1、1電力電子技術電力電子技術23電力電子器件的概念及分類電力電子器件的概念及分類全控型電力電子器件全控型電力電子器件-IGBT半控型電力電子器件半控型電力電子器件-晶閘管晶閘管電力電子器件的驅動電力電子器件的驅動電力電子器件的保護電力電子器件的保護電力電子器件的串聯和并聯電力電子器件的串聯和并聯41.1 1.1 電力電子器件概念及分類電力電子器件概念及分類電力電子器件電力電子器件可直接用于處理電可直接用于處理電能的主電路中能的主電路中,實現電能的變換或控制實現電能的變換或控制的電子器件的電子器件5 能處理電功率的大小能處理電功率的大小, ,即承受電壓和電流的能力即承受電壓和電流的能力, ,是器件

2、最重要的參數是器件最重要的參數1.1.1 1.1.1 電力電子器件的特征電力電子器件的特征 電力電子器件一般工作在開關狀態電力電子器件一般工作在開關狀態 電力電子器件常常需要信息電子電路來控制電力電子器件常常需要信息電子電路來控制 電力電子器件的功率損耗通常比信息電子電路器電力電子器件的功率損耗通常比信息電子電路器件的大件的大61.1.2 1.1.2 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制的程按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度度, ,分為三類分為三類: :(1(1）不可控器件）不可控器件不能用控制信號來控制不能用控制信號來控制其通斷其通斷, ,因此也就不需要驅

3、動電路（二極管）因此也就不需要驅動電路（二極管）(2(2）半控型器件）半控型器件通過控制信號可以控制通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷（晶閘管）其導通而不能控制其關斷（晶閘管）(3(3）全控型器件）全控型器件通過控制信號既可控制通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷其導通又可控制其關斷 , ,又稱自關斷器件又稱自關斷器件（MOSFETMOSFET、IGBTIGBT）7按照加在器件控制端驅動信號的性質按照加在器件控制端驅動信號的性質, ,分為兩類分為兩類(1)(1)電流驅動型電流驅動型通過從控制端注入或者抽出電流通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷的控制來實現導通或者關斷的控

4、制(2)(2)電壓驅動型電壓驅動型僅通過在控制端和公共端之間施僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷加一定的電壓信號就可實現導通或者關斷按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類況分為三類(1)(1)單極型器件單極型器件(2)(2)雙極型器件雙極型器件(3)(3)復合型器件復合型器件81 1二極管是由一個二極管是由一個PNPN結組成的半導體元件結組成的半導體元件2 2二極管的基本特性二極管的基本特性: :單向導電性單向導電性3 3電力二極管的容量很大電力二極管的容量很大4 4分為普通整流二極管分為普通整流二極管,

5、 ,快速二極管等類快速二極管等類1.2 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管 91 1 靜態特性：穩態時陽極電流與其陽極陰極間電壓的關系靜態特性：穩態時陽極電流與其陽極陰極間電壓的關系. . U UB B : :雪崩擊穿電壓雪崩擊穿電壓U UTOTO: :門檻電壓門檻電壓,U,UF FUUTOTO時二極管導通時二極管導通1.2.11.2.1電力二極管的主要特性電力二極管的主要特性U UF F : :二極管正向電壓二極管正向電壓I IF F : :二極管正向電流二極管正向電流額定運行時額定運行時 U UF F* *I IF F決定通態損耗決定通態損耗101/2 1/2 動態特性動態特

6、性- -開通特性開通特性 反映器件在通態、斷態之反映器件在通態、斷態之間轉換過程中電流、電壓隨時間轉換過程中電流、電壓隨時間變化的特性間變化的特性, ,通常也稱為開關通常也稱為開關特性特性 二極管承受正向電壓時二極管承受正向電壓時, ,電電流經過一定時間才能達到穩態值流經過一定時間才能達到穩態值, ,這個時間這個時間t tfrfr就是正向恢復時間就是正向恢復時間, ,或稱開通時間或稱開通時間. .112/2 2/2 動態特性動態特性- -關斷特性關斷特性 1213正向平均電流正向平均電流I IF F（AVAV）指在規定的散熱條件與管殼溫度下指在規定的散熱條件與管殼溫度下, ,二二極管長期運行所

7、容許流過的最大工極管長期運行所容許流過的最大工頻頻正弦半波正弦半波電流的電流的平均值平均值. .這也是標這也是標稱器件額定電流的參數稱器件額定電流的參數. . 2) 2) 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓U URRM RRM U URRMRRM通常規定為雪崩擊穿電壓的通常規定為雪崩擊穿電壓的2/3.2/3.應用中所選二極管的反向重復峰值電應用中所選二極管的反向重復峰值電壓應為該二極管實際承受的反向電壓壓應為該二極管實際承受的反向電壓峰值的峰值的2-32-3倍倍. . 1.2.2 1.2.2 電力二極管的主要參數電力二極管的主要參數143) 3) 正向壓降正向壓降U UF F4) 4) 反向恢復

