典型全控型器件

1、1典型全控型器件典型全控型器件 1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 1.4.2 电力晶体管电力晶体管 1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.42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，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。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。典型全控型器件典型全控型器件1.43门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off

2、 Thyristor GTO） 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，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用1.4.141. GTO1. GTO的结构和工作原理的结构和工作原理结构：结构： 与普通晶闸管的相同点相同点： 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。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号

3、 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) 电气图形符号门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.1幻灯片 125工作原理：工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)图1-7 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+21时，两个等效晶体管过饱和而使器件导通；当1+21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1和2。门极可关断晶闸管门

4、极可关断晶闸管1.4.16GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别区别：门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.1 （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 。RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )图1-7 晶闸管的工作原理7由上述分析我们可以得到以下结论结论： GT

5、O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+21时，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快，承受di/dt能力强 。门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.182. GTO的动态的动态特性特性开通过程：开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。Ot0t图1-14iGiAIA90% IA10% IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 图1-14 GT

6、O的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.19关断过程：关断过程：与普通晶闸管有所不同 抽取饱和导通时储存的大量载流子储存时间储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小下降时间下降时间tf 。 残存载流子复合尾部尾部时间时间tt 。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，ts越短。 门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍保持适当负电压，则可缩短尾部时间 。Ot0t图1-14iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 GTO的开通

7、和关断过程电流波形门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.1103. 3. GTO的主要参数的主要参数门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.1 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。关断时间关断时间toff 开通时间开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。11最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO门极可关断晶

8、闸管门极可关断晶闸管1.4.1 电流关断增益电流关断增益 offGMATOoffII=（1-8） off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 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。12术语用法：术语用法： 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。 应用应用 20

9、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。电力晶体管电力晶体管1.4.2131. GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图 1 - 1 5a)基 极 bP 基 区N 漂 移 区N+衬 底基 极 b 发 射 极 c集 电 极 cP+P+N+b )bec空 穴 流电子流c)EbEcibic=ibie= (1 + ib图1-15 GTR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) 内部载流子的流动电力晶体管电力晶体管1.4.2 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

10、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 。幻灯片 2214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 （1-9） GTR的电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （1-10）产品说明书中通常给直流电流增益hFE在直流工作情况下集电极电流与基极电流之比。一般可认为 hFE 。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。电力晶体管电力晶体管1.4.2b

11、cii=15 2. GTR的基本特性的基本特性 (1) 静态特性静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区截止区、放大区放大区和饱和区饱和区。 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。截止区放大区饱和区图1-16OIcib3ib2ib1ib1ib2 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。电力晶体管电力晶体管1.4.219 2) 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic实际使用时要留有裕量，

12、只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率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 。电力晶体管电力晶体管1.4.2204. GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区一次击穿一次击穿 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 。电力晶体管电力晶体管1.4.221安全工作区（

13、安全工作区（Safe Operating AreaSOA） 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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图1-18 GTR的安全工作区电力晶体管电力晶体管1.4.222也分为结型结型和绝缘栅型绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSI

14、T）电力场效应晶体管电力场效应晶体管 特点特点用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。1.4.3231. 电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道沟道和N沟道沟道 耗尽型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沟道增强沟道增强型型电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.324电力电力MO

15、SFET的结构的结构电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.3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。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。电力MOSFET的多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。 国际整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六边形单元 西门子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形单元 摩托罗拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形单元按“品”字形排列 N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号

16、25小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.326 电力电力MOSFET的工作原理的工作原理 截止：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电

17、：导电：在栅源极间加正电压UGS 栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。 当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.3绝缘栅双极晶体管271) 静态特性静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOS

18、FET的转转移特性。移特性。ID较大时，ID与与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导跨导Gfs。01020305040图1-202468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图1-20 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性2. 电力电力MOSFET的基本特性的基本特性电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.328MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性： 截止区截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区饱和区

19、（对应于GTR的放大区） 非饱和区非饱和区（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。01020305040图1-202468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性电力场效应晶体管电力场效

20、应晶体管1.4.329 2) 动态特性动态特性开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间td(on) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。上升时间上升时间tr uGS从从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。开通时间开通时间ton开通延迟时间与上升时间之和。a）b)图1-21RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21

21、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检测漏极电流电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.330关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间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。下降时间下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS20V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： 334) 极间电容极间电容 极间电容CGS、CGD和CDS 厂家提供：漏源极短路时的

