第二章电力电子器件

1、电力电子技术电力电子技术第二章第二章 电力电子器件电力电子器件 电力电子器件是电力电子技术的核心。掌握各种常用电力电子器件是电力电子技术的核心。掌握各种常用电力电子器件的特点和正确的使用方法是我们学好电力电电力电子器件的特点和正确的使用方法是我们学好电力电子技术的基础。子技术的基础。 本章将学习各种常用器件的本章将学习各种常用器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主主要参数要参数和和选择选择。 电力电子技术电力电子技术2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1. 概念概念主电路（主电路（Main Power Circuit） 在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或

2、控制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。任务的电路。电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device) ) 直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的直接用于处理电能主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。电子器件。2. 分类分类电真空器件电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已（汞弧整流器、闸流管等，已逐步被半导体器件取代）逐步被半导体器件取代）半导体器件半导体器件（目前所指电力电子器件，采（目前所指电力电子器件，采用材料仍然是硅）用材料仍然是硅） 2.1 电力电子器件的概述电力电子器件的概述电力电子技术电力电子技术电力电子器件是功率半导

3、体器件电力电子器件是功率半导体器件1) 承载的电压、电流定额高承载的电压、电流定额高 电力电子器件所能处理电功率电力电子器件所能处理电功率的大小是其最重要的参数。其处理电功率的能力一般远大的大小是其最重要的参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电子器件。于处理信息的电子器件。2) 一般都工作在开关状态一般都工作在开关状态 因处理电功率较大，为了减小本身因处理电功率较大，为了减小本身的损耗、提高效率，一般都工作在开关状态。的损耗、提高效率，一般都工作在开关状态。3) 需驱动电路需驱动电路 电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控制。由于电力电子器

4、件所处理的电功率较大，所以电路来控制。由于电力电子器件所处理的电功率较大，所以需要驱动电路。需要驱动电路。4) 需安装散热器需安装散热器 电力电子器件尽管工作在开关状态，但是电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，为保证不至于自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，为保证不至于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在器件封装上因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在器件封装上要考虑散热设计，且工作时一般都还需要安装散热器。要考虑散热设计，且工作时一般都还需要安装散热器。3. 特征特征电力电子技术电力电子技术2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电

5、子器件的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子电路电力电子系统电力电子系统由控制电路、驱动电由控制电路、驱动电路、电力电子器件为路、电力电子器件为核心的核心的主电路主电路组成组成控制电路控制电路（Control CircuitControl Circuit）按系统的工作要求形成）按系统的工作要求形成控控制信号制信号（Control SignalControl Signal），通过），通过驱动电路驱动电路（Driving Driving CircuitCircuit）去控制）去控制主电路主电路（Main CircuitMain Circui

6、t）中电力电子器）中电力电子器件的件的通或断通或断（Turn-on or Turn-offTurn-on or Turn-off），来完成整个系统），来完成整个系统的功能。的功能。电力电子技术电力电子技术导通导通主电路中主电路中电力电子器件电力电子器件关断关断检测电路、驱动电路以外的电路检测电路、驱动电路以外的电路控制电路控制电路由信息电路组成由信息电路组成控制电控制电路路主电路主电路 电力电子系统电力电子系统检测电检测电路路检测主电路或应用现场信号检测主电路或应用现场信号通过驱动电路通过驱动电路控制控制电力电子技术电力电子技术2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类1. 按照电力电子

7、器件能够被控制电路信号所控制的程按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度分为以下三类度分为以下三类半控型器半控型器件件全控型器件全控型器件通过控制信号可控制通过控制信号可控制其导通而其导通而不能不能控制其关断控制其关断晶闸管晶闸管及其派生器件及其派生器件关关 断断主主电电路路电电流流电电压压通过控制信号即可控制通过控制信号即可控制其导通又其导通又能能控制其关断控制其关断电力晶体管电力晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管自关断器件自关断器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管处理兆瓦级处理兆瓦级大功率电能大功率电能电力电子技术电力电子技术不能不能用用控制信号控

8、制控制信号控制其通断，其通断，不需要不需要驱动电路驱动电路电力二极电力二极管管不可控器件：不可控器件：主主电电路路通通 断断电电流流电电压压只有两个端子只有两个端子2. 按照驱动电路加在按照驱动电路加在电力电子电力电子器件控制端和公共端器件控制端和公共端之间信号的性质分为两类之间信号的性质分为两类电流驱动型电流驱动型电压驱动型电压驱动型控控制制端端通通 断断注注入入电电流流 抽抽出出电电流流电压信号电压信号公公共共端端控控制制端端电力电子技术电力电子技术3. 根据驱动电路加在根据驱动电路加在电力电子电力电子器件控制端和公共端器件控制端和公共端之间有效信号的波形分为两类之间有效信号的波形分为两类

