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1、第2章电力半导体器件电力电子技术电力半导体器件2电力半导体器件电力半导体器件2.1概述2.2电力二极管2.3晶闸管及其派生器件2.4双极结型电力三极管2.5半导体电力开关模块和功率集成电路小结电力电子技术电力半导体器件2电力半导体器件电力半导体器件2.1概述2.2电力二极管2.3晶闸管及其派生器件2.4双极结型电力三极管2.5电力场效应晶体管2.6绝缘门极双极型晶体管IGBT2.7其它功率场控器件2.8电力电子器件的驱动保护电路小结电力电子技术电力半导体器件2.1概述概述 本章讲述电力电子变换电路常用的半导体电力开关器件的概念、分类、基本工作原理、外特性和使用参数。 电力半导体器件在电力电子变
2、换器中主要做开关使用，了解和掌握电力半导体器件的基本特性和使用方法是学好电力电子学的基础。电力电子技术电力半导体器件1）概念: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电可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。子器件。主电路（MainPowerCircuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控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）分类: 电真空器件 ( (汞弧整流器、闸流管汞弧整流器、闸流管) ) 半导体器件 ( (采用的主要
3、材料硅）采用的主要材料硅）仍然仍然2.1.1 电力电子器件的概念、分类电力电子技术电力半导体器件q双极结型电力三极管（BJT）q可关断晶闸管（GTO）q电力场效应晶体管MOSFETq绝缘栅双极型晶体管IGBTqMOS控制晶闸管MCTq集成门极换流晶闸管IGCTq静电感应晶体管SIT和静电感应晶闸管SITHq半导体电力开关模块和功率集成电路PIC不可控器件：半导体功率二极管（PowerDiode）或半导体整流器（SemiconductorRectifier，SR）半控器件：晶闸管（Thyristor）或可控硅（SiliconControlledRectifier，SCR）按照器件能够被控制的程度
4、，分为以下三类：全控器件：电力电子技术电力半导体器件半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET) 通过控制信号既可控制其导通又可通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(PowerDiode) 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, , 因因此也就不需要驱动电路。此也就不需要驱动电路。电力电子技术电力半导体器件电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通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；
5、或者关断的控制；电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电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。压信号就可实现导通或者关断的控制。按照驱动电路信号的性质，分为两类：电力电子技术电力半导体器件全控型按器件内部载流子参与导电的种类分类全控型的电力半导体器件也被称做现代电力电子器件，根据器件内部载流子参与导电的种类不同，又可分为单极型、双极型和复合型三类。只有一种载流子参与导电的称为单极型，如PowerMOSFET；器件内有电子和空穴两种载流子导电的称为双极型器件，如GTR和GTO等；由双极型器件与单极型器件复合而成的新器件称为复合型器件，如IGBT等。电力电
6、子技术电力半导体器件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。2.1.2 同处理信息的电子器件相比的一般特征电力电子技术电力半导体器件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，开关损耗可能成为器件功率
7、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 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗电力电子技术电力半导体器件 自然界中的物质按其导电性能可分为三大类： 1. 导体 2. 绝缘体 3. 半导体(硅、锗、硒、金刚石、砷化稼、碳化硅等)指其导电能力明显依赖于内外状态的一类特殊物质。 (1)当半导体受到外界光和热的激发时，其导电能力发生显著的变化。 (2)在纯净的结构完整的半导体（被称为本征半导体）中加入微量的杂质后其导电能力会显著增强。 现已广泛应用的半导体材料大都是掺入了微量杂质的硅元素（或锗元素）材料研制得到的。2.2 2.2 不可控器件不可控器
8、件电力二极管电力二极管( (PowerDiode) )电力电子技术电力半导体器件2.2.1 什么是PN结 将P型半导体与N型半导体通过物理化学方法有机的结合为一体后，就形成了PN结，PN结具有非线性电阻的特性，可以制成二极管作整流器件，PN结是构成多种半导体器件的基础四价硅五价砷四价硅三价硼多子多子电力电子技术电力半导体器件 状态状态参数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1V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
9、崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿PN结的状态电力电子技术电力半导体器件PN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，呈呈现现电容效应，称为，称为结电容CJ，又称为又称为微分电容。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垒电容CB和和扩散电容CD。电电容容影影响响PN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。PN结的电容效应：电力电子技术电力半导体器件PN结高频等效电路电力电子技术电力半导体器件功率二极管（PowerDiode）也称为半导体整流器（SemiconductorRectifier，简称SR），不可控电力电子器件，结构
10、和原理简单，工作可靠，是20世纪最早(50年代)获得应用的电力电子器件，直到现在它在高、中频整流、逆变等领域仍然发挥着积极的作用。功率二极管是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，现在也有做成模块式结构的，如下图。整流二极管及模块2.2.2功率二级管电力电子技术电力半导体器件由于功率二极管流过很大的电流，其中引线、焊接电阻压降等都有明显影响；同时为了提高耐压，掺杂浓度也造成压降较大。功率二极管一般工作在大电流、高电压场合。因此二极管本身耗散功率大、发热多，使用时必须配备良好的散热器，以使器件的温度不超过规定值，确保运行安全电力电子技术电力半导体器件基基本本结结构构和和工工作作原原理理
11、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PN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。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AKAKa)IKAPNJb)c)AK电力电子技术电力半导体器件半导体二极管基本特性单向导电性正向接法时内电场被削弱，扩散运动强于漂移运动，掺杂形成的多数载流子导电，等效电阻较小。反向接法时内电场被增强，漂移运动强于扩散运动，光热激发形成的少数载流子导电，等效电阻很大。2.2.2 电力二极管的基本特