22、输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容CrssCiss= CGS+ CGD （1-14）Crss= CGD （1-15）Coss= CDS+ CGD （1-16） 输入电容可近似用Ciss代替。 这些电容都是非线性的。 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。 一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。 实际使用中仍应注意留适当的裕量。电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.334绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 GTR和和GTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力

23、很强，开关速度较低，所需驱通流能力很强，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。 1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电

24、子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。1.4.4351. IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极 栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1-22 IGBT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) 电气图形符号绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.436IGBT的结构的结构 图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT） I

25、GBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1-22 IGBT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

26、气图形符号绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.437IGBT的原理的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通导通：uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 导通压降导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。 关断关断：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。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4电力电子器件比较.ppt电力电子器件器件的驱动382. IGBT的基本特性的基本特性 1) IGBT的静态特性的静态特性O

27、有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a)b)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加图1-23 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.439转移特性转移特性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26V。输出特性输出特性（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

28、相对应。uCE0时，IGBT为反向阻断工作状态。O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区a )b )ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加图1-23 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.440 2) IGBT的动态特性的动态特性图1-24 IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.441 IGBT

29、的开通过程的开通过程 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 1 0 % ICM 。 电流上升时间电流上升时间tr iC从10%ICM上升至90%ICM所需时间。开通时间开通时间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。tf v 1IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。图1-24 IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEM

30、ICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.442IGBT的关断过程的关断过程 关断延迟时间关断延迟时间td(off) 从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM 。 电流下降时间电流下降时间iC从90%ICM下降至10%ICM 。 关断时间关断时间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。tfi1IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降

31、较慢。图1-24 IGBT的开关过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.443 IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。 IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。 高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4

32、.4 通过对IGBT的基本特性的分析，可以看出：443. IGBT的主要参数的主要参数绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4正常工作温度下允许的最大功耗 。3) 最大集电极功耗最大集电极功耗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) 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES45IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下：绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4(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

33、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 。 464. IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区寄生晶闸管寄生晶闸管由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发 射 极 栅 极集 电 极注 入 区缓 冲 区漂 移 区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1-22

34、 IGBT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) 电气图形符号绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.447擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管1.4.4IGBT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

35、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。48其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 1.5.1 MOS MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT 1.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT 1.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH 1.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT 1.5.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.549MOSMOS控制晶闸管控制晶

36、闸管MCTMCTMCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合 MCT结合了二者的优点： MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。 晶闸管的高电压大电流、低导通压降。 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曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来一度成为研究的热点。但经过十多年的努力，其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。1.5.150静电感应晶体管

37、静电感应晶体管SITSITSIT（Static Induction Transistor）1970年，结型场效应晶体管 小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。 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。 缺点缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。1.5.251静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITHS

38、ITH（Static Induction Thyristor）1972年，又被称为场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）。 比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结， SITH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一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。1.5.352集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCTIGCT（Integrated Gate-Commuta

39、ted Thyristor），也称GCT（Gate-Commutated Thyristor） 20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，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。 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。1.5.453功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻

40、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，称为功率功率 集成电路集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。1.5.554类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。 高压集成电路高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成

41、，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.5.555功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最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。功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路1.5.556电力电子器件器件的驱动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电力电子器件驱动电路概述 1.6.2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 1.6.3 典型全

42、控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1.657电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口 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，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。1.6.1驱动电路的基本任务： 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。58 驱动电路还要提供控制电路

43、与主电路之间的电电气隔离气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器 磁隔离的元件通常是脉冲变压器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图1-25 光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述1.6.159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分，可分为电流驱动型电流驱动型和电压驱动型电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首

44、选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述1.6.160晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路作用作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。1.6.2晶闸管触发电路应满足下列要求晶闸管触发电路应满足下列要求：触发脉冲的宽度宽度应保证晶闸管可靠导通（结合擎住电流擎住电流的概念）。触发脉冲应有足够的幅度。幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠可靠触发区触发区域之内。应有良好的抗干扰抗干扰性能、温度稳定性温度稳定性及与主电路的电气隔离。电气隔离。61V1、V2构成脉冲放

45、大环节脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节 V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设 。ItIMt1t2t3t4图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）图1-27 常见的晶闸管触发电路TMR1R2R3V1V2VD1VD3VD2R4+E1+E2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路1.6.262典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1) GTO GT

