第1章 电力电子前言和元件

1、电力电子技术电力电子技术Power Electronics仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟电力电子技术电力电子技术使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术电力电子器件制造技术（电力电子器件制造技术（基础是半导体物理基础是半导体物理）电力电子技术的基础电力电子器件应用技术（电力电子器件应用技术（变流技术变流技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术以及构成电力电子装置及系统的技术电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟nnnn交流到直流的变换交流到直流的变换整流整流直流到交流的变换直流到交流的变换逆变逆变直流到直流的

2、变换直流到直流的变换交流到交流的变换交流到交流的变换仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟电力电子技术的任务电力电子技术的任务电能的变换电能的变换 : :包括频率变换、幅值变换、相包括频率变换、幅值变换、相数变换、相位变换数变换、相位变换常用的变换有：常用的变换有：70年代中年代中引燃管引燃管闸流管闸流管二极管二极管晶闸管晶闸管80年代后年代后GTOGTR晶闸管晶闸管场效应管场效应管IGBTGTO晶闸管晶闸管场效应管场效应管101K100K场效应管场效应管10010KIGBTIPM1M1957GTOGCT晶闸管晶闸管仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟电力半导体开关的发展电力半导体开关的发展件件静静

3、器器、旋旋路路止止器器、转转电电电电机机电力电子学电力电子学(Power(Power Electronics)Electronics)名称名称6060年代出现年代出现全世界普遍接受的对全世界普遍接受的对电力电子学进行描电力电子学进行描述的倒三角形述的倒三角形电子学电子学电力学电力学电力电力电子学电子学连续、离散连续、离散控制控制理论理论电路电子技术基础电力电子技术电力、拖动、自动控制系统西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟与相关学科的关系与相关学科的关系n一般工业一般工业：交直流电机、电化学、冶金工业n 交通运输交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海n 电力系统电力系统：高压直流

4、输电、柔性交流输电、无功补偿n 电子装置电源电子装置电源：为信息电子装置提供动力n 家用电器家用电器：“节能灯”、变频空调n 其他其他：UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟电力电子技术的应用电力电子技术的应用冶金工业西南交通大学电解铝仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1 1）一般工业）一般工业轧钢机数控机床2）交通运输交通运输仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟SVC高压直流装置HVDC仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟3）电力系统）电力系统柔性交流输电FACTS程控交换机微型计算机西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟4）电子装置用电源）

5、电子装置用电源电子装置5 5）家用电器）家用电器仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟6 6）其他）其他大型计算机的UPS航天技术新型能源仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟第第1 1章章电力电子器件电力电子器件概述概述电力电子技术是以电力半导体开关为基础的电力电子技术是以电力半导体开关为基础的理想的电力半导体开关的特点：理想的电力半导体开关的特点：只有断态与通态两种状态，没有放大状态只有断态与通态两种状态，没有放大状态导通时，器件两端电压为零导通时，器件两端电压为零截止时，流过器件的电流为零截止时，流过器件的电流为零从导通到截止或从截止到导通所需要的时间为零从导通到截止或从截止到导通所需要的时间为

6、零实际器件与理想器件有一定的差距，但可近似实际器件与理想器件有一定的差距，但可近似西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟半控型器件（如半控型器件（如ThyristorThyristor）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（如全控型器件（如IGBT,MOSFET)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。不可控器件不可控器件( (如如PowerPower Diode)Diode)不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度分为按照器件能够被控制的程度分为仅内

7、部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟电流驱动型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。如晶闸管、者关断的控制。如晶闸管、GTOGTO、GTRGTR等等电压驱动型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。如信号就可实现导通或者关断的控制。如IGBTIGBT等等按照驱动电路信号的性质可分为按照驱动电路信号的性质可分为按器件内部参与导电的载流子分按器件内部参与导电的载流子分单极型器件，如场效应管单极型器件，如场效应管( (一种一种) )；双极型器件，如；双极型器件

