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1、1 学习情境二 电力电子器件及其驱动保护2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述2.2 2.2 电力二极管电力二极管2.3 2.3 晶闸管（晶闸管（SCRSCR）2.4 2.4 门极关断晶闸管（门极关断晶闸管（GTOGTO）2.5 2.5 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）2.6 2.6 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFETMOSFET）2.7 2.7 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）2.8 2.8 GTOGTO、GTRGTR、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT驱动与保护驱动与保护22.1.1概念概念2.1.2 同处理信息的电子器件相比一般
2、特征同处理信息的电子器件相比一般特征2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类2.1 电力电子器件概述3电力电子器件电力电子器件（PowerElectronicDevice） 可直接用于主电路中，实现电能的变换和控制的电子器件。主电路主电路（MainPowerCircuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2.1.1概概念念42.1.22.1.2 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能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态
3、。电力电子器件往往需要由信息电子电路（驱动电路）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，一般都要安装散热器。5 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗主要损耗主要损耗通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗关断损耗关断损耗开通损耗开通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，开关损耗开关损耗可能成为器件可能成为器件功率损耗的主要因素。功率损耗的主要因素。2.1.22.1.2 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
4、特征62.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够按照器件能够被控制的程度被控制的程度，分为以下三类，分为以下三类半控型器件（半控型器件（Thyristor） 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。如晶闸管及其大部分派生器件制其关断。如晶闸管及其大部分派生器件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。GTOGTO，MOSFETMOSFET，IGBTIGBT不可控器件不可控器件( (PowerDiode) ) 不能用控制信号来控制其通断不能用控
5、制信号来控制其通断, , 因此也因此也就不需要驱动电路。如电力二极管就不需要驱动电路。如电力二极管7按照按照驱动电路信号驱动电路信号的性质，分为两类：的性质，分为两类：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关断的控制。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。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制型电力这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制型电力电子器件。如晶闸管，电子器件。如晶闸管，GTOGTO，MCTMCT，IGCTIGCT。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号就仅通过在控制端和公共端之间施加一定的
6、电压信号就可实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电压驱动型电可实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电压驱动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或场效应力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或场效应器件。如器件。如MOSFETMOSFET，IGBTIGBT2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类8按照载流子参与导电的情况，分为三类：单极性器件（单极性器件（MOSFET，SIT）有一种载流子参与导电。有一种载流子参与导电。双极性器件（电力二极管，晶闸管，双极性器件（电力二极管，晶闸管，GTO，GTR，SITH）由电子和空穴两种载流子参与导电的器
7、件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件（复合型器件（IGBT，MCT，IGCT）由单极性器件和双极性器件集成混合而成的器件由单极性器件和双极性器件集成混合而成的器件2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类92.2 电力二极管2.2.1 PN PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2.2.5 电力二极管命名电力二极管命名102.2.1 PN结与电力二极管的工作原理Power Power DiodeDiode结结
8、构构和和原原理理简简单单，工工作作可可靠靠，自自2020世世纪纪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，具具有有不不可可替替代代的的地位。地位。112.2.1 PN结与电力二极管的工作原理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的二极管一样。中的二极管一样。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封装组成的。及封装组成的。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板型型两
9、种封装两种封装。AKAKa)IKAPNJb)c)AK图图2-1电力二极管的外形、结构和电气图形电力二极管的外形、结构和电气图形符号符号a)外形外形b)结构结构c)电气图形符号电气图形符号阳极阳极阴极阴极122.2.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的状态结的状态 状状态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结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿（两种形式结的反向击穿（两
10、种形式)雪崩击穿（高压）雪崩击穿（高压）齐纳击穿（低压）齐纳击穿（低压）两种击穿均可能导致热击穿两种击穿均可能导致热击穿132.2.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应：结的电容效应：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，呈呈现现电电容效应容效应，称为，称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容。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垒垒电容电容CB和和扩散电容扩散电容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关状态。开关状态。142.2.2 电力二极管的基本特性主要指其主要指其伏安
11、特性伏安特性门门槛槛电电压压UTO，正正向向电电流流IF开始明显增加所对应的电压。开始明显增加所对应的电压。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正向向电电压压降降UF。承承受受反反向向电电压压时时，只只有有微微小小而数值恒定的反向漏电流。而数值恒定的反向漏电流。1)静态特性静态特性图图2-2电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性152.2.2 电力二极管的基本特性2)动态特性动态特性 二二极极管管的的电电压压- -电电流流特特性性随随时时间间变变化化的的特特性性 一一般般专专指指反反映映通通态态和和断断态态之之间间转转换换过过程程的的开关特性。开关特性。
12、延迟时间：延迟时间：t td d= = t t1 1- - t t0 0, , 电流下降时间：电流下降时间：t tf f= = t t2 2- - t t1 1反向恢复时间：反向恢复时间：t trrrr= = t td d+ + tf正向恢复时间：正向恢复时间：t tfrfr恢复特性的软度：下降时间与延迟时间恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值的比值t tf f / /t td d，或称恢复系数，用，或称恢复系数，用S Sr r表示。表示。图图2-3电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置t