9、脉冲触发型：脉冲触发型：通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或关断的控制。器件的开通或关断的控制。电平控制型：电平控制型：必须通过持续在控制端和公共端施加一定电平的电压必须通过持续在控制端和公共端施加一定电平的电压或电流的信号来使器件的开通并维持导通或关断状态。或电流的信号来使器件的开通并维持导通或关断状态。电力电子技术电力电子技术4. 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：分为三类：单极型器件单极型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件双极型器双

10、极型器件件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器复合型器件件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件电力电子技术电力电子技术MCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（图1-42GTR电力电子器件分类树电力电子器件分类树电力电子技术电力电子技术2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点电力电子器件电力电子器件选择、使用时选择、使用时注意的问题注意的问题 工作原理工作原理基本特征基本特征主要参数主要参数特征曲线特征曲

11、线电力电子技术电力电子技术2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管逐步逐步取代取代结构和原理简单结构和原理简单工作可靠工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管电力二极管（半导体整流器）（半导体整流器）2020世纪世纪5050年年初获得应用初获得应用汞弧汞弧整流器整流器应用应用快恢复二极管快恢复二极管肖特基二极管肖特基二极管中、高频整流逆变中、高频整流逆变低压高频整流低压高频整流电力电子技术电力电子技术内部结构：一个内部结构：一个PN结。结。 由一个面积较大的由一个面积较大的PN结结和两端引线以及封装组和两端引线以及封装组成。成。2.2.1 PN结与电力

12、二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理结构：外形有结构：外形有两种：螺栓型、平板型。两种：螺栓型、平板型。基本结构和工作原理与基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极信息电子电路中的二极管一样。管一样。电导调制效应电导调制效应使电力二极管在正向电流较大时压降维持在使电力二极管在正向电流较大时压降维持在1V左右。左右。电力电子技术电力电子技术主要指其伏安特性伏安特性l门槛电压门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。l与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降正向电压降UF 。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。电力二极管的伏安特性1) 静态特性静态特性IOIFU

13、TOUFU2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性电力电子技术电力电子技术2) 动态特性动态特性 二极管的电压二极管的电压- -电流特性随时电流特性随时间变化的间变化的 结电容的存在结电容的存在b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt 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延迟时间：延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟恢复特性的软度：下降时间

14、与延迟时间时间 的比值的比值tf /td，或称恢复系数，或称恢复系数，用用Sr表示。表示。电力电子技术电力电子技术2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1. 正向平均电流正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波最大工频正弦半波电流的平均值电流的平均值。 正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的有效值相等的原则原则选取电力二极管的电流额定，应留有一定的裕量。选取电力二极管的电流额定，应留有一定的裕量。 当用在频率较高的的场合，其开关损

15、耗也不能忽略。当用在频率较高的的场合，其开关损耗也不能忽略。 当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造成的发热效应当采用反向漏电流较大的电力二极管，其断态损耗造成的发热效应也不小。也不小。2. 正向压降正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。电力电子技术电力电子技术6. 浪涌电流浪涌电流IFSM 电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。过电流。4. 最高工作结温最高工作结温TJM 在在PNPN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温结不受损坏的前提下

16、，二极管所能承受的最高平均温度。一般在度。一般在125-175125-175范围内。范围内。5. 反向恢复时间反向恢复时间trr二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间。3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压电力电子技术电力电子技术2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 普通二极管，快速恢复二极管，肖特基二极管。普通二极管，快速恢复二极管，肖特基二极管。 5s以上以上5s以下以下10-40ns肖特基二极管的弱点肖特基二极管的弱

17、点 当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于此多用于200V以下。以下。 反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。略，而且必须更严格地限制其工作温度。电力电子技术电力电子技术2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 晶闸管晶闸管(Thyristor)是硅晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器是硅晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器SCR（Silicon Controlled Rectifier）, 以前又简称可控硅。以前又简称可控硅。 由

