电力能源电子器件相关讲义

第1章电力电子器件主要内容：常用电力电子器件分类；常用电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性、主要参数和安全工作区；常用电力电子器件的基本驱动电路、缓冲电路和保护方法；常用电力电子器件的串并联技术。

1.1引言电力电子器件是电力电子技术的基础，新器件的诞生或器件特性的新进展，都带动了电力电子应用技术的新突破，或导致出现新的电路拓扑。电力电子应用技术的发展又对电力电子器件提出了更新、更高的要求，进一步推动了高性能、新器件的研制。电力电子器件在电力电子电路中一般都工作在开关状态，在通态时应能流过很大电流而压降很低；在断态时应能承受很高电压而漏电流很小；断态与通态间的转换时间很短且功率损耗较小。1.2电力电子器件的结构、特性和主要参数1.2.1功率二极管1.功率二极管的结构功率二极管外形、结构和符号2.功率二极管的工作原理P型半导体和N型半导体结合一体，其中，N型半导体区电子浓度大，P型半导体区空穴浓度大，因此，N区电子要向P区扩散与P区空穴复合，在N区边界侧留下正离子层，P区空穴要向N区扩散与N区电子复合，在P区边界侧留下负离子层，在交界处渐渐形成空间电荷区；多数载流子的扩散运动和少数载流子漂移运动达到动态平衡，决定空间电荷区的宽度，形成PN结；PN结具有单向导电性，二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。3.功率二极管的特性(1)功率二极管的伏安特性二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压Uth(又称死区电压)。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加，二极管被电击穿后将造成PN结的永久损坏。功率二极管的伏安特性(2)功率二极管的开关特性因结电容的存在，功率二极管在通态和断态之间转换时，有一个过渡过程，这个过程中的特性为功率二极管的动态特性。功率二极管由断态转为通态时，功率二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP，然后逐渐趋于稳态压降值。这一动态过程的时间，称为正向恢复时间tfr。当原处于正向导通的功率二极管的外加电压突然变为反向时，功率二极管不能立即关断，其电流逐渐下降到零，然后有较大的反向电流和反向过冲电压出现，经过一个反向恢复时间才能进入截止。其中，td为延迟时间，tf为电流下降时间，trr为反向恢复时间，

trr

＝td

＋tf

。

功率二极管的开关特性

由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。普通二极管的trr=2～10µs，快速恢复二极管的trr为几十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。4.功率二极管的主要参数(1)额定电压URR反向不重复峰值电压URSM是指即将出现反向击穿的临界电压；二极管的额定电压URR（反向重复峰值电压URRM）取反向不重复峰值电压URSM的80％；(2)额定电流IFR

功率二极管的额定电流IFR被定义为在规定的环境温度为+40℃和散热条件下工作，其管芯PN结温升不超过允许值时，所允许流过的正弦半波电流平均值。若正弦电流的最大值为Im，则额定电流为(3)最大允许的全周期均方根正向电流IFrms二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周期均方根正向电流IFrms

由式(1-1)和(1-2)可得

(4)最大允许非重复浪涌电流IFSM这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。功率二极管属于功率最大半导体器件，二极管参数是正确选用二极管依据。

1.2.2晶闸管及派生器件晶闸管(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。1.晶闸管的外形小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式图形符号自冷式风冷式水冷式2.晶闸管的结构晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。结构和双晶体管模型3.晶闸管的工作原理IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑晶闸管的双晶体管模型与工作电路图欲使晶闸管导通需具备两个条件：应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。4.晶闸管的特性(1)晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电流IA之间的关系特性。晶闸管的伏安特性(3)晶闸管的开关特性晶闸管的双晶体管模型与工作电路图①开通过程

开通时间ton包括延迟时间td与上升时间tr，即

ton=td+tr(1-4)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%所需的时间普通晶闸管的导通时间约为几微妙。②关断过程关断时间toff：包括反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr，即

toff=trr+tgr(1-5)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；普通晶闸管的关断时间约为几十至几百微妙。5.晶闸管的主要参数（1）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）额定电压断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安全裕量。(4)额定电流IT(AV)在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角>170°)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示晶闸管流过正弦半波电流波形它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：

正弦半波电流的有效值为：

)式中Kf―为波形系数流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.5～2)倍的安全裕量。(5)浪涌电流这是晶闸管所允许的半周期内使结温超过额定结温的不重复正向过载电流。该值比晶闸管的额定电流要大得多。实际上它体现了晶闸管抗短路冲击电流的能力。可用来设计保护电路。(6)通态电压UTM晶闸管通以规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。从减少功耗和发热的观点出发，应该选择通态电压较小的晶闸管。(7)维持电流

IH

在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流(8)擎住电流

IL

晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。(9)门极触发电流IGT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直流电流。(10)门极触发电压UGT

对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM和UGFM。(11)断态电压临界上升率du/dt

在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。(12)通态电流临界上升率di/dt

在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快，会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。〖例1-1〗两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A，试计算各波形下晶闸管的电流平均值Id1、Id2，电流有效值I1、I2，

