電力電子器件60937課件

第1章電力電子器件1.1電力電子器件概述1.1.1電力電子器件的概念和特征概念：主電路（PowerCircuit）-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。電力電子器件（powerelectronicdevice）—可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。電力電子器件的特征：(1)能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力，是最重要的參數(shù)其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí),大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。(2)電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)（通態(tài)）阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，而電流由外電路決定阻斷時(shí)（斷態(tài)）阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定動(dòng)態(tài)特性和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見往往用理想開關(guān)來代替1.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成在一個(gè)電力電子系統(tǒng)中還包括：檢測(cè)電路。檢測(cè)實(shí)際信號(hào)。電氣隔離電路。將主電路和控制電路利用光、磁等手段隔離。保護(hù)電路。電力電子器件承受過電壓和過電流的能力較差，因此在主電路和控制電路中需要附加一些保護(hù)電路，以保證整個(gè)電力系統(tǒng)和電力電子器件的正常運(yùn)行。器件一般有三個(gè)端子，其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端。器件通斷是通過在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端。1.1.3電力電子器件的分類(1)

半控型器件—控制信號(hào)可以控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定(2)

全控型器件—既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET，簡(jiǎn)稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）(3)

不可控器件—不能用控制信號(hào)來控制其通斷電力二極管（PowerDiode）：

只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件控制端和公共端之間的有效信號(hào)的波形分兩類：脈沖觸發(fā)型——在控制端施加一個(gè)脈沖信號(hào)來控制器件的通斷，一旦器件進(jìn)入導(dǎo)通或阻斷，器件能維持開通或阻斷。電平控制型——必須始終在控制端施加一定電平的信號(hào)來維持器件的開通或阻斷。單極型器件——由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件——由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類：本章內(nèi)容和學(xué)習(xí)要點(diǎn)介紹各種器件的工作原理、基本特性、主要參數(shù)以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問題，電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用這三個(gè)問題在后面講述。最重要的是掌握其基本特性掌握電力電子器件參數(shù)和特性曲線的使用方法，這是在實(shí)際中正確應(yīng)用電力電子器件的兩個(gè)基本要求1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)構(gòu)和原理與信息電子電路中的二極管一樣,以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)組成：由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝

圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)圖1-3PN結(jié)的形成PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)PNPNPN結(jié)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)：

PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CDPN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕憾O管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別：正向?qū)〞r(shí)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，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大1.2.2電力二極管的基本特性圖1-4電力二極管的伏安特性1.靜態(tài)特性主要指伏安特性

當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流PNPN2.動(dòng)態(tài)特性因結(jié)電容的存在，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過,此過程中的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的開關(guān)特性——反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程關(guān)斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)

在關(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：電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過沖UFP，經(jīng)過一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。這一動(dòng)態(tài)過程時(shí)間被稱為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)

額定電流——在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)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(yīng)來定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開關(guān)損耗造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小2.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(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降3.反向重復(fù)峰值電壓URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)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(shí)，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4.最高工作結(jié)溫TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示最高工作結(jié)溫是指在PN結(jié)不致?lián)p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(nèi)5.反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+tf，關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)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(gè)或幾個(gè)工頻周期的過電流。2.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode-FRD）恢復(fù)過程很短特別是反向恢復(fù)過程很短（5s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED）,其反向恢復(fù)時(shí)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400V以下從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。3.肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD），簡(jiǎn)稱為肖特基二極管20世紀(jì)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(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高其正向壓降也會(huì)高得不能滿足要求,多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）正向恢復(fù)過程中也不會(huì)有明顯的電壓過沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降很小，明顯低于快恢復(fù)二極管其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高1.3半控型器件-晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代20世紀(jì)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(chǎng)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圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理Ic1=1IA+ICBO1

（1-1）Ic2=2IK+ICBO2

（1-2）

IK=IA+IG

（1-3）

IA=Ic1+Ic2

（1-4）式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。IG---IB2---IC2=IB1

---IC1

工作原理阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和開通（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的話，流過晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。

晶體管的特性是：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。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其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

陽(yáng)極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光直接照射硅片，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(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）di/dt過大1.3.2晶閘管的基本特性1.靜態(tài)特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG第III象限的是反向特性第I象限的是正向特性AvalanchebreakdownIG=0時(shí)，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(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低導(dǎo)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(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)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。Holdingcurrent晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性

晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端門極觸發(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(chǎn)生的晶閘管的門極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱為門極伏安特性。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(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。2.動(dòng)態(tài)特性圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形1)開通過程延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%時(shí)間上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間開通時(shí)間tgt以上兩者之和，

tgt=td+tr

（1-6）普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5~1.5s，上升時(shí)間為0.5~3s門極電流陽(yáng)極電壓2)關(guān)斷過程反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)▽?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作關(guān)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。延遲時(shí)間為0.5~1.5s上升時(shí)間為0.5~3s1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.電壓定額1)

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

反向重復(fù)峰值電壓URRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3)

通態(tài)（峰值）電壓UTM——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍2.電流定額1)

通態(tài)平均電流IT(AV)--額定電流晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)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(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍2)

維持電流IH—使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小3)

擎住電流IL--晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流對(duì)同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍4)

浪涌電流ITSM--指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流通態(tài)轉(zhuǎn)入斷態(tài)3.動(dòng)態(tài)參數(shù)除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：(1)

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在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通(2)

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(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率如果電流上升太快，則晶閘管剛一開通，便會(huì)有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞1.3.4晶閘管的派生器件1.快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)包括所有專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch--TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖1-10電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SolidStateRelay——SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。3.逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流圖1-11電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）圖1-12電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位1.4典型全控型器件

全控型電力電子器件將電力電子技術(shù)帶入了一個(gè)新時(shí)代。典型代表有：門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣雙極晶體管等。1.4.1門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)各單元的陰極、門極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)1.GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷GTO能夠通過門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：（1）設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷（2）導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1

導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大（3）多元集成使GTO元陰極面積很小,門、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門極抽出較大電流

導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺

關(guān)斷過程：強(qiáng)烈正反饋——門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，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快，承受di/dt能力強(qiáng)-IG----Ib2----Ik,IC2

----IA,IC1

開通過程：與普通晶閘管類似，需經(jīng)過延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr

開通時(shí)間ton=td+tr

圖1-14GTO的開通和關(guān)斷過程電流波形2.GTO的動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子——儲(chǔ)存時(shí)間ts，退出飽和等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小——下降時(shí)間tf殘存載流子復(fù)合——尾部時(shí)間tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)門極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts越短門極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff3.GTO的主要參數(shù)

1)

最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATOGTO額定電流2)

電流關(guān)斷增益off

IATO與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比off一般很小，只有5左右，這是GTO的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流峰值要200A3)開通時(shí)間ton4)關(guān)斷時(shí)間toff許多參數(shù)與普通晶閘管相同。1.4.2電力晶體管術(shù)語(yǔ)用法：電力晶體管（GiantTransistor——GTR）是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成1.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理產(chǎn)品說明書中通常給直流電流增益hFE——在直流工作情況下集電極電流與基極電流之比。一般可認(rèn)為hFE單管GTR的

值比小功率的晶體管小得多，通常為10左右，采用達(dá)林頓接法可有效增大電流增益GTR的電流放大系數(shù)

當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，

ic=ib+Iceo

(1)

靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)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(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時(shí)，要經(jīng)過放大區(qū)圖1-16共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2.GTR的基本特性開通過程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開通時(shí)間tontd主要是由發(fā)射結(jié)勢(shì)壘電容和集電結(jié)勢(shì)壘電容充電產(chǎn)生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可縮短延遲時(shí)間，同時(shí)可縮短上升時(shí)間，從而加快開通過程(2)

動(dòng)態(tài)特性

圖1-17GTR的開通電流波形ts是用來除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的，是關(guān)斷時(shí)間的主要部分減小導(dǎo)通時(shí)的飽和深度以減小儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2的幅值和負(fù)偏壓，可縮短儲(chǔ)存時(shí)間，從而加快關(guān)斷速度負(fù)面作用是會(huì)使集電極和發(fā)射極間的飽和導(dǎo)通壓降Uces增加，從而增大通態(tài)損耗GTR的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO短很多關(guān)斷過程關(guān)斷時(shí)間toff=儲(chǔ)存時(shí)間ts+下降時(shí)間tf1)

最高工作電壓GTR上電壓超過規(guī)定值時(shí)會(huì)發(fā)生擊穿，擊穿電壓不僅和晶體管本身特性有關(guān)，還與外電路接法有關(guān)3.GTR的主要參數(shù)電流放大倍數(shù)、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(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff3)

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(chǎn)品說明書中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度2)

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(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)4.GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)一次擊穿集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿只要Ic不超過限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變

二次擊穿一次擊穿發(fā)生時(shí)Ic增大到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)會(huì)突然急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變

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、二次擊穿臨界線限定圖1-18GTR的安全工作區(qū)二次擊穿功率最大耗散功率最高電壓最大電流1.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