12、性电力电子技术电力半导体器件主要指其主要指其伏安特性门槛电压UTO，正正向向电电流流IF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即即为为其其正向电压降UF。承承受受反反向向电电压压时时，只只有有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。电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU电力电子技术电力半导体器件一般表达式：反向时的表达式：正向时的表达式：反向饱和电流电力电子技术电力半导体器件半导体电力二极管的开关特性半导体电力二极管的开关特性在半导体电力二极管开关过程中，由导通状态转在半导体电力二极管开关过程中，由导通
13、状态转为阻断状态时并不是立即完成的，它要经历一个短时为阻断状态时并不是立即完成的，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是有很大差异的，而且，对此过程的理性能的二极管是有很大差异的，而且，对此过程的理解对今后选用电力电子器件，理解电力电子电路的运解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关特性有较清行是很有帮助的，因此应对二极管的开关特性有较清晰的了解。晰的了解。导通、阻断开通、关断状态过程电力电子技术电力半导体器件正正向向压压降降先先出出现现一一个个过过冲冲UFP，经经过过
14、一一段段时时间间才才趋趋于于接接近近稳稳态态压压降降的的某个值（如某个值（如2V）。）。正向恢复时间正向恢复时间tfr。电流上升率越大电流上升率越大，UFP越高越高。UFPuiiFuFtfrt02V开通过程开通过程开通过程： 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。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt关断过程电力电子技术电力半导体器件反向恢复时间反向恢复时间电力电子技术电力半导体器件额定电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
15、流过过的的最最大大工工频频正正弦弦半半波波电电流流的的平均值平均值。IF(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效值相等的原则来来选选取取电电流流定定额额，并应留有一定的裕量。并应留有一定的裕量。2.2.3 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)电力电子技术电力半导体器件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电流流时时对对应的正向压降。应的正向压降。3）反向重复峰值电压URRM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。
16、使用时，应当留有两倍的裕量。4）反向恢复时间trrtrr= td+ tf1.2.3 电力二极管的主要参数2）正向压降正向压降UF电力电子技术电力半导体器件结温是指管是指管芯芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。TJM是是指指在在PN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。TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。6)浪涌电流IFSM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。2.2.3 电力二极管的主要参数5）最高工作结温）最高工作结温TJM电力电子技
17、术电力半导体器件 半导体电力二极管的重要参数主要用来衡量二极管使用过程中：v是否被过压击穿v是否会过热烧毁v开关特性电力电子技术电力半导体器件额定电流的定义：额定电流的定义：二二极极管管的的额额定定电电流流被被定定义义为为：其其额额定定发发热热所所允允许许的的正正弦弦半半波波电电流流的的平平均均值值。当正弦半波电流的峰值为当正弦半波电流的峰值为Im时，它可用下式计算：时，它可用下式计算：电力电子技术电力半导体器件若正弦半波电流的最大值为若正弦半波电流的最大值为则则全周期均方根正向电流全周期均方根正向电流为：为：最大允许全周期均方根正向电流的定义：最大允许全周期均方根正向电流的定义：当当二二极极
18、管管流流过过半半波波正正弦弦电电流流的的平平均均值值为为IFR时时，与与其其发发热热等等效效的的全全周周期期均均方方根根正正向向电电流流IFMS称称为为最最大允许全周期均方根正向电流。大允许全周期均方根正向电流。电力电子技术电力半导体器件二极管电流定额的含义二极管电流定额的含义如果手册上给出某电力二极管的额定电流为如果手册上给出某电力二极管的额定电流为100A，它说明：，它说明：q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；q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；q允许通过任意波形的有效值为允许通过任意波形的有效值为157A的电流；的电流
19、；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。电力电子技术电力半导体器件q求二极管电流定额求二极管电流定额；q除以除以1.57q将选定的定额放大将选定的定额放大1.5到到2倍以保证安全。倍以保证安全。q求出电路中二极管电流的有效值求出电路中二极管电流的有效值；选择二极管电流定额的过程：选择二极管电流定额的过程：电力电子技术电力半导体器件二极管的基本应用二极管的基本应用电力电子技术电力半导体器件2.3晶闸管及其派生器件晶闸管及其派生器件2.3.1晶闸管晶闸管SCR2.3.2晶闸管派生器件晶闸管派生器件2.3.3电力双向晶闸管电力双向晶闸管TRIAC2.3.4可
20、关断晶闸管可关断晶闸管GTO电力电子技术电力半导体器件P1N2N1J1J2AKJ3P2G(a)结构AGK(b)符号AKGN2P2N1P2N1P1(c)结构模型T1晶闸管的结构、电器图形符号、结构模型362.3.1晶闸管晶闸管SCR电力电子技术电力半导体器件2.3.1.1 半控器件晶闸管引言1956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。1957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产品。1958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。20世纪世纪80年代以来，
21、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）电力电子技术电力半导体器件晶闸管的外形2.3.1.2晶闸管的结构与工作原理外形有外形有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装。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联接且安装方便。密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两
22、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。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3电力电子技术电力半导体器件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电力电子技术电力半导体器件晶闸管的晶闸管的等值电路AGKVsRIAIC1IgVgRgIC2ICT1T2P1J1N1J2J3J2P2P2N1N2iB2(d)等效电路可控开通关断？强迫其电流下降到维持电流以下通态时40电力电子技术电力半导体器件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。
23、 阻断状态：IG=0， 1+ 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之和。稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态：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+ 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IA，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。IA实际由外电路实际由外电路决定决定。电力电子技术电力半导体器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阳极电压上升率率du/dt过高过高结温较高结温较高光触发光光触触发发可可以以保保证证控控
