電力電子技術(shù)--第一章

1、1.1 1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 1.2 1.2 電力二極管電力二極管 1.3 1.3 晶閘管晶閘管 1.4 1.4 全控型電力電子器件全控型電力電子器件 1.5 1.5 電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動1.6 1.6 電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的保護(hù)第第1章章 電力電子器件與保護(hù)電力電子器件與保護(hù)1.1 電力電子器件概述電力電子器件概述 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 1.1.2 電力電子器件組成的應(yīng)用系統(tǒng)電力電子器件組成的應(yīng)用系統(tǒng) 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特

2、征電力電子器件電力電子器件1.概念概念1）主電路（）主電路（Power Circuit） -在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。2）電力電子器件（）電力電子器件（Power Electronic Device） -可以直接用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。2.分類分類 R 不可控器件（電力二極管等）不可控器件（電力二極管等）R 半控型器件（普通晶閘管半控型器件（普通晶閘管SCR等）等）R 全控型器件（全控型器件（GTR,GTO,IGBT,Power MOSFET等）等）能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀

3、態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。3.3.同處理信息的電子器件相比的一般特征：同處理信息的電子器件相比的一般特征：1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子電力電子器件的損耗器件的損耗通態(tài)損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損開關(guān)損耗耗驅(qū)動損耗驅(qū)動損耗開通損耗開通損耗關(guān)斷損耗關(guān)斷損耗1.1.1 1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征1.1.2 1.1.2 電力電子器件組成的應(yīng)用系統(tǒng)電力電子器件組成的應(yīng)用系統(tǒng)u 電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是電力電子器件在實際應(yīng)用中，一般是由

4、控制電路、驅(qū)動電路、檢測電路和以電由控制電路、驅(qū)動電路、檢測電路和以電力電子器件為核心的主電路構(gòu)成的一個完力電子器件為核心的主電路構(gòu)成的一個完整的系統(tǒng)。整的系統(tǒng)。 1.1.2 1.1.2 電力電子器件組成的應(yīng)用系統(tǒng)電力電子器件組成的應(yīng)用系統(tǒng)u 我們通常將電力電子系統(tǒng)簡單的分我們通常將電力電子系統(tǒng)簡單的分為主電為主電路和控制電路。路和控制電路。主電路中的電壓和電流都較主電路中的電壓和電流都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動電路與主電路的連接處；檢測電路上，如驅(qū)

5、動電路與主電路的連接處；檢測電路與主電路的連接處，一般都需要進(jìn)行電氣隔離，與主電路的連接處，一般都需要進(jìn)行電氣隔離，通常采用光電轉(zhuǎn)換、磁電轉(zhuǎn)換等技術(shù)手段通常采用光電轉(zhuǎn)換、磁電轉(zhuǎn)換等技術(shù)手段來傳遞信號。來傳遞信號。電力電子系統(tǒng)：由電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制電路、驅(qū)動電路驅(qū)動電路、保護(hù)電路保護(hù)電路 和以和以 電力電子器件為核心的電力電子器件為核心的主電路主電路組成。組成?？刂齐娐窓z測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路控制電路控制電路電氣隔離電氣隔離 在主在主電路和控電路和控制電路中制電路中附加一些附加一些電路，以電路，以保證電力保證電力電子器件電子器件和整個系和整個系統(tǒng)正常可統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行。

6、靠運(yùn)行。1.1.2 1.1.2 電力電子器件組成的應(yīng)用系統(tǒng)電力電子器件組成的應(yīng)用系統(tǒng)1.1.3 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照電力電子器件能夠被控制所實現(xiàn)控制的程度按照電力電子器件能夠被控制所實現(xiàn)控制的程度分為下列三類：分為下列三類：不可控器件不可控器件(Power Diode)(Power Diode) -不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需 要驅(qū)動電路。 半控型器件（半控型器件（ThyristorThyristor） -通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET)IGBT,MOSFET) -通過控制信號既可控制其導(dǎo)通

7、又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的信號的性質(zhì)，我們又可以將電力電子器件之間的信號的性質(zhì)，我們又可以將電力電子器件分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類：分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類：v電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 -通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo) 通或者 關(guān)斷的控制。v電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 -僅通過在控制端和公共端之間施加一定的 電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1.3 1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類1.2 1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管1.2.1 電力二極管的工作原理電

8、力二極管的工作原理1.2.2 電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的基本特性與參數(shù) 一、電力二極管的伏安特性一、電力二極管的伏安特性 二、電力二極管的開關(guān)特性二、電力二極管的開關(guān)特性 三、電力二極管的主要參數(shù)三、電力二極管的主要參數(shù)1.2.1 1.2.1 電力二極管的工作原理電力二極管的工作原理 基本結(jié)構(gòu)和工作基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子原理與信息電子電路中的二極管電路中的二極管是一樣的。是一樣的。 由一個面積較大由一個面積較大的的PN結(jié)和兩端引結(jié)和兩端引線以及封裝外殼線以及封裝外殼組成。組成。 從外形上看，主從外形上看，主要有螺栓型和平要有螺栓型和平板型兩種封裝。板型兩種封裝。圖圖1-2 1