8、時間反向恢復時間t trrrr 一般稱反向恢復時間在一般稱反向恢復時間在5 5微秒以上的二極管為微秒以上的二極管為普通二極管普通二極管, ,反向恢復時間在反向恢復時間在5 5微秒以下的二極管微秒以下的二極管為快恢復二極管為快恢復二極管. .普通二極管多用于開關頻率在普通二極管多用于開關頻率在1 1kHzkHz以下的整流電路中以下的整流電路中. .在高頻開關電路中在高頻開關電路中, ,通常通常選擇二極管的選擇二極管的t trrrr為其開關周期的百分之一以下。為其開關周期的百分之一以下。二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩態正向電流時對應的正向壓降。正向電流時

9、對應的正向壓降。155) 5) 最高工作結溫最高工作結溫T Tjmaxjmax在規定電流和散熱條件下在規定電流和散熱條件下,PN,PN結不致損壞條件下結不致損壞條件下所能承受的最高平均溫度所能承受的最高平均溫度 161.3 1.3 半控型電力電子器件半控型電力電子器件晶閘管晶閘管晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件17 外形有螺栓型和平板型兩外形有螺栓型和平板型兩種封裝種封裝 引出陽極引出陽極A A、陰極、陰極K K和門極和門極（控制端）（控制端）G G三個聯接端三個聯接端 對于螺栓型封裝對

10、于螺栓型封裝, ,通常螺通常螺栓是其陽極栓是其陽極, ,另一端較粗另一端較粗的是陰極的是陰極, ,細的是門極細的是門極 平板型封裝的晶閘管平板型封裝的晶閘管, ,兩兩個平面分別是陽極和陰極個平面分別是陽極和陰極, ,細長端是門極細長端是門極1.3.1 1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3a)a)外形外形b)b)結構結構c)c)電氣符號圖電氣符號圖1.1.晶閘管的結構晶閘管的結構182.2.晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理A A、K K接正向電壓接正向電壓, ,燈泡不燃亮燈泡不燃亮A A、K K接正向電壓接正向電

11、壓,G,G、K K接負電壓接負電壓, ,燈泡不燃亮燈泡不燃亮A A、K K接正向電壓接正向電壓,G,G、K K接正電壓接正電壓, ,燈泡燃亮燈泡燃亮A A、K K接負向電壓接負向電壓, ,燈泡不燃亮燈泡不燃亮A A、K K接負向電壓接負向電壓, ,無論無論G G、K K接何種電壓燈泡不燃亮接何種電壓燈泡不燃亮燈泡燃亮后燈泡燃亮后, ,撤除撤除G G、K K間電壓或間電壓或G G、K K間接負向電壓間接負向電壓, ,燈泡仍然燃亮燈泡仍然燃亮燈泡燃亮后燈泡燃亮后, ,撤除撤除A A、K K間電壓或間電壓或A A、K K接負向電壓接負向電壓, ,燈泡熄滅燈泡熄滅1)1)晶閘管的導通實驗晶閘管的導通實

12、驗192)2)晶閘管的通斷規律晶閘管的通斷規律當晶閘管承受陽極反向電壓時當晶閘管承受陽極反向電壓時,無論門極是否有觸發電無論門極是否有觸發電流流,晶閘管都處于關斷狀態晶閘管都處于關斷狀態當晶閘管承受陽極正向電壓時當晶閘管承受陽極正向電壓時,僅在門極有觸發電流的僅在門極有觸發電流的情況下，情況下，,晶閘管才能導通。晶閘管才能導通。晶閘管一旦導通晶閘管一旦導通,門極就失去控制作用。門極就失去控制作用。要使晶閘管關斷要使晶閘管關斷,必須去掉陽極正向電壓必須去掉陽極正向電壓,或者給陽極施或者給陽極施加反壓加反壓,或者降低正向陽極電壓或者降低正向陽極電壓,使通過晶閘管的電流降使通過晶閘管的電流降低到接近

13、于低到接近于0的某一數值以下的某一數值以下當門極未加觸發電壓時當門極未加觸發電壓時,晶閘管具有正向阻斷能力晶閘管具有正向阻斷能力20RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 晶閘管內部是晶閘管內部是PNPNPNPN四層半導體結四層半導體結構（構（P1,N1P1,N1，P2, P2, N2N2）. .如果施加陽如果施加陽極正向電壓極正向電壓, ,則則J2J2處于反向偏置狀態處于反向偏置狀態, ,器件關斷；如果施器件關斷；如果施加陽極反向電加陽極反向電壓壓,J1,J1、J3J3處于反處于反向偏置狀態向偏置

