸管的迫关断。关断时阳极电压和电流波形如图1.13(b)所示。经过两个阶段。分别为反向恢复时间trr和门极恢复时间tgr即tofftrrtgrA-K极间出现尖峰反向电压URRM，其值过高会造成SCR反向通常门极恢复时间tgr比反向恢复时间trr大得多。实际应用中，给晶闸管所加的反向电压时间应大于tgr，否向电压过早到来会使管子不受门极的控制而重新导通。第1章电力电子开关器 1.13晶闸管的开通与关断工作波断态重复峰值电压UDRM50次/秒，每次时间不大于10ms，重复施加在管子上的正向断态最大脉冲电压。反向重复峰值电压URRM50次/秒，每次时间不大于10ms，重复施加在管子上的反向最大脉冲电压。额定电压。将UDRM和URRM电压中较小的一个数值取整后作为该晶闸管的额定电压通态峰值电压UTM2IT(AVIT(AV)又称为额定电流。指在环境温度+40℃和取管子电流应按实际波形的电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取，并留有两 1.21.7中的/2时刻开始导通，试计算该电流波解电流平均 I

Isintd(t) 22 (IMsint)2(IMsint)24

II

I1.57100157

100A70A使用。可见，晶闸管允许通过的电流与电流波形闸管继续导通所需要的最小阳极电流。同一晶闸管ILIH的2～4倍。门极反向峰值电压URGM。门极所能承受的反向最大电压，一般不超过10V断态电压临界上升率dudt。在额定结温和门极开路情况下，晶闸管保持阻断状态所能承受的最大电压上升率。如果dudt数值过大，内部结电容产生的位移电流会造成管子误导通，其单位是V/s。流发热而损坏，其单位是A/s。管。它们基本上都是PNPN四层半导体结构的派生器件。主要类型有快速晶闸管(FastSwitchingThyristor，FST)、双向晶闸管(TriodeACSwitch，TRIAC)、光控晶闸管(LightTriggtredThyristor，LTT)和逆导型晶闸管等。第1章电力电子开关器 门极可关断晶GTO外形上与SCR一样，有阳A、阴K和门G3个电极，内PNPN四层半导体结SCR不同，GTO内部是由数百个共阳极的小GTO元并联而成，它们的门极和阴极分别并联在一起，属于多元集成器件。GTO的管芯结构和电气图形符号如图1.14所示。1.14GTO的管芯结构和电气图形符GTO开通后可以通过门极加负脉冲实现关断，这和普通晶闸管有着本质的不同。如图1.15EG时，PNPIC1被“抽出”一部分形成门极负电流IGNPN管的基极电流减小，进而IC2IC1电流进一步下降。如此是器件的1和2较小，GTO导通后饱和深度不(121～1.05

1.15GTO关断等效电

GTOGTOGTO元开GTOGTOGTO的关键技术压电流等级可达6000V/4000A水平。

1.16GTO阳极伏安特GTO正向开通时，门极伏安特性与普通SCR基本一样。这里主要讨论GTO关断时门极电流、门极电压和阳极电流的关系，即门极动态伏安特性，如图1.17所示。1.17GTO门极测试电路及动态伏安特B点之前，阳极电IA并未变化，只B点后阳极电流才开始下降。从BC点是阳极电流下降时间，CD点是尾部时间，到达DGTO完全关断。第1章电力电子开关器

1.18GTO开通与关断特A-K极加正向电压，门极施加正触发脉冲EGUGD时，GTO开始正向导通，阳极电流iA大于擎住电流后，即使触发信号，GTO也能完全导通。开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr两部分构成，定义方法与普通晶闸管一样。即：tontdtr。开通时间ton的SCR关断过程不同，GTOEGUGR来关GTO1.18中各电压、电流变化曲线可以看出，整个关断过程可分为3个时间段。(1)阶段ts。从门极关断信号到来，关断信号源从门极抽走大量过剩的载流子GTO导通区不断被压缩，但阳极电流和阳极电压几乎不变。当出现121GTO下降阶段tf。关断电流达到IGM，GTO阳极电流迅速下降，阳极电压开始上升，路中杂散电感作用产生尖峰电压UPUP过高可能导致GTO失效。 电感和线路电感将释放能量，产生高出阳极电压的尖峰电压U，此尖峰电压过大时，会GTOGTOIA电流增大的现象。GTO的关断时间toff是时间ts和下降时间tf之和，即tofftstf。关断时间toff一般高于开通时间ton，大几微秒到十几微秒。 I

