第2章 变频器常用电力电子器件

1、 第二章 变频器常用电力电子器件 2.1 功率二极管（D） 功率二极管的内部是P-N或P-I-N结构 ，图示为功率二极管的电路符号和外形。 a) b) c) 图2-1 功率二极管的符号和外形 a) 功率二极管的符号 b) 螺旋式二极管的外形 c) 平板式二极管的外形 2. 伏安特性 功率二极管的阳极和阴极间的电压和流过管子的电流之间的关系称为伏安特性，其伏安特性曲线如图所示。 正向特性：当从零逐渐增大正向电压时，开始阳极电流很小，当正向电压大于0.5V时，正向阳极电流急剧上升，管子正向导通。 反向特性：当二极管加上反向电压 时，起始段的反向漏电流也很小，而且 随着反向电压增加，反向漏电流只略有

2、 增大，但当反向电压增加到反向不重复 峰值电压值时，反向漏电流开始急剧增 加。 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置 a) 零偏置转换为正向偏置 动态特性 因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是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。 在关断之前有较大的反

3、向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 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： tf /td，或称恢复系 数，用Sr表示。t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻重点重点 2.1.2 2.1.2 主要参数主要参数1. 额定正向平均电流IF 在规定的环境温度和标准散热条件下，元件所允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值。 2. 反向重复峰值电压URRM 在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM。 3. 正向平均

4、电压UF 在规定环境温度和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值 2.1.3 2.1.3 功率二极管的选用功率二极管的选用 1. 选择额定正向平均电流IF 的原则 IDn = 1.57 IF =(1.52) IDM 2. 选择额定电压URRM 的原则 URRM =（23）UDM 57. 1)25 . 1 (DMFII 2.1.2.1.4 4 功率二极管的分类功率二极管的分类 功率二极管一般分为三类： (1)标准或慢速恢复二极管； (2)快速恢复二极管； (3)自特基二极管。 2.2 2.2 晶闸管（晶闸管（SCRSCR） 2.2.1 2.2

5、.1 晶闸管的结构晶闸管的结构 晶闸管是四层（P1N1P2N2）三端（A、K、G）器件，其内部结构和等效电路如图所示。 a) b) c) 图2-3 晶闸管的内部结构及等效电路 a) 芯片内部结构 b) 以三个PN结等效 c) 以互补三极管等效 晶闸管的外形及符号晶闸管的外形及符号 a) b) c) 图2-4 晶闸管的外形及符号 a) 晶闸管的符号 b）螺栓式外形 b）带有散热器平板式外形 2.2.2 晶闸管的导通和关断控制晶闸管的导通和关断控制 晶闸管的导通控制： 在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极间也加正向电压形成触发电流，即可使晶闸管导通。导通的晶闸管的关断控制： 令门

6、极电流为零，且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。 2.2.3 晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。 图2-5 晶闸管的阳极伏安特性 2.2.4 晶闸管的参数晶闸管的参数 1. 正向断态重复峰值电压DRM 2. 反向重复峰值电压RRM 3. 通态平均电压T(AV) 4. 晶闸管的额定电流T(v) 5. 维持电流H 6. 擎住电流L 2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数晶闸管的门极伏安特性及主要参数 1. 门极伏安特性 门极伏安特性是指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结，所以电压与

7、电流的关系和普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线如图2-6所示。 图2-6 2. 门极主要参数门极主要参数 （1）门极不触发电压）门极不触发电压GD和门极不触发电流和门极不触发电流GD （2）门极触发电压）门极触发电压GT和门极触发电流和门极触发电流GT （3）门极正向峰值电压）门极正向峰值电压GM、门极正向峰值电流、门极正向峰值电流 GM和门极峰值功率和门极峰值功率GM 2.2.6 2.2.6 晶闸管触发电路晶闸管触发电路1.1.晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求 触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度；触发脉冲应具有足够的功率和一定的宽度； 触发脉冲与主电路电源电压必须同步；

8、触发脉冲与主电路电源电压必须同步； 触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。触发脉冲的移相范围应满足变流装置提出的要求。2. 触发电路的分类触发电路的分类 依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路； 依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路； 依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。依同步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。 2. 2. 触发电路的分类触发电路的分类 触发电路可按不同的方式分类，依控制方式可分为相控式、斩控式触发电路；依控制信号性质可分为模拟式、数字式触发电路；依同