14、狀態, ,器件器件關斷關斷. .3)3)晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理J2J1J321NPNPNPAGSKEGIGIKIc2Ic1IAV1V2晶閘管的導通可以用雙晶體晶閘管的導通可以用雙晶體(P1N1P2和和N1P2N2）模來解釋）模來解釋.門極注入電流門極注入電流IG,IG流入晶體管流入晶體管V2的基極的基極,那么在那么在V2的集電極產生電流的集電極產生電流IC2,而而IC2又是晶又是晶體管體管V1的基極電流的基極電流,放大成集電極電流放大成集電極電流IC1,進進一步增大了一步增大了V2的基極電流的基極電流,形成了強烈的正反形成了強烈的正反饋饋,最后最后V1、V2進入飽和狀態進入飽和狀態,

15、晶閘管導通晶閘管導通.當晶閘管導通后當晶閘管導通后,撤除門極電流撤除門極電流,由于晶由于晶體管內部已經形成了強烈的正反饋體管內部已經形成了強烈的正反饋.所以管子所以管子仍然導通；若要使晶閘管關斷則必須撤除陽仍然導通；若要使晶閘管關斷則必須撤除陽極的正電壓極的正電壓,或者給陽極施加反電壓或者給陽極施加反電壓,或者使流或者使流過晶閘管的電流降低為零或低于某一數值過晶閘管的電流降低為零或低于某一數值.晶閘管的驅動過程稱為晶閘管的驅動過程稱為觸發觸發。22式中式中 1和和 2分別是晶體管分別是晶體管V1和和V2的的共基極電流增益共基極電流增益;ICBO1和和ICBO2分別是分別是V1和和V2的共基極漏

16、電流的共基極漏電流.由以上式由以上式(1-1)-(1-4)可可得得 晶體管的特性是晶體管的特性是:在低發射極電流下在低發射極電流下 是很小的是很小的,而當發射極電流建立起來之而當發射極電流建立起來之后后, 迅速增大迅速增大.) 51 ()(121CBO2CBO1G2AIIII晶閘管的工作方程晶閘管的工作方程Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + ICBO2 （1-2）IK=IA+IG （1-3）IA=Ic1+Ic2 （1-4）23 陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應 陽極電壓上升率陽極電壓上升率du/dt過高過高 結溫較高結溫

17、較高 光直接照射硅片光直接照射硅片,即光觸發即光觸發.光觸發可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣，光觸發可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣，而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。除此之外）。除此之外,其它都因不易控制而難以應用于實踐其它都因不易控制而難以應用于實踐,只有門極觸發（包括光觸發）是最精確、迅速而可靠只有門極觸發（包括光觸發）是最精確、迅速而可靠的控制手段的控制手段4)4)晶閘管其它導通情況晶閘管其它導通情況241.3.2 1.3.2 晶閘管的基本特性晶閘管的基本特性1. 1.

18、晶閘管的靜特性晶閘管的靜特性正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG第第I I象限是正向特性象限是正向特性, ,第第IIIIII象限是反向性象限是反向性URSM反向不重復峰值電壓反向不重復峰值電壓URRM 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓UDRM 正向重復峰值電壓正向重復峰值電壓UDSM 正向不重復峰值電壓正向不重復峰值電壓Ubo 正向轉折電壓正向轉折電壓IH 維持電流維持電流I IG 門極觸發電流門極觸發電流25正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDR

19、MURRMURSMI IG G=0=0時時, ,器件兩端施加正向電壓器件兩端施加正向電壓, ,正正向阻斷狀態向阻斷狀態, ,只有很小的正向漏電只有很小的正向漏電流流過流流過, ,正向電壓超過臨界極限即正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓正向轉折電壓U Ubobo, ,則漏電流急劇增則漏電流急劇增大大, ,器件開通器件開通導通期間導通期間, ,如果門極電流為零如果門極電流為零, ,并且并且陽極電流降至接近于零的某一數值陽極電流降至接近于零的某一數值I IH H以下以下, ,則晶閘管又回到正向阻斷則晶閘管又回到正向阻斷狀態狀態.I.IH H稱為維持電流稱為維持電流 晶閘管上施加反向電壓時晶閘管上施加

20、反向電壓時, ,伏安特性類伏安特性類似二極管的反向特性。似二極管的反向特性。26100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.晶閘管的動態特性晶閘管的動態特性開通時間開通時間: :t tgtgt= =t td d+ +t tr r t td d =0.5-1.5=0.5-1.5 s st tr r =0.5-3 =0.5-3 s s關斷時間關斷時間: : t tq q= =t trrrr+ +t tgr gr 約約幾百微秒幾百微秒T Td d延遲時間；延遲時間；t tr r上升時間；上升時間；t trrrr反向阻斷恢復時間；反向阻斷恢復時間；t tgrgr正正

21、向阻斷恢復時間向阻斷恢復時間t tgtgtt tq q？271.3.3 1.3.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數1.1.電壓定額電壓定額斷態重復峰值電壓斷態重復峰值電壓U UDRMDRM - 在門極斷路在門極斷路而結溫為額定值時而結溫為額定值時, ,允許重復加在器允許重復加在器件上的正向峰值電壓件上的正向峰值電壓. .反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓U URRMRRM - 在門極斷路在門極斷路而結溫為額定值時而結溫為額定值時, ,允許重復加在器允許重復加在器件上的反向峰值電壓件上的反向峰值電壓. . 通態通態( (峰值峰值) )電壓電壓U UTMTM - 晶閘管通以某一晶閘管通以某一規定倍