24、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，称称为为光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）。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：电力电子技术电力半导体器件2.3.1.3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
25、，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 。DATASHEET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：电力电子技术电力半导体器件（1）正向特性正向特性IG=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Ubo，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
26、低。晶晶闸闸管管本本身身的的压压降降很很小小，在在1V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IG2IG1IG电力电子技术电力半导体器件反反向向特特性性类类似似二二极极管管的的反反向特性。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-IAIAIHIG2I
27、G1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性电力电子技术电力半导体器件1)开通过程开通过程延迟时间td(0.51.5s)上升时间tr(0.53s)开通时间tgt以以上上两两者者之之和和， tgt=td+tr （1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)关断过程关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以以上上两两者者之之和和tq=trr+tgr （1-7)1-7)普普通通晶晶闸闸管管的的关关断断时时间间约几百微秒约几百微秒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电力电子技术电力半导体器件2
28、.3.1.4晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM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URRM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UT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
29、。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额电力电子技术电力半导体器件通态平均电流 IT(AV）在环境温度在环境温度为为40 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。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来选取晶闸管。来选取晶闸管。维持电流 IH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 IL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
30、小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM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向过载电流最大正向过载电流 。2 2）电流定额电流定额电力电子技术电力半导体器件 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率du/dt 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到通通 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。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通电压上升率过大，使
31、充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt 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电流流上升率上升率。 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）动态参数动态参数电力电子技术电力半导体器件2.3.1.5晶闸管的门极控制电路及其应用基础1.门极控制电路门极控制电路2.应用基础应用基础串并联应用串并联应用保护方式保护方式电力电子技术电力半导体器件晶闸管在什么时候导通？晶闸管在什么时候导通？q正向折转导通正向折转导通q高温导通高温导通q高电压变化率
32、导通高电压变化率导通l门极触发导通门极触发导通l光注入导通光注入导通晶闸管在什么时候关断？晶闸管在什么时候关断？l强迫其电流强迫其电流减小到维持电流以下减小到维持电流以下51电力电子技术电力半导体器件晶闸管的主要特性参数：晶闸管的主要特性参数：(1) (1) 额定电压额定电压(2) (2) 晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流(3) (3) 通态峰值电压降通态峰值电压降(4) (4) 浪涌电流浪涌电流(5) (5) 额定门极触发电流和触发电压额定门极触发电流和触发电压(6) (6) 维持电流维持电流I IH H (7) (7) 掣住电流掣住电流I IL L(8) (8) 开通时间和关断时间开通时间
33、和关断时间(9) (9) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率(10) (10) 开通电流临界上升率开通电流临界上升率52电力电子技术电力半导体器件例例图中画斜线部分为一个周期中晶闸管的电图中画斜线部分为一个周期中晶闸管的电流波形，若各波形的最大值为流波形，若各波形的最大值为=100A，试计算，试计算各波形电流的平均值各波形电流的平均值Id1、Id2、Id3和电流有效和电流有效值值I1、I2、I3。若考虑二倍的电流安全裕量，。若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求。的晶闸管能否满足要求。53电力电子技术电力半导体器件快速晶闸管快速晶闸管FSTFST、
34、逆导型晶闸管、逆导型晶闸管RCTRCT、双向晶闸管、可、双向晶闸管、可关断晶闸管、门极辅助关断晶闸管、光控晶闸管关断晶闸管、门极辅助关断晶闸管、光控晶闸管LCTLCT逆导晶闸管等值电路和符号光控晶闸管符号及等值电路542.3.2晶闸管派生器件晶闸管派生器件电力电子技术电力半导体器件逆导晶闸管(ReverseConductingThyristorRCT)a)KGAb)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。电力电子技术电力半导体器件光控晶
35、闸管（LightTriggeredThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA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。电力电子技术电力半导体器件晶闸管的主要特点：晶闸管的主要特点：q脉冲电流控制开通，关断靠主电路；脉冲电流控制开通，关断靠主电路；q主要应用在低频开关、主电路有关断已导通晶主要应用在低频开关、主电路有关断已导通晶闸管条件的场合；闸管条件的场合；q饱和压降很小；饱和压降很小；q电流、电压耐量最
