第二章電力電子器件

第二章電力電子器件引言第一節(jié)功率二極管第二節(jié)晶閘管及其派生器件第三節(jié)可關斷晶閘管第四節(jié)雙極型功率晶體管第五節(jié)功率場效應管第六節(jié)絕緣柵雙極型功率晶體管第七節(jié)集成門極換流晶閘管IGCT第八節(jié)功率集成電路第九節(jié)電力電子器件的串并聯第十節(jié)電力電子器件的保護驅動電路小結1引言電力半導體器件是現代電力電子設備的核心。它們以開關陣列的形式應用于電力變流器中,把相同頻率或不同頻率的電能進行交-直(整流器)、直-直(斬波器)、直-交(逆變器)和交-交變換。開關模式的電力電子變換具有較高的效率,不足之處是由于開關的非線性而同時在電源端和負載端產生諧波。開關不是理想的,它們都具有導通和開關損耗。2變流器廣泛用于加熱和照明控制、交直流電源、電化學處理、直流和交流傳動、靜態(tài)無功功率(VAR)產生、有源濾波之類的應用中。雖然電力電子設備中的電力半導體器件的價格幾乎不超過20%~30%,但是整臺設備的價格和性能在很大程度上受到這些器件特性的影響。3要設計出高效、可靠、性價比高的系統,設計師必須對這些器件及其特性有深入的了解?，F代電力電子技術基本上是隨著電力半導體器件的發(fā)展而發(fā)展起來的。微電子領域的發(fā)展對電力半導體器件的材料、加工、制造、封裝、建模和仿真等方面產生了巨大的影響。4今天的電力半導體器件幾乎完全是建立在半導體材料的基礎上的,它們可以歸為以下幾類:1)二極管;2)晶閘管(SCR)及派生器件;3)電力晶體管(GTR)；4)門極關斷晶閘管(GTO)；5)電力MOSFET;6)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT);7)集成門極換流晶閘管(IGCT)以及其它功率半導體器件等。5第一節(jié)功率二極管1一、功率二極管工作原理和靜態(tài)伏安特性2二、功率二極管的動態(tài)特性3三、功率二極管的參數4四、功率二極管的主要類型6功率二極管(Powerdiode)從20世紀50年代初期就獲得應用。雖然是不可控器件，但其結構簡單，工作可靠，因而直到現在功率二極管仍然大量用于許多電氣設備當中。目前已形成普通整流管、快恢復整流管和肖特基整流管等三種主要類型。特別是快恢復二極管和肖特基二極管，仍分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。7一、功率二極管工作原理和靜態(tài)伏安特性

典型的正向導通壓降是1.0V。該壓降會引起導通損耗,因此必須用適當的散熱片對器件進行冷卻以限制結溫。如果反向電壓超過一個閥值,器件就會發(fā)生雪崩式的擊穿,這時反向電流變大,二極管由于結內的大量功率損耗而過熱毀壞,這個闕值稱為擊穿電壓。圖2-1a)功率二極管符號b)伏安特性c)理想特性比較其工作時的電壓和電流的變化，我們可以得到它的理想伏安特性，如圖2-1c)所示。由于功率二極管的導通速度相對電力電路的暫態(tài)變化過程來說要快得多，因此，可把功率二極管看成理想開關。

8二、功率二極管的動態(tài)特性開關特性

反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉換過程須經過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。

在關斷之前有較大的反向電流出現，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。動態(tài)特性因結電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉換必然有一個過渡過程，此過程中的電壓—電流特性是隨時間變化的。9開通過程：電力二極管的正向壓降先出現一個過沖UFP，經過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。電導調制效應起作用需一定的時間來儲存大量少子，達到穩(wěn)態(tài)導通前管壓降較大。正向電流的上升會因器件自身的電感而產生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。10圖2-2a)給出了電力二極管由零偏置轉為正向偏置時動態(tài)過程的波形?？梢钥闯?，在這一動態(tài)過程中，電力二極管的正向壓降會出現一個電壓過沖UFP，經過一段tFR時間才出現趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降值。圖2-2b給出了電力二極管由正向偏置轉為反向偏置時動態(tài)過程的波形。當原處于正向導通的電力二極管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉聪驎r，該電力二極管不能立即關斷，而是需經過一段短暫的時間才能進入截止狀態(tài)。

圖2-2功率二極管的動態(tài)過程波形

a）開通過程波形b）關斷過程波形11三、功率二極管的參數1.正向平均電流IF(AV)

額定電流——在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，因此使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。當用在頻率較高的場合時，開關損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當采用反向漏電流較大的電力二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應也不小122.正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降有時參數表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降3.反向重復峰值電壓URRM指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定134.

最高工作結溫TJM結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。最高工作結溫是指在PN結不致損壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內。5.反向恢復時間trrtrr=td+

tf

，關斷過程中，電流降到零起到恢復反響阻斷能力止的時間。6.浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。14四、功率二極管的主要類型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹。在應用時，應根據不同場合的不同要求選擇不同類型的電力二極管。性能上的不同是由半導體物理結構和工藝上的差別造成的。1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復時間較長，一般在5s以上，這在開關頻率不高時并不重要。正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數千安和數千伏以上。15恢復過程很短特別是反向恢復過程很短（5s以下）的二極管，也簡稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結型結構有的采用改進的PiN結構從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者反向恢復時間為數百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。采用外延型PiN結構的的快恢復外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢復時間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下2.快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD）163.肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD），簡稱為肖特基二極管20世紀80年代以來，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應用肖特基二極管的弱點當反向耐壓提高時其正向壓降也會高得不能滿足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴格地限制其工作溫度肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短（10~40ns）正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復二極管其開關損耗和正向導通損耗都比快速二極管還要小，效率高17第二節(jié)晶閘管及其派生器件一、晶閘管的工作原理和靜態(tài)伏安特性五、雙向晶閘管二、晶閘管的動態(tài)特性