22、數的額定通態平均電流時的瞬規定倍數的額定通態平均電流時的瞬態峰值電壓態峰值電壓. .28 通常取晶閘管的通常取晶閘管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中較小的標值作中較小的標值作為該器件的額定電壓為該器件的額定電壓. .選用時選用時, ,額定電壓要額定電壓要留有一定裕量留有一定裕量, ,一般取額定電壓為正常工作一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓時晶閘管所承受峰值電壓2-32-3倍倍292.2.電流定額電流定額（1 1）通態平均電流）通態平均電流I IT(AV)T(AV)晶閘管在環境溫度為晶閘管在環境溫度為4040 C C和和規定的冷卻狀態下規定的冷卻狀態下, ,穩定穩定結溫

23、不超過額定結溫結溫不超過額定結溫時所允許時所允許流過的最大流過的最大工頻工頻正弦半波正弦半波電流的電流的平均值平均值1 1）計算實際波形的有效值）計算實際波形的有效值2 2）根據有效值相等的原則）根據有效值相等的原則, ,計算出定義波形下的平均值計算出定義波形下的平均值3 3）將計算值乘以）將計算值乘以1.51.5或或2,2,即為所選晶閘管的電流定額即為所選晶閘管的電流定額使用時應按實際電流使用時應按實際電流( (非正弦波非正弦波) )與通態平均電流與通態平均電流有有效值相等的原則效值相等的原則來選取晶閘管來選取晶閘管, ,因此要進行相應的換因此要進行相應的換算算選擇使應留一定的裕量選擇使應留

24、一定的裕量, ,一般取換算結果的一般取換算結果的1.5-21.5-2倍倍0)()(sin21MMAVTIttdII2)()sin(2102MMItdtII根據通態平均電流根據通態平均電流I IT(AV)T(AV)的定義的定義, ,當電流的峰值為當電流的峰值為I IM M時時20IMIT(AV)t3031而對于某一不是半波導通的電流波形，其有效值與平均值而對于某一不是半波導通的電流波形，其有效值與平均值的比值為僅稱為波形系數的比值為僅稱為波形系數K Kf f57. 12/2/)(0MMAVTfIIIIK例如例如, ,一只額定電流一只額定電流I IT(AV)T(AV)=100A=100A的晶閘管的

25、晶閘管, ,在定義規定的半在定義規定的半波導通的工況下，允許通過的電流有效值為波導通的工況下，允許通過的電流有效值為I=157AI=157A在在I IT(AV)T(AV)的定義下，即電流為半波時，有效值與平均值的的定義下，即電流為半波時，有效值與平均值的比值為稱為波形系數比值為稱為波形系數K Kf0f0322/2)(sin21MMdIttdII22)()sin(212/2MMItdtII22. 22dfIIK例例: :通過晶閘管的實際波形如圖通過晶閘管的實際波形如圖, ,求其電流平均值求其電流平均值I Id d, ,電流有效值電流有效值I,I,波形系數波形系數K Kf f. .當不考慮安全裕量

26、時當不考慮安全裕量時, ,求選擇晶閘管的電流定額求選擇晶閘管的電流定額20IMIT(AV)2/t33所謂有效值相等的原則，就是針對某一特定波形，當該波形的有所謂有效值相等的原則，就是針對某一特定波形，當該波形的有效值與半波導通波形的有效值相等，求該電流平均值效值與半波導通波形的有效值相等，求該電流平均值 。上例中，根據電流有效值相等的原則，先計算波形的有效值上例中，根據電流有效值相等的原則，先計算波形的有效值I I，然，然后將該有效值后將該有效值I I作為到正弦半波電流的有效值，再計算正弦半波的平作為到正弦半波電流的有效值，再計算正弦半波的平均值：均值：44. 457. 122/0)(MMfA

27、VTIIKII此例中此例中, ,如果選用電流定額為如果選用電流定額為100A100A的晶閘管的晶閘管, ,如果不如果不考慮裕量，那么實際允許的平均電流是多少？考慮裕量，那么實際允許的平均電流是多少？所以，對于上述電流波形，當不考慮安全裕量時所以，對于上述電流波形，當不考慮安全裕量時, ,選擇晶閘管的選擇晶閘管的電流定額為電流定額為I IM M/4.44/4.4434特定波形下特定波形下, ,導通角導通角不同不同, ,平均值與有效值關系平均值與有效值關系也不一樣也不一樣, ,波形系數與定義情況下有所不同波形系數與定義情況下有所不同,越小波越小波形系數越大形系數越大, ,電流平均值電流平均值I I

