电力电子技术第一章

电力电子技术--第一章2023/12/26电力电子技术第一章1.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2电力电子器件组成的应用系统1.1.3电力电子器件的分类电力电子技术第一章1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子器件1、概念1）主电路（PowerCircuit）-----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。2）电力电子器件（PowerElectronicDevice）-----可以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。

2、分类

半导体器件(主要材料是单晶硅）电真空器件(汞弧整流器、闸流管)电力电子技术第一章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。3、同处理信息的电子器件相比的一般特征：1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子技术第一章电力电子器件的损耗通态损耗断态损耗开关损耗驱动损耗开通损耗关断损耗1.1.1电力电子器件的概念和特征电力电子技术第一章1.1.2电力电子器件组成的应用系统

电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路、检测电路和以电力电子器件为核心的主电路构成的一个完整的系统。电力电子技术第一章1.1.2电力电子器件组成的应用系统我们通常将电力电子系统简单的分为主电路和控制电路。主电路中的电压和电流都较大，而控制电路的元器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制电路连接的路径上，如驱动电路与主电路的连接处；检测电路与主电路的连接处，一般都需要进行电气隔离，通常采用光－电转换、磁－电转换等技术手段来传递信号。电力电子技术第一章电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路控制电路电气隔离

在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行。1.1.2电力电子器件组成的应用系统电力电子技术第一章1.1.3电力电子器件的分类按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为下列三类：不可控器件(PowerDiode)----不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。

半控型器件（Thyristor）----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（IGBT,MOSFET)----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。电力电子技术第一章按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类：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。1.1.3电力电子器件的分类电力电子技术第一章1.2不可控器件—电力二极管1.2.1电力二极管的工作原理1.2.2电力二极管的基本特性与参数一、电力二极管的伏安特性二、电力二极管的开关特性三、电力二极管的主要参数电力电子技术第一章1.2.1电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装外壳组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-2电力二极管的外形、结构和电气符号a)外形b)结构c)电气图形符号电力电子技术第一章PN结的状态状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——1.2.1电力二极管的工作原理电力电子技术第一章1.2.1电力二极管的工作原理二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿(永久性击穿）电力电子技术第一章电力二极管与信息电子电路中的普通二极管的区别由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。1.2.1电力二极管的工作原理电力电子技术第一章1.2.2电力二极管的基本特性与参数一、静态特性（伏安特性）图1-3电力二极管的伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF

。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流IRR。反向击穿电压UB电力电子技术第一章1.2.2电力二极管的基本特性与参数二、动态特性（开关特性）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：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtb)UFPuiiFuFtfrt02V图1-4电力二极管的动态过程波形（a)正向偏置转换为反向偏置（b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的电压-电流特性是随时间变化的电力电子技术第一章

关断过程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。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。

开通过程：正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-4(a)关断过程UFPuiiFuFtfrt02V图1-4(b)开通过程1.2.2电力二极管的基本特性与参数电力电子技术第一章电力二极管的应用范围很广，我们主要常见的有以下几种类型。①普通二极管普通二极管又称为整流二极管（RectifierDiode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可达数千安培，额定电压达数千伏以上。1.2.2电力二极管的基本特性与参数电力电子技术第一章1.2.2电力二极管的基本特性与参数②快恢复二极管反向恢复时间在5μs以下的称为快恢复二极管（FastRecovreryDiode简称为FRD）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数ns以上，后者的反向恢复时间则在100ns以下，多用于高频整流和逆变电路中。③肖特基二极管反向恢复时间为10～40ns，反向耐压在200V以下。多用于高频小功率整流或高频控制电路。电力电子技术第一章三、电力二极管的主要参数

1、额定正向平均电流IF(AV)

器件长期运行在规定管壳温度和散热条件下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。2、正向压降UF