8、，如晶闸管晶闸管( (电子与空穴电子与空穴) )；复合型器件，如；复合型器件，如IGBTIGBT仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-11-1 功率二极管功率二极管1. 结构：由一个结构：由一个PN结构成。结构成。A-阳极，阳极，K-阴极阴极PNK第一章第一章电力电子器件电力电子器件AAK仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟uAK二极管的正向电压降很小，在理论分析时可二极管的正向电压降很小，在理论分析时可忽略不计。忽略不计。西南交通大学uAKiA理想特性理想特性iA实际特性实际特性仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2. 特性特性A 伏安特性伏安特性：阳极电流与阳：阳极电流与阳-阴极电压间的关系阴

9、极电压间的关系iFuFtfrt0uiU FPV在二极管获取超量存储电荷前，其体电阻率很大在二极管获取超量存储电荷前，其体电阻率很大电流上升率越大，电流上升率越大，U UFPFP越高越高西南交通大学U UFPFP，经过一段时间后才趋，经过一段时间后才趋于稳态压降值。于稳态压降值。产生这一现象的原因是产生这一现象的原因是载流子的分布与达到一定载流子的分布与达到一定的浓度需要时间的浓度需要时间仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟B 二极管的开关特性二极管的开关特性导通特性导通特性正向压降先出现一个过冲正向压降先出现一个过冲didiU RPiFU FtF t0trrtdtft2tURFdtt1RdtIR

10、P须经过一段短暂的时须经过一段短暂的时间才能重新获得反向间才能重新获得反向阻断能力，进入截止阻断能力，进入截止状态。状态。关断之前有较大的反关断之前有较大的反向电流出现，并伴随向电流出现，并伴随有明显的反向电压过有明显的反向电压过冲。冲。载流子的抽出需要时间；当载流子的抽出需要时间；当PNPN结反向恢复时因引线结反向恢复时因引线电感而产生高的电压。电感而产生高的电压。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟关断特性关断特性额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件下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允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。值。I IF(AV)

11、F(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用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。额，并应留有一定的裕量。1) 正向平均电流正向平均电流IF(AV)3. 二极管的主要参数二极管的主要参数在规定结温下，流过指定的稳态正向电流时的在规定结温下，流过指定的稳态正向电流时的正向管压降。正向管压降。2）正向压降正向压降UF仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟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，应当留有裕量压。使用时，应

12、当留有裕量4）反向恢复时间）反向恢复时间trrtrr= td+ tf5）最高工作结温）最高工作结温TJMTJM是指在是指在PNPN结不致损坏的前提下所能承受结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度的最高平均温度6)6) 浪涌电流浪涌电流I IFSMFSM指二极管所能承受最大的连续一个或几个工指二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流频周期的过电流仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟4. 二极管的主要类型二极管的主要类型整流二极管：工作频率低于整流二极管：工作频率低于1KHz1KHz，容量大，容量大快速恢复二极管：反向恢复过程短，工作频率高快速恢复二极管：反向恢复过程短，工作频率高肖特基

13、二极管：反向恢复时间短，管压降小但电肖特基二极管：反向恢复时间短，管压降小但电压低压低其它：传感器其它：传感器 ( (光敏、磁敏二极管光敏、磁敏二极管) )；光源光源( (红外、激光二极管红外、激光二极管) )；稳压稳压( (齐纳二极管、恒流二极管齐纳二极管、恒流二极管) )仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟P 1P 2N1AN2GN2KKGKGA仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-21-2 普通晶闸管普通晶闸管1. 结构结构由三个由三个PNPN结构成，为四层三端结构。结构成，为四层三端结构。A-A-阳极，阳极，K-K-阴极，阴极， G-G-门极。门极。螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形

14、及结构西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2.2. 双三极管理论双三极管理论：晶闸管：晶闸管两个三极管的复合体两个三极管的复合体P 1N2N1P 2AN1P 2KGAKGT 1T2RaEaUg反偏时阻断，与反偏时阻断，与门极无关门极无关正偏和有门极触正偏和有门极触发电流时导通发电流时导通触发导通触发导通不能用门极电流不能用门极电流关断关断R+Ua-+Ug-G KA仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情