三、功率損耗和熱阻抗四、電流額定值18晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國貝爾實驗室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產品1958年商業(yè)化開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代20世紀80年代以來，開始被性能更好的全控型器件取代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晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型——普通晶閘管，廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件本節(jié)將主要介紹普通晶閘管的工作原理、基本特性和主要參數，然后簡要介紹其一種派生器件－雙向晶閘管。19一、晶閘管的工作原理和靜態(tài)伏安特性1、晶閘管的常見封裝外形有螺栓型和平板型兩種封裝：引出陽極A、陰極K和門極（控制端）G三個聯接端；對于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。圖2-00晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號202、晶閘管的其它封裝形式：還有塑封和模塊式兩種封裝。213、晶閘管的管耗和散熱：管耗＝流過器件的電流×器件兩端的電壓

管耗將產生熱量，使管芯溫度升高。如果超過允許值，將損壞器件，所以必須進行散熱和冷卻。冷卻方式：自然冷卻（散熱片）、風冷（風扇）、水冷22〔簡單描述〕晶閘管SCR相當于一個半可控的、可開不可關的單向開關。圖2－00晶閘管的工作條件的試驗電路23〔解釋〕當SCR的陽極和陰極電壓UAK<0，即EA下正上負，無論門極G加什么電壓，SCR始終處于關斷狀態(tài)；UAK>0時，只有EGk>0，SCR才能導通。說明SCR具有正向阻斷能力；SCR一旦導通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導通狀態(tài)。SCR導通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當UAK<0時，無論SCR原來的狀態(tài)，都會使R熄滅，即此時SCR關斷。其實，在I逐漸降低（通過調整RW）至某一個小數值時，剛剛能夠維持SCR導通。如果繼續(xù)降低I，則SCR同樣會關斷。該小電流稱為SCR的維持電流。綜上所述：SCR導通條件：UAK>0同時UGK>0由導通→關斷的條件：使流過SCR的電流降低至維持電流以下。

(一般通過減小EA,直至EA<0來實現。）（教材上提出降低正向陽極電壓的提法有些不妥，因為此時UAK一直保持在1V左右）24晶閘管的雙晶體管模型25共基極電流增益忽略ICB0：26Ic1=1IA+ICBO1

（1-1）Ic2=2IK+ICBO2

（1-2）IK=IA+IG

（1-3）IA=Ic1+Ic2

晶閘管工作原理：外加反向電壓（UA<UK）時J1、J3反偏，晶閘管反向阻斷，只有很小的反向漏電流。外加正向電壓（UA>UK）（1-4）27晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下是很小的，而當發(fā)射極電流建立起來之后，迅速增大。外加正向電壓（UA>UK）門極未加電壓，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，晶閘管正向阻斷狀態(tài)。開通（門極觸發(fā)）：在晶閘管門極加正向觸發(fā)脈沖。28

IG（IB2）IC2（IB1）IC1（IB2）門極觸發(fā)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，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大，實現飽和導通。UAK

很小（1V左右）IA實際由外電路決定。一管基極電流能維持另一管的飽和，此時除去門極正向電壓晶閘管仍導通。（不可控）導通的過程是一個正反饋過程。V1、V2飽和。29晶閘管通斷規(guī)律：承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。（反向阻斷）承受正向電壓時，無門極正向觸發(fā)電壓時處于正向阻斷狀態(tài)。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用（不可控）。要使晶閘管關斷，只有使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值（維持電流IH）以下。（P6）承受正向電壓時，僅在門極有正向觸發(fā)電壓的情況下晶閘管才能開通。（正向導通）承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。（反向阻斷）承受正向電壓時，無門極正向觸發(fā)電壓時處于正向阻斷狀態(tài)。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用（不可控）。要使晶閘管關斷，只有使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值（維持電流IH）以下。承受正向電壓時，僅在門極有正向觸發(fā)電壓的情況下晶閘管才能開通。（正向導通）30其他幾種可能導通的情況：陽極電壓升高至相當高的數值造成雪崩效應陽極電壓上升率du/dt過高結溫較高以上三種情況，因不易控制，難以應用于實踐。光直接照射硅片，即光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應用于高壓電力設備中，稱為光控晶閘管。只有門極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段31晶閘管的基本特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性1.晶閘管的伏安特性32隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿晶閘管本身的壓降很小，在1V左右導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。33晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性342.門極伏安特性：門極電流IG與門極和陰極之間電壓UGK的關系。晶閘管的門極和陰極之間是PN結J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產生的35極限高阻伏安特性極限低阻伏安特性可靠觸發(fā)區(qū)不可靠觸發(fā)區(qū)不觸發(fā)區(qū)IFGM：門極正向峰值電流UFGM：門極正向峰值電壓IGT：門極觸發(fā)電流UGT：門極觸發(fā)電壓IGD：門極不觸發(fā)電流UGD：門極不觸發(fā)電壓PG：平均功率PGM：瞬時最大功率

為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應限制在可靠觸發(fā)區(qū)。36（1）開通過程延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間開通時間tgt以上兩者之和，

tgt=td+tr

（1-5）普通晶閘管延遲時間為0.5~1.5s，上升時間為0.5~3s二、晶閘管的動態(tài)特性

37反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間（2）關斷時間正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間38在正向阻斷恢復時間內如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向導通實際應用中，應對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作關斷時間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