并计算波形系数Kf1、Kf2。流过晶闸管的电流波形解：如图所示的平均值和有效值可计算如下：思考1：如果晶闸管的额定电流是100A,考虑晶闸管的安全裕量,请问在以上的情况下,允许流过的平均电流是多少?思考2：如果考虑晶闸管的安全裕量,请问在以上的情况下,允许流过的平均电流是多少?6.晶闸管的派生器件(1)快速晶闸管快速晶闸管的关断时间≤50µs，常在较高频率(400Hz)的整流、逆变和变频等电路中使用，它的基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同。目前国内已能提供最大平均电流1200A、最高断态电压1500V的快速晶闸管系列，关断时间与电压有关，约为25µs～50µs。(2)双向晶闸管

双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来说，都可以看成是一对反向并联的普通晶闸管。在主电极的正、反两个方向均可用交流或直流电流触发导通。双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。双向晶闸管等效电路及符号双向晶闸管的伏安特性(3)逆导晶闸管逆导晶闸管是将晶闸管和整流管制作在同一管芯上的集成元件。由于逆导晶闸管等效于反并联的普通晶闸管和整流管，因此在使用时，使器件的数目减少、装置体积缩小、重量减轻、价格降低和配线简单，特别是消除了整流管的配线电感，使晶闸管承受的反向偏置时间增加。逆导晶闸管的等效电路及伏安特性(4)光控晶闸管光控晶闸管(LightActivatedThyristor)是利用一定波长的光照信号控制的开关器件。光控晶闸管符号和等效电路光控晶闸管的伏安特性光控晶闸管的符号及等效电路光控晶闸管的伏安特性1.2.3可关断晶闸管GTO可关断晶闸管GTO(GateTurn-OffThyristor)，门极信号不仅能控制其导通，也能控制其关断。1.可关断晶闸管的结构GTO的内部包含着数百个共阳极的小GTO元，它们的门极和阴极分别并联在一起，这是为了便于实现门极控制关断所采取的特殊设计。可关断晶闸管的结构、等效电路和符号可关断晶闸管的结构、等效电路和符号2.可关断晶闸管的工作原理(1)开通过程GTO也可等效成两个晶体管P1N1P2和N1P2N2互连，GTO与晶闸管最大区别就是导通后回路增益α1+α2数值不同。晶闸管的回路增益α1+α2常为1.15左右，而GTO的α1+α2非常接近1。因而GTO处于临界饱和状态。这为门极负脉冲关断阳极电流提供有利条件。(2)关断过程当GTO已处于通态时，对门极加负的关断脉冲，形成－IG，相当于将IC1的电流抽出，使晶体管N1P2N2的基极电流减小，使IC2和IK随之减小，IC2减小又使IA和IC1减小，这是一个正反馈过程。当IC2和IC1的减小使α1+α2<1时，等效晶体管N1P2N2和P1N1P2退出饱和，GTO不满足维持导通条件，阳极电流下降到零而关断。由于GTO处于临界饱和状态，用抽走阳极电流的方法破坏临界饱和状态，能使器件关断。而晶闸管导通之后，处于深度饱和状态，用抽走阳极电流的方法不能使其关断。3.可关断晶闸管的特性(1)GTO的阳极伏安特性

GTO的阳极伏安特性

(2)GTO的开通特性开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成。GTO的延迟时间一般为1-2μs，上升时间随着阳极电流的增大而增大。(3)GTO的关断特性关断过程toff由储存时间ts、下降时间tf、尾部时间tt组成。GTO的储存时间随着阳极电流的增大而增大，下降时间一般为2μs。GTO的开关特性

4.可关断晶闸管的主要参数GTO有许多参数与晶闸管相同，这里只介绍一些与晶闸管不同的参数。(1)最大可关断阳极电流IATO电流过大时α1+α2稍大于1的条件可能被破坏，使器件饱和程度加深，导致门极关断失败。(2)关断增益offGTO的关断增益off为最大可关断阳极电流IATO与门极负电流最大值IgM之比off通常只有5左右。1.2.4双极型功率晶体管1.双极型功率晶体管的结构BJT的结构和符号

2.双极型功率晶体管的工作原理与三极管的工作原理相同单个BJT电流增益较低，驱动时需要较大的驱动电流，为了提高电流增益，常采用达林顿结构。达林顿晶体管3.双极型功率晶体管的特性(1)BJT的输出特性BJT的输出特性①开通过程延迟时间td上升时间tr开通时间tonton=td+tr②关断过程储存时间ts下降时间tf关断时间tofftoff=ts+tfBJT的导通时间和关断时间都是几微妙。BJT的开关响应特性(2)BJT的开关特性(4)双极型功率晶体管的二次击穿①一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，BJT一般不会损坏，工作特性也不变②二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，并伴随电压的陡然下降常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变4.双极型功率晶体管的主要参数(1)最高工作电压