指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压（又称管压降）。1.2.2电力二极管的基本特性与参数电力电子技术第一章3、反向重复峰值电压URRM指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选定此项参数。4、反向漏电流IRR指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。5、最高工作温度TJM指器件中PN结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125～175℃范围内。1.2.2电力二极管的基本特性与参数电力电子技术第一章1.3半控型器件-晶闸管

1.3.1晶闸管的结构及工作原理

一、晶闸管的结构二、晶闸管的工作原理1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数

一、晶闸管的伏安特性二、晶闸管的主要特性参数电力电子技术第一章1.3半控型器件-晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），也称为可控硅，是能够承受高电压、大电流的半控型电力电子器件。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年开始商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的新时代。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。电力电子技术第一章1.3半控型器件-晶闸管

晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管（SCR），但随着电力电子技术的发展。晶闸管还应包括许多类型的派生器件。包括快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。在本书中所说的晶闸管都是指普通晶闸管。电力电子技术第一章1.3.1晶闸管的结构及工作原理普通晶闸管也可称为可控硅整流管（SiliconControlledRectifier）简称SCR。耐压高、电流容量大（目前可以达到4.5KA/6.5KV），开通的可控性。已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域。是低频（200HZ以下）、大功率变流装置中的主要器件。电力电子技术第一章1.3.1晶闸管的结构及工作原理一、晶闸管的结构图1－5晶闸管的外形及图形符号

图1－5（e）图形符号晶闸管有三个电极，它们分别是阳极A、阴极K和门极G（或称为栅极）,图1－5（a）小电流塑封式图1－5（d）大电流平板式额定电流在200A以上图1－5（c）大电流螺拴式额定电流在200A以上图1－5（b）小电流螺拴式按照外形封装形式可分为电力电子技术第一章1.3.1晶闸管的结构及工作原理图1－6晶闸管所使用的散热器

晶闸管是大功率器件，工作时将产生大量的热量，因此，必须安装散热器。螺旋式晶闸管可以紧栓在铝制散热器上，采用自然散热冷却方式，如图1－6（a）所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧紧的夹在中间，散热方式可以采用风冷或水冷，以获得较好的散热效果，如图1－6（b）、（c）所示。电力电子技术第一章1.3.1晶闸管的结构及工作原理二、晶闸管的工作原理

由于通过门极我们可以控制晶闸管的开通；而通过门极我们不能控制晶闸管的关断，因此，晶闸管才被我们称为半控型器件。图1－7晶闸管的管芯结构和等效电路

按照等效电路和晶体管的工作原理，我们可列出如下方程：

IC1＝α1IA＋ICO1

(1－1)

IC2＝α2IK＋ICO2

(1－2)

IK＝IA＋IG

(1－3)

IA＝IC1＋IC2

(1－4)α1＝IC1/IA、α2＝IC2/IK分别是晶体管V1和V2的共基极接法的电流放大倍数，ICO1和ICO2则分别是V1和V2的共基极漏电流。推出：

（1--5）

电力电子技术第一章1.3.1晶闸管的结构及工作原理在低发射极电流下

是很小的，而当发射极电流建立起来之后，

迅速增大。阻断状态：IG=0，

1+

2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。饱和导通：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致

1+

2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。电力电子技术第一章1.3.1晶闸管的结构及工作原理晶闸管导通的必要条件是：