（1-6）普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。39（3）舉例電路在圖2-5a)的簡單電路中，當電源電壓為正半周時，施加門極控制信號，晶閘管立即導通，此時有主電流Ia流過。當電源電壓為負半周時，晶閘管中主電流趨于反方向。從圖2.5b)所示波形看到，t＝T/2時，理想晶閘管中的電流波形應立即為零。實際上，晶閘管中的電流如圖2.5c)所示，在主電流保持為零之前會出現反向電流的情況。電流從負值到零值的時間trr并不是晶閘管的重要參數，我們所關心的晶閘管的關斷時間tq。在tq期間，為保證晶閘管可靠關斷，器件兩端必須保持一定時間的反向電壓，只有這樣晶閘管才能恢復阻斷正向電壓的能力。否則在關斷時間之前，又施加正向電壓，可能會在沒有控制信號觸發(fā)的條件下，晶閘管過早的導通，引起器件本身或電路的損壞。40動態(tài)損耗這兩部分屬于靜態(tài)損耗導通時器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗41在器件開通或關斷的轉換過程中產生開通損耗和關斷損耗，是動態(tài)損耗還有擴展損耗和過渡損耗，也是動態(tài)損耗開通損耗關斷損耗42對某些器件來講，驅動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開關頻率較高時，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素

43三、功率損耗和熱阻抗

晶閘管和二極管一樣有明顯的導通損耗,但是其開關損耗(稍后討論)非常小。器件的規(guī)格說明一般給出了在正弦和不同占空比的矩形波電流情況下的功率損耗。圖2-6給出了在矩形波電流情況下的功率損耗特性，反向阻斷損耗和門極電路損耗也包括在圖中。這些曲線適用的最大電源頻率為400Hz。44結附近功率損耗產生的熱量流向外殼,然后通過外裝的散熱器發(fā)散到周圍,引起結溫TJ的升高。一個器件的最大TJ

必須受到限制，因為它會對器件的性能產生負面影響。對于穩(wěn)定的功率損耗P，TJ

可以通過下式來計算:TA是環(huán)境溫度;θJC、θCS和θSA分別代表結與外殼之間、外殼與散熱器之間、以及散熱器和周圍環(huán)境之間的熱阻。θSA由冷卻系統的設計決定,冷卻的方法可以包括散熱器加自然對流冷卻、強制空氣冷卻和強制液體冷卻。(2-3)45從式(2-3)明顯可以看出,對于一個限定TJmax(通常是125℃),通過減小θSA可以增加允許功耗P。這就意味著更高效率的冷卻系統會增加散熱能力，也就是增加器件的能量處理能力θSA

=0表示一個無窮大散熱器

,即外殼溫度TC=TA。

46在實際運行中,功率損耗P是循環(huán)的

,而熱容或存儲效應延遲了結溫的升高,從而允許器件帶更大的負載。瞬態(tài)熱等效電路可以用一個并聯的RC電路來表示,其中P等效為電流源,而其在電路上產生的電壓代表溫度TJ。圖2-7a)給出了單個脈沖功率損耗對應的TJ

曲線。再考慮到加熱和冷卻曲線的性質,我們可以寫出下列等式

:式中

,(tl)是

tl時刻的瞬態(tài)熱阻抗。器件規(guī)格表通常會給出結和外殼之間的熱阻抗。如果需要

,還可以加上散熱器引起的附加效應。

(2-4)(2-5)47如果需要,還可以加上散熱器引起的附加效應。圖2-7b)顯示了三個重復脈沖的典型結溫曲線。對應的可以通過疊加原理表示為(2-6)(2-7)(2-8)48圖2-8為一個晶閘管

(CM4208A2型

)的瞬態(tài)熱阻抗

[θJC(t)]隨時間的變化曲線。該器件額定熱阻抗為θJC

=0.8℃/W,θSC=0.2℃/W。請注意

,這里討論的器件冷卻和熱阻抗的概念同樣適用于所有電力半導體器件。

49四、電流額定值基于上面討論的限制TJ的條件,圖2-9給出了不同占空比下平均額定電流和允許的殼溫TC的關系。例如,如果限制Tc為110℃,那么晶閘管可以承載120℃的12A的平均電流。如果有一個更好的散熱器,限制Tc為100℃,那么電流可以增加到18A。圖2-9可以和圖2-6一起用來設計散熱器的熱阻。

圖2-9通過矩形波電流時允許的最大外殼溫度(CM4208A2型)501)

通態(tài)平均電流IT(AV)

晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。決定晶閘管容許電流大小的是溫度，即管芯PN結的溫度。造成發(fā)熱的原因是損耗。主要是通態(tài)損耗，希望正向壓降小些；其次是斷態(tài)損耗，希望IDRM和IRRM小些；還有開關損耗，工作頻率要加以考慮；門極損耗通常較小。晶閘管正向電流愈大，通態(tài)損耗愈大。51波形不同，其有效值相等時，相對應的平均值卻不同。同一管子在不同波形條件下，能達到的最大平均值將不同。電流額定值是按平均值標定的。但是，實際工作的最大電流平均值不能簡單地以電流額定值來確定。電流波形不同，平均值和有效值的關系也不一樣。因此要進行換算。換算的原則是電流有效值相等。有效值相等，發(fā)熱相同。整流輸出關心平均值，因此額定電流按平均值標定但是與發(fā)熱成比例關系的是有效值。52波形系數：有效值平均值有效值：平均值：波形系數：額定值的波形系數：53變換方法：額定波形條件下的電流有效值：

I額定=1.57IT（AV）某種波形的電流有效值：

I=KfId有效值相等：

KfId=1.57IT（AV）54使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管應留一定的裕量，一般取1.5~2倍55計算中常用的積分式：用于有效值計算：用于平均值計算：56矩形波有效值：矩形波平均值：周期的周期的574)

