电力电子器件最新4课件

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1、 电力电子器件电力电子器件 v2.1 、 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型 v2.2 、电力二极管、电力二极管v2.3 、晶闸管、晶闸管v2.4 、可关断晶闸管、可关断晶闸管v2.5 、 电力晶体管电力晶体管v2.6 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管v2.7 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管v2.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件最新(4)课件熟悉和掌握各种电力电子器件的结构、原理、特性熟悉和掌握各种电力电子器件的结构、原理、特性主要参数和使用方法，是学好电力电子技术的前提。主要参数

2、和使用方法，是学好电力电子技术的前提。常用电力电子器件常用电力电子器件电力二极管电力二极管(PD)、晶闸管、晶闸管（SCR）及其派生器件、可关断晶闸管（）及其派生器件、可关断晶闸管（GTO）、）、功率晶体管（功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（）、功率场效应晶体管（P-MOS)、绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管）、集成门极换流晶闸管（IGCT）和功率集成电路）和功率集成电路(PIC)。晶闸管（晶闸管（SCR）、可关断晶闸管（）、可关断晶闸管（GTO）、集成门极）、集成门极换流晶闸管（换流晶闸管（IGCT）是当今电力电子技术中关键的应）是当今电力电子技术

3、中关键的应用器件。用器件。电力电子器件最新(4)课件2.12.1、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型 电力半导体器件是电力电子技术及其应用电力半导体器件是电力电子技术及其应用系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力系统的基础。电力电子技术的发展取决于电力电子器件的研制与应用。电子器件的研制与应用。 定义：定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。）。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件

4、两类，本书涉及的器件都是指半导半导体器件两类，本书涉及的器件都是指半导体电力电子器件。体电力电子器件。电力电子器件最新(4)课件2.1.1 电力电子器件的电力电子器件的基本模型与特性基本模型与特性 l 在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成下图成下图2.1.12.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和和B代表开关的两个主电极，代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。是控制开关通断的控制极。它只工作在它只工作在“通态通态”和和“断态断态”两种情况，在通态时其电两种情况，在通态时其电

5、阻为零，断态时其电阻无穷大。导通、截止两种瞬态。阻为零，断态时其电阻无穷大。导通、截止两种瞬态。 图图2.1.1 电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的理想开关模型l一、基本模型：一、基本模型：电力电子器件最新(4)课件2.1.1 2.1.1 电力电子器件的电力电子器件的基本模型与特性基本模型与特性l二、基本特性：二、基本特性：（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电电力力电电子子器器件件的的开开关关状状态态由由外外电电路路（驱动电路）来控制。（驱动电路）来控制。（3）在在工工作作中中器器件件的的功功率率损损耗耗（通通态态、断断态态开开关关损损耗耗

6、）很很大大。为为保保证证不不至至因因损损耗耗散散发发的的热热量量导导致致器器件件温温度度过过高高而而损损坏坏，在在其其工作时一般都要安装散热器。工作时一般都要安装散热器。电力电子器件最新(4)课件2.1.2 电力电子器件的种类电力电子器件的种类 一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类：一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类： 不可控器件：不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管如：电力二极管（Power Diode）；）

7、；半控型器件：半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。断的电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管（如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；及其大部分派生器件等；全控型器件：全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。的器件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、）、 功率场效应管（功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型和绝缘栅双极型

8、晶体管（晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。等。 电力电子器件最新(4)课件二、电力电子器件按门极控制信号二、电力电子器件按门极控制信号二、电力电子器件按门极控制信号二、电力电子器件按门极控制信号 的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种：的性质不同又可分为两种： 电流控制型器电流控制型器件：件： 此类器件采用此类器件采用电流信号来实现导电流信号来实现导通或关断控制。通或关断控制。 如：晶闸管、门极如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功可关断晶闸管、功率晶体管、率晶体管、IGCT等；等； 电压控制型器件：电压控制型器件： 这类

9、器件采用电压控制这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。信号就可驱动它工作。 如：代表性器件为如：代表性器件为 P-MOSFET管和管和IGBT管。管。电力电子器件最新(4)课件q附表附表2.1.1:2.1.1:主要电力半导体器件主要电力半导体器件 的特性及其应用领域的特性及其应用领域器件种类器件种类开关开关功能功能器件特性概略器件特性概略应用领域应用领域电力电力二极管二极管不可不可控控5 5k kV V/ /3 3k kA A4 40 00 0H H

10、z z各种整流装置各种整流装置晶闸管晶闸管半控半控导通导通6kV/6kA6kV/6kA400Hz400Hz8kV/3.5kA8kV/3.5kA光光控控SCRSCR炼炼钢钢厂厂、轧轧钢钢机机、直直流流输输电电、电解用整流器电解用整流器可关断可关断晶闸管晶闸管自关自关断型断型（全（全控）控）6kV/6kA500Hz工工业业逆逆变变器器、电电力力机机车车用用逆逆变变器、无功补偿器器、无功补偿器P-MOSFETP-MOSFET600V/70A100kHz开开关关电电源源、小小功功率率UPSUPS、小小功功率逆变器率逆变器IGBTIGBT1200V1200V/1200A20kHz4.5kV/1.2kA2

11、kHz各各种种整整流流/ /逆逆变变器器（UPSUPS、变变频频器器、家家电电）、电电力力机机车车用用逆逆变变器、中压变频器器、中压变频器电力电子器件最新(4)课件第二章、第二章、电力电子器件电力电子器件v2.1 、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型v2.2 、电力二极管电力二极管v2.3 、晶闸管晶闸管v2.4 、可关断晶闸管可关断晶闸管v2.5 、 电力晶体管电力晶体管v2.6 、电力场效应晶体管电力场效应晶体管v2.7 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管v2.8 、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件v2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护电力

12、电子器件最新(4)课件1、结构、结构2、工作原理、工作原理3、特性、特性4、参数、参数电力电子器件最新(4)课件2.2 电力二极管电力二极管 l2.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数电力电子器件最新(4)课件2.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理一、电力二极管一、电力二极管： 1 1、电力二极管（、电力二极管（Power Diode）也称为半导也称为半导体整流器（体整流器（Semiconductor Rectifier，简称简称SR），），属不可控电力电子器件，是属不可控电力电子器件，是20世纪最早世

13、纪最早获得应用的电力电子器件。获得应用的电力电子器件。 2 2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用流的场合发挥着积极的作用, 具有不可替代的具有不可替代的地位。地位。 电力电子器件最新(4)课件二、二、PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。以半导体以半导体PNPN结结为基础。为基础。由一个面积较大的由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。从外形上看，主要

14、有螺栓型和平板型两种。 图图2.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符电力二极管的外形、结构和电气图形符 a）结构）结构 b）外形）外形 c）电气图形）电气图形电力电子器件最新(4)课件二、二、 PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：N型半导体和型半导体和P型半导体结合后构成型半导体结合后构成PN结结:空间电荷空间电荷:交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的区的扩散运动扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移

15、动的正、负电荷称为负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷。空间电荷区空间电荷区:扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到荷量扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷空间电荷区区，按所强调的角度不同也被称为，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。耗尽层、阻挡层或势垒区。内电场内电场:空间电荷建立的电场空间

16、电荷建立的电场,也称也称自建电场自建电场，其方向是阻止扩散运动，其方向是阻止扩散运动的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区的，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即运动，即漂移运动漂移运动。 电力电子器件最新(4)课件 二、二、 PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：PN结的正向导通状态：结的正向导通状态： 电导调制效应使得电导调制效应使得PN结在正向电流较大结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正左右，所以正向偏置的向偏置的PN结表现为低阻态。结表现为低阻态。PN结的反向截止状态：结的反向截止状

17、态： 流过反向饱和漏电流，为高阻状态。流过反向饱和漏电流，为高阻状态。 PN结的单向导电性：结的单向导电性： 二极管的基本原理就在于二极管的基本原理就在于PN结的单结的单向导电性这一主要特征。向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿：结的反向击穿： 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应：结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。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结电容按其产生机制和作用的差别分为势

18、垒电容CB和扩散电容和扩散电容CD 。l图图2.2.2 电力二极管的伏安特性曲线电力二极管的伏安特性曲线电力电子器件最新(4)课件势垒电容势垒电容只在外加电压变化时才起作用只在外加电压变化时才起作用,空间电空间电荷变化引起。外加电压频率越高，势垒电容作荷变化引起。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。（反向电压及较小比，与阻挡层厚度成反比。（反向电压及较小的正向电压时电容效应明显）的正向电压时电容效应明显）扩散电容扩散电容仅在正向偏置时起作用，多数载流子仅在正向偏置时起作用，多数载流子运动引起。运动引

19、起。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。要成分。结电容结电容影响影响PN结的工作频率，特别是在高速开结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时应加以注意。不能工作，应用时应加以注意。二、二、 PN结与结与电力二极管工作原理：电力二极管工作原理：电力电子器件最新(4)课件势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当P

20、N结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下。电力电子器件最新(4)课件扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。扩散电容示意图电力电子器件最新(4)课件2.2 电力二极管电力二极管l2.2.1 电力二极管及其工作原理电力二极管及其工作原理l2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数电力电子器件最新(4)课件2.2.2 2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力

21、二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数电力电子器件最新(4)课件1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性 当当电电力力二二极极管管承承受受的的正正向向电电压压大大到到一一定定值值（门门槛槛电电压压UTO），正正向向电电流流才才开开始始明明显显增增加加，处处于于稳稳定定导导通通状状态态。与与正正向向电电流流IF对对应应的的电电力力二二极极管管两两端端的的电电压压UF即为其正向电压降。即为其正向电压降。 当当电电力力二二极极管管承承受受反反向向电电压压时时，只只有有少少子子引引起起的的微微小小而而数

22、数值值恒恒定定的的反反向向漏漏电流。电流。图图2.2.2 电力二极管的电力二极管的伏安特性曲线伏安特性曲线特性曲线特性曲线:电力电子器件最新(4)课件2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3 、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数电力电子器件最新(4)课件开关过程，由导通状态转为阻断状态并不是立即完成，它要经历一个短时的过渡过程；此过程的长短、过渡过程的波形对不同性能的二极管有很大差异；理解开关过程对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运行是很有帮助的，因此应对二极管的开

23、关特性有较清晰的了解。状态：状态：过程：过程：导通、阻断开通、关断2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性定义：定义：反映通态和断态之间的转换过程（反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程关断过程、开通过程）。）。电力电子器件最新(4)课件（1 1）关断特性）关断特性：电力二极管电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。过程。如图（如图（a a）所示。电源电压从正向突然转为反向。）所示。电源电压从正向突然转为反向。v 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。态

24、。v 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。（出现时间段不同，电流先出现电压后出现）冲。（出现时间段不同，电流先出现电压后出现）图图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形电力电子器件最新(4)课件二极管反向恢复过程示意图电力电子器件最新(4)课件 电力二极管的正向压降先出现一个过冲电力二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如接近稳态压降的某个值（如 2V 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复）。这一动态过程

25、时间被称为正向恢复时间时间t tfrfr。v 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量非平衡少子，达到电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量非平衡少子，达到稳态导通前管压降较大。稳态导通前管压降较大。v 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，率越大，U UFPFP越高越高 。（2 2）开通特性）开通特性：如图（：如图（b b）所示）所示 电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。图图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形电力

26、电子器件最新(4)课件l延迟时间：延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1l反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tfl恢复特性的软度：恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用或称恢复系数，用sr表示。表示。 Tf大，大， Sr越大越大，反向电流变反向电流变化慢，反向尖峰电压越小。化慢，反向尖峰电压越小。图图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形电力电子器件最新(4)课件2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数（1 1）普通二极管）普通

27、二极管：普通二极管又称整流管（普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），），多用于开关频率在多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，以下的整流电路中，其反向恢复时间在其反向恢复时间在usus以上，额定电流达数千安，额定以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。电压达数千伏以上。 （2 2）快恢复二极管：）快恢复二极管：反向恢复时间在反向恢复时间在usus以下的称为快恢复以下的称为快恢复二极管（二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode简称简称FDRFDR）。快恢复二极）。快恢复二极管从性能上可分为管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二

28、极管快速恢复和超快速恢复二极管。前者。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns100ns以下，其以下，其容量可达容量可达1200V/200A1200V/200A的水平的水平, , 多用于高频整流和逆变电多用于高频整流和逆变电路中路中。 （3 3）肖特基二极管：）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.40.6V0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒（10-40n

