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1、电力电子技术电力电子技术第1章 电力电子器件1.11.1电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件概述1.21.2不可控器件不可控器件不可控器件不可控器件二极管二极管二极管二极管1.31.3半控型器件半控型器件半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管1.41.4典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件1.51.5其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件1.61.6电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动1.71.7电力电子器件的保护电力电子器件的保护电力电子器件的保护电力电子器件的保护
2、1.81.8电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用电力电子器件的串联和并联使用 本章小结本章小结本章小结本章小结电力电子技术电力电子技术电子技术的基础电子技术的基础电子技术的基础电子技术的基础 电子器件：晶体管和集成电子器件：晶体管和集成电子器件：晶体管和集成电子器件：晶体管和集成电路电路电路电路电力电子电路的基础电力电子电路的基础电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：本章主要内容：概述电力电子器件的概述电力电子器件的概念概念概念概念、特点特点特点特点和和分类
3、分类分类分类等问题等问题。介绍常用电力电子器件的介绍常用电力电子器件的工作原理工作原理工作原理工作原理、基本特性、主基本特性、主基本特性、主基本特性、主要参数要参数要参数要参数以及选择和使用中应注意问题以及选择和使用中应注意问题。第1章 电力电子器件引言2电力电子技术电力电子技术1.1.1 电力电子器件的概念和特征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电力电子器件的分类1.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点1.1 电力电子器件概述3电力电子技术电力电子技术1 1 1 1）概念）概念）概念）概念: : :
4、:电力电子器件电力电子器件电力电子器件电力电子器件（Power Electronic DevicePower Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。电子器件。主电路（主电路（主电路（主电路（MainPowerCircuitMainPowerCircuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控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。制任务的电路。2 2 2 2）分类）分类）分类）分类: : : : 电真空器件电真空器件电真空器件电真空器件 ( (汞弧整流器、闸流管汞弧整流器、闸
5、流管) ) 半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件 ( (采用的主要材料硅）采用的主要材料硅）1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件电力电子器件4电力电子技术电力电子技术能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。器件。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。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。一般都要安装散热器。1.1.1 电力电子器件的概念和特
6、征3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：5电力电子技术电力电子技术通态损耗通态损耗通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗开关损耗开关损耗可能成为器件功率损可能成为器件功率损耗的主要因素耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗6电力电子技术电力电子技术电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。图1-
7、1 电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.2 应用电力电子器件系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路在主电路和控制电和控制电路中附加路中附加一些电路，一些电路，以保证电以保证电力电子器力电子器件和整个件和整个系统正常系统正常可靠运行可靠运行电气隔离控制电路7电力电子技术电力电子技术半控型器件（半控型器件（半控型器件（半控型器件（ThyristorThyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。制其关断。全控型器件全控型器件全控型器件全控型器件（IGBT,MOSFETIGBT,MOSFET) ) ) ) 通过控制
8、信号既可控制其导通又可控制通过控制信号既可控制其导通又可控制其关其关 断，又称自关断器件。断，又称自关断器件。不可控器件不可控器件不可控器件不可控器件( ( ( (PowerDiodePowerDiode) ) ) ) 不能用控制信号来控制其不能用控制信号来控制其通断通断, , 因此也就因此也就不需要驱动电路。不需要驱动电路。1.1.3 电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：8电力电子技术电力电子技术电流驱动型电流驱动型电流驱动型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
9、关断的控制。电压驱动型电压驱动型电压驱动型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。号就可实现导通或者关断的控制。1.1.3 电力电子器件的分类按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：9电力电子技术电力电子技术本章内容本章内容本章内容本章内容: : : :介绍各种器件的介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数工作原理、基本特性、主要参数工作原理、基本特性、主要参数工作原理、基本特性、主要参数以以及选择和使用中应注意的一些问题。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集中
10、讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使驱动、保护和串、并联使驱动、保护和串、并联使驱动、保护和串、并联使用用用用这这三个问题。三个问题。学习要点学习要点学习要点学习要点: : : :最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性。基本特性。基本特性。基本特性。掌握电力电子器件的型号掌握电力电子器件的型号命名法命名法命名法命名法，以及其，以及其参数和特参数和特参数和特参数和特性曲线的使用方法。性曲线的使用方法。性曲线的使用方法。性曲线的使用方法。可能会主电路的其它电路元件有可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求特殊的要求特殊的要求特殊的要求。1.1.4 本章学习内容与学习要点10电力电子技术电力电子
11、技术1.2.1 PNPN结与电力二极管的工作原理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电力二极管的基本特性1.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型1.2 不可控器件电力二极管11电力电子技术电力电子技术 PowerPowerDiodeDiode结结构构和和原原理理简简单单，工工作作可可靠靠，自自2020世纪世纪5050年代初期就获得应用。年代初期就获得应用。快快恢恢复复二二极极管管和和肖肖特特基基二二极极管管，分分别别在在中中、高高频频整整流流和和逆逆变变，以以及及低低压压高高频频整整流流的的场场合合，具具有不可
12、替代的地位。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12电力电子技术电力电子技术基基本本结结构构和和工工作作原原理理与与信信息息电电子子电电路路中中的的二二极极管管一样。一样。由由一一个个面面积积较较大大的的PNPN结结和和两两端端引引线线以以及及封封装装组组成成的。的。从从外外形形上上看看，主主要要有有螺螺栓栓型型和和平平板型两种封装。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1.2.1PN结与电力二极管的工作原理13电力电子技术电力电子技术 状状态参数态参数正向导通正向导通反向截止反向截止反向击穿反向击穿电流电流正向
13、大正向大几乎为零几乎为零反向大反向大电压电压维持维持1 1V V反向大反向大反向大反向大阻态阻态低阻态低阻态高阻态高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1.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态14电力电子技术电力电子技术PNPN结结的的电电荷荷量量随随外外加加电电压压而而变变化化，呈呈现现电电电电容容容容效效效效应应应应，称为，称为结电容结电容结电容结电容C CJ J，又称为又称为微分电容微分电容微分电容微分电容。结结电电容容按按其其产产生生机机制制和和作作用用的的差差别别分分为为势势势势垒垒垒垒电电电