12 指最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IGM之比， 阳极尖峰电压U线电感、二极管正向导通时间和吸收电容中的电感引起，UP过高会导致GTO失效。阳极电压上升率duGTO阳极电压上升率dudt静态dudt与普通晶闸管断态电压临界上升率dudt一样，指GTO阻断时所能承受中结电容流过较大的位移电流会使GTO误导通。门极施加反偏电压，可以提高GTO的dudt耐量。动态dudtGTO在门极关断过程中阳极电压的上升率，也称重加dudt回路负载电感和引线电感在GTO关断时释放能量产生，过高的动态dudt会使瞬时关断功联RCD缓冲电路限制。阳极电流上升率diGTO开通过程中的电流上升速率。didtGTO阴极区电流局部过第1章电力电子开关器 GTO、掩埋GTOMOS-GTO等多种。逆阻型GTO可以承受正反向电压，正向GTOGTO，不能承受反向电压，但正向导通压降低，快速性能好，热稳定性能优良。放大门极GTO、掩埋门极GTO和MOS-GTO门极控制功率小，驱动电路简单。电力晶两种载流子运动形成，属于双极型晶体管(BipolarJunctionTransistor，BJT)。GTR由3层半导体材料构成，有NPN和PNP两种类型。结构上可以看作是多个晶体成叉指型结构，最后并联在一起。GTR内部结构和电气图形符号如图1.19所示。1.19GTR内部结构和电气图形符NPN型电力晶体管与小功率晶体管结构相比，增加了N漂移区来提高器件耐压，用叉指型基区、发射区和垂直导电结构提高电流容量。GTR必须有连续的基极驱动电流才能类型等效有NPN型和PNP型，其类型一般由驱动管决定，如图1.20所示。 1.20达林顿结GTRVT21.20中R1R2GTR温度稳定性。VD1为寄生逆导二极管，使GTR不承受反向电压。GTRGTR管芯、稳定电阻、加速二极林顿GTR构成的单臂桥式模块等效电路及电气图形符号。1.21GTR模块内部等效电路及符第1章电力电子开关器 GTR的输入特性如图1.22(a)所示，表示GTR基-射极间电压UBEIB的关系，其特性与二极管正反向特性基本一致，UTO为门槛电压。GTR的输出特性如图1.22(b)所示，表示在IB电流4个区域：截止区、放大区、准饱和区饱和压降UCES较小，相当于开关处于接通状态。准饱和区GTRGTR严禁GTR开通、关断过程中的瞬态特性，如图1.23所示。

1.22GTR的输入输出特1.23GTR的开关特 时间ton包括延迟时间td和上升时间tr，即开通时间tontdtr。关断时间toff包括时间ts和下降时间tf，即关断时间tofftstfGTR的开通时间在纳秒数量级，关断时间的数值都在微秒数量级ts大约为3～8stf1s)。采取以下方法可以减小关断时间：流iB的比值用来表示GTR的电流放大能力。单管GTR值较小，达林顿结构较大。最高集电极电压额定值BUCEOBUCBOBUCEXBUCESBUCER为安全起见，GTR的工作电压应比BUCEO低很多，一般为(1/3～1/2)BUCEO

ICM。随集电极电流增加，GTR值下降额定结温二次击穿现象 第1章电力电子开关器 果不加限制，IC电流增大到某一临界点时会突然急剧增大，同时UCE电压迅速下降，产生3类：正偏二次击穿、开路二次击穿和反偏备通电时反偏二次击穿主要发生在GTR由导通状态1.24A、B、C3点为二次击穿的临界点，对应二次击穿临界电压US/B界线，称二次击穿功耗线PS/B。可以看出，在对管子集电极上dudt的限制。区

1.24GTR二次击穿特区是生产厂家针对开关元件运行中受电压、电流和功率损耗等的限制给出的一个区域(SafeOperatingArea，SOA)。分为正向偏置区(FBSOA)和散功率PCM以及二次击穿功耗PS/B的限制，这些最大限制规定了GTR的区SOA，如图1.25所示。图1.25GTR的FBSOA是GTR发射结正偏下的 区域，与管子运行条件有关。直流DC工作RBSOAGTRIBR越大安全区范围越小。区与GTR工作环境温度和结温有关，随温度升高，安全区变小。 电力场效应晶电力场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor，MOSFET)由金要优点是：输入阻抗高(108～1013)，驱动功率小，驱动电路简单，开关速度快，工作频功率MOSFET太大，因此这种结构的MOSFET难以步入大功率应用领域。两种基本类型，其内部单元结构如图1.26所示。MOSFETNP沟道两种类型，每种沟道类型中又分为增强型管和耗尽型管。NMOSFET1.26(c)1.26VMOSFET的内MOSFETN沟道增强型，以下主要N沟道增MOSFET的静态特性第1章电力电子开关器 MOSFET的输出特性是指在以栅源电压UGS为参考变量时，反映漏源电压UDS和漏源电流IDS间的关系曲线，如图1.27(a)所示。NMOSFET栅源电压UGS小于开启电压UT时，管子处于截止状态，对漏源两极之间形成N型导电沟道。UGS电压越大，沟道开启越大，沟道电阻越小。当漏源电压UDSID与UDS几乎呈线性关系。对应特性曲线上的可当UDS较大后，导电沟道靠近漏极的一侧开始变窄，沟道变的不等宽。随UDS的增加，ID增加缓慢，当漏极附近出现夹断后(称预夹断)ID电击穿时，漏极电流ID突然增大，管子进入击穿区。MOSFET在UDS电压一定时，栅源电压UGS与漏极ID之间的关系，反映栅源电压UGSID的控制能力，如图1.27(b)所示。用跨导gm来表示，单位为西门子。

