电力电子ppt 第一章

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——电力二极管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

本章小结1电子技术的基础

———

电子器件：晶体管和集成电路电力电子电路的基础

———

电力电子器件本章主要内容：概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。介绍常用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·引言21.1电力电子器件概述1.1.1电力电子器件的概念和特征1.1.2应用电力电子器件的系统组成1.1.3电力电子器件的分类1.1.4本张内容和学习要点31.1.1电力电子器件的概念和特征1.概念主电路（PowerCircuit）

在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件（PowerElectronicDevice)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。2.分类电真空器件（汞弧整流器、闸流管等，已逐步被半导体器件取代）半导体器件（目前所指电力电子器件，采用材料任然是硅）

4电力电子器件是功率半导体器件1、电力电子器件所能处理电功率的大小远大于处理信息的电子器件。2、电力电子器件因电功率较大，一般都工作在开关状态。3、电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4、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，不仅在器件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需,要设计安装散热器。3.特征5通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件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电力电子器件特征电力电子器件的损耗6电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1电力电子器件在实际应用中的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应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路7PowerElectronics1.1.3电力电子器件的分类1、按照电力器件能够被控制信号所控制程度分为三类半控型器件全控型器件可控制其导通而不能控制其关断｛晶闸管及其派生器件关断主电路电流电压通过控制信号即可控制其导通又能控制其关断｛绝缘栅双极晶体管电力效应晶体管门极可关断晶体管自关断器件门极可关断晶体管处理兆瓦级大功率电能（1）、半控器件（2）、全控器件8PowerElectronics不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路电力二极管不控型器件主电路｛通

断电流电压只有两个端子2.按驱动电路加在电力电子器件控制端和共端之间信号的性质分为两类（1）、电流驱动型（2）、电压驱动型（3）、不控器件9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者关断的控制。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信号就可实现导通或者关断的控制。2、按照驱动电路信号的性质，分为两类：103、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：单极型器件由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件11本章内容:介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。学习要点:最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。1.1.4本章学习内容与学习要点12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——电力二极管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

本章小结131.2不可控器件——电力二极管1.2.1PN结与电力二极管的工作原理1.2.2电力二极管的基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型14PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.2不可控器件—电力二极管·引言整流二极管及模块151.2.1PN结与电力二极管的工作原理以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。图1-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号16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——1.2.1PN结与电力二极管的工作原理

PN结的状态17PowerElectronicsPN结的正向导通状态

电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。

PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿18PN结的电量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容荷CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。

PN结的电容效应：191.2不可控器件——电力二极管1.2.1PN结与电力二极管的工作原理1.2.2电力二极管的基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型20主要指其伏安特性门槛电压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1、静态特性IOIFUTOUFU212、动态特性——二极管的电压-电流特性随时间变化的——结电容的存在1.2.2电力二极管的基本特性b)UFPuiiFuFtfrt02Va)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5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：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：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。22图1-5电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置电力二极管的关断经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断，进入截止状态。IRP——电流过冲最大值URP——电压过冲最大值td=t1-t0——延迟时间tf=t2-t1——电流下降时间trr=td+tf——反向恢复时间tf/td——恢复特性的软度，用Sr表示a)IFtdtrrtfIRPt1t2UFURttFt0

URP在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。23图1-5电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置电力二极管的开通2V0tb)正向恢复时间tfr

电力二极管的正向压降出现过冲uFP，经过一段时间接近稳态降压的某个值，这一动态过程时间。电压过冲原因1)电导调制效应起作用所需大量少子需要一定时间储存达到稳态导通前管压降较大。2)正向电流的上升因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大,

UFP越高。24PowerElectronics

注意：电流、电压反向问题

正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的过渡时间与电路的瞬时过程相比要小的得多；但在关断时，它需要一个反向恢复的时间（reverser-recoverytime）以清除过剩载流子。25PowerElectronics1.2.3电力二极管的主要参数1、正向平均电流IF(AV)

在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则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也不小。2、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。26PowerElectronics6、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过电流。4、最高工作结温TJM在PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175℃范围内。5、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。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应当留有两倍的裕量。

271、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）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高DATASHEET按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。1.2.4电力二极管的主要类型28PowerElectronics普通二极管(整流二极管）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中

反向恢复时间长一般在5µs以上正向电流定额和反向电压定额很高，分别可达数千安和数千伏以上

29简称快速二极管快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。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）30PowerElectronics2、快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（5µs以下）的二极管，简称快速二极管。其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），反向耐压多在1200V以下。快速恢复二极管超快速恢复二极管反向恢复时间数百纳秒或更长100ns以下，甚至达20～30ns快恢复二极管从性能上分为两种31肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。1.2.4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的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。321.3半控器件—晶闸管1.3.1晶闸管的结构与工作原理1.3.2晶闸管的基本特性（静态、动态、）