14、电容容容容C CB B和和扩散电容扩散电容扩散电容扩散电容C CD D。电电容容影影响响PNPN结结的的工工作作频频率率，尤尤其其是是高高速速的的开开关关状态。状态。1.2.1PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：15电力电子技术电力电子技术主要指其主要指其伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性门门门门槛槛槛槛电电电电压压压压U UTOTO，正正向向电电流流I IF F开开始始明明显显增增加加所所对对应应的的电压。电压。与与I IF F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即即为为其其正正正正向向向向电电电电压降压降压降压降U UF F 。承承受受反反向向电电压压时时，只只有有
15、微微小小而而数数值值恒恒定定的的反反向向漏电流。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)静态特性静态特性IOIFUTOUFU16电力电子技术电力电子技术2)2)动态特性动态特性动态特性动态特性 二二二二极极极极管管管管的的的的电电电电压压压压- - - -电电电电流流流流特特特特性性性性随随随随时时时时间间间间变变变变化化化化的的的的 结电容的存在结电容的存在结电容的存在结电容的存在1.2.2 电力二极管的基本特性图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
16、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。17电力电子技术电力电子技术正正向向压压降降先先出出现现一一个个过过冲冲U UFPFP，经经过过一一段段时时间间才才趋趋于于接近稳态压降的某个值（如接近稳态压降的某个值（如 2 2V V）。）。正向恢复时间正向恢复时间t tfr fr。电流上升率越大电流上升率越大，U UFPFP越高越高 。1.2.2 电力二极管的基本特性开通过程开通过程： 关断过程关断过程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。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。18电力电子
17、技术电力电子技术额额额额定定定定电电电电流流流流在在指指定定的的管管壳壳温温度度和和散散热热条条件件下下，其其允允许许流流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波电流波电流的平均值的平均值。I IF(AV)F(AV)是是按按照照电电流流的的发发热热效效应应来来定定义义的的，使使用用时时应应按按有有有有效效效效值值值值相相相相等等等等的的的的原原原原则则则则来来选选取取电电流流定额，并应留有一定的裕量。定额，并应留有一定的裕量。1.2.3 电力二极管的主要参数1)正向平均电流正向平均电流IF(AV)19电力电子技术电力电子技术在在指指定定温温度度下下，流流过过某某一一指指定定的的稳稳态态正正向向电
18、电流流时时对对应的正向压降。应的正向压降。3 3） 反向重复峰值电压反向重复峰值电压反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。使用时，应当留有两倍的裕量。 4 4）反向恢复时间反向恢复时间反向恢复时间反向恢复时间t trrrr t trr rr= = t td d+ + t tf f1.2.3 电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UF20电力电子技术电力电子技术结温结温结温结温是指管是指管芯芯PNPN结的平均温度，用结的平均温度，用T TJ J表示。表示。T TJMJ
19、M是是指指在在PNPN结结不不致致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高平均温度。平均温度。T TJMJM通常在通常在125175125175 C C范围之内。范围之内。6)6)浪涌电流浪涌电流浪涌电流浪涌电流I IFSMFSM指指电电力力二二极极管管所所能能承承受受最最大大的的连连续续一一个个或或几几个个工工频频周期的过电流。周期的过电流。 1.2.3 电力二极管的主要参数5）最高工作结温）最高工作结温TJM21电力电子技术电力电子技术1)普通二极管普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管又称整流二极管（RectifierDiodeRectifierD
20、iode）多用于开关频率不高（多用于开关频率不高（1 1kHzkHz以下）的整流电路以下）的整流电路其反向恢复时间较长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正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、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22电力电子技术电力电子技术简称快速二极管简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （FastRecoveryFastRecoveryEpitaxialEpitaxialDiodesFREDDiodesFRED），其其t trr rr更短（可低于
21、更短（可低于5050nsns），）， U UF F也很低（也很低（0.90.9V V左右），左右），但其反向耐压多在但其反向耐压多在12001200V V以下。以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者前者t trrrr为数百纳秒或更长，后者则在为数百纳秒或更长，后者则在100100nsns以下，以下，甚至达到甚至达到20302030nsns。1.2.4 电力二极管的主要类型2)快恢复二极管快恢复二极管 （FastRecoveryDiodeFRD）23电力电子技术电力电子技术肖特基二极管的肖特基二极管的弱点弱点弱点弱点反向耐压提高时正向压
22、降会提高，多用于反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200200V V以下。以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的肖特基二极管的优点优点优点优点反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（10401040nsns）。）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。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。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。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
23、特基二极管肖特基二极管 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（SchottkyBarrierDiodeSBD）。24电力电子技术电力电子技术1.3 半控器件晶闸管1.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件25电力电子技术电力电子技术1.3 半控器件晶闸管引言19561956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。年美国贝尔实验室发明了晶闸管。19571957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管
24、产品。19581958年商业化。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。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。2020世纪世纪8080年代以来，开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。能能承承受受的的电电压压和和电电流流容容量量最最高高，工工作作可可靠靠，在在大大容容量量的场合具有重要地位。的场合具有重要地位。晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）26电力电子技术电力电子技术图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1.3.1晶闸管的结构与
25、工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装。外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。有三个联接端。螺螺栓栓型型封封装装，通通常常螺螺栓栓是是其其阳阳极极，能能与与散散热热器器紧紧密密联联接接且且安装方便。安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。27电力电子技术电力电子技术1.3.1晶闸管的结构与工作原理常用常用晶闸管的结构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28电力电子技术电力电子技术1.3.1晶闸管的结构与工作原理式中式中 1 1和和 2 2分别是晶体管分别是晶体管V V1 1和和V V2 2的共基极电流增益的共基极电流增益
26、；I ICBO1CBO1和和I ICBO2CBO2分别是分别是V V1 1和和V V2 2的共基极漏的共基极漏电流。由以上式可得电流。由以上式可得 ：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 按晶体管的工作原理晶体管的工作原理 ，得：29电力电子技术电力电子技术1.3.1晶闸管的结构与工作原理在低发射极电流下在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立是很小的，而当发射极电流建立起来之后，起来之后， 迅速增大。迅速增大。 阻阻阻阻断断断断状状状状态态态态：I IGG=0=0， 1 1+ + 2 2很很小小。流流过过晶晶闸闸管管的的漏漏电电流流稍大于两个晶体管漏电流
27、之和。稍大于两个晶体管漏电流之和。开开开开通通通通状状状状态态态态：注注入入触触发发电电流流使使晶晶体体管管的的发发射射极极电电流流增增大大以以致致 1 1+ + 2 2趋趋近近于于1 1的的话话，流流过过晶晶闸闸管管的的电电流流I IA A，将将趋趋近于无穷大，实现饱和近于无穷大，实现饱和导通。导通。I IA A实际由外电路实际由外电路决定决定。30电力电子技术电力电子技术1.3.1晶闸管的结构与工作原理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阳极电压上升率率d du u/ /d dt t过高过高结温较高结温较高光触发光触发光触发光触发光光触触