浪涌電流ITSM

指由于電路異常情況引起的并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流2)

維持電流IH

使晶閘管維持導通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結溫有關，結溫越高，則IH越小3)

擎住電流IL

晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流

對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍58電壓定額1)

斷態(tài)重復峰值電壓UDRM——在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。2)

反向重復峰值電壓URRM——在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍593)

通態(tài)（峰值）電壓UTM——晶閘管通以某一規(guī)定倍數的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。60五、雙向晶閘管(TRIAC)雙向晶閘管可視為一對反并聯的普通晶閘管的集成，常用于交流調壓和調功電路中。其電路符號如圖2-10a)所示。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。門極使主電路的正向和反向均可觸發(fā)導通，因此雙向晶閘管可通過施加正負門極電流脈沖來控制主電路雙向導通。雙向晶閘管的伏安特性如圖2-10b)所示。在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。61圖2-11為一個使用雙向晶閘管的常用白熾燈燈光調節(jié)電路及相應的波形。雙向晶閘管的門極通過一個兩端交流開關(一種對稱電壓阻斷器件)從RC電路中集到驅動脈沖。電容電壓落后于線路電壓。當超過兩端交流開關(Diac)的闊值電壓±Vs時,對應極性的電流脈沖就會在角度時觸發(fā)雙向晶閘管,在負載產生一個交流全波相控的輸出O觸發(fā)延遲角可以通過改變電阻從變化到,以控制燈光的強度。

62GTO的工作原理和靜態(tài)伏安特性GTO的關斷特性第三節(jié)可關斷晶閘管一二63門極可關斷晶閘管（Gate－Turn－OffThyristor――GTO），也是晶閘管的一種派生器件，但可以通過門極加負的脈沖電流使其關斷，因而屬于全控器件。GTO容量最大、工作頻率最低(1～2kHz)。GTO是電流控制型器件，因而在關斷時需要很大的反向驅動電流；GTO通態(tài)壓降大、du/dT及di/dt耐量低，需要龐大的吸收電路。目前，GTO雖然在低于2000V的某些領域內已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率電力牽引中有明顯優(yōu)勢；它也必將在高壓領域占有一席之地。64一、GTO的工作原理和靜態(tài)伏安特性

圖2-12a所示為可關斷晶閘管GTO的電路符號，圖2-12b所示為它的靜態(tài)伏安特性。同普通晶閘管一樣，GTO也可由門極脈沖觸發(fā)導通。并且一旦導通，再無任何門極脈沖作用下仍保持導通態(tài)。與晶閘管不同的是，GTO能夠在負的門極電壓作用下引起足夠大的負門控電流而關斷。另外GTO是一種多元的功率集成器件。它的理想開關特性如圖2-12c所示。65二、GTO的關斷特性盡管GTO與MOSFET和GTR一樣屬于可控開關，但其關斷過渡區(qū)間的變化卻與以上兩種器件的特性不同。這是因為目前可使用GTO的器件還很難用來關斷電感性電路，除非在GTO兩端加裝吸收元件如圖2-13a）所示。由于現有的GTO器件還不能夠承受關斷感性電路而出現的過du/dt應力影響，所以必須在GTO器件兩端加裝由R、C和二級管D組成的吸收電路以減小關斷時電壓變化率。圖2-13b）給出了加裝吸收電路后的電壓電流波形，與沒有關斷吸收電路時的相比，電壓的突變量明顯減小。

66GTO在應用中要特別注意幾個問題（1）明確驅動信號的要求：門極導通和門極關斷波形。（2）驅動電路的電源電壓的選擇。（3）吸收電路的合理設計。（4）吸收電路雜散電感的消除。（5）設計陽極電路的電抗器等。67第四節(jié)雙極型功率晶體管1一、GTR的工作原理與靜態(tài)伏安特性2二、GTR的動態(tài)特性3三、二次擊穿和安全工作區(qū)68電力晶體管GTR（GiantTransistor，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時候也稱為PowerBJT在電力電子技術的范圍內，GTR與BJT這兩個名稱等效。

應用20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代69一、GTR的工作原理與靜態(tài)伏安特性2.GTR的基本特性(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時的典型輸出特性：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)；在電力電子電路中GTR工作在開關狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經過放大區(qū)圖1-16共發(fā)射極接法時GTR的輸出特性70(2)

動態(tài)特性（了解）

開通過程延遲時間td和上升時間tr，二者之和為開通時間tontd主要是由發(fā)射結勢壘電容和集電結勢壘電容充電產生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時間，同時可縮短上升時間，從而加快開通過程圖2-15GTR的開通和關斷過程電流波形71關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toff；ts是用來除去飽和導通時儲存在基區(qū)的載流子的，是關斷時間的主要部分；減小導通時的飽和深度以減小儲存的載流子，或者增大基極抽取負電流Ib2的幅值和負偏壓，可縮短儲存時間，從而加快關斷速度；負面作用是會使集電極和發(fā)射極間的飽和導通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗；GTR的開關時間在幾微秒以內，比晶閘管和GTO都短很多。72三、二次擊穿和安全工作區(qū)（一）GTR的二次擊穿現象(重要）二次擊穿是大功率晶體管損壞的主要原因，是影響晶體管變流裝置可靠性的一個重要因素。一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出現雪崩擊穿(如圖2-16所示)