9、-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號 a) a) 外形外形 b) b) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) c) c) 電氣電氣圖形符號 PN PN結(jié)的狀態(tài)結(jié)的狀態(tài) 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)1.2.1 1.2.1 電力二極管的工作原理電力二極管的工作原理1.2.1 1.2.1 電力二極管的工作原理電力二極管的工作原理 二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)p 雪崩擊穿p 齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿( (永久性擊穿）永久性擊穿） 電力二極管與信息電子電路中的

10、電力二極管與信息電子電路中的 普通二極管普通二極管 的區(qū)別的區(qū)別 u 由于電力二極管正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，而且其引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；再加上其承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會有較大的影響。此外，為了提高器件的反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。 1.2.1 1.2.1 電力二極管的工作原理電力二極管的工作原理1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的基本特性與參數(shù)一、靜態(tài)特性（伏安特性）一、靜態(tài)特性（伏安特性）圖1-3 電力二極管的伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向

11、電流I IF F開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。 與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降正向電壓降U UF F 。承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流反向漏電流I IRRRR。反向擊穿電壓反向擊穿電壓U UB B1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的基本特性與參數(shù)二、二、 動態(tài)特性動態(tài)特性 （開關(guān)特性）（開關(guān)特性）延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPd

12、iFdtdiRdtb)UFPuiiFuFtfrt02V圖1-4 電力二極管的動態(tài)過程波形 （a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 （b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置電力二極管的電壓電力二極管的電壓- -電流特性電流特性是隨時間變化的是隨時間變化的 關(guān)斷過程關(guān)斷過程v須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。v關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。 開通過程開通過程：v正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。v正向恢復(fù)時間tfr。v電流上升率越大，UFP越高 。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdi

13、Rdt圖1-4(a)關(guān)斷過程UFPuiiFuFtfrt02V圖1-4(b)開通過程1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的應(yīng)用范圍很廣，我們主要常見電力二極管的應(yīng)用范圍很廣，我們主要常見的有以下幾種類型。的有以下幾種類型。普通二極管 普通二極管又稱為整流二極管（Rectifier Diode）常用于開關(guān)頻率在1KHz以下的整流電路中，其反向恢復(fù)時間在5s以上，額定電流可達(dá)數(shù)千安培，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的基本特性與參數(shù)1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的基本特性

14、與參數(shù)快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 反向恢復(fù)時間在5s以下的稱為快恢復(fù)二極管（Fast Recovrery Diode簡稱為FRD）?？旎謴?fù)二極管從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)二極管。前者反向恢復(fù)時間為數(shù)ns以上，后者的反向恢復(fù)時間則在100ns以下，多用于高頻整流和逆變電路中。肖特基二極管肖特基二極管 反向恢復(fù)時間為1040ns，反向耐壓在200V以下。多用于高頻小功率整流或高頻控制電路。三、電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù) 1 1、額定正向平均電流、額定正向平均電流I IF(AV)F(AV) 器件長期運(yùn)行在規(guī)定管殼溫度和散熱條件下允許流過器件長期運(yùn)行在規(guī)定管殼溫度和散熱條件下允許流

15、過的最大工頻正弦半波電流的平均值。的最大工頻正弦半波電流的平均值。I IF(AV)F(AV)是按照電流的發(fā)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。2 2、正向壓降、正向壓降U UF F 指規(guī)定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時，器件兩端的指規(guī)定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時，器件兩端的正向平均電壓（又稱管壓降）。正向平均電壓（又稱管壓降）。1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的基本特性與參數(shù) 3 3、反向重復(fù)峰值電壓、反向重復(fù)峰值電壓U URRMRR

16、M 指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）。此電壓通常為擊穿電壓的壓）。此電壓通常為擊穿電壓的2/32/3。使用中通常按照。使用中通常按照電路中電力二極管可能承受的反向峰值電壓的兩倍來選電路中電力二極管可能承受的反向峰值電壓的兩倍來選定此項參數(shù)。定此項參數(shù)。 4 4、反向漏電流、反向漏電流I IRRRR 指器件對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時的反向電流。指器件對應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時的反向電流。 5 5、最高工作溫度、最高工作溫度T TJMJM 指器件中指器件中PNPN結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高結(jié)不至于損壞的前提下所能承受的最高 平均溫度。平均

17、溫度。TJMTJM通常在通常在125125175175范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。1.2.2 1.2.2 電力二極管的基本特性與參數(shù)電力二極管的基本特性與參數(shù)1.3 半控型器件半控型器件-晶閘管晶閘管 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理 一、晶閘管的結(jié)構(gòu)一、晶閘管的結(jié)構(gòu) 二、晶閘管的工作原理二、晶閘管的工作原理1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參數(shù)晶閘管的基本特性與主要參數(shù) 一、晶閘管的伏安特性一、晶閘管的伏安特性 二、晶閘管的主要特性參數(shù)二、晶閘管的主要特性參數(shù)1.3 半控型器件半控型器件-晶閘管晶閘管 晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon

18、Controlled RectifierSCR），也稱為可控硅，是能夠承受高電壓、大電流的半控型電力電子器件。q 1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。q 1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。q 1958年開始商業(yè)化。q 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新時代。q 20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。q 能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的 場合具有重要地位。1.3 半控型器件半控型器件-晶閘管晶閘管 晶閘管這個名稱往往專指普通晶閘管晶閘管這個名稱往往專指普通晶閘管（SCR），但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。），但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。晶閘管還應(yīng)包括許多類型