28、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，称称为为光光光光控控控控晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管（LightLightTriggeredTriggeredThyristorThyristorLTTLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。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其他几种可能导通的情况：31电力电子技术电力电子技术1.3.2晶闸管的基本特性承承受受反反向向电电压压时时，不不论论门
29、门极极是是否否有有触触发发电电流流，晶晶闸闸管都不会导通。管都不会导通。承承受受正正向向电电压压时时，仅仅在在门门极极有有触触发发电电流流的的情情况况下下晶晶闸管才能开通。闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要要使使晶晶闸闸管管关关断断，只只能能使使晶晶闸闸管管的的电电流流降降到到接接近近于于零的某一数值以下零的某一数值以下 。晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：32电力电子技术电力电子技术1.3.2晶闸管的基本特性（1 1）正向特性正向特性I IGG=0=0时，器件两端施加正时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向
30、向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电正向电压超过正向转折电压压U Ubobo，则漏电流急剧增大，则漏电流急剧增大，器件开通。器件开通。随随着着门门极极电电流流幅幅值值的的增增大大，正向转折电压降低。正向转折电压降低。晶晶闸闸管管本本身身的的压压降降很很小小，在在1 1V V左右。左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 静态特性静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG33电力电子技术电力电子技术1.3.2晶闸管的基本特性反反向向特特性性类类似似二二极极管管
31、的的反反向特性。向特性。反反向向阻阻断断状状态态时时，只只有有极极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。当当反反向向电电压压达达到到反反向向击击穿穿电电压压后后，可可能能导导致致晶晶闸闸管管发热损坏。发热损坏。图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性34电力电子技术电力电子技术1.3.2晶闸管的基本特性1)1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间延迟时间延迟时间t tdd(0.51.5(0.51.5 s)s)上升时间上升时间上升时间上升时间t trr(0.53(0.53
32、s)s)开开开开通通通通时时时时间间间间t tgtgt以以上上两两者者之之和和， t tgtgt= =t td d+t tr r （1-61-6）2)关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关关断断时时间间t 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）动态特性动态特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形35电力电子技术电力电子技术1.3.3晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压断态重复峰值电压断态重复峰值电压U UDRMDRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许重复加在器件上的
33、正向峰值电压许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压反向重复峰值电压反向重复峰值电压U URRMRRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许重复加在器件上的反向峰值电压。许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压通态（峰值）电压通态（峰值）电压U UT T 晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定定倍倍数数的的额额定定通通态平均电流时的瞬态峰值电压。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23倍。使用注意
34、：使用注意：1）电压定额电压定额36电力电子技术电力电子技术1.3.3晶闸管的主要参数通态平均电流通态平均电流通态平均电流通态平均电流 I IT(AVT(AV）在环境温度在环境温度为为4040 C C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定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结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电。标称其额定电流的参数。流的参数。使用时应按使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。来选取晶闸管。维持电流维持电流
35、维持电流维持电流 I IH H 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流擎住电流擎住电流 I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需能维持导通所需的最小电流。的最小电流。对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常I IL L约为约为约为约为I IH H的的的的2424倍倍倍倍。浪涌电流浪涌电流浪涌电流浪涌电流I ITSMTSM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
36、向过载电流最大正向过载电流 。2 2）电流定额电流定额37电力电子技术电力电子技术1.3.3晶闸管的主要参数 除开通时间除开通时间t tgtgt和关断时间和关断时间t tq q外，还有：外，还有：断态电压临界上升断态电压临界上升断态电压临界上升断态电压临界上升率率率率d du u/ /d dt t 指指在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路的的情情况况下下，不不导导致致晶晶闸闸管管从从断断态态到通到通 态转换的外加电压最大上升率。态转换的外加电压最大上升率。 电电压压上上升升率率过过大大，使使充充电电电电流流足足够够大大，就就会会使使晶晶闸闸管管误误导导通通 。 通态电流临界上升通态电流临界
37、上升通态电流临界上升通态电流临界上升率率率率d di i/ /d dt t 指指在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管能能承承受受而而无无有有害害影影响响的的最最大大通通态态电流上升率电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数38电力电子技术电力电子技术1.3.4晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及开关时间以及d du u/ /d dt t和和d di i/ /d dt t耐量都有明显改善。耐量都有明显改善。普普通通晶晶闸闸管管关关断断时时间间数数百百微微
38、秒秒，快快速速晶晶闸闸管管数数十十微微秒秒，高频晶闸管高频晶闸管1010 s s左右。左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。1 1）快速晶闸管快速晶闸管（FastSwitchingThyristorFST)39电力电子技术电力电子技术1.3.4晶闸管的派生器件2 2 2 2）双双双双向向向向晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管（TriodeTriodeACACSwitchTRIACSwitchTRIAC或或或或Bidirectionaltriode
39、Bidirectionaltriodethyristorthyristor）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)伏安特性可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值来表示其额定电流值。a)b)IOUIG=0GT1T240电力电子技术电力电子技术1.3.4晶闸管的派生器件3)逆逆逆逆导导导导晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管（ReverseReverse ConductingConductingThyristorThyristorRCTRCT）a)K
40、GAb)UOIIG=0图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。41电力电子技术电力电子技术1.3.4晶闸管的派生器件4)光光光光 控控控控 晶晶晶晶 闸闸闸闸 管管管管 （ LightLight TriggeredTriggered ThyristorThyristorLTTLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-12光控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闸管。光