；只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。

73二次擊穿一次擊穿發(fā)生時，如果繼續(xù)增高外接電壓，則Ic繼續(xù)增大，當達到某個臨界點時（圖2-17中A點）

，Uce會突然降低至一個小值，同時導致Ic急劇上升，這種現象稱為二次擊穿；開始發(fā)生二次擊穿的電壓（PSB）和電流（ISB）稱為二次擊穿的臨界電壓和臨界電流，其乘積為PSB稱為二次擊穿的臨界功率。二次擊穿的持續(xù)時間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導致器件的永久損壞。必需避免。通常認為，在出現負阻效應時，電流會急劇向發(fā)射區(qū)的局部地方集中，這時就會出現局部溫度升高，引起局部區(qū)域電流密度更加增大的惡性循環(huán)反應，直至燒毀硅材料。把不同下發(fā)生二次擊穿的臨界點連接起來就二次擊穿臨界線，如圖2-18所示。PSB越大，二次擊穿越不容易發(fā)生。74（二）安全工作區(qū)

GTR的主要參數（了解）前已述及：電流放大倍數、直流電流增益hFE、集射極間漏電流Iceo、集射極間飽和壓降Uces、開通時間ton和關斷時間toff，還有：1)

最高工作電壓GTR上電壓超過規(guī)定值時會發(fā)生擊穿；擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關，還與外電路接法有關；實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多。

Buceo為基極開路時，b和e之間的擊穿電壓。752)

集電極最大允許電流IcM通常規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時所對應的Ic；實際使用時要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點。3)集電極最大耗散功率PcM最高工作溫度下允許的耗散功率；產品說明書中給PcM時同時給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。76安全工作區(qū)（SafeOperatingArea——SOA）最高電壓UceM、集電極最大電流IcM、最大耗散功率PcM、二次擊穿臨界線PSB限定圖2-19GTR的安全工作區(qū)77第五節(jié)功率場效應管1一、電力MOSFET的工作原理和靜態(tài)伏安特性2二、電力MOSFET的動態(tài)特性3三、電力MOSFET的參數78MOSFET（MetalOxideSemiconductorFET）分為結型和絕緣柵型。電力場效應管（PowerMOSFET）通常主要指絕緣柵型MOSFET結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管SIT（StaticInductionTransistor——SIT）

POWERMOSFET的特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率??；開關速度快，工作頻率高；熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR；電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置；抗過載能力弱。79一、電力MOSFET的工作原理和靜態(tài)伏安特性電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。導電：在柵源極間加正電壓UGS柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。801)

靜態(tài)特性（注意和GTR的區(qū)別，特別是飽和區(qū)的位置不同）圖1-20電力MOSFET的轉移特性和輸出特性

a)轉移特性b)輸出特性MOSFET的轉移特性：漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系稱為MOSFET的轉移特性，如圖a。其中：UT為MOSFET的開啟電壓，或閾值電壓。ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率定義為跨導

Gfs＝dId/dUGS。MOSFET是電壓控制型器件（場控器件），其輸入阻抗極高，輸入電流非常小，有利于控制電路的設計。81MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）：截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和區(qū)）電力MOSFET工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換；電力MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時器件導通，可看為是逆導器件。在畫電路圖時，為了不遺忘，常常在MOSFET的電氣符號兩端反向并聯一個二極管；電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數，對器件并聯時的均流有利。原因是電流越大，發(fā)熱越大，通態(tài)電阻就加大，從而限制電流的加大，有利于均流。82二、電力MOSFET的動態(tài)特性電力MOSFET的開關時間在10～100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅動功率。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。圖2-21給出了電力MOSFET的開關過程的波形。與GTR相似，其開通延遲時間td(on)與上升時間tr的和為開通時間ton，關斷延遲時間td(off)與下降時間tf的和為關斷時間toff。圖2-21電力MOSFET的開關過程波形83三、電力MOSFET的參數除了前面涉及到的跨導Gfs、開啟電壓UT以及開關過程中的各時間常數之外，電力MOSFET還有以下主要參數。1.漏極電壓UDS

：這是標稱電力MOSFET的電壓定額的參數。2.漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM：這是標稱電力MOSFET電流定額的參數。3柵源電壓UGS柵極和源極之間的絕緣層很薄，當UGS>20V時，將導致絕緣層擊穿。4.極間電容電力MOSFET的三個電極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，這些電容都是非線性的。漏源間的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決定了電流MOSFET的安全工作區(qū)。一般來說，電流MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點。但在實際使用中，仍應保留一定的裕量。84二、IGBT的參數特點一、IGBT的工作原理和靜態(tài)伏安特性三、IGBT的過載能力第六節(jié)絕緣柵雙極型功率晶體管12385絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的復合。在20世紀80年代中期的出現，在電力半導體器件的歷史上是一個重要的里程碑。在中等功率范圍(數千瓦到數兆瓦)內，它是非常受歡迎的電力電子器件，并且廣泛應用于直流/交流傳動和電源系統。

86它在高端范圍取代了GTR,并且目前也正在較低功率范圍內逐步取代GTO品閘管。IGBT基本上是一種混合式的MOS柵極開關雙極型晶體管，它同時結合了MOSFET和BJT的優(yōu)點。IGBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護功能的智能產品。87一、IGBT的工作原理和靜態(tài)伏安特性

IGBT的電氣圖形符號如圖2-22a所示。與MOSFET相類似，IGBT的門極為高輸入阻抗型電壓驅動控制，只要在門極上施加電壓就可以保證器件的導通，其門極控制功率小。由圖b)可見，當uGE大于開啟電壓UGE(th)時，IGBT導通，電導調制效應使電阻減小，使通態(tài)壓降減小。當柵射極間施加反壓或不加信號時，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。IGBT可以看成是MOSFET驅動的GTR大功率晶體管，其輸出特性如圖c所示。它的主電路技術性能與GTR相近。理想的IGBT的伏安特性如同開關性能，如圖2-22所示。