36、大；电流、电压耐量最大；q目前利用目前利用8KV/3.5KA的光控晶闸管所构成的的光控晶闸管所构成的300MVA容量的电力变换装置是目前最大的电容量的电力变换装置是目前最大的电力电子装置；力电子装置；57电力电子技术电力半导体器件2.3.3 2.3.3 双向晶闸管双向晶闸管TRIACTriodeACSwitch或Bidirectionaltriodethyristor 双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性58电力电子技术电力半导体器件门极触发方式电力电子技术电力半导体器件换向性能换向性能双向晶闸管在任一通电半周触发导通之后，当端电压极性双向晶闸管在任一通电半周触发导通之后，当端电压极性向相反方向
37、转换时，器件有可能维持不住阻断状态而失去向相反方向转换时，器件有可能维持不住阻断状态而失去控制，这就是所谓换向失败。控制，这就是所谓换向失败。 电力电子技术电力半导体器件额定电流普通品问管在半波下使用，其峰值电流是平均值的倍，而双向晶闸管在全波下使用，其峰值电流是有效值的倍。通常，双向品闸管的标称电流是指有效值电流。门极特性动态特性1)电流上升率；2)开通时间，和关断时间；关断时间不是双向晶闯管的必测参数，但关断时间与存储电荷有关。所以，实际上它是反映换向能力强弱的重要参数。3)电压上升率 和换向能力；必测的重要参数电力电子技术电力半导体器件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
38、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来表示其额定电流值不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。电力电子技术电力半导体器件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，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。2.3.4门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGateTurnOffThyristor电力电子技术电力半导体器件结构：与与普普通通晶晶
39、闸闸管管的的相同点：PNPN四四层层半半导导体体结结构构，外外部部引引出出阳阳极、阴极和门极。极、阴极和门极。和普通晶闸管的和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。是一种多元的功率集成器件。GTO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电力电子技术电力半导体器件工作原理：与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型来分析。与普通晶闸管一样，可以用下图所示的双晶体管模型来分析。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
40、件。由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管T1、T2分别具有共基极电流增益 1 1和 2 2。电力电子技术电力半导体器件GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计2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。晶闸管的工作原理电力电子技术电力半导体器件GTO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饱和和程度较浅。程度较浅。GTO关关断断过过程程中中有有强强烈烈正
41、正反反馈馈使使器器件件退退出出饱饱和和而而关关断。断。多多元元集集成成结结构构还还使使GTO比比普普通通晶晶闸闸管管开开通通过过程程快快，承受承受di/dt能力强能力强 。由上述分析我们可以得到以下结论结论：电力电子技术电力半导体器件GTO为什么能靠反向触发电流关断？为什么能靠反向触发电流关断？qT2的电流分配系数较大；qT1、T2饱和深度较浅电力电子技术电力半导体器件开通过程：与与普普通通晶晶闸闸管管相同相同关断过程：与与普普通通晶晶闸闸管管有所不同有所不同储存时间ts，使使等等效效晶晶体管退出饱和。体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt残残存存载载流流子复合。子复合。通通常常tf比比ts小
42、小得得多多，而而tt比比ts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，ts越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6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电力电子技术电力半导体器件3)GTO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
43、参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，首先介绍意义不同的参数。电力电子技术电力半导体器件（3）最大可关断阳极电流IATO（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。电力电子技术电力半导体器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的主要特点：的主要特点：q电流控制开通和关断，但反向关断的触发电流电流控制开通和关断，但反向关断的触发电流比较大；比较大；q饱和压降中等；饱和压降中等；q开关速度中等；开关速度中等；q能
44、控制的电流、电压较大；能控制的电流、电压较大；q现今额定电流电压为现今额定电流电压为6KA/6KV的的GTO已在已在10MVA以上的大型电力电子变换装置中得到应以上的大型电力电子变换装置中得到应用；用；72电力电子技术电力半导体器件2.4双极结型电力三极管双极结型电力三极管BJT(BipolarJunctionTransistor)或或GTR(GiantTransistor)2.4.1三极管的电流控制作用2.4.2三极管的静态特性2.4.3电力三极管使用参数和特性2.4.4电力三极管的主要特点电力电子技术电力半导体器件 三极管的结构和符号742.4.1三极管的电流控制作用三极管的电流控制作用电
45、力电子技术电力半导体器件 三极管的结构和电流分配基极电流控制集电极电流采用共发射极接法采用共发射极接法电力电子技术电力半导体器件2.4.2 2.4.2 三极管的特性三极管的特性76电力电子技术电力半导体器件(1)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：截止区、放大区和和饱和区。在在电电力力电电子子电电路路中中GTR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OIcib3ib2ib1ib1ib2BVcexBVcesBVcerBVceo。实际使用时，最高工
46、作电压要实际使用时，最高工作电压要比比BUceo低得低得多。多。 不同基极状态时，集射极击穿电压电力电子技术电力半导体器件通常规定通常规定为为hFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/3时所对应时所对应的的Ic。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IcM的一半或稍多一点。的一半或稍多一点。3)集电极最大耗散功率PcM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PcM时时同同时时给给出出壳壳温温TC，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IcM电力电子技术电力半导体器件一次击穿：