29、s10-40ns） 。但反向耐压在。但反向耐压在200200以下。以下。它常被用于高它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中频低压开关电路或高频低压整流电路中。电力二极管的主要类型：电力二极管的主要类型：电力电子器件最新(4)课件2.2.2 电力二极管的特性与参数电力二极管的特性与参数l1、电力二极管的伏安特性、电力二极管的伏安特性l2、电力二极管的开关特性、电力二极管的开关特性l3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数电力电子器件最新(4)课件3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 （选择二极管依据）（选择二极管依据）额定正向平均电流额定正向平均电流在指定的管壳温度（简称壳温

30、，用在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流的峰值为设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流则额定电流(平均电流平均电流)为为: : （2.2.52.2.5）（2.2.42.2.4）（2.2.62.2.6）（2.2.72.2.7）可求出正弦半波电流的波形系数可求出正弦半波电流的波形系数: : 定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数（脉动系数），用波形系数（脉动系数），用K Kf f表示：表示

31、：额定电流有效值为额定电流有效值为: :（1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(AV)电力电子器件最新(4)课件 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按流过二极管实际波形电流的，因此使用时应按流过二极管实际波形电流与工频正弦半波平均电流热效应相等（即有效与工频正弦半波平均电流热效应相等（即有效值相等）的原则来选取电流定额，并应留有值相等）的原则来选取电流定额，并应留有1.52倍倍的的裕量裕量。 当用在频率较高的场合时，当用在频率较高的场合时，开关损耗开关损耗造成的造成的发热往往不能忽略。发热往往不能忽略。 当采用反向漏电流较大的电力

32、二极管时，其当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗断态损耗造成的发热效应也不小造成的发热效应也不小 。电力电子器件最新(4)课件选择二极管电流定额的过程：求出电路中流过二极管电流的有效值IF ；求二极管电流定额IFAV，等于有效值IF 除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。IF(AV)=(1.52) IF /1.57电力电子器件最新(4)课件如手册上某电力二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为允许通过平均值为100A的正弦半波电流；的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为允许通过任意波形的有

33、效值为157A的电流；的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。电力电子器件最新(4)课件l 指指器器件件中中结结不不至至于于损损坏坏的的前前提提下下所所能能承承受受的的最最高平均温度。高平均温度。jMjM通常在通常在125125175175范围内。范围内。 3、电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 （2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压RRMRRM： 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压此电压通常为击穿电压U U的的2/32/3。l（3 3） 正向压降正向压降F

34、 F： 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压的正向平均电压( (又称管压降又称管压降) )。（4 4） 反向漏电流反向漏电流RRRR：指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。 （5）最高工作结温最高工作结温jM：电力电子器件最新(4)课件2.1.4 二极管的基本应用 整流续流电力电子器件最新(4)课件第二章、第二章、电力电子器件电力电子器件v 2.1 、 电力电子器件的基本模型电力电子器件的基本模型v 2.2 、 电力二极管电力二极管v 2.3 、 晶闸管晶闸管v 2.4 、 可关断晶

35、闸管可关断晶闸管v 2.5 、 电力晶体管电力晶体管v 2.6 、 电力场效应晶体管电力场效应晶体管v 2.7 、 绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管v 2.8 、 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件v 2.9 、 电力电子器件的驱动与保护电力电子器件的驱动与保护电力电子器件最新(4)课件2.3 、晶闸管晶闸管l2.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l2.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 l2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件电力电子器件最新(4)课件2.3 、晶闸管晶闸管 晶晶闸闸管管(Thirsted)包包括括：普普通通晶晶闸闸管管(SCR)、

36、快快速速晶晶闸闸管管(FST)、双双向向晶晶闸闸管管(TRIAC)、逆逆导导晶晶闸闸管管(RCT) 、可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。和光控晶闸管等。 由由于于普普通通晶晶闸闸管管面面世世早早，应应用用极极为为广广泛泛, 因因此此在在无无特特别别说明的情况下说明的情况下,本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。本书所说的晶闸管都为普通晶闸管。 普普 通通 晶晶 闸闸 管管 ： 也也 称称 可可 控控 硅硅 整整 流流 管管 (Silicon Controlled Rectifier), 简称简称SCR。 由由于于它它电电流流容容量量大大,电电压压耐耐量量高高以以及及开开通通的的可可

37、控控性性(目目前前生生产产水水平平：4500A/8000V)已已被被广广泛泛应应用用于于相相控控整整流流、逆逆变变、交交流流调调压压、直直流流变变换换等等领领域域, 成成为为特特大大功功率率低频低频(200Hz以下以下)装置中的主要器件。装置中的主要器件。电力电子器件最新(4)课件2.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l （1 1）外形封装形式）外形封装形式: :可分为小电流塑封式、小电流螺可分为小电流塑封式、小电流螺旋式、大电流螺旋式和大电流平板式旋式、大电流螺旋式和大电流平板式(额定电流在额定电流在200A以以上上), 分别由图分别由图2.3.1(a)、(b)、(c)、(d)所示

38、。所示。l （2 2）晶闸管有）晶闸管有三个电极三个电极, 它们是阳极它们是阳极A, 阴极阴极K和门极和门极(或称栅极或称栅极)G, 它的电气符号如图它的电气符号如图2.3.1(e)所示。所示。 图图2.3.1 2.3.1 晶闸管的外型晶闸管的外型及符号及符号1、晶闸管的结构：晶闸管的结构：电力电子器件最新(4)课件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电力电子器件最新(4)课件晶晶闸闸管管是是大大功功率率器器件件, 工工作作时时产产生生大大量量的的热热，因因此此必必须须安安装装散热器。散热器。螺螺旋旋式式晶晶闸闸管管紧紧栓栓在在铝铝制制散散热热器器上上, 采采用用自自然

39、然散散热热冷冷却却方方式式, 如图如图2.3.2(a)所示。所示。平平板板式式晶晶闸闸管管由由两两个个彼彼此此绝绝缘缘的的散散热热器器紧紧夹夹在在中中间间, 散散热热方方式式可可以以采采用用风风冷冷或或水水冷冷, 以以获获得得较较好好的的散散热热效效果果,如如图图2.3.2 (b)、(c)所所示。示。图图2.3.2 2.3.2 晶闸管的散热器晶闸管的散热器电力电子器件最新(4)课件逆阻型晶闸管SCR两个三极管正反馈晶闸管的结构和结构模型螺栓型电力电子器件最新(4)课件晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级共九级

40、共九级, , 用字母用字母用字母用字母AIAI表示表示表示表示0.41.2V0.41.2V额定电压额定电压, ,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者。较小者。正、反向断态重复峰值电压正、反向断态重复峰值电压额定正向平均电流额定正向平均电流( (IF)（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）P-普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管S-双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A,额定电压为额定电压为700V。电力电子

41、器件最新(4)课件2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理图图2.3.3 2.3.3 晶闸管的结构模型和等效电路晶闸管的结构模型和等效电路 1 1）导通：）导通：晶闸管阳极施加正向电压时晶闸管阳极施加正向电压时, , 若给门极若给门极G G也加也加正向电压正向电压U Ug g, ,门极电流门极电流I Ig g经三极管经三极管T T2 2放大后成为集电极电流放大后成为集电极电流I Ic2c2，I Ic2c2又是三极管又是三极管T T1 1的基极电流的基极电流, , 放大后的集电极电流放大后的集电极电流I Ic1c1进一进一步使步使IgIg增大且又作为增大且又作为T T2 2的基极电流流入。重复上述正

42、反馈过的基极电流流入。重复上述正反馈过程程，两个三极管两个三极管T T1 1、T T2 2都快速进入饱和状态都快速进入饱和状态, ,使晶闸管阳极使晶闸管阳极A A与与阴极阴极K K之间导通。此时若撤除之间导通。此时若撤除Ug, TUg, T1 1、T T2 2内部电流仍维持原来内部电流仍维持原来的方向的方向, ,只要满足阳极正偏的条件只要满足阳极正偏的条件, ,晶闸管就一直晶闸管就一直导通导通。晶闸管晶闸管( (单向导电性单向导电性),),导通条件为导通条件为阳极正偏阳极正偏和和门极正偏门极正偏。双晶体管模型：双晶体管模型：T T2 2的集电极与的集电极与T T1 1基极连基极连T T2 2的

43、的基基极与极与T T1 1集电集电极连极连电力电子器件最新(4)课件2. 工作原理工作原理 在极短时间内使两在极短时间内使两个三极管均饱和导通，个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。此过程称触发导通。形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程E EA A 0 0、E EG G 0 0A AKKGGEA+_R T1T2EG_+电力电子器件最新(4)课件EA+_R T1T2EGA A_+KK 晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去掉掉掉掉E EGG ， 依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。仍可

44、维持导通状态。2. 工作原理工作原理E EA A 0 0、E EG G 0 0形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程G电力电子器件最新(4)课件2 2）阻断：）阻断：当晶闸管当晶闸管A A 、K K间承受正向电压，而门极间承受正向电压，而门极电流电流I Ig g=0=0时时, , 上述上述T T1 1和和T T2 2之间的正反馈不能建立起来之间的正反馈不能建立起来, ,晶闸管晶闸管A A 、K K间只有很小的正向漏电流，它处于正向间只有很小的正向漏电流，它处于正向阻阻断断状态。状态。 2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理图图2.3.3 2.3.3 晶闸管的内部结构和等效电路晶

45、闸管的内部结构和等效电路电力电子器件最新(4)课件阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应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阳极电压上升率du/dt过高过高结温较高结温较高光触发光触发光光触触发发可可以以保保证证控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的良良好好绝绝缘缘而而应应用用于于高高压压电电力力设设备备中中，称称为为光光控控晶晶闸闸管（管（Light Triggered ThyristorLTT）。只只有有门门极极触触发发是是最最精精确确、迅迅速速而而可可靠靠的的控控制制手段。手段。其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：电力电子器件最新(4)课件晶闸管导通的条件

46、：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件： (1) (1)晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路( (阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间) )施加正向施加正向施加正向施加正向电压。电压。电压。电压。 (2) (2)晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路( (控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间控制极与阴极之间) )加正向加正向加正向加正向电压或正向脉冲电压或正向脉冲电压或正向脉冲电压或正向脉冲( (正向触发电压正向触发电压正向触发电压正向触发电压) )。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失

47、去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正依靠正依靠正依靠正反馈，反馈，反馈，反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件： (1)(1)必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效应不能维持。应不能维持。 (2)(2)将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极阳极和阴极阳极和阴极阳极和阴极间加反向电压。（过零或变负）间加反向电压。（过零或变负）间加反向电压。（过零或变负）间

48、加反向电压。（过零或变负）电力电子器件最新(4)课件AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效电路可控开通关断时：强迫其电流 下降到维持电流以下通态时晶闸管的等值电路电力电子器件最新(4)课件2.3 、晶闸管晶闸管l2.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l2.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 l2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件电力电子器件最新(4)课件2.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数定义：定义：晶闸管阳极与阴极之间的电晶闸管阳极与阴极之间的电压压Ua与阳极电流与阳

49、极电流Ia的关系曲线称的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。为晶闸管的伏安特性。第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第三象、第三象限是限是反向特性反向特性。l图图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性UDRM、URRM正、反向断正、反向断 态重复峰值电压；态重复峰值电压；UDSM、URSM正、反向断态正、反向断态 不重复峰值电压；不重复峰值电压；UBO正向转折电压；正向转折电压；URO反向击穿电压。反向击穿电压。. 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 ：电力电子器件最新(4)课件正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRI

50、FUBO正向转折电压正向转折电压正向转折电压正向转折电压IHOUIIG0IG1IG2+ +_ _+ +_ _反向转折电压反向转折电压反向转折电压反向转折电压正向平均电流正向平均电流维持电流维持电流维持电流维持电流U U伏安特性伏安特性电力电子器件最新(4)课件I IG G=0=0时，器件两端施加正向电时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压超过临界极限即正向转折电压U Ubobo，则则漏电流漏电流急剧增大，器件急剧增大，器件开通。开通。随着门极电流幅值的增大，正随着门极电流幅值的增大

51、，正向转折电压降低。向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在晶闸管本身的压降很小，在1V1V左右。左右。导通期间，如果门极电流为零，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并且阳极电流降至接近于零的某一数值某一数值I IH H以下，则晶闸管又以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。回到正向阻断状态。I IH H称为称为维维持电流持电流在规定的环境和控在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。状态所必须的最小电流。图图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极