9、步电压形成可分为正弦波同步、锯齿波同步触发电路等。 2.2.7 2.2.7 晶闸管的保护晶闸管的保护 1.晶闸管的过电流保护 1) 快速熔断器保护 (见下图） 2）过电流继电器保护。过电流继电器可安装在交流侧或直流侧。 3）限流与脉冲移相保护。 2. 2. 晶闸管过电压保护晶闸管过电压保护 晶闸管过电压产生的原因主要有：关断过电压、操作过电压和浪涌过电压等。对过电压的保护方式主要是接入阻容吸收电路、硒堆或压敏电阻等。图2-8为交流侧接入阻容吸收电路的几种方法。硒堆或压敏电阻的联结方法与此相同。 交流侧接入阻容吸收电路的几种方法交流侧接入阻容吸收电路的几种方法 图图2-82-8 2.3 2.3

10、门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO） 2.3.1 GTO的结构的结构 GTO的结构也是四层三端器件 a) b) 图2-9 GTO的结构与符号 a) GTO的结构剖面 b) 图形符号 2.3.2 2.3.2 GTOGTO的主要参数的主要参数 1. 1. 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流TOTO 通常将最大可关断阳极电流通常将最大可关断阳极电流TO作为作为GTOGTO的额定电流。的额定电流。2. 2. 关断增益关断增益off 关断增益关断增益off为最大可关断阳极电流为最大可关断阳极电流ATOATO与门极负电流与门极负电流最大值最大值GMGM之比，其表达式为之比，其表达式为 of

11、f ATO/GM offoff比晶体管的电流放大系数比晶体管的电流放大系数小得多，一般只有左小得多，一般只有左右。右。 2.3.3 2.3.3 GTOGTO的门极控制的门极控制 GTO桥式门极驱动电路的工作原理是：当V1与V2饱和导通时，形成门极正向触发电流，使GTO导通；当触发VT1、VT2这两只普通晶闸管导通时，形成较大的门极反向电流，使GTO关断。 GTO桥式门极驱动电路 2.3.4 GTO的缓冲电路的缓冲电路 图2-13 GTO斩波器及其保护电路 图中R、L为负载，VD为续流二极管， LA是GTO导通瞬间限制didt的电感。RsCs和VDs组成了缓冲电路。 GTO的阳极电路串联一定数值

12、的电感L来限制didt 。 2.4 2.4 功率晶体管（功率晶体管（GTRGTR） 2.4.1 2.4.1 GTRGTR的结构的结构 a) b) c) a) b) c)图图2-14 2-14 GTR GTR 摸块摸块a) GTRa) GTR的结构示意图的结构示意图 b)GTRb)GTR摸块的外形摸块的外形c) GTRc) GTR摸块的等效电路摸块的等效电路 2.4.2 2.4.2 GTRGTR的参数的参数 (1) UCEO：既基极开路CE间能承受的电压。 (2) 最大电流额定值ICM ： (3) 最大功耗额定值PCM （4）开通时间ton：包括延迟时间td和上升时间tr。（5）关断时间off：

13、包括存储时间s和下降时间f 。 2.4.3 二次击穿现象二次击穿现象 当集电极电压UCE逐渐增加，到达某一数值时，如上述UCEO，IC剧增加，出现击穿现象。首先出现的击穿现象称为一次击穿，这种击穿是正常的雪崩击穿。这一击穿可用外接串联电阻的办法加以控制，只要适当限制晶体管的电流(或功耗)，流过结的反向电流不会太大，进入击穿区的时间不长，一次击穿具有可逆性，一般不会引起晶体管的特性变坏。但是，一次击穿出现后若继续增大偏压UCE，而外接限流电阻又不变，反向电流IC 将继续增大，此时若GTR仍在工作，GTR的工作状态将迅速出现大电流，并在极短的时间内，使器件内出现明显的电流集中和过热点。电流急剧增长

14、，此现象便称为二次击穿。一旦发生二次击穿，轻者使GTR电压降低、特性变差，重者使集电结和发射结熔通，使晶体管受到永久性损坏。 2.4.2.4.4 GTR4 GTR的驱动电路的驱动电路 抗饱和恒流驱动电路抗饱和恒流驱动电路 图2-16 抗饱和恒流驱动电路 2.4.5 GTR的缓冲电路的缓冲电路 缓冲电路也称为吸收电路，它是指在缓冲电路也称为吸收电路，它是指在GTR电极上附加的电路，通常由电阻、电电极上附加的电路，通常由电阻、电容、电感及二极管组成，如图容、电感及二极管组成，如图2-17所示为所示为缓冲电路之一。缓冲电路之一。 图2-17 GTR的缓冲电路2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管分