必须在晶闸管的阳极、阴极加上正向电压。必须在门极和阴极之间加上正向门极电压，也称为触发电压。流过晶闸管的阳极电压IA必须大于晶闸管的维持电流IH。电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数一、晶闸管的伏安特性晶闸管阳极、阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系，称为晶闸管的伏安特性。图1－8晶闸管阳极伏安特性图中物理量定义如下：UDRM、URRM--正、反向断态重复峰值电压（UDRM=0.8UDSM、URRM=0.8URSM）UDSM、URSM--正、反向断态不重复峰值电压UBO――正向转折电压URO――反向转折电压电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压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。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。反向特性和二极管的反向特性极其类似。承受反向阳极电压，呈现反向阻断状态时，只有很小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管永久性发热损坏。（2）反向特性电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数晶闸管就像一个可以控制的单向无触点开关。当然，这个单向无触点开关不是一个理想的开关，在正向阻断或反向阻断时，晶闸管的电阻不是无穷大；正向导通时，晶闸管的电阻也不为零，因此存在一定的管压降。电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数二、晶闸管的主要特性参数1、重复峰值电压――额定电压UTe晶闸管铭牌标注的额定电压，通常取UDRM与URRM中较小的数值，然后根据表1－2所示的标准电压等级，标定器件的额定电压等级UTe。表1－2晶闸管的正反向电压等级（额定电压）级别正反向重复峰值电压（V）级别正反向重复峰值电压（V）级别正反向重复峰值电压（V）110088002020002200990022220033001010002424004400121200262600550014140028280066001616003030007700181800电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数2、晶闸管的额定通态平均电流IT(AV)――额定电流

在环境温度为40℃和器件规定的冷却条件下，晶闸管在电阻性负载，导通角不小于170°的单相工频正弦半波电路中，当结温稳定且不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流，称为额定通态平均电流，用IT(AV)来表示，称为元件的额定电流。

我们根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦半波电流时的最大允许平均电流，设该正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流（平均电流）为:（1－6）

电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数在实际使用中，流过晶闸管的电流波形、导通角并不是一定的，各种含有直流分量的电流波形都有一个不同的电流平均值（一个周期内波形面积的平均值），也都有一个电流有效值（均方根值）。我们定义电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用Kf来表示：（1－8）额定电流有效值为：

（1－7）电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数3、门极触发电流IGT和门极触发电压UGT（门极伏安特性）在室温下在晶闸管的阳极和阴极之间加上6V的正向电压时，能使晶闸管由阻断状态完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发电流的门极电压，称为门极触发电压UGT。门极的触发电流、触发电压的大小必须有一定的范围限制。如图1－9所示：图1－9晶闸管的门极伏安特性（a）门极伏安特性（b）不可靠触发区放大图电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数4、通态平均电压UT(AV)

在规定的环境温度、标准散热条件下，器件流过正弦半波额定电流时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压UT(AV)（又称为管压降），UT(AV)愈小愈好，其等级标准见表1－4。在实际使用中，从减小损耗和器件发热来看，应尽可能选择UT(AV)小的晶闸管。表1－4通态平均电压的分组组别通态平均电压UT(AV)

(V)组别通态平均电压UT(AV)

(V)ABCDEUT(AV)≤0.40.4＜UT(AV)

≤0.50.5＜UT(AV)≤0.60.6＜UT(AV)

≤0.70.7＜UT(AV)

≤0.8FGHI0.8＜UT(AV)≤0.90.9＜UT(AV)≤1.01.0＜UT(AV)≤1.11.1＜UT(AV)≤1.2电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数5、维持电流IH和掣住电流IL①维持电流IH在室温下且门极开路时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持导通所需的最小阳极电流称为维持电流IH。维持电流IH一般约为几十毫安，同时维持电流与器件的容量、结温等因数有关，结温愈高，维持电流愈小，维持电流大的元件容易关断。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下器件的IH的实测值。②掣住电流IL在晶闸管的门极加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就撤掉触发电压，此时晶闸管要保持继续导通所需要的最小阳极电流，称为掣住电流IL。对同一个晶闸管而言，掣住电流IL要比维持电流IH大2～4倍。电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数6、晶闸管的开通与关断时间

晶闸管作为无触点开关，在阻断与导通两钟工作状态之间的转换并不是在瞬间完成的，需要一定的时间。当器件工作在开关频率较高的场合时，就必须考虑开关时间的影响。①开通时间tgt从门极触发电压前沿的10％到元件阳极电压下降到10％所需的时间，称为开通时间tgt，图1－10晶闸管开通过程的电流电压波形电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数6、晶闸管的开通与关断时间②晶闸管的关断时间tq