52、伏安特性（1 1）晶闸管的正向特性：）晶闸管的正向特性：电力电子器件最新(4)课件 晶闸管上施加反向电压时，晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。伏安特性类似二极管的反向特性。 晶晶闸闸管管处处于于反反向向阻阻断断状状态态时时，只有极小的反向漏电流流过。只有极小的反向漏电流流过。 当当反反向向电电压压超超过过一一定定限限度度，到到反反向向击击穿穿电电压压后后，外外电电路路如如无无限限制制措措施施，则则反反向向漏漏电电流流急急剧剧增增加，导致晶闸管发热损坏。加，导致晶闸管发热损坏。图图2.3.4 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性（2 2）晶闸管的反向特性：）晶闸管的反向特性：

53、电力电子器件最新(4)课件2. 2. 晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。l 2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形电力电子器件最新(4)课件延迟时间延迟时间t td d：门极电流门极电流阶跃时刻开始，到阳极阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的电流上升到稳态值的10%10%的时间。的时间。上升时间上升时间t tr r：阳极电流阳极电流从从10%10%上升到稳态值的上升到稳态值的90%90%所需的时间。所需的时间。开通时间开通时间t tgtgt：以上两者以上两者之和，之和，t tgtgt=t=td

54、 d+t+tr r 普通普通晶闸管延迟时间为晶闸管延迟时间为0.51.50.51.5s s，上升时间上升时间为为0.530.53s s。l2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形l1) 1) 开通过程：开通过程：电力电子器件最新(4)课件正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间t tgrgr：晶闸管要晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间要一段时间v在正向阻断恢复时间内如果重在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。闸管会重新正向导通。v实际应用中，应对晶闸管施加实际应用中，应对晶闸

55、管施加足够长时间的反向电压，使晶足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才可靠阻断能力，电路才可靠“关断关断”。关断时间关断时间t tq q：t trrrr与与t tgrgr之和，即之和，即 t tq q =t=trrrr+t+tgrgrl2.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形l2) 2) 关断过程关断过程（1-7)1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间

56、接近于零的时间电力电子器件最新(4)课件l延迟时间：延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：电流下降时间：tf= t2- t1l反向恢复时间：反向恢复时间：trr= td+ tfl恢复特性的软度：恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数，用或称恢复系数，用sr表示。表示。 Tf大，大， Sr越大越大，反向电流变反向电流变化慢，反向尖峰电压越小。化慢，反向尖峰电压越小。图图2.2.3 电力二极管开关过程中电压、电流波形电力二极管开关过程中电压、电流波形比较二极管：比较二极管：电力电子器件最新(4)课件（3）晶闸管的开通与关断时间）晶闸管的开

57、通与关断时间v1 1）开通时间）开通时间tgt：o普通晶闸管的开通时间普通晶闸管的开通时间tgt 约为约为6s。o开开通通时时间间与与触触发发脉脉冲冲的的陡陡度度与与触触发发电电压压（触触发发电电流流）大大小小、结结温温以以及及主主回回路路中中的的电电感感量量等有关。等有关。v2）关断时间关断时间tq ：o普通晶闸管的普通晶闸管的tq 约为几十到几百微秒。约为几十到几百微秒。o关关断断时时间间与与元元件件结结温温 、关关断断前前阳阳极极电电流流的的大大小以及所加反压的大小有关。小以及所加反压的大小有关。电力电子器件最新(4)课件3. 晶闸管的主要特性参数晶闸管的主要特性参数 1 1）正向重复峰

58、值电压）正向重复峰值电压UDRM : : 门门极极断断开开(I(Ig g=0), =0), 元元件件处处在在额额定定结结温温时时, ,正正向向阳阳极极电电压压为为正正向向阻阻断断不不重重复复峰峰值值电电压压U UDSMDSM ( (此此电电压压不不可可连连续续施施加加) )的的80%80%所所对对应应的的电电压压( (此此电电压压可可重重复复施施加加, ,其其重重复复频频率率为为50HZ50HZ，每次持续时间不大于，每次持续时间不大于10ms)10ms)。2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM : : 元元件件承承受受反反向向电电压压时时, ,阳阳极极电电压压为为反反向向不不重重复

59、复峰峰值值电电压压URRM的的80%80%所对应的电压。所对应的电压。 3 3）晶晶闸闸管管铭铭牌牌标标注注的的额额定定电电压压通通常常取取U UDRMDRM与与U URRMRRM中中的的最最小小值值, , 选选用用时时，额额定定电电压压要要留留有有一一定定裕裕量量, ,一一般般取取额额定定电电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2 23 3倍。倍。（1）晶闸管的重复峰值电压）晶闸管的重复峰值电压额定电压额定电压Ute电力电子器件最新(4)课件（2）晶闸管的额定通态平均电流）晶闸管的额定通态平均电流额定电流额定电流IT(AV) 在选用晶闸管额定电流时，根据实际最

60、大的电流计算在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算后至少还要乘以后至少还要乘以1.51.52 2的安全系数，使其有一定的电的安全系数，使其有一定的电流裕量。流裕量。1 1）定义：）定义：在环境温度为在环境温度为40和规定的冷却条件下和规定的冷却条件下, 晶晶闸管在电阻性负载导通角不小于闸管在电阻性负载导通角不小于170的单相工频正弦的单相工频正弦半波电路中半波电路中, 当结温稳定且不超过额定结温时所允许的当结温稳定且不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流。最大通态平均电流。电力电子器件最新(4)课件 这说明额定电流这说明额定电流IT(AV)=100A的晶闸管，其额定有效值为的晶闸管，

61、其额定有效值为IT = Kf IT(AV) = 157A。2 2） I IT(AV)T(AV)计算方法：计算方法：计算方法：计算方法：（2.3.32.3.3）（2.3.42.3.4）（2.3.52.3.5）（2.3.42.3.4） 根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工频正弦波电流时的频正弦波电流时的允许最大平均电流允许最大平均电流。设该正弦半波电流的峰值为。设该正弦半波电流的峰值为Im, 则额定电流则额定电流(平均电流平均电流)为：为：额定电流有效值为：额定电流有效值为： 现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流

62、波形的波现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用形系数，用Kf表示：表示：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：根据上式可求出正弦半波电流的波形系数：电力电子器件最新(4)课件图中画斜线部分为一个2周期中晶闸管的电流波形。若各波形的最大值为Im=100A，试计算各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效值I1、I2、I3。若考虑2倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求？例题答：电力电子器件最新(4)课件（3）门极触发电流）门极触发电流IGT和门极触发电压和门极触发电压UGT 1 1）定义：定义：在室温下，晶闸管在室温下，晶闸管加加6V正向阳

63、极正向阳极电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电电压时，使元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发电流流，称为门极触发电流IGT。对应于门极触发对应于门极触发电流的门极电压称为门极触发电压电流的门极电压称为门极触发电压UGT。 2 2）晶闸管由于晶闸管由于门极特性门极特性的差异，其触发电的差异，其触发电流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的流、触发电压也相差很大。所以对不同系列的元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。元件只规定了触发电流、电压的上、下限值。 3 3）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和）晶闸管的铭牌上都标明了其触发电流和电压在常温下的实测值，但触发电流、电压受电压在常

64、温下的实测值，但触发电流、电压受温度的影响温度的影响很大，温度升高，很大，温度升高，UGT 、IGT 值会值会显著降低，温度降低，显著降低，温度降低，UGT 、IGT 值又会增大。值又会增大。为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，为了保证晶闸管的可靠触发，在实际应用中，外加门极电压的幅值应比外加门极电压的幅值应比UGT 大几倍。大几倍。电力电子器件最新(4)课件（4）通态平均电压通态平均电压UT(AV ) 1 1）定义：）定义：在规定环境温度、标准散热条件下，在规定环境温度、标准散热条件下， 元件通以元件通以正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值，称通正弦半波额定电流时，阳极与阴极间

65、电压降的平均值，称通态平均电压态平均电压(又称管压降又称管压降) 2 2）其数值按表）其数值按表2.3.3分组分组在实际使用中，从减小损耗和元在实际使用中，从减小损耗和元件发热来看，应选择件发热来看，应选择T(AV) 小的晶闸管小的晶闸管。组组 别别ABC通通 态态 平平 均均 电电 压压（V）T0.40.4T0.50.5T0.6组组 别别DEF通通 态态 平平 均均 电电 压压（V）0.6T0.70.7T0.80.8T0.9组组 别别GHI通通 态态 平平 均均 电电 压压（V）0.9T1.01.0T1.11.1T1.2表表2.3.3 2.3.3 晶闸管通态平均电压分组晶闸管通态平均电压分组

66、电力电子器件最新(4)课件（5）维持电流）维持电流 和掣住电流和掣住电流Ll1 1）维持电流）维持电流：v在在室室温温下下门门极极断断开开时时，元元件件从从较较大大的的通通态态电电流流降降至至刚刚好好能能保保持持导导通通的的最最小小阳阳极极电电流流为为维维持持电电流流H 。（晶晶闸闸管管维维持持导导通状态所必须的最小电流。由通态转为断态的临界）通状态所必须的最小电流。由通态转为断态的临界）v维维持持电电流流与与元元件件容容量量 、结结温温等等因因素素有有关关，同同一一型型号号的的元元件件其其维维持持电电流流也也不不相相同同。通通常常在在晶晶闸闸管管的的铭铭牌牌上上标标明明了了常常温温下下IH

67、的实测值。的实测值。l2 2）掣）掣( (cheche) )住电流住电流L ：v给给晶晶闸闸管管门门极极加加上上触触发发电电压压，当当元元件件刚刚从从阻阻断断状状态态转转为为导导通通状状态态就就撤撤除除触触发发电电压压，此此时时元元件件维维持持导导通通所所需需要要的的最最小小阳极电流称掣住电流阳极电流称掣住电流L。（由断态转为通态）。（由断态转为通态）v对对同同一一晶晶闸闸管管来来说说，掣掣住住电电流流L 要要比比维维持持电电流流H 大大24倍。倍。(易断不易通。管子由通态转为断态在温度较高情况下，故易断不易通。管子由通态转为断态在温度较高情况下，故维持电流维持电流H 较小）较小） 电力电子器

68、件最新(4)课件（6）通态电流临界上升率）通态电流临界上升率 di/dt 1 1、定定义义：晶晶闸闸管管能能承承受受而而没没有有受受损损害害的的最最大大通通态电流上升率称通态电流临界上升率态电流上升率称通态电流临界上升率 di/dt。2 2、影影响响：门门极极流流入入触触发发电电流流后后，晶晶闸闸管管开开始始只只在在靠靠近近门门极极附附近近的的小小区区域域内内导导通通，随随着着时时间间的的推推移移，导导通通区区才才逐逐渐渐扩扩大大到到PN结结的的全全部部面面积积。如如果果阳阳极极电电流流上上升升得得太太快快，则则会会导导致致门门极极附附近近的的结结因因电电流流密密度度过过大大而而烧烧毁毁，使使

69、晶闸管损坏。晶闸管损坏。 晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率。电力电子器件最新(4)课件（7）断态电压临界上升率）断态电压临界上升率du/dt l1 1）定义：）定义：把在规定条件下，不导致晶闸管把在规定条件下，不导致晶闸管误触发导通误触发导通( ( 直接从断态转换到通态直接从断态转换到通态) )的最的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率升率du/dt。 l2 2）影响：）影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会

70、有一个充电电流流过结面，该充电电便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的结时，产生相当于流流经靠近阴极的结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件会使元件误触发导通误触发导通。 电力电子器件最新(4)课件电力电子器件最新(4)课件2.3 、晶闸管晶闸管l2.3.1 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l2.3.2 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 l2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件电力电子器件最新(4)课件2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 可可允允许许开开关关频频率率在在400HZ以以上上工工

71、作作的的晶晶闸闸管管称称为为快快速速晶晶闸闸管管(Fast Switching Thyrister，简简称称FST)，开开关关频频率率在在10KHZ 以以上上的的称称为为高高频频晶晶闸闸管管。 快快速速晶晶闸闸管管为为了了提提高高开开关关速速度度，其其硅硅片片厚厚度度做做得得比比普普通通晶晶闸闸管管薄薄，因因此此承承受受正正反反向向阻阻断断重重复复峰值电压较低，一般在峰值电压较低，一般在2000V以下。以下。 快快速速晶晶闸闸管管du/dt的的耐耐量量较较差差，使使用用时时必必须须注注意意产产品品铭铭牌牌上上规规定定的的额额定定开开关关频频率率下下的的du/dt，当当开关频率升高开关频率升高时