15、况下晶闸管才能开通下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用晶闸管一旦导通，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近于零的某一数值以下晶闸管的特点：晶闸管的特点：仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟导通条件：晶闸管承受正向电压，同时门极有触导通条件：晶闸管承受正向电压，同时门极有触发电流时，晶闸管导通。发电流时，晶闸管导通。维持导通条件：流过晶闸管的电流大于维持电维持导通条件：流过晶闸管的电流大于维持电流。流。关断条件：晶闸管承受正向电压。关断条件：晶闸管承受正向电压。或流过晶闸管的电流小于维持电流。或流过晶

16、闸管的电流小于维持电流。这三个条件是晶闸管电路分析的基础。这三个条件是晶闸管电路分析的基础。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟uAK理想伏安特性理想伏安特性西南交通大学雪崩-UA-IAIHOIG2IG1 IG=0UDRM Ubo +UAUDSMURSMURRM击穿a.反向特性反向特性仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟3.晶闸管的特性晶闸管的特性伏安特性伏安特性b.正向伏安特性正向伏安特性IA正向导通iA反向特性：反向特性：反向阻断时，只有极小的反相漏电流流过。反向阻断时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。管

17、发热损坏。正向特性：正向特性：正向阻断状态：正向阻断状态：I IG G=0=0时，器件两端施加正向电压，时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流。只有很小的正向漏电流。正向电压超过正向转折电压正向电压超过正向转折电压U Ubobo，则漏电流急剧增，则漏电流急剧增大，器件开通。大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟晶闸管的导通时间晶闸管的导通时间= =延迟时间延迟时间+ +上升时间上升时间晶闸管关断时间晶闸管关断时间= =反向恢复时间反向恢复时间+ +正向恢复时间正向恢复时间西南交通大学ttO10

18、%0u AKtdtrtrrtgrU RRMI RM仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性iA100%90%4.晶闸管的主要参数与意义晶闸管的主要参数与意义（1 1）断态重复峰值电压（）断态重复峰值电压（U UDRMDRM）：门极开路，重）：门极开路，重复率为每秒复率为每秒5050次，持续时间不大大于次，持续时间不大大于10ms10ms的断态的断态最大脉冲电压。其值为正向转折电压的最大脉冲电压。其值为正向转折电压的80%80%。（2 2）反向重复峰值电压（）反向重复峰值电压（U URRMRRM）：其定义同）：其定义同U UDRMDRM，其值为反向转折电压的其值为反向转

19、折电压的80%80%。（3 3）额定电压：选）额定电压：选U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的值作为额定中较小的值作为额定电压。电压。额定电压定义复杂。额定电压定义复杂。理解为器件安全工作理解为器件安全工作( (不误导不误导通或击穿时能承受的最大工作电压。通或击穿时能承受的最大工作电压。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟 0 Imsinwtd(wt)1 p2pIT(AV) =发热是器件电流参数的限制条件。发热是器件电流参数的限制条件。发热量只与有效值有关。发热量只与有效值有关。在实际工作中，电流的波形是不同的。但有效值若在实际工作中，电流的波形是不同的。但有效值若相等，发热量就相同

20、。相等，发热量就相同。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟（4 4）通态平均电流：指在环境温度为）通态平均电流：指在环境温度为+40+40C C和规和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载、导电角不定的冷却条件下，元件在电阻性负载、导电角不小于小于170170度的单相工频正弦半波整流电路中，当稳度的单相工频正弦半波整流电路中，当稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。Im 0 (Im sinwt) d(wt) = 2p 0 Im sinwtd(wt) = p2IT =12p而而=1 p Im2pIT (AV)消去变量消去变量I Im m得：得