我们把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的时间称为关断时间tq。晶闸管的关断时间与元件的结温、关断前阳极电流的大小以及所加电压的大小有关。普通晶闸管的关断时间tq约为几十到几百微秒。晶闸管虽然存在着开通与关断时间，但在工频电路中可以不计，在高频电路中就必须考虑，如果普通晶闸管不能满足高频电路的要求，可选用快速晶闸管，因为它的开通时间在1微秒左右，关断时间在10微秒以下。电力电子技术第一章1.3.2晶闸管的基本特性与主要参数7、通态电流临界上升率di/dt

——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8、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。电力电子技术第一章1.4全控型电力电子器件1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）1.4.2电力晶体管（GTR）一、电力晶体管的结构和工作原理二、电力晶体管的特性与参数电力电子技术第一章1.4全控型电力电子器件

晶闸管通过控制信号可以控制其导通，而无法控制其关断，因此，我们称其为半控型器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。是当前电力电子器件中发展最快的一类器件，这类器件品种很多，目前常见的有门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（PowerMOSFET）、结缘栅双极型晶体管（IGBT）等。电力电子技术第一章1.4全控型电力电子器件根据器件内部载流子参与导电的种类不同，全控型器件又可分为单极型、双极型和复合型三类。器件内部只有一种载流子参与导电的称为单极型，如电力场控晶体管（PowerMOSFET）、静电感应晶体管（SIT）等；器件内部有电子和空穴两种载流子导电的称为双极型器件，如GTR、GTO、SITH等；由双极型器件与单极型器件复合而成的新型器件称为复合型器件，如IGBT等。电力电子技术第一章1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）

门极可关断晶闸管GTO是普通晶闸管的一种派生器件，与晶闸管一样都是PNPN四层三端结构。其电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，因而在大功率场合仍有较多的应用。GTO主要用于直流变换和逆变等需要器件强迫关断的地方。

和普通晶闸管的管芯结构基本一样，外部仍然是引出阳极、阴极和门极（控制极）。不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个电极，但内部则包含了数拾个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些小GTO单元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

电力电子技术第一章1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）图1－11GTO的内部结构和电气图形符号a.各单元的阴极、门极间隔排列b.并联单元结构断面示意图c.电气图形符号电力电子技术第一章1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）工作原理GTO的工作原理仍然可以用图1－7所示的互补双晶体管模型来分析。

图1－7晶闸管的管芯结构和等效电路

P1N1P2和N1P2N2构成的两个互补晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益（共基极放大倍数）α1和α2。由普通晶闸管的分析可以看出，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。当α1＋α2>1时，两个互补晶体管V1、V2进入过饱和而使器件导通；当α1＋α2<1时，不能维持饱和导通而关断电力电子技术第一章1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）GTO能够通过门极关断的原因是因为与普通晶闸管相比有如下特点：设计器件时

2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于控制GTO。导通时

1+

2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但是导通时管压降增大。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

电力电子技术第一章1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）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关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt能力更强。

由上述分析我们可以得到以下结论：电力电子技术第一章1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）GTO和普通晶闸管意义不同的参数：1、最大可关断阳极电流IATO是用来标称GTO额定电流的参数。2、电流关断增益βoff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。即：

GTO的βoff一般很小，这是GTO的一个主要缺点。（1–9）电力电子技术第一章1.4.1门极可关断晶闸管（GTO）3、开通时间ton是指延迟时间与上升时间之和。GTO的延迟时间一般约1～2μs，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。4、关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。不少GTO都制成逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）电力晶体管（GiantTransistor）简称GTR，又称为巨型晶体管。是一种双极型大功率高耐压晶体管。因此，也称为BJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称是等效的。它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。目前GTR的容量已达400A/1200V、1000A/400V，工作频率可达5kHz，因此被广泛应用于不停电电源、中频电源和交/直流电机调速等电力变流装置中。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）一、电力晶体管的结构和工作原理图1－12GTR的结构及电气符号