即最高集电极电压的额定值。BJT的反向击穿电压决定管子承受外加电压的上限，也是BJT的重要参数。UEBO是集电极开路时射基极间的击穿电压；UCBO是发射极开路时集基极间的击穿电压。UCEO是基极开路时集电极-发射极之间的击穿电压，UCEO在BJT产品目录中作为电压容量给出。（2）集电极最大电流ICM

即集电极允许流过的最大电流值。（3）最大功率损耗额定值PCM

即最高允许工作温度下的耗散功率。（4）BJT的电流放大倍数β值

β定义为晶体管的集电极电流和基极电流之比。（5）BJT的反向电流

BJT的反向电流会消耗一部分电源能量，会影响管子的稳定性。常希望反向电流尽可能小。有ICBO、ICEO和IEBO。（6）最大允许结温TJM双极型功率晶体管结温过高时将导致热击穿而烧毁。是晶体管能正常工作的最高允许结温。1.2.5功率场效应晶体管根据其结构不同分为结型场效应晶体管，金属-氧化物-半导体场效应晶体管。根据导电沟道的类型可分为N沟道和P沟道两大类；根据零栅压时器件的导电状态又可分为耗尽型和增强型两类；电力MOSFET主要是N沟道增强型1.功率场效应晶体管的结构

功率MOSFET在特性上的优越之处在于没有热电反馈引起的二次击穿、输入阻抗高、跨导的线性度好和工作频率高。功率场效应晶体管VDMOS的结构、符号2.功率场效应晶体管的工作原理当栅源极电压UGS＝0时，漏极下的P型区表面呈现空穴的堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时即使在漏源之间施加电压也不会形成P区内载流子的移动，即VMOS管保持关断状态。我们把这种正常关断型的MOSFET称为增强型。当栅源极电压UGS＞0且不够充分时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时VMOS管仍保持关断状态。当栅源极电压UGS超过UG(th)时，栅极下面的硅的表面从P型反型成N型，形成N型表面层并把源区和漏区联系起来,从而把漏源沟通，使VMOS管进入导通状态。通常把导电的反型层称作沟道。此时，漏源之间施加电压，电子从源极通过沟道移动到漏极形成漏极电流ID。3.功率场效应晶体管的特性(1)功率MOSFET的转移特性转移特性表示功率MOSFET的输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系。转移特性表示功率MOSFET的放大能力，与BJT中的电流增益相仿，由于功率MOSFET是电压控制器件，因此用跨导这一参数来表示。功率场效应晶体管的转移特性和输出特性(2)功率MOSFET的输出特性当栅源电压UGS一定时，漏极电流ID与漏源电压UDS间关系曲线称为VMOSFET的输出特性。只有当栅源电压UGS超过UG(th)时，使MOSFET进入导通状态。栅源电压UGS越大，漏极电流越大，可见漏极电流ID受栅源电压UGS的控制。输出特性分为三个区域，可调电阻区、饱和区和雪崩区。可调电阻区Ⅰ，器件的电阻值是变化的。当栅源电压UGS一定时，器件内的沟道已经形成，若漏源电压UDS很小时，对沟道的影响可忽略，沟道的宽度和电子的迁移率几乎不变，所以ID与UDS几乎呈线性关系。饱和区Ⅱ，当UGS不变时，ID趋于不变。雪崩区Ⅲ，当UDS增大至使漏极PN结反偏电压过高，发生雪崩击穿，ID突然增加，此时进入雪崩区Ⅲ，直至器件损坏。使用时应避免出现这种情况。(3)功率MOSFET的开关特性

①开通特性在t＝t0时，加栅极电压信号uGG，通过RG对栅源电容CGS充电，栅极电流iG呈指数曲线下降，栅极电压uGS呈指数曲线上升。当t﹥t1时，uGS﹥UG(th)，器件开始导通，随着uGS增加，iD按指数曲线上升。当t＝t2时，漏极电流上升到iD＝Io，此时，栅极电压达到恒定值，uGS≈uGG，iG下降到接近0。当t﹥t2时，栅极电流iG全部流入栅漏电容CGD，漏极电流iD使漏源极电容放电，直到t=t3，漏源极电压达到由其通态电阻决定的最小值UDS(ON)。当t﹥t3时，漏源极电压保持通态最小值UDS(ON)，此时栅极电流iG继续对CGD充电，栅极电压uGS按指数曲线上升，直到t4时刻，uGS达到uGG，iG＝0，器件进入完全导通状态。②关断特性在t＝t5时，栅极电压信号uGG降到零，此时CGS和CGD通过RG放电，栅极电压uGS呈指数曲线下降，栅极电流iG突变到负最大值后呈指数曲线下降，在t＝t6时，栅极电压uGS达到恒定值并保持，此时栅极电流iG全部从CGD中吸取，漏源极电压uDS线性变化，当t＝t7时，uDS＝uDD，当t﹥t7时，栅极电流iG、栅极电压uGS和漏极电流iD均呈指数曲线下降，当t＝t8时，uGS＝UG(th)，漏极电流iD接近为零，MOSFET关断。当t﹥t8时，栅极电压uGS继续按指数曲线下降到零，此时栅极电流iG为零。当t=t9时，漏极电流iD＝0。从脉冲电压下降到零到漏极电流开始减小。uGS下降，iD减小，到uGS﹤UG(th)，沟道关断，iD下降到零。功率场效应晶体管的开关特性①开通时间从脉冲电压的前沿到iD出现，这段时间用⊿t10＝t1-t0表示，也称为开通延迟时间td，从iD开始上升到iD达到稳态值所用时间用⊿t21＝t2-t1表示，也称为上升时间tr。ton＝td＋tr②关断时间这段时间用⊿t75＝t7-t5表示，也称为关断延时时间ts，这段时间用⊿t97＝t9-t7表示，也称为下降时间tf。