47、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，Ic迅速增大。迅速增大。只要只要Ic不超过限度不超过限度，GTR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：一次击穿发生一次击穿发生时，时，Ic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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图1-18GTR的安
48、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电力电子技术电力半导体器件2.4.4电力三极管的主要特点电力三极管的主要特点q是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；管的开通和关断；q开关速度较快；开关速度较快；q饱和压降较低；饱和压降较低；q有二次击穿现象；有二次击穿现象；q能控制较大的电流和较高的电压；能控制较大的电流和较高的电压；q电力三极管由于结构所限其耐压难于超过电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超
49、过超过1200V、800A;q已经淘汰已经淘汰83电力电子技术电力半导体器件分为分为结型和和绝缘栅型通通常常主主要要指指绝缘栅型中中的的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称电力简称电力MOSFET（PowerMOSFET）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晶体体管管（StaticInductionTransistorSIT）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。2.5 2.5 电力场效应晶
50、体管电力场效应晶体管电力电子技术电力半导体器件电力MOSFET的种类按导电沟道可分为按导电沟道可分为P沟道和和N沟道。耗尽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就存存在在导导电沟道。电沟道。增强型对对于于N（P）沟沟道道器器件件，栅栅极极电电压压大大于于（小于）零时才存在导电沟道。（小于）零时才存在导电沟道。电力电力MOSFET主要主要是是N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电力电子技术电力半导体器件电力MOSFET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。电力M
51、OSFET的结构和电气图形符号电力电子技术电力半导体器件小功率小功率MOS管是横向导电器件。管是横向导电器件。电电 力力 MOSFET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VMOSFET（VerticalMOSFET）。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型型槽槽实实现现垂垂直直导导电电的的VVMOSFET和和具具有有垂垂直直导导电电双双扩扩散散MOS结结构构的的VDMOSFET(VerticalDouble-diffusedMOSFET)。这里主要这里主要以以VDMOS器件为例进行讨论。器件为例进行讨论。电力电力MOSFET的
52、结构的结构电力电子技术电力半导体器件截止：漏源极间加正电源漏源极间加正电源，栅源极间电压为零栅源极间电压为零。P基基区区与与N漂漂移移区区之之间间形形成成的的PN结结J1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：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压UGS当当UGS大大于于UT时时，P型型半半导导体体反反型型成成N型型而而成成为为反型层，该该反反型层形成型层形成N沟道而使沟道而使PN结结J1消失，漏极和源极导电消失，漏极和源极导电。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电力电子技术电力半导体器件(1)静态特性漏极电流漏极电流ID和栅源间电压
53、和栅源间电压UGS的关系称为的关系称为MOSFET的的转移特性。ID较大较大时，时，ID与UGS的关系的关系近似线性，曲线的斜率定近似线性，曲线的斜率定义为义为跨导Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A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电力电子技术电力半导体器件截止区（对应（对应于于GTR的截止区）的截止区）饱和区（对应（对应于于GTR
54、的放大区）的放大区）非饱和区（对应（对应GTR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。电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/
55、VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A电力电子技术电力半导体器件开通过程开通延迟时间td(on)上升时间tr开通时间ton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延迟时间td(off)下降时间tf关断时间toff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a）b)RsRGRFRLiDuGSupiD信号+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf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
56、态特性动态特性电力电子技术电力半导体器件MOSFET的开关速度的开关速度和和Cin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Rs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10100ns之之间间，工工作作频频率率可可达达100kHz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
57、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电力电子技术电力半导体器件3)电力MOSFET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CDS电力电子技术电力半导体器件2.6 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
58、件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件器件绝绝缘缘栅栅双双极极晶晶体体管管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或或IGT）GTR和和MOSFET复合，结合二者的优点。复合，结合二者的优点。1986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GTO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
59、，所需驱动功率小而且驱动电路简单。电力电子技术电力半导体器件1)IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极三端器件：栅极G、集电极集电极C和发射极和发射极EIGBT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)电气图形符号电力电子技术电力半导体器件图图aN沟道沟道VDMOSFET与与GTR组合组合N沟道沟道IGBT。IGBT比比VDMOSFET多一层多一层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，IGBT是是GTR与与MOSFET组组成成的的达达林林顿顿结结构，一个构，一个由由MOSFET驱动的厚基驱动的厚基区区PN