特點(diǎn):PowerMOSFET用柵極電壓來控制漏極電流驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)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的電力電子裝置分類結(jié)型絕緣柵型主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（StaticInductionTransistor—SIT

電力MOSFET的種類

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道

耗盡型——當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間就存在導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型——對(duì)于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道

電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型1.電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理柵極G源極S漏極D電力MOSFET的結(jié)構(gòu)導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu)電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)—VMOSFET---大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET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(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS

柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。但柵極的正電壓會(huì)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(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，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(dǎo)體反型而成N型--反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電2.電力MOSFET的基本特性1)

靜態(tài)特性ID較大時(shí)，ID與UGS的關(guān)系近似線性曲線的斜率定義為跨導(dǎo)GfsMOSFET的轉(zhuǎn)移特性:

漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系MOSFET是電壓控制型器件,輸入阻抗高,輸入電流非常小截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的飽和區(qū)）電力MOSFET工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)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(shí)器件導(dǎo)通電力MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對(duì)器件并聯(lián)時(shí)的均流有利b)MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）2)

動(dòng)態(tài)特性u(píng)p—矩形脈沖信號(hào)源，Rs—信號(hào)源內(nèi)阻，RG—柵極電阻，RL—漏極負(fù)載電阻，RF—檢測(cè)漏極電流UT（開啟電壓或閾值電壓）iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負(fù)載電阻決定UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關(guān)UGS達(dá)到UGSP后，在up作用下繼續(xù)升高直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變開通過程開通延遲時(shí)間td(on)

up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開始出現(xiàn)iD的時(shí)刻間的時(shí)間段上升時(shí)間truGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段

開通時(shí)間ton:ton=td(on)+tr關(guān)斷過程下降時(shí)間tf——uGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到uGS<UT時(shí)溝道消失，iD下降到零為止的時(shí)間段關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——up下降到零起，Cin通過Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開始減小止的時(shí)間段關(guān)斷時(shí)間toff:toff=td(off)+tf

MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系使用者無(wú)法降低Cin，但可降低驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻Rs減小時(shí)間常數(shù)，加快開關(guān)速度MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速開關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開關(guān)速度

跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf1)

漏極電壓UDS

電力MOSFET電壓定額2)

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

電力

MOSFET電流定額3)柵源電壓UGS

柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿4)

極間電容

極間電容CGS、CGD和CDS3.電力MOSFET的主要參數(shù)1.4.4絕緣柵雙極晶體管

GTR和GTO的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜

MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件

絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor

—

—IGBT或IGT）它是一種復(fù)合器件

是GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有好的特性

1986年投入市場(chǎng)后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場(chǎng),中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件

繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位是目前應(yīng)用最廣泛的電力電子器件1.IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G集電極C發(fā)射極EEN溝道VDMOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）

IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個(gè)大面積的P+N結(jié)J1使IGBT導(dǎo)通時(shí)由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對(duì)漂移區(qū)電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，使得IGBT具有很強(qiáng)的通流能力簡(jiǎn)化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管

RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻

IGBT的工作原理

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定

導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通

導(dǎo)通壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小

關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷2.IGBT的基本特性

1)

IGBT的靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性——IC與UGE間的關(guān)系，與MOSFET轉(zhuǎn)移特性類似開啟電壓UGE(th)——IGBT能實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25C時(shí)，UGE(th)的值一般為2~6V輸出特性（伏安特性）——以UGE為參考變量時(shí)，IC與UCE間的關(guān)系分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。分別與GTR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)相對(duì)應(yīng)uCE<0時(shí)，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)2)

IGBT的動(dòng)態(tài)特性IGBT的開通過程開通延遲時(shí)間td(on)——從uGE上升至其幅值10%的時(shí)刻，到iC上升至10%ICM2

電流上升時(shí)間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間

開通時(shí)間ton——開通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和uCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——從uGE后沿下降到其幅值90%的時(shí)刻起，到iC下降至90%ICM電流下降時(shí)間——iC從90%ICM下降至10%ICM關(guān)斷時(shí)間toff——關(guān)斷延遲時(shí)間與電流下降之和電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過程，iC下降較慢

IGBT的關(guān)斷過程3.IGBT的主要參數(shù)1)最大集射極間電壓UCES

由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定2)

最大集電極電流包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP3)最大集電極功耗PCM

正常工作溫度下允許的最大功耗

IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的好處，但也引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的擊穿電壓、通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間也是需要折衷的參數(shù)IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)(1)

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力

MOSFET相當(dāng)(2)