13、0PN结结PN结结2.2.3电力二极管的主要参数1)额定电流（正向平均电流）额定电流（正向平均电流）IF(AV)电电力力二二极极管管的的正正向向平平均均电电流流I I F(AV)F(AV)是是指指在在规规定定的的管管壳壳温温度度和和散散热热条条件件下下允允许许通通过过的的最大工频半波电流的平均值最大工频半波电流的平均值, , 元件标称的额定电流就是这个电流。元件标称的额定电流就是这个电流。F式中的系数式中的系数1.51.52 2是安全系数是安全系数电流的有效值：电流的有效值：波形系数波形系数Kf：额定额定额定额定电流电流电流电流（平均值）（平均值）（平均值）（平均值）为：为：为：为：实际应用中
14、，实际应用中，额定电流额定电流一般选择为一般选择为 正弦半波电流的波形系数正弦半波电流的波形系数Kf：ImIF(AV)172.2.3电力二极管的主要参数2）正向平均电压正向平均电压UF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，元元件件通通过过50Hz50Hz正正弦弦半半波波额额定定正正向向平平均均值值电电流流时时，元元件件阳阳极极和和阴阴极极之之间间的的电电压压平平均均值值，取规定系列级别称为取规定系列级别称为，简称管压降，一般在，简称管压降，一般在0.451V之间之间3）（额定电压）反向重复峰值电压（额定电压）反向重复峰值电压URRM对对电电力力二二极极管管所所能能重重复复施
15、施加加的的反反向向最最高高峰峰值值电电压压。通通常常为为击击穿电压穿电压UB的三分之二。的三分之二。使使用用时时，若若电电力力二二极极管管所所承承受受到到的的最最大大反反向向瞬瞬时时值值电电压压UDM，则其额定电压一般选择为则其额定电压一般选择为URRM=（2323）UDM思考题：实际电路中反向最高峰值电压为思考题：实际电路中反向最高峰值电压为200V200V，选择二极管的，选择二极管的 U URRMRRM是多少？是多少？4）反向恢复时间反向恢复时间trrtrr= td+ tf182.2.3电力二极管的主要参数5）最高工作结温最高工作结温TJM结温是指管芯结温是指管芯PNPN结的平均温度，用结
16、的平均温度，用T TJ J表示。表示。T TJMJM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平均温度。均温度。T TJMJM通常在通常在125175125175 C C范围之内范围之内。6)浪涌电流浪涌电流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。192.2.4 电力二极管的主要类型按按照照正正向向压压降降、反反向向耐耐压压、反反向向漏漏电电流流等等性性能能，特别是反向恢复特性的不同介绍。特别是反向恢复特性的不同介绍。1)普通二极管普通二极管（GeneralPurpo
17、seDiode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路。其反向恢复时间较长，一般为5微秒以上。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高额定电流达数千安培,额定电压达数千伏以上。202.2.4 电力二极管的主要类型2)快恢复二极管快恢复二极管 （FastRecoveryDiodeFRD）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 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFast Recovery Epitaxial DiodesFREDFRED），），其其t trrrr更短（可低于更短（可低于50ns50
18、ns），）， U UF F也很低（也很低（0.9V0.9V左右）左右），但其反向耐压多在，但其反向耐压多在400V400V以下。以下。从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等级。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100ns100ns以下，以下，甚至达到甚至达到2030ns2030ns。212.2.4 电力二极管的主要类型3.肖特基二极管肖特基二极管 以以金金属属和和半半导导体体接接触触形形成成的的势势垒垒为为基基础础的的二二极极管管称称为为肖肖特特基基势势垒垒二二极极管管（Schottky Barrier Di
19、ode SBD）。）。肖特基二极管的肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V200V以下。以下。反反向向漏漏电电流流较较大大且且对对温温度度敏敏感感，故故反反向向稳稳态态损损耗耗不不能能忽忽略略，且必须严格地限制其工作温度。且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反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（1040ns1040ns）。）。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。反反向向耐耐压压较较低低时时其其正正向向压压降降明明显显低低于于快快恢恢复复二二极极管管（效效率率高高，其
20、开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。222.2.5电力二极管命名232.3晶闸管（SCR）2.3.1引言引言 2.3.2 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理2.3.3 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2.3.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数2.3.5 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件242.3.1引言晶晶闸闸管管（Thyristor）：晶晶体体闸闸流流管管，可可控控硅硅整整流流器器（Silicon Controlled RectifierSCR）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。19571
21、957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。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。252.3.2晶闸管的结构与工作原理1)晶闸管的结构图图2-4晶闸管的外形晶闸管的外形a）d），电气图形符号），电气图形符号e），结构），结构f）外形有外形有塑封
22、型塑封型，螺栓型螺栓型和和平板型平板型三种封装。三种封装。有三个联接端。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。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。262.3.2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螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块晶闸管模块晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构272.3.2晶闸管的结构与工作原理2)晶闸管的工作原理 按晶体管的工
23、作原理按晶体管的工作原理 ，得得：（2-2）（2-1）（2-3）（3-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的的共基极电流增益；共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别分别是是V1和和V2的共基极漏电流。由以上的共基极漏电流。由以上式可得式可得 ：（2-5）图图2-5晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型双晶体管模型b)工作原理工作原理282.3.2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。 阻阻断断状状态态：I I
24、G G=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稍大于两个晶体管漏电流之和。大于两个晶体管漏电流之和。开开通通状状态态：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，实现饱和导通。近于无穷大，实现饱和导通。I IA A实际由外电路决定。实际由外电路决定。292.3.2晶闸管的结构与工作原理其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：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
25、阳极电压上升率阳极电压上升率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 Light Triggered ThyristorTriggered ThyristorLTTLTT）。）。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。302.3.3晶闸管的基本特性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：承承受受反反向向电电压压时时，不不论论门门极极