41、触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。42电力电子技术电力电子技术1.4典型全控型器件1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.4.2 电力晶体管电力晶体管1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管43电力电子技术电力电子技术1.4典型全控型器件引言门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管在在晶晶闸闸管管问问世世后后不不久久出现。出现。2020世世纪纪8080年年代代以以来来，电电力力电电子子技技术术进进入入了了一一个崭新时代。个崭新时代。典典型型代代表表门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管、电电力力晶
42、晶体体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。44电力电子技术电力电子技术1.4典型全控型器件引言常用的常用的常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块45电力电子技术电力电子技术1.4.1门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。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。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTOGTO的的电电压压、电电流流容容量量较较大大，与与普普通通晶晶闸闸管管接接近近，因因而而在在兆兆瓦瓦级级以以上上的的大大功功率率场场合合仍仍有有较多的应用。较多的应
43、用。门门极极可可关关断断晶晶闸闸管管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）46电力电子技术电力电子技术1.4.1门极可关断晶闸管结构：结构：结构：结构：与与普普通通晶晶闸闸管管的的相相相相同同同同点点点点： PNPNPNPN四四层层半半导导体体结结构构，外外部部引引出阳极、阴极和门极。出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的和普通晶闸管的不同点不同点不同点不同点：GTOGTO是一种多元的功率集成器件。是一种多元的功率集成器件。图1-13GTO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b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理
44、47电力电子技术电力电子技术1.4.1门极可关断晶闸管工作原理：工作原理：工作原理：工作原理：与与普普通通晶晶闸闸管管一一样样，可可以以用用图图1-71-7所所示示的的双双晶晶体体管管模模型型来来分析。分析。 图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益 1 1和 2 2。48电力电子技术电力电子技术1.4.1门极可关断晶闸管GTOGTO能能够够通通过过门门极极关关断断的的原原因因是是其其与与普普通通晶晶闸闸管管有有如下如下区别区别区别区别：设计2
45、较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。图1-7晶闸管的工作原理49电力电子技术电力电子技术1.4.1门极可关断晶闸管GTOGTO导导通通过过程程与与普普通通晶晶闸闸管管一一样样，只只是是导导通通时时饱和程度较浅。饱和程度较浅。GTOGTO关关断断过过程程中中有有强强烈烈正正反反馈馈使使器器件件退退出出饱饱和和而关断。而关断。多多元元集集成成结结构构还还使使GTOGTO比比普普通通晶晶闸闸管管开开通通过过程程快，承受快，承受d di i/ /d dt t
46、能力强能力强 。由上述分析我们可以得到以下结论结论：50电力电子技术电力电子技术1.4.1门极可关断晶闸管开开开开通通通通过过过过程程程程：与与普普通通晶晶闸闸管管相同相同关关关关断断断断过过过过程程程程：与与普普通通晶晶闸闸管管有所不同有所不同储储储储存存存存时时时时间间间间t ts s，使使等等效效晶晶体管退出饱和。体管退出饱和。下降时间下降时间下降时间下降时间t tf f尾尾尾尾部部部部时时时时间间间间t tt t 残残存存载载流流子复合。子复合。通通常常t tf f比比t ts s小小得得多多，而而t tt t比比t ts s要长。要长。门门极极负负脉脉冲冲电电流流幅幅值值越越大，大，
47、t ts s越短。越短。图1-14GTO的开通和关断过程电流波形2)GTO的动态特性的动态特性51电力电子技术电力电子技术1.4.1门极可关断晶闸管3)GTOGTO的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2）关断时间关断时间toff（1）开通时间开通时间ton不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。52电力电子技术电力电子技术1.4.1门极
48、可关断晶闸管（3 3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流I IATOATO（4）电流关断增益电流关断增益 off off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。GTO额定电流。最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。（1-8）53电力电子技术电力电子技术1.4.2电力晶体管电电力力晶晶体体管管（GiantGiantTransistorGTRTransistorGTR，直直译为巨型晶体管）译为巨型晶体管） 。耐耐 高高 电电 压压 、 大大 电电 流流 的的 双双 极极
49、 结结 型型 晶晶 体体 管管（BipolarBipolar JunctionJunction TransistorBJTTransistorBJT），英文有时候也称为英文有时候也称为PowerBJTPowerBJT。应用应用2020世世纪纪8080年年代代以以来来，在在中中、小小功功率率范范围围内内取取代代晶晶闸闸管管，但但目目前前又又大大多多被被IGBTIGBT和和电电力力MOSFETMOSFET取代取代。术语用法：术语用法：54电力电子技术电力电子技术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
50、电路工艺将许多这种单元并联而成。1.4.2电力晶体管1 1）GTRGTR的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理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55电力电子技术电力电子技术1.4.2电力晶体管在应用中在应用中，GTRGTR一般采用共发射极接法。一般采用共发射极接法。集电极电流集电极电流i ic c与基极电流与基极电流i ib b之比为之比为（1-91-9） GTRGTR的的电流放大系数电流放大系数电流放大系数电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控，反映了基极电流对集电极电流的控制能力制
51、能力 。当当考考虑虑到到集集电电极极和和发发射射极极间间的的漏漏电电流流I Iceoceo时时，i ic c和和i ib b的的关关系系为为i ic c= = i ib b+I Iceoceo（1-101-10）单单管管GTRGTR的的 值值比比小小功功率率的的晶晶体体管管小小得得多多，通通常常为为1010左左右右，采用达林顿接法可有效增大电流增益采用达林顿接法可有效增大电流增益。1）GTR的结构和工作原理的结构和工作原理56电力电子技术电力电子技术1.4.2电力晶体管 (1)(1) 静态特性静态特性静态特性静态特性共共发发射射极极接接法法时时的的典典型型输输出出特特性性：截截截截止止止止区区
52、区区、放放放放大大大大区区区区和和饱和区。饱和区。饱和区。饱和区。在在电电力力电电子子电电路路中中GTRGTR工工作在开关状态。作在开关状态。在在开开关关过过程程中中，即即在在截截止止区区和和饱饱和和区区之之间间过过渡渡时时，要经过放大区要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib2BUBUcexcexBUBUcescesBUBUcercerBuBuceoceo。实际使用时，最高工作电压要实际使用时，最高工作电压要比比BUBUceoceo低得低得多。多。3）GTR的主要参数的主要参数59电力电子技术电力电子技术1.4.2电力晶体管通常规定通常规定为为h hFEFE下降到规
53、定值的下降到规定值的1/21/31/21/3时所对应时所对应的的I Ic c 。实际使用时要留有裕量，只能用到实际使用时要留有裕量，只能用到I IcMcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点。 3)3) 集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率集电极最大耗散功率P PcMcM最高工作温度下允许的耗散功率。最高工作温度下允许的耗散功率。产产品品说说明明书书中中给给P PcMcM时时同同时时给给出出壳壳温温T TC C，间间接接表表示示了了最最高高工作温度工作温度 。2)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM60电力电子技术电力电子技术1.4.2电力晶体管一次击穿一次击穿一次击穿一
54、次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，集电极电压升高至击穿电压时，I Ic c迅速增大。迅速增大。只要只要I Ic c不超过限度不超过限度，GTRGTR一般不会损坏，工作特性也不变。一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿二次击穿二次击穿二次击穿：一次击穿发生一次击穿发生时，时，I Ic c突然急剧上升，电压陡然下降。突然急剧上升，电压陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。安安 全全 工工 作作 区区 （ SafeOperatingAreaSOA）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。
55、IcMSOAOIcPSBPcMUceUceM图1-18GTR的安全工作区4)GTR的二次击穿现象与安全工作区的二次击穿现象与安全工作区61电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管分为分为结型结型结型结型和和绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型绝缘栅型通通常常主主要要指指绝绝绝绝缘缘缘缘栅栅栅栅型型型型中中的的MOSMOS型型型型（MetalMetalOxideOxide SemiconductorFETSemiconductorFET）简称电力简称电力MOSFETMOSFET（PowerMOSFETPowerMOSFET）结结型型电电力力场场效效应应晶晶体体管管一一般般称称作作静静电电感感应应晶