1.3.3晶闸管的主要参数1.3.4晶闸管的派生器件331.3半控器件—晶闸管·引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）341.3.1

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351.3.1晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG图1-6晶闸管外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构

c)电气图形符号

a)c)b)AGKGKA36PowerElectronics图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b工作原理)产生注入门极的触发电流IG的电路触发门极触发电路对晶体管的驱动37晶体管工作原理如以下方程所示Ic1=a1IA+ICBO1

(1-1)Ic2=a2IK+ICBO2(1-2)IK=IA+IG

(1-3)

IA=IC1+IC2

(1-4)a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1-1）~式（1-4）得：(1-5)38在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。

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：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。39阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况：401.3.2晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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。晶闸管正常工作时的特性总结如下：411.3.2晶闸管的基本特性

（静态、动态、）1.静态特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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。42PowerElectronics图1-8晶闸管的伏安特性IG=0-UA0IAUbo正向导通雪崩击穿IH-IA+UAUDSMUDRMIG1IG2UPRMURSM第Ⅰ象限是正向特性第Ⅲ象限是反向特性IG2>IG1>IG

IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。(1)正向特性431.3.2晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，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441.3.2晶闸管的基本特性1)

开通过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr

(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr

（1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr

（1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2、

动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形451.3.3

晶闸管的主要参数断态重复峰值电压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。通态（峰值）电压UT——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。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：1）电压定额461.3.3

晶闸管的主要参数通态平均电流

IT(AV）——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。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电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。2）电流定额471.3.3

晶闸管的主要参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：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。

——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

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。

——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3）动态参数481.3.4晶闸管的派生器件常规快速晶闸管高频晶闸管包括所有为快速应用而设计的晶闸管与普通晶闸管相比快速晶闸管关断时间为数十微秒高频晶闸管关断时间为10μs左右电压和电流定额不易做高应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中开关时间以及du/dt、di/dt的耐量都有了明显的改善1、快速晶闸管49GT1T2IG=0IU0a)b)图1-10双向晶闸管的电器图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性2、双向晶闸管

是一对反并联结的普通晶闸管的集成。

有两个主电极T1和T2，一个门极G。

门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。

不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。50IU0I=0GAKG3、逆导晶闸管是将晶闸管反并连一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流图1-11双向晶闸管a)电气图形符号

b)伏安特性a)b)51IAUAK0AKG光照强度弱强图1-12光控晶闸管a)电气图形符号

b)伏安特性

4、光控晶闸管（光触发晶闸管）

是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。

小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。

大功率光控晶闸管带有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器的光缆。

光触发保证主电路与控制电路之间的绝缘，避免电磁干扰的影响。a)b)52PowerElectronics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——电力二极管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

本章小结531.4典型全控型器件·引言门极可关断晶闸管——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。541.4典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块551.4.1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，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）56PowerElectronics1.4.1门极可关断晶闸管1.GTO的结构和工作原理结构GKGKGN2N1N2P2P1AGKAa)b)c)图1-13GTO内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号57与普通晶闸管的相同点PNPN四层半导体结构外部引出阳极、阴极和门极与普通晶闸管的不同点内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元的多元功率集成器件GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起工作原理与普通晶闸管一样可以用双晶体管模型来分析58PowerElectronics图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b工作原理)

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：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+2<1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。591.4.1门极可关断晶闸管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。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。由上述分析我们可以得到以下结论：602.GTO的动态特性SnubberAkG触发关断脉冲不用保持，关断时间几个微秒，但是需要很大的门电流（1/3阳极电流），关断时，为了限制dv/dt，要用Snubber电路（切断感性负载）。开关时间几个微秒到25微秒，导通压降2-3V、比晶闸管稍微高一点。最大优点是能处理高电压和大电流，现在最大容量6KV/4KA，开关频率几百HZ—10KHZ。图1-14GTO的开关和关断过程电流波形tstdtrtfttiGt0t1t2t3t4t5t6t0IAiA90%IA10%IAt061（4）关断时间toff

储存时间和下降时间之和3.GTO的主要参数（1）最大可关断阳极电流IATO

GTO额定电流（2）电流关断增益off最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。boff=ATOIGM___________I(1-8)（3）开通时间ton

延迟时间与上升时间之和621.4.2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），英文有时候也称为PowerBJT。

应用20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。术语用法：63PowerElectronics1.4.2电力晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管1.GRT的结构和工作原理P基区N漂移区衬底集电极c基极b发射极e基极bcbe图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a)内部结构断面图b)电气图形符号c)内部载流子的流动a)b)