72、，时，du/dt 耐量会下降。耐量会下降。1. 快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching ThyristerFSTFST电力电子器件最新(4)课件l 可认为是一对反并联联接的普可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。通晶闸管的集成。 有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门一个门极极G。 正反两方向均可触发导通，所正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第以双向晶闸管在第和第III象象限有对称的伏安特性。限有对称的伏安特性。 与一对反并联晶闸管相比是经与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（调压电路、固态继电器

73、（SSR）和交流电机调速等领域应用较多。和交流电机调速等领域应用较多。 通常用在交流电路中，因此不通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额用平均值而用有效值来表示其额定电流值。定电流值。2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 图图2.3.6 2.3.6 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性2. 双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)电力电子器件最新(4)课件2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 1)将晶闸管反并联一个二极管制作在将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的同

74、一管芯上的功率集成器件功率集成器件。 2)与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正压降小、关断时间短、高温特性有正压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点；好、额定结温高等优点； 3)根据逆导晶闸管的伏安特性可知，根据逆导晶闸管的伏安特性可知，它的反向击穿电压很低；不具有承受它的反向击穿电压很低；不具有承受反向电压的能力，一旦承受即开通。反向电压的能力，一旦承受即开通。因此只能适用于不需要阻断反向电压因此只能适用于不需要阻断反向电压的电路中；故称为逆导型。的电路中；故称为逆导型。 4)逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流逆导晶闸管存在着晶闸管区和整流管区之间的隔离区；

75、管区之间的隔离区； 5)逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸逆导晶闸管的额定电流分别以晶闸管和整流管的额定电流表示；管和整流管的额定电流表示；图图2.3.7 逆导晶闸管的电气图逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性形符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性l3. 逆导晶闸管逆导晶闸管 (RCT)电力电子器件最新(4)课件v1)1)又称光触发晶闸管，是利用一又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶定波长的光照信号触发导通的晶闸管。闸管。v2) 2) 小功率光控晶闸管只有阳极和小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。阴极两个端子。v3 3）大功率光控晶闸管则还带有光

76、）大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的缆，光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。发光二极管或半导体激光器。v4 4）光触发保证了主电路与控制电）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如率的场合，如高压直流输电和高高压直流输电和高压核聚变装置压核聚变装置中，占据重要的地中，占据重要的地位。位。2.3.3 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 图图2.3.8 控晶闸管的电气图形符控晶闸管的电气图形符号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏

77、安特性伏安特性 4. 光控晶闸管光控晶闸管(LTT)(LTT)电力电子器件最新(4)课件第二章、第二章、电力电子器件电力电子器件v 2. 1、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型v 2. 2、电力二极管电力二极管v 2. 3、晶闸管晶闸管v 2. 4、可关断晶闸管可关断晶闸管v 2. 5、电力晶体管电力晶体管v 2. 6、电力场效应晶体管电力场效应晶体管v 2. 7、绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管v 2. 8、其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件v2. 9、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件最新(4)课件2.4 2.4 可关断晶闸管可关断晶闸管

78、可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate-Turn-Off (Gate-Turn-Off Thyristor)Thyristor)简称简称GTOGTO。它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，它具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高，电流大等。同时它又是全控型器件，即在电流大等。同时它又是全控型器件，即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲电流触发下关断。流触发下关断。 电力电子器件最新(4)课件2.4 2.4 可关断晶闸管可关断晶闸管l2.4.12.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理l2.4.2 2.4.2 可关断晶闸管的特性与主要参数可关断晶闸管

79、的特性与主要参数 电力电子器件最新(4)课件2.4.12.4.1 可关断晶闸管及其工作原理可关断晶闸管及其工作原理 与普通晶闸管的与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN PNPN四层半导体结构，外部四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。引出阳极、阴极和门极。 和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同点点：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成成器器件件，内内部部包包含含数数十十个个甚甚至至数数百百个个共共阳阳极极的的小小GTOGTO元元，这这些些GTOGTO元元的的阴阴极极和和门门极极则则在在器器件件内内部部分分别别并并联联在在一一起起，以以便便于于实现门极控制关断。实现门极控制关

80、断。图图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号1、可关断晶闸管的结构、可关断晶闸管的结构电力电子器件最新(4)课件l2 2、可关断晶闸管的工作原理、可关断晶闸管的工作原理l 1 1）GTOGTO的的导通机理导通机理与与SCRSCR是是相同的相同的。GTOGTO一一旦导通之后，门极信号是可以撤除的旦导通之后，门极信号是可以撤除的, , 但在制但在制作时采用特殊的工艺使管子导通后处于临界饱作时采用特殊的工艺使管子导通后

81、处于临界饱和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，和，而不象普通晶闸管那样处于深饱和状态，这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态这样可以用门极负脉冲电流破坏临界饱和状态使其关断。使其关断。l 2 2）在）在关断机理关断机理上与上与SCRSCR是是不同的不同的。门极加。门极加负脉冲即从门极抽出电流负脉冲即从门极抽出电流( (即抽取饱和导通时即抽取饱和导通时储存的大量载流子储存的大量载流子) )，强烈正反馈使器件退出，强烈正反馈使器件退出饱和而关断。饱和而关断。 电力电子器件最新(4)课件T2的电流分配系数2较大；T1、T2饱和深度较浅。GTO（GateTurn-OffThyristor）为什么

82、能靠反向触发电流关断？采用双晶体管模型来分析：采用双晶体管模型来分析： 分别具有共基电流增益分别具有共基电流增益1 1、2 2，由普通晶闸管分析可知：由普通晶闸管分析可知：1 1+ +2 2=1=1是器件导通的临界条件。是器件导通的临界条件。1 1+ +2 211两个等效晶体管过饱和使器件导通。两个等效晶体管过饱和使器件导通。1 1+2 2 UUGE(TH)GE(TH)( (开启电压开启电压, ,一般一般为为3 36V) 6V) ；其输出电流；其输出电流I Ic c与驱与驱动电压动电压U UGEGE基本呈线性关系；基本呈线性关系； 图图2.7.2 IGBT的伏安特的伏安特 性和转移特性性和转移

83、特性2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数与主要参数 1、IGBT的伏安特性和转移特性的伏安特性和转移特性（2 2）IGBTIGBT的转移特性曲线（如图的转移特性曲线（如图b b）IGBTIGBT关断：关断：IGBTIGBT开通：开通：U UGEGEUUGE(TH)GE(TH)；电力电子器件最新(4)课件l2、IGBT的开关特性的开关特性（1）IGBT的开通过程：的开通过程：l 从正向阻断状态转换从正向阻断状态转换到正向导通的过程。到正向导通的过程。 v开通延迟时间开通延迟时间td(on) ： IC从从10%UCEM到到10%ICM所需时间。所需时间。v电流上升时间

84、电流上升时间tr ： IC从从10%ICM上升至上升至90%ICM所需时间。所需时间。v开通时间开通时间ton ton ：l ton = td(on) + + tr2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数与主要参数 图图2.7.3 IGBT的开关特性的开关特性电力电子器件最新(4)课件2、IGBT的开关特性的开关特性（2）IGBT的关断过程的关断过程v关断延迟时间关断延迟时间td(off) ：从从UGE后沿下降到其幅值后沿下降到其幅值90%的时刻的时刻起，到起，到ic下降至下降至90%ICM v电流下降时间：电流下降时间：ic从从90%ICM下降至下降至10%ICM

85、。v关断时间关断时间toff：关断延迟时间关断延迟时间与电流下降之和。与电流下降之和。 电流下降时间又可分为电流下降时间又可分为tfi1和和tfi2 tfi1IGBT内部的内部的MOSFET的的关断过程，关断过程，ic下降较快；下降较快； tfi2IGBT内部的内部的PNP晶体管晶体管的关断过程，的关断过程，ic下降较慢。下降较慢。2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数与主要参数 图图2.7.3 IGBT的开关特性的开关特性 电力电子器件最新(4)课件v（1 1）最大集射极间电压）最大集射极间电压U UCEMCEM： l IGBTIGBT在关断状态时集电极和发射极之

86、间能承受的在关断状态时集电极和发射极之间能承受的最高电压。最高电压。 v（2 2）通态压降：）通态压降：l 是是指指IGBTIGBT在导通状态时集电极和发射极之间的管压在导通状态时集电极和发射极之间的管压降。降。v（3 3）集电极电流最大值）集电极电流最大值I ICMCM：l IGBTIGBT的的 I IC C增大，可至器件发生擎住效应，此时为增大，可至器件发生擎住效应，此时为防止发生擎住效应，规定的集电极电流最大值防止发生擎住效应，规定的集电极电流最大值I ICMCM。 v（4 4）最大集电极功耗最大集电极功耗P PCMCM： l 正常工作温度下允许的最大功耗正常工作温度下允许的最大功耗 。

87、 2.7.2 缘栅双极型晶体管的特性缘栅双极型晶体管的特性与主要参数与主要参数 l3、IGBT的主要参数的主要参数电力电子器件最新(4)课件l3、IGBT的主要参数的主要参数v(5) (5) 安全工作区安全工作区正偏安全工作区正偏安全工作区FBSOAFBSOA：IGBTIGBT在开通在开通时为时为正向偏置正向偏置时的安全工作区，如图时的安全工作区，如图2.7.5(a)2.7.5(a)所示。所示。反偏安全工作区反偏安全工作区RBSOARBSOA：IGBTIGBT在关断在关断时为时为反向偏置反向偏置时的安全工作区时的安全工作区，如图如图2.7.5 (b) 2.7.5 (b) IGBTIGBT的导通

88、时间越长，发热越严重，的导通时间越长，发热越严重，安全工作区越小。安全工作区越小。 在使用中一般通过选择适当的在使用中一般通过选择适当的U UCECE和和栅极驱动电阻栅极驱动电阻, ,控制控制 ，避免，避免IGBTIGBT因因 过高而产生擎住效应。过高而产生擎住效应。l图图2.7.5 IGBT2.7.5 IGBT的的l 安全工作区安全工作区 导通时间越短，导通时间越短，导通时间越短，导通时间越短，安全工作区越小。安全工作区越小。安全工作区越小。安全工作区越小。 越大，安全工作区越小。越大，安全工作区越小。电力电子器件最新(4)课件擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：（：（IGBT关断失控）关

89、断失控）NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，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，相当形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对于对J3结施加正偏压，一旦结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。电极电流的控制作用，电流失控。GCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg动态擎住效应比静态擎住效动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。应所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制擎住效应曾限制IGBT电流电流容量提高，容量提高，20世纪世纪90年代中年代中后期开始逐渐解决。后期

90、开始逐渐解决。电力电子器件最新(4)课件 (6) 输入阻抗：输入阻抗：IGBT的输入阻抗高，可达的输入阻抗高，可达1091011数量级，呈纯电容性，驱动功率小，数量级，呈纯电容性，驱动功率小，这些与这些与VDMOS相似。相似。 (7) 最最高高允允许许结结温温TjM：IGBT的的最最高高允允许许结结温温TjM为为150。VDMOS的的通通态态压压降降随随结结温温升升高高而而显显著著增增加加，而而IGBT的的通通态态压压降降在在室室温温和和最最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。高结温之间变化很小，具有良好的温度特性。2.7.2 缘栅双极型晶体管缘栅双极型晶体管的特性与主要参数的特性与主要参

91、数 3、IGBT的主要参数的主要参数电力电子器件最新(4)课件v 2.1 、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型v 2.2 、电力二极管电力二极管v 2.3 、晶闸管晶闸管v 2.4 、可关断晶闸管可关断晶闸管v 2.5 、电力晶体管电力晶体管v 2.6 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 2.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 v 2.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v 2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护第二章、第二章、电力电子器件电力电子器件电力电子器件最新(4)课件2.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件l2

92、.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 l2.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 l2.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 l2.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 l2.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 电力电子器件最新(4)课件2.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT） 它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力强等优点；频率与强等优点；频率与MOSMOS管相当。管相当。 但通态电阻较大，损耗大，不加信号时导

93、通，加负但通态电阻较大，损耗大，不加信号时导通，加负偏压关断，使用不太方便。偏压关断，使用不太方便。 广泛用于高频大功率场合广泛用于高频大功率场合高频感应加热、雷达通高频感应加热、雷达通信设备、超声波功率放大和脉冲功率放大等领域如高信设备、超声波功率放大和脉冲功率放大等领域如高频感应加热设备频感应加热设备( (例如例如200kHz200kHz、200kW200kW的高频感应加热的高频感应加热电源电源) )、高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、高音质音频放大器、大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以及空间技术。电视发射机、差转机微波以及空间技术。电力电子器件最新(4)课件l1 1、S