21、：IT(AV) =1.57IT(AV)IT =p2这表明，一个额定电流为这表明，一个额定电流为I IT(AV)T(AV)的晶闸管允许通的晶闸管允许通过的有效值电流为其额定值的过的有效值电流为其额定值的1.571.57倍。倍。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟当散热条件确定后，要让器件发热不超过其允许当散热条件确定后，要让器件发热不超过其允许值，流过它的电流有效值就不能超过额定值。值，流过它的电流有效值就不能超过额定值。定义额定电流的波形的有效值是：定义额定电流的波形的有效值是：例例1.1.流过晶闸管的电流波形如图流过晶闸管的电流波形如图问额定电流为问额定电流为100100安的晶闸管

22、允许安的晶闸管允许通过的电流平均值是多少通过的电流平均值是多少? ?2p pp pIm解：平均值为：解：平均值为：Im2Id =Imd(wt) =12pp0有效值为：有效值为：(A)Im2IT =2Im d(wt) =12pp0从上式解出从上式解出Im为使晶闸管安全工作，必须满足：为使晶闸管安全工作，必须满足：Im2IT(AV) p2IT(AV) = 222.14(A)Im 2p2仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟代入平均值计算式，得代入平均值计算式，得Id =111.07 (A)（5 5）通态平均电压：晶闸管通以额定通态平均电）通态平均电压：晶闸管通以额定通态平均电流时的管压降平均值。流时的

23、管压降平均值。（6 6）维持电流：维持晶闸管导通所需要的电小阳）维持电流：维持晶闸管导通所需要的电小阳极电流。极电流。（7 7）断态电压临界上升率：在额定结温和门极断）断态电压临界上升率：在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态时的最低电压上路条件下，使元件从断态转入通态时的最低电压上升率。升率。（8 8）通态电流临界上升率：晶闸管触发导通时不）通态电流临界上升率：晶闸管触发导通时不致使元件损坏的通态电流最大上升率。致使元件损坏的通态电流最大上升率。（9 9）门极触发电压、门极触发电流）门极触发电压、门极触发电流西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟GTOGTO的特点的特点晶闸

24、管的一种派生器件；多元功率集成器件。晶闸管的一种派生器件；多元功率集成器件。可以通过在门极施加正的脉冲电流使其导通；施可以通过在门极施加正的脉冲电流使其导通；施加负的脉冲电流使其关断。加负的脉冲电流使其关断。开关频率不高，关断增益小。开关频率不高，关断增益小。GTOGTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接的电压、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近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用（如电力机车的主电路）。的应用（如电力机车的主电路）。西南交通大学1-31-3门极关断晶闸管门极关断晶闸管(GTO)仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1.1. GTOGT

25、O的开通与关断原理的开通与关断原理GTOGTO是一种共用阳极门极，阴极分离的结构。它是一种共用阳极门极，阴极分离的结构。它由若干小的由若干小的GTOGTO元并联构成。元并联构成。 GTOGTO元与晶闸管一元与晶闸管一样都是样都是PNPNPNPN四层三端结构四层三端结构GTOGTO元与普通晶闸管相同可用双晶体管模型来分析元与普通晶闸管相同可用双晶体管模型来分析GTOGTO的导通过程与普通晶闸管类似。的导通过程与普通晶闸管类似。注入正的门极电流时，注入正的门极电流时，T T1 1T T2 2因正反馈而迅速饱和因正反馈而迅速饱和仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟N1P 2AP 1N1P 2N2KGA

26、KGT 1T2RaEaUg也减小，于是引起也减小，于是引起I IC1C1的进一步下降。如此不断循环，的进一步下降。如此不断循环，GTOGTO元的阳极电流迅速下降到零而关断。元的阳极电流迅速下降到零而关断。GTOGTO能够用门极负电流信号关断的主要原因在于其能够用门极负电流信号关断的主要原因在于其门门阴极结构。普通晶闸管在结构上是所谓的阴极结构。普通晶闸管在结构上是所谓的“单胞单胞”结构，而结构，而GTOGTO的阴极是由许多小块组成，其阴极横向宽的阴极是由许多小块组成，其阴极横向宽度很小，度很小，G GK K极间横向电阻远小于普通晶闸管，所以极间横向电阻远小于普通晶闸管，所以西南交通大学关断时在