转移特性与横轴的交点即为开启电压UT，又称阈值电压。开启电压与器件本身有关，1.27MOSFET的静态特饱和特性。功率MOSFET的饱和特性如图1.27(a)中的可变电阻区所示。由于功率MOSFET是单极型器件，没有载流子的效应，因此通态下沟道电阻较大，导通压降也阻Ron越大。提高栅源控制电压UGS，可以减小通态电阻MOSFETMOSFET是单极型器件，没有载 关特性波形图如图1.28所示。1.28MOSFET的开关特MOSFET开通和关断时间受栅源电容CGS、栅漏电容CGD、信号源内阻、管子关断时的负偏压和开启电压UT的影响。开通时间ton包括开通延迟时间td1和上升时间tr，即tontd1tr。关断时间toff包括关断延迟时间td2和下降时间tf，即tofftd2tf。MOSFETRon、开启电压UTgm以外，主高，通态电阻Ron越大。由于功率MOSFET3层半导体结构，耐压一般较低。MOSFETSiO2绝缘层很薄，栅极电阻极高，静电感应的电荷积累容易产生过高的栅极电压使SiO2绝缘层介电击穿。一般栅源击穿电压极限值在20V。第1章电力电子开关器 电力场效应晶体管的全工作区主要有正向偏置区(FBSOA)、反向偏置区(RBSOA)和转换安全通时的范围。受最大漏源电压BUDS、最大漏极电流ID、漏源通态电阻Ron和最大漏极功耗PDM这4个极限参数限制。直流区最小，工作时间越短安全区越宽。其区与GTR区相比，有以下明显不同：首先功率MOSFET无二次击穿问反向偏置区也称作开关区(SSOA)，是功率MOSFET关断时容许的工作范围，如图1.29(b)所示。它由漏极最大峰值电流IDM、最小漏源击穿电压BUDS和最大结温TjM决定。在器件开通与关断时间均小于1s，结温小于150℃时，安全区最大。

1.29MOSFET的转换区用来表示功率MOSFETMOSFET开关过程中的范围，如图1.30所

极管换向时电流上升率didt、漏源正向电压MOSFET换向越，安全区越小。1.30MOSFET 绝缘栅双极型晶绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor， 或IGT)是由MOSFET和GTR复合而成的一种新型电力电子开关器件，将功率MOSFET的输入阻抗高、工作速度性能上更加优越。自20世纪80年代出现以来，发展十分迅速，目前电压电流等级可达4500V/1000A，工作频率为40kHz，在中、大功率开关电源和逆变器中应用十分广泛。多元集成结构，其内部单元胞结构如图1.31(a)所示。由图上可以看出，与功率MOSFET结构很相似，不同在于多了一个衬底P+区，形成PN结J1，由此引出集电极C、门极G和发射极E。P基区与发射极间横向体区电阻。N沟道的电气图形符号如图1.31(c)所示。