56、晶体体管管（StaticInductionTransistorSITStaticInductionTransistorSIT）特点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。电力场效应晶体管电力场效应晶体管62电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为按导电沟道可分为P P沟道沟道沟道沟道和和N N沟道。沟道。沟道。沟道。 耗耗耗耗尽尽尽尽型型型型当当栅栅极极电电压压为为零零时时漏漏源源极极之之间间就存在导电沟道
57、。就存在导电沟道。 增增增增强强强强型型型型对对于于N N（P P）沟沟道道器器件件，栅栅极极电电压大于（小于）零时才存在导电沟道。压大于（小于）零时才存在导电沟道。 电力电力MOSFETMOSFET主要主要是是N N沟道增强型。沟道增强型。沟道增强型。沟道增强型。1）电力）电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理63电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管电力电力电力电力MOSFETMOSFET的结构的结构的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符
58、号64电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管小功率小功率MOSMOS管是横向导电器件。管是横向导电器件。电电 力力 MOSFETMOSFET大大 都都 采采 用用 垂垂 直直 导导 电电 结结 构构 ， 又又 称称 为为VMOSFETVMOSFET（VerticalMOSFETVerticalMOSFET）。）。按按垂垂直直导导电电结结构构的的差差异异，分分为为利利用用V V型型槽槽实实现现垂垂直直导导电电的的VVMOSFETVVMOSFET和和具具有有垂垂直直导导电电双双扩扩散散MOSMOS结结构构的的VDMOSFETVDMOSFET（VerticalDouble-diffuse
59、dMOSFETVerticalDouble-diffusedMOSFET）。）。这里主要这里主要以以VDMOSVDMOS器件为例进行讨论。器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的结构的结构65电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管截止：截止：截止：截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P P基基区区与与N N漂漂移移区区之之间间形形成成的的PNPN结结J J1 1反反偏偏，漏漏源源极极之之间间无无电电流流流过。流过。导电：导电：导电：导电：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压U UGSGS 当当U UGSGS大大于于U UT T时时，P P
60、型型半半导导体体反反型型成成N N型型而而成成为为反反反反型型型型层层层层，该该反反型层形成型层形成N N沟道而使沟道而使PNPN结结J J1 1消失，漏极和源极导电消失，漏极和源极导电 。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电力MOSFET的工作原理的工作原理66电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管(1)(1)静态特性静态特性静态特性静态特性漏极电流漏极电流I ID D和栅源间电压和栅源间电压U UGSGS的关系称为的关系称为MOSFETMOSFET的的转移特性。转移特性。转移特性。转移特性。I ID D较大较大时，时，I ID D与与与与U UGSGS的关系的关
61、系近似线性，曲线的斜率定近似线性，曲线的斜率定义为义为跨导跨导跨导跨导GGfsfs。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）电力MOSFET的基本特性的基本特性67电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管截止区截止区截止区截止区（对应（对应于于GTRGTR的截止区）的截止区）饱和区饱和区饱和区饱和区（对应（对应于于GTRGTR的放大区）的放大区）非饱和区非饱和区非饱和区非饱和区（对应（对应GTRGTR的饱和区）的饱和区）工工作作在在开开关关状状态态，即即在在截截止止区区和和非饱和区之间来回转换。非饱和区之间来回转换。漏漏源源极极之之间间有有寄寄
62、生生二二极极管管，漏漏源源极间加反向电压时器件导通。极间加反向电压时器件导通。通通态态电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数，对对器器件并联时的均流有利。件并联时的均流有利。MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：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68电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管开通过程开通过程开通过程开通过程开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on) 上升时间上升时间上升时间上升时间t tr r开开开开通通通通时时时时间间间间t tonon开开通通延延迟迟时间与上升时间之和时间与上升时间之和关断过程关断
63、过程关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间t td(off)d(off)下降时间下降时间下降时间下降时间t tf f关关关关断断断断时时时时间间间间t toffoff关关断断延延迟迟时间和下降时间之时间和下降时间之和和图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)动态特性动态特性69电力电子技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管 MOSFETMOSFET的开关速度的开关速度和和C Cinin充放电有很大关系。充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻可降低驱动电路内阻R
64、Rs s减小时间常数，加快开关速度。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。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开开关关时时间间在在1010010100nsns之之间间，工工作作频频率率可可达达100100kHzkHz以以上上，是主要电力电子器件中最高的。是主要电力电子器件中最高的。场场控控器器件件，静静态态时时几几乎乎不不需需输输入入电电流流。但但在在开开关关过过程程中中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。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开关频率越高，所需要的驱动功率越大。大。MOSFET的开关速度的开关速度70电力电子
65、技术电力电子技术1.4.3电力场效应晶体管3)3)电力电力电力电力MOSFETMOSFET的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数电力MOSFET电压定额(1)漏极电压漏极电压UDS(2)漏极直流电流漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值IDM电力MOSFET电流定额(3)栅源电压栅源电压UGSUGS20V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)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS71电力电子技术电力电子技术1.4.4 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两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi
66、-MOSBi-MOS器件器件绝绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管（Insulated-gateInsulated-gateBipolarBipolarTransistorTransistorIGBTIGBT或或IGTIGT）GTRGTR和和MOSFETMOSFET复合，结合二者的优点。复合，结合二者的优点。19861986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。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，以期再取代继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位的地位。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
67、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。72电力电子技术电力电子技术1.4.4 绝缘栅双极晶体管1)1)IGBTIGBT的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理的结构和工作原理三端器件：栅极三端器件：栅极GG、集电极集电极C C和发射极和发射极E E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73电力电子技术电力电子技术1.4.4 绝缘栅双极晶体管图图1-221-22aNaN沟道沟道VDMOSFETVDMOSFET与与GTRGTR组合组合N N