NPN三层扩散台面型结构是单管GTR的典型结构。如左图（a）所示：图中掺杂浓度高的N＋区称为GTR的发射区，E为发射极。基区是一个厚度在几微米至几十微米之间的P型半导体层薄层，B为基极。集电区是N型半导体，C为集电极。左图（c）是GTR的电气符号。为了提高GTR的耐压能力，在集电区中设置了轻掺杂的N—区。在两种不同类型的半导体交界处N+-P构成发射结J1,P-N构成集电结J2,如左图（b）所示。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）图1－13GTR的开关电路及输出特性一、电力晶体管的结构和工作原理

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态，我们希望它在电路中的表现接近于理想开关-----即导通时的管压降趋近于零，截止时的电流趋近于零，而且两种状态间的转换过程要足够快。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数

（1）GTR共射极电路输出特性

图1－14共射极电路的输出特性曲线

在共射极接法电路中GTR的集电极电压UCE与集电极电流IC的关系曲线称为输出特性曲线，如图1－14所示。从图中可以看出，随着IB从小到大的变化，GTR经过截止区（又称为阻断区）、线形放大区、准饱和区和深饱和区四个区域。在截止区类似于开关的断态；工作在开关状态的GTR应避免工作在线形区以防止大功率损坏GTR；随着IB的增大，GTR进入准饱和区，IC与IB之间不再呈线形关系；在深饱和区，IB变化时，IC不再改变；管压降UCES很小，类似于开关的通态。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数

①电压定额集电极、基极击穿电压BUCBO：发射极开路时，集基极所能承受的最高电压。集电极、发射极击穿电压BUCEO：基极开路时，集射极所能承受的最高电压。②电流定额集电极电流最大值ICM：一般以β值下降到额定值的1／2～1／3时的IC值定为ICM。基极电流最大值IBM：规定为内引线允许通过的最大电流，通常取IBM≈（1/2~1/6）ICM。③最高结温TjM：GTR的最高结温与半导体材料性质、器件制造工艺、封装质量有关。一般情况下，塑封硅管TjM为125—150℃，金封硅管TjM为150～170℃，高可靠平面管TjM为175～200℃。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数④最大耗散功率PCM：即GTR在最高结温时所对应的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热。如果散热条件不好，GTR会因温度过高而迅速损坏。⑥共射直流电流增益β：β=IC/IB表示GTR的电流放大能力。高压大功率GTR(单管)一般β<10。⑤饱和压降UCES：GTR工作在深饱和区时，集射极间的电压值。图1－15为GTR的饱和压降特性曲线。由图可知，UCES随IC增加而增加，在IC不变时，UCES随管壳温度Tc的增加而增加。图1－15GTR的饱和压降特性曲线电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数1、GTR的特性与参数(2)GTR的主要参数⑦动态参数图1－16GTR开关过程电流波形

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。加快开通过程的办法。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

。加快关断速度的办法。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数2．二次击穿和安全工作区(1)二次击穿

处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE逐渐增大到最大电压定额BUCEO时，集电极电流IC急剧增大(雪崩击穿)，但此时集电结的电压基本保持不变，这叫做一次击穿，如图1－17所示。图1－17GTR的二次击穿示意图

如果继续增大UCE，又不限制IC的增长，就会产生二次击穿。A点对应的电压USB和电流ISB称为二次击穿的临界电压和临界电流，其乘积

PSB=USBISB称为二次击穿的临界功率。二次击穿的时间在纳秒甚至微秒数量级内，将会造成GTR永久性损坏。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数2、二次击穿和安全工作区(1)二次击穿