94、ITSIT的工作原理的工作原理- -结型结型场效应管场效应管 1 1）结结构构：SITSIT为为三三层层结结构构，其其元元胞胞结结构构图图如如图图2.8.1(a)2.8.1(a)所所示示，其其三三个个电电极极分分别别为为栅栅极极G G，漏漏极极D D和和源源极极S S。其表示符号如图其表示符号如图2.8.1 (b)2.8.1 (b)所示。所示。 2 2）分分类类：SITSIT分分N N沟沟道道、P P沟沟道道两两种种，箭箭头头向向外外的的为为NSITNSIT，箭箭头头向向内内的的为为PSITPSIT。 3 3）导导通通、关关断断：SITSIT为为常常开开器器件件，即即栅栅源源电电压压为为零零时

95、时，两两栅栅极极之之间间的的导导电电沟沟道道使使漏漏极极D-SD-S之之间间的的导导通通。则则SITSIT导导通通；当当加加上上负负栅栅源源电电压压U UGSGS时时，栅栅源源间间PNPN结结产产生生耗耗尽尽层层。随随着着负负偏偏压压U UGSGS的的增增加加，其其耗耗尽尽层层加加宽宽，漏漏源源间间导导电电沟沟道道变变窄窄。当当U UGSGS=U=UP P( (夹夹断断电电压压) )时时，导导电电沟沟道道被被耗耗尽尽层层所所夹夹断断，SITSIT关断关断。2.8.1 2.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SITSIT） SIT的漏极电流的漏极电流ID不但受栅不但受栅极电压极电压UGS控制

96、，同时还受漏极控制，同时还受漏极电压电压UDS控制。控制。 l图图2.8.1 SIT2.8.1 SIT的结构及其符号的结构及其符号 电力电子器件最新(4)课件l2 2、SITSIT的特性的特性 静态伏安特性曲线（静态伏安特性曲线（N N沟道沟道SITSIT）：）：当栅源电压当栅源电压U UGSGS一定时，随着漏源电一定时，随着漏源电压压U UDSDS的增加，漏极电流的增加，漏极电流I ID D也线性增也线性增加，其大小由加，其大小由SITSIT的通态电阻所决定的通态电阻所决定 ； SIT SIT采用采用垂直导电结构垂直导电结构, ,其导电沟其导电沟道短而宽道短而宽, ,适应于高电压适应于高电压

97、, ,大电流的大电流的场合；场合； SIT SIT的漏极电流具有的漏极电流具有负温度系数负温度系数, ,可避免因温度升高而引起的恶性循可避免因温度升高而引起的恶性循环；环； 2.8.1 2.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SITSIT）图图2.8.2 N-SIT2.8.2 N-SIT静态静态 伏安特性曲线伏安特性曲线电力电子器件最新(4)课件SITSIT的漏极电流通路上不存在的漏极电流通路上不存在PNPN结结, ,一般不会发生热不稳定性和二次击一般不会发生热不稳定性和二次击穿现象穿现象, ,其其安全工作区安全工作区范围较宽；范围较宽； SITSIT是短沟道多子器件是短沟道多子器件, ,

98、无电荷积无电荷积累效应累效应, ,它的开关速度相当快它的开关速度相当快, ,适应适应于高频场合；于高频场合； SITSIT的的栅极驱动电路比较简单栅极驱动电路比较简单：关断关断SITSIT需加数十伏的负栅压需加数十伏的负栅压-U-UGSGS , , 导通导通SIT SIT ，可以加，可以加5 56V6V的正栅偏压的正栅偏压+U+UGSGS, ,以降低器件的通态压降；以降低器件的通态压降；2.8.1 2.8.1 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SITSIT）l2 2、SITSIT的特性的特性 图图2.8.3 SIT2.8.3 SIT的的 安全工作区安全工作区电力电子器件最新(4)课件l2.8.1

99、 静电感应晶体管静电感应晶体管 l2.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 l2.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 l2.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 l2.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 2.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件电力电子器件最新(4)课件2.8.2 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH） 它自它自1972年开始研制并生产年开始研制并生产；优点：优点：与与GTO相比，相比，SITH的的通态电阻小、通态电阻小、通态压降低、开关速度快、损耗小、通态压降低、开关速度快、损耗小、 及及 耐量高等；耐量高等； 应用：应用：应用在直流

100、调速系统，高频加热应用在直流调速系统，高频加热电源和开关电源等领域；电源和开关电源等领域； 缺点：缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；制造工艺复杂，成本高； 电力电子器件最新(4)课件l1 1、SITHSITH的工作原理的工作原理l1 1）结构：）结构：在在SITSIT的结构的基础上再增的结构的基础上再增加一个加一个P P+ +层即形成了层即形成了SITHSITH的元胞结构，的元胞结构，如图如图2.8.4(a)2.8.4(a)。l2 2）三极：）三极：阳极阳极A A、阴极、栅极、阴极、栅极G G，l3 3）原理：）原理：l 栅极开路，在阳极和阴极之间加正栅极开路，在阳极和阴极之间加正向电压，有

101、电流流过向电压，有电流流过SITHSITH； l 在栅极在栅极G G和阴极和阴极K K之间加负电压，之间加负电压，G-G-K K之间之间PNPN结反偏，在两个栅极区之间的结反偏，在两个栅极区之间的导电沟道中出现耗尽层，导电沟道中出现耗尽层，A-KA-K间电流被间电流被夹断，夹断，SITHSITH关断；关断；l 栅极所加的负偏压越高，可关断的栅极所加的负偏压越高，可关断的阴极电流也越大。阴极电流也越大。 2.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管（SITH） 图图2.8.4 SITH2.8.4 SITH元胞元胞 结构其及符号结构其及符号电力电子器件最新(4)课件l 特性曲线的正向偏置部分与特性曲线

102、的正向偏置部分与SIT相似。栅极负压相似。栅极负压-UGK可控制阳可控制阳极电流关断，已关断的极电流关断，已关断的SITH，A-K间只有很小的漏电流存在。间只有很小的漏电流存在。l SITH 为为场场控控少少子子器器件件，其其动动态态特特性性比比GTO优优越越。SITH的的电电导导调调制制作作用用使使它它比比SIT的的通通态态电电阻阻小小、压压降降低低、电电流流大大，但但因因器器件件内内有有大大量量的的存存储储电电荷荷， 所所以以它它的的关关断断时时间间比比SIT要长、工作频率要低。要长、工作频率要低。 2.8.2 静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（SITH） 图图2.8.5 SITH2.8.5

103、 SITH的的 伏安特性曲线伏安特性曲线2 2、SITHSITH的特性：的特性：静态伏安特性曲线（图静态伏安特性曲线（图2.8.5）：电力电子器件最新(4)课件l2.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 l2.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 l2.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 l2.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 l2.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路2.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件电力电子器件最新(4)课件2.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） MCTMCT自自2020世纪世纪8080年代末问世，已生产出年代末问世

104、，已生产出300A/2000V300A/2000V、1000A/1000V1000A/1000V的器件；的器件； 结构：结构：是晶闸管是晶闸管SCR和场效应管和场效应管MOSFET复合而成的新型器件，其复合而成的新型器件，其主导主导元件元件是是SCR，控制元件控制元件是是MOSFET； 特点：特点：耐高电压、大电流、通态压降耐高电压、大电流、通态压降低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速低、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度高；度高； 电力电子器件最新(4)课件 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT结合了二者的优点MCT（MOS Controlled Thyristor）MOSFET与晶闸管的复合

105、MOSFETMOSFET高输入阻抗高输入阻抗低驱动功率低驱动功率快速开关过程快速开关过程高电压大电流高电压大电流低导通压降低导通压降 MOSMOS控制控制晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管电力电子器件最新(4)课件l 1 1）结构：）结构： MCTMCT是在是在SCRSCR结构中集成一对结构中集成一对MOSFETMOSFET构成的，通过构成的，通过MOSFETMOSFET来控制来控制SCRSCR的的导导通通和和关断关断。 使使MCTMCT导通的导通的MOSFETMOSFET称为称为ON-FETON-FET，使，使MCTMCT关断的关断的MOSFETMOSFET称为称为OFF-FETOFF-FET。 MC

106、TMCT的元胞有两种结构类型，一种的元胞有两种结构类型，一种为为N-MCTN-MCT，另一种为另一种为P-MCTP-MCT。 三个三个电极电极称为栅极称为栅极G G、阳极阳极A A和阴极和阴极K K。 图图2.8.62.8.6中中(a)(a)为为P-MCTP-MCT的典型结构，图的典型结构，图(b)(b)为其等效电路，图为其等效电路，图(c)(c)是它的表示符是它的表示符号号(N-MCT(N-MCT的表示符号箭头反向的表示符号箭头反向) )。 对于对于N-MCTN-MCT管，要将图管，要将图2.8.62.8.6中各区的半中各区的半导体材料用相反类型的半导体材料代替，导体材料用相反类型的半导体材

107、料代替，并将上方的阳极变为阴极，而下方的阴并将上方的阳极变为阴极，而下方的阴极变为阳极。极变为阳极。 2.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 图图2.8.6 P-MCT的结构、的结构、 等效电路和符号等效电路和符号1、MCT的工作原理的工作原理电力电子器件最新(4)课件控制信号：控制信号：用双栅极控制，栅极信号以阳用双栅极控制，栅极信号以阳极为基准；极为基准；导通：导通：当栅极相对于阳极加负脉冲电压时，当栅极相对于阳极加负脉冲电压时，ON-FETON-FET导通，其漏极电流使导通，其漏极电流使NPNNPN晶体管导通。晶体管导通。NPNNPN晶体管的导通又使晶体管的导通又使PNPPN

108、P晶体管导通且形晶体管导通且形成正反馈触发过程，最后导致成正反馈触发过程，最后导致MCTMCT导通；导通；关断：关断：当栅极相对于阳极施加正脉冲电压当栅极相对于阳极施加正脉冲电压时，时，OFF-FETOFF-FET导通，导通，PNPPNP晶体管基极电流中晶体管基极电流中断断, PNP, PNP晶体管中电流的中断破坏了使晶体管中电流的中断破坏了使MCTMCT导通的正反馈过程，于是导通的正反馈过程，于是MCTMCT被关断。被关断。 其中：其中：1 1）导通的）导通的MCTMCT中晶闸管流过主电流，中晶闸管流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。而触发通道只维持很小的触发电流。 2 2）使）使P

109、-MCTP-MCT触发导通的栅极相对阳极触发导通的栅极相对阳极的负脉冲幅度一般为的负脉冲幅度一般为-5-5-15V-15V，使其关断使其关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为为+10V+10V。 对于对于N-MCTN-MCT管管 ，其工作原理刚好相反。，其工作原理刚好相反。 2.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 图图2.8.6 P-MCT的结构、的结构、 等效电路和符号等效电路和符号2 2）工作原理（）工作原理（P-MCTP-MCT） 电力电子器件最新(4)课件(1) 阻断电压高阻断电压高(达达3000V)、峰值电流大峰值电流大(达达100

110、0A)、最大可关断电流密度为最大可关断电流密度为6000Acm2;(2) 通态压降小通态压降小(为为IGBT的的13，约，约2.1V);(3) 开关速度快、损耗小，工作频率可达开关速度快、损耗小，工作频率可达20kHz;(4) 极高的极高的dudt和和didt耐量耐量(du/ dt耐量达耐量达20kV/s，di/ dt耐量达耐量达2kA/s);(5) 工作允许温度高工作允许温度高(达达200以上以上); (6) 驱动电路简单驱动电路简单;2.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管（MCT） l2 2、MCTMCT的特性的特性( (与所学全控器件比较）与所学全控器件比较） （兼有（兼有MOS器件和双

111、极型器件的优点）器件和双极型器件的优点） 电力电子器件最新(4)课件 (7)(7)安全工作区：安全工作区：MCTMCT无正偏安无正偏安全工作区，只有反偏安全工作全工作区，只有反偏安全工作区区RBSOARBSOA； RBSOA与与 结结 温温 有有 关关 ， 反反 映映MCT关关断断时时电电压压和和电电流流的的极极限限容量。容量。（8 8）保保护护装装置置：MCT可可用用简简单单的的熔熔断断器器进进行行短短路路保保护护。因因为为当当工工作作电电压压超超出出RBSOA时时器器件件会会失失效效，但但当当峰峰值值可可控控电电流流超超出出RBSOA时时，MCT不不会会像像GTO那那样样损损坏坏，只只是是