15、为分为结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中，但通常主要指绝缘栅型中的的MOS型（型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简简称电力称电力MOSFET（Power MOSFET）。）。电力电力MOSFET是用是用栅极栅极电压来控制电压来控制漏极漏极电流的，它电流的，它的特点的特点有： 驱动电路简单，需要的驱动功率小。驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，多用于功率不超过电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。的电力电子装置。 2.5电力

16、场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力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 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道和沟道和N沟道。沟道。 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为道的称为耗尽型耗尽型。 对于对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为）零时才存在导电沟道的称为增强型增强型。 在电力在电力MOSFET中，主要是中，主要是N沟道增强型沟道增强型。 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构 是是单极单极型晶

17、体管。型晶体管。 结构上与小功率结构上与小功率MOSMOS管有较大区管有较大区别，小功率别，小功率MOSMOS管是管是横向横向导电器件，而导电器件，而目前电力目前电力MOSFETMOSFET大都采用了大都采用了垂直垂直导电导电结构，所以又称为结构，所以又称为VMOSFETVMOSFET（Vertical Vertical MOSFETMOSFET），这大大提高了），这大大提高了MOSFETMOSFET器器件的件的耐压耐压和和耐电流耐电流能力。能力。 按垂直导电结构的差异，分为利用按垂直导电结构的差异，分为利用 V V型槽实现垂直导电的型槽实现垂直导电的VVMOSFETVVMOSFET （Ver

18、tical V-groove MOSFETVertical V-groove MOSFET）和具有和具有垂直导电双扩散垂直导电双扩散MOSMOS结构的结构的DMOSFETDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFETVertical Double-diffused MOSFET）。 电力电力MOSFETMOSFET也是也是多元集成多元集成结构。结构。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图2-20 电力MOSFET的结构 和电气图形符号内部结构断面示意图 b) 电气图形符号2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力

19、MOSFET的工作原理的工作原理 截止：当截止：当漏源漏源极间接正电压，极间接正电压，栅极栅极和和源极源极间电压为间电压为零零时，时，P基区与基区与N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PN结结J1反偏反偏，漏源极之间，漏源极之间无电流流过。无电流流过。 导通导通 在在栅极栅极和和源极源极之间加一之间加一正电压正电压UGS，正电压会将其下面，正电压会将其下面P区区中的空穴推开，而将中的空穴推开，而将P区中的少子区中的少子电子吸引到栅极下面的电子吸引到栅极下面的P区表面。区表面。 当当UGS大于某一电压值大于某一电压值UT时，使时，使P型半导体反型成型半导体反型成N型半导型半导体，该体，该反型层反型

20、层形成形成N沟道而使沟道而使PN结结J1消失，漏极和源极导电消失，漏极和源极导电。 UT称为称为开启电压（或阈值电压）开启电压（或阈值电压），UGS超过超过UT越多，导电越多，导电能力越强，漏极电流能力越强，漏极电流ID越大。越大。 电力电力MOSFET的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 转移特性转移特性 指漏极电流指漏极电流ID和栅源间电压和栅源间电压 UGS的关系，反映了输入电压和输的关系，反映了输入电压和输 出电流的关系出电流的关系 。 ID较大时，较大时，ID与与UGS的关系近似的关系近似 线性，曲线的斜率被定义为线性，曲线的斜率被定义为 MOSFET的的跨导跨导Gfs，即，即 2

21、.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管GSDfsddUIG 图2-21 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性(2-11) 是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管输出特性 是MOSFET的漏极伏安特性。 截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。通态电阻具有正

22、温度系数，对器件并联时的均流有利。 图2-21 电力MOSFET的转移特性和输出特性 b) 输出特性感性负载开关模型开通过程关断过程动态特性动态特性开通过程开通过程 开通延迟阶段，电源通过RGATE给CGS充电； 门极电压充到VTH，进入线性区，漏极电流随VGS线性增大到最大值，而这时VDS不变； ID不变，VGS进入Miller平台，保持基本不变，VDS开始下降，直到0。 Miller平台结束后，VGS继续充电到电源电压。关断过程关断过程2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管不存在不存在少子储存效应少子储存效应，因而其关断过程是，因而其关断过程是非常迅速的。非常迅速的。开关时间在开关时间在