27、门极施加关断时在门极施加反向电压，反向电压，T T1 1管的管的集电极电流集电极电流I IC1C1被抽被抽出出 形成门形成门 极极 负负 电电流流-I-IG G，这使，这使T T2 2的基的基极电流减小进而使极电流减小进而使其集电极电流其集电极电流I IC2C2也也仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟KARGGUg横向电阻横向电阻GTOGTO部分关断区部分关断区晶闸管晶闸管GTOGTO严格控制等效三极管的饱和度。严格控制等效三极管的饱和度。GTOGTO的等效的等效三极管工作在浅饱和状态，而晶闸管为深饱和三极管工作在浅饱和状态，而晶闸管为深饱和西南交通大学AKGU gRG仅内部使用仅内部使用 郭小

28、舟郭小舟可以用门极负电压抽出等效的可以用门极负电压抽出等效的I IC1C1，从而使器件，从而使器件关断。关断。小结小结GTOGTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。和程度较浅。GTOGTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。关断。导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。通时管压降增大。多元集成结构，使多元集成结构，使GTOGTO比普通晶闸管开通过程比普通晶闸管开通过程快，承受快，承受d di i/d/dt t能力强。能力强。多元集成结构

29、，使多元集成结构，使GTOGTO容易在关断过程中损坏。容易在关断过程中损坏。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟tonuaponigtrttia90%10%tdGTOGTO开通开通西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2 2 GTOGTO的开关特性的开关特性iauapoff- igt ftt90%ts10%tt存储时间存储时间t ts s，使等，使等效晶体管退出饱效晶体管退出饱和。和。下降时间下降时间t tf f尾部时间尾部时间t tt t ：残存：残存载流子复合。载流子复合。通通 常常 t tf f 比比 t ts s 小小 得得多多 ， 而而 t tt t 比比 t ts s 要要长

30、。长。门极负脉冲电流幅门极负脉冲电流幅值越大，值越大，t ts s越短。越短。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟GTOGTO关断关断3.GTO3.GTO的主要参数的主要参数1 1）可关断峰值电流可关断峰值电流I ITGQMTGQM ：GTOGTO的阳极可关断电流的阳极可关断电流的最大值，即可关断峰值电流。（额定电流）的最大值，即可关断峰值电流。（额定电流）2 2）关断时的阳极尖峰电压关断时的阳极尖峰电压V Vp p尖峰电压是阳极电流在尖峰电压是阳极电流在t tf f时间内的电流变化率与时间内的电流变化率与缓冲电路中的电感的乘积。尖峰电压缓冲电路中的电感的乘积。尖峰电压V Vp p与

31、阳极电与阳极电流成正比，并直接决定了关断损耗。流成正比，并直接决定了关断损耗。3 3）阳极电压上升率阳极电压上升率du/dtdu/dt阳极电压上升率阳极电压上升率du/dtdu/dt分为静态与动态两种。前者分为静态与动态两种。前者与晶闸管相同；后者指的是关断过程中的阳极电与晶闸管相同；后者指的是关断过程中的阳极电压上升率，又称重加压上升率，又称重加du/dtdu/dt。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟b boffoff=I=IATOATO/ /IGMIGMb boffoff=3-5=3-56 6）开通时间与关断时间开通时间与关断时间开通时间是延迟时间与上升时间之和开通时间是延迟时间与上升时间

32、之和关断时间是存储时间与下降时间之和关断时间是存储时间与下降时间之和GTOGTO的其它参数与晶闸管相似。它正在被淘汰。的其它参数与晶闸管相似。它正在被淘汰。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟4 4）阳极电流上升率阳极电流上升率di/dtdi/dtGTOGTO能承受的极限电流上升率。能承受的极限电流上升率。5 5）电流关断增益电流关断增益最大可关断阳极电流与门极负脉冲最大值之比：最大可关断阳极电流与门极负脉冲最大值之比：集成门极换相晶闸管集成门极换相晶闸管IGCTIGCTGTOGTO是多元集成器件。主要问题是如何保证在关断是多元集成器件。主要问题是如何保证在关断时各个单元动作的一致。