toff＝ts＋tf4.功率场效应晶体管的主要参数（1）漏源击穿电压BUDS该电压决定了功率MOSFET的最高工作电压。（2）栅源击穿电压BUGS

该电压表征了功率MOSFET栅源之间能承受的最高电压。（3）漏极最大电流ID表征功率MOSFET的电流容量。（4）开启电压UG(th)又称阈值电压，它是指功率MOSFET流过一定量的漏极电流时的最小栅源电压。(5)通态电阻Ron

是指在确定的栅源电压UGS下，功率MOSFET处于恒流区时的直流电阻，是影响最大输出功率的重要参数。(6)极间电容是影响其开关速度的主要因素。其极间电容分为两类；一类为CGS和CGD，它们由MOS结构的绝缘层形成的，其电容量的大小由栅极的几何形状和绝缘层的厚度决定；另一类是CDS，它由PN结构成，其数值大小由沟道面积和有关结的反偏程度决定。1.2.6绝缘栅双极型晶体管IGBT绝缘栅双极型晶体管IGBT是80年代中期问世的一种新型复合电力电子器件，由于它兼有MOSFET的快速响应、高输入阻抗和BJT的低通态压降、高电流密度的特性，这几年发展十分迅速。1.绝缘栅双极型晶体管的结构IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区BJT。从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶闸管，寄生晶闸管有擎住作用。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶闸管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。当UCE＜0时，J3PN结处于反偏状态，IGBT呈反向阻断状态。当UCE＞0时，分两种情况：①若门极电压UGE＜开启电压UG(th)，IGBT呈正向阻断状态。②若门极电压UGE＞开启电压UG(th)，IGBT正向导通。IGBT的结构、符号及等效电路2.绝缘栅双极型晶体管的工作原理(1)IGBT的伏安特性伏安特性分3个区域：正向阻断区、有源放大区和饱和区。当UGE<UG(th)，IGBT工作于阻断状态。当UGE＞UG(th)，VMOS沟道体区内形成导电沟道，IGBT进人正向导通状态。(2)IGBT的转移特性IGBT的伏安特性和转移特性3.绝缘栅双极型晶体管的特性

(3)开关特性IGBT的开关特性4.绝缘栅双极型晶体管的主要参数(1)集射极额定电压UCEO

IGBT最大耐压值。(2)栅射极额定电压UGESUGES是栅极的电压控制信号额定值。只有栅射极电压小于额定电压值，才能使IGBT导通而不致损坏。(3)栅射极开启电压UG(th)