23、10100ns之间，其工作频率可之间，其工作频率可达达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高以上，是主要电力电子器件中最高的。的。在开关过程中需要对输入电容充放电，仍在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的需要一定的驱动功率驱动功率，开关频率越高，所需，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。要的驱动功率越大。 2.5 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的主要参数的主要参数 跨导跨导Gfs、开启电压、开启电压UT以及开关过程中的各以及开关过程中的各时间参数时间参数。 漏极电压漏极电压UDS 标称电力标称电力MOSFET电压定额的参数。电压定额的参数。 漏极直流电流漏极直

24、流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM 标称电力标称电力MOSFET电流定额的参数。电流定额的参数。 栅源电压栅源电压UGS 栅源之间的绝缘层很薄，栅源之间的绝缘层很薄， UGS 20V将导致绝缘层击将导致绝缘层击穿。穿。 极间电容极间电容 CGS、CGD和和CDS。 漏源间的漏源间的耐压耐压、漏极最大允许、漏极最大允许电流电流和最大和最大耗散功率耗散功率决决定了电力定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。 2.6绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理 IGBT的结构的结构 是三端器件，具有是三端器件，具有栅极栅极G、 集电极集电极C和和

25、发射极发射极E。 由由N沟道沟道VDMOSFET与与双双 极型晶体管极型晶体管组合而成的组合而成的IGBT， 比比VDMOSFET多一层多一层P+注入注入 区，实现对漂移区电导率进行调区，实现对漂移区电导率进行调 制，使得制，使得IGBT具有很强的具有很强的通流通流 能力。能力。 简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBT 是用是用GTR与与MOSFET组成的组成的达达 林顿林顿结构，相当于一个由结构，相当于一个由 MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶晶 体管。体管。 图2-23 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

26、号RN为晶体管基区内的调制电阻。 2.6.2 2.6.2 IGBTIGBT的基本特性的基本特性 1) 传输特性 2) 输出特性 2.6.3 2.6.3 IGBTIGBT的主要参数的主要参数 1)集电极-发射极额定电压UCES 2)栅极-发射极额定电压UGES 3)额定集电极电流IC， 4)集电极-发射极饱和电压UEC(sat) 5)开关频率 2.6.4 2.6.4 IGBTIGBT的驱动电路的驱动电路 1) 驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2) 用内阻小的驱动源对栅极电容充放电。3) 驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4) 驱动电平+UGE的选择必须综合考虑。 5) 在关断过程中，应施加

27、一负偏压UGE。6) 在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短， 以确保IGBT的安全。 7) 驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。 2.7 集成门极换流晶闸管（IGCT） 2.7.1 IGCT的结构的结构与工作原理与工作原理1.1.结构结构 a） b） 图2-25GTO、GCT的结构图 图2-26 IGCT的符号 a）GTO的结构图b） GCT的结构图 2. IGCT的工作原理 IGCT的导通原理与GTO完全一样，但关断原理与GTO完全不同，在GCT的关断过程中，GCT能瞬间从导通转到阻断状态，变成一个PNP晶体管以后再关断，所以它不受外加电压变化率du/dt限制；而GTO必须经过一个既

28、非导通又非关断的中间不稳定状态进行转换，所以GTO需要很大的吸收电路来抑制外加电压变化率du/dt。阻断状态下GCT的等效电路可认为是一个基极开路、低增益PNP晶体管与门极电源的串联电路。 2.7.2 IGCT的特点 （1）缓冲层（2）透明阳极 （3）逆导技术 （4）门极驱动技术 2.8 智能功率模块(1PM) 2.8.1 IPM的结构 IPM智能功率模块内部基本结构图 2.8.2 IPM的主要特点的主要特点 IPM 内含驱动电路，可以按最佳的IGBT驱动条件进行设定；IPM内含过流（OC）保护、短路（SC）保护，使检测功耗小、灵敏、准确；IPM内含欠电压（UV）保护，当控制电源电压小于规定值时进行保护；IPM内含过热（OH）保护，可以防止IGBT和续流二极管过热，在IGBT内部的绝缘基板上设