1.1、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

1.4、可關斷晶閘管

1.5、電力晶體管

1.6、電力場效應晶體管

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

1.8、其它新型電力電子器件

1.9、電力電子器件的驅動與保護第1章、電力電子器件1.8.1靜電感應晶體管1.8.2靜電感應晶閘管

1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路1.8、其它新型電力電子器件第1章1.8.3MOS控制晶閘管（MCT）

MCT自20世紀80年代末問世，已生產出300A/2000V、1000A/1000V的器件；

結構：是晶閘管SCR和場效應管MOSFET復合而成的新型器件，其主導元件是SCR，控制元件是MOSFET；與IGBT一起競爭發展，但經過10多年的努力，其關鍵技術沒有打的突破，電壓和電流容量遠未達到預期數值，未投入實際應用。而其競爭對手IGBT卻進展飛速，目前從事MCT研究的人不多。

特點：耐高電壓、大電流、通態壓降低、輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度高；

第1章1.8、其它新型電力電子器件1.8.1靜電感應晶體管1.8.2靜電感應晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路第1章1.8.1靜電感應晶體管（SIT）

它是一種節型場效應晶體管。單極型多子導電的器件，具有輸出功率大、輸入阻抗高、開關特性好、熱穩定性好、抗輻射能力強等優點；

廣泛用于高頻感應加熱設備(例如200kHz、200kW的高頻感應加熱電源)。并適用于高音質音頻放大器、大功率中頻廣播發射機、電視發射機、差轉機微波以及空間技術等領域。缺點：1.柵極不加信號時導通，加負偏壓時關斷，稱為正常導通型器件，使用不方便，未流行開。

2.通態電阻大，通態損耗也較大。第1章1.8.1靜電感應晶體管1.8.2靜電感應晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路1.8、其它新型電力電子器件第1章1.8.2靜電感應晶閘管（SITH）

SITH是兩種載流子導電的雙極型器件，具有電導調制效應，通態壓降低，通流能力強；優點：與GTO相比，SITH的通態電阻小、通態壓降低、開關速度快、損耗小、di/dt及du/dt耐量高等；

應用：應用在直流調速系統，高頻加熱電源和開關電源等領域；

缺點：正常導通型，也有正常關斷型；電流關斷增益小；制造工藝復雜，成本高；

第1章1.8.1靜電感應晶體管1.8.2靜電感應晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管

1.8.5功率模塊與功率集成電路1.8其它新型電力電子器件第1章1.8.4MOS控制晶閘管（IGCT/GCT）

IGCT：（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

也稱GCT（Gate-CommutatedThyristor）集成門極換流晶閘管。

20世紀90年代后期出現。結合了IGBT與GTO的優點，容量與GTO相當，開關速度快10倍，且可省去GTO龐大而復雜的緩沖電路，只不過所需的驅動功率仍很大；IGCT可望成為高功率高電壓低頻電力電子裝置的優選功率器件之一。第1章1.8.1靜電感應晶體管1.8.2靜電感應晶閘管1.8.3MOS控制晶閘管1.8.4集成門極換流晶閘管1.8.5功率模塊與功率集成電路1.8、其它新型電力電子器件第1章1.8.5功率模塊與功率集成電路

20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將多個器件封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性。對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感(引線短)，從而簡化對保護和緩沖電路的要求。將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。三大障礙：電絕緣（高低壓）、熱絕緣（器件發熱對控制電路有影響），防電磁干擾（開關速度快時）

PIC

（PowerIntegratedCircuit）：第1章

類似功率集成電路的還有許多名稱，但實際上各有側重:

高壓集成電路（HighVoltageIC，簡稱HVIC，一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成）;

智能功率集成電路（SmartPowerIC，簡稱SPIC，一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成）;

智能功率模塊（IntelligentPowerModule，簡稱IPM，專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT）。1.8.5功率模塊與功率集成電路

第1章1.1、電力電子器件的基本模型

1.2、電力二極管

1.3、晶閘管

1.4、可關斷晶閘管

1.5、電力晶體管

1.6、電力場效應晶體管

1.7、絕緣柵雙極型晶體管

1.8、其它新型電力電子器件

1.9、電力電子器件的驅動與保護第1章、電力電子器件

1.9、電力電子器件的驅動與保護1.9.1電力電子器件的換流方式

1.9.2

驅動電路

1.9.3

保護電路

1.9.4緩沖電路

1.9.5散熱系統第1章1.9.1

電力電子器件的換流方式

在圖1.9.1中，T1、T2表示由兩個電力半導體器件組成的導電臂，當T1關斷，T2導通時，電流流過T2；當T2關斷，T1導通時，電流i從T2轉移到T1。圖1.9.1橋臂的換流