26、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 。312.3.3晶闸管的基本特性1 1） 静态特性静态特性（1）正向特性正向特性I IG G=0=0时，器件两端施加正向时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。电流，为正向阻断状态。
27、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1V1V左右。左右。正正向向阻阻断断反向反向阴断阴断图图2-6晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG322.3.3晶闸管的基本特性（2）反向特性反向特性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
28、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。URO图图2-7晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG332.3.3晶闸管的基本特性(1)开通过程开通过程延迟时间延迟时间td(0.51.5(0.51.5 s)s)上升时间上升时间tr (0.53(0.53 s)s)开开通通时时间间t tgtgt以以上上两两者者之之和和， tgt=td+tr t td d与与门门极极电电流流有有关关， t tr r 与与晶晶闸闸管管本本身身特特性性和和外外电电路路的的电电感感有有关关， t td d和和 t tr r与与阳阳极极电压的大小有关。电压的大小有关。2）动态特性动态特性(2)关断过程
29、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关断时间关断时间t tq q以上两者之和以上两者之和tq=trr+tgr 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图图2-8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342.3.4 晶闸管的主要参数1）电压定额电压定额正向重复峰值电压正向重复峰值电压U UDRMDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。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U URRMRRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重在门极
30、断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。复加在器件上的反向峰值电压。重复峰值电压重复峰值电压 （额定电压）（额定电压）U UTeTe 通通常常取取晶晶闸闸管管的的UDRM和和URRM中中较较小小的的标值作为该器件的标值作为该器件的额定电压额定电压。URO使使使使用用用用注注注注意意意意选选用用时时，一一般般取取额额定定电电压压为为正正常常工工作作时时晶晶闸闸管管所所承承受受峰峰值值电电压压23倍，即：倍，即：UTe=(23)UTM352.3.4 晶闸管的主要参数2 2）电流定额电流定额额定通态平均电流额定通态平均电流 I IT(AVT(AV）在环境温度为在环境温度为40 C和规
31、定的冷却状态下，晶闸管导通角和规定的冷却状态下，晶闸管导通角不小于不小于170的电阻性负载电路中，当稳定结温不超过额定结的电阻性负载电路中，当稳定结温不超过额定结温时所允许流过的工频正弦半波电流温时所允许流过的工频正弦半波电流的平均值的平均值。将该电流按。将该电流按晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流额定电流。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来选取晶闸管。考虑来选取晶闸管。考虑1.52倍裕量。倍裕量。通态平均电流为：通态平均电流为：通态平均电流为：通态平均电流为：362.3.4 晶闸管的主要参数电流波形的有效值：电流波形的有效
32、值：有效值与平均值之比：有效值与平均值之比：在给定晶闸管的额定电流在给定晶闸管的额定电流之后，任意波形的之后，任意波形的实际实际允允许电流平均值为许电流平均值为通态平均电流为：通态平均电流为：通态平均电流为：通态平均电流为：372.3.4 晶闸管的主要参数例例例例: : : : 在半波整流电路中，晶闸管从在半波整流电路中，晶闸管从/3/3时刻开始导通。试计算该电流波形的平时刻开始导通。试计算该电流波形的平均值、有效值、波形系数。若取安全系数为均值、有效值、波形系数。若取安全系数为2 2，求额定电流为，求额定电流为100A100A的晶闸管实的晶闸管实际允许通过的平均值和最大值是多少？际允许通过的
33、平均值和最大值是多少？解：实际电流平均值解：实际电流平均值电流有效值电流有效值波形系数波形系数100A100A的晶闸管实际允许通过的电流平均值的晶闸管实际允许通过的电流平均值最大电流最大电流382.3.4 晶闸管的主要参数维持电流维持电流 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 I IL L 晶闸管刚从断态转入通态并晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号移除触发信号后，后， 能维持导通所需的最小电流。能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常I IL L约为约为I IH H的的2424倍倍。浪涌电流浪涌电流I
34、ITSMTSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结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温的不重复性最大正向过载电流 。其有上下两个。其有上下两个级，可作为设计保护电路的依据。级，可作为设计保护电路的依据。392.3.4 晶闸管的主要参数3 3）动态参数动态参数 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：断态电压临界上升率断态电压临界上升率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
35、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 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率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。402.3.5 晶闸管的派生器件5) 5) 晶闸管的命名晶闸管的命名41型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在下图所示电路中是否合理？为什么？（不考虑电压电流裕量）画出下
36、图所示电路的负载电阻Rg上的电压波形42下图阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，高最大值均为下图阴影部分表示流过晶闸管的电流波形，高最大值均为IM,试计试计算各图中的电流平均值，有效值。算各图中的电流平均值，有效值。432.3.5 晶闸管的派生器件(1)双向晶闸管的外形及结构双向晶闸管的外形及结构双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)是一种是一种NPNPN NPNPN 的五层三端的五层三端(T1(T1、T2T2和和G)G)元件，有元件，有四个四个PN PN 结。结。1)1)双双 向向 晶晶 闸闸 管管（ Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectionaltriod
37、ethyristor） 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。图图2-9 2-9 双向晶闸管双向晶闸管442.3.5 晶闸管的派生器件(2) 伏安特性与参数伏安特性与参数有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个，一个门极门极G。在第在第和第和第IIIIII象限有对称象限有对称的伏安特性。的伏安特性。不用平均值而用有效值来表不用平均值而用有效值来表示其额定电流值示其额定电流值(I(IT T（RMSRMS）) )。双向晶闸管与普通晶闸管额双向晶闸管与普通晶闸管额定电流换算关系。定电流换算关
38、系。图图2-10 2-10 双向晶闸管的电气图双向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452.3.5 晶闸管的派生器件2) 2) 快速晶闸管快速晶闸管（FastSwitchingThyristorFST)有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。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
39、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。462.3.5 晶闸管的派生器件3)逆导晶闸管逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT）将晶闸管反并联一将晶闸管反并联一个二极管制作在同个二极管制作在同一管芯上的功率集一管芯上的功率集成器件。不具有承成器件。不具有承受反向电压的能力。受反向电压的能力。具有正向压降小、具有正向压降小、关断时间短、高温关断时间短、高温特性好、额定结温特性好、额定结温高等优点。高等优点。a)KGA图图2-11逆导晶闸管的电气图逆