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。64PowerElectronics电子流空穴流EcEbic=βibibie=(1+β)ibc)图1-15GTR的内部载流子的流动c)内部载流子的流动GRT共发射极接法时内部主要载流子的流动，集电极电流ic与基电流ib之比为β=(1-9)β为GRT的电流放大系数，当考虑到集电极和发射极间的电流Iceo时，ic与ib关系为

ic=

βib+Iceo

(1-10)单管GRT的β值比处理信息用的小功率的晶体管小采，用达林顿接法可以有效增大电流增益65PowerElectronics2.GRT的基本特性图1-16共发射极接法时GTR的输出特性ib2ib1ib3ib1<ib2<ib3截止区Ic0Uce饱和区放大区开关状态工作在截止区或饱和区开关过程在截止区或饱和区过渡时，要经过放大区静态特征66PowerElectronicsGTR用基极电流控制电极电流动态特征trtdtstontftoff90%Icsic10%IcsIb2t0t1t2t3t4t5t90%Ib110%Ib1Ib1t00ib图1-17GTR的开关和关断过程电流波形开通延迟时间td上升时间tr关断储存时间ts下降时间tf减小导通时的饱和深度或增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可以缩短储存时间，加快关断速度。增大基极驱动电流ib的幅值并增大dib/dt，可以缩短延迟时间和上升时间，加快开通过程。67PowerElectronics3.GRT的主要参数（1）最高工作电压发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压BUcbo

基极开路时集电极和发射极间的击穿电压BUceo发射极与基极间用电阻连接或短路连接时集电极和发射极间的击穿电压BUcer和BUces发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压BUcex

BUcbo

>BUcex>BUces

>BUcer>BUceo

（2）集电流最大允许电流IcM

直流电流放大系数hFE下降到规定值得1/2~1/3时，所对应的Ic为集电流最大允许电流（3）集电流最大耗散功率PcM

最高工作温度允许的耗散功率68PowerElectronics一次击穿集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象一次击穿后只要Ic不要超过最大允许耗散功率相对应的限度，GTR一般不会损坏二次击穿一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，电压突然下降的现象二次击穿常常立即导致器件的永久损坏，对GTR危害极大4.GRT的二次击穿现象与安全工作区69PowerElectronicsSOAIcIcMPSBPcMUceMUce0图1-18GTR的安全工作区GTR的安全工作区二次击穿临界线GTR工作时不能超过最高电压集电极最大电流最大耗散功率701.4.3电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型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）

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。电力场效应晶体管71PowerElectronics1.电力MOSFET的结构和工作原理耗尽型

栅极电压为零时漏源极之间存在导电沟道增强型

栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道单极型晶体管电力MOSFET导通是时只有一种极性的载流子参与导电电力MOSFET垂直导电利用V型槽实现垂直导电具有垂直导电双扩散MOS结构小功率MOS横向导电P沟道N沟道电力MOSFET种类1.4.3电力场效应晶体管72PowerElectronicsDGSN沟道DSGP沟道PN+N+N-N+N+N+P沟道SGDa)b)图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)电气图形符号73PowerElectronics2.电力MOSFET的基本特征(1)静态特征图1-20电力MOSFET电气符号和转移特性a)电气图形符号b)转移特性

a)b)GSDVGS+-VDS+-n-channel504030201002468UGS/VID/A(1-11)74PowerElectronicsc)504030201001020304050UGS/VID/AUGS=UT=3VUGS=8VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7V饱和区非饱和区截止区图1-20c)电力MOSFET输出特性

漏源电压增加时漏极电流不再增加饱和非饱和漏源电压增加时漏极电流相应增加MOSFET在漏极和源极之间形成一个反向并联的寄生二极管，与MOSFET构成整体，使得在漏、源极间加反向电压时器件导通。需要保持Vgs的值，以使电流通过，门电流为零，除了开关作用期间的充放电过程。开关时间短（几个ns-几百ns）。源漏极之间的导通电阻为阻断电压的函数。BVDSS（BlockingVoltage）缺点是导通电阻较大。Rds（on）=kBVss2.5-2.7，k取决于器件的几何尺寸，正的温度特性。75开通过程开通延迟时间td(on)

上升时间tr开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和关断过程关断延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf图1-21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(2)

动态特性76

MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。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。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。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关速度773电力MOSFET的主要参数

——电力MOSFET电压定额(1)

漏极电压UDS

(2)

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额(3)栅源电压UGS——UGS>20V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：

(4)

极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS781.4.4绝缘栅双极晶体管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-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。GTR和GTO的特点——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。MOSFET的优点——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。79绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）—

GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有良好的特性。1.IGBT的结构和工作原理PN+N+N-N+N+N+P缓冲区J2GEJ3J1P+漂移区注入区C集电极发射极栅极GEIDRon+－ICIDRNVJI+－C－+ECG图1-22IGBT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a)b)c)80

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：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。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。