19、的派生器件。包晶閘管還應(yīng)包括許多類型的派生器件。包括快速晶閘管（括快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導(dǎo)晶閘管（）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）和光控）和光控晶閘管（晶閘管（LTT）等。在本書中所說的晶閘）等。在本書中所說的晶閘管都是指普通晶閘管。管都是指普通晶閘管。1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理 普通晶閘管也可稱為可控硅整流管（Silicon Controlled Rectifier）簡稱SCR。 耐壓高、電流容量大（目前可以達(dá)到 4.5KA/6.5KV），開通的可控性。 已被廣泛應(yīng)用于可控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域。 是低頻（200H

20、Z以下）、大功率變流裝置中的主要器件。 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理一、晶閘管的結(jié)構(gòu)一、晶閘管的結(jié)構(gòu) 圖圖15 晶閘管的外形及圖形符號晶閘管的外形及圖形符號 圖15（e）圖形符號晶閘管有三個電極，它們分別是陽極A、陰極K和 門極G（或稱為柵極）,圖15（a）小電流 塑封式圖15（d）大電流平板式額定電流在200A以上圖15（c）大電流螺拴式額定電流在200A以上圖15（b）小電流螺拴式按照外形封裝形式可分為1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理 圖圖16 晶閘管所使用的散熱器晶閘管所使用的散熱器 晶閘管是大功率器件，工作時將產(chǎn)生大量的熱量，因此，必

21、須安裝散熱器。螺旋式晶閘管可以緊栓在鋁制散熱器上，采用自然散熱冷卻方式，如圖16（a）所示。平板式晶閘管由兩個彼此絕緣的散熱器緊緊的夾在中間，散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷，以獲得較好的散熱效果，如圖16（b）、（c）所示。1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理二、晶閘管的工作原理二、晶閘管的工作原理 由于通過門極我們可以控制晶閘管的開通；而通過門極我們不能控制晶閘管的關(guān)斷，因此，晶閘管才被我們稱為半控型器件。圖17 晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和等效電路 按照等效電路和晶體管的工作原理，我們可列出如下方程： IC11IAICO1 (11) IC22IKICO2 (12) IKIAIG (1

22、3) IAIC1IC2 (14) 1IC1/IA、2IC2/IK分別是晶體管V1和V2的共基極接法的電流放大倍數(shù)，ICO1和ICO2則分別是V1和V2的共基極漏電流。推出： )(121212COCOGAIIII （1-5） 1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。阻斷狀態(tài)：阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。飽和導(dǎo)通：飽和導(dǎo)通：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實際由外電路決定。1.3.1

23、 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管導(dǎo)通的必要條件是：晶閘管導(dǎo)通的必要條件是：Y 必須在晶閘管的陽極、陰極加上正向電壓。Y 必須在門極和陰極之間加上正向門極電壓，也稱為觸發(fā)電壓。Y 流過晶閘管的陽極電壓IA必須大于晶閘管的維持電流IH。1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參晶閘管的基本特性與主要參數(shù)數(shù)一、晶閘管的伏安特性晶閘管陽極、陰極之間的電壓Ua與陽極電流Ia的關(guān)系，稱為晶閘管的伏安特性。 圖圖18 晶閘管陽極伏安特性晶閘管陽極伏安特性 圖中物理量定義如下：UDRM、URRM-正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（UDRM=0.8UDSM、 URRM=0.8URSM）UDSM、URSM-

24、正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UBO正向轉(zhuǎn)折電壓URO反向轉(zhuǎn)折電壓1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參晶閘管的基本特性與主要參數(shù)數(shù)（1 1）正向特性正向特性l IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。l 正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓UBO，則漏電流急劇增大，器件開通。l 隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。l 晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。l 反向特性和二極管的反向特性極其類似。l 承受反向陽極電壓，呈現(xiàn)反向阻斷狀態(tài)時，只有很小的反相漏電流流過。l 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管永久性發(fā)熱損壞。（2）反向特性反向特性1.3.2 晶閘管的基本特性與

25、主要參數(shù)晶閘管的基本特性與主要參數(shù) 晶閘管就像一個可以控制的單向無觸點開關(guān)。當(dāng)然，這個單向無觸點開關(guān)不是一個理想的開關(guān)，在正向阻斷或反向阻斷時，晶閘管的電阻不是無窮大；正向?qū)〞r，晶閘管的電阻也不為零，因此存在一定的管壓降。1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參晶閘管的基本特性與主要參數(shù)數(shù)二、晶閘管的主要特性參數(shù)二、晶閘管的主要特性參數(shù)1、重復(fù)峰值電壓、重復(fù)峰值電壓額定電壓額定電壓UTe 晶閘管銘牌標(biāo)注的額定電壓，通常取UDRM與URRM中較小的數(shù)值，然后根據(jù)表12所示的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級，標(biāo)定器件的額定電壓等級UTe。表12 晶閘管的正反向電壓等級（額定電壓）級別正反向重復(fù)峰值電壓（V）級別正反向重