图1.31的结构示意处于反向阻断状态时，其耐反向电压能力一般较差，只有几十伏。有些 有缓冲区N+，也称第1章电力电子开关器 无缓冲区N+，也称非穿通型 非对称型。通状态锁定的可能性。当管子导通状态锁定后，栅极电压失去对的控制作用，导致静态锁定是导通时出现的锁定现象。当集电极电流大于临界值ICM时，NPNRbrNPN晶体管导通，进而触发寄生晶动态锁定发生在开关过程中。在大电流、高电压下，过大的dudt引起的PNPNPN管的共基极电流放大系数12≥1。目前，随着集成工艺措施的提高，擎住电流容量非常高(1000A/cm2)，正常使用时不会出现输出特性和转移特性。输出特性是指器件集-射极电压UCE与集电极电流IC的关系，控制参数是门-射极电压UGE1.32(a)GTR相似，输出特性分为饱和区、放大区、截止区和击穿区4个区域。使用中，应工作在饱和区和截止区。 的开启电压UT一般为2～6V，随温度升高而略有降低饱和电压特性。饱和电压特性是描述导通压降UCES随栅极电压UGE的变化关 图1.32的输入输出特图1.33的开关过程波4个阶段。自控制信号UG上升沿到来，经栅极电阻对输入电容充电，当栅极电压UGE等于开启电压UT时，随导电沟道的出现，集电极电流iC开始建立，这段时间称开通延迟时间td(on)。集电极电流iC上升到稳态值对应的时间为电流上升时间tri。集电极电压uCE的下降时间由tfv1和tfv2MOSFET单独工作和复合管同时工作时所对应的uCE1.33(a)中出现的电压值为UGES的平台是由于集电极电压下降时，栅极电容突然增大所致，它决定着下降时间tfv2的大小。的开通时间ton由开通延迟时间td(on)和电流上升时间tri两部分组成。开通时，由于电路分布电容放的关断过程也可分为4个阶段。自控制信号UG下降极电压UGE下降到UGES时 开始退出饱和，集电极电压uCE开始上升，这段时间称关断延迟时间td(off)。随着栅极电压UGE下降到UT，集电极电压uCE上升到额定值UGE，对应时间为电压上升时间trvMOSFET关断过程不同，关断时存在电流拖尾现第1章电力电子开关器 间。的关断时间of由时间和下降时间组成，时间包括关断延迟时间dof)和电压上升时间v，下降时间包括i1和i2。关断时，由于负载电感和引线电感释放能量，集电极电压有过冲现象，过冲电压如图中U。 最大集电极电压UCEM 最大集电极电流ICM。集电极允许流过的最大电流，此与结温有关栅极最大电压UGEM 的的正向偏置区(FBSOA)，是由最大集电极电流ICM、最大集电极电压UCEMPCM所确定的安全范围。直流工作时，安全区最小，随导通脉冲变窄，安全区加宽。当导通时间很小时，FBSOA为一矩形，如图1.34(a)所示。的反向偏置区(RBSOA)，是关断时的范围，由最大集电ICM、最大集电极电压UCEM和最大允许的dudt决定。dudt越小，安全区越宽，如1.34(b)所示。图1.34的其他新型电力电子开关器件 加简便灵活。各种全控型器件中，除目前已经系列化和商品化的GTR、功率MOSFET、GTO和等主要类型之外，还有许多新型电力电子开关器件在不断涌现，如SIT、SITH、MCT、IGCTPIC等，随着这些新型开关器件的逐步市场化，电力电子技术将步静电感应晶体管静电感应晶体管(StaticInductionTransistor，SIT)也称作功率结型场效应晶体管(JFET)。电源等方面有着广泛的应用。SIT目前主要有功率SIT、频SIT、微波SIT和双极型静BSIT等主要类型，SIT30MHz～50MHz，电压电流容量2000V/300A3kWSIT频率更高达吉赫兹数量级。SITSIT由几千或几万个单元胞并联而成，其单元胞结构如图1.35(a)所示。在半导体N+衬底上引出公共漏极D，上层扩散出高阻外延层N，外延层中扩散多个P+区，将P+区并联引出栅极G，最上面扩散N+层引出源极S，图形符号如图1.35(b)所示，为N沟道SIT。若将半导体类型互换位置，形成P沟道SIT，符号1.35c)所示。SIT1.35a)中1.35SIT的原理结构及图SIT的开关原理与结型场效应管机理相同。当栅源电压为零时，栅源极间耗尽层不能N型导电沟道，器件处于导通状态。当栅源极间加负电压时，PN结耗尽层加宽，导电沟道变窄，特别是当栅源电压UGS达到夹断电压时，耗尽层在沟道中心合拢，导电沟道，SIT关断。当栅源电压UGS一定时，导电沟道随漏极电压UDS的增大而变得不等宽，以保证漏极电流ID随漏极电压UDS线性增加。NSITID受栅源电压UGS和漏极电压UDS控制，控制方式与真空三极管类似，其特性也类似于真空三极管，在高频通信设备中，SIT可替代真空三极管。SIT的一种重要派生器件是双极型静电感应晶体管(BiorModeSIT，BSIT)。通过改第1章电力电子开关器 静电感应晶闸管静电感应晶闸管(StaticInductionThyristor，SITH)是利用电场效应控制半导体导电能力，进而控制输出电流的功率半导体器件。SITH属于双极型器件，具有和晶闸管类似的反向阻断能力，因此也称作场控晶闸管(FCTH)或双极静电感应晶闸管(BSITH)。SITH诞生于20SITHGTO类似，除了有着通态电阻小、通态电压低、正反向阻断电压高的优点以外，在开关速度、开关损耗、门极控制功率、dudt和dudt耐量等方面有着更大SITH100kHz2500V/1000A、4500V/400A等一个P+层形成。由P+层引出阳极ASIT的源极变为阴极K，掩埋型门极G为P+半导体。图1.36(b)所示为N沟道SITH的电气图形符号。1.36SITH的原理结构及图形符比SIT的通态电阻小、通态电压低、电流高。断时很相似，门极负电流较大。由于电荷的耗散需要时间，因此SITH关断时间SIT长，工作频率低。一般门极所加的负电压越高，可关断的阳极电流越大，阻断后的阳 MOS控制晶闸管(MOSControlledThyristor，MCT)MOS/双极型复合器2080MOSFET结构，工作频率与差不多，是目前电力电子开关器件中通态压降最低、电流密度最高的器图1.37(a)所示。