把不同IB下二次击穿的临界点联接起来就形成二次击穿临界线，如图1－18所示。从图中可知PSB越大，越不容易发生二次击穿。值得注意的是，GTR发生二次击穿损坏，必须同时具备三个条件：高电压、大电流和持续时间。图1－18二次击穿临界曲线

一般来说，工作在正常开关状态的GTR是不会发生二次击穿现象的。电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数2、二次击穿和安全工作区(2)安全工作区

安全工作区SOA(SafeOperationArea)是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流电压的极限范围。按基极偏置分类可分为正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。

①正偏安全工作区FBSOA正偏安全工作区又叫开通安全工作区，它是基极正向偏置条件下由GTR的最大允许集电极电流ICM、最大允许集电极电压BUCEO、最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB四条限制线所围成的区域，如图1－19所示。图1－19GTR的正偏工作区（FBSOA）

电力电子技术第一章1.4.2电力晶体管（GTR）二、电力晶体管的特性与参数2、二次击穿和安全工作区(2)安全工作区②反偏安全工作区RBSOA反偏安全工作区又称为GTR的关断安全工作区。它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE、电流Ic限制界线所围成的区域，如图1－20所示。从图中可以看出RBSOA随基极反向电流的增大而变窄。另外RBSOA还受结温的影响，如果配给GTR的散热器质量不佳，RBSOA会缩小。

图1－20GTR的反偏工作区（RBSOA）

电力电子技术第一章

1.4.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor）简称为IGBT，因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT于1982年开始研制，1986年投入生产，是当前发展最快而且最有前途的一种混合型器件。目前IGBT的产品已经系列化，其最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50KHz。IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，其导通电阻是同一耐压规格MOSFET的1/10，开关时间是同容量GTR的1/10。在电机拖动控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低耗的中、小功率领域，IGBT大有取代GTR和MOSFET的趋势。电力电子技术第一章

1.4.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）一、IGBT的工作原理图1－21IGBT的结构、等效电路及电气符号

在实际应用电路中IGBT的集电极C接电源正极，发射极E接电源负极，它的导通和关断由栅极电压来控制。电力电子技术第一章

1.4.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）二、IGBT的基本特性与参数1、IGBT的基本特性

图1－22IGBT的输出特性和转移特性曲线

与GTR一样，IGBT的伏安特性也分为截止区、有源放大区、饱和区和击穿区。值得我们注意的是，IGBT承受反向电压的能力很差，从图1－22中可知，其反向阻断电压UBM只有几十伏，因此，大大的限制了它在高反压场合的应用。电力电子技术第一章

1.4.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）二、IGBT的基本特性与参数

2．IGBT的主要参数

（1）集射极击穿电压UCES集射极击穿电压UCES即为IGBT的最高工作电压，它取决于IGBT内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压的大小。（2）开启电压UGE(TH)和最大栅射极电压UGES开启电压UGE(TH)是IGBT导通所需的最低栅射极电压，即转移特性与横坐标的交点电压。在25℃时，IGBT的开启电压一般为2～6V。由于IGBT的驱动为MOSFET，应将最大栅射极电压UGES限制在20V以内，其最佳值一般取15V左右。电力电子技术第一章

1.4.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）二、IGBT的基本特性与参数

2．IGBT的主要参数

（3）通态压降UCE(ON)通态压降UCE(ON)是指IGBT处于导通状态时集射极间的导通压降。它决定了IGBT的通态损耗，此值越小，管子的功率损耗越小。富士公司IGBT模块的UCE(ON)值约为2.5～3.5V。（4）集电极连续电流IC和峰值电流ICMIGBT集电极允许流过的最大连续电流IC为IGBT的额定电流。IC的大小主要取决于结温的限制。为了防止电流锁定效应的出现，IGBT也规定了最大集电极电流峰值ICM。一般情况下峰值电流为额定电流的2倍左右。电力电子技术第一章