26、復(fù)峰值電壓（V）級別正反向重復(fù)峰值電壓（V）1100880020200022009900222200330010100024240044001212002626005500141400282800660016160030300077001818001.3.2 晶閘管的基本特性與主要參晶閘管的基本特性與主要參數(shù)數(shù)2、晶閘管的額定通態(tài)平均電流、晶閘管的額定通態(tài)平均電流IT(AV)額定電流額定電流 在環(huán)境溫度為40和器件規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載，導(dǎo)通角不小于170的單相工頻正弦半波電路中，當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時，所允許的最大通態(tài)平均電流，稱為額定通態(tài)平均電流，用IT(AV)來表示，

27、稱為元件的額定電流。 我們根據(jù)額定電流的定義可知，額定通態(tài)平均電流是指在通以單相工頻正弦半波電流時的最大允許平均電流，設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im，則額定電流（平均電流）為:0mm)(I)(sinI1ttdIAVT（16） 1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參晶閘管的基本特性與主要參數(shù)數(shù) 在實際使用中，流過晶閘管的電流波形、導(dǎo)通角并不是一定的，各種含有直流分量的電流波形都有一個不同的電流平均值（一個周期內(nèi)波形面積的平均值），也都有一個電流有效值（均方根值）。我們定義電流波形的有效值與平均值之比為這個電流的波形系數(shù)，用Kf來表示：電流平均值電流有效值fK（18）額定電流有效值為： 2I)()si

28、n(I21m02mtdtIT（17）1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參數(shù)晶閘管的基本特性與主要參數(shù)3、門極觸發(fā)電流、門極觸發(fā)電流IGT和門極觸發(fā)電壓和門極觸發(fā)電壓UGT（門極伏安特性）（門極伏安特性） 在室溫下在晶閘管的陽極和陰極之間加上6V的正向電壓時，能使晶閘管由阻斷狀態(tài)完全導(dǎo)通所必須的最小門極電流，稱為門極觸發(fā)電流IGT。對應(yīng)于門極觸發(fā)電流的門極電壓，稱為門極觸發(fā)電壓UGT。門極的觸發(fā)電流、觸發(fā)電壓的大小必須有一定的范圍限制。如圖19所示： 圖19 晶閘管的門極伏安特性 （a）門極伏安特性 （b）不可靠觸發(fā)區(qū)放大圖1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參數(shù)晶閘管的基本特性與主要參數(shù)4、通態(tài)

29、平均電壓、通態(tài)平均電壓UT(AV) 在規(guī)定的環(huán)境溫度、標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，器件流過正弦半波額定電流時，陽極與陰極之間電壓降的平均值，稱為通態(tài)平均電壓UT(AV)（又稱為管壓降），UT(AV)愈小愈好，其等級標(biāo)準(zhǔn)見表14。在實際使用中，從減小損耗和器件發(fā)熱來看，應(yīng)盡可能選擇UT(AV)小的晶閘管。表14 通態(tài)平均電壓的分組組 別通態(tài)平均電壓UT(AV) (V)組 別通態(tài)平均電壓UT(AV) (V)ABCDEUT(AV)0.40.4UT(AV) 0.50.5UT(AV) 0.60.6UT(AV) 0.70.7UT(AV) 0.8FGHI0.8UT(AV) 0.90.9UT(AV) 1.01.0UT(A

30、V) 1.11.1UT(AV) 1.21.3.2 晶閘管的基本特性與主要參數(shù)晶閘管的基本特性與主要參數(shù)5 5、維持電流、維持電流I IH H和掣住電流和掣住電流I IL L維持電流IH 在室溫下且門極開路時，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為維持電流IH。維持電流IH一般約為幾十毫安，同時維持電流與器件的容量、結(jié)溫等因數(shù)有關(guān)，結(jié)溫愈高，維持電流愈小，維持電流大的元件容易關(guān)斷。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下器件的IH的實測值。掣住電流IL 在晶閘管的門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件從阻斷狀態(tài)剛轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤掉觸發(fā)電壓，此時晶閘管要保持繼續(xù)導(dǎo)通所需要的最小陽極電流，稱為掣住電

31、流IL。對同一個晶閘管而言，掣住電流IL要比維持電流IH大24倍。1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參數(shù)晶閘管的基本特性與主要參數(shù)6 6、晶閘管的開通與關(guān)斷時間、晶閘管的開通與關(guān)斷時間 晶閘管作為無觸點開關(guān)，在阻斷與導(dǎo)通兩鐘工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換并不是在瞬間完成的，需要一定的時間。當(dāng)器件工作在開關(guān)頻率較高的場合時，就必須考慮開關(guān)時間的影響。開通時間tgt 從門極觸發(fā)電壓前沿的10到元件陽極電壓下降到10所需的時間，稱為開通時間tgt， 圖110 晶閘管開通過程的電流電壓波形 1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參數(shù)晶閘管的基本特性與主要參數(shù)6、晶閘管的開通與關(guān)斷時間、晶閘管的開通與關(guān)斷時間晶閘管的關(guān)