使IGBT导通所需的最小栅-射极电压,通常IGBT的开启电压UG(th)在3V～5.5V之间。(4)集电极额定电流IC

在额定的测试温度(壳温为25℃)条件下，IGBT所允许的集电极最大直流电流。(5)集射极饱和电压UCES

IGBT在饱和导通时，通过额定电流的集射极电压。通常IGBT的集射极饱和电压在1.5V～3V之间。1.3电力电子器件的驱动电路

驱动电路是电力电子器件与控制电路之间的环节，根据控制电路的输入信号提供足够的功率使电力电子器件在“断开”与“导通”状态之间进行转换，驱动电路应该使电力电子器件快速的导通或关断，并保持低开关损耗。驱动电路一般分为是单电源驱动还是双电源驱动，是直接驱动还是隔离驱动。电力电子器件的集成驱动电路由于具有和电力电子器件匹配好，具有过流保护功能而得到广泛的应用。1.3.1晶闸管的门极驱动电路1.晶闸管对门极驱动电路的基本要求①驱动信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，驱动信号常采用脉冲形式。②驱动脉冲应有足够的功率。驱动电压和驱动电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。③触发脉冲应有足够的宽度和陡度。触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。一般触发脉冲前沿陡度大于10V/µs或800mA/µs。。2.触发电路的型式控制电路应该和主电路隔离，隔离可采用脉冲变压器或光电耦合器。基于脉冲变压器Tr和晶体管放大器的驱动电路如图所示，当控制系统发出的高电平信号加至晶体管V1后，变压器输出电压经VD2输出脉冲电流IG触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，VD1、R2续流，防止过压。变压器原边上面接的是强触发环节带脉冲变压器的驱动电路1.3.2可关断晶闸管的门极驱动电路1.对门极驱动信号的要求根据GTO的特性，在其门极加正的驱动电流，GTO将导通；要使GTO关断，需要在其门极加很大的负电流。因此，通常采用不同回路实现GTO的导通和关断。门极驱动信号要足够大，脉冲前沿越陡越有利，而后沿平缓些好。正脉冲后沿太陡会产生负尖峰脉冲；负脉冲后沿太陡会产生正尖峰脉冲，会使刚刚关断的GTO的耐压和阳极承受的du/dt降低。2.门极驱动电路型式（1）恒压源关断控制晶体管V1控制GTO触发导通；V2控制GTO关断。关断电源E2须小于GTO的门极反向电压UGRM之值，否则会引起GTO产生雪崩电流。（2）变压源关断控制晶体管V通过电容C供给GTO触发脉冲信号，GTO导通时，电容C充电。当关断信号加到可控硅SCR使其导通，电容C经SCR放电，为GTO门阴极提供一个负脉冲电压，从而关断GTO。恒压源关断控制电路变压源关断控制电路1.3.3双极型功率晶体管的基极驱动电路1.BJT对基极驱动电路的基本要求①BJT导通时，基极电流值在最大负载下应维护BJT饱和导通，电流的上升率应充分大，以减小开通时间。②BJT关断时，反向注入的基极电流峰值及下降率应充分大，以缩短关断时间。③为防止关断时的尾部效应而导致BJT的损坏，驱动电路应提供给基射结合适的反偏电压，促使BJT快速关断，防止二次击穿。④BJT瞬时过载时，驱动电路应能相应地提供足够大的驱动电流，保证BJT不因退出饱和区而损坏。⑤BJT导通过程中，如果BJT集射结承受电压或流过它的电流超过了设定的极限值，应能自动切除BJT的基极驱动信号。⑥为了提高工作速度，降低开关损耗，多采用抗饱和措施。2.BJT驱动电路的设计方法(1)开通与通态由于器件一般在100℃～120℃的结点温度下使用，考虑到温度条件，则应取比标称值低20%～30%的数值。基极电流应尽可能大，以便开通或关断大的集电极电流。但基极电流过大会造成电路过饱和，增大了关断时间，反而降低了承受破坏的能力。因此，应限制基极电流过大。在开通与通态的情况下，基极电流按下式取值：IB1=(1.5～2)ICmax/β

(2)关断与断态在BJT的基极加入反向驱动电流，可加速其关断，而且基射极的状态会影响集射极承受电压的能力。如果基射极被反偏置，可控制集射极的耐压，也能防止由于噪声引起的操作失误和抑制du/dt产生的电流。反向基极电流IB2较大，BJT的关断时间缩短，但是反向偏置安全工作区变窄，确定IB2必须考滤到使用频率、反向偏置安全工作区、存储时间和下降时间。浪涌电压与IB2的大小和主电路的设置密切相关实际应通过实验来确定IB2，IB2最大峰值为IB的(2～3)倍。3.基极驱动电路的基本型式（1）固定反偏驱动电路

为了减小存储时间加速BJT关断，常用截止反偏驱动以迅速抽出基区的过剩载流子。晶体管V1及V2导通，正电源+VCC经过电阻R3及V2向BJT提供正向基极电流，使BJT导通。当V1及V2截止而V3导通，负电源-VCC加于BJT的发射结上，BJT基区中的过剩载流子被迅速抽出，BJT迅速关断。

固定反偏驱动电路

（2）恒流驱动电路“恒流驱动”是指BJT的基极电流保持恒定，恒流驱动使空载时饱和深度加剧，存储时间大。为了克服上述弊端常需采用其他辅助措施。抗饱和贝克箝位电路将多余的基极电流从集电极引出，使BJT在不同集电极电流情况下都处于饱和状态，使集电结处于零偏置或轻微正向偏置的状态。图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。轻载时，当BJT饱和深度加剧而使UCE减小时，A点电位高于集电极电位，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减小了BJT的饱和深度。抗饱和贝克箝位电路1.3.4功率MOSFET、IGBT的栅极驱动电路1.对栅极驱动电路的要求①能向栅极提供需要的栅压，以保证功率MOSFET、IGBT可靠开通和关断，所以触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前、后沿要求陡峭。②减小驱动电路的输出电阻，以提高栅极充、放电速度，从而提高功率MOSFET、IGBT的开关速度。③为了使功率MOSFET、IGBT可靠导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在功率MOSFET、IGBT截止时，最好能提供负的栅源电压。④功率MOSFET、IGBT开关时所需的驱动电流为栅极电容的充、放电电流。⑤驱动电源必须并联旁路电容，它不仅滤除噪声，也用于给负载提供瞬时电流，加快功率MOSFET的开关速度。2.功率MOSFET、IGBT驱动电路功率MOSFET与IGBT的是电压型控制器件，其驱动电路比较简单，如图1-45所示。为加快开关时间，应减小栅极电阻。日本三菱公司M57962AL是为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路，其内有2500V隔离电压光电耦合器，具有短路保护功能。M57962AL主要特点有：高速输入输出隔离，输入输出电平与TTL电平兼容，内部有定时逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性，具有可靠通断措施（采用双电源），可以驱动600A/600V或400A/1200V的IGBT模块。驱动电路M57962AL主要引脚功能是：引脚13和引脚14为控制信号输入端，引脚5为驱动信号输出端，引脚4和引脚6分别接正电源+E1和负电源-E1，引脚8为故障信号输出。1.3.5