IGBT的原理81a)b)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2IGBT的基本特性(1)

IGBT的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。82ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBT的开通过程

与MOSFET的相似开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr

开通时间tonuCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。

tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；

tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。(2)

IGBT的动态特性83图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间td(off）电流下降时间

关断时间toff电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。

IGBT的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM843.IGBT的主要参数最大集射极间电压UCES

由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压决定

最大集电极电流额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP最大集电极功耗PCM

正常工作温度下允许的最大耗散

IGBT的特性和参数特点

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。

相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。通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。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。85IGBT的特性和参数特点可以总结如下：开关速度高，开关损耗小。相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。通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。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。864.IGBT的擎住效应和安全区擎住效应（自锁效应）

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。动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。87安全区PN+N+N-N+N+N+P缓冲区J2GEJ3J1P+漂移区注入区C集电极发射极栅极图1-22IGBT的结构a)内部结构断面示意图反向偏置安全工作区最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大允许电压上升率确定IGBT在阻断工作状态的参数极限范围。

IGBT与反并联快速二极管封装在一起制成模块，成为逆导器件。正向偏置安全工作区最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定IGBT在导通工作状态的参数极限范围。88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——电力二极管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

本章小结891.5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功率模块与集成电路901.5.1MOS控制晶闸管MCT高输入阻抗低驱动功率快速开关过程高电压大电流低导通压降

MOSFET晶闸管

MCT具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降的特点。

关键技术问题没有突破，电压、电流容量未达到预期效果。MOS控制晶闸管911.5.2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。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。SIT（StaticInductionTransistor）——结型场效应晶体管921.5.3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一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）——场控晶闸管（FieldControlledThyristor—FCT）931.5.4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。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。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。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）941.5.5

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。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）。基本概念951.5.5

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961.5.5

功率模块与功率集成电路功率集成电路的主要技术难点：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。发展现状97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——电力二极管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

本章小结981.6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991.6.1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。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。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。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。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。驱动电路——主电路与控制电路之间的接口1001.6.1电力电子器件驱动电路概述驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，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1011.6.1电力电子器件驱动电路概述按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。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，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类1021.6.2晶闸管的触发电路晶闸管触发电路作用

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。晶闸管触发电路应满足下列要求触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

典型的触发电路有KJ004,TCA785103理想触发脉冲电流波形IMIt3t2t1t4t图1-22理想的晶闸管触发脉冲电流波t1~t2—脉冲前沿上升时间(<1μs)t1~t3

—强脉冲宽度IM—强脉冲幅值(3IGT~5IGT

)t1~t4—脉冲宽度I—脉冲平顶幅值(1.5IGT~2IGT

)V2R3R2R1R4+E1+E2V1VD2VD1VD3TM图1-27常见的晶体管触发电路1041.电流驱动型器件的驱动电路

1)GTO

ttuGti00图1-28推荐的GTO门及电压电流波形需施加负门极电流，对幅值和陡度要求更高开通触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，需在整个导通极期间施加正门极电流。关断驱动电路开通驱动电路关断驱动电路门极反偏电路脉冲变压器耦合式直接耦合式105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，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。图1-29典型的直接耦合式GTO驱动电路106ttb0图1-30理想的GTR基极驱动电流波形开通GTR的基极驱动电流应使其处于准饱和状态，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管段损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值的负偏压。2)GTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分107

二极管VD2和电位补偿二极管VD3构成贝克箝位电路，也即一种抗饱和电路，负载较轻时，如V5发射极电流全注入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Ubc≈0。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。图1-31GTR的一种驱动电路1082.电压驱动型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件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。图1-32电力MOSFET的一种驱动电路(1)MOSFET电压驱动109(2)IGBT的驱动图1-33M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。

多采用专用的混合集成驱动器。110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——电力二极管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

本章小结1111.7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（SnubberCircuit）1121.7.1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操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，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。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。电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压113

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电路过电压保护措施114直流侧阀侧网侧CdcRdcRaRaCaCa~+-CdcRdcRaRaCaCa+-~图1-35RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相

a)b)RC过电压抑制电路网侧

阀侧

电力电子电路的直流侧供电变压器接于或接于R2R1C1C2电力电子装置过电压抑制电路图1-36反向阻断式过电压抑制用RC电路1151.7.2过电流保护过电流——过载和短路两种情况保护措施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1161.7.2过电流保护全保护：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。短路保护：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，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。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种1171.7.3缓冲电路缓冲电路（吸收电路）作用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（du/dt抑制电路）用于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（di/dt抑制电路）用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗缓冲电路复合缓冲电路

将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起耗能式缓冲电路

缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上馈能式缓冲电路（无损吸收电路）

缓冲电路中储能元件的能量回馈给负载或电流118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)波形通常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119无缓冲电路V开通

电流迅速上升，