它是在SCR结构中集成了一对MOSFET，通过控制MOSFET来控制SCR的导通P沟道MOSFET用来控制SCRON-FET；N沟道MOSFET用来控制SCR的关断，称为OFF-FET。MCTNPNPNPOFF-FET，PNP管的基射极之间。OFF-FETNMOS，ON-FETPMOS，两个MOSFET的栅极连阳极上的UGA信号，当UGA信号为负脉冲电压时，ON-FET导通，其漏极电流流入NPN管导通，PNP管基极电流中断，破坏了正反馈条件，MCT关断。一般功率器件的性能和其阴极半导体结构有直接关系，MCT的阴极密度很高，工艺复杂，因此制作成本较高。1.37MCT的单元胞结构、等效电路及图第1章电力电子开关器 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管(IntergratedGateCommutatedThyristor，IGCT)2090用IGCT的变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得MCT技术尚未完全成熟以前，IGCT已经成为高电压、大容量电力IGCTGTO4层三端器件。该器件是将门极驱动电路与门极换流晶闸极并联在一起，与GTO的重要差别是GCT阳极内侧多了缓冲层，以透明(可)阳极代替GTO的短路阳极，其内部单元胞剖面结构如图1.38(a)所示，其图形符号如图1.38(b)1.38GCT剖面结构及图形符GCTGTOGTOGCT的关断过程中，从导通转到阻断状态过程中，GCTPNP管早于它承受全阻断电压的时间，所以GCT可实现无缓冲运行，无外加dudt限制，无二次击穿，拖尾电流虽大，但时间很短。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，即“GTO区”，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制重加电压的变化率dudt。GCTPNP晶体管与门极电源 置中可代替GTO。降低，IGCT将成为大功率应用领域的首选器件。功率模块和功率集成电路名，如模块、GTR模块等。(wrneadru，)()HVS，是电导件制护感电集。功块M专指及其高压集成电路(HVIC)300V全HVIC也可以工作在放大状态，如电视机的300V放大器HVIC。1.39300V第1章电力电子开关器 SPIC内部只有一只功率器件和电平转换驱动电路组成，复杂的SPIC还含有负载、自智能功率开关属于固态开关，在同一个中集成了控制部件(逻辑、接口、驱动功率开关内部结构图。其外形为五引线TO-220型封装，额定电流为12A，工作电压为7～35V，常用于电路。内部具有短路保护、欠压保护、过热保护等控制电路，控制信号电平与CMOS或TTL电平兼容，能用微处理器输出电平直接控制。1.40BTS-412A单片功率开关内部结构智能功率模块(InligentPowerModule，IPM)由高速低功耗的管芯和优化的IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电动机的变频器和各 1.41二单元IPM内部结构图全控型器件自20世纪80年代发展起来，将集成工艺应用于电力电子器件，使电力电功率MOSFET和SIT，混合型器件有、MCT、IGCT和功率集成电路PIC。 第1章电力电子开关器 1.42晶闸管工作电流波100A的晶闸管，管子在不同情况下允许的平均电流各为GTO关断时，尖峰电压UP是如何产2串并联技术和散热技术，这些辅助技术对设备的运行安全、运行效率和可靠性都有着电力电子开关器件的驱晶闸管是电流控制型器件，针对其门极特性参数，要求触发脉冲在电压幅值、电流如下。触发脉冲的移相范围要满足变流装置的要求。一般移相范围≤180到擎住电流以上，一般和负载性质及主电路形式有关。触发脉冲前沿陡度大于10Vs或800mA/s。第2章电力电子开关器件的辅助电 触发电路中触发脉冲可以用模拟电路或数字电路来产生。过去比较常见的采用分立元件构成的模拟式触发电路，如阻容移相电路、单结晶体管触发电路、正弦波移相电路和锯齿波移相电路；由于存在着参数分散性大、脉冲一致性差、移相范围小等缺点，仅用在一。随着集成电路制作技术的发展，晶闸管集成触发电路的应用日益广泛，集成化触内常用的有KC和KJ两个系列，两者生产厂家不同，但内部结构相似。KC04为16双插塑如图21为KC04电路原理框图。它与锯齿波同步触发电路相似，由同步单元、锯齿波形成单元、移相单元、脉冲形成单元和功率放大单元几部分组成。由一个J04802.1KC04电路原理框 在外加正弦波同步电压UT和15V电源作用下，同步单元产生同步脉冲，如图2.2中所示UT1波形，其低电平作为同步电压的过零标志。锯齿波发生单元由内部三极管和外部所示。该锯齿波电压经4脚输出，通过电阻R6、R7、R8和外接的偏移电压UP、移相控制电压UK92.2中U9U4和脉冲，其脉冲宽度由时间常数R9C3决定。1151802.2U1和U15所示。若主电路对驱动信号没有要求限制，KC04输出脉冲可直接通过门极限流电阻实现对SCR的触发。在多数晶闸管变流装置中，所产生的脉冲要经光耦或变压器后加到晶闸管门极和阴极之间。如图2.3所示为两种驱动电路。图2.3(a)为输入信号经光耦后的驱动电路，的电源。图2.3(b)图2.2KC04工作各点波 图2.3SCR驱动电第2章电力电子开关器件的辅助电 单片机系统设计，其原理框图如图2.4所示。2.4数字式触发电路原理框门极可关断晶闸管GTO是一种多元集成结构的电流型器件。它的开通与普通晶闸管SCR相似，由门极正脉冲控制导通，关断时与SCR完全不同，用门极负脉冲控制关断，是一种全控型的器件，对关断信号波形有着特殊的要求。GTO的门极驱动技术关键在于关对GTO的关断信号提出了特殊的要求，并且必须有相应的缓冲电路加以配合。2.5GTO开通时，内部有正反馈过程，开通驱动功率较GTO可靠阻断，提高其静态dudt