68、沟道沟道IGBTIGBT。IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一层多一层P P+ +注入区，具有很强的通流能力。注入区，具有很强的通流能力。简简化化等等效效电电路路表表明明，IGBTIGBT是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组组成成的的达达林林顿顿结结构，一个构，一个由由MOSFETMOSFET驱动的厚基驱动的厚基区区PNPPNP晶体管。晶体管。R RN N为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。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IGBT的结构的结构74电力电子技术电力电子技术1.4
69、.4 绝缘栅双极晶体管 驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFETMOSFET基基本本相相同同，场场控控器器件件，通通断断由由栅栅射极电压射极电压u uGEGE决定。决定。导导导导通通通通：u uGEGE大大于于开开开开启启启启电电电电压压压压U UGE(GE(thth) )时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，为晶体管提供基极电流为晶体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。通态压降通态压降通态压降通态压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻R RN N减小，使通态压降减小。减小，使通态压降减小。关关关关断断断断：栅栅射射极极间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，
70、MOSFETMOSFET内内的的沟沟道道消失，晶体管的基极电流被切断消失，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。IGBT的原理的原理75电力电子技术电力电子技术a)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1.4.4 绝缘栅双极晶体管2)2)IGBTIGBT的基本特性的基本特性的基本特性的基本特性(1)(1) IGBTIGBT的静态特性的静态特性的静态特性的静态特性图1-23IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性输出特性输出特性分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。转移特性转移特性IC与UGE间
71、的关系(开启电压开启电压UGE(th)76电力电子技术电力电子技术1.4.4 绝缘栅双极晶体管ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM图1-24IGBT的开关过程IGBTIGBT的开通过程的开通过程的开通过程的开通过程 与与MOSFETMOSFET的相似的相似开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间开通延迟时间t td(on)d(on) 电流上升时间电流上升时间电流上升时间电流上升时间t tr r 开通时间开通时间开通时间开通时间t tonon
72、u uCECE的的下下降降过过程程分分为为t tfv1fv1和和t tfv2fv2两段。两段。 t tfv1fv1IGBTIGBT中中MOSFETMOSFET单单独工作的电压下降过程；独工作的电压下降过程； t tfv2fv2MOSFETMOSFET和和 PNPPNP晶晶体体管管同同时时工工作作的的电电压压下下降降过程过程。(2)IGBT的动态特性的动态特性77电力电子技术电力电子技术1.4.4 绝缘栅双极晶体管图1-24IGBT的开关过程关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间关断延迟时间t td(offd(off）电流下降时间电流下降时间电流下降时间电流下降时间 关断时间关断时间关断时间关断时
73、间t toffoff电电流流下下降降时时间间又又可可分分为为t tfi1fi1和和t tfi2fi2两段。两段。t tfi1fi1IGBTIGBT器器件件内内部部的的MOSFETMOSFET的的关关断断过过程程，i iC C下降下降较较快。快。t tfi2fi2IGBTIGBT内内部部的的PNPPNP晶晶体体管管的的关关断断过过程程，i iC C下下降较降较慢。慢。IGBT的关断过程的关断过程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM78电力
74、电子技术电力电子技术1.4.4 绝缘栅双极晶体管3)3)IGBTIGBT的主要参数的主要参数的主要参数的主要参数正常工作温度下允许的最大功耗。(3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。(2)最大集电极电流最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1)最大集射极间电压最大集射极间电压UCES79电力电子技术电力电子技术1.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下：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
75、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。80电力电子技术电力电子技术1.4.4 绝缘栅双极晶体管擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）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。正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）动态擎住效应比静态擎住效应所允许的
76、集电极电流小。擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。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。81电力电子技术电力电子技术1.5其他新型电力电子器件1.5.1MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT1.5.2静电感应晶体管静电感应晶体管SIT1.5.3静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH1.5.4集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT1.5.5功率模块与功率集成电路功率模块与功率集成电路82电力电子技术电力电子技术1.5.1MOS
77、控制晶闸管MCTMCTMCT结合了二者的优点：结合了二者的优点：承受极承受极高高didi/ /dtdt和和dudu/ /dtdt，快速的开关过程，开关损耗小。快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。一个一个MCTMCT器件由数以万计器件由数以万计的的MCTMCT元组成。元组成。每每个个元元的的组组成成为为：一一个个PNPNPNPN晶晶闸闸管管，一一个个控控制制该该晶晶闸闸管管 开开 通通 的的 MOSFETMOSFET， 和和 一一 个个 控控 制制 该该 晶晶 闸闸 管管 关关 断断 的的MOSFETMOSFET。其其关关键
78、键技技术术问问题题没没有有大大的的突突破破，电电压压和和电电流流容容量量都都远远未未达到预期的数值，未能投入实际应用达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT（MOSControlledThyristor）MOSFET与晶闸管的复合(83电力电子技术电力电子技术1.5.2静电感应晶体管SIT多多子子导导电电的的器器件件，工工作作频频率率与与电电力力MOSFETMOSFET相相当当，甚甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在在雷雷达达通通信信设设备备、超超声声波波功功率率放放大大、脉脉冲冲功功率率放放大大和和高高频感应加热等领域获得应用。
79、频感应加热等领域获得应用。缺点缺点缺点缺点：栅栅极极不不加加信信号号时时导导通通，加加负负偏偏压压时时关关断断，称称为为正正正正常常常常导导导导通通通通型型型型器件，使用不太方便。器件，使用不太方便。通通态态电电阻阻较较大大，通通态态损损耗耗也也大大，因因而而还还未未在在大大多多数数电电力力电子设备中得到广泛应用电子设备中得到广泛应用。SIT（StaticInductionTransistor）结型场效应晶体管84电力电子技术电力电子技术1.5.3静电感应晶闸管SITHSITHSITH是是两两种种载载流流子子导导电电的的双双极极型型器器件件，具具有有电电导导调调制制效效应，通态压降低、通流能力
80、强。应，通态压降低、通流能力强。其其很很多多特特性性与与GTOGTO类类似似，但但开开关关速速度度比比GTOGTO高高得得多多，是是大容量的快速器件。大容量的快速器件。 SITHSITH一一般般也也是是正正常常导导通通型型，但但也也有有正正常常关关断断型型。此此外外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH（StaticInductionThyristor）场控晶闸管（FieldControlledThyristorFCT)85电力电子技术电力电子技术1.5.4集成门极换流晶闸管IGCT2020世世纪纪9090年年代代后后期期出出现现，结结
81、合合了了IGBTIGBT与与GTOGTO的的优优点点，容量容量与与GTOGTO相当，开关速度相当，开关速度快快1010倍。倍。可省去可省去GTOGTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。目目前前正正在在与与IGBTIGBT等等新新型型器器件件激激烈烈竞竞争争，试试图图最最终终取取代代GTOGTO在大功率场合的位置。在大功率场合的位置。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）GCT（Gate-CommutatedThyristor）86电力电子技术电力电子技术1.5.5功率模块与功率集成电路2020世世纪纪8080年年代代中