40、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472.3.5 晶闸管的派生器件4) 光光控控晶晶闸闸管管（Light Triggered ThyristorLTT）又称光触发晶闸管，又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光是利用一定波长的光照信号触发导通的晶照信号触发导通的晶闸管。闸管。光触发保证了主电路光触发保证了主电路与控制电路之间的绝与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干缘，且可避免电磁干扰的影响。扰的影响。因此目前在高压大功因此目前在高压大功率的场合。率的场合。AGKa)图图212光控晶闸管的电气图形符号光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏
41、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482.4 门极关断晶闸管（GTO）2.4.1引言引言2.4.2GTO的结构和工作原理的结构和工作原理2.4.3GTO的动态特性的动态特性2.4.4GTO的主要参数的主要参数492.4.1引 言 门极关断晶闸管门极关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）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可以通过在门极施加负的脉冲电流负的脉冲电流使其关断。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
42、上的大功率场合仍有较多的应用。50结构结构：与与普普通通晶晶闸闸管管的的相相同同点点： 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：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。图图2-13 GTO2-13 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) 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) b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) c) 电气图形电气图形符号符号C）GKN2P2N2N1P1A2.4.2 GTO的
43、结构和工作原理51工作原理工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图与普通晶闸管一样，可以用图2-132-13所示的双晶体管模型来分析所示的双晶体管模型来分析。图图2-13 2-13 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理由由P1N1P2和和N1P2N2构成的两个晶体管构成的两个晶体管V1、V2分别具有共分别具有共基极电流增益基极电流增益 1 1和和 2 2。 1 1 1 1+ + + + 2 2 2 21111是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。是器件临界导通的条件。2.4.2 GTO的结构和工作原理52GTOGTO能够通过门极关断的原因是其
44、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区别：设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控控制灵敏，晶体管制灵敏，晶体管V1饱和度较浅，饱和度较浅，易于易于GTO控制。控制。导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通，导通时接近临界饱和，有利门极控时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区基区（较薄）横向电阻很小，能从（较薄）横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。门极抽出较大电流。图图2-14晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理2.4.2 GTO的结构和工作原理53结论：结论：GTOGTO
45、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程度较浅较浅。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而关关断。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快，承受承受d di i/d/dt t能力强能力强 。2.4.2 GTO的结构和工作原理542.4.3GTO的动态特性开通过程开通过程：与普通晶闸管相同：与普通晶闸管相同关关断断过过程程：与与普普通通晶晶闸闸管管有有所所不不同同储储存存时时间间t ts s使使等等效效晶晶体体管管退出饱和。退出饱和。下下降降时时间间t
46、 tf f 等等效效晶晶体体管管从从饱饱和和区区退退至至放放大大区区，阳阳极极电电流逐渐减小。流逐渐减小。尾尾部部时时间间t tt t 残残存存载载流流子子复复合。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，t ts s越短。越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6图图215GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形552.4.4GTO的主要参数许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只
47、介绍意义不同的参数以下只介绍意义不同的参数。（1）开通时间开通时间ton延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约12 s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。（2）关断时间关断时间toff一般指储存时间和下降时间之和，不包括一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于尾部时间。下降时间一般小于2 s。不少不少GTO都制造成逆导型都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管类似于逆导晶闸管，需承需承受反压时受反压时，应和电力二极管串联应和电力二极管串联。56（3）最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATOIAT
48、OGTO额定电流。额定电流。（4）电流关断增益电流关断增益 offoff最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值大值IGM之比称为电流关断增益。之比称为电流关断增益。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A。2.4.4GTO的主要参数57(5)阳极尖峰电压阳极尖峰电压UP是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关是在下降时间末尾出现的极值电压，它几乎随阳极可关断电流线性增加，断电流线性增加，UP过高可能导致过高可能导致
49、GTO晶闸管失效。晶闸管失效。(6)维持电流维持电流是是指阳极电流减小到开始出现指阳极电流减小到开始出现GTO晶闸管不能维持导晶闸管不能维持导通的数值。通的数值。(7)擎住电流擎住电流是指是指GTO晶闸管经门极触发后，阳极电流上升到保持所晶闸管经门极触发后，阳极电流上升到保持所有有GTO晶闸管元导通导通的最低值。晶闸管元导通导通的最低值。2.4.4GTO的主要参数582.5.1引言引言2.5.2GTR的结构和工作原理的结构和工作原理2.5.3GTR的基本特性的基本特性2.5.4GTR的主要参数的主要参数2.5.5 BJT BJT与晶闸管的性能比较与晶闸管的性能比较 2.5 电力晶体管（GTR）
50、592.5.1引 言术语用法术语用法：电电力力晶晶体体管管（Giant Giant TransistorTransistorGTRGTR，直直译译为为巨型晶体管）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结结型型晶晶体体管管（Bipolar Bipolar Junction Junction TransistorTransistorBJTBJT），英英文文有有时时候候也也称称为为Power BJTPower BJT。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，但目前又大多被管，但目前又大多被IGBTIGBT和电力和电力
51、MOSFETMOSFET取代。取代。602.5.2GTR的结构和工作原理图图2-16GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、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内部结构断面示意图b)电气图形符号电气图形符号c)内部载流子的流动内部载流子的流动e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。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。612.5.2GTR的结构和工作原理在应用中，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