全控器件的过电压及过电流保护

1.过电压保护(1)栅源间的过电压保护对于功率MOSFET和IGBT来说，如果栅源间的阻抗过高，则漏源间电压的突变会引起极间电容耦合到栅级而产生相当高的UGS电压过冲，这一电压会引起栅极氧化层永久性损坏。如果是正方向的UGS瞬态电压还会导致器件的误导通。采取的措施有：①

为适当降低栅极驱动电路的阻抗，在栅源间并接阻尼电阻。②

有些型号的功率MOSFET和IGBT内部输入端接有齐纳保护二极管。(2)集射极或漏源极的过电压保护电路中有感性负载，或回路中有等效电感时，则当器件关断时，电流的突变会产生比电源电压还高得多的集射极或漏源极的电压过冲，导致器件的损坏。对GTO、BJT、MOSFET、IGBT应采取前面介绍的稳压管钳位，二极管RC钳位或RCD缓冲电路等保护措施。2.过电流保护自关断电力电子器件的热容量极小，过电流能力很低，其过流损坏在微秒级的时间内，远远小于快速熔断器的熔断时间，所以诸如快速熔断器之类的过电流保护方法对自关断型电力电子器件来说是无用的。为了使自关断型器件组成的电力电子装置安全运行，保护的主要做法是：利用参数状态识别对单个器件进行保护；利用互锁的办法对桥臂中两个器件进行保护；利用电流检测等办法进行保护。(1)电压状态识别保护当BJT、GTO、IGBT等电力电子器件处于过载或短路故障状态时,随着集电极电流或阳极电流的增加,其集射极电压UCE或阳极阴极的电压UAK均发生相应变化,BJT的基射极电压UBE也发生变化，可利用这一特点对BJT等自关断器件进行过载和短路保护。基极电压状态识别保护在基极电流和结温一定时，UBE随IC正比变化，其关系曲线如图所示，BJT的基极电压UBE与基准值电压UR通过比较器进行比较，正常工作条件下：UBE＜UR，比较器输出低电平保证驱动管V的导通，一旦UBE＞UR，比较器输出高电平使驱动管V截止，阻断了BJT的驱动信号，关断将要过流的BJT。集射极电压状态识别保护电路检测UCE也可达到过电流保护的目的，集射极电压UCE与IC的关系曲线如图所示

监测基极电压状态识别保护电路监测集射极电压状态识别保护电路(2)桥臂互锁保护逆变器运行时，同一桥臂的两个开关管不能同时导通，由于开关管有关断时间，只有确认一个开关管关断后，另一个开关管才能导通。为防止同一桥臂的两个开关管同时导通，应该设置桥臂互锁时间，防止桥臂短路故障。桥臂互锁时间的长短与开关管的关断时间相关。(3)过饱和保护BJT的二次击穿多由于BJT工作于过饱和状态引起的，而基极驱动引起的过饱和使BJT的存储时间不必要地加长，直接影响着BJT的开关频率，所以BJT的过饱和保护对它的安全可靠工作有着极其重要的作用。通常过饱和保护可根据被驱动BJT的基射极电压降的高低来自动调节基极驱动电流的大小，构成准饱和基极驱动电路来完成。GTO、IGBT在过饱和时也会使关断时间增大，造成关断损耗增大的问题，也可以采用准饱和驱动电路实现过饱和保护。1.4电力电子器件的缓冲电路1.4.1缓冲电路的作用电力电子器件的PN结在工作时，都有多数载流子存储。这些载流子的存储电荷为QS，在PN结进行换向时，具有电感的电路中可能产生很大的过电压US=Ldi/dt，当此过电压施加在器件的PN结上时，如果不加以吸收，这个过电压就可能击穿PN结而损坏器件。附加各种缓冲电路，目的不仅是降低浪涌电压、du/dt和di/dt,还希望能减少器件的开关损耗、避免器件损坏和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。图1-49所示的未加缓冲电路时电力电子器件的开关波形，在开通和关断过程中的某一时刻，会出现开关管端电压和开关管电流同时达到最大值的情况，这时瞬时开关损耗也最大。其开关过程的负载线轨迹如图1-56的虚线所示。如图1-51所示的复合缓冲电路，其中电感LS提供开通缓冲电路的作用，减少电力电子器件的di/dt及开通损耗；电容CS和二极管VDS组成有极性的关断缓冲电路，减少电力电子器件的du/dt及关断损耗，电阻RS提供放电回路，避免了开关管端电压和开关管电流同时出现最大值的情况。电力电子器件的开关波形