18、于其开通时刻可以控制，因此大大扩展了半导体器件功率控制的范由于其开通时刻可以控制，因此大大扩展了半导体器件功率控制的范围。其后，以晶闸管为核心形成对电力处理的电力电子技术围。其后，以晶闸管为核心形成对电力处理的电力电子技术,其发展特点是其发展特点是晶闸管的派生器件越来越多晶闸管的派生器件越来越多,功率越来越大功率越来越大,性能越来越好，已形成了一个晶性能越来越好，已形成了一个晶闸管大家族。包括闸管大家族。包括普通晶闸管普通晶闸管(Conventional Thyristor)、快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching Thyristor) 、逆导晶闸管逆导晶闸管(Reverse Co

19、nducting Thyristor)、双向晶双向晶闸管闸管(Bidirection Thyristor或或Triode AC Switch)、门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(Gate Turn Off Thyristor)和和光控晶闸管光控晶闸管(Light Triggered Thyristor)。电力电子技术电力电子技术2.3.1. 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 1. 外形外形 三个电极：阴极、阳极、门极。三个电极：阴极、阳极、门极。螺栓式螺栓式只阳极带散热只阳极带散热器器易安装更换易安装更换 散热性差散热性差 额定电流小额定电流小于于200A 平板式平板式阴和阳极都带

20、阴和阳极都带散热器散热器 更换麻烦更换麻烦 散热效果好散热效果好 一般用于一般用于200A以上以上 电力电子技术电力电子技术A（阳极）（阳极）P1P2N1三三 个个 PN结结N2四四 层层 半半 导导 体体K（阴极）（阴极）G（控制极）（控制极）2. 内部结构内部结构 PNPN四层四层电力电子技术电力电子技术3. 晶闸管的单向可控导电性晶闸管的单向可控导电性 实验实验(1) A(-)G(0): 晶闸管关断晶闸管关断, 灯灭灯灭. G(+):同上。同上。 G(-): 同上同上 。 (2) A(+)G(0): 同上同上 G(-): 同上。同上。 G(+): 晶闸管导通晶闸管导通, 灯亮。灯亮。 (

21、3) 断开门极或断开门极或G(-): 灯仍亮。灯仍亮。 (4)去掉阳极电压：晶闸管关断，灯灭。去掉阳极电压：晶闸管关断，灯灭。 结论：结论：晶闸管具有单向可控导电性，且一旦导通，门极便失去作用。晶闸管具有单向可控导电性，且一旦导通，门极便失去作用。电力电子技术电力电子技术晶闸管导通、关断的条件晶闸管导通、关断的条件 ：关断条件关断条件: 使流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通使流过晶闸管的电流小于保持晶闸管导通的最小电流的最小电流, 即维持电流即维持电流IH。关断方法关断方法: (1)切断切断EA (2)加反向加反向EA (3)降低降低EA。导通条件导通条件:(1) 要有适当的正向阳极电压要有适

22、当的正向阳极电压(EA) (2) 要有适当的正向门极电压要有适当的正向门极电压(EG)。电力电子技术电力电子技术4. 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 晶闸管的等效电路晶闸管的等效电路 电力电子技术电力电子技术 工作原理工作原理 Ib1=Ic2, (IG)+Ic1=Ib2。形成强烈正反馈：形成强烈正反馈：IG Ib2 Ic2（=2Ib2） =Ib1 Ic1(=1Ib1) 设设1和和2 分别是两管的共基极电流增益分别是两管的共基极电流增益, ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。c2c1AIIIGAKIIICBO11c1IIIACBO2K2c2III21

23、CBO2CBO1G2A1IIII推出：推出：电力电子技术电力电子技术说明：说明： (1) 正向阻断正向阻断 ：晶闸管加正向电压晶闸管加正向电压EA， 但但IG=0，此时正向漏电流，此时正向漏电流 ICBO1 和和ICBO2很小很小, 所以所以1+20 ，UBC 0，GTR处于饱和状态。集射极之间阻抗处于饱和状态。集射极之间阻抗很小，其特征用很小，其特征用GTR的饱和压降的饱和压降UCES来表征。来表征。 GTR截止时截止时：基极输入反向电压或零时，：基极输入反向电压或零时，UBE 0、UBC BUcex BUces BUcer BUceo 集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM 直流电流放