33、时各个单元动作的一致。GTOGTO损坏的主要原因之一损坏的主要原因之一是在关断过程中阴极导电面积的收缩引起电流的是在关断过程中阴极导电面积的收缩引起电流的集中与关断的不同步。集中与关断的不同步。IGCTIGCT的关断增益为的关断增益为1 1。即门极关断电流幅值不小于。即门极关断电流幅值不小于阳极电流。这样可将流过阴极的电流全部从门极阳极电流。这样可将流过阴极的电流全部从门极抽出。抽出。GTOGTO以以PNPPNP三极管方式关断。三极管方式关断。IGCTIGCT的特点与的特点与GTOGTO相似。但工作频率更高。为提供相似。但工作频率更高。为提供巨大的门极关断电流，必须将门极电路紧靠主开巨大的门极

34、关断电流，必须将门极电路紧靠主开关安放。关安放。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟P 1N1P 2N2N2P 1N1P 2P 1N1P 2N2N2P 1N1P 2GTOGTO与与GCTGCT的关断方式比较：的关断方式比较：GTOGTO抽出部份载流子使抽出部份载流子使等效三极管产生正反馈而迅速关断；等效三极管产生正反馈而迅速关断；GCTGCT抽出全部抽出全部载流子使载流子使GCTGCT以以PNPPNP三极管方式关断。三极管方式关断。结合了结合了IGBTIGBT与与GTOGTO的优点，容量与的优点，容量与GTOGTO相当，开关速相当，开关速度快度快1010倍。省去

35、倍。省去GTOGTO复杂的缓冲电路，但驱动功率复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。仍很大。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟NNPDGS +NNPSDG +漏极漏极D D接外加电压的高电接外加电压的高电位，源极位，源极S S接低电位。源接低电位。源极与衬底相联。极与衬底相联。V VGSGS为负为负时漏源之间不导电。时漏源之间不导电。漏极漏极D D接外加电压的高电接外加电压的高电位，源极位，源极S S接低电位。源接低电位。源极与衬底相联。极与衬底相联。V VGSGS为正为正时漏源之间导通。时漏源之间导通。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-41-4电力场效应管（电力场效应

36、管（MOSFETMOSFET）1 1工作原理工作原理P P型反型成型反型成N N型，形成型，形成N N沟道使沟道使PNPN结消失，漏源极间导结消失，漏源极间导通；反型消失通；反型消失N N沟道消失，沟道消失，PNPN结出现，漏源极间截止结出现，漏源极间截止栅极栅极源极源极2 2场效应管的特点场效应管的特点 ：靠一种载流子导电的器件。开关速度极高，热稳靠一种载流子导电的器件。开关速度极高，热稳定性好；定性好；没有二次击穿现象。可靠性高，安全工作区大没有二次击穿现象。可靠性高，安全工作区大容易并联。容易并联。电压控制器件。驱动功率小，驱动电路简单电压控制器件。驱动功率小，驱动电路简单导通电阻大，导

37、通损耗大，元件的电压值小导通电阻大，导通损耗大，元件的电压值小导通电阻随阻断电压的升高而迅速升高导通电阻随阻断电压的升高而迅速升高主要用于小功率电路，如开关电源。主要用于小功率电路，如开关电源。西南交通大学电路电路仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟漏极漏极等效等效10030202468VGSiD5040饱和区饱和区区区截止区截止区西南交通大学302050 非非饱饱40 和和100102030U GS=5VU GS=4V40 50U GS=7VU GS=6VU GS=8VVDSiD仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟3 3 电力电力MOSFETMOSFET的基本特性的基本特性1)1)静态特性静态特