82、中后后期期开开始始，模模块块化化趋趋势势，将将多多个个器器件件封装在一个模块中，称为封装在一个模块中，称为功率模块功率模块功率模块功率模块。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。对对工工作作频频率率高高的的电电路路，可可大大大大减减小小线线路路电电感感，从从而而简简化对保护和缓冲电路的要求。化对保护和缓冲电路的要求。将将器器件件与与逻逻辑辑、控控制制、保保护护、传传感感、检检测测、自自诊诊断断等等信信息息电电子子电电路路制制作作在在同同一一芯芯片片上上，称称为为功功功功率率率率集集集集成成成成电电电电路路路路（PowerIntegratedCircuitP
83、owerIntegratedCircuitPICPIC）。基本概念基本概念87电力电子技术电力电子技术1.5.5功率模块与功率集成电路高高高高压压压压集集集集成成成成电电电电路路路路（HighHighVoltageVoltageICICHVICHVIC）一一般般指指横横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智智智智能能能能功功功功率率率率集集集集成成成成电电电电路路路路（SmartSmartPowerPowerICICSPICSPIC）一一般般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智智智智能能能
84、能功功功功率率率率模模模模块块块块（IntelligentIntelligentPowerPowerModuleModuleIPMIPM）则则专专指指IGBTIGBT及及其其辅辅助助器器件件与与其其保保护护和和驱驱动动电电路路的的单单片片集成，也称智能集成，也称智能IGBTIGBT（IntelligentIGBTIntelligentIGBT）。）。实际应用电路实际应用电路88电力电子技术电力电子技术1.5.5功率模块与功率集成电路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
85、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89电力电子技术电力电子技术1.6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电力电子器件驱动电路概述1.6.2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路1.6.3典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路90电力电子技术电力电子
86、技术1.6.1电力电子器件驱动电路概述使使电电力力电电子子器器件件工工作作在在较较理理想想的的开开关关状状态态，缩缩短短开开关时间，减小开关损耗。关时间，减小开关损耗。对对装装置置的的运运行行效效率率、可可靠靠性性和和安安全全性性都都有有重重要要的的意意义。义。一一些些保保护护措措施施也也往往往往设设在在驱驱动动电电路路中中，或或通通过过驱驱动动电路实现。电路实现。驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务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。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。对半控型器件只需提供开通控制信号。对对全全控控型
87、型器器件件则则既既要要提提供供开开通通控控制制信信号号，又又要要提提供供关断控制信号关断控制信号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口91电力电子技术电力电子技术1.6.1电力电子器件驱动电路概述 驱驱动动电电路路还还要要提提供供控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的电电电电气隔离气隔离气隔离气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。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92电力电子技术电力电子技术1.6.1电力电子器件驱动电路概
88、述按按照照驱驱动动信信号号的的性性质质分分，可可分分为为电电电电流流流流驱驱驱驱动动动动型型型型和和电电电电压驱动型压驱动型压驱动型压驱动型。驱驱动动电电路路具具体体形形式式可可为为分分分分立立立立元元元元件件件件的的，但但目目前前的的趋趋势是采用势是采用专用集成驱动电路。专用集成驱动电路。专用集成驱动电路。专用集成驱动电路。双双列列直直插插式式集集成成电电路路及及将将光光耦耦隔隔离离电电路路也也集集成成在在内的混合集成电路。内的混合集成电路。为为达达到到参参数数最最佳佳配配合合，首首选选所所用用器器件件生生产产厂厂家家专专门开发的集成驱动电路门开发的集成驱动电路。分类分类93电力电子技术电力
89、电子技术1.6.2晶闸管的触发电路作作作作用用用用：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，保保证证晶晶闸闸管管在在需需要要的的时时刻由阻断转为导通。刻由阻断转为导通。晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管触触触触发发发发电电电电路路路路应应应应满满满满足足足足下下下下列要求列要求列要求列要求：脉脉冲冲的的宽宽度度应应保保证证晶晶闸闸管管可可靠靠导通。导通。触发脉冲应有足够的幅度。触发脉冲应有足够的幅度。不不超超过过门门极极电电压压、电电流流和和功功率率定额，且在可靠触发区域之内。定额，且在可靠触发区域之内。有有良良好好的的抗抗干干扰扰性性能能、温温度度稳稳定性及与主电路的电气隔离定性及与主电
90、路的电气隔离。t图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路94电力电子技术电力电子技术1.6.2晶闸管的触发电路V V1 1、V V2 2构成构成脉冲放大脉冲放大环节环节。脉冲变压器脉冲变压器TMTM和附和附属电路构成属电路构成脉冲输出脉冲输出环节环节。 V V1 1、V V2 2导通时，通导通时，通过脉冲变压器向晶闸过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间管的门极和阴极之间输出触发脉冲输出触发脉冲。图1-27常见的晶闸管触发电路常见的
91、晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路95电力电子技术电力电子技术1.6.3典型全控型器件的驱动电路(1)(1)GTOGTOGTOGTO的的开开开开通通通通控控控控制制制制与与普普通晶闸管相似。通晶闸管相似。GTOGTO关关关关断断断断控控控控制制制制需需施施加加负门极电流。负门极电流。图1-28推荐的GTO门极电压电流波形OttOuGiG1)电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开开通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路和门门极极反反偏偏电电路路三部分，可分为脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合式式和直直接接耦耦合合式式两种类型。96电力电
92、子技术电力电子技术1.6.3典型全控型器件的驱动电路直直接接耦耦合合式式驱驱动动电电路路可可避避免免电电路路内内部部的的相相互互干干扰扰和和寄寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。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。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97电力电子技术电力电子技术1.6.3典型全控型器件的驱动电路开开通通驱驱动动电电流流应应使使GTRGTR处处于于准准饱饱和和导导通通状状态态，使使之之不不进进入入放放大区和深饱和区。大区和深饱和区。关关断断GTRGTR时时，施施加加一一定定的的负负基基极极电电流流有有利利于于减减小
93、小关关断断时时间间和和关断损耗。关断损耗。关关断断后后同同样样应应在在基基射射极极之之间间施施加加一一定定幅幅值值（6 6V V左左右右）的的负负偏偏压压。tOib图1-30理想的GTR基极驱动电流波形(2)GTR98电力电子技术电力电子技术1.6.3典型全控型器件的驱动电路GTRGTR的的一一种种驱驱动动电电路路，包包括括电电气气隔隔离离和和晶晶体体管管放放大大电电路路两部分。两部分。图1-31GTR的一种驱动电路驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。99电力电子技术电力电子技术1.6.3典型全控型器件的驱动电路电力电力MOSFE
94、TMOSFET和和IGBTIGBT是电压驱动型器件。是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使使MOSFETMOSFET开开通通的的驱驱动动电电压压一一般般10151015V V，使使IGBTIGBT开开通的驱动电压一般通的驱动电压一般15201520V V。关关断断时时施施加加一一定定幅幅值值的的负负驱驱动动电电压压（一一般般取取-5-5 - -1515V V）有利于减小关断时间和关断损耗。有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路
95、电压驱动型器件的驱动电路100电力电子技术电力电子技术1.6.3典型全控型器件的驱动电路(1)(1)电力电力电力电力MOSFETMOSFET的一种驱动电路：的一种驱动电路：电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离和和晶体管放大电路晶体管放大电路晶体管放大电路晶体管放大电路两部分两部分图1-32电力MOSFET的一种驱动电路专为驱动电力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。101电力电子技术电力电子技术1.6.3典型全控型器件的驱动电路(2)(2)IGBTIGBT的驱动的驱动的驱动的驱动
96、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。102电力电子技术电力电子技术1.7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过电压的产生及过电压保护1.7.2过电流保护过电流保护1.7.3缓冲电路缓冲电路103电力电子技术电力电子技术1.7.1过电压的产生及过电压保护外因过电压：外因过电压：外因过电压：外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压操作过电压