1.4.4其他新型电力电子器件

一、MOS控制晶闸管MCTMCT(MOSControlledThyristor)是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。MCT将MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点结合起来。一个MCT器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。其通态压降只有GTR的1／3左右。MCT可承受极高的di／dt和du／dt，使得其保护电路可以简化。MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也较小。电力电子技术第一章

1.4.4其他新型电力电子器件

二、静电感应晶体管SITSIT(StaticInductionTransistor)诞生于1970年，实际上是一种结型场效应晶体管。SIT是一种多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，功率容量也比电力MOSFET大，适用于高频大功率场合，但是SIT在栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件。此外，SIT通态电阻较大，使得通态损耗较大。三、静电感应晶闸管SITHSITH(StaticInductionThyristor)诞生于1972年，是在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的。SITH又被称为场控晶闸管(FieldControlledThyristor—FCT)。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。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。。电力电子技术第一章

1.4.4其他新型电力电子器件

四、集成门极换流晶闸管IGCTIGCT(IntegratedGate-CommutatedThyristor)也称为GCT(Gate-Conunutat-edThyristor)，即门极换流晶闸管，是20世纪90年代后期出现的新型电力电子器件。IGCT将IGBT与GTO的优点结合起来，其容量与GTO相当，但开关速度比GTO快10倍，而且可以省去GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。目前，IGCT正在与IGBT以及其他新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的应用。五、功率模块与功率集成电路按照典型电力电子电路所需要的拓扑结构，将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中，这种模块被称为功率模块(PowerModule)，如果将电力电子器件与逻辑、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，则称为功率集成电路(PowerIntegratedCircuit—PIC)。电力电子技术第一章1.5电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的工作性能有很大的影响。1.5.1电力电子器件驱动电路概述1、驱动电路的基本任务，就是将信息电子电路传来的信号，转换为电力电子器件可以接受的信号加在控制端和公共端之间。2、驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。一般采用光－电耦合隔离或者磁－电耦合隔离技术。3、按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两大类。4、电力电子装置的驱动电路广泛采用的是专用的集成驱动电路。从发展的趋势来看光－电耦合隔离电路通常也集成在一起。电力电子技术第一章1.5电力电子器件的驱动1.5.2典型全控型器件的驱动电路一、电流驱动型器件的驱动电路图1—23推荐的GTO门极电压、电流波形

GTO和GTR是电流驱动型器件。GTO的导通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需要在整个导通期间施加正向门极电流。要使GTO关断需施加反向（负）门极电流。电力电子技术第一章1.5电力电子器件的驱动1.5.2典型全控型器件的驱动电路一、电流驱动型器件的驱动电路GTO一般用于大容量电流的场合，其驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可以得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较为广泛，缺点是功耗大，效率较低。

图1－24典型的直接耦合式GTO驱动电路

电力电子技术第一章1.5电力电子器件的驱动1.5.2典型全控型器件的驱动电路一、电流驱动型器件的驱动电路

GTR基极驱动电路的作用是将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。驱动电路的主要功能如下：1、提供合适的正反向基极电流以保证GTR可靠导通与关断，所期望的基极驱动电流波形如左图所示2、实现主电路与控制电路的隔离。3、自动保护功能，以便在故障发生时快速切除驱动信号，避免损坏GTR。4、电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。

图1—25理想的基极驱动电流波形图

电力电子技术第一章1.5电力电子器件的驱动1.5.2典型全控型器件的驱动电路一、电流驱动型器件的驱动电路简要介绍GTR驱动电路的形式：

1、简单的双电源驱动电路电路如图1—26所示，驱动电路与GTR（T6）直接耦合控制电路，用光—电耦合实现电隔离，正负电源（+UC2和—UC3）供电。当输入端S为低电位时，T1~T3导通，T4、T5截止，B点电压为负，给GTR基极提供反向基流，此时GTR（T6）关断。当S端为高电位时，T1~T3截止，T4、T5导通，T6流过正向基流，此时GTR开通。图1—26双电源驱动电路