38、性转移特性：转移特性：漏极电流和栅源间电压的关系漏极电流和栅源间电压的关系漏极伏安特性漏极伏安特性(或输出特性或输出特性)：截止区截止区（对应于（对应于GTRGTR的截止区）；的截止区）；饱和区饱和区（对应于（对应于GTRGTR的放大区）；的放大区）；非饱和区非饱和区（对应（对应GTRGTR的饱和区）的饱和区）uPtttuGStd(on)00iD0td(off)tftr2)2) 开关特性开关特性一个有阻抗的信号源一个有阻抗的信号源给给FETFET提供栅极信提供栅极信号。开关响应如图号。开关响应如图开通时间：开通延迟开通时间：开通延迟时间与上升时间之和时间与上升时间之和关断时间：关断延迟时间与下

39、降时间之和。关断时间：关断延迟时间与下降时间之和。特点：特点：开关速度和栅极输入电容的大小有关。降低驱动开关速度和栅极输入电容的大小有关。降低驱动电路内阻可加快开关速度。电路内阻可加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速不存在少子储存效应，关断过程非常迅速工作频率可达工作频率可达1M1M以上，为电力电子器件中最高以上，为电力电子器件中最高西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需驱动输入电容，仍需一定的驱动功率过程中需驱动输入电容，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开关频

40、率越高，所需要的驱动功率越大3)3) 电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数(1)(1) 漏极电压漏极电压U UDSDS-电力电力MOSFETMOSFET电压定额电压定额(2)(2) 漏极直流电流漏极直流电流I ID D和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值I IDMDM-电电力力MOSFETMOSFET电流定额电流定额(3)(3)栅源电压栅源电压U UGSGS(4)(4) 极间电容极间电容其它参数与电子学中相同其它参数与电子学中相同仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟GCE等等效效电电路路仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-51-5绝缘栅极双极型三极管（绝缘栅极双极型三极管（IG

41、BTIGBT）GTRGTR和和MOSFETMOSFET复合，结合了二者的优点；复合，结合了二者的优点；开关速度高，开关损耗小，安全工作区大，具有耐开关速度高，开关损耗小，安全工作区大，具有耐脉冲电流冲击能力；脉冲电流冲击能力；输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似，驱动容易类似，驱动容易1 1 IGBTIGBT的结构与工作原理的结构与工作原理N -Cp+EGGN -p N+ p N -关关断断时时 N - p N+Cp+EGG导导通通时时 N - p N + p N + p N -仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟当栅极电压为零时，集电极与发射极间不导通当栅极

42、电压为零时，集电极与发射极间不导通因为；等效因为；等效PNPPNP三极管的基极电流无法流动。三极管的基极电流无法流动。当栅极上加正的电压时，控制极当栅极上加正的电压时，控制极G G下的下的P P层表面层表面形成形成N N沟道，发射极与沟道，发射极与N-N-区接通，等效三极管区接通，等效三极管的基极电流经的基极电流经N N沟道流动，由于电调制效应，沟道流动，由于电调制效应，N-N-区电阻降低电流增大，元件导通区电阻降低电流增大，元件导通 。在电力电子电路中，只允许工作在饱和区或截止在电力电子电路中，只允许工作在饱和区或截止区，不能在有源区区，不能在有源区(放大区放大区)西南交通大学O有源区正向阻

43、断区饱和区ICUGE(th)UGEOICURM 反向阻断区UFM UCEUGE(th)U GE增加仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2 2 IGBTIGBT的特性的特性(1)(1) IGBTIGBT的静态特性的静态特性IGBTIGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性tttOUGEUGEMICMtfv1tfv2td(off )tfi1tofftftfi2td(on)tonUCEMtrUCE(on)90%UGEM10%UGEM0IC90%ICM10%ICM0UCEt tfv1fv1-MOSFET-MOSFET单独工作的电压下降过程；单独工作的电压下降过程；t tfv2fv2-MOSFET-

44、MOSFET和和PNPPNP晶体管同时工作的电压下降过晶体管同时工作的电压下降过程。程。西南交通大学IGBTIGBT 的的 开开 通通 过过程程 与与 MOSFETMOSFET 相相似，开通时间似，开通时间t tonon为延迟时间为延迟时间t td(on)d(on)与电流上与电流上升升 时时 间间 t tr r 之之和。和。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟(2)(2) IGBTIGBT的开关特性的开关特性t tfi2fi2IGBTIGBT内部的内部的PNPPNP晶体管的关断过程，晶体管的关断过程，i iC C下下降较慢。降较慢。IGBTIGBT关断时，有大的电流下降率与显著关断时，有大的电流

