一章电力电子器件

13一月2024第1章电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2不可控器件——二极管1.3半控型器件——晶闸管1.4典型全控型器件1.5其他新型电力电子器件1.6电力电子器件的驱动1.7电力电子器件的保护1.8电力电子器件的串联和并联使用

13一月2024电子电路的基础———

电子器件电力电子电路的基础———

电力电子器件本章主要内容：电力电子器件的概念、特点和分类等问题。电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。第1章电力电子器件13一月20241）概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）

——直接用于电能的变换或控制主电路。主电路（MainPowerCircuit）

——直接承担电能的变换或控制任务的电路。1.1.1

电力电子器件的概念和特征电力电子器件1.1

电力电子器件概述13一月2024处理电功率的能力大。工作在开关状态。需要信息电子电路控制。功率损耗大。1.1.1电力电子器件的概念和特征2）电力电子器件一般特征：13一月2024通态损耗是器件功率损耗的主要成因。开关频率较高时，开关损耗可能是功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1.1

电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗13一月2024电力电子系统：由控制电路(检测电路、驱动电路、保护电路)和主电路组成。V(Valve阀)图1-1电力电子系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路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电力电子系统组成电气隔离控制电路13一月2024半控型器件（Thyristor）

——控制信号可控制其导通不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET，GTO)——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。不可控器件(PowerDiode)——控制信号不能控制其通断。1.1.3

电力电子器件的分类按器件被控程度，分为三类：13一月2024电流驱动型

——控制端注入或者抽出电流来实现导通或关断。电压驱动型

——电压信号实现导通或者关断。1.1.3

电力电子器件的分类

按驱动信号性质，分为两类：13一月2024单极型双极型复合型

1.1.3

电力电子器件的分类

按参与导电的载流子，分为三类：13一月20241.2

不可控器件—电力二极管整流二极管及模块PowerDiode。应用：整流SR（SemiconductorRectifier)快恢复二极管。应用：中、高频整流和逆变。肖特基二极管。应用：低压高频整流。13一月2024由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。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a)外形b)结构c)符号1.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AKAnodeKathode13一月2024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——基本原理在于单向导电性。

PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿1.2.1PN结与电力二极管的工作原理

PN结的状态13一月2024PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，该效应影响PN结的工作频率。1.2.1PN结与电力二极管的工作原理

PN结电容效应：13一月2024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。图1-4电力二极管的伏安特性1.2.2

电力二极管的基本特性IOIFUTOUFU13一月2024

额定电流——在指定的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。使用时应按电流发热效应有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。1.2.3

电力二极管的主要参数1)

正向平均电流IF(AV)13一月20241.2.3

电力二极管的主要参数

器件电流额定的选择： 工频正弦半波电流: 额定值：IF(AV)=Im/π,有效值：If=Im/2波形系数：Kf=If/IF(AV)=π/2=1.57有效值与额定值关系式：If=1.57IF(AV)13一月20242）正向压降UF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。1.2.3

电力二极管的主要参数13一月20241)普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路正向电流定额和反向电压定额可以达到很高DATASHEET1.2.4

电力二极管的主要类型13一月2024

简称快速二极管trr在5μS以下快恢复外延二极管

（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），trr低于50ns，UF也很低（0.9V左右），反向耐压多在1200V以下。DATASHEET

1

2

31.2.4

电力二极管的主要类型2)、快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）13一月20241.2.4

电力二极管的主要类型3)肖特基二极管(DATASHEET)

以金属和半导体接触形成势垒（SchottkyBarrierDiode——SBD）。优点：trr短（10-40ns)

URRM低，UF低 正向功耗小，动态功耗小缺点：URRM提高，UF也增高 反向漏电流大，温度敏感

13一月20241.3

半控器件—晶闸管

能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大功率的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor),可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）13一月2024图1-6晶闸管a)外形b)结构c)电气图形符号1.3.1

晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装13一月20241.3.1

晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构13一月20241.3.1晶闸管的结构与工作原理图1-7晶闸管a)双晶体管模型b)工作原理13一月20241.3.1

晶闸管的结构与工作原理阻断状态：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。开通状态：

1+

2趋近于1的，IA趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。13一月20241.3.1

晶闸管的结构与工作原理其它可能导通的情况：阳极电压升高造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor—LTT）。13一月20241.3.2

晶闸管的基本特性晶闸管正常工作时的特性总结如下：承受反向电压，不论门极是否有触发电流，晶闸管不导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。DATASHEET13一月20241.3.2晶闸管的基本特性（1）正向特性正向阻断状态。IG=0，器件阳阴两极加正向电压，有很小的正向漏电流。器件开通。正向电压超过正向转折电压Ubo，阳极电流急剧增大，电压减小。门极电流增大，正向转折电压降低。晶闸管正向压降1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG13一月20241.3.2晶闸管的基本特性反向阻断状态时，只有极小的反向漏电。反向击穿后，可能导致晶闸管发热损坏。图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性13一月20241.3.3