46、O的开通控制开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流。 使GTO关断关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。图图1-28推荐的推荐的GTO门极电压电流波形门极电压电流波形OttOuGiG1.6.31. 电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路63GTO驱动电路通常包括开通驱动电路开通驱动电路、关断驱动电路关断驱动电路和门极反偏电路门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式脉冲变压器耦合式和直接直接耦合式耦合式两种类型。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，

47、可得到较陡的脉冲前沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1.6.364典型的直接耦合式GTO驱动电路：5 0 k H z5 0 VG T ON1N2N3C1C3C4C2R1R2R3R4V1V3V2LV D1VD2V D3V D4图1-29 典型的直接耦合式GTO驱动电路 二极管VD1和电容C1提供+5V电压 VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流电路提供+15V电压 VD4和电容C4提供-15V电压 V1开通时，输出正强脉冲 V2开通时输出正脉冲平顶部分 V2关断而V3开通时输出负脉冲 V3关断后R3和R4提供门极负偏压典型全控型器件的驱动

48、电路典型全控型器件的驱动电路1.6.3652) GTR 开 通 驱 动 电 流 应 使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR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，关断后同样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基极驱动电流波形典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1.6.366GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分两部分 二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路贝克箝位电路，也即一种抗抗饱和饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电

49、流全注入V，会使V过饱和。有了贝克箝位电路，当V过饱和使得集电极电位低于基极电位时，VD2会自动导通，使多余的驱动电流流入集电极，维持Ubc0。 C2为加速开通过程的电容。开通时，R5被C2短路。可实现驱动电流的过冲，并增加前沿的陡度，加快开通。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2图1-31GTR的一种驱动电路典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1.6.3672. 电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路栅源间、栅射间有数千皮法的电容，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

50、一般1015V，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（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1.6.3681) 电力电力MOSFET的一种驱动电路： 电气隔离电气隔离和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分 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 。 专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输

51、入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。 A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCC图1-32电力MOSFET的一种驱动电路典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1.6.3692) IGBT的驱动的驱动 多采用专用的混合集成驱动器13故障指示检测端VCC接口电路门极关断电路定时及复位电路检测电路415861413uoVEE81546-10V+15V30V+5VM57962 L14ui1快恢复trr0.2s4.7k 3.1100F100F 常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L

52、和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851） 内部具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT，并向外部电路给出故障信号。 M57962L输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为 -10V。图1-33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路1.6.370电力电子器件器件的保护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过电压的产生及过电压保护 1.7.2 过电流保护过电流保护 1.7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSn

53、ubber Circuit）1.771过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压外因过电压外因过电压和内因内因过电压过电压 外因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1) 操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 (2) 雷击过电压雷击过电压：由雷击引起 内因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)

54、 关断过电压关断过电压：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。 1.7.1 72S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC图1-34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阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路RV压敏电阻过电压抑制器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 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，属于缓冲电路范畴过电压的产生及过电压保护过电压的

55、产生及过电压保护 1.7.1 73外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图1-35。+-+-a )b )网侧阀侧直流侧图 1 - 3 5CaRaCaRaCd cRd cCd cRd cCaRaCaRa图1-35RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相 RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（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流侧。过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护 1.7.1 74大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路电力电子装置过电压抑制电路图1-36C1R1R2C2图1-36反向阻断式过电压抑制用R

56、C电路 保护电路参数计算可参考相关工程手册 其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护 1.7.1 75过电流保护过电流保护过电流过载过载和短路短路两种情况 常用措施（图1-37）负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1-37 快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。 电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在

57、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1-37过电流保护措施及配置位置1.7.276采用快速熔断器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I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t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。过电流保护过电流保护1.7.277快熔对器件的保护方式：全保护全保护和短路保护短路保护两种 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

58、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 。过电流保护过电流保护1.7.278缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）缓冲电路缓冲电路（吸收电路）：吸收电路）：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。 关断缓冲电路关断缓冲电路（du/dt抑制电路）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。 开通缓冲电路开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件

59、开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓复合缓冲电路冲电路。 其他分类法：耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。 通常将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。1.7.379缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析 无缓冲电路： V开通时电流迅速上升，di/dt很大。 关断时du/dt很大，并出现很高的过电压。 有缓冲电路： V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢。 V关断时：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

60、电压。a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a) 电路 b) 波形缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）1.7.380关断时的负载曲线关断时的负载曲线ADCB无缓冲电路有缓冲电路图1-39uCEiCO 图1-39关断时的负载线负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低。缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circu