电力电子技术第一章1.5.2典型全控型器件的驱动电路一、电流驱动型器件的驱动电路简要介绍GTR驱动电路的形式：

2、集成驱动电路

在GTR的驱动电路中目前广泛采用是集成驱动电路，常见的GTR集成驱动电路有法国THOMSON公司的UAA4002和日本三菱公司的M57215BL。图1—27UAA4002的内部功能框图

各管脚的功能如下：

①反向基极电流输出端IB2；②负电源端（—5V）；输出脉冲封锁端，为“1”③封锁输出信号，为“0”解除封锁；④输入选择端，为“1”选择电平输入，为“0”选择脉冲输入；⑤驱动信号输入端电力电子技术第一章1.5.2典型全控型器件的驱动电路一、电流驱动型器件的驱动电路2、集成驱动电路⑥

由R-接负电源，负电源欠压保护。若⑥接地，则无此保护功能；⑦脚通过电阻RT接地，⑧通过电容CT接地，若⑧脚接地，则不限制导通时间；⑨接地端；⑩由RD接地；11由RSD接地，完成退饱和保护，若11脚接地负电源，则无退饱和保护；12过电流保护端，接GTR射极的电流互感器。若12脚接地，则无过流保护功能；13通过抗饱和二极管接地到GTR的集电极；14正电源端（10～15V）；15由R接正电源，输出级电源输入端，调节R大小可改变正向基极驱动电流IB1；16正向基极电流输出端IB1。电力电子技术第一章1.5.2典型全控型器件的驱动电路一、电流驱动型器件的驱动电路2、集成驱动电路图1－28UAA4002集成驱动的实际应用

图1—28是UAA4002作驱动的开关电路实例，其容量为8A/400V，采用电平控制方式，最小导通时间为2.8μs。由于UAA4002的驱动能力容易扩展，可通过外接晶体管驱动各种型号和容量的GTR，也可以驱动功率MOSFET管。电力电子技术第一章1.5.2典型全控型器件的驱动电路二、电压驱动型器件的驱动电路

电力MOSFET和IGBT都是电压驱动型器件。图1—29给出了电力MOSFET的一种驱动电路，它也包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当无输入信号时高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。图1—29电力MOSFET的驱动电路电力电子技术第一章1.5.2典型全控型器件的驱动电路二、电压驱动型器件的驱动电路

电力MOSFET和IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。图1—30M57962L型IGBT驱动器的原理和应用电路电力电子技术第一章1.5.2典型全控型器件的驱动电路二、电压驱动型器件的驱动电路图1—31EXB8XX系列集成驱动应用电路富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。电力电子技术第一章1.6电力电子器件的保护

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt保护和di/dt保护也是必不可少的。1.6.1过电压的产生及过电压保护电力电子装置中可能发生的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等.外部过电压主要包括：1、操作过电压；2、雷击过电压：由雷击引起的过电压。内因过电压主要包括：1、换相过电压；2、关断过电压。电力电子技术第一章1.6电力电子器件的保护1.6.1过电压的产生及过电压保护图1—32示出了各种过电压保护措施及其配置位置，各电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，其功能已属于缓冲电路的范畴。图1—32过电压抑制措施及配置位置电力电子技术第一章1.6电力电子器件的保护1.6.1过电压的产生及过电压保护

在抑制外因过电压的措施中，采用RC过电压抑制电路是最为常见的，其典型联结方式见图1—33。图1—33RC过电压抑制电路联结方式

电力电子技术第一章1.6电力电子器件的保护1.6.1过电压的产生及过电压保护RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（通常供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直侧流。对大容量的电力电子装置，可采用图1—34所示的反向阻断式RC电路。图1—34反向阻断式过电压抑制用RC电路

电力电子技术第一章1.6电力电子器件的保护1.6.2过电流保护

电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情况。其中采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器是较为常用的措施。通常，电子电路作为第一保护措施，快速熔断器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。图1—35过电流