32、斷時間tq 我們把晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復(fù)正向阻斷能力所需的時間稱為關(guān)斷時間tq。 晶閘管的關(guān)斷時間與元件的結(jié)溫、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加電壓的大小有關(guān)。普通晶閘管的關(guān)斷時間tq約為幾十到幾百微秒。 晶閘管雖然存在著開通與關(guān)斷時間，但在工頻電路中可以不計，在高頻電路中就必須考慮，如果普通晶閘管不能滿足高頻電路的要求，可選用快速晶閘管，因為它的開通時間在1微秒左右，關(guān)斷時間在10微秒以下。1.3.2 晶閘管的基本特性與主要參數(shù)晶閘管的基本特性與主要參數(shù)7 7、通態(tài)電流臨界上升率、通態(tài)電流臨界上升率di/dt 指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。 如果電流

33、上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞8 8、斷態(tài)電壓臨界上升率、斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通 態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。 電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通 。 1.4 全控型電力電子器件全控型電力電子器件1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理二、電力晶體管的特性與參數(shù)二、電力晶體管的特性與參數(shù)1.4 全控型電力電子器件全控型電力電子器件 晶閘管通過控制信號可以控制其導(dǎo)通，而無法控制其關(guān)斷，因此

34、，我們稱其為半控型器件半控型器件。通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷的電力電子器件被稱為全控型全控型器件器件。是當(dāng)前電力電子器件中發(fā)展最快的一類器件，這類器件品種很多，目前常見的有門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）、電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）、結(jié)緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。1.4 全控型電力電子器件全控型電力電子器件 根據(jù)器件內(nèi)部載流子參與導(dǎo)電的種類不同，全控全控型器件又可分為單極型、雙極型和復(fù)合型三類型器件又可分為單極型、雙極型和復(fù)合型三類。器件內(nèi)部只有一種載流子參與導(dǎo)電的稱為單極型，如電力場控晶體管（Power MOSFET）、靜電感應(yīng)晶體管

35、（SIT）等；器件內(nèi)部有電子和空穴兩種載流子導(dǎo)電的稱為雙極型器件，如GTR、GTO、SITH等；由雙極型器件與單極型器件復(fù)合而成的新型器件稱為復(fù)合型器件，如IGBT等。1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 門極可關(guān)斷晶閘管GTO是普通晶閘管的一種派生器件，與晶閘管一樣都是PNPN四層三端結(jié)構(gòu)。其電壓、電流容量較大，與普通晶閘管相近，因而在大功率場合仍有較多的應(yīng)用。 GTO主要用于直流變換和逆變等需要器件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方。 和普通晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)基本一樣，外部仍然是引出陽極、陰極和門極（控制極）。不同的是，GTO是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出三個電極，但內(nèi)部則包含了

36、數(shù)拾個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO單元，這些小GTO單元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）圖圖111 GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a. 各單元的陰極、門極間隔排列 b. 并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖 c. 電氣圖形符號1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） 工作原理工作原理GTO的工作原理仍然可以用圖17所示的互補(bǔ)雙晶體管模型來分析。 圖圖17 晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和等效電路晶閘管的管芯結(jié)構(gòu)和等效電路 P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個互補(bǔ)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益（共基極放大倍數(shù)）1和

37、2。由普通晶閘管的分析可以看出，121是器件臨界導(dǎo)通的條件。 當(dāng)121時，兩個互補(bǔ)晶體管V1、V2進(jìn)入過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)121時，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是因為與普通晶閘管相比有如下特點特點： 設(shè)計器件時2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于控制GTO。 導(dǎo)通時1+2更接近1，導(dǎo)通時接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但是導(dǎo)通時管壓降增大。 多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流。 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTO） GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度

38、較淺。 GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。 多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt能力更強(qiáng) 。u 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：1.4.1 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTOGTO）p GTO和普通晶閘管意義不同的參數(shù)：1、最大可關(guān)斷陽極電流IATO是用來標(biāo)稱GTO額定電流的參數(shù)。2、電流關(guān)斷增益off最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱為電流關(guān)斷增益。即： GTO的off一般很小，這是GTO的一個主要缺點。GMATOoffII（1 9）1.4.1 1.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（GTOGTO）3

39、、開通時間ton是指延遲時間與上升時間之和。GTO的延遲時間一般約12s，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。4、關(guān)斷時間toff一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。 不少GTO都制成逆導(dǎo)型，類似于逆導(dǎo)晶閘管。當(dāng)需要承受反向電壓時，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)使用。1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）v 電力晶體管（Giant Transistor）簡稱GTR，又稱為巨型晶體管。是一種雙極型大功率高耐壓晶體管。因此，也稱為BJT，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個名稱是等效的。v 它具有自關(guān)斷能力、控制方便、開關(guān)時間短、高頻特性好、價格低廉等優(yōu)點。目前GTR的容量已達(dá)40

40、0A/1200V、1000A/400V，工作頻率可達(dá)5kHz，因此被廣泛應(yīng)用于不停電電源、中頻電源和交/直流電機(jī)調(diào)速等電力變流裝置中。1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理 圖112 GTR的結(jié)構(gòu)及電氣符號 NPN三層擴(kuò)散臺面型結(jié)構(gòu)是單管GTR的典型結(jié)構(gòu)。如左圖（a）所示：圖中摻雜濃度高的N區(qū)稱為GTR的發(fā)射區(qū)，E為發(fā)射極。基區(qū)是一個厚度在幾微米至幾十微米之間的P型半導(dǎo)體層薄層，B為基極。集電區(qū)是N型半導(dǎo)體，C為集電極。左圖（c）是GTR的電氣符號。為了提高GTR的耐壓能力，在集電區(qū)中設(shè)置了輕摻雜的N 區(qū)。在兩種不同類型的半導(dǎo)體