24、大系数直流电流放大系数hFE下降到规定值得下降到规定值得1/21/3时，所对应的时，所对应的Ic为集电为集电流最大允许电流。实际使用时要留有裕量，只能用到流最大允许电流。实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或的一半或稍多一点稍多一点 4. 主要参数主要参数功耗参数功耗参数 ：集电极最大耗散功率：集电极最大耗散功率PCM ；导通损耗；导通损耗PON ；开关损；开关损耗耗PSW ；二次击穿功耗；二次击穿功耗PSB 。 电力电子技术电力电子技术5. 安全工作区安全工作区二次击穿二次击穿，是指，是指GTR发生一次击穿后电流不断发生一次击穿后电流不断增加，在某一点产生向低阻抗区高速移动的增加，在某

25、一点产生向低阻抗区高速移动的负负阻阻现象，用符号现象，用符号S/B表示。常常立即导致器件的表示。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变永久损坏，或者工作特性明显衰变 一次击穿：一次击穿：集电极电压升高到击穿集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象。先出现的雪崩击穿的现象。一次击穿后只要一次击穿后只要IcIc不要超过最大允不要超过最大允许耗散功率相对应的限度，许耗散功率相对应的限度， GTRGTR一一般不会损坏般不会损坏Ic增大到某个临增大到某个临界点突然急剧界点突然急剧上升，电压突上升，电压突然下降的现象然下降的现象电力电

26、子技术电力电子技术安全工作区安全工作区由最高工作电压由最高工作电压UCEM 、集电、集电极最大允许电流极最大允许电流ICM 、最大耗散功率、最大耗散功率PCM 和二次击穿功耗和二次击穿功耗PSB 构成。构成。应用特点应用特点：具有大功率、高反压，：具有大功率、高反压，开开关时间短关时间短（工作频率（工作频率10kHz以下）、以下）、饱和压降低和安全工作区宽等优点。饱和压降低和安全工作区宽等优点。属电流控制型，因此，所需属电流控制型，因此，所需驱动功率驱动功率大大。容量中等容量中等。被广泛用于交流电机。被广泛用于交流电机调速、不停电电源和中频电源等电力调速、不停电电源和中频电源等电力变流装置中。

27、变流装置中。电力电子技术电力电子技术 也分为也分为结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型 通常主要指通常主要指绝缘栅型绝缘栅型中的中的MOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称），简称 电力电力MOSFET（Power MOSFET），），也称功率也称功率场效应晶体管。场效应晶体管。 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）2.4.3. 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power MOSFET） 特点特点用栅极电压来控制漏极电流，用栅极电压来控制漏极电流，

28、单极型、电压控制型器件单极型、电压控制型器件。 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，一般只适用于功率不超过电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力的电力电子装置电子装置 电力电子技术电力电子技术1. 结构结构 小功率小功率MOS管是横向导电器件管是横向导电器件电力电力MOSFET大都采用垂直导电大都采用垂直导电结构，结构，漏极改装在栅、源极的另漏极改装在栅、源极的另一面，一面，大大提高了大大提高了MOSFET器件器件的耐压和耐电流能力。的耐压和耐电流能力。

29、导通时只有一种极性的载流子导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶（多子）参与导电，是单极型晶体管体管导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管相同，管相同，但结构上有较大区别但结构上有较大区别电力电力MOSFET的多元集成结构的多元集成结构电力电子技术电力电子技术2. 工作特性工作特性静态特性：静态特性：UGS为负值或电压为零为负值或电压为零时，漏源极之间无电流时，漏源极之间无电流流过。流过。UGS大于某一数值大于某一数值UT时时，漏极和源极导电。，漏极和源极导电。 截止区截止区 UGS UT ，ID =0。 饱和区饱和区 UGSUT ，UDSUGS UT。非饱和区非饱和区（也叫

30、可调电阻区）（也叫可调电阻区） UGSUT ，UDSUGS - UT 作为开关：作为开关：工作在截止区和非饱和区。工作在截止区和非饱和区。转移特性转移特性输出特性输出特性电力电力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电子技术电力电子技术ton = td(on) + tr关断延迟时间关断延迟时间td(off)从脉冲电压从脉冲电压up下降到零时，栅极输入电容下降到零时，栅极输入电容Cin通过信号源内阻通过信号源内阻RG ( RS )和栅极电阻开始放电，栅极电压和栅极电阻开始放电，栅极电压uGS按指数曲线下降，按指数曲