52、基极电流i ib b之比为之比为 GTRGTR的的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制能力，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 。当考虑到集电极和发射极间的漏电流当考虑到集电极和发射极间的漏电流I Iceoceo时，时，i ic c和和i ib b的关系为的关系为 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，采采用用达达林顿接法可有效增大电流增益。林顿接法可有效增大电流增益。ic= ib+Iceo622.5.2GTR的结构和工作原理达林顿达林顿GTR1.R1，R2：稳定电阻，提供反向漏电流：稳定电阻，提供反向
53、漏电流通路，提高复合管的温度稳定性通路，提高复合管的温度稳定性2.VD1：加速二极管，为：加速二极管，为V2提供反向提供反向IB通路通路3.VD2：续流二极管：续流二极管图图2-17达林顿管达林顿管632.5.3GTR的基本特性1)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：截截止止区区、放放大区大区和和饱和区饱和区。在在电电力力电电子子电电路路中中GTRGTR工作在开关状态。工作在开关状态。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，要经过放大区。时，要经过放大区。图图2-18共发射极接法时共发射极接法时GTR的的输出特性输
54、出特性642.5.3GTR的基本特性2)动态特性动态特性开通过程开通过程延延迟迟时时间间t td d和和上上升升时时间间t tr r，二二者之和为者之和为开通时间开通时间t tonon。加加快快开开通通过过程程的的办办法法 ：增增大大i ib b和和didib b/dt/dt。关断过程关断过程储储存存时时间间t ts s和和下下降降时时间间t tf f，二二者者之之和为和为关断时间关断时间t toffoff 。加加快快关关断断速速度度的的办办法法：减减少少导导通通的的饱饱和和深深度度或或增增大大基基极极抽抽取取负负电电流流I Ib2b2幅值和负偏压。幅值和负偏压。GTRGTR的的开开关关时时间
55、间在在几几微微秒秒以以内内，比比晶闸管和晶闸管和GTOGTO都短很多都短很多 。ibIb1Ib2Icsic0090% Ib110% Ib190% Ics10% Icst0t1t2t3t4t5tttofftstftontrtd图图2-19GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形652.5.4GTR的主要参数前前已已述述及及：电电流流放放大大倍倍数数 、直直流流电电流流增增益益h hFEFE、集集射射极极间间漏漏电电流流I Iceoceo、集集射射极极间间饱饱和和压压降降U Ucesces、开开通通时时间间t tonon和和关关断时间断时间t toff off ( (此外还有此外还有
56、) )： 1)1)最高工作电压最高工作电压 GTRGTR上电压超过规定值时会发生击穿。上电压超过规定值时会发生击穿。击击穿穿电电压压不不仅仅和和晶晶体体管管本本身身特特性性有有关关，还还与与外外电电路路接接法法有关。有关。BUBUcbocbo BUBUcexcex BUBUcesces BUBUcercer BuBuceoceo。实际使用时，最高工作电压要比实际使用时，最高工作电压要比BUBUceoceo低得多。低得多。662)集电极最大允许电流集电极最大允许电流IcM通常规定为通常规定为h hFEFE下降到规定值的下降到规定值的1/21/31/21/3时所对应的时所对应的I Ic c 。实际
57、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工作温度作温度 。2.5.4GTR的主要参数674)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一次击穿：一次击穿：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
58、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：一次击穿发生时，一次击穿发生时，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）最最高高电电压压UceM、集集电电极极最最大大电电流流IcM、最最大大耗耗散散功功率率PcM、二次击穿临界线限定。二次击穿临界线限定。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM图图2-20GTR的安全工作区的安全工作区2.5.4GTR的主要
59、参数682.5.5BJT与晶闸管的性能比较 项目项目晶闸管晶闸管BJT最高耐压最高耐压额定电流额定电流12000V4000A1200V600A开通时间开通时间几微秒几微秒几微秒几微秒关断时间关断时间几十至几百微秒几十至几百微秒几微秒几微秒正向压降正向压降12V0.10.7V（单管）（单管）0.82.1V（达林顿管）（达林顿管）漏电流漏电流几毫安以下几毫安以下几百微安以下几百微安以下开关方法及开关方法及所需能量所需能量开通：控制极触发电流（功率为几瓦以下）开通：控制极触发电流（功率为几瓦以下）关断：阴极加负电压关断：阴极加负电压开通：基极流过电流（功率为几瓦以下）开通：基极流过电流（功率为几瓦以
60、下）关断：基极电流消失关断：基极电流消失关断时的保护关断时的保护用缓冲电路抑制反峰电压及用缓冲电路抑制反峰电压及du/dt用缓冲电路将电压电流限制在安全工作区用缓冲电路将电压电流限制在安全工作区浪涌冲击浪涌冲击10倍的额定电流（重复性）倍的额定电流（重复性）20倍的额定电流（非重复性）倍的额定电流（非重复性）二倍的额定电流（非重复性）二倍的额定电流（非重复性）误动作误动作（控制可靠性）（控制可靠性）控制极干扰信号，过大的控制极干扰信号，过大的du/dt会引起误触发，会引起误触发，故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件故需抑制措施，以防止电源短路损坏元件基极干扰信号，过大基极干扰信号，过大du/d
61、t造成瞬时导通，但可造成瞬时导通，但可复原，不致引起损坏。若是电源短路，工作点超复原，不致引起损坏。若是电源短路，工作点超出安全工作区，会损坏元件出安全工作区，会损坏元件维护维护无活动部件，不易损坏部件，需维护无活动部件，不易损坏部件，需维护（同晶闸管（同晶闸管）寿命寿命半永久性半永久性半永久性半永久性二次击穿二次击穿不存在不存在存在存在692.6 电力场效应晶体管（MOSFET）2.6.1引言引言2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理2.6.3 电力电力MOSFET的特性的特性2.6.4电力电力MOSFET的主要参数的主要参数702.6.1引 言分为分为结型和绝缘栅型
62、结型和绝缘栅型通通 常常 主主 要要 指指 绝绝 缘缘 栅栅 型型 中中 的的 MOSMOS型型 （ Metal Metal Oxide Oxide Semiconductor Field Effect TransistorSemiconductor Field Effect Transistor）简称电力简称电力MOSFETMOSFET（Power MOSFETPower MOSFET）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（Static Static Induction TransistorInduction TransistorSITSIT）
63、特点特点用栅极电压来控制漏极电流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。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于热稳定性优于GTR。电电流流容容量量小小，耐耐压压低低，一一般般只只适适用用于于功功率率不不超超过过10kW的电力电子装置的电力电子装置。电力场效应晶体管电力场效应晶体管712.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理电力电力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沟道沟道和和N N沟道沟道。 耗耗尽尽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。就存
64、在导电沟道。 增增强强型型对对于于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主要是主要是N N沟道增强型沟道增强型。72电力电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。是单极型晶体管。导电机理与小功率导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。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：采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计： 1.1.国际整流器公司（国际整流器公司（International RectifierInternational Rec
