第二章电力电子器件

电子技术的基础

介绍各种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的一些问题

简要概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题本章主要内容：

电力电子器件

电力电子电路的基础电子器件：晶体管和集成电路引言电力电子器件第2章1电力电子器件的概述1

电力电子器件的概念和特征2

应用电力电子器件的系统组成3

电力电子器件的分类

2电力电子器件的概念和特征

电力电子电路的基础——电力电子器件概念:电力电子器件（powerelectronicdevice）——可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件主电路（mainpowercircuit）——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广义上分为两类:

电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)

半导体器件(采用的主要材料仍然是硅)33.同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。电力电子器件一般都工作在开关状态。实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。

电力电子器件的概念和特征4应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成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电气隔离控制电路5电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）不可控器件电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。6

按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：

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：

1)

电流驱动型

1)

单极型器件电力电子器件的分类2)

电压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)

双极型器件3)

复合型器件由一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由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件7不可控器件—功率二极管2.11一、功率二极管工作原理和静态伏安特性2二、功率二极管的动态特性3三、功率二极管的参数4四、功率二极管的主要类型8PN结与电力二极管的工作原理

基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体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的从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装图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9

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——PN结的状态10电力二极管的基本特性1.

静态特性主要指其伏安特性门槛电压UTO，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。

11电力二极管的基本特性2.

动态特性正向恢复时间tfr延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：tRR=td+tf12电力二极管的主要参数1.正向平均电流IF2.

正向压降UF3.

反向重复峰值电压URRM4.

最高工作结温TJM5.

反向恢复时间tRR6.

浪涌电流Isur

13电力二极管的主要类型普通二极管（GeneralPurposeDiode）2.快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）3.肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）14半控器件—晶闸管1

晶闸管的结构与工作原理2

晶闸管的基本特性3晶闸管的主要参数4

晶闸管的派生器件2.215晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件半控器件—晶闸管16晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号17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18晶闸关的结构与工作原理实验1、实验电路2、实验结果（1）

UAK<0UGK任意或者UAK>0UGK≤0时电路处于关断状态（2）

UAK>0UGK>0导通（3）

导通后，UGK断开，晶闸管仍导通，G失去控制作用。（4）

R↑→I↓→晶闸管断开UAK≤0或Ia<IH

IH

（维持电流）：当门极断开后，维持晶闸管导通所需的最小阳极电流。AKGEGEA19晶闸关的结构与工作原理可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：承受反向阳极电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向阳极电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。UAK>0且UGK>0

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。门极只需加脉冲信号而无须连续信号，称触发信号要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。Ia<IHSCR具有单向导电性20其他几种可能导通的情况：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过高结温较高光直接照射硅片，即光触发只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段晶闸管的结构与工作原理211.晶闸管的伏安特性

第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性（1）Direct:UDRM——正向重复峰值电压UDSM——正向不重复峰值电压Ubo——正向转折电压门极电流幅值增加，正向转折电压降低UDRM≈0.9UDSM（2）Reverse:URRM——反向重复峰值电压URSM——反向不重复峰值电压URRM≈0.9URSM图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG晶闸管的基本特性222.动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的基本特性延迟时间上升时间反向阻断恢复时间正向阻断恢复时间231.电压定额晶闸管的主要参数（补充）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，额定电压要留有一定裕量,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。1)

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。2)

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。3)

通态（峰值）电压UTM——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。242.电流定额晶闸管的主要参数1)

通态平均电流IT(AV)

①IT（AV）的概念——平均值晶闸管在环境温度为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。②电流波形系数Kf的概念

Kf=I/IdI——有效值Id——平均值正弦半波的波形系数为：

Kf’=I/Id=1.5725晶闸管的主要参数③已知IT（AV）、波形求Id实际波形的电流有效值≤

IT（AV）允许的电流有效值

I≤ItnKf*Id≤1.57IT（AV）∴Id≤1.57IT（AV）/Kf例：设某晶闸管的额定电流IT(AV)=100A，其上流过电流如图所示，问允许的电流平均值是多少？26④已知波形的Im或I选择晶闸管的IT（AV）实际波形的电流有效值≤

IT（AV）允许的电流有效值

I≤Itn=1.57IT（AV）∴IT（AV）≥I/1.57考虑安全裕度IT（AV）≥（1.5~2）*I/1.57例：设流过晶闸管的电流如图所示，Im=100A，则应选择IT（AV）多大？晶闸管的主要参数27晶闸管的主要参数2）其他电流参数①维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。

②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。283.动态参数晶闸管的主要参数——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。——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，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。(2)通态电流临界上升率di/dt

在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。(1)断态电压临界上升率du/dt

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：

29晶闸管的派生器件双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性30作业：1.图1中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。2.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶闸管能送出的平均电流Id1、Id2、Id3各为多少？这时，相应的电流最大值Im1、Im2、Im3各为多少?图1晶闸管导电波形31典型全控型器件

2.3

门极可关断晶闸管(GTO)

2.4

电力晶体管(GTR)

2.5

电力场效应晶体管(PowerMOSFET)