31、线下降，下降下降到到uGSP时时，漏极电流，漏极电流iD开始减小的这段时间开始减小的这段时间开通延迟时间开通延迟时间td(on)从从uP前沿时刻到前沿时刻到 uGS = UT 并开始出现并开始出现 iD的这段时间的这段时间toff = td(off) + tf上升时间上升时间truGS从开启电压上升到从开启电压上升到MOSFETMOSFET进入非饱和区的栅压进入非饱和区的栅压uGSP的时间的时间下降时间下降时间tfCin继续放电，继续放电，uGS从继续下从继续下降，降，iD减小，到减小，到 uGS 20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿极间电容极间电容 漏源极短路时的输入电容：漏源极短路时的输

32、入电容：Ciss = CGS + CGD 反向转移电容：反向转移电容： Crss = CGD 共源极输出电容：共源极输出电容： Coss = CDS + CGD 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定电力漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定电力 MOSFET的安全工作区。的安全工作区。 电力电力MOSFET不存在二次击穿。不存在二次击穿。4. 主要参数主要参数 跨导跨导Gfs、GSDfsdUdIG 电力电子技术电力电子技术应用特点应用特点：（1）由于功率）由于功率MOSFET是是单极型场控器件单极型场控器件，不像，不像GTR那样具有载流子的存储那样具有载流子的存储效应，因

33、而通态电阻较大，效应，因而通态电阻较大，饱和压降也较高饱和压降也较高，使导通损耗大。，使导通损耗大。（2）其）其开关速度快开关速度快，开关时间在，开关时间在10100ns之间，工作频率最高，工作频率可之间，工作频率最高，工作频率可达达100kHz以上，是各种电力电子器件中较高的。以上，是各种电力电子器件中较高的。 （3）功率）功率MOSFET属电压控制型器件，在静态时几乎不需输入电流，因此它属电压控制型器件，在静态时几乎不需输入电流，因此它需要的需要的驱动电路简单、驱动功率最小驱动电路简单、驱动功率最小。但在开关过程中需对输入电容充放电，。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。

34、开关频率越高，所需要的驱动功率越大。仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。另外，无二次击穿问题、安全工作区宽。但另外，无二次击穿问题、安全工作区宽。但器件容量小器件容量小，比，比GTR小。小。 在开关电源、小功率变频调速等电力电子设备中具有其他电力电子器件所在开关电源、小功率变频调速等电力电子设备中具有其他电力电子器件所不能取代的地位。不能取代的地位。电力电子技术电力电子技术 GTR和和GTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电

35、路复杂 MOSFET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，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两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件器件2.4.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, 简称简称IGBT） 1986年投入市场后，取代了原来年投入市场后，取代了原来GTR和和GTO的市场的市场,成为中、大成为中、大功率电力电子设备的主导器件功率电力电子设备的主导器件 继续努力提高

36、电压和电流容量继续努力提高电压和电流容量IGBT:电力电子技术电力电子技术 IGBT是半导体行业的明星，其作为自动控制和功率是半导体行业的明星，其作为自动控制和功率变换的关键核心部件，广泛应用于航空航天、新能源、变换的关键核心部件，广泛应用于航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等先进制造领域。采用轨道交通、工业变频、智能电网等先进制造领域。采用IGBT器件进行功率变换，能够提高用电效率，实现器件进行功率变换，能够提高用电效率，实现30至至40%的节能效果。此外，的节能效果。此外，IGBT还是实现能源转换的关键还是实现能源转换的关键元件，光伏、风电并网发电的关键设备元件，光伏、风电并网

37、发电的关键设备逆变器中均逆变器中均含有含有IGBT模块。模块。 2011年，中国北车永济电机公司攻克三款年，中国北车永济电机公司攻克三款3300V至至6500V大功率大功率IGBT封装技术，并对外发布了封装技术，并对外发布了11类处于国类处于国际领先水平的际领先水平的IGBT产品。由此，中国北车成为世界第四产品。由此，中国北车成为世界第四个、国内第一个能够封装个、国内第一个能够封装6500V以上大功率以上大功率IGBT产品的产品的企业。目前，仅在我国企业。目前，仅在我国IGBT产品的年需求量就超过产品的年需求量就超过75亿亿元，且每年仍以元，且每年仍以30%以上的速度增长。以上的速度增长。20