28、d d、有效值、有效值I I、波形系數、波形系數K Kf f具具有如下關系有如下關系: :I=KI=Kf f I Id d選擇原則為選擇原則為: :使實際電流波形的有效值等于定義波使實際電流波形的有效值等于定義波形形( (半波半波) )的有效值的有效值I=KI=Kf0f0I Id d=1.57I=1.57IT(AV)T(AV) 。如選擇的晶閘。如選擇的晶閘管電流定額管電流定額I IT(AV)T(AV) =100A =100A，則，則I=157AI=157A，則上例中，則上例中I Id d=I/K=I/Kf f=157/K=157/Kf f=157/2.22=71A=157/2.22=71A35

29、(4)(4)浪涌電流浪涌電流I ITSMTSM: :指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流定結溫的不重復性最大正向過載電流. .(2)(2)維持電流維持電流I IH H: :使晶閘管維持導通所必需的最小電流使晶閘管維持導通所必需的最小電流, ,一般為一般為幾十到幾百毫安幾十到幾百毫安, ,與結溫有關與結溫有關, ,結溫越高則結溫越高則I IH H越小越小. .(3)(3)擎住電流擎住電流 I IL L: :晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后晶閘管剛從斷態轉入通態并移除觸發信號后, , 能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘

30、管來說能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說, ,通常通常I IL L約為約為I IH H的的2-42-4倍倍. .36(1) (1) 斷態電壓臨界上升率斷態電壓臨界上升率du/dt.du/dt.指在額定結溫和門極開路的情況下指在額定結溫和門極開路的情況下, ,不導致晶閘不導致晶閘管從斷態到通態轉換的外加電壓最大上升率管從斷態到通態轉換的外加電壓最大上升率. .3.3.動態參數動態參數除開通時間除開通時間t tgtgt和關斷時間和關斷時間t tq q外外, ,還有還有: :(2)(2) 通態電流臨界上升率通態電流臨界上升率di/dtdi/dt指在規定條件下指在規定條件下, ,晶閘管能承受而

31、無有害影響的晶閘管能承受而無有害影響的最大通態電流上升率最大通態電流上升率. .371.3.4 1.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件1.1.快速晶閘管（快速晶閘管（FST)FST)包括所有專為快速應用而設計的晶閘包括所有專為快速應用而設計的晶閘管管, ,有快速晶閘管和高頻晶閘管有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結構和制造工藝進行了改進管芯結構和制造工藝進行了改進, ,開開關時間以及關時間以及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量都有明耐量都有明顯改善顯改善普通晶閘管關斷時間數百微秒普通晶閘管關斷時間數百微秒, ,快速晶快速晶閘管數十微秒閘管數十微秒, ,高頻晶閘管高頻晶閘管1010

32、 s s左右左右38高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不高定額都不高由于工作頻率較高由于工作頻率較高, ,選擇通態平均電流選擇通態平均電流時不能忽略其開關損耗的發熱效應時不能忽略其開關損耗的發熱效應39雙向晶閘的電氣符號和伏安特性2.2.雙向晶閘管雙向晶閘管可認為是一對反并聯聯可認為是一對反并聯聯接的普通晶閘管的集成接的普通晶閘管的集成, ,有有兩個主電極兩個主電極T T1 1和和T T2 2, ,一個門一個門極極G,G,正反兩方向均可觸發正反兩方向均可觸發導通導通, ,所以雙向晶閘管在第所以雙向晶閘管在第和第和第IIIIII象限有對稱的伏象限有對稱的伏安特

33、性安特性. .通常用在交流電路通常用在交流電路中中, ,因此不用平均值而用有因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值效值來表示其額定電流值. . 403.3.逆導晶閘管逆導晶閘管b)a)UOIKGAIG=0逆導晶閘管的電氣符號和伏安特性 將晶閘管反并聯一個二極管制作將晶閘管反并聯一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件；在同一管芯上的功率集成器件； 具有正向壓降小、關斷時間短、具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優點；高溫特性好、額定結溫高等優點； 逆導晶閘管的額定電流有兩個逆導晶閘管的額定電流有兩個,一一個是晶閘管電流個是晶閘管電流,一個是反并聯二極一個是反并聯二極管的電流

34、管的電流414.4.光控晶閘管（光控晶閘管（LTTLTT）光控晶閘管的電氣符號和伏安特性又稱光觸發晶閘管又稱光觸發晶閘管,是利用一定波長是利用一定波長的光照信號觸發導通的晶閘管的光照信號觸發導通的晶閘管光觸發保證了主電路與控制電路之光觸發保證了主電路與控制電路之間的絕緣間的絕緣,且可避免電磁干擾的影響且可避免電磁干擾的影響,因此目前在高壓大功率的場合因此目前在高壓大功率的場合,如高如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中壓直流輸電和高壓核聚變裝置中,占占據重要的地位據重要的地位421.4 典型全控型器件典型全控型器件 1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管* 1.4.2 電力晶體管電力晶體管*