112、不不能能用用栅栅极信号关断。极信号关断。2.8.3 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） 图图2.8.7 MCT2.8.7 MCT的的RBSOARBSOA2 2、MCTMCT的特性的特性电力电子器件最新(4)课件l2.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 l2.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 l2.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 l2.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 l2.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路2.8 其它新型电力电子器件其它新型电力电子器件电力电子器件最新(4)课件2.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管（IGCT/GCT） I

113、GCT ：（Integrated Gate-Commutated Thyristor） 也称也称GCT（Gate-Commutated Thyristor）。）。 2020世纪世纪9090年代后期出现。结合了年代后期出现。结合了IGBTIGBT与与GTOGTO的优点，的优点，容量与容量与GTOGTO相当，开关速度快相当，开关速度快1010倍，且可省去倍，且可省去GTOGTO庞大而庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大；复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大； IGCTIGCT可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优可望成为高功率高电压低频电力电子装置的优选功率器件之一。选功率器件

114、之一。 IGBT兼具功率兼具功率MOSFET高速开关特性和高速开关特性和GTR的低的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。导通压降特性两者优点的一种复合器件。 GTO耐压高，电流大等。耐压高，电流大等。电力电子器件最新(4)课件集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT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（Integrated Gate-Commutated Thyristor） GCT（Gate-Commutated Thyristor）集成门极换流集成门极换流晶闸晶闸管管开关速度快开关速

115、度快1010倍倍容量与容量与GTOGTO相当相当 GTOGTOIGBTIGBT电力电子器件最新(4)课件l2.8.1 静电感应晶体管静电感应晶体管 l2.8.2 静电感应晶闸管静电感应晶闸管 l2.8.3 MOS控制晶闸管控制晶闸管 l2.8.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管 l2.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路2.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件电力电子器件最新(4)课件2.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 2020世纪世纪8080年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，

116、称为功率模块。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。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。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，称为功率集成等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（电路（Power Integrated CircuitPICPower Integrated CircuitPIC）。）。PIC （Power Integ

117、rated Circuit）：）：电力电子器件最新(4)课件v 类类似似功功率率集集成成电电路路的的还还有有许许多多名名称称，但但实实际际上各有侧重上各有侧重: 高高压压集集成成电电路路（High Voltage IC，简简称称HVIC，一一般般指指横横向向高高压压器器件件与与逻逻辑辑或或模模拟拟控控制制电电路路的单片集成）的单片集成）; 智智能能功功率率集集成成电电路路（Smart Power IC，简简称称SPIC，一一般般指指纵纵向向功功率率器器件件与与逻逻辑辑或或模模拟拟控控制制电路的单片集成）电路的单片集成）; 智智能能功功率率模模块块（Intelligent Power Modul

118、e，简简称称IPM，专专指指IGBT及及其其辅辅助助器器件件与与其其保保护护和和驱动电路的单片集成，也称智能驱动电路的单片集成，也称智能IGBT）。）。2.8.5 功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路 电力电子器件最新(4)课件l二极管和晶闸管模块二极管和晶闸管模块_双开关模块双开关模块（提高整体额定电流或电压）（提高整体额定电流或电压）一一. 电力电子开关电力电子开关模块模块电力电子器件最新(4)课件l达林顿三极管功率模块达林顿三极管功率模块双开关、四开关、六开关模块双开关、四开关、六开关模块达林顿管与二极管复合而构成一个正向可控通断，反向导通的复合开关器件。达林顿管与二极管复合而构

119、成一个正向可控通断，反向导通的复合开关器件。基极和发射极上的二极管和电阻有助于减小漏极电流和加速关断。基极和发射极上的二极管和电阻有助于减小漏极电流和加速关断。电力电子器件最新(4)课件lMOSFET功率模块功率模块电力电子器件最新(4)课件lAC-DC-AC变频功率模块（间接变频）变频功率模块（间接变频）电力电子器件最新(4)课件功功率率集集成成电电路路的的主主要要技技术术难难点点：高高低低压压电电路路之之间间的的绝绝缘缘问问题以及温升和散热的处理。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。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。智智能能功功率率

120、模模块块在在一一定定程程度度上上回回避避了了上上述述两两个个难难点点,最最近近几几年获得了迅速发展。年获得了迅速发展。功功率率集集成成电电路路实实现现了了电电能能和和信信息息的的集集成成，成成为为机机电电一一体体化化的理想接口。的理想接口。发展现状发展现状电力电子器件最新(4)课件 PIC PIC实现电能变换和信息处理的集成化，实现电能变换和信息处理的集成化，它与高频化、数字化一起是未来电力电子变换它与高频化、数字化一起是未来电力电子变换和控制技术的发展方向。和控制技术的发展方向。电力电子器件最新(4)课件v 2.1 、电力电子器件的基本模型、电力电子器件的基本模型v 2.2 、电力二极管电力

121、二极管v 2.3 、晶闸管晶闸管v 2.4 、可关断晶闸管可关断晶闸管v 2.5 、电力晶体管电力晶体管v 2.6 、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管 v 2.7 、绝缘栅双极型晶体管、绝缘栅双极型晶体管 v 2.8 、其它新型电力电子器件、其它新型电力电子器件v 2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护第二章、第二章、电力电子器件电力电子器件电力电子器件最新(4)课件 2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护l电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容：电力电子电路的驱动、保护与控制包括如下内容：l（1）电力电子开关管的驱动：）电力电子开关管的驱动：

122、驱动器接收控制系统输出的驱动器接收控制系统输出的控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器控制信号，经处理后发出驱动信号给开关管，控制开关器件的通、断状态。件的通、断状态。l（2）过流、过压保护：）过流、过压保护：包括包括器件保护器件保护和和系统保护系统保护两个方面。两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。防止过流、过压损坏开关器件。 检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。护系统，防止系统崩溃而造

123、成事故。l（3）缓冲器：）缓冲器：在开通和关断过程中防止开关管过压和过在开通和关断过程中防止开关管过压和过 流，减小流，减小 、 减小开关损耗。减小开关损耗。电力电子器件最新(4)课件（4 4）滤波器：）滤波器：）滤波器：）滤波器：在输出直流的电力电子系统中输出滤波器在输出直流的电力电子系统中输出滤波器在输出直流的电力电子系统中输出滤波器在输出直流的电力电子系统中输出滤波器用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直用来滤除输出电压或电流中的交流分量以获得平稳的直流电能；在输出交流的电力电子系统

124、中滤波器滤除无用流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用流电能；在输出交流的电力电子系统中滤波器滤除无用的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以的谐波以获得期望的交流电能，提高由电源所获取的以及输出至负载的电力质量。及输出至负载的电力质量。及输出至负载的电力质量。及输出至负载的电力质量。 （5 5）散热系统：）散热系统：）散热系统：）散热系统：散发开关器件和其他部件的功耗发热，散发开关器件和其他部件的功耗发热，散发开关器件和其他部件的功

125、耗发热，散发开关器件和其他部件的功耗发热，减小开关器件的热量，降低开关器件的结温。减小开关器件的热量，降低开关器件的结温。减小开关器件的热量，降低开关器件的结温。减小开关器件的热量，降低开关器件的结温。（6 6）控制系统：）控制系统：）控制系统：）控制系统：实现电力电子电路的实时、适式控制，实现电力电子电路的实时、适式控制，实现电力电子电路的实时、适式控制，实现电力电子电路的实时、适式控制，综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、综合给定和反馈信号，经处理后为开关器件提供开通、关断信号，开机

126、、停机信号和保护信号。关断信号，开机、停机信号和保护信号。关断信号，开机、停机信号和保护信号。关断信号，开机、停机信号和保护信号。 2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件最新(4)课件v 2.9.1 驱动电路驱动电路v 2.9.2 保护电路保护电路v 2.9.3 缓冲电路缓冲电路v 2.9.4 散热系统散热系统 2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件最新(4)课件 2.9.1 驱动电路驱动电路l 将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，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，可以转

127、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。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。供关断控制信号。 在高压变换电路中，需要对控制系统和主电路之在高压变换电路中，需要对控制系统和主电路之间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来间进行电气隔离，这可以通过脉冲变压器或光耦来实现。实现。 驱动电路的基本任务：驱动电路的基本任务：电力电子器件最新(4)课件作作用用：产产生生符符合合要要求求的的门门极极触触发发脉脉冲冲，决决定

128、定每每个个晶晶闸闸管管的的触触发导通时刻。发导通时刻。 图图2.9.12.9.1为为基基于于脉脉冲冲变变压压器器PTPT和三极管放大器的驱动电路。和三极管放大器的驱动电路。工工作作原原理理：当当控控制制系系统统发发出出的的高高电电平平驱驱动动信信号号加加至至三三极极管管放放大大器器后后，变变压压器器TRTR输输出出电电压压经经D D2 2输输出出脉脉冲冲电电流流触触发发SCRSCR导导通通。当当控控制制系系统统发发出出的的驱驱动动信信号号为为零零后后，D D1 1、D DZ Z续续流流，TRTR的的原原边边电电压压速速降降为为零零，防防止止变变压压器器饱饱和。和。2.9.1 驱动电路驱动电路图

129、图2.9.1 带隔离变压器的带隔离变压器的SCR驱动电路驱动电路1 1晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管SCRSCR触发驱动电路触发驱动电路触发驱动电路触发驱动电路电力电子器件最新(4)课件图图2.9.22.9.2光光耦耦隔隔离离的的SCRSCR驱驱动电路。动电路。工工作作原原理理：当当控控制制系系统统发发出出驱驱动动信信号号致致光光耦耦输输入入端端时时，光光耦耦输输出出电电路路中中R R上上的的电电压压产产生生脉脉冲冲电电流流触触发发SCRSCR导通。导通。图图2.9.2 光耦隔离的光耦隔离的SCR驱动电路驱动电路1 1晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管SCRSCR触发驱动电路触发驱动电路触发驱动电路触发驱动电

130、路 2.9.1 驱动电路驱动电路电力电子器件最新(4)课件19.2.3 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路1. 1. 单结晶体管单结晶体管单结晶体管单结晶体管B B2 2第二基极第二基极第二基极第二基极B B1 1N欧姆接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触 电阻电阻电阻电阻P发射极发射极发射极发射极E E第一基极第一基极第一基极第一基极PN结结N型硅片型硅片(a) (a) 示意图示意图示意图示意图单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号(b) (b) 符符符符号号号号(1)(1)结构结构结构结构B B2 2E E

131、B B1 1电力电子器件最新(4)课件(2) (2) 工作原理工作原理工作原理工作原理 U UE E U UP P后，大量空穴后，大量空穴后，大量空穴后，大量空穴注入基区，致使注入基区，致使注入基区，致使注入基区，致使IE增加、增加、增加、增加、UE反而下降，反而下降，反而下降，反而下降，出现负阻出现负阻出现负阻出现负阻- - - -负阻区。负阻区。负阻区。负阻区。P电力电子器件最新(4)课件(1) (1) U UE E U UP P时单结管导通，时单结管导通，时单结管导通，时单结管导通，U UE E U UV V时恢复截止。时恢复截止。时恢复截止。时恢复截止。单结晶体管的特点单结晶体管的特点

132、单结晶体管的特点单结晶体管的特点(2) (2) 晶体管的峰点电压晶体管的峰点电压晶体管的峰点电压晶体管的峰点电压U UP P与外与外与外与外 加固定电压加固定电压加固定电压加固定电压U UBBBB及分压比及分压比及分压比及分压比 有关，有关，有关，有关，固定电压固定电压固定电压固定电压U UBBBB或或或或分压比分压比分压比分压比 不同，则峰值电不同，则峰值电不同，则峰值电不同，则峰值电 压压压压U UP P不同。不同。不同。不同。(3) 不同单结晶体管的谷点电压不同单结晶体管的谷点电压U UV V和和和和谷点电流谷点电流I IV V都都 不一样。谷点电压大约在不一样。谷点电压大约在2 5V之

133、间。常选用之间。常选用 稍大一些、稍大一些、 U UV V稍小的单结晶体管，以增大输稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。出脉冲幅度和移相范围。B B2 2E EB B1 1电力电子器件最新(4)课件2. 2. 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路(1) (1) 振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路单结晶体管弛张振荡电路单结晶体管弛张振荡电路单结晶体管弛张振荡电路单结晶体管弛张振荡电路 单结晶体管弛张单结晶体管弛张单结晶体管弛张单结晶体管弛张振荡电路利用单结管振荡电路利用单结管振荡电路利用单结管振荡电路利用单结管的负阻特性及的负阻特性及的负阻特性及的