41、交界處N+ -P構(gòu)成發(fā)射結(jié)J1, P-N構(gòu)成集電結(jié)J2,如左圖（b）所示。1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）圖113 GTR的開關(guān)電路及輸出特性 一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理一、電力晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理 在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)狀態(tài)，我們希望它在電路中的表現(xiàn)接近于理想開關(guān)-即導(dǎo)通時的管壓降趨近于零，截止時的電流趨近于零，而且兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換過程要足夠快。 1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）二、二、 電力晶體管的特性與參數(shù)電力晶體管的特性與參數(shù)1、GTR的特性與參數(shù) （1）GTR共射極電路輸出特性共射極電路輸出特性 圖114 共射極電路的輸出特性曲線 在共射

42、極接法電路中在共射極接法電路中GTRGTR的集電的集電極電壓極電壓U UCECE與集電極電流與集電極電流I IC C的關(guān)系的關(guān)系曲線稱為輸出特性曲線，如圖曲線稱為輸出特性曲線，如圖1 11414所示。從圖中可以看出，隨著所示。從圖中可以看出，隨著I IB B從小到大的變化，從小到大的變化，GTRGTR經(jīng)過截止區(qū)經(jīng)過截止區(qū)（又稱為阻斷區(qū)）、線形放大區(qū)、（又稱為阻斷區(qū)）、線形放大區(qū)、準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個區(qū)域。在準(zhǔn)飽和區(qū)和深飽和區(qū)四個區(qū)域。在截止區(qū)類似于開關(guān)的斷態(tài)；工作在截止區(qū)類似于開關(guān)的斷態(tài)；工作在開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)狀態(tài)的GTRGTR應(yīng)避免工作在線形應(yīng)避免工作在線形區(qū)以防止大功率損壞區(qū)以防止大功率損

43、壞GTRGTR；隨著；隨著I IB B的增大，的增大，GTRGTR進(jìn)入準(zhǔn)飽和區(qū)，進(jìn)入準(zhǔn)飽和區(qū)，I IC C與與I IB B之間不再呈線形關(guān)系；在深飽和之間不再呈線形關(guān)系；在深飽和區(qū)，區(qū)，I IB B變化時，變化時，I IC C不再改變；管壓不再改變；管壓降降U UCESCES很小，類似于開關(guān)的通態(tài)。很小，類似于開關(guān)的通態(tài)。1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）二、二、 電力晶體管的特性與參數(shù)電力晶體管的特性與參數(shù)1、GTR的特性與參數(shù)(2)GTR的主要參數(shù) 電壓定額集電極、基極擊穿電壓BUCBO：發(fā)射極開路時，集基極所能承受的最高電壓。集電極、發(fā)射極擊穿電壓BUCEO：基極開路時，集射極

44、所能承受的最高電壓。電流定額集電極電流最大值ICM：一般以值下降到額定值的1213時的IC值定為ICM?；鶚O電流最大值IBM：規(guī)定為內(nèi)引線允許通過的最大電流，通常取IBM（1/21/6）ICM。最高結(jié)溫TjM：GTR的最高結(jié)溫與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量有關(guān)。一般情況下，塑封硅管TjM為125150，金封硅管TjM為150170，高可靠平面管TjM為175200。1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）二、二、 電力晶體管的特性與參數(shù)電力晶體管的特性與參數(shù)1、GTR的特性與參數(shù)(2)GTR的主要參數(shù)最大耗散功率P PCMCM：即GTR在最高結(jié)溫時所對應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工

45、作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能使管溫升高，在使用中要特別注意GTR的散熱。如果散熱條件不好，GTR會因溫度過高而迅速損壞。共射直流電流增益：=IC/IB表示GTR的電流放大能力。高壓大功率GTR(單管)一般10。飽和壓降U UCESCES：GTR工作在深飽和區(qū)時，集射極間的電壓值。圖115為GTR的飽和壓降特性曲線。由圖可知，UCES隨IC增加而增加，在IC不變時，UCES隨管殼溫度Tc的增加而增加。圖115 GTR的飽和壓降特性曲線1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）二、二、 電力晶體管的特性與參數(shù)電力晶體管的特性與參數(shù)1、GTR的特性與參數(shù)(2)GTR的主要參數(shù)

46、動態(tài)參數(shù)圖116 GTR開關(guān)過程電流波形 開通過程開通過程延遲時間t td d和上升時間t tr r，二者之和為開通時間開通時間t tonon。加快開通過程的辦法 。關(guān)斷過程關(guān)斷過程儲存時間t ts s和下降時間t tf f，二者之和為關(guān)斷時間關(guān)斷時間t toffoff 。加快關(guān)斷速度的辦法。GTR的開關(guān)時間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多 。1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）二、二、 電力晶體管的特性與參數(shù)電力晶體管的特性與參數(shù)2二次擊穿和安全工作區(qū)(1) 二次擊穿 處于工作狀態(tài)的GTRGTR，當(dāng)其集電極反偏電壓U UCECE逐漸增大到最大電壓定額BUBUCEOCEO時，集電