35、1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 1.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管2020世紀世紀8080年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時年代以來，電力電子技術進入了一個嶄新時代。典型代表代。典型代表門極可關斷晶閘管、電力晶體管、門極可關斷晶閘管、電力晶體管、電力電力場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管場效應晶體管、絕緣柵雙極晶體管。常用的典型全控型。常用的典型全控型器件有：器件有：引言引言電力MOSFETIGBT單管及模塊431-441.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管Gate-Turn-Off Thyristor GTOGate-Turn-Off Thyristor GTO

36、）晶閘管的一種派生器件。晶閘管的一種派生器件。可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。GTOGTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。1-45結構：結構：與普通晶閘管與普通晶閘管的相同點：的相同點：PNPNPNPN四四層半導體結構，外層半導體結構，外部引出陽極、陰極部引出陽極、陰極和門極；不同點：和門極；不同點：GTOGTO是一種多元的是一種多元的功率集成器件。功率集成器件。圖1-13 GTO的內部結構和電氣圖形符號 a)

37、各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結構和工作原理的結構和工作原理1-46RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理工作原理：工作原理：與普通晶閘管與普通晶閘管一樣一樣, ,由由P1N1P2P1N1P2和和N N1P2N21P2N2構成的兩個構成的兩個晶體管晶體管V1V1、V2V2分別分別具有共基極電流增具有共基極電流增益益 1 1和和 2 2。 1+1+ 2 2=1=1是器件臨界導通是器件臨界導通的條件。的條件。1-47GTOGTO

38、能夠通過門極關斷的原能夠通過門極關斷的原因是其與普通晶閘管有如下區別因是其與普通晶閘管有如下區別：設計設計 2 2較大較大，使晶體管，使晶體管V2V2控控 制靈敏，易于關斷。制靈敏，易于關斷。導通時導通時 1+1+ 2 2更接近更接近1 1，導通，導通時接近時接近臨界飽和臨界飽和，有利門極控制，有利門極控制關斷，但導關斷，但導通時管壓降增大通時管壓降增大。 多元集成結構，使得多元集成結構，使得P2P2基區基區橫向電阻很小，橫向電阻很小，能從門極抽出較能從門極抽出較大電流。大電流。 RN P NP N PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b )圖1-7 晶閘管的工作原理1-48由上

39、述分析我們可以得到以下結論：由上述分析我們可以得到以下結論：GTOGTO導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通過程與普通晶閘管一樣，只是導通時飽和程度較淺。導通時飽和程度較淺。GTOGTO關斷過程中有強烈正反饋使器件退關斷過程中有強烈正反饋使器件退出飽和而關斷。出飽和而關斷。多元集成結構還使多元集成結構還使GTOGTO比普通晶閘管開比普通晶閘管開通過程快，承受通過程快，承受di/dtdi/dt能力強能力強 。1-49開通過程開通過程 關斷過程關斷過程Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6 圖1-14 GTO的開通和關斷過程電流波形2）GTO的動態特

40、性的動態特性1-503)GTO的主要參數的主要參數(1)(1)開通時間開通時間t tonon 延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般約1-1-2 2 s s，上升時間則隨通態陽極電流的增大而增大。，上升時間則隨通態陽極電流的增大而增大。(2)(2)關斷時間關斷時間t toffoff一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。下降時間一般小于時間。下降時間一般小于2 2 s s。1-51(3)(3)最大可關斷陽極電流最大可關斷陽極電流I IATOATO:GTO:GTO額定電流。額定電流。(4)(4)電流關斷增益電流關斷

41、增益 offoff: :最大可關斷陽極電流與門極最大可關斷陽極電流與門極負脈沖電流最大值負脈沖電流最大值IGMIGM之比稱為電流關斷增益。之比稱為電流關斷增益。 offoff一般很小，只有一般很小，只有5 5左右，這是左右，這是GTOGTO的一個主要缺的一個主要缺點點.1000A.1000A的的GTOGTO關斷時門極負脈沖電流峰值要關斷時門極負脈沖電流峰值要200A.200A. )81 ( GMATOoffII1-521.4.2 電力晶體管電力晶體管GTR( (略略) )1-531.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型分為結型和絕緣柵型通常主要指絕緣柵型中的通常主要指絕緣

42、柵型中的MOSMOS型（型（Metal Metal Oxide Semiconductor FETOxide Semiconductor FET）, ,簡稱電力簡稱電力MOSFETMOSFET（Power MOSFETPower MOSFET）結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（體管（Static Induction TransistorStatic Induction TransistorSITSIT）54電力率場效應管的結構和符號電力率場效應管的結構和符號D漏極,S源極,G柵極 N-漂移區或低摻雜N區，提高耐壓水平1-55 特點特點用柵極電壓來

43、控制漏極電流用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小。驅動電路簡單，需要的驅動功率小。開關速度快，工作頻率高。開關速度快，工作頻率高。熱穩定性優于熱穩定性優于GTRGTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW10kW的電力電子裝置。的電力電子裝置。1-56(1)(1)靜態特性靜態特性轉移特性轉移特性漏極電流漏極電流I ID D和柵源間電壓和柵源間電壓U UGSGS的關的關系稱為系稱為MOSFETMOSFET的轉移特性。的轉移特性。I ID D較大時，較大時，I ID D與與U UGSGS的關系近似線的關系近似線性，曲線的斜率