38、13年年8月，旗下月，旗下永济电机公司向瑞士永济电机公司向瑞士ABB公司成功交付公司成功交付45套大功率套大功率IGBT产品。产品。电力电子技术电力电子技术1. 结构结构 相当于一个由相当于一个由MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区GTR。GTR为主导器件、为主导器件、MOSFET为驱动器件的达林顿结构。为驱动器件的达林顿结构。IGBT属复合型器件，也称混合型器件，它是指双极型和单极型的集成混合。属复合型器件，也称混合型器件，它是指双极型和单极型的集成混合。常见的有：常见的有：MOS门极晶体管（门极晶体管（MGT）、）、MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）、集成门）、集成门极换流晶闸管（极换

39、流晶闸管（IGCT）以及功率集成电路。）以及功率集成电路。栅极栅极集电集电极极发射发射极极电力电子技术电力电子技术2. 工作特性工作特性静态特性（静态特性（转移特转移特性性 和和伏安特性伏安特性 ）三个区：三个区：正向阻正向阻断区断区、有源区和、有源区和饱和区饱和区。 驱动原理与电力驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定决定 导通：导通：uGE大于开启电压大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成沟道，为晶体内形成沟道，为晶体管提供基极电流，管提供基极电流，IGBT导通导通 导通压降：导通压降：电导调制效应使电阻电

40、导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小减小，使通态压降小 关断：关断：栅射极间施加反压或不加信号时，栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断关断电力电子技术电力电子技术3. 主要参数主要参数 （1）最大集射极间电压）最大集射极间电压UCES （2）集电极额定电流）集电极额定电流ICN （3）集电极脉冲峰值电流）集电极脉冲峰值电流ICP （4）最大集电极功耗）最大集电极功耗PCM开关特性：开关特性： rondonttt foffdoffttt 电力电子技术电力电子技术应用特点：应用特点：综合了综合了GTR和

41、和MOSFET的优点，的优点，容量与容量与GTR属同一等级，属同一等级，属电压控属电压控制型，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、制型，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单、驱动电路简单、驱动电流小驱动电流小等优点，又具有通态压降小、耐压高及承受电流大等优等优点，又具有通态压降小、耐压高及承受电流大等优点，是发展最快而且很有前途的一种复合器件。点，是发展最快而且很有前途的一种复合器件。 在电机控制、中频电源、开关电源，以及要求速度快、低损耗的在电机控制、中频电源、开关电源，以及要求速度快、低损耗的领域，领域，IGBT已逐步取代已逐步取代GTR和和MOSFET。电力电子技术电力电

42、子技术2.5.1 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MOS Controlled Thyristor，MCT） 也属复合型器件也属复合型器件 ，是在晶是在晶闸管结构中集成了一对闸管结构中集成了一对MOSFET，通过，通过MOSFET来控制晶闸管的导通和关来控制晶闸管的导通和关断。断。 集合集合MOSFET和晶闸管的优点，与和晶闸管的优点，与GTR、MOSFET、IGBT和和GTO等相比，等相比，具有高电压、大电流、通态压降小（具有高电压、大电流、通态压降小（GTR的的13）、通态损耗小、开关速度）、通态损耗小、开关速度快（比快（比GTR快）、开关损耗小以及快）、开关损耗小以及dudt和和didt耐

43、量高等优点。耐量高等优点。2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件电力电子技术电力电子技术2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor,简称简称SIT） 是在普通结型场效应晶体管基础上发展起来的单是在普通结型场效应晶体管基础上发展起来的单极型电压控制器件，它有源、栅、漏三个电极。极型电压控制器件，它有源、栅、漏三个电极。 SIT在栅极不加信号时是导通的，栅极加负偏在栅极不加信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，即是压时关断，即是正常导通型正常导通型。栅极驱动电路应。栅极驱动电路应做到先加负栅偏压，后主电路再施加漏极电压做到先加负栅

44、偏压，后主电路再施加漏极电压具有输入阻抗高、输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关特性好、热稳定具有输入阻抗高、输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好等一系列优点。其工作频率与功率性好等一系列优点。其工作频率与功率MOSFET相当，功率容量比功率相当，功率容量比功率MOSFET大，目前已被用于高频感应加热、雷达通讯设备、超声波功率放大大，目前已被用于高频感应加热、雷达通讯设备、超声波功率放大等领域。等领域。2.5.3 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（Static Induction Thyristor,简称简称SITH） 属静电感应器件，即其工作的原理是利用电场的作用来开闭电流的通道，使属静电感应器件，即其工作的原理是利用电场的作用来开闭电流的通道，使器件导通或关断。器件导通或关断。 电力电子技术电力电子技术结构：结构：对外有三个引出端：阳对外有