缓冲电路其负载线轨迹如图1-50的实线所示，缓冲电路所以能够减小开关器件的开关损耗，是因为把开关损耗由器件本身转移至缓冲电路内；根据这些被转移的能量如何处理、怎样消耗掉，引出了两类缓冲电路：一类是耗能式缓冲电路，即转移至缓冲器的开关损耗能量消耗在电阻上，这种电路简单，但效率低；另一类是馈能式缓冲电路，即将转移至缓冲器的开关损耗能量以适当的方式再提供给负载或回馈给供电电源，这种电路效率高但电路复杂。

开关过程的负载线轨迹1.4.2缓冲电路的类型1.耗能式缓冲电路(1)RC关断缓冲电路在晶闸管的阳极和阴极并联RC缓冲电路，用来防止晶闸管两端过大的du/dt造成晶闸管的误触发，其中电阻RS能减小晶闸管开通时电容CS的放电电流。(2)RCD关断缓冲电路CS将吸收电路中产生的过电压。开关管导通，电容CS有很大的放电电流流过开关管，在电容器上串联一个吸收电阻RS限制放电电流。在吸收电阻RS的两端又并联了二极管VDS，这样在吸收过电压时不经过RS，以加快对过电压的吸收，而电容CS只能通过电阻RS放电，这样就可以衰减放电电流以保护开关管。

晶闸管RC缓冲电路

RCD关断缓冲电路(3)母线吸收式缓冲电路RCD组成的关断缓冲电路虽具有较明显的抑制du/dt的作用，但电阻R的功耗很大，既造成散热困难，又影响了系统的效率。数个开关管共用一个母线吸收式缓冲电路的方案既具有抑制du/dt的作用，又可大大降低电阻R的功耗，其缓冲电路如图所示。(4)开通缓冲电路开关管开通时稳态电流值越大，开通时间越短，则di/dt越大。母线吸收式缓冲电路为了限制di/dt的大小，常采用串联电感的方法，开通缓冲电路由电感LS和二极管VDS组成，与开关管串联，在开关管开通过程中，电感LS限制电流的上升率di/dt；当开关管关断时，储存在电感LS中的能量通过二极管VDS的续流作用而消耗在VDS和电感本身的电阻上。(5)复合缓冲电路当开关管开通时，LS限制电流上升率di/dt，而缓冲电容中的能量经CS、RS和LS回路放电，也减少了开关管承受的电流上升率di/dt。当开关管关断时，由于CS、VDS限制了开关管两端的电压上升率du/dt。开通缓冲电路复合缓冲电路2.馈能式缓冲电路将储能元件中的储能通过适当的方式回馈给负载或电源，可以提高装置的效率。在馈能过程中，由于采用的元件不同，又可分为无源和有源两种方式。无源馈能式能量的回馈主要由C0和VDC来实现，C0称为转移电容，VDC称为回馈二极管。在开关管关断时，缓冲电容器CS充电至电源电压VCC，在开关管下一次开通时，电容CS上的电压转移至电容C0上。当开关管再次关断时，电容CS再次充电，而电容C0向负载放电，能量得到回馈。

馈能式复合缓冲电路1.5

电力电子器件的串并联技术

尽管电力电子器件的电流容量和电压等级在不断提高，但仍然不能满足大容量整机应用的要求，需要串联使用以提高它们的电压等级或并联使用以提高它们的电流容量。图1-74晶闸管串联后的反向电压1.晶闸管的串联连接（1）静态均压由于串联各器件的正向(或反向)阻断特性不同，在电路中却流过相等的漏电流，因而各器件所承受的电压是不同的。选用特性比较一致的器件进行串联给每个晶闸管并联均压电阻Rj。如果均压电阻Rj大大小于晶闸管的漏电阻，则电压分配主要决定于Rj，但如Rj过小，则会造成Rj上损耗增大，因此要综合考虑。1.5.1晶闸管的串并联（2）动态均压晶闸管在开通和关断的过程中，由于各器件的开通时间和关断时间等参数不一致，而造成的动态不均压问题。晶闸管串联均压电路如图所示，晶闸管在开关过程中瞬时电压的分配决定于各晶闸管的结电容﹑导通时间和关断时间等差别，为了使开关过程中的电压分配均匀，减小电容C对晶闸管放电造成过大的di/dt，还应在电容C支路中串联电阻R。晶闸管串联连接时应尽可能选择参数比较接近的晶闸管串联，串联的各晶闸管开通时间之差要小；要求门极触发脉冲的前沿要陡，触发脉冲的电流要大，使晶闸管的开通时间短，趋于一致。晶闸管串联均压电路由于晶闸管制造工艺的改进，器件的电压等级不断提高，因此要求晶闸管串联连接的情况会逐步减少。器件串联后，必须降低电压的额定值使用，串联后选择晶闸管的额定电压为