44、定義為跨導性，曲線的斜率定義為跨導G Gfsfs。010203050402468ID/AUTUGS/V圖1-20a)電力MOSFET的轉移2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性1-57輸出特性：輸出特性：工作區分為截止區、飽和區和非飽和區工作區分為截止區、飽和區和非飽和區工作在開關狀態，即在截止區和非飽和工作在開關狀態，即在截止區和非飽和區之間轉換。區之間轉換。漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通（單個反向電壓時器件導通（單個MOSMOS）。）。通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯通態電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。時的均流有

45、利。圖1-20b)電力MOS管的輸出特性1020305040010 20 305040飽和區非飽和區截止區UDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A1-58開通過程開通過程開通延遲時間開通延遲時間t td(on) d(on) 上升時間上升時間t tr r開通時間開通時間t tonon開通延遲時開通延遲時間與上升時間之和間與上升時間之和關斷過程關斷過程關斷延遲時間關斷延遲時間t td(off)d(off)下降時間下降時間t tf f關斷時間關斷時間t toffoff關斷延遲時關斷延遲時間和下降時間之和間和下降時間之和a）b)RsRGRFRLi

46、DuGSupiD信號+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf圖1-21 電力MOSFET的開關過程a) 測試電路 b) 開關過程波形up-脈沖信號源，Rs-信號源內阻，RG-柵極電阻，RL-負載電阻，RF-檢測漏極電流(2) (2) 動態特性動態特性1-59MOSFETMOSFET的開關速度的開關速度 MOSFET MOSFET的開關速度和的開關速度和C Cinin充放電有很大關系。充放電有很大關系。可降低驅動電路內阻可降低驅動電路內阻RsRs減小時間常數，加快開減小時間常數，加快開關速度。關速度。不存在少子儲存效應，關斷過程非常迅速。不存在少子儲存效應，

47、關斷過程非常迅速。開關時間在開關時間在10-100ns10-100ns之間，工作頻率可達之間，工作頻率可達100kHz100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態時幾乎不需輸入電流。但在開場控器件，靜態時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。1-603) 3) 電力電力MOSFETMOSFET的主要參數的主要參數除跨導除跨導G Gfsfs、開啟電壓、開啟電壓U UT T以及以及t td(on)

48、d(on)、t tr r、t td(off)d(off)和和t tf f之外還有：之外還有：(1)(1)漏極電壓漏極電壓U UDSDS ：電力：電力MOSFETMOSFET電壓定額電壓定額(2)(2)漏極直流電流漏極直流電流I ID D和漏極脈沖電流幅值和漏極脈沖電流幅值I IDMDM ：電力電力MOSFETMOSFET電流定額電流定額(3)(3)柵源電壓柵源電壓U UGSGS ：|U|UGSGS| |20V20V將導致絕緣層擊穿將導致絕緣層擊穿 。(4)(4)極間電容極間電容：極間電容極間電容C CGSGS、C CGDGD和和C CDSDS1-611.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管

49、GTRGTR和和GTOGTO的特點的特點雙極型，電流驅動，有電雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。需驅動功率大，驅動電路復雜。MOSFETMOSFET的優點的優點單極型，電壓驅動，開關速單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。小而且驅動電路簡單。1-62兩類器件取長補短結合而成的復合器件兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOSBi-MOS器件器件絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBTGTRGTR

50、和和MOSFETMOSFET復合，結合二者的優點。復合，結合二者的優點。19861986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續提高電壓和電流容量，以期再取代繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。1-631)IGBT1)IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理三端器件：柵極三端器件：柵極G G、集電極、集電極C C和發射極和發射極E E圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號E1-64IGBTIGBT的結構的結構圖圖1-22aN1-22a

51、N溝道溝道VDMOSFETVDMOSFET與與GTRGTR組合組合NN溝道溝道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一層多一層P P+ +注入區，具有很強的通流能力。注入區，具有很強的通流能力。簡化等效電路表明，簡化等效電路表明，IGBTIGBT是是GTRGTR與與MOSFETMOSFET組成的達林頓結構，組成的達林頓結構，一個由一個由MOSFETMOSFET驅動的厚基區驅動的厚基區PNPPNP晶體管。晶體管。R RN N為晶體管基區內的調制電阻。為晶體管基區內的調制電阻。1-65IGBTIGBT的原理：與電力的原理：與電力MOSFETMOSFET基本相同，場