圖2-22a)IGBT的電氣圖形符號b)轉移特性c)輸出特性d)理想特性88二、IGBT的參數特點有關IGBT的參數和特性，各國廠家給出的并不完全一樣，但從總的方面來看，IGBT具有下列特點：（1）IGBT的開關速度高，開關損耗小，IGBT電壓在1000V以上時的開關損耗只及GTR的1/10，與電力MOSFET相當。（2）IGBT的通態(tài)壓降比電力MOSFET低，特別是大電流區(qū)段（3）IGBT的通態(tài)壓降在1/2或1/3額定電流以下區(qū)段具有負的溫度系數，在以上區(qū)段具有正的溫度系數，因此，IGBT在并聯使用時具有電流自動調節(jié)的能力，即有易與并聯的特點。89（4）IGBT的安全工作區(qū)比GTR寬，而且它還具有耐脈沖電流沖擊的性能。（5）IGBT的輸入特性與電力MOSFET相似，輸入阻抗高，它在驅動電路中作為負載時呈容抗性質。

(6）與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓可以繼續(xù)做的高，電流可以繼續(xù)做的大，同時還保持工作頻率高的特點。最后值得注意的是：IGBT的關斷波形如圖2-23所示，即存在電流拖尾現象——在時間內電流快速下降，在時間內電流下降變的緩慢。除此之外，IGBT的開關時間定義與電力MOSFET是一樣的。90三、IGBT的過載能力

（一）IGBT的短路特性通過圖2-24試驗電路可以測試IGBT的短路特性。將電容上的電壓加在IGBT管的CE兩端。這時給其柵極施加一個低重復率、幅值固定的脈沖，則被試IGBT管就通過一個短路的脈沖電流，然后逐漸加大短路時間（tsc），直至器件損壞為止。圖2-24簡單的IGBT短路試驗電路91利用這個實驗，就可以初步確定任何一個IGBT在規(guī)定溫度、規(guī)定和規(guī)定柵極電壓值下的承受電流的能力。這個試驗方法與實際應用仍有差距，即未顧及到動態(tài)du/dt可能引起的鎖定效應。但通過該試驗電路獲得一個結果：IGBT器件的飽和壓降越高，其允許的短路時間越長，如圖2-25所示，這時施加的柵極電壓應能維持器件正常時的飽和壓降接近實際的最小值（這是最危險狀況，是正常工作時要求的），并在整個故障過程中保持不變。92由圖2-26可知，飽和壓降小于2V的器件，其允許的短路時間小于或等于5。當飽和壓降增加到4～5V時，其允許的短路時間增加到30左右（這與雙極型晶體管的典型數量級相同，但飽和壓降卻比雙極型晶體管高）。顯然，廠家提供的這條曲線可為電路設計者設計過載或短路保護提供基本的設計依據。若無這條短路曲線，只要需要，可以通過試驗來確定器件固有的承受短路電流的能力。93引伸上述結論，在實際應用中，可以通過減少柵極電壓來降低短路電流和延長短路時間，如圖2-26所示。該曲線是根據IR公司的IRGPC40F器件給出的，該型號的器件參數為。從圖2-25可看出，這種器件在5μs內，可承受250A以上的短路電流，當柵極電壓從15V降低到10V時，允許的短路時間增加了10μs。94（二）故障保護方案對于正常過載，像電機啟動、濾波電容的合閘沖擊或者是負載的突然變化，需通過正常的閉環(huán)系統進行調節(jié)和控制，對于非正常和偶然的短路故障可以采用撤除柵電壓保護方案。這種方案不去區(qū)別真實故障、偶然故障和虛偽故障，而在2μs內迅速撤除柵極信號，如圖2-27所示。95第七節(jié)集成門極換流晶閘管IGCT一、IGCT的基本工作原理二、IGCT的特性三、IGCT的典型應用舉例IGCT96IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也有廠家稱為GCT（Gate-CommutatedThyristor）。IGCT是一種新型的電力電子器件,它將GTO芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接,結合了晶體管和晶閘管兩種器件的優(yōu)點,即晶體管的穩(wěn)定的關斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗。97IGCT在導通期間發(fā)揮晶閘管的性能,關斷階段呈類似晶體管的特性。IGCT具有電流大、電壓高、開關頻率高、可靠性高、結構緊湊、損耗低的特點。此外,IGCT還象GTO一樣,具有制造成本低和成品率高的特點,有極好的應用前景。98一、IGCT的基本工作原理

當GCT工作在導通狀態(tài)時,是一個象晶閘管一樣的正反饋開關,其特點是攜帶電流能力強和通態(tài)壓降低。在關斷狀態(tài)下,整個器件呈晶體管方式工作,該器件在這兩種狀態(tài)下的等效電路及其符號如圖2－28所示。GCT關斷時,通過打開一個與陰極串聯的開關(通常是MOSFET),這樣便把GTO轉化成為一個無接觸基區(qū)的npn晶體管,消除了陰極發(fā)射極的正反饋作用,GTO也就均勻關斷,而且沒有載流子收縮效應。這樣,它的最大關斷電流比傳統GTO的額定電流高出許多。由于GCT在增益接近1時關斷,因此,保護性的吸收電路可以省去。圖2-28IGCT的電路符號及導通和阻斷狀態(tài)示意圖

99二、IGCT的特性(一)開通特性因為IGCT是雙穩(wěn)態(tài)開通的器件，它可以調整di/dt或

dv/dt，就象真正三極管那樣。雖然這些參數對器件本身并不十分重要，但是開通一個開關的同時，總會強制關斷一個相聯的同樣等級的二極管。圖2－29顯示了典型的開通轉換波形。