47、極電流I IC C 急劇增大(雪崩擊穿)，但此時集電結(jié)的電壓基本保持不變，這叫做一次擊穿，如圖117所示。 圖117 GTR的二次擊穿示意圖 如果繼續(xù)增大U UCECE，又不限制I IC C的增長，就會產(chǎn)生二次擊穿。A點對應(yīng)的電壓U USBSB和電流I ISBSB稱為二次擊穿的臨界電壓和臨界電流，其乘積 P PSB SB = U= USBSBI ISBSB稱為二次擊穿的臨界功率。二次擊穿的時間在納秒甚至微秒數(shù)量級內(nèi)，將會造成GTR永久性損壞。1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）二、二、 電力晶體管的特性與參數(shù)電力晶體管的特性與參數(shù)2、二次擊穿和安全工作區(qū)(1) 二次擊穿 把不同IB下二

48、次擊穿的臨界點聯(lián)接起來就形成二次擊穿臨界線，如圖118所示。從圖中可知PSB越大，越不容易發(fā)生二次擊穿。值得注意的是，GTR發(fā)生二次擊穿損壞，必須同時具備三個條件：高電壓、大電流和持續(xù)時間。 圖118 二次擊穿臨界曲線 一般來說，工作在正常開關(guān)狀態(tài)的GTR是不會發(fā)生二次擊穿現(xiàn)象的。 1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）二、二、 電力晶體管的特性與參數(shù)電力晶體管的特性與參數(shù)2、二次擊穿和安全工作區(qū)(2)安全工作區(qū) 安全工作區(qū)SOA(Safe Operation Area)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運(yùn)行的電流電壓的極限范圍。按基極偏置分類可分為正偏安全工作區(qū)FBSOA和反偏安全工

49、作區(qū)RBSOA。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)FBSOAFBSOA 正偏安全工作區(qū)又叫開通安全工作區(qū)，它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域，如圖119所示。圖119 GTR的正偏工作區(qū)（FBSOA） 1.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）二、二、 電力晶體管的特性與參數(shù)電力晶體管的特性與參數(shù)2、二次擊穿和安全工作區(qū)(2)安全工作區(qū) 反偏安全工作區(qū)RBSOA 反偏安全工作區(qū)又稱為GTR的關(guān)斷安全工作區(qū)。它表示在反向偏置狀態(tài)下GTR關(guān)斷過程中電壓UCE、電流Ic限制界線所圍

50、成的區(qū)域，如圖120所示。從圖中可以看出RBSOA隨基極反向電流的增大而變窄。另外RBSOA還受結(jié)溫的影響，如果配給GTR的散熱器質(zhì)量不佳，RBSOA會縮小。 圖120 GTR的反偏工作區(qū)（RBSOA） 1.4.3 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Insulated Gate Bipolar TransistorTransistor）簡稱為）簡稱為IGBTIGBT，因為它的等效結(jié)構(gòu)具有晶體管模，因為它的等效結(jié)構(gòu)具有晶體管模式，所以稱為絕緣柵雙極型晶體管。式，所以稱為絕緣柵雙極型晶體管。IG

51、BTIGBT于于19821982年開始研制，年開始研制，19861986年投入生產(chǎn)，是當(dāng)前發(fā)展最快而且最有前途的一種混合年投入生產(chǎn)，是當(dāng)前發(fā)展最快而且最有前途的一種混合型器件。目前型器件。目前IGBTIGBT的產(chǎn)品已經(jīng)系列化，其最大電流容量達(dá)的產(chǎn)品已經(jīng)系列化，其最大電流容量達(dá)1800A1800A，最高電壓等級達(dá)，最高電壓等級達(dá)4500V4500V，工作頻率達(dá)，工作頻率達(dá)50KHz50KHz。IGBTIGBT綜綜合了合了MOSFETMOSFET和和GTRGTR的優(yōu)點，其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的優(yōu)點，其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格MOSFETMOSFET的的1/101/10，開關(guān)時間是同容量，開關(guān)時間是

52、同容量GTRGTR的的1/101/10。在電機(jī)拖動。在電機(jī)拖動控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其他高速低耗的中、小控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其他高速低耗的中、小功率領(lǐng)域，功率領(lǐng)域，IGBTIGBT大有取代大有取代GTRGTR和和MOSFETMOSFET的趨勢。的趨勢。 1.4.3 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）一、一、IGBTIGBT的工作原理的工作原理圖121 IGBT的結(jié)構(gòu)、等效電路及電氣符號 在實際應(yīng)用電路中IGBT的集電極C接電源正極，發(fā)射極E接電源負(fù)極，它的導(dǎo)通和關(guān)斷由柵極電壓來控制。 1.4.3 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）二、二、I