式中Um—作用于串联器件上的峰值电压

ns—串联器件个数2.晶闸管的并联连接（1）串联电阻法由于串联电阻增大损耗，对电力电子器件而言无实用价值。（2）串联电抗法用一个均流电抗器(铁心上带有两个相同的线圈)接在两个并联的晶闸管电路中。但因铁心笨重，线圈绕制不便，在并联支路数很多时，线路的配置就较复杂了。

晶闸管并联时的电流分配

晶闸管并联均流电路晶闸管串并联连接时应尽可能选择参数比较接近的晶闸管进行并联；触发脉冲前沿要陡，电流要大，使各晶闸管开通时间之差要小。适当增大电感，可以减少各并联支路中动态电流的偏差。安装时使各支路铜线长短相同，使各支路分布电感和导线电阻相近。需要同时采取串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法1.5.2GTO的串并联

1.GTO的串联连接GTO串联时，采用与晶闸管相似的方法解决均压问题。GTO的动态不均压的过电压产生于器件开通瞬间电压的后沿和关断瞬间电压的前沿，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，以消除动态不均压的影响。

GTO串联均压电路2.GTO的并联连接一个GTO内部就是由几百个小GTO单元并联工作的，这就给多个GTO之间的并联工作创造了先天性的有利条件。GTO并联均流电路GTO并联要解决的是在开通和关断过程中产生的动态不均流问题。随结温的上升，开通时间将缩短，而关断时间却有延长的趋势，这就更加大了并联工作的GTO1与GTO2之间的开关时间差异，从而导致GTO的开关损耗进一步增大，温度再增高，这样继续下去，恶性循环的结果就会烧坏器件。除了严格挑选并联工作的GTO通态电压相等外，精心设计门极控制电路，采用强触发脉冲驱动，力争做到并联的GTO同时开通和同时关断。1.5.3BJT的串并联1.BJT的串联连接由于BJT对过电压敏感，通常BJT是不进行串联运行的2.BJT的并联连接大电流BJT管芯中采用了若干小电流的BJT并联，因此用并联来增大BJT电流容量是比较常用的方法。当负载电流比较小时，并联的两个管子的集电极电流分配是极不均匀的，但是随着负载电流的增大，电流分配将大为改善。使用同一个厂家同一型号的管子，多管并联时可以不采用负载均衡措施。开关过程中，BJT的负载分配是不均匀的，必须设计一种合适的电路，使它能够在动态下自动保持并联的管子的均衡负载能力。多管自适应驱动电路

通过二极管VD的自适应作用，BJT总是能使基极电流自动和集电极电流相适应

多管自适应驱动电路1.5.4功率MOSFET的串并联1.功率MOSFET的串联连接一般来说，因功率MOSFET经常工作在高频开关电路中，常用的电阻与电容串并联在解决动态均压时，由于分布参数的影响，难以做到十分满意，所以除非必要，通常不将它们串联工作。2.功率MOSFET的并联连接由于功率MOSFET的导通电阻是单极载流子承载的，具有正的电阻温度系数。当电流意外增大时，附加发热使导通电阻自行增大，对电流的正增量有抑制作用，所以功率MOSFET对电流有一定的自限流能力，比较适合于并联使用而不必采用并联均流措施。1.5.5IGBT的串并联1.IGBT的串联连接与BJT一样，通常IGBT不串联使用。2.IGBT的并联连接

(1)并联时的注意事项当并联使用时，使用同一等级UCES的模块。并联时，各IGBT之间的IC不平衡率≤18%。并联时，各IGBT的开启电压应一致，如开启电压不同，则会产生严重的电流分配不均匀(2)并联时的接线方法在各模块的栅极上分别接上各模块推荐值的RG。栅极到各模块驱动级的配线长短及引线电感要相等，否则会引起各模块电流的分配不均匀，并会造成工作过程中开关损耗的不均匀。控制回路的接线应使用双芯线或屏蔽线。主电路需采用低电感接线。使接线尽量靠近各模块的引出端，使用铜排或扁条线，以尽可能降低接线的电感量。小结1.根据开关器件是否可控分类(1)不可控器件二极管是不可控器件。(2)半控器件普通晶闸管SCR是半控器件。(3)全控器件GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。2.根据门极(栅极)驱动信号的不同(1)电流控制器件驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。该类器件有SCR、GTO、BJT。(2)电压控制器件驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。该类器件有功率MOSEET、IGBT。3.根据载流子参与导电情况之不同(1)单极型器件功率MOSFET。(2)双极型