65、tifier）的）的HEXFETHEXFET采用了六边形单采用了六边形单元元 2. 2.西门子公司（西门子公司（SiemensSiemens）的）的SIPMOSFETSIPMOSFET采用了正方形单元采用了正方形单元 3. 3. 摩托罗拉公司（摩托罗拉公司（MotorolaMotorola）的）的TMOSTMOS采用了矩形单元按采用了矩形单元按“品品”字形排列字形排列 图图2-21电力电力MOSFET的结的结构和电气图形符号构和电气图形符号2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理73小功率小功率MOSMOS管是横向导电器件。管是横向导电器件。电力电力MOSFETMOSFE
66、T大都采用垂直导大都采用垂直导 电结构，又称为电结构，又称为VMOSFETVMOSFET （Vertical MOSFETVertical MOSFET）。）。按垂直导电结构的差异，分为利按垂直导电结构的差异，分为利 用用V V型槽实现垂直导电的型槽实现垂直导电的VVMOSFETVVMOSFET 和具有垂直导电双扩散和具有垂直导电双扩散MOSMOS结构的结构的 VDMOSFETVDMOSFET（Vertical Double-Vertical Double- diffused MOSFET diffused MOSFET）。）。这里主要以这里主要以VDMOSVDMOS器件为例进行讨论。器件为例
67、进行讨论。BG栅栅极极D漏极漏极SiO2P型硅衬底型硅衬底S源极源极图图2-22 2-22 小功率小功率MOSMOS管结构图管结构图N+N+2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理74VVMOSFET和和VDMOSFET图图2-23VVMOSFET和和UMOSFET基本结构基本结构电电场场集集中中，不不易易提提高高耐耐压压2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理75截止截止：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 P基区与基区与N N漂移区之间形成的漂移区之间形成的PNPN结结J J1 1反偏，漏源极之间无电流流过。反
68、偏，漏源极之间无电流流过。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型型半半导导体体反反型型层层N N型型而而成成为为反反型型层层，该该反反型型层层形形成成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 。电力电力MOSFET的工作原理的工作原理图图2-24电力电力MOSFET的结构和电气图形符号的结构和电气图形符号2.6.2电力电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理762.6.3 电力MOSFET的特性1)静态特性静态特性漏极电流漏极电流I ID D和栅源间电和栅源间电压压U
69、 UGSGS的关系称为的关系称为MOSFETMOSFET的的转移特性转移特性。I ID D较大时，较大时，I ID D与与U UGSGS的关的关系近似线性，曲线的斜系近似线性，曲线的斜率定义为率定义为跨导跨导G Gfsfs。图图2-25电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性a)转移特性转移特性b)输出特性输出特性772.6.3 电力MOSFET的特性MOSFET的漏极伏安特性的漏极伏安特性：截止区截止区（对应于（对应于GTRGTR的截止区）的截止区）饱和区饱和区（对应于（对应于GTRGTR的放大区）的放大区）非饱和区非饱和区（对应（对应GTRGTR的饱和区）的饱和区）工工
70、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件并联时的均流均流有利。有利。010203050402468a)10203050400b)10 20 305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A图图2-25电力电力MOSFET的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性a)转移特性
71、转移特性b)输出特性输出特性782.6.3 电力MOSFET的特性极间电容极间电容图图226 226 功率功率MOSFETMOSFET极间电容分布及其等效电路极间电容分布及其等效电路Cin=CGS+CGDCout=CDS+CGDCf=CGD792.6.3 电力MOSFET的特性2)动态特性动态特性开通过程开通过程开开通通延延迟迟时时间间td(on)up前前沿沿时时刻刻到到uGS=UT并并开开始始出出现现iD的的时时刻刻间间的时间段。的时间段。上上升升时时间间tr uGS从从uT上上升升到到MOSFET进进入入非非饱饱和和区区的的栅栅压压UGSP的时间段。的时间段。iD稳稳态态值值由由漏漏极极电
72、电源源电电压压UE和和漏漏极极负载电阻决定。负载电阻决定。UGSP的大小和的大小和iD的稳态值有关的稳态值有关UGS达达到到UGSP后后，在在up作作用用下下继继续续升高直至达到稳态，但升高直至达到稳态，但iD已不变。已不变。开开通通时时间间ton开开通通延延迟迟时时间间与与上上升时间之和。升时间之和。图图2-27电力电力MOSFET的开关过程的开关过程a)测试电路测试电路b)开关过程波形开关过程波形up脉冲信号源，脉冲信号源，Rs信号源内阻，信号源内阻，RG栅极电阻，栅极电阻，RL负载电阻，负载电阻，RF检测漏极电流检测漏极电流80v关断过程关断过程关断延迟时间关断延迟时间td(off)u
73、up p下下降到零起，降到零起，C Cinin通过通过R Rs s和和R RG G放放电，电，u uGSGS按指数曲线下降到按指数曲线下降到U UGSPGSP时，时，i iD D开始减小的时间段。开始减小的时间段。下降时间下降时间t tf f u uGSGS从从U UGSPGSP继继续下降起，续下降起，i iD D减小，到减小，到u uGSGS 20V将导致绝缘层击穿将导致绝缘层击穿。83（4)4)极间电容极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和和CDS 厂厂家家提提供供：漏漏源源极极短短路路时时的的输输入入电电容容Ciss、共共源源极极输出电容输出电容Coss和反向转移电容和反向转移电容Cr
74、ssCiss= CGS+ CGDCrss= CGDCoss= CDS+ CGD 输入电容可近似用输入电容可近似用Ciss代替。代替。 这些电容都是非线性的。这些电容都是非线性的。 漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力定了电力MOSFETMOSFET的安全工作区。的安全工作区。一般来说，电力一般来说，电力MOSFETMOSFET不存在二次击穿问题，这是它不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。的一大优点。实际使用中仍应注意留适当的裕量。实际使用中仍应注意留适当的裕量。2.6.4电力MOSFET的主要参数842.7 绝缘栅双极晶体管（I
75、GBT）2.7.1引言引言2.7.2IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理2.7.3IGBT的基本特性的基本特性2.7.4IGBT的主要参数的主要参数852.7.1引言图图2-291700V/1200A，3300V/1200AIGBT模块模块GTR和和GTO的的特特点点双双极极型型，电电流流驱驱动动，有有电电导导调调制制效效应应，通通流流能能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的的优优点点单单极极型型，电电压压驱驱动动，开开关关速速度度快快，输输入入阻阻抗抗高高，热热稳稳定定性性好好，所所需需驱驱动动功功率率小小
76、而而且且驱驱动动电电路路简简单单，不不存存在在二二次次击击穿穿问问题题，但但存在通态压降大，电流容量低等问题，难制成高电压、大电流器件。存在通态压降大，电流容量低等问题，难制成高电压、大电流器件。两两类类器器件件取取长长补补短短结结合合而而成成的的复复合合器器件件Bi-MOSBi-MOS器件器件绝绝 缘缘 栅栅 双双 极极 晶晶 体体 管管 （ Insulated-gate Insulated-gate Bipolar TransistorBipolar TransistorIGBTIGBT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。1
77、9861986年年投投入入市市场场，是是中中小小功功率率电电力力电电子子设备的主导器件。设备的主导器件。继继续续提提高高电电压压和和电电流流容容量量，以以期期再再取取代代GTOGTO的地位。的地位。862.7.2IGBT的结构和工作原理1)IGBT的结构的结构三端器件：栅极三端器件：栅极G G、集电极、集电极C C和发射极和发射极E E图图3-30a3-30aN N沟道沟道VDMOSFETVDMOSFET与与GTRGTR组合组合N N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
78、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构，一一个个由由MOSFETMOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区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。图图2-30IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图内部结构断面示意图b)简化等效电路简化等效电路c)电气图形符号电气图形符号872.7.2IGBT的结构和工作原理图图2-31双载流子参与导电示意图双载流子参与导电示意图882.7.2IGBT的结构和工作原理IGBT