相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR

大，且具有耐脈沖電流沖擊能力(3)

通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域(4)

輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似(5)與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)4.IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)寄生晶閘管——由一個(gè)N-PN+晶體管和作為主開關(guān)器件的P+N-P晶體管組成正偏安全工作區(qū)（FBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定

擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)：NPN晶體管基極與發(fā)射極之間存在體區(qū)短路電阻，P形體區(qū)的橫向空穴電流會(huì)在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當(dāng)于對(duì)J3結(jié)施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控動(dòng)態(tài)擎住效應(yīng):duCE/dt過大靜態(tài)擎住效應(yīng):集電極電流過大擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開始逐漸解決IGBT往往與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件開關(guān)頻率電壓電流驅(qū)動(dòng)電壓/電流型SCR低很大很大較難電流型GTO低很大很大難電流型GTR較高大大較難電流型MOSFET高小小易電壓型IGBT高大大易電壓型1.5其它新型電力電子器件1、MOS控制晶閘管MCT

MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合

MCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：

MOSFET的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、快速的開關(guān)過程

晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降一個(gè)MCT器件由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的MCT元組成，每個(gè)元的組成為：一個(gè)PNPN晶閘管，一個(gè)控制該晶閘管開通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFETMCT曾一度被認(rèn)為是一種最有發(fā)展前途的電力電子器件。因此，20世紀(jì)80年代以來一度成為研究的熱點(diǎn)。但經(jīng)過十多年的努力，其關(guān)鍵技術(shù)問題沒有大的突破，電壓和電流容量都遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期的數(shù)值，未能投入實(shí)際應(yīng)用2、靜電感應(yīng)晶體管SITSIT（StaticInductionTransistor）——1970年，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管小功率SIT器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的SIT器件多子導(dǎo)電的器件，工作頻率與電力MOSFET相當(dāng)，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場(chǎng)合在雷達(dá)通信設(shè)備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應(yīng)加熱等領(lǐng)域獲得應(yīng)用缺點(diǎn)：柵極不加信號(hào)時(shí)導(dǎo)通，加負(fù)偏壓時(shí)關(guān)斷，稱為正常導(dǎo)通型器件，使用不太方便通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大，因而還未在大多數(shù)電力電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用3、靜電感應(yīng)晶閘管SITH

SITH（StaticInductionThyristor）——1972年，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，因其工作原理與SIT類似，門極和陽(yáng)極電壓均能通過電場(chǎng)控制陽(yáng)極電流，因此SITH又被稱為場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor——FCT）

比SIT多了一個(gè)具有少子注入功能的PN結(jié)，SITH是兩種載流子導(dǎo)電的雙極型器件，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。此外，其制造工藝比GTO復(fù)雜得多，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展4、集成門極換流晶閘管IGCTIGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也稱GCT（Gate-CommutatedThyristor），20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點(diǎn)，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍，且可省去GTO龐大而復(fù)雜的緩沖電路，只不過所需的驅(qū)動(dòng)功率仍很大目前正在與IGBT等新型器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖最終取代GTO在大功率場(chǎng)合的位置5、功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊可縮小裝置體積，降低成本，提高可靠性對(duì)工作頻率高的電路，可大大減小線路電感，從而簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的要求將器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、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）1.6電力電子器件的驅(qū)動(dòng)1.6.1電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述驅(qū)動(dòng)電路——主電路與控制電路之間的接口使電力電子器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時(shí)間，減小開關(guān)損耗，對(duì)裝置的運(yùn)行效率、可靠性和安全性都有重要的意義對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：將信息電子電路傳來的信號(hào)按控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開通或關(guān)斷的信號(hào)

對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào)對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離

光隔離一般采用光耦合器，由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器圖1-25光耦合器的類型及接法a)普通型10usb)高速型1.5usc)高傳輸比型電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型

具體形式可為分立元件式的，但目前的趨勢(shì)是采用專用集成驅(qū)動(dòng)電路

雙列直插式集成電路及將光耦隔離電路也集成在內(nèi)的混合集成電路

為達(dá)到參數(shù)最佳配合，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路1.6.2晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時(shí)刻由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通廣義上講，還包括對(duì)其觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)行控制的相位控制電路晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通（擎住電流,負(fù)載性質(zhì),電路型式）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)應(yīng)有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離t1~t2脈沖前沿上升時(shí)間（<1s）t1~t3強(qiáng)脈沖寬度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT~2IGT）圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形門極觸發(fā)電流IGT:使晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必須的最小門極電流圖1-27常見的晶閘管觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)