電力半導體器件可以用切斷或接通電流的開關表示。

定義：電流從一個臂向另一個臂轉移的過程稱為換流（或換相）。第1章（1）器件換流：利用電力電子器件自身所有的關斷能力進行換流稱為器件換流。（2）電網換流：由電網提供換流電壓使電力電子器件關斷，實現電流從一個臂向另一個臂轉移稱為電網換流。（3）負載換流：由負載提供換流電壓，使電力電子器件關斷，實現電流從一個臂向另一個臂轉移稱為負載換流。凡是負載電流的相位超前電壓的場合，都可以實現負載換流。1.9.1

電力電子器件的換流方式一般來說，換流方式可分為以下四種：第1章

在晶閘管T處于導通狀態時,預先給電容C按圖中所示極性充電。如果合上開關S，就可以使晶閘管T被加反壓而關斷。

圖1.9.2脈沖電壓換流原理圖

1.9.1

電力電子器件的換流方式

脈沖電壓換流原理：（4）脈沖換流：

設置附加的換流電路，由換流電路內的電容提供換流電壓，控制電力電子器件實現電流從一個臂向另一個臂轉移稱為脈沖換流，有時也稱為強迫換流或電容換流。脈沖換流有脈沖電壓換流和脈沖電流換流。第1章

晶閘管T處于導通狀態時，預先給電容C按圖中所示的極性充電。圖(b)中，接通開關S后，(1)C通過T放電，L充電，正向電流逐漸增大到最大；（2）L經T放電續流，C充電，下正上負，直到正向電流減小到0，L放電結束，C充電結束；

（3）C經D放電，L充電，反向電流逐漸增大到最大，直到C放電結束，L充電結束；（4）L經D放電C充電，上正下負，反向電流逐漸減小到0，L放電結束，C充電結束。整個周期結束。圖1.9.3脈沖電流換流原理圖

1.9.1

電力電子器件的換流方式

脈沖電流換流原理:

第1章

1.9.2驅動電路

將信息電子電路傳來的信號按控制目標的要求，轉換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關斷的信號。對半控型器件只需提供開通控制信號。對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。在高壓變換電路中，需要時控制系統和主電路之間進行電氣隔離，這可以通過脈沖變壓器或光耦來實現。驅動電路的基本任務：第1章作用：產生符合要求的門極觸發脈沖，決定每個晶閘管的觸發導通時刻。圖1.9.4為基于脈沖變壓器TR和三極管放大器的驅動電路。工作原理：當控制系統發出的高電平驅動信號加至三極管放大器后，變壓器TR輸出電壓經D2輸出脈沖電流觸發SCR導通。當控制系統發出的驅動信號為零后，D1、DZ續流，TR的原邊電壓速降為零，防止變壓器飽和。1.9.2驅動電路圖1.9.4帶隔離變壓器的SCR驅動電路1．晶閘管SCR觸發驅動電路第1章圖1.9.5光耦隔離的SCR驅動電路。工作原理：當控制系統發出驅動信號致光耦輸入端時，光耦輸出電路中R上的電壓產生脈沖電流觸發SCR導通。圖1.9.5光耦隔離的SCR驅動電路1．晶閘管SCR觸發驅動電路

1.9.2驅動電路第1章開通：在門極加正驅動電流。2．GTO的驅動電路GTO的幾種基本驅動電路：關斷：在門極加很大的負電流第1章1）圖1.9.6(a)晶體管Ｔ導通、關斷過程：電源Ｅ經Ｔ使GTO觸發導通，電容Ｃ充電，電壓極性如圖示。當Ｔ關斷時，電容Ｃ放電，反向電流使GTO關斷。Ｒ起開通限流作用，Ｌ在SCR陽極電流下降期間釋放出儲能，補償GTO的門極關斷電流，提高了關斷能力。

該電路雖然簡單可靠，但因無獨立的關斷電源，其關斷能力有限且不易控制。另一方面，電容Ｃ上必須有一定的能量才能使GTO關斷，故觸發Ｔ的脈沖必須有一定的寬度。

1.9.2驅動電路圖1.9.6(a)

2.GTO的幾種基本驅動電路：（續）第1章導通和關斷過程：圖1.9.6(b)導通：Ｔ1、Ｔ2導通時GTO被觸發；關斷：Ｔ1、Ｔ2關斷和SCR１、SCR２

導通時GTO門極與陰極間流過負電流而被關斷；1.9.2驅動電路圖1.9.6(b)2.GTO的幾種基本驅動電路：（續）

由于GTO的開通和關斷均依賴于一個獨立的電源，故其關斷能力強且可控制，其觸發脈沖可采用窄脈沖；第1章1.9.2驅動電路

圖1.9.6(c)中，導通和關斷用兩個獨立的電源，開關元件少，電路簡單。

圖1.9.6(d)，對于300A以上的GTO，用此驅動電路可以滿足要求。2.GTO的幾種基本驅動電路：（續）第1章

1.9.2驅動電路1)

作用:

將控制電路輸出的控制信號放大到足以保證GTR可靠導通和關斷的程度。

2)功能:①提供合適的正反向基流以保證GTR可靠導通與關斷(期望的基極驅動電流波形如圖1.9.7所示)。②實現主電路與控制電路的隔離。③具有自動保護功能，以便在故障發生時快速自動切除驅動信號，避免損壞GTR。④電路盡可能簡單、工作穩定可靠、抗干擾能力強。圖1.9.7理想的基極驅動電流波形

3．GTR的驅動電路

第1章

3．GTR的參考驅動電路（續）

圖1.9.8雙電源驅動電路

第1章控制電路用光耦實現電隔離，正負電源供電。當輸入端S為低電平時，T1、T3導通，T4、T5截止，B點電壓為負，給GTR基極提供反向基流，此時GTR(T6)關斷。當S端為高電平時，T1、T3截止，T4、T5導通，T6流過正向基極電流，此時GTR導通。

由于IGBT的輸入特性幾乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驅動功率小，電路簡單，用于IGBT的驅動電路同樣可以用于VDMOS。1.9.2驅動電路圖1.9.11采用脈沖變壓器隔離的柵極驅動電路

控制脈沖經晶體管T放大后送到脈沖變壓器，由脈沖變壓器耦合，并經、穩壓限福后驅動IGBT。脈沖變壓器的一次側并聯了續流二極管D1，以防止T中可能出現的過電壓。R1限制柵極驅動電流的大小，R1兩端并聯了加速二極管來提高開通速度。4．MOSFET和IGBT的驅動電路第1章

至此1.9.1電力電子器件的換流方式

1.9.2

驅動電路

1.9.3

保護電路

1.9.4緩沖電路

1.9.5散熱系統

1.9、電力電子器件的驅動與保護第1章1.9.3保護電路

電力電子系統在發生故障時可能會發生過電流、過壓，造成開關器件的永久性損壞。過流、過壓保護包括器件保護和系統保護兩個方面。檢測開關器件的電流、電壓，保護主電路中的開關器件，防止過流、過壓損壞開關器件。檢測系統電源輸入、輸出以及負載的電流、電壓，實時保護系統，防止系統崩潰而造成事故。第1章過電壓——外因過電壓和內因過電壓。外因過電壓：主要來自雷擊和系統中的操作過程（由分閘、合閘等開關操作引起）等外因。內因過電壓：主要來自電力電子裝置內部器件的開關過程。

(1)換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯的二極管在換相結束后不能立刻恢復阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。

(2)關斷過電壓：全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。1.9.3保護電路1．過電壓保護

第1章電力電子系統中常用的過電壓保護方案：圖中交流電源經交流斷路器S送入降變壓器T。當雷電過電壓從電網竄入時，避雷器F將對地放電防止雷電進入變壓器。C0為靜電感應過電壓抑制電容，當交流斷路器合閘時，過電壓經C12耦合到T的次極，C0將靜電感應過電壓對地短路，保護了后面的電力電子開關器件不受操作1.9.3保護電路圖1.9.17電力電子系統中常用的過電壓保護方案

過電壓的沖擊。C1R1是過電壓抑制環節，當變壓器T的次極出現過電壓時，過電壓對C1充電，由于電容上的電壓不能突變，所以C1R1能抑制過電壓。C2R2也是過電壓抑制環節，電路上出現過電壓時，二極管導通對C2充電，過電壓消失后C2對R2放電，二極管不導通，放電電流不會送入電網，實現了系統的過壓保護。1．過電壓保護

第1章措施：通常電力電子系統同時采用電子電路、快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器等幾種過電流保護措施，提高保護的可靠性和合理性。1.9.3保護電路圖1.9.16電力電子系統中常用的過流保護方案

2.過電流保護第1章作用：防止器件串聯使用時電壓、并聯使用時電流分配不均勻，使其電壓、電流超過器件的極限損壞器件。方法：

器件串聯時，除盡量選用參數和特性一致的器件外，常采用圖2.9.15所示的均壓電路，R11、R12是靜態均壓電阻（阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多），R13、C11、和R14、C12并聯支路作動態均壓。

器件并聯時，除了盡量選用參數和特性一致的器件外，常使每個器件串均流電抗器后再并聯，同時用門極強脈沖觸發也有助于動態均流。并且，IGBT具有電流的自動均衡能力，易于并聯。1.9.3保護電路圖1.9.18均壓電路3．開關器件串聯、并聯使用時的均壓、均流第1章1.9.1電力電子器件的換流方式

1.9.2

驅動電路

1.9.3

保護電路

1.9.4

緩沖電路

1.9.5散熱系統

1.9、電力電子器件的驅動與保護第1章1.9.4緩沖電路

1）原因：

電力電子器件工作狀態有開通、通態、關斷、斷態四種工作狀態，其中斷態時承受高電壓，通態時承載大電流，而開通和關斷過程中開關器件可能同時承受過壓、過流、過大的di/dt、du/dt以及過大的瞬時功率。

2）緩沖電路作用：防止高電壓和大電流可能使