79、的原理的原理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射极极电压电压u uGEGE决定。决定。导导通通：u uGEGE大大于于开开启启电电压压U UGE(th)GE(th)时时，MOSFETMOSFET内内形形成成沟沟道道，为为晶晶体管提供基极电流，体管提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。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，MOSFETMOSFET内内的的沟沟道道消消失，晶体管的基极
80、电流被切断，失，晶体管的基极电流被切断，IGBTIGBT关断。关断。892.7.3 IGBT的基本特性1)IGBT的静态特性的静态特性a)b)O有源区有源区正向阻断区正向阻断区饱饱和和区区反向阻断区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加增加图图2-32 IGBT2-32 IGBT的转移特性和输出特性的转移特性和输出特性a) a) 转移特性转移特性 b) b) 输出特性输出特性转移特性转移特性IC与与UGE间的关系间的关系(开启电开启电压压UGE(th)输出特性输出特性分分为为三三个个区区域域：正正向向阻阻断断区区、有有源源区区和饱和区。和饱和区。90
81、2.7.3 IGBT的基本特性IGBTIGBT的的开开通通过过程程 与与MOSFETMOSFET的相似的相似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t tr r 开通时间开通时间t tononu 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单单独独工作的电压下降过程；工作的电压下降过程； t tfv2fv2MOSFETMOSFET和和 PNPPNP晶晶 体体管同时工作的电压下降过程。管同时工作的电压下降过程。2)IGBT的动态特性的动态特性图图2-3
82、3IGBT的开关过程的开关过程91关关断断延延迟迟时时间间td(off)从从uGE后后沿沿下下降降到到其其幅幅值值90%的的时时刻刻起，到起，到iC下降至下降至90%ICM。电电流流下下降降时时间间iC从从90%ICM下降至下降至10%ICM。关关断断时时间间toff关关断断延延迟迟时时间间与电流下降之和。与电流下降之和。电电流流下下降降时时间间又又可可分分为为tfi1和和tfi2两两 段段 。 tfi1IGBT内内 部部 的的MOSFET的的关关断断过过程程，iC下下降降较较快快；tfi2IGBT内内部部的的PNP晶体管的关断过程，晶体管的关断过程，iC下降较慢。下降较慢。2.7.3 IGB
83、T的基本特性IGBT的关断过程的关断过程图图2-34IGBT的开关过程的开关过程922.7.4IGBT的主要参数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 。(3)最大集电极功耗最大集电极功耗PCM最大集电极连续（直流）电流最大集电极连续（直流）电流IC额定电流；额定电流；为避免擎住效应，规定了为避免擎住效应，规定了ICM，ICM2IC(2)最大集电极连续（直流）电流最大集电极连续（直流）电流IC和最大峰值电流和最大峰值电流ICM由内部由内部PNPPNP晶体管的击穿电压确定。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UCES93IGBTIGBT的特性和参数特点可
84、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。开关速度高，开关损耗小。 相相同同电电压压和和电电流流定定额额时时，安安全全工工作作区区比比GTRGTR大大，且且 具有耐脉冲电流冲击能力。具有耐脉冲电流冲击能力。通态压降比通态压降比VDMOSFETVDMOSFET低。低。输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFETMOSFET类似。类似。与与MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，耐压和通流能力还可以进一步相比，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提高，同时保持开关频率高的特点 。2.7.4IGBT的主要参数94IGBT的擎住效应和安全工作
85、区的擎住效应和安全工作区图图2-35IGBT的结构、具有寄生晶闸管的等效电路的结构、具有寄生晶闸管的等效电路左：左：内部结构断面示意图内部结构断面示意图右：右：等效电路等效电路#寄寄生生晶晶闸闸管管由由一一个个N N- -PNPN+ +晶晶体体管管和和作作为为主主开开关关器器件件的的P P+ +N N- -P P晶体管组成。晶体管组成。2.7.4IGBT的主要参数95擎住效应或自锁效应擎住效应或自锁效应：IGBTIGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件块，成为逆导器件 。最大集电极电流最大集电极电流、最大集射极间电压最大集射极
86、间电压和和最大允许电压上升率最大允许电压上升率d du uCECE/dt/dt确定。确定。反向偏置安全工作区反向偏置安全工作区（RBSOA）正偏安全工作区正偏安全工作区（FBSOA）动态擎住效应动态擎住效应比比静态擎住效应静态擎住效应所允许的集电极电流小。所允许的集电极电流小。擎住效应曾限制擎住效应曾限制IGBTIGBT电流容量提高，电流容量提高，2020世纪世纪9090年代中后期开始年代中后期开始逐渐解决。逐渐解决。NPNNPN晶体管基极与发射极之间存在晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻体区短路电阻，P P形体区的横形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对向空穴电流会在该电阻上
87、产生压降，相当于对J J3 3结施加正偏压，一结施加正偏压，一旦旦J J3 3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。最大集电极电流最大集电极电流、最大集射极间电压最大集射极间电压和和最大集电极功耗最大集电极功耗确定。确定。2.7.4IGBT的主要参数962.82.8 GTO GTO、GTRGTR、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT驱动与保护驱动与保护2.8.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述2.8.2 典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路2.8.3 电力电子器件的保护电力电子器件的保护97使
88、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，缩缩短短开开关关时时间间，减减小开关损耗。小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。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
89、关关断断控控制制信信号。号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口主电路与控制电路之间的接口2.8.1电力电子器件驱动电路概述98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气气隔隔离离环节，一般采用光隔离或磁隔离。环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用由发光二极管和光敏晶体管组成的光隔离一般采用由发光二极管和光敏晶体管组成的光耦合器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图图2-36光耦合器的类型及接法光耦合器的类型及接法a)普通型普通型b)高速型高速型c)高传输比型高传输比型2.8.1电力电子器件驱动电路概述99按照驱动
90、信号的性质分，可分为按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型电流驱动型和和电压驱动型电压驱动型。按开关信号频率，可分为低频信号驱动型和高频信号驱动型按开关信号频率，可分为低频信号驱动型和高频信号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立立元元件件的的，但但目目前前的的趋趋势势是是采采用用专专用用集成驱动电路集成驱动电路。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内的的混混合合集集成电路。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门开开发发的的集集成驱动电路。成驱动电路。分类分类2.8.1电力电
91、子器件驱动电路概述1002.8.2典型全控型器件的驱动电路(1)GTOGTOGTO的的开开通通控控制制与与普普通通晶晶闸闸管管相相似似。但但对对触触发发前前沿沿的的幅幅值值和和陡陡度度的的要要求求高高 , ,且且一一般般需需要要在在整整个个导导通通期期间间施施加正门极电流加正门极电流 GTOGTO关关断断控控制制需需施施加加负负门门极极电电流流。对对其其幅幅值值和和陡陡度度的的要要求求更更高高，幅幅值值需需达达阳阳极极电电流流的的1/31/3左左右右，陡陡度度需需达达50A/s 50A/s , , 强强负负脉脉冲冲宽宽度度约约 30s30s，负负脉脉冲冲总总宽宽约约10s 10s , ,关关断