134、负阻特性及RCRC电路电路电路电路的充放电特性组成频的充放电特性组成频的充放电特性组成频的充放电特性组成频率可调的振荡电路。率可调的振荡电路。率可调的振荡电路。率可调的振荡电路。 ug gR R2 2R R1 1R RU UuC CE E+C C+ +_ _ _+ +_ _5050 100k100k 300300 0. 470. 47 F F电力电子器件最新(4)课件(2)(2) 振荡过程分析振荡过程分析振荡过程分析振荡过程分析设通电前设通电前设通电前设通电前u uC C =0=0。 接通电源接通电源接通电源接通电源U U, , 电容电容电容电容C C经电阻经电阻经电阻经电阻R R充电。充电。

135、充电。充电。电容电压电容电压电容电压电容电压u uC C逐渐升高。逐渐升高。逐渐升高。逐渐升高。 当当当当u uC C U UP P时时时时, , , ,单结管导通单结管导通单结管导通单结管导通, , , ,电电电电容容容容C C放电放电放电放电, , , ,R R1 1上得到一脉冲电压。上得到一脉冲电压。上得到一脉冲电压。上得到一脉冲电压。U Up pUVU Up p- -U UD DuC C tug t电容放电至电容放电至电容放电至电容放电至 u uC C U Uv v v v时，单结管重新关断，使时，单结管重新关断，使时，单结管重新关断，使时，单结管重新关断，使u uOO 0 0 0 0

136、。 ugR R2 2R R1 1R RU UuC CE E+C C+ +_ _ _+ +_ _5050 100k100k 300300 0. 470. 47 F F电力电子器件最新(4)课件注意：注意：注意：注意：R R值不能选值不能选值不能选值不能选的太小，否则单结的太小，否则单结的太小，否则单结的太小，否则单结管不能关断，电路管不能关断，电路管不能关断，电路管不能关断，电路亦不能振荡亦不能振荡亦不能振荡亦不能振荡。uC C t tuOOuP PuV(b) (b) 电压波形电压波形电压波形电压波形电力电子器件最新(4)课件主电路主电路主电路主电路触发电路触发电路触发电路触发电路(3)(3)

137、单结管触发的半控桥式整流电路单结管触发的半控桥式整流电路单结管触发的半控桥式整流电路单结管触发的半控桥式整流电路u u1 1+ +RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+ uC+ + RuL L+ +ug g+ +u u+ + 电力电子器件最新(4)课件1)1)1)1)整流削波整流削波整流削波整流削波U2M削削削削 波波波波U UZ ZU2M t tO t t t t整流整流整流整流Ru2+ + uO+ uZ电力电子器件最新(4)课件2) 2) 触发电路触发电路触发电路触发电路UZUP-UDR1R2RPCuC+ +Rug g+ +uZ+ + t t t t t t t tU UVUpRL

138、T1D1D2T2uL L+ +3) 3) 输出电压输出电压输出电压输出电压u uL L电力电子器件最新(4)课件问问 题题 讨讨 论论1. 1. 单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发 电路为什么接在同一个变压器上？电路为什么接在同一个变压器上？电路为什么接在同一个变压器上？电路为什么接在同一个变压器上？ 目的：目的：目的：目的：保证主电路和触发电路的电源电压同时过保证主电路和触发电路的电源电压同时过保证主电路和触发电路的电源电压同时过保证主电路和触发电路的电源电压同时过零

139、零零零( ( ( (即两者同步即两者同步即两者同步即两者同步) ) ) )，使电容在每半个周期均从零开始，使电容在每半个周期均从零开始，使电容在每半个周期均从零开始，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同的时刻相同的时刻相同的时刻相同( ( ( (即即即即 角一样角一样角一样角一样) ) ) )以使输出平均电压不变。以使输出平均电压不变。以使输出平均电压不变。以使输出平均电压不变。2. 2. 触发电路中，整流后为什么加稳

140、压管？触发电路中，整流后为什么加稳压管？触发电路中，整流后为什么加稳压管？触发电路中，整流后为什么加稳压管？ 稳压管的作用：稳压管的作用：稳压管的作用：稳压管的作用：是将整流后的电压变成梯形是将整流后的电压变成梯形是将整流后的电压变成梯形是将整流后的电压变成梯形( ( ( (即削即削即削即削波波波波) ) ) )，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个

141、周期产生从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。电力电子器件最新(4)课件3. 3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？ 如何改变控制角如何改变控制角如何改变控制角如何改变控制角 ？ 根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电根据晶闸管的特性，

142、它一旦触发导通，在阳极电根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。冲起作用。冲起作用。冲起作用。改变充电时间常数即可改变控制角改变充电时间常数即可改变控制角改变充电时间常数即可改变控制角改变充电时间常数即可改变控制角 。控制角控制角控制角

143、控制角 变化的范围称为移相范围。变化的范围称为移相范围。变化的范围称为移相范围。变化的范围称为移相范围。4. 4. 电压的调节电压的调节电压的调节电压的调节R R 电容充电速度变慢电容充电速度变慢电容充电速度变慢电容充电速度变慢 uL L电力电子器件最新(4)课件3.3. 应用举例应用举例应用举例应用举例(1) (1) 电瓶充电机电路电瓶充电机电路电瓶充电机电路电瓶充电机电路 该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。具有过充电保护、短路

144、保护和电瓶短接保护。具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。TR1AVR2R4R3RPDDZC+_待待待待充充充充电电电电瓶瓶瓶瓶T1电力电子器件最新(4)课件R1AVR2R4R3RPDDZC+_待待待待充充充充电电电电瓶瓶瓶瓶T1工作原理工作原理工作原理工作原理 当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。电源电压开始工作。电源电压开始工作。电源电压开始工作。 R R2 2 、R RP P、 C C 、T T1 1 、

145、R R3 3 、 R R4 4 构成了单结晶体管构成了单结晶体管构成了单结晶体管构成了单结晶体管触发电路触发电路触发电路触发电路。 电力电子器件最新(4)课件 当电瓶电压充到一定数值时，使得当电瓶电压充到一定数值时，使得当电瓶电压充到一定数值时，使得当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管单结晶体管单结晶体管单结晶体管的峰点电压的峰点电压的峰点电压的峰点电压U UP P大于稳压管大于稳压管大于稳压管大于稳压管D DZ Z的稳定电压，单结晶体的稳定电压，单结晶体的稳定电压，单结晶体的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机管不能导

146、通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。停止充电。停止充电。停止充电。 R1AVR2R4R3RPDDZC+_待待待待充充充充电电电电瓶瓶瓶瓶T1电力电子器件最新(4)课件R1AVR2R4R3RPDDZC+_待待待待充充充充电电电电瓶瓶瓶瓶T1 触发电路和可控整流电路的同步是由二极管触发电路和可控整流电路的同步是由二极管触发电路和可控整流电路的同步是由二极管触发电路和可控整流电路的同步是由二极管D D和电和电和电和电阻阻阻阻R R1 1来完成的。来完成的。来完成的。来完成的。 交流电压过零变正后交流电压过零变正后交流电压过零变正后交流电压过零变正

147、后D D截止，电瓶电压通过截止，电瓶电压通过截止，电瓶电压通过截止，电瓶电压通过R R2 2 、R RP P向向向向C C充电。改变充电。改变充电。改变充电。改变R RP P之值，可设定电瓶的初始充电之值，可设定电瓶的初始充电之值，可设定电瓶的初始充电之值，可设定电瓶的初始充电电流。电流。电流。电流。 交流电压过零变负后，电容通过交流电压过零变负后，电容通过交流电压过零变负后，电容通过交流电压过零变负后，电容通过D D和和和和R R1 1迅速放电。迅速放电。迅速放电。迅速放电。电力电子器件最新(4)课件开通：开通：在门极加正驱动电流。在门极加正驱动电流。2GTO的驱动电路的驱动电路lGTO的几

148、种基本驱动电路：的几种基本驱动电路：l关断：关断：在门极加很大的负电流在门极加很大的负电流电力电子器件最新(4)课件1）图）图2.9.3(a) 晶体管导通、关断过晶体管导通、关断过程程：l 电源经使电源经使GTO触发导通，电容触发导通，电容充电，充电， 电压极性如图示。当关断电压极性如图示。当关断时，电容放电，反向电流使时，电容放电，反向电流使GTO关关断。断。l 起开通限流作用，在起开通限流作用，在SCR阳极阳极电流下降期间释放出储能，补偿电流下降期间释放出储能，补偿GTO的门极关断电流，提高了关断能力。的门极关断电流，提高了关断能力。l 该电路虽然简单可靠，但因无独立该电路虽然简单可靠，但

149、因无独立的关断电源，的关断电源， 其关断能力有限且不易其关断能力有限且不易控制。另一方面，电容上必须有一控制。另一方面，电容上必须有一定的能量才能定的能量才能使使GTO关断，故触发关断，故触发的脉冲必须有一定的宽度。的脉冲必须有一定的宽度。 2.9.1 驱动电路驱动电路图2.9.3(a)2. GTO的几种基本驱动电路：（续）的几种基本驱动电路：（续）电力电子器件最新(4)课件导通和关断过程：图导通和关断过程：图2.9.3(b)导通：导通：1、2导通时导通时GTO被触发；被触发；关断：关断：1、2关断和关断和SCR、SCRl 导通时导通时GTO门极与阴极间流过门极与阴极间流过l 负电流而被关断；

150、负电流而被关断； 2.9.1 驱动电路驱动电路l图图2.9.3(b)2. GTO的几种基本驱动电路：（续）的几种基本驱动电路：（续）l 由于由于GTO的开通和关断均依赖于的开通和关断均依赖于一个独立的电源，故其关断能力强且一个独立的电源，故其关断能力强且l可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；可控制，其触发脉冲可采用窄脉冲；电力电子器件最新(4)课件 2.9.1 驱动电路驱动电路 图图2.9.3(c)中，导通和关断用两中，导通和关断用两个独立的电源，开关元件少，电个独立的电源，开关元件少，电路简单。路简单。 图图2.9.3(d)，对对于于300A以以上上的的GTO，用用此此驱驱动动电电路路可以满足要

151、求。可以满足要求。2. GTO2. GTO的几种基本驱动电路：的几种基本驱动电路：的几种基本驱动电路：的几种基本驱动电路：（续）（续）（续）（续）电力电子器件最新(4)课件 2.9.1 驱动电路驱动电路l1) 作用作用: l 将控制电路输出的控制信号放大到将控制电路输出的控制信号放大到足以保证足以保证GTR可靠导通和关断的程度。可靠导通和关断的程度。 2) 功能功能: 提提供供合合适适的的正正反反向向基基流流以以保保证证GTR可可靠靠导导通通与与关关断断(期期望望的的基基极极驱驱动动电电流流波形如图波形如图2.9.4 所示所示)。 实现主电路与控制电路的隔离。实现主电路与控制电路的隔离。 具具

152、有有自自动动保保护护功功能能，以以便便在在故故障障发发生生时时快快速速自自动动切切除除驱驱动动信信号号，避避免免损损坏坏GTR。 电电路路尽尽可可能能简简单单、工工作作稳稳定定可可靠靠、抗抗干扰能力强。干扰能力强。图图2.9.4 理想的基极理想的基极驱动电流波形驱动电流波形 3GTR的驱动电路的驱动电路 电力电子器件最新(4)课件 3GTR的参考驱动电路（续）的参考驱动电路（续） 图图2.9.5 双电源驱动电路双电源驱动电路 图图2.9.7UAA4002组成组成 的的GTR驱动电路驱动电路 对对GTR实现过流保护、退饱和保护、实现过流保护、退饱和保护、正反向驱动电源电压监控、自身过正反向驱动电

153、源电压监控、自身过热保护等。热保护等。16、1为正、反向输出。为正、反向输出。电力电子器件最新(4)课件l 由由于于IGBT的的输输入入特特性性几几乎乎和和VDMOS相相同同(阻阻抗抗高高，呈呈容容性性)所所以以，要要求求的的驱驱动动功功率率小小，电电路路简简单单，用用于于IGBT的驱动电路同样可以用于的驱动电路同样可以用于VDMOS。 2.9.1 驱动电路驱动电路图图2.9.8 采用脉冲变压器采用脉冲变压器 隔离的栅极驱动电路隔离的栅极驱动电路图图2.9.9 推挽输出的推挽输出的 栅极驱动电路栅极驱动电路 l4MOSFET和和IGBT的驱动电路的驱动电路电力电子器件最新(4)课件4MOSFE