V1、V2導(dǎo)通時(shí)，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)VD1和R3是為了V1、V2由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)脈沖變壓器TM釋放其儲(chǔ)存的能量而設(shè)強(qiáng)脈沖部分,由其他附加電路形成1.6.3典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路1.電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTOGTO的開通控制與普通晶閘管相似，但對(duì)脈沖前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整個(gè)導(dǎo)通期間施加正門極電流使GTO關(guān)斷需施加負(fù)門極電流，對(duì)其幅值和陡度的要求更高，關(guān)斷后還應(yīng)在門陰極施加約5V的負(fù)偏壓以提高抗干擾能力圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形驅(qū)動(dòng)電路通常包括開通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路和門極反偏電路三部分，可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型直接耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低二極管VD1和電容C1提供+5V電壓VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整流電路提供+15V電壓VD4和電容C4提供-15V電壓V1開通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖V2開通時(shí)輸出正脈沖平頂部分V2關(guān)斷而V3開通時(shí)輸出負(fù)脈沖V3關(guān)斷后R3和R4提供門極負(fù)偏壓圖1-29典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路：GTR開通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使之不進(jìn)入放大區(qū)和深飽和區(qū)關(guān)斷GTR時(shí)，施加一定的負(fù)基極電流有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，關(guān)斷后同樣應(yīng)在基射極之間施加一定幅值（6V左右）的負(fù)偏壓

圖1-30理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路二極管VD2和電位補(bǔ)償二極管VD3構(gòu)成貝克箝位電路，也即一種抗飽和電路，負(fù)載較輕時(shí)，如V5發(fā)射極電流全注入V，會(huì)使V過飽和。有了貝克箝位電路，當(dāng)V過飽和使得集電極電位低于基極電位時(shí)，VD2會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，使多余的驅(qū)動(dòng)電流流入集電極，維持Ubc≈0。C2為加速開通過程的電容。開通時(shí)，R5被C2短路。可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路：THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BL圖1-31

GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路2.電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路柵源間、柵射間有數(shù)千皮法的電容，為快速建立驅(qū)動(dòng)電壓，要求驅(qū)動(dòng)電路輸出電阻小使MOSFET開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般10~15V，使IGBT開通的驅(qū)動(dòng)電壓一般15~20V關(guān)斷時(shí)施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓（一般取-5~-15V）有利于減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動(dòng)器件電流額定值的增大而減小電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路:：電氣隔離和晶體管放大電路兩部分無(wú)輸入信號(hào)時(shí)高速放大器A輸出負(fù)電平,V3導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓當(dāng)有輸入信號(hào)時(shí)A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓

專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三菱公司的M57918L，其輸入信號(hào)電流幅值為16mA，輸出最大脈沖電流為+2A和-3A，輸出驅(qū)動(dòng)電壓+15V和-10V。圖1-32

電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路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）內(nèi)部具有退飽和檢測(cè)和保護(hù)環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT，并向外部電路給出故障信號(hào)M57962L輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓均為+15V左右，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為-10V。圖1-33

M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖

IGBT的驅(qū)動(dòng):

多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器

1.7電力電子器件的保護(hù)1.7.1過壓的產(chǎn)生及保護(hù)電力電子裝置可能的過電壓—外因過電壓和內(nèi)因過電壓外因過電壓

(1)

操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起

(2)

雷擊過電壓內(nèi)因過電壓

(1)換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當(dāng)恢復(fù)了阻斷能力時(shí)，該反向電流急劇減小，會(huì)由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓

(2)關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時(shí)，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓過電壓保護(hù)措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路

外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結(jié)方式見下圖RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)單相三相

保護(hù)電路參數(shù)計(jì)算可參考相關(guān)工程手冊(cè)其他措施：用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件限制或吸收過電壓大容量電力電子裝置可采用圖1-36所示的反向阻斷式RC電路圖1-36反向阻斷式過電壓抑制用RC電路1.7.2過電流保護(hù)

過電流——過載和短路兩種情況

常用措施（圖1-37）快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器同時(shí)采用幾種過電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時(shí)動(dòng)作圖1-37過電流保護(hù)措施及配置位置快速熔斷器電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護(hù)措施選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：(1)電壓等級(jí)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓確定(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定(3)快熔的I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性快熔對(duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種全保護(hù)：過載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場(chǎng)合短路保護(hù)方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用對(duì)重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件（很難用快熔保護(hù)），需采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快1.7.3保護(hù)電路緩沖電路（吸收電路）：抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗開通緩沖電路（di/dt抑制電路）——抑制器件開通時(shí)的電流過沖和