52、控器基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓件，通斷由柵射極電壓u uGEGE決定。決定。導通：導通：u uGEGE大于開啟電壓大于開啟電壓U UGE(th)GE(th)時，時，IGBTIGBT導通導通通態壓降：電導調制效應使電阻通態壓降：電導調制效應使電阻R RN N減小，使通減小，使通態壓降減小。態壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，IGBTIGBT關斷關斷1-66b)O有源區正向阻斷區飽和區反向阻斷區ICa)ICUGE(th)UGEOURMUFMUCEUGE(th)UGE增加2) IGBT2) IGBT的基本特性的基本特性(1)(1) 靜態特性靜

53、態特性圖1-23 IGBT的轉移特性和輸出特性a) 轉移特性 b) 輸出特性1-67ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM圖1-24 IGBT的開關過程IGBTIGBT的開通過程的開通過程 開通延遲時間開通延遲時間t td(on) d(on) 電流上升時間電流上升時間t tr r 開通時間開通時間t tononu uCECE的下降過程分為的下降過程分為t tfv1fv1和和t tfv2fv2兩段。兩段。t tfv1fv1IGBTIGBT中

54、中MOSFETMOSFET單獨單獨工作的電壓下降過程；工作的電壓下降過程；t tfv2fv2MOSFETMOSFET和和PNPPNP晶體晶體管同時工作的電壓下降管同時工作的電壓下降過程過程 (2) IGBT (2) IGBT的動態特性的動態特性1-68圖1-24 IGBT的開關過程關斷延遲時間關斷延遲時間t td(offd(off）電流下降時間電流下降時間t tf f關斷時間關斷時間t toffoff電流下降時間又可分為電流下降時間又可分為t tfi1fi1和和t tfi2fi2兩段。兩段。t tfi1fi1IGBTIGBT器件內部的器件內部的MOSFETMOSFET的關斷過程，的關斷過程，i

55、 iC C下下降較快。降較快。t tfi2fi2IGBTIGBT內部的內部的PNPPNP晶晶體管的關斷過程，體管的關斷過程，i iC C下降下降較慢。較慢。IGBTIGBT的關斷過程的關斷過程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM1-693) IGBT3) IGBT的主要參數的主要參數(1)(1)最大集射極間電壓最大集射極間電壓U UCESCES由內部由內部PNPPNP晶晶體管的擊穿電壓確定。體管的擊穿電壓確定。(2)(2)最大集電極電流

56、最大集電極電流包括額定直流電流包括額定直流電流I IC C和和1ms1ms脈寬最大電流脈寬最大電流I ICP CP 。(3) (3) 最大集電極功耗最大集電極功耗P PCMCM 正常工作溫正常工作溫度下允許的最大功耗度下允許的最大功耗1-70IGBTIGBT的特性和參數特點可以總結如下：的特性和參數特點可以總結如下： 開關速度高，開關損耗小。開關速度高，開關損耗小。 相同電壓和電流定額時，安全工作區比相同電壓和電流定額時，安全工作區比GTRGTR大，且具大，且具有耐脈沖電流沖擊能力。有耐脈沖電流沖擊能力。 通態壓降比通態壓降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。 輸入阻抗高，輸入特性與輸入

57、阻抗高，輸入特性與MOSFETMOSFET類似。類似。 與與MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐壓和通流能力還可以進一步相比，耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點提高，同時保持開關頻率高的特點 。 1-71擎住效應或自鎖效應：擎住效應或自鎖效應：動態擎住效應比靜態擎住效應所允許的集電極電流小。擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀90年代中后期開始逐漸解決。NPNNPN晶體管基極與發射極之間存在體區短路電阻，晶體管基極與發射極之間存在體區短路電阻，P P形體形體區的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對區的橫向空穴電流會在該電阻上產生壓降，相當于對J

58、J3 3結施結施加正偏壓，一旦加正偏壓，一旦J J3 3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控。作用，電流失控。1-72 正偏安全工作區（正偏安全工作區（FBSOAFBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。功耗確定。 反向偏置安全工作區（反向偏置安全工作區（RBSOARBSOA）最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率壓上升率duduCECE/dt/dt確定。確定。 IGBTIGBT往往與反并聯的快速二極管封裝在一起，往往與

59、反并聯的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導器件制成模塊，成為逆導器件1-731.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1.5.1 MOS1.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMCT1.5.2 1.5.2 靜電感應晶體管靜電感應晶體管SITSIT1.5.3 1.5.3 靜電感應晶閘管靜電感應晶閘管SITHSITH1.5.4 1.5.4 集成門極換流晶閘管集成門極換流晶閘管IGCTIGCT1.5.5 1.5.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路（略）（略）1-741.6 電力電子器件器件的驅動電力電子器件器件的驅動1.6.1 1.6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電

60、子器件驅動電路概述1.6.2 1.6.2 晶閘管的觸發電路晶閘管的觸發電路1.6.3 1.6.3 典型全控型器件的驅動電路典型全控型器件的驅動電路1-751.6.1 電力電子器件驅動電路概述電力電子器件驅動電路概述驅動電路驅動電路主電路與控制電路之間的接口主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，使電力電子器件工作在較理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開關損耗。縮短開關時間，減小開關損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。要的意義。一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現