92、断后后还还应应在在门门阴阴极极施施加加约约 5V 5V 的的负负偏偏压压，以以提高抗干扰能力提高抗干扰能力 图图2-37 2-37 推荐的推荐的GTOGTO门极电压电流波形门极电压电流波形1)电流驱动型器件的驱动电路电流驱动型器件的驱动电路GTOGTO驱驱动动电电路路通通常常包包括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和门门极极反反偏偏电电路路三三部部分分，可可分分为为脉脉冲冲变变压压器器耦合式耦合式和和直接耦合式直接耦合式两种类型。两种类型。101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生振振荡荡，可可得得到到较较陡陡的的
93、脉脉冲前沿。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。图图2-38 2-38 典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTOGTO驱动电路驱动电路 该该电电路路的的电电源源由由高高频频电电源源经经二二极极管管整整流流后后提提供供，二二极极管管VD1VD1和和电电容容 C1 C1 提提供供 +5V +5V 电电压压，VD2VD2、VD3VD3、C2C2、 C3 C3 构构成成倍倍压压整整流流电电路路提提供供15V 15V 电电压压，VD4 VD4 和和电电容容 C4 C4 提提供供 15V 15V 电电压压。场场效效应应管管 Vl Vl 开开通通时时，输输出出正正强
94、强脉脉冲冲；V2 V2 开开通通时时输输出出正正脉脉冲冲平平顶顶部部分分；V2 V2 关关断断而而 V3 V3 开开通通时时输输出出负负脉脉冲冲；V3 V3 关关断断后后电电阻阻 R3 R3 和和R4 R4 提提供供门门极极负负偏偏压。压。2.8.2典型全控型器件的驱动电路102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大区区和和深深饱饱和区。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。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
95、一一定幅值（定幅值（6V6V左右）的负偏压。左右）的负偏压。驱驱动动电电流流的的前前沿沿上上升升时时间间应应小小于于1s1s，以保证能快速开通和关断。，以保证能快速开通和关断。tOib图图2-39理想的理想的GTR基极基极驱动电流波形驱动电流波形(2)GTR2.8.2典型全控型器件的驱动电路103GTRGTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。图图2-40GTR的一种驱动电路的一种驱动电路二二极极管管VDVD2 2和和电电位位补补偿偿二二极极管管VDVD3 3构构成成贝贝克克箝箝位位电电路路，也也即即一一种种抗抗饱饱和和电电路路
96、，负负载载较较轻轻时时，如如V V5 5发发射射极极电电流流全全注注入入V V，会会使使V V过过饱饱和和。有有了了贝贝克克箝箝位位电电路路，当当V V过过饱饱和和使使得得集集电电极极电电位位低低于于基基极极电电位位时时，VDVD2 2会会自自动动导导通通，使使多多余余的的驱驱动动电电流流流入集电极，维持流入集电极，维持U Ubcbc00。 C C2 2为为加加速速开开通通过过程程的的电电容容。开开通通时时，R R5 5被被C C2 2短短路路。可可实实现现驱驱动动电电流流的的过过冲冲，并增加前沿的陡度，加快开通。并增加前沿的陡度，加快开通。2.8.2典型全控型器件的驱动电路104电力电力MO
97、SFETMOSFET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1015V1015V，使使IGBTIGBT开开通通的的驱驱动动电压一般电压一般15 20V15 20V。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 -15V-15V）有有利于减小关断时间和关断损耗。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
98、电路电压驱动型器件的驱动电路2.8.2典型全控型器件的驱动电路105(1)电力电力MOSFETMOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路：电气隔离电气隔离和和晶体管放大电路晶体管放大电路两部分两部分图图2-40电力电力MOSFET的一种驱动电路的一种驱动电路无输入信号时高速放大器无输入信号时高速放大器A A输出负电平输出负电平,V,V3 3导通输出负驱动电压。导通输出负驱动电压。 当有输入信号时当有输入信号时A A输出正电平，输出正电平，V V2 2导通输出正驱动电压导通输出正驱动电压 专专为为驱驱动动电电力力MOSFETMOSFET而而设设计计的的混混合合集集成成电电路路有有三三菱菱公公司司的
99、的M57918LM57918L，其其输输入入信信号号电电流流幅幅值值为为16mA16mA，输输出出最最大大脉脉冲冲电电流流为为+2A+2A和和-3A-3A，输输出出驱驱动动电电压压+15V+15V和和-10V-10V。2.8.2典型全控型器件的驱动电路106(2)IGBT的驱动的驱动图图2-41M57962L型型IGBT驱动器的原理和接线图驱动器的原理和接线图常常用用的的有有三三菱菱公公司司的的M579系系列列（如如M57962L和和M57959L）和和富富士士公公司司的的EXB系列（如系列（如EXB840、EXB841、EXB850和和EXB851）。）。内内部部具具有有退退饱饱和和检检测测
100、和和保保护护环环节节，当当发发生生过过电电流流时时能能快快速速响响应应但但慢慢速速关关断断IGBT，并向外部电路给出故障信号。，并向外部电路给出故障信号。M57962L输出的正驱动电压均为输出的正驱动电压均为+15V左右，负驱动电压为左右，负驱动电压为-10V。多采用专用的混合集成驱动器多采用专用的混合集成驱动器。2.8.2典型全控型器件的驱动电路1071)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外因过电压：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：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：由雷击引起：由雷击引起内因过电
101、压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程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，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器件件两两端端感感应应出过电压。出过电压。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低而而由由线线路电感在器件两端感应出的过电压路电感在器件两端感应出的过电压。电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压2.8.3电力电子器件器件的保护108过电压保护措施过电压保护措施图图2-4
102、22-42过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置F F避雷器避雷器D D变压器静电屏蔽层变压器静电屏蔽层C C静电感应过电压抑制电容静电感应过电压抑制电容RCRC1 1阀侧浪涌过电压抑制用阀侧浪涌过电压抑制用RCRC电路电路RCRC2 2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RCRC电路电路RVRV压敏电阻过电压抑制器压敏电阻过电压抑制器RCRC3 3阀器件换相过电压抑制用阀器件换相过电压抑制用RCRC电路电路RCRC4 4直流侧直流侧RCRC抑制电路抑制电路RCDRCD阀器件关断过电压抑制用阀器件关断过电压抑制用RCDRCD电路电路电力电子装置可视具体情况只采
103、用其中的几种。电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中其中RC3和和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。冲电路范畴。2.8.3电力电子器件器件的保护1092) 过电流保护过电流过电流过载过载和和短路短路两种情况两种情况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。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
104、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。继电器整定在过载时动作。图图2-43过电流保护措施及配置位置过电流保护措施及配置位置2.8.3电力电子器件器件的保护110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
105、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：快熔对器件的保护方式：全保护全保护和和短路保护短路保护两种两种2.8.3电力电子器件器件的保护111图图2-44电力电子器件分类电力电子器件分类“树树”本章小结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、基基本特性和主要参数等。本特性和主要参数等。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、保护。保护。电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳单极型：电力单极型：电力MOSFETMOSFET和和SITSIT双极型：电力二极管、晶闸双极型：电力二极管、晶闸管、管、GTOGTO、GTRGTR和和SITHSITH 复合型：复合型：IGBTIGBT和和MCTMCT