晶闸管的主要参数1）电压定额断态重复峰值电压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。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。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。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2-3倍。使用注意：13一月20241.3.3

晶闸管的主要参数通态平均电流IT(AV）在规定条件下允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管，裕度系数1.5-2。维持电流IH

使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流。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阳极电流。通常IL=（2-4）IH。2）电流定额13一月20241.3.3

晶闸管的主要参数

3）动态参数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。可使使晶闸管误导通。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。可能造成局部过热使晶闸管损坏。13一月20241.3.4晶闸管的派生器件1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor—FST)有快速晶闸管（400Hz以上）和高频晶闸管（10kHz以上）。开关时间及du/dt和di/dt有明显改善。高频晶闸管电压和电流定额都不易做高。工作频率较高，不能忽略开关损耗。DATASHEET13一月20241.3.4晶闸管的派生器件2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或BidirectionaltriodeThyristor）图1-10双向晶闸管a)电气图形符号b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管。有两个主电极T1和T2，一个门极G。应用：交流调压、固态继电器SSR（SolidStateRelay)、交流电机调速等有效值表示额定电流。DATASHEET13一月20241.3.4晶闸管的派生器件逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOIIG=0图1-11逆导晶闸管a)电气图形符号b)伏安特性晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上。优点：正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等。13一月20241.3.4晶闸管的派生器件光控晶闸管（LightTriggeredThyristor—LTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-12光控晶闸管a)电气图形符号b)伏安特性特点：主电路与控制电路之间绝缘，可避免电磁干扰。应用：高压大功率场合。13一月20241.4典型全控型器件1.4.1门极可关断晶闸管1.4.2电力晶体管1.4.3电力场效应晶体管1.4.4绝缘栅双极晶体管13一月20241.4典型全控型器件门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。13一月20241.4典型全控型器件常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块13一月20241.4.1

门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。DATASHEET门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）13一月20241.4.1

门极可关断晶闸管结构： 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件(数十个—数百个小GTO并联）。图1-13GTO的内部结构和电气图形符号

a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号1）GTO的结构和工作原理13一月20241.4.1

门极可关断晶闸管GTO门极关断的原因是：设计

2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。导通时

1+

2更接近1，临界饱和，有利门极控制关断。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。图1-7晶闸管的工作原理13一月20241.4.1

门极可关断晶闸管结论：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关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。13一月20241.4.1

门极可关断晶闸管GTO的主要参数

许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，介绍意义不同的参数。13一月20241.4.1

门极可关断晶闸管（1）最大可关断阳极电流IATO（2）电流关断增益

off

off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。——GTO额定电流。

——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。（1-8）13一月20241.4.2电力晶体管电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），也称为PowerBJT。DATASHEET

1

2

20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶 闸管，目前大多被IGBT和电力MOSFET取代。13一月2024耐压高、电流大、开关特性好。单管β通常为10左右，达林顿接法。1.4.2电力晶体管1）GTR的结构和工作原理13一月20241.4.2电力晶体管

(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。电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1<ib2<ib3Uce图1-16共发射极接法时GTR的输出特性2）GTR的基本特性13一月20241.4.2电力晶体管开通过程延迟时间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，增大ib并增大di/dt

。ibIb1Ib2Icsic0090%Ib110%Ib190%Ics10%Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图1-17GTR的开通和关断过程电流波形(2)

动态特性13一月20241.4.2电力晶体管关断过程储存时间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(减小饱和深度增大负电流ib

）。GTR的开关时间在几微秒以内，13一月20241.4.2电力晶体管一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏。

二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件永久损坏，或工作特性明显衰变。3）GTR的二次击穿现象与安全工作区13一月2024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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图1-18GTR的安全工作区1.4.2电力晶体管13一月20241.4.3电力场效应晶体管通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET），简称电力MOSFET（PowerMOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）结型和绝缘栅型13一月20241.4.3电力场效应晶体管电压控制，驱动电路简单，驱动功率小；开关速度快，工作频率高；热稳定性优于GTR；无二次击穿；电流容量小，耐压低，适用于功率不超过10kW的场合.