97、操作过电压操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压雷击过电压雷击过电压雷击过电压：由雷击引起：由雷击引起内内内内因因因因过过过过电电电电压压压压：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换换换换相相相相过过过过电电电电压压压压：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，反反向向电电流流急急剧剧减减小小，会会由由线线路路电电感感在在器件两端感应出过电压。器件两端感应出过电压。关关关关断断断断过过过过电电电电压压压压：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
98、降降低低而由线路电感在器件两端感应出的过电压而由线路电感在器件两端感应出的过电压。电电力力电电子子装装置置可可能能的的过过电电压压外外因因过过电电压压和内内因因过电压过电压104电力电子技术电力电子技术1.7.1过电压的产生及过电压保护过电压保护措施过电压保护措施过电压保护措施过电压保护措施图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电路电力电子装置可视具体情况
99、只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。105电力电子技术电力电子技术1.7.2过电流保护过电流过电流过载过载过载过载和和短路短路短路短路两种情况两种情况保护措施保护措施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106电力电子技术电力电子技术1.7.2过电流保护全全保保护护：过过载载、短短路路均均由由快快熔熔进进行行保保护护，适适用用于于小功率装置或器件裕度较大的场合。小功率装置或器
100、件裕度较大的场合。短短路路保保护护：快快熔熔只只在在短短路路电电流流较较大大的的区区域域起起保保护护作用。作用。对对重重要要的的且且易易发发生生短短路路的的晶晶闸闸管管设设备备，或或全全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常常在在全全控控型型器器件件的的驱驱动动电电路路中中设设置置过过电电流流保保护环节，响应最快护环节，响应最快 。快熔对器件的保护方式：全全保保护护和短短路路保保护护两种107电力电子技术电力电子技术1.7.3缓冲电路关关关关断断断断缓缓缓缓冲冲冲冲电电电电路路路路（d du u/ /d dt t抑抑制制电电路路）吸吸收收器器件件的的
101、关关断断过过电压和换相过电压，抑制电压和换相过电压，抑制d du u/ /d dt t，减小关断损耗。减小关断损耗。开开开开通通通通缓缓缓缓冲冲冲冲电电电电路路路路（d di i/ /d dt t抑抑制制电电路路）抑抑制制器器件件开开通通时时的的电流过冲和电流过冲和d di i/ /d dt t，减小器件的开通损耗。减小器件的开通损耗。复合缓冲电路复合缓冲电路复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按按能能量量的的去去向向分分类类法法：耗耗耗耗能能能能式式式式缓缓缓缓冲冲冲冲电电电电路路路路和和馈馈馈馈能能能能式式式式缓缓缓缓冲冲冲冲电电电电
102、路路路路（无损吸收电路）。（无损吸收电路）。通通常常将将缓缓冲冲电电路路专专指指关关断断缓缓冲冲电电路路，将将开开通通缓缓冲冲电电路路叫叫做做d di i/ /d dt t抑制电路抑制电路。缓冲电路缓冲电路(SnubberCircuit)：又称吸收电路吸收电路，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。108电力电子技术电力电子技术1.7.3缓冲电路缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析无缓冲电路：无缓冲电路：有缓冲电路：有缓冲电路：图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO图1-
103、39关断时的负载线109电力电子技术电力电子技术1.7.3缓冲电路充充放放电电型型RCDRCD缓缓冲冲电电路路，适用于中等容量的场合。适用于中等容量的场合。图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。图1-40另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路110电力电子技术电力电子技术1.8电力电子器件器件的串联和并联使用1.8.1晶闸管的串联晶闸管的串联1.8.2晶闸管的并联晶闸管的并联1.8.3电力电力MOSFET和和IGBT并联运行的特点并联运行的特点111电力电子
104、技术电力电子技术1.8.1晶闸管的串联问问问问题题题题：理理想想串串联联希希望望器器件件分分压压相相等等，但但因因特特性性差异，使器件电压分配不均匀。差异，使器件电压分配不均匀。静静态态不不均均压压：串串联联的的器器件件流流过过的的漏漏电电流流相相同同，但但因因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。动态不均压动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压的不均压。目目的的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。112电力电子技术电力电子技术1.8.1晶闸管的串联静态均压措施静态均压措施静态均压措施静态均压措施：选用参
105、数和特性尽量一致的器件。选用参数和特性尽量一致的器件。采采用用电电阻阻均均压压，R Rp p的的阻阻值值应应比比器器件件阻阻断断时时的的正正、反反向向电阻小得多。电阻小得多。图1-41晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施动态均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。113电力电子技术电力电子技术1.8.2晶闸管的并联问问问问题题题题：会会分分别别因因静静态态和和动动态态特特性性参参数数的的差差异异而电流分配不均匀。而电流分配不均匀。 均流措施均流措施均流措施均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。挑
106、选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当当需需要要同同时时串串联联和和并并联联晶晶闸闸管管时时，通通常常采采用用先先串串后并的方法联接后并的方法联接。目的目的：多个器件并联来承担较大的电流114电力电子技术电力电子技术1.8.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点R Ronon具具有有正正温温度度系系数数，具具有有电电流流自自动动均均衡衡的的能能力力，容容易并联。易并联。注意选用注意选用R Ronon、U UT T、GGfsfs和和C Cississ尽量相近的器件并联。尽量相近的器件并联。电路走线和布局
107、应尽量对称。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感可在源极电路中串入小电感, ,起到均流电抗器的作用。起到均流电抗器的作用。IGBTIGBT并联运行的特点并联运行的特点并联运行的特点并联运行的特点在在1/21/2或或1/31/3额额定定电电流流以以下下的的区区段段，通通态态压压降降具具有有负负负负温温度系数。度系数。在以上的区段则具有在以上的区段则具有正正正正温度系数。温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点115电力电子技术电力电子技术图1-42电力电子器件分类“树”本章
108、小结主要内容主要内容主要内容主要内容全全面面介介绍绍各各种种主主要要电电力力电电子子器器件件的的基基本本结结构构、工工作作原原理理、基基本本特特性性和和主要参数等。主要参数等。集集中中讨讨论论电电力力电电子子器器件件的的驱驱动动、保保护护和和串串、并并联使用。联使用。电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳单极型单极型：电力MOSFET和SIT双极型双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH复合型复合型：IGBT和MCT116电力电子技术电力电子技术本章小结 特特特特点点点点：输输入入阻阻抗抗高高，所所需需驱驱动动功功率率小小，驱驱动动电电路路简简单，工作频率高。单，工作频率高。电流
109、驱动型电流驱动型电流驱动型电流驱动型：双极型器件中除：双极型器件中除SITHSITH外外 特特特特点点点点：具具有有电电导导调调制制效效应应，因因而而通通态态压压降降低低，导导通通损损耗耗小小，但但工工作作频频率率较较低低，所所需需驱驱动动功功率率大大, ,驱驱动动电路较复杂。电路较复杂。电电压压驱驱动动型型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH117电力电子技术电力电子技术本章小结 IGBTIGBT为为主主体体，第第四四代代产产品品，制制造造水水平平2.52.5kVkV / /1.8kA1.8kA，兆兆瓦瓦以以下下首首选选。仍仍在在不不断断发发展展，与与IGCTIGCT等等新器件激
110、烈竞争，试图在兆瓦以上取代新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTOGTO。GTOGTO：兆瓦以上首选，制造水平兆瓦以上首选，制造水平6 6kV/6kAkV/6kA。光光光光控控控控晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管：功功率率更更大大场场合合，8 8kVkV/ /3.5kA3.5kA，装装置置最高达最高达300300MVAMVA，容量最大。容量最大。电电电电力力力力MOSFETMOSFET：长长足足进进步步，中中小小功功率率领领域域特特别别是是低压，地位牢固。低压，地位牢固。功功功功率率率率模模模模块块块块和和和和功功功功率率率率集集集集成成成成电电电电路路路路是是现现在在电电力力电电子子发发展展的的一个共同趋势。一个共同趋势。当前的格局当前的格局:118