60、P晶体管。晶体管。RN为晶体管基区内的调制电阻。为晶体管基区内的调制电阻。IGBT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的结构的结构电力电子技术电力半导体器件驱驱动动原原理理与与电电力力MOSFET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uGE决定。决定。导通：uGE大大于于开启电压UGE(th)时时，MOSFET内内形形成成沟沟道道，为为晶体管提供基极电流晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通。通态压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。减小，使通态压降减小。关断：栅栅射射极极
61、间间施施加加反反压压或或不不加加信信号号时时，MOSFET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，IGBT关断。关断。IGBT的原理的原理电力电子技术电力半导体器件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2)IGBT的基本特性(1)IGBT的静态特性IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性转移特性转移特性IC与UGE间的关系(开启电开启电压压UGE(th)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。电力电子技术电力半导体器件ttt10%90%10%90%UCEI
62、C0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程IGBT的开通过程与与MOSFET的相似的相似开通延迟时间td(on)电流上升时间tr 开通时间tonuCE的的下下降降过过程程分分为为tfv1和和tfv2两段。两段。 tfv1IGBT中中MOSFET单单独工作的电压下降过程；独工作的电压下降过程； tfv2MOSFET和和 PNP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)IGBTIGBT的动态特性的动态特性电力电子技术电力半导体器件IGBT的开关
63、过程关断延迟时间td(off）电流下降时间关断时间toff电电流流下下降降时时间间又又可可分分为为tfi1和和tfi2两段。两段。tfi1IGBT器器件件内内部部的的MOSFET的的关关断断过过程程，iC下降下降较较快。快。tfi2IGBT内内部部的的PNP晶晶体体管管的的关关断断过过程程，iC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)UGEMUGEMICMICM电力电子技术电力半导体器件3)IGBT的主要参数正常工作温度
64、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UCES电力电子技术电力半导体器件IGBT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。电力电子技术电力半导体器件擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：I
65、GBT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。电力电子技术电力半导
66、体器件GCEVgVRRdrRbrT2T1ICABRg什么是擎住效应：什么是擎住效应：v 集电极电流iC过大；v集电极电压过高；v关断速度过快；Rbr上的电压过大，可使T2导通，使IGBT失去关断能力。产生擎住效应的原因：产生擎住效应的原因：104电力电子技术电力半导体器件绝缘门极双极型晶体管绝缘门极双极型晶体管IGBT主要特点主要特点q电压控制开通和关断，控制功率小；电压控制开通和关断，控制功率小；q双极性导电，开关速度介于双极性导电，开关速度介于MOSFETMOSFET和和BJTBJT之间；之间；q电压电流耐量介于电压电流耐量介于BJTBJT和和GTOGTO之间；之间；q无二次击穿现象，有擎
67、住效应；无二次击穿现象，有擎住效应；q最近十年最近十年IGBTIGBT已得到广泛应用，已得到广泛应用，3.3KV-3.3KV-4.5KV/1200-1800A4.5KV/1200-1800A的器件已开始实用。的器件已开始实用。105电力电子技术电力半导体器件2.7MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT晶闸管引入一对MOSFET构成了场控晶闸管MCT（图2.19）开通P沟道的MOS管使MCT导通开通N沟道的MOS管使MCT关断106电力电子技术电力半导体器件集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT IGCTIGCT就是把GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再将其门极驱动器在外围以低电
68、感方式连接成环状的门电极。优点：电流大、电压高，开关频率比较高（比GTO大10倍），驱动功率小。IGCTIGCT广泛应用於大功率电气传动，电力系统有源滤波，补偿及直流输电等电力变换系统中。107电力电子技术电力半导体器件静电感应晶体管静电感应晶体管：N沟道变宽，等效电阻小，SIT开通：N沟道夹断，等效电阻大，SIT关断特点：开关速度很快，可在100500kHz的高频开关状态下工作SIT是一种结型场效应晶体管，控制GS之间的电压可以改变电流通道（图中N沟道）的宽窄，从而控制SIT的通断。108静电感应静电感应晶闸管晶闸管SIT电力电子技术电力半导体器件静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITHSITH
69、也称场控晶闸管，通断机理与SIT类似,符号见图2.20（b)在SIT结构基础上增加一个PN结，在内部多形成一个三极管，两个三极管构成一个晶闸管，而成为静电感应晶闸管SITH。：SITH导通：SITH关断优点：功率大，开关频率高，可用于高频（100500kHz）的大功率变换器中。109电力电子技术电力半导体器件2.8电力电子器件的驱动保护电路2.8.1电力电子器件驱动电路2.8.2电力电子器件的保护电路2.8.3电力电子器件的串并联使用电力电子技术电力半导体器件2.8.1电力电子器件驱动电路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
70、。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：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电力电子技术电力半导体器件驱驱动动电电路路还还要要提提供供
71、控控制制电电路路与与主主电电路路之之间间的的电气隔离环节，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磁隔离的元件通常是脉冲变压器脉冲变压器光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型电力电子技术电力半导体器件按按照照驱驱动动信信号号的的性性质质分分，可可分分为为电流驱动型和和电压驱动型。驱驱动动电电路路具具体体形形式式可可为为分立元件的的，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。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。
72、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。分类分类电力电子技术电力半导体器件作用：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刻由由阻阻断转为导通。断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求：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导通。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定额，且在可靠触发区域之内。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、温温度度稳稳定定性及