53、GBTIGBT的基本特性與參數(shù)的基本特性與參數(shù)1 1、IGBTIGBT的基本特性的基本特性 圖122 IGBT的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線 與與GTRGTR一樣，一樣，IGBTIGBT的伏安特性的伏安特性也分為截止區(qū)、也分為截止區(qū)、有源放大區(qū)、飽有源放大區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。和區(qū)和擊穿區(qū)。值得我們注意的值得我們注意的是，是，IGBTIGBT承受反承受反向電壓的能力很向電壓的能力很差，從圖差，從圖1 12222中可知，其反向中可知，其反向阻斷電壓阻斷電壓U UBMBM只有只有幾十伏，因此，幾十伏，因此，大大的限制了它大大的限制了它在高反壓場合的在高反壓場合的應(yīng)用。應(yīng)用。 1.4.3 絕緣柵雙極型晶體管

54、（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）二、二、IGBTIGBT的基本特性與參數(shù)的基本特性與參數(shù) 2 2IGBTIGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) （1 1）集射極擊穿電）集射極擊穿電壓壓U UCESCES 集射極擊穿電壓UCES即為IGBT的最高工作電壓，它取決于IGBT內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓的大小。 （2 2）開啟電壓）開啟電壓U UGE(TH)GE(TH)和最大和最大柵射極電壓柵射極電壓U UGESGES 開啟電壓UGE(TH)是IGBT導(dǎo)通所需的最低柵射極電壓，即轉(zhuǎn)移特性與橫坐標(biāo)的交點電壓。在25時，IGBT的開啟電壓一般為26V。由于IGBT的驅(qū)動為MOSFET，應(yīng)將最大柵射極電壓U

55、GES限制在20V以內(nèi)，其最佳值一般取15V左右。 1.4.3 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）二、二、IGBTIGBT的基本特性與參數(shù)的基本特性與參數(shù) 2 2IGBTIGBT的主要參數(shù)的主要參數(shù) （3）通態(tài)壓降UCE(ON) 通態(tài)壓降UCE(ON)是指IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)時集射極間的導(dǎo)通壓降。它決定了IGBT的通態(tài)損耗，此值越小，管子的功率損耗越小。富士公司IGBT模塊的UCE(ON)值約為2.53.5V。（4）集電極連續(xù)電流IC和峰值電流ICM IGBT集電極允許流過的最大連續(xù)電流IC為IGBT的額定電流。IC的大小主要取決于結(jié)溫的限制。為了防止電流鎖定效應(yīng)的出現(xiàn)，IGB

56、T也規(guī)定了最大集電極電流峰值ICM。一般情況下峰值電流為額定電流的2倍左右。 1.4.4 1.4.4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 一、一、MOSMOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMCT MCT(MOS Controlled Thyristor)是將MOSFET與晶閘管組 合而成的復(fù)合型器件。 MCT將MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點結(jié)合起來。 一個MCT器件由數(shù)以萬計的MCT元組成，每個元的組成為：一個PNPN晶閘管，一個控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFET。 MCT具有高電壓、大電流、高載

57、流密度、低通態(tài)壓降的特點。其通態(tài)壓降只有GTR的13左右。 MCT可承受極高的didt和dudt，使得其保護(hù)電路可以簡化。MCT的開關(guān)速度超過GTR，開關(guān)損耗也較小。 1.4.4 1.4.4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 二、靜電感應(yīng)晶體管二、靜電感應(yīng)晶體管SITSIT SIT(Static Induction Transistor)誕生于1970年，實際上是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管。SIT是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，功率容量也比電力MOSFET大，適用于高頻大功率場合，但是SIT在柵極不加任何信號時是導(dǎo)通的，柵極加負(fù)偏壓時關(guān)斷，這被稱為正常導(dǎo)通型器件。此外

58、，SIT通態(tài)電阻較大，使得通態(tài)損耗較大。三、靜電感應(yīng)晶閘管三、靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH SITH(Static Induction Thyristor)誕生于1972年，是在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到的。SITH又被稱為場控晶閘管(Field Controlled Thyristor FCT)。具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開關(guān)速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常導(dǎo)通型，但也有正常關(guān)斷型。 1.4.4 1.4.4 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件 四、集成門極換流晶閘管四、集成門極換流

59、晶閘管IGCT IGCT(Integrated Gate-Commutated Thyristor)也稱為GCT(Gate-Conunutat- ed Thyristor)，即門極換流晶閘管，是20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)的新型電力電子器件。IGCT將IGBT與GTO的優(yōu)點結(jié)合起來，其容量與GTO相當(dāng)，但開關(guān)速度比GTO快10倍，而且可以省去GTO應(yīng)用時龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過其所需的驅(qū)動功率仍然很大。目前，IGCT正在與IGBT以及其他新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的應(yīng)用。五、功率模塊與功率集成電路五、功率模塊與功率集成電路 按照典型電力電子電路所需要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多個相同

60、的電力電子器件或多個相互配合使用的不同電力電子器件封裝在一個模塊中，這種模塊被稱為功率模塊(Power Module)，如果將電力電子器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，則稱為功率集成電路(Power Integrated CircuitPIC)。1.5 1.5 電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動 電力電子器件的驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán)節(jié)，對整個裝置的工作性能有很大的影響。 1.5.1 1.5.1 電力電子器件驅(qū)動電路概述電力電子器件驅(qū)動電路概述1、驅(qū)動電路的基本任務(wù)，就是將信息電子電路傳來的信號，轉(zhuǎn)換為電力電