2.5GTO门极驱动电路结性有很大的影响。推荐的波形如图2.6所示，图IGFIGRM 2.6GTO门极驱动电压、电流波后沿太陡，会产生振荡使门极上产生正向电流，严重的将导致GTO重新开通。GTOGTO的连接方式可以分为直接驱动和方便，脉冲波形好，不易产生门极振荡；缺点是驱动电路必须有独立的与控制系统的压、电流寄生振荡，造成GTO开通、关断不可靠。图2.7所示为脉冲变压器的GTO门极间接驱动开通关断电路。开通控制电路在开通触发信号作用下使晶体管VT1导通，在脉冲变压器T1副边产生感应电压，经VD2二极管RG1GTO导通。在关断信号作用下，VT2T2VTGTOGTO关第2章电力电子开关器件的辅助电 2.7GTO门极间接驱动开通关升率dudt、集电极电流上升率didt、饱和压降和开关损耗等有着直接影响。过驱动可以GTR开通时，基极驱动电流前沿的短时过冲，GTR的dudt

2.8GTR基极理想驱动电流波I≥ICmax

电路如图2.9所示，又称钳位电路。图中VD1、VD2、VD3构成抗饱和电路，当GTRGTR基极驱动电路。多数变流装置要求主电路与控制电路电气，GTR用于脉宽调制逆变装置时，驱动脉冲占空比变化很大，采用脉冲变压器驱动电路容易造成变压器磁饱和，且脉冲变压器结构较复杂，一般常用光耦的驱动电路。图2.9所示图2.9GTR基极驱动电驱动信号经光耦后送入功率放大驱动电路，功放采用推拉式互补输出。当驱动信号高电平时，光耦导通，正电源UCC经R3、R5使VT1、VT2导通，经R8、VT2为GTR提供正向基极电流，使GTR导通。驱动信号低电平时，VT1、VT2截止，VT3经R7、UCC导通，将发射结反偏，提供反向驱动电流使GTR迅速截止。集成基极驱动电路。集成基极驱动电路功能比较强大，不但驱动电流波形好，而N的UA40022.10两种信号。输出接口可以提供+0.5A和3A的驱动电流，该电流可通过外接二极管检测实现自动调节，还可根据需要外接晶体管扩大输出能力。该保护功能强大，包括集电极型驱动电路如图2.11所示。第2章电力电子开关器件的辅助电 2.10UAA40022.11UAA4002构成的基极驱动电 设功率MOSFET栅源极间电容CGS，栅漏极间电容CGD，器件饱和导通时栅源电压uGS，器件阻断时漏极电压uDS。

(CGSCGD

要求器件关断时间为ts时，则关断驱IG(off

MOSET栅极驱动电路形式很多，按驱动电路和器件连接方式分为直接驱动和间接驱动两类。按驱动电路构成有分立元件驱动电路和集成驱动电路。主电路和控制电路电一般在驱动电路中采用光电和脉冲变压器。以下介绍两种典型的驱动电路。双电源光耦直接驱动电路。图2.12所示为采用光耦的双电源功率MOSFET驱动电路。驱动信号高电平经光耦后传入直接驱动电路，通过比较器整形输出低VT2导通，VT1截止，栅极电容经驱动电RG和二极管对UCCMOSFET阻断MOSFET栅极并联电R可以提高管子dudt耐量，驱动信号引出线应尽量短，并采绞线方式。2.12双电源功率MOSFET栅极驱动电集成驱动器M57918L。集成驱动器M57918L是一种混合集成驱动器，外形为单列直插结构，其内部结构框图和应用电路如图2.13所示。内部由自带光电耦合器的输入级、第2章电力电子开关器件的辅助电 2.13M57918L内部结构和应用电器件，栅极驱动电路设计原则与功率MOSFET相同。驱动电路的正偏电压UGS、反偏电UGS和输出电阻 多用于高压变换装置，常用光耦和脉冲变压器方法实现驱动电路与控制用于功率MOSFET驱动的电路同样可以用来驱动，用分立元件构成的驱动电路与功率MOSFET驱动电路基本相同。下面主要介绍常用的 多数生产厂家为其生产的都配套了相应的混合集成驱动电路，称为专用驱动模块。这些驱动模块能力强、速度快、保护功能完善，可实现的其中EXB850和EXB851为驱动器，工作频率为10kHz；EXB840和EXB841为高速型驱动器，工作频率40kHz，最大可驱动300A/1200V的。内部主要由快速光耦、放大电路、功放输出电路、过流保护电路和5V基准电压源几部分组成。只需外部提供20V电源，内部自动产生5V偏压，通过外接快速二极管VD 2.14EXB841结构原理框图及典型应用电电力电子开关器件的缓尖峰电压、didt、dudt及开关损耗，还可避免器件二次击穿，抑制电磁干扰，提高器件按照缓冲电路所起的作用不同，缓冲电路可以分为开通缓冲电路和关断缓冲电路。开通缓冲电路可以在器件主电路中串入电感来实现，主要防止器件开通时didt而损坏，也称为串联缓冲电路。关断缓冲电路主要用来防止器件关断时dudt过高引起的器件击穿和误触发，通常将RC网络或RCD网络并联在器件主电极两端，也称为并联缓冲电电路内。缓冲电路处理这些多余能量的方法有两种，一是通过缓冲电路的电阻消耗掉，第2章电力电子开关器件的辅助电 GTOSCR高很多。其缓冲电路不仅要起抑制didt和dudt的作用，同时还要能够减小开通关断损耗，特别是在关断时要起到抑制重加dudt，防止误2.15(a)中，LK、RK、VDK组成开通缓冲电路；RS、CS、VDS组成关断缓冲电路，其减缓阳极电流的上升率，同时也降低了开通损耗。关断时，关断RCD缓冲电路用来抑制dudt和电压冲击ULS作用，产生尖峰电压UP。RS电阻的功率。RK、VDKLK的阻尼网络，用来减轻关断缓冲电路的压力。GTO开通、关断时电压电流波形如图2.15(b)所示。