73、与主电路的电气隔离性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4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电力电子技术电力半导体器件V1、V2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TM和附属和附属电路构成电路构成脉冲输出环脉冲输出环节节。V1、V2导通时，通过导通时，通过脉冲变压器向晶闸管脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输的门极和阴极之间输出触发脉冲出触发脉冲。常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路电
74、力电子技术电力半导体器件(1)GTOGTO的的开通控制与与普普通晶闸管相似。通晶闸管相似。GTO关断控制需需施施加加负门极电流。负门极电流。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。电力电子技术电力半导体器件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
75、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。典型的直接耦合式GTO驱动电路电力电子技术电力半导体器件开开通通驱驱动动电电流流应应使使GTR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GTR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（6V左左右右）的的负负偏偏压压。tOib理想的GTR基极驱动电流波形(2)GTR电力电子技术电力半
76、导体器件GTR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。GTR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。电力电子技术电力半导体器件电力电力MOSFET和和IGBT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MOSFET开开通通的的驱驱动动电电压压一一般般1015V，使使IGBT开开通的驱动电压一般通的驱动电压一般1520V。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
77、压（一一般般取取-5-15V）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电压驱动型器件的驱动电路电力电子技术电力半导体器件典型全控型器件的驱动电路(1)电力MOSFET的一种驱动电路：的一种驱动电路：电气隔离和和晶体管放大电路两部分两部分电力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。电力电子技术电力半导体器件(2)IGB
78、T的驱动M57962L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。电力电子技术电力半导体器件2.8.2电力电子器件器件的保护电路1过电压的产生及过电压保护2过电流保护3缓冲电路电力电子技术电力半导体器件1过电压的产生及过电压保护外因过电压：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：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：由雷击引起：由雷击引起内因过电压：主主要要来来自自电电
79、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相过电压：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。关断过电压：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电力电子技术电力半导体器件过电压保护措施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
80、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。电力电子技术电力半导体器件2过电流保护过电流过电流过载和和短路两种情况两种情况保护措施保护措施负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子
81、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。过电流保护措施及配置位置电力电子技术电力半导体器件全全保保护护：过过载载、短短路路均均由由快快熔熔进进行行保保护护，适适用用于于小小功率装置或器件裕度较大的场合。功率装置或器件裕度较大的场合。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作用。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，或或全全控控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。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
82、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护环节，响应最快环节，响应最快。快熔对器件的保护方式：全保护全保护和短路保护短路保护两种电力电子技术电力半导体器件3缓冲电路关断缓冲电路（du/dt抑抑制制电电路路）吸吸收收器器件件的的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du/dt，减小关断损耗。减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt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电流过冲和流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。减小器件的开通损耗。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：耗能
83、式缓冲电路和和馈能式缓冲电路（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di/dt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。电力电子技术电力半导体器件b)tuCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC1.7.3缓冲电路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：di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a)电路b)波形
84、ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO关断时的负载线电力电子技术电力半导体器件3缓冲电路充充放放电电型型RCD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。di/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。另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路电力电子技术电力半导体器件2.8.3电力电子器件的串联和并联使用1晶闸管的串联2晶闸管的并联3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点电力电子技术电力半导体器件1晶闸管的串联问题：理理想想串串联联希希望望器器件件分分压压相