45、下降率与显著的尾部电流。前者是场效应管关断的结果，后者的尾部电流。前者是场效应管关断的结果，后者是是PNPPNP三极管造成的。三极管造成的。西南交通大学tOUGEUGEMICMtfv1tfv2td(off )tfi1tofftftfi2td(on)tonUCEMtrUCE(on)90%UGEM10%UGEM0IC90%ICM10%ICM0UCEIGBTIGBT的关断时间的关断时间t toffoff为延迟时间为延迟时间t td(of)d(of)与与电流下降时间电流下降时间t tr r 构构成。成。t tfi1fi1-IGBT-IGBT器件内部器件内部的的MOSFETMOSFET的关断过的关断过程

46、，程，i iC C下降较快下降较快仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟关断特性：关断特性：3 3 IGBTIGBT的参数的参数(1)(1) 最大集射极间电压最大集射极间电压U UCESCES：由内部由内部PNPPNP晶体管晶体管的的 击穿电压确定击穿电压确定(2)(2) 最大集电极电流：最大集电极电流：包括额定直流电流包括额定直流电流I IC C和和1ms1ms脉宽最大电流脉宽最大电流I ICPCP(3)(3) 最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM：正常工作温度下允许正常工作温度下允许的最大功耗的最大功耗IGBTIGBT的其它参数参见相关的资料的其它参数参见相关的资料仅内部使用仅内部使用

47、郭小舟郭小舟PPSS射能力强等一系列优点射能力强等一系列优点D DN+ N+G P P GN-N+ N+栅源电压为零时，器件处于栅源电压为零时，器件处于导通状态。栅源极间施加负导通状态。栅源极间施加负的电压，这使的电压，这使PNPN结对应的空结对应的空间电荷区（也称间电荷区（也称“耗尽层耗尽层”）变厚，使导电沟道消失，器变厚，使导电沟道消失，器件关断。件关断。仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟1-61-6 其它电力半导体开关器件其它电力半导体开关器件1 1静电感应晶体管静电感应晶体管SIT(SIT(结型场效应管结型场效应管) )静电感应晶体管静电感应晶体管SITSIT（StaticStatic

48、 InductionInduction TransistorTransistor）是是一种依靠场效应引起元件中导电沟道形成或消失、一种依靠场效应引起元件中导电沟道形成或消失、实现开关功能的器件。实现开关功能的器件。SITSIT具有输出功率大、失真小具有输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关频率高、热稳定性好以及抗辐、输入阻抗高、开关频率高、热稳定性好以及抗辐在静电感应晶体管的结构上加一在静电感应晶体管的结构上加一P P型层即型层即构成构成SITHSITH。当。当SITHSITH的的A A接电源正、接电源正、K K接负接负、U UGKGK不为负时，电流能从不为负时，电流能从A A流向流向K K。U

49、 UGKGK为为负时，负时，PNPN间形成耗尽层，器件截止。间形成耗尽层，器件截止。特点：高压、在电流、高频、有尾部电特点：高压、在电流、高频、有尾部电流、关断时间短、流、关断时间短、di/dtdi/dt、du/dtdu/dt大大GNN+KPPAP+3.3. MOSMOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCTMCTMCT是在是在SCRSCR结构中集成一对结构中集成一对MOSFETMOSFET，使，使MCTMCT导通的导通的MOSFETMOSFET称为称为ONONFETFET，使，使MCTMCT关断的关断的MOSFETMOSFET称为称为OFFOFFFETFET。一般，。一般，ONONFETFET均为均为P P沟道，所以，也称这种沟道，所以，也称这种MCTMCT为为P PMCTMCT。西南交通大学仅内部使用仅内部使用 郭小舟郭小舟2.2.静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH（StaticStatic InductionInductionThyristorThyristor）AKGT 1T2ON-FETP沟