100(二)通態(tài)特性IGCT

通過利用緩沖層結構及陽極透明發(fā)射極技術實現了低通態(tài)壓降和高關斷能力。圖3為IGCT器件的通態(tài)特性,其中給出了125℃下及1000～5000A電流范圍內,通態(tài)壓降的最大值(左)、最小值(右)及典型值(中)。此通態(tài)特性使得在TC=85℃下,器件能通過2200A

的均方根額定電流(正弦半波,50Hz)。101(三)關斷特性由于具有均勻開關特性,IGCT的關斷能力大大提高。ABB半導體部開發(fā)的5SH35L4502器件關斷和對應的關斷損耗典型值(非重復值)見表1。102圖2-31給出了5kA下,吸收電容為4LF時IGCT的關斷情形,其吸收電感大于200nH。緩沖層設計的特點在圖中清晰可見,尾部電流大,持續(xù)時間短。采用不同的輻照工藝可以降低尾部電流及關斷損耗,而通態(tài)電壓只略有提高。圖2-315SHY35L4502器件關斷5kA的波形,Cs=4LF,T=125℃103三、IGCT的典型應用舉例(一)串聯應用與GTO相比,IGCT的一個突出的優(yōu)點是存儲時間短,因而在串聯應用時,各個IGCT關斷時間的偏差極小,其分擔的電壓會較為均衡,所以適合大功率應用。在鐵路用100MVA(已商業(yè)化)轉換控制網絡的輸出級中,采用了12個IGCT,每組6個串聯,VDC2link(直流中間電路電壓)額定為10kV,輸出電流為1430A。104(二)牽引逆變器由于牽引領域的廣泛需要,逆導IGCT發(fā)展很快,IGCT可無吸收關斷,比GTO逆變器更加緊湊。在目前已成功應用的IGCT三相逆變器中,只需要di/dt限制電路,門極驅動電源在中心放置,進一步減小了逆變器的體積。逆變器電路如圖2-32所示。105經過幾年的發(fā)展，IGCT已經成為MV級使用的功率器件的首選，它可以獲得最低的成本，最高的可靠性、效率和頻率，最大的功率密度。采用4種或5種標準封裝形式，它可以涵蓋0.3～300MW的使用功率范圍，其動態(tài)范圍達1000倍!因為具有標準的外形和標準器件(標準芯片、封裝、門極單元、散熱器、鉗位電路等)，通用的電力電子組件單元正令人矚目地浮現。106串聯使用易于實現并且其注定自然會在可以預見的將來更簡便。并聯使用因其附帶的不確定性，仍然不是必需的使用。近幾年的名譽掃地的壓結式封裝，又重新因其簡便性、可靠性、低阻，固有的標準化和模塊化等而重新被人們所認識，IGCT如此，IGBT亦然，而且在電壓源逆變器組裝時減弱開關的高能量的直流連接這一明智之舉，已經被這二種器件廣泛地接受。107第八節(jié)功率集成電路

在電力電子器件的開發(fā)和研制過程中的一個共同趨勢模塊化，它是將多個功率半導體芯片按照應用要求復合連接封裝在一個模塊中，稱為功率模塊。按照所含芯片的種類，可分為二極管模塊（DiodeModule）晶體管模塊（transistormodule）以及智能功率模塊（IPM-InterligentPowerModule）等。智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。

108晶體管模塊（主要有IGBTModule,MOSFETModule）和智能功率模塊（IPM）得到重點開發(fā)和研制，這是因為功率模塊除了保持原有功率器件的基本技術性能還具有以下的特點：

1)外部電路端口與散熱相同（安裝平臺）實現了完全電隔離，因而多個模塊可安裝在同一個散熱板上。2)將開關組合電路與輔助電路（驅動控制、續(xù)流和指定部分等）集成為一體可以直接利用邏輯信號（如微處理器）觸發(fā)，并具有自保護功能，由于縮短了驅動引線，噪聲影響減小。3)模塊結構緊湊，可縮小裝置體積，降低成本，易于實現應用設備的小型化。4)組裝連接簡易，便于裝卸和維護。5)對工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡化對保護和緩沖電路的要求109將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上，稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。110功率集成電路發(fā)展現狀：1)功率集成電路的主要技術難點：高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。2)以前功率集成電路的開發(fā)和研究主要在中小功率應用場合。智能功率模塊在一定程度上回避了上述兩個難點,最近幾年獲得了迅速發(fā)展。功率集成電路實現了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口。111第九節(jié)電力電子器件的串并聯一、晶閘管的串聯電力電子器件二、晶閘管的并聯112對于大型電力電子裝置，當單個電力電子器件的電壓或電流定額不能滿足要求時，往往需要將電力電子器件串聯或并聯起來工作。本章先介紹由晶閘管組成的串、并聯電路應注意的問題和處理措施，然后介紹應用較多的電力MOSFET并聯和IGBT并聯的一些特點。113一、晶閘管的串聯目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯。問題：理想串聯希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻：靜態(tài)不均壓：串聯的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等；承受電壓高的器件首先達到轉折電壓而導通，使另一個器件承擔全部電壓也導通，失去控制作用；反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿。1141.靜態(tài)均壓措施選用參數和特性盡量一致的器件；采用電阻均壓，Rp的阻值應比器件阻斷時的正、反向電阻小得多。圖晶閘管的串聯a)伏安特性差異b)串聯均壓措施1152.動態(tài)均壓措施動態(tài)不均壓——由于器件動態(tài)參數和特性的差異造成的不均壓。動態(tài)均壓措施：選擇動態(tài)參數和特性盡量一致的器件；用RC并聯支路作動態(tài)均壓；采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異。116二、晶閘管的并聯