特点：13一月20241.4.3电力场效应晶体管导电机理与小功率MOS管相同，结构上区别较大;多元集成结构。电力MOSFET的结构

图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号13一月20241.4.3电力场效应晶体管不存在少子储存效应，关断过程迅速；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。开关过程中需对输入电容充放电，需一定的驱动功率。频率越高，需要驱动功率越大。

开关速度13一月20241.4.4

绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor—IGBT）(DATASHEET1

2)GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期取代GTO的地位。

GTR和GTO的特点——双极型，有电导调制效应，通流能力强，开关速度较低，电流驱动，驱动功率大，驱动电路复杂。

MOSFET的优点——单极型，输入阻抗高，热稳定性好，开关速度快，电压驱动，驱动功率小，驱动电路简单。13一月20241.4.4

绝缘栅双极晶体管1)IGBT的结构和工作原理图1-22IGBTa)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号13一月20241.4.4

绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。安全工作区比GTR大，具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比MOSFET低。输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力可进一步提高，同时保持开关频率高的特点。13一月20241.5其他新型电力电子器件1.5.1MOS控制晶闸管MCT1.5.2静电感应晶体管SIT1.5.3静电感应晶闸管SITH1.5.4集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5功率模块与功率集成电路13一月20241.5.1

MOS控制晶闸管MCTMCT结合了二者的优点：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。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET与晶闸管的复合(DATASHEET)13一月20241.5.2静电感应晶体管SIT多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而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。SIT（StaticInductionTransistor）——结型场效应晶体管13一月20241.5.3静电感应晶闸管SITHSITH是两种载流子导电的双极型器件，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（StaticInductionThyristor）——场控晶闸管（FieldControlledThyristor—FCT）13一月20241.5.4集成门极换流晶闸管IGCT20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。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。DATASHEET1

2IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

—GCT（Gate-CommutatedThyristor）13一月20241.5.5

功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期始，模块化趋势，多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。较高工作频率的电路，减小了线路电感，简化了保护和缓冲电路。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（PowerIntegratedCircuit——PIC）。DATASHEET基本概念13一月20241.5.5

功率模块与功率集成电路高压集成电路（HighVoltageIC——HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（SmartPowerIC——SPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块（IntelligentPowerModule——IPM）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13一月20241.5.5

功率模块与功率集成电路功率集成电路的主要技术难点：绝缘问题以及温升和散热的处理。以前主要在中小功率应用场合，近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。

发展现状13一月20241.6

电力电子器件器件的驱动1.6.1电力电子器件驱动电路概述1.6.2晶闸管的触发电路1.6.3典型全控型器件的驱动电路13一月20241.6.1电力电子器件驱动电路概述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。保护措施往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求向电力电子器件施加开通或关断信号。

驱动电路—主电路与控制电路之间的接口13一月20241.6.1电力电子器件驱动电路概述

驱动电路的功能。

隔离、功放、整形。光电隔离：光耦合器图1-25光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型13一月20241.6.1电力电子器件驱动电路概述电流驱动型、电压驱动型。分立元件型，专用集成型。双列直插式集成电路将光耦隔离电路集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选厂家专用集成驱动电路。驱动电路分类13一月20241.6.2晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲。触发电路应满足下列要求：脉冲足够宽脉冲有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。与主电路隔离。注：IGT——在规定的条件下，使Thyristor导通的最小门极电流。tIIMt1t2t3t4图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2

脉冲前沿上升时间（<1

s）t1~t3

强脉宽度IM

强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4

脉冲宽度I

脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）晶闸管触发电路13一月20241.6.2晶闸管的触发电路V1、V2构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。图1-27常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路13一月20241.6.3

全控型器件的驱动电路

(1)GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。GTO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。图1-28推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG1、电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压13一月20241.6.3

全控型器件的驱动电路图1-29典型的直接耦合式GTO驱动电路-15v+15v13一月20241.6.3

全控型器件的驱动电路(2)GTR开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态。关断时，施加一定的负基极电流，有利于减小关断时间和关断损耗。关断后应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib

图1-30理想的GTR基极驱动电流波形13一月20241.6.3

全控型器件的驱动电路GTR的一种驱动电路。图1-31

GTR的一种驱动电路13一月20241.6.3

全控型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般10-15V，使IGBT开通的驱动电压一般15-20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。

2、电压驱动型器件的驱动电路13一月20241.6.3

全控型器件的驱动电路

(1)电力MOSFET的一种驱动电路：图1-32电力MOSFET的一种驱动电路13一月20241.6.3

全控型器件的驱动电路(2)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系列和富士公司的EXB系列。13一月20241.7电力电子器件器件的保护1.7.1过电压的产生及过电压保护1.7.2过电流保护1.7.3缓冲电路13一月20241.7.1过电压的产生及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内因过电压：主要来自电力电子装置器件的开关过程换相过电压关断过电压过电压——外因过电压和内因过电压1