85、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。电力电子技术电力半导体器件静态均压措施：选用参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，Rp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
86、得多。b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2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。电力电子技术电力半导体器件2晶闸管的并联问题：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：挑选特性参数尽量一致的器件。挑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
87、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电力电子技术电力半导体器件3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点Ron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Ron、UT、Gfs和和Ciss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。IGBT并联运行的特点在在1/2或或1/3额额定定电电流流以以下下的的区区段段
88、，通通态态压压降降具具有有负温温度系数。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电力电子技术电力半导体器件4半导体电力开关模块和功率集成电路半导体电力开关模块和功率集成电路把同类或不同类的一个或多个开关器件按一把同类或不同类的一个或多个开关器件按一定的拓扑结构连接并封装在一起的开关器件组合定的拓扑结构连接并封装在一起的开关器件组合体称为电力开关模块。体称为电力开关模块。q二极管和晶闸管模块；二极管和晶闸管模块；q达林顿三极管功率模
89、块；达林顿三极管功率模块；qMOSFET功率模块；功率模块；qIGBT模块（模块（AC-DC-AC变频功率模块）；变频功率模块）；q功率集成电路功率集成电路PIC；136电力电子技术电力半导体器件二极管和晶闸管模块二极管和晶闸管模块 二极管和晶闸管模块137电力电子技术电力半导体器件达林顿三极管功率模块达林顿三极管功率模块达林顿三极管功率模块138电力电子技术电力半导体器件MOSFETMOSFET功率模块功率模块139电力电子技术电力半导体器件AC-DC-ACAC-DC-AC变频功率模块变频功率模块140电力电子技术电力半导体器件功率集成电路功率集成电路PICPIC（Power Integra
90、ted Circuit）q如果将电力电子开关器件与电力电子变换器控如果将电力电子开关器件与电力电子变换器控制系统中的某些信息电子电路环节（如工作状制系统中的某些信息电子电路环节（如工作状态和运行参数的检测、驱动信号的生成和处理，态和运行参数的检测、驱动信号的生成和处理，缓冲、故障保护和自诊断等）制作在一个整体缓冲、故障保护和自诊断等）制作在一个整体芯片上，则称为功率集成电路芯片上，则称为功率集成电路PICPIC（Power Power Integrated CircuitIntegrated Circuit）q不同的功率集成电路不同的功率集成电路PICPIC由于其侧重的性能、由于其侧重的性能、
91、要求不同，有的被称为要求不同，有的被称为q高压集成电路HVIC(High Voltage IC)q智能功率集成电路SPIC（Smart Power IC）q智能功率模块IPM（Intelligent Power Module）141电力电子技术电力半导体器件功率集成电路功率集成电路PICPIC（续）（续）（Power Integrated Circuit）q在在功功率率集集成成电电路路PICPIC中中，高高、低低压压电电路路（主主回回路路与与控控制制电电路路）之之间间的的绝绝缘缘或或隔隔离离问问题题以以及及开开关关器器件件模模块块的的温温升升、散散热热问问题题一一直直是是PICPIC发发展的技
92、术难点。展的技术难点。q现现在在将将IGBTIGBT及及其其辅辅助助器器件件，驱驱动动、保保护护电电路路集集成成在在一一起起的的智智能能IGBTIGBT已已在在小小功功率率电电力力电电子子变换器中得到较多的应用。变换器中得到较多的应用。q较较大大功功率率的的智智能能功功率率模模块块也也已已开开始始应应用用于于高高速列车牵引的电力传动系统的电力变换器。速列车牵引的电力传动系统的电力变换器。q功功率率集集成成电电路路PIC,PIC,实实现现了了电电能能变变换换和和信信息息处处理理的的集集成成化化，它它与与高高频频化化、数数字字化化一一样样是是未未来电力电子变换和控制技术的发展方向。来电力电子变换和
93、控制技术的发展方向。142电力电子技术电力半导体器件小小 结结q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：q不可控器件：仅二极管D是不可控开关器件。q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。q全控型器件：三极管BJT、可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管PMOSFET、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制其关断143电力电子技术电力半导体器件小小 结（续结（续1 1）q根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要根据开通和关断所需门极（栅极）驱动
94、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：制型开关器件两大类：qSCR、BJT和GTO为电流驱动控制型器件qPMOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件q三极管三极管BJTBJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持为要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，当基极电流为零后通态，当基极电流为零后BJTBJT关断。为了加速其关断，关断。为了加速其关断，最好能提供负的脉冲电流。最好能提供负的脉冲电流。qP PMOSFETMOSFET和和IGBTIGBT要求有正的持续的驱动电压使其开通要求有正的持续的驱动电压使其开
95、通并保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并并保持为通态，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。小于电流型开关器件，驱动电路也比较简单可靠。144电力电子技术电力半导体器件常用电力半导体开关器件性能对比常用电力半导体开关器件性能对比可控性可控性驱动信号驱动信号额定额定电压、电流电压、电流工作频率工作频率饱和压降饱和压降二极管二极管不可控不可控无无最大最大有高有高有低有低小小晶闸管晶闸管半控半控脉冲电流脉冲电流（开通）（开通）最大最大最低最低小小GTO全控全控正、
96、负正、负脉冲电流脉冲电流大大较低较低中中BJT全控全控正电流正电流中中中中小小IGBT全控全控正电压正电压较大较大较高较高较小较小MOSFET全控全控正电压正电压小小最高最高大大145小小结（续结（续2）电力电子技术电力半导体器件大大趋趋势势 最近十年电力电子器件发展的一个重要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，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构成一个功率集成电路PICPIC。PICPIC实现了电能实现了电能与信息的集成，如果能妥善解决与信息的集成，如果能妥善解决PICPIC内部的散内部的散热、隔离等技术难题，今后热、隔离等技术难题，今后PICPIC将使电力电子将使电力电子技术发生革命性的变革技术发生革命性的变革。146小小结（续结（续3）