目的：目的：多個器件并聯來承擔較大的電流。特別是在有些頻率較高的逆變器中，有時為了減小SCR的開關損耗和di/dt，減小關斷時間，達到所需的工作頻率和輸出功率，常常使用多個SCR并聯。問題：SCR會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數的差異而電流分配不均勻。SCR導通后的內阻極小是并聯時很難均流的根本原因。1171.靜態(tài)均流措施選用參數和特性盡量一致的器件是實現靜態(tài)均流的根本措施；采用電阻均流，Rp的阻值應顯著大于SCR導通時的內阻。還可以采用電感均流：當SCR由于伏安特性差別，器件電流趨于不均衡時，電感阻止各支路電流的變化，以減小各支路電流的差異。1182.動態(tài)均流措施動態(tài)均流——主要是指SCR由截止到導通的過渡過程中的均流，SCR開通延遲時間不一致是動態(tài)不均流的主要原因。動態(tài)均流措施：最基本的措施是選取開通延遲時間比較一致的SCR；采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異。使用均流變壓器也是一種有效辦法。（利用各個支路中的均流變壓器繞組來減小各個SCR在開通延遲時間上的差別）當需要同時串聯和并聯晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯接。119電力MOSFET并聯運行的特點Ron具有正溫度系數，具有電流自動均衡的能力，容易并聯；注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯；電路走線和布局應盡量對稱；可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用。

IGBT并聯運行的特點在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負的溫度系數；在以上的區(qū)段則具有正溫度系數；并聯使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯。120第十節(jié)電力電子器件的保護驅動電路驅動電路電力電子器件保護電路電力電子器件一二121驅動電路－－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)，對整個裝置的性能有很大的影響。采用性能良好的驅動電路，使電力電子器件工作在較理想的開關狀態(tài)，縮短開關時間，減小開關損耗。對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的意義。一些保護措施也往往設在驅動電路中，或通過驅動電路實現。122驅動電路的基本任務：1)按控制目標的要求施加開通或關斷的信號。2)對半控型器件只需提供開通控制信號。3)對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關斷控制信號。按驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質，可將電力電子器件分為電流驅動型和電壓驅動型兩類。晶閘管的驅動電路常稱為觸發(fā)電路。典型的全控器件將按電流驅動型和電壓驅動型分別討論。123(一)晶閘管的觸發(fā)電路

作用：按觸發(fā)角的大小在正確的時刻向對應的晶閘管提供控制門極電流使其導通。常見的觸發(fā)信號波形如圖2-34所示。一般，晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列基本要求：1)觸發(fā)信號可以是交流直流或脈沖，常采用脈沖形式。2)觸發(fā)脈沖必須有足夠的電壓和電流。3)觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度（考慮掣住電流）。與負載功率因數有關；橋式全控：60o—120o寬脈沖或雙窄脈沖；較寬的觸發(fā)信號也可采用脈沖列的形式。4)觸發(fā)脈沖必須與主回路電源同步。5)觸發(fā)脈沖的移相范圍應滿足變流裝置的要求。6)動態(tài)響應快，抗干擾能力強，溫度穩(wěn)定性好。124圖2-35a）所示為一個典型的帶強觸發(fā)變壓器的耦合驅動電路。驅動極達林頓晶閘管V2開路期間，電容C被充電至E2.V2導通，C通過脈沖變壓器一次繞組和V2放電，形成前沿尖峰。以后變壓器一次繞組由E1供電。V2關斷后，C再次充電至E2。圖b）示出了各點的電壓波形。125(二)電流驅動型器件的驅動電路

圖2-36給出了一個門極驅動電路的例子。需要GTO開通時，MOS管M1、M2接收來自控制系統的開通信號（M1、M2為高頻互補式方波脈沖電壓）兩個MOS管M1、M2交替地通斷變換。脈沖變壓器PTR傳輸高頻脈沖列，脈沖變壓器副方為高頻交流脈沖電壓VAB,當A為正、B為負時，副方電壓VOB從O點經穩(wěn)壓齊納二極管DZ和電感L產生正向電流IG，再經D2回到B點。當B為正，A為負時，副方電壓VOA從O點經DZ和L產生正向IG開通GTO，再經D1回到A點。在GTO被正向IG驅動的同時，電容C經由四個二極管組成的整流橋RCT充電。GTO導通后，撤除M1、M2信號，GTO仍保持通態(tài)，電容C已被充好電，積蓄了關斷GTO所需能量，一旦需要關斷GTO時，控制系統發(fā)出的關斷信號，一方面令M1、M2失去開通信號，同時觸發(fā)圖中的晶閘管導通，電容C經晶閘管到GTO的陰極、門極和電感L放電，產生反向電流IG,關斷GTO。圖2-36有隔離變壓器的GTO驅動器126(三)電壓驅動型器件的驅動電路電路MOSFET和IGBT是電壓驅動型器件。電力MOSFET的柵源極之間和IGBT的柵射極之間都有數千皮法左右的極間電容，為快速建立驅動電壓，要求驅動電路具有較小的輸出電阻。電力MOSFET的驅動電壓一般取10～15V,IGBT的驅動電壓取15～20V。同樣，關斷時施加一定幅值的負驅動電壓（一般?。?V～－15V）有利于減小關斷時間和關斷損耗。127比如IGBT的驅動電路多采用專用的混合集成驅動器。常用的有三菱公司的M579系列和富士公司的EXB系列。同一系列的不同型號其引角和接線基本相同，只是適用被驅動器件的容量和開關頻率以及輸入電流幅值等參數有所不同。圖2-37給出了EXB840/841的原理和接線圖。128二、電力電子器件的保護電路在電力電子電路中，除了電力電子器件參數選擇合適、驅動電路設計良好外，采用