2.15GTO缓冲电路及电压电L di/ CLIA 2 PU SS

R≤1

P1CU2 2S

P1LI2 2K感降低尖峰电压Up。二极管VDS应选用快速二极管，电阻RS宜用无感电阻，电容CS电力晶体管GTR区较小，存在二次击穿现象。其缓冲电路同样要起到抑制didt和dudt，改变器件的开关轨迹，减小开关损耗的作用。GTR的典型复合缓冲电路如减小关断损耗。电阻RS提供缓冲电容的放电回路。2.16(b)GTR穿，可保证GTR工作在安全区内。第2章电力电子开关器件的辅助电 2.16GTR缓冲电路及电压电流轨功率MOSFET及缓冲电功率MOSFET及单管缓冲电路结构如图2.17所示，缓冲电路工作原理与GTO、GTR缓冲电路原理相同。图2.17功率MOSFET及单管缓冲电如图2.18所示。图2.18(a)用于50A以下小容量，图2.18(b)用于200A以下中等容量，图2.18(c)用于2000A以上大容量。图2.18逆变器桥臂缓冲电 电力电子开关器件的保电力电子开关器件在使用中除受到开关过程中didt和dudt的限制以外，还要受到电PN结发生雪崩击穿，造成器件短路导通，在变流装置中短路事故，使器件流过电流远大于其额定电流，因此过电压最终必然导致过电流。装缓冲电路，或在变压器二次侧并联RC吸收回路，如图2.19(a)所示。2.19(b)所示。2.19过电压保护电第2章电力电子开关器件的辅助电 开关器件的过热保护通常可以利用温度传感器检测器件外壳温度，当过温时器件过流几乎没有作用。最快速直接的保护方法是电保护，通过检测过流信号直接驱动脉由于各种开关器件性能不同，其保护方法略有不同，主要有状态识别过电流保、下开关器件的短路保护具有通用性。图2.20所示为的通态压降识别保护驱动电路示2.20(a)为通态饱和压降UCEIC图2.20(b)为EXB841 电路。驱动模块⑥脚外接快速二极管VD与集电极相连，通过检测UCE电压的高低来判断是否短路过流。当驱动信号到来，功放输出级VT2管导通使正常开通后，由于饱和状态，UCE电压上升，二极管VD截止，模块⑥脚电位升高到一定值时，稳压管 降低，导致VT2截止，VT3导通，使 的充放电作用，关断时能实现缓关断功能，避免大电流快速关断时发生擎住效应。图2.20通态压降的特性与保护驱动电路示意SCRGTO过流后门极负脉冲也不能将其关和那样用门极信号进行关断。一般可以在检测到过流信号后，与其他保护装置和保GTRUBEIC较小时变换很电压UCE效果要好，更容易快速确认故障。GTR2.21(b)所示。UBE随IC的增大而升高，当大于设定的参考电压UR时，比较器输出低电平使功放电路中VT2截止，VT3导通，关断GTR。这种方法的缺点是在轻微过载时，灵敏度差，一般可将2.21GTR基极电压的特性与保护驱动识别电第2章电力电子开关器件的辅助电 桥臂互锁保主要用于桥式逆变器中一个桥臂的上下两只开关器件驱动信号断过驱号和器是要检测出上下两只开关器件的开通号进行互锁的保护电路原理如图2.22通过逻辑电路另一桥臂管子的驱动信号证时有通用桥锁提统性可

2.22桥臂互锁保护原理LEM模块是一种磁场平衡式电压、电流传感器，也称霍尔元件。能够检测直流、交流100kHz，其二次侧输出有电压输出型和电流输出型两种。LEM模块线性LEM2.23所示，主磁环并感应霍尔元件，使其输出信号，经放大器放大后产生一个相应的补偿电流IS，IS流经多匝的二次绕组产生补偿磁场与IP产生的主磁场方向相反，于是霍尔元件的 图2.23LEM模块结构及工作原只LEM模块完成，其优点是检测速度快，且与主电路实现电。 步扩大。变流装置系统的保护方法有快速熔断器保、快速过流开关保和撬杠保护条件下可用快速熔断器进行保护。使用中快速熔断器的几种常用接法如图2.24所示。

2.24快速熔断器常用接快速熔断器是一种使用保护元件，它的频繁动作将增加系统运行费用。一般可秒级的快速过流开关和快速熔断器很难对其进行保护。撬杠保是常用于GTR、GTO和中大容量逆变器的非熔断保护方法，一GTO撬杠保护电路工作原理如图2.25所示。出电容放电电流信号，保护电路完成以下连续动作：触发与逆变桥并联的晶闸管VT第2章电力电子开关器件的辅助电 2.25撬杠保护原理电