154、T和和IGBT的驱动电路的驱动电路图图2.9.10 EXB8XX驱动模块框图驱动模块框图IGBT专用集成驱动模块，性能好、可靠性高、体积小。见课本P68图图2.9.11 集成驱动器的应用电路集成驱动器的应用电路 电力电子器件最新(4)课件v 2.9.1 驱动电路驱动电路v 2.9.2 保护电路保护电路 v 2.9.3 缓冲电路缓冲电路v 2.9.4 散热系统散热系统 2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件最新(4)课件2.9.2 保护电路保护电路l 电力电子系统在发生故障时可能会发生过电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。电

155、流、过压，造成开关器件的永久性损坏。l 过流、过压保护包括器件保护和系统保护过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故造成事故 。电力电子器件最新(4)课件措施：措施：通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流继

156、电器等几种过电流断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。保护措施，提高保护的可靠性和合理性。快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路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。整定在过载时动作。 2.9.2 保护电路保护电路l图图2.9.13 电力电子系统中常用的过流保护方案电力电子系统中常用的过流保护方案 1 . 过电流保护（过流包括过载和短路）过电流保护（过流包括过载和短路）电力电子器件最新(4)课件l过电压过电压外因过电压和内因过

157、电压。外因过电压和内因过电压。v 外外因因过过电电压压：主主要要来来自自雷雷击击和和系系统统中中的的操操作作过过程程（由由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。分闸、合闸等开关操作引起）等外因。v 内内因因过过电电压压：主主要要来来自自电电力力电电子子装装置置内内部部器器件件的的开开关关过程。过程。 (1) 换换相相过过电电压压：晶晶闸闸管管或或与与全全控控型型器器件件反反并并联联的的二二极极管管在在换换相相结结束束后后不不能能立立刻刻恢恢复复阻阻断断，因因而而有有较较大大的的反反向向电电流流流流过过，当当恢恢复复了了阻阻断断能能力力时时，该该反反向向电电流流急急剧剧减减小小，会由线路电感在器件两

158、端感应出过电压。会由线路电感在器件两端感应出过电压。 (2) 关关断断过过电电压压：全全控控型型器器件件关关断断时时，正正向向电电流流迅迅速速降降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。2.9.2 保护电路保护电路l2过电压保护过电压保护电力电子器件最新(4)课件电力电子系统中常用的过电压保护方案：电力电子系统中常用的过电压保护方案： 图中交流电源经交流断路器图中交流电源经交流断路器S送入降变压器送入降变压器T。当雷电过电压从电网窜当雷电过电压从电网窜入时，避雷器入时，避雷器F将对地放电防止雷电进入变压器。将对地放电防止雷电进入变压器。C0为静电感应过电

159、压抑制为静电感应过电压抑制电容，当交流断路器合闸时，过电压经电容，当交流断路器合闸时，过电压经C12耦合到耦合到T的次极，的次极，C0将静电感应将静电感应过电压对地短路，保护了后面的电力电子开关器件不受操作过电压对地短路，保护了后面的电力电子开关器件不受操作2.9.2 保护电路保护电路图图2.9.14 电力电子系统中电力电子系统中l常用的过电压保护方案常用的过电压保护方案过过电电压压的的冲冲击击。C1R1是是过过电电压压抑抑制制环环节节，当当变变压压器器T的的次次极极出出现现过过电电压压时时，过过电电压压对对C1充充电电，由由于于电电容容上上的的电电压压不不能能突突变变，所所以以C1R1能能抑

160、抑制制过过电电压压。C2R2也也是是过过电电压压抑抑制制环环节节，电电路路上上出出现现过过电电压压时时，二二极极管管导导通通对对C2充充电电，过过电电压压消消失失后后C2对对R2放放电电，二二极极管管不不导导通通，放放电电电电流流不不会会送送入入电电网网，实实现现了了系系统统的的过过压压保护。保护。2过电压保护过电压保护 电力电子器件最新(4)课件l作用：作用：防止器件串联使用时电压、并联防止器件串联使用时电压、并联使用时电流分配不均匀，使其电压、电使用时电流分配不均匀，使其电压、电流超过器件的极限损坏器件。流超过器件的极限损坏器件。l方法：方法：l 器器件件串串联联时时，除除尽尽量量选选用用

161、参参数数和和特特性性一一致致的的器器件件外外，常常采采用用图图2.9.15所所示示的的均均压压电电路路，R11、R12是是静静态态均均压压电电阻阻（阻阻值值应应比比器器件件阻阻断断时时的的正正、反反向向电电阻阻小小得得多多），R13、C11、和和R14、C12并并联支路作动态均压。联支路作动态均压。l 器器件件并并联联时时，除除了了尽尽量量选选用用参参数数和和特特性性一一致致的的器器件件外外，常常使使每每个个器器件件串串均均流流电电抗抗器器后后再再并并联联，同同时时用用门门极极强强脉脉冲冲触触发发也也有有助助于于动动态态均均流流。并并且且，IGBT具有电流的自动均衡能力，易于并联。具有电流的自

162、动均衡能力，易于并联。2.9.2 保护电路保护电路图图2.9.15 均压电路均压电路l3开关器件串联、并联使用时的均压、均流开关器件串联、并联使用时的均压、均流电力电子器件最新(4)课件v 2.9.1 驱动电路驱动电路v 2.9.2 保护电路保护电路 v 2.9.3 缓冲电路缓冲电路v 2.9.4 散热系统散热系统 2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件最新(4)课件2.9.3 缓冲电路缓冲电路 1）原因：）原因： 电电力力电电子子器器件件工工作作状状态态有有开开通通、通通态态、关关断断、断断态态四四种种工工作作状状态态，其其中中断断态态时时承承受受高高电电压

163、压，通通态态时时承承载载大大电电流流，而而开开通通和和关关断断过过程程中中开关器件可能同时承受过压、过流、过大的开关器件可能同时承受过压、过流、过大的 、 以及过大的瞬时功率。以及过大的瞬时功率。 2）缓缓冲冲电电路路作作用用：防防止止高高电电压压和和大大电电流流可可能能使器件工作点超出安全工作区而损坏器件。使器件工作点超出安全工作区而损坏器件。 3）原原理理：关关断断缓缓冲冲电电路路吸吸收收器器件件的的关关断断过过电电压压和和换换相相过过电电压压，抑抑制制 ,减减小小关关断断损损耗耗；开开通通缓缓冲冲电电路路抑抑制制器器件件开开通通时时的的电电流流过过冲冲和和 ,减小器件的开通损耗。减小器件

164、的开通损耗。电力电子器件最新(4)课件 GTR开通过程：开通过程：一方面一方面S经经S、S和和GTR回路放电减小了回路放电减小了GTR承受较承受较大的电流上升率大的电流上升率 ，另一方面负载电，另一方面负载电流经电感流经电感S后受到了缓冲，也就避免了后受到了缓冲，也就避免了开通过程中开通过程中GTR同时承受大电流和高电同时承受大电流和高电压的情形。压的情形。 GTR关关断断过过程程： 流流过过负负载载L的的电电流流经经电电感感LS、二二极极管管S给给电电容容S充充电电，因因为为S上上电电压压不不能能突突变变，这这就就使使GTR在在关关断断过过程程电电压压缓缓慢慢上上升升，避避免免了了关关断断过

165、过程程初初期期器器件件中中电电流流还还下下降降不不多多时时，电电压压就就升升到到最最大大值值,同同时时也也使使电电压压上上升升率率 被被限限制。制。2.9.3 缓冲电路缓冲电路图图2.9.16 GTR 缓冲电路缓冲电路v图图2.9.16是一种中、小功率开关器件是一种中、小功率开关器件GTR的缓冲电路。的缓冲电路。电力电子器件最新(4)课件v 如图如图2.9.17所示所示是一种是一种大大功率开关器件功率开关器件GTR的缓冲电路。的缓冲电路。将无感电容将无感电容器器C、快恢复二极管快恢复二极管D和无感电阻和无感电阻R组成组成RCD缓冲吸收回路。缓冲吸收回路。 器件关断过程：器件关断过程：电流经过电

166、流经过C、D给无感电容器充电，使器件的给无感电容器充电，使器件的UCE电压缓慢上升，可有效地抑制过电压的产生；电压缓慢上升，可有效地抑制过电压的产生； 器件开通过程：器件开通过程：C上的电荷再通过电阻上的电荷再通过电阻R经器件放电，可加速经器件放电，可加速器件的导通。器件的导通。 作用：作用：采用缓冲吸收回路后：不仅保护了器件，使之工作在安采用缓冲吸收回路后：不仅保护了器件，使之工作在安全工作区，而且由于器件的开关损耗有一部分转移到了缓冲吸全工作区，而且由于器件的开关损耗有一部分转移到了缓冲吸收回路的功率电阻收回路的功率电阻R上，因此上，因此降低了器件的损耗降低了器件的损耗，并且可以，并且可以

167、降降低器件的结面温度低器件的结面温度，从而可充分利用器件的电压和电流容量。，从而可充分利用器件的电压和电流容量。2.9.3 缓冲电路缓冲电路图图2.9.17 两种经常使用的缓冲吸收回路两种经常使用的缓冲吸收回路 电力电子器件最新(4)课件v 2.9.1 驱动电路驱动电路v 2.9.2 保护电路保护电路 v 2.9.3 缓冲电路缓冲电路 v 2.9.4 散热系统散热系统 2.9 、电力电子器件的驱动与保护、电力电子器件的驱动与保护电力电子器件最新(4)课件2.9.4 散热系统散热系统l 电力半导体器件在电能变换、开关动作中会产生电力半导体器件在电能变换、开关动作中会产生功率损耗，使得器件发热，结

168、面温度上升。但是，电功率损耗，使得器件发热，结面温度上升。但是，电力半导体器件均有其安全工作区所允许的工作温度力半导体器件均有其安全工作区所允许的工作温度（结面温度），无论任何情况下都不允许超过其规定（结面温度），无论任何情况下都不允许超过其规定值。为此，必须要对电力半导体器件进行散热。值。为此，必须要对电力半导体器件进行散热。 l 电力半导体器件的散热，一般有三种冷却方式：电力半导体器件的散热，一般有三种冷却方式：l 自然冷却：只适用于小功率应用场；自然冷却：只适用于小功率应用场；l 风扇冷却：适用于中等功率应用场合，如风扇冷却：适用于中等功率应用场合，如IGBT应应用电路；用电路； l 水

169、冷却：适用于大功率应用场合，如大功率水冷却：适用于大功率应用场合，如大功率GTO、IGCT及及SCR等应用电路；等应用电路；电力电子器件最新(4)课件小 结 根据开关器件开通、关断可控性的不同，开关器件可以分根据开关器件开通、关断可控性的不同，开关器件可以分为三类：为三类：不可控器件：仅二极管D是不可控开关器件。半控器件：仅普通晶闸管SCR属于半控器件。可以控制其导通起始时刻，一旦SCR导通后，SCR仍继续处于通态。全控型器件：三极管BJT、可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管P-MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT都是全控型器件，即通过门极（或基极或栅极）是否施加驱动信号既能控制其开通又能控

170、制其关断电力电子器件最新(4)课件根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要求，开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控制型开关器件两大类：SCR、BJT和GTO为电流驱动控制型器件PMOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件三极管BJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，当基极电流为零后BJT关断。为了加速其关断，最好能提供负的脉冲电流。P-MOSFET和IGBT要求有正的持续的驱动电压使其开通并保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并保持为可靠的断态。电压型驱动器件的驱动功率都远小于电流型开关器件，驱动电路也比较简单可靠。电力电子器件最新(4)课件可控性驱动信号额定电压、电流工作频率饱和压降二极管不可控无最大有高有低小晶闸管半控脉冲电流（开通）最大最低小GTO全控正、负脉冲电流大较低中BJT全控正电流中中小IGBT全控正电压较大较高较小MOSFET全控正电压小最高大常用电力半导体开关器件性能对比电力电子器件最新(4)课件 最近十年电力电子器件发展的一个重要趋势是将半导体电力开关器件与其驱动、缓冲、监测、控制和保护等所有硬件集成一体，构成一个功率集成电路PIC。PIC实现了电能与信息的集成，如果能妥善解决PIC内部的散热、隔离等技术难题，今后PIC将使电力电子技术发生革命性的变革。大 趋 势电力电子器件最新(4)课件