2.6

绝缘栅双极晶体管(IGBT)32门极可关断晶闸管(GTO)门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—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2.3331.GTO的结构和工作原理门极可关断晶闸管同普通晶闸管一样，GTO也可由门极脉冲触发导通。并且一旦导通，再无任何门极脉冲作用下仍保持导通态。与晶闸管不同的是，GTO能够在负的门极电压作用下引起足够大的负门控电流而关断。342.GTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间td和上升时间tr。图1-14GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管35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tf

。残存载流子复合——尾部时间tt

。GTO的开通和关断过程电流波形门极可关断晶闸管363.GTO在应用中要特别注意几个问题（1）明确驱动信号的要求：门极导通和门极关断波形。（2）驱动电路的电源电压的选择。（3）吸收电路的合理设计。（4）吸收电路杂散电感的消除。（5）设计阳极电路的电抗器等。门极可关断晶闸管37术语用法：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。在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效。

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。电力晶体管(GTRorBJT)2.4381.

GTR的结构和工作原理图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动电力晶体管(GTRorBJT)2.4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。392.GTR的基本特性

(1)

静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。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，要经过放大区图1-16共发射极接法时GTR的输出特性电力晶体管40(2)

动态特性开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。关断过程储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff

。图1-17GTR的开通和关断过程电流波形电力晶体管413.GTR的主要参数

1)

最高工作电压

BUcbo>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。2)

集电极最大允许电流IcM3)

集电极最大耗散功率PcM电力晶体管424.GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿

二次击穿安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）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。电力晶体管43

MetalOxideSemiconductorFET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（可达100KHz）。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。2.5功率场效应晶体管(PowerMOSFET)441.电力MOSFET的结构和工作原理

电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道

按栅极电压为零时是否存在导电沟道分为耗尽型和增强型电力场效应晶体管45电力MOSFET的结构电力场效应晶体管图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。导电：漏源极间加正电源，在栅源极间加正电压UGS461)

静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。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MOSFET的基本特性电力场效应晶体管47MOSFET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）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48电力场效应晶体管2)

动态特性49开通过程开通延迟时间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tr——uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和。电力场效应晶体管50关断过程关断延迟时间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tf——

uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGS<UT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和。电力场效应晶体管513.电力MOSFET的主要参数

电力场效应晶体管——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——栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。

524)

极间电容

极间电容CGS、CGD和CDS

电力场效应晶体管5）安全工作区漏源间的耐压、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。53绝缘栅双极功率晶体管（IGBTorIGT)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，电流容量小耐压低。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）2.6541.IGBT的结构和工作原理图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)电气图形符号绝缘栅双极晶体管IGBT的结构三端器件：栅极G、集电极C和发射极E55IGBT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：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。导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。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。绝缘栅双极晶体管562.IGBT的基本特性

1)

IGBT的静态特性绝缘栅双极晶体管输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th))572)

IGBT的动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM绝缘栅双极晶体管58IGBT的特性和参数特点可以总结如下：绝缘栅双极晶体管(1)

开关速度高，开关损耗小。(2)易于并联(3)

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。(4)

通态压降比VDMOSFET低。(5)

输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(6)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。59绝缘栅双极晶体管三、IGBT的过载能力

IGBT的短路特性

通过该试验电路获得一个结果：IGBT器件的饱和压降越高，其允许的短路时间越长，60擎住效应或自锁效应：绝缘栅双极晶体管——栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增加造成器件功耗过高而损坏。电流失控现象。引起擎住效应的原因：集电极电流过大（静态擎住效应）duCE/dt过大（动态擎住效应）4.IGBT的擎住效应61容量工作频率驱动功率类别GTO大低需很大反向驱动电流全控电流驱动双极型GTR中中大二次击穿全控电流驱动双极型电力MOS小高小静电感应全控电压驱动单极型IGBT中比GTR高比GTR小擎住效应全控电压驱动复合型62集成门极换流晶闸管IGCTIGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）20世纪90年代后期出现，结合了GTR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。IGCT在导通期间发挥晶闸管的性能,关断阶段呈类似晶体管的特性。IGCT具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低的特点。2.763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。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）。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（HighVoltageIC——HVIC）智能功率集成电路（SmartPowerIC——SPIC）智能功率模块（IntelligentPowerModule——IPM）2.864电力电子器件的保护驱动电路1

电力电子器件驱动电路概述2

晶闸管的触发电路典型全控型器件的驱动电路过电压的产生及过电压保护过电流保护2.1065电力电子器件驱动电路概述驱动电路——主电路与控制电路之间的接口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。66

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。电力电子器件驱动电路概述67晶闸管的触发电路作用：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。晶闸管触发电路应满足下列要求：

1)触发信号可以是交流直流或脉冲，常采用脉冲形式。

2)触发脉冲必须有足够的电压和电流。

3)触发脉冲要有足够的宽度（考虑掣住电流）。

4)触发脉冲必须与主回路电源同步。

5)触发脉冲的移相范围应满足变流装置的要求。

6)动态响应快，抗干扰能力强，温度稳定性好。68过电压的产生及过电压保护电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内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：由分闸