2.26门极过电流过电压保电力电子开关器件的串由于电力电子开关器件的限制，在需要高电压或大电流时，单只器件的电压或电并联时要有相应的辅助技术，以保证器件工作的可靠和安全。各种开关器件串并联时 U1U2差别很大，存在严重的电压不均现象。阻图2.27开关器件主电极伏安特性曲 图2.28静态均压电R远小于开关器件阻断电阻时，串联元件电压由电阻分压决定，只要电阻R的阻值相同，各器件上承受的电压就相同，也就能起到均衡电压的作用。电阻R的阻值动态均压是器件开通与关断瞬间各元件导通过程中，后开通的将承受较大的正向电2.29所示的均压电路进行动态均压。图中在串联支路引入电感L，串联RCRCD网络。器件开迟时间内，外加电源电压主要施加在电感

2.29动态均压电第2章电力电子开关器件的辅助电 didt和开关损耗，也可将同型号开关器件并联使用。受器件通态电压、通态电阻、开通关方法，其电路结构如图2.30所示。

2.30强迫均流基本电2.30(b)所示。由于电抗器的串入，可以限 在大容量并联装置中，均流效果不仅受器件自身参数和均流的影响，同时与并联GTO2.31所示。其中电L为动态均压电感，R11～R22既是静态均压电阻，同时又是SCR不同，GTORCDGTO动SCR要好，失配电压GTOSCR一样，可以采用强迫均流方法GTO自关断快速的特点，并联均 图2.31GTO串联运行电GTO并联既要均流，又要均热。其多元集成结构要求开关损耗均衡分布，否则由果有很大影响。图2.32所示为GTO直接并联时门极耦合电路，图2.32(a)中每个GTO的2.32(b)GTO的门第2章电力电子开关器件的辅助电

2.32GTO门极驱动耦合方GTR并联运行时，基-射极电压UBEIC增大而增加。采用基极直接耦合方式可使并联的两只GTR静态电流向均衡发展，但这种自动均衡效应并不能做到完全的GTRGTR饱和作用限制了电流的增长，这种有较好的动态均流效果，要选用导通压降UCE值相近的GTR并联。2.33基极直接耦合均流电一般大容量的GTR均为达林顿结构，达林顿结构GTR比单GTR参数分散性大，为GTR2.34 因此功率MOSFET具有自动均流的特性，并联时基本不需要采取强迫均流措施。2.34有辅助基极的达林顿GTR并联均流的主要参数gm、开启电压UTH、输入电容Cin和通态电阻RDS。其中，跨导gm是MOSFET2.35所示。2.35非直接耦合功率MOSFET电力电子开关器件的散热第2章电力电子开关器件的辅助电 结温TjM的耗散功率就是器件最大允许的耗散功率。最高允许的结温TjM一般远低于其本征散热器上，其安装示意图如图2.36(a)所示，主要采用热传导方式散热。

2.36电力电子器件散热与等效热路热路图，如图2.36(b)所示。器件内部半导体温度Tj最高，其热量大部分通过管壳、散热器传至环境介质中，P为热流，对应电流；温度差T对应电压，热阻R与电阻对应，三者之间关系即为热路欧姆定律T 过某一物体，温度达到平衡时，物体两端温差T与物体热阻R成正比，热阻越大，两端总热阻Rja为RjaRjcRcs Rcs和散热器热阻Rsa称外热阻，外热阻越小，器件散热效果越好 式中：负载占空比是负载工作时间tpT的比值，即

Tr(tp可以看出，r(tp)≤1，瞬态ZRjc，瞬态热阻抗一般用于冲击负载下的器件和2.37开关器件热阻抗曲热设计只能在外热阻上采取办法，尽量减小接触热阻Rcs和散热器热阻Rsa。影响接触热Rcs的因第2章电力电子开关器件的辅助电 影响散热器热Rsa的因器。常用外形结构如图2.38所示，采用多翼片结构使散热面积大大提高。2.38散热器外到稳态下散热器热阻Rsa为RTjMTa(RR Rsa值，可在散热器产品手册中选择合适的散热器产品。下例为散热器的设2.1GTRIC10A，工作电压UCE100V；fs10kHzD0.9，通态电压UCES1V，开通时间ton1s，关断时间 通态损耗PC PCUCESICD1100.99(W) P 1UI(tt) s(off 2CEC 110010(12)10610415(W)

PPCPs TjMTa R)12535(0.70) 和GTR采用电流驱动，单极型器件功率MOSFET和复合型器件采用电压驱动。电缓冲电路是器件正常工作的保障，用来抑制器件开通和关断时didt和dudt大大提高。散热是保障器件运行安全的必要。 第2章电力电子开关器件的辅助电 第2 电力电子变换电3章直流变换电路压、降升压、Cuk、多象限、全桥式、多相多重、带变压器的变换电路等。主要介绍直流变换电路直流变换电路是将直流电能转换成另一固定或可变电压的直流电能的直流直流DC/DC变换电路广泛应用于及数据通信、计算机、办公自动化设备、工业仪器仪Thyristor斩波电路、BJ