第一章電力電子器件1wxj

第一章電力電子器件1-wxj2023/12/28第一章電力電子器件1wxj1.1電力電子器件概述一、電力電子器件的分類按照器件的控制能力分為以下三類：半控型器件：晶閘管（ThyristororSCR）及其大部分派生器件其特征是：控制極只能控制器件導通，不能控制關斷。全控型器件：IGBT、MOSFET、GTO、GTR其特征是：控制極可以控制器件導通和關斷。不可控器件：二極管(PowerDiode)■2第一章電力電子器件1wxj1.1電力電子器件概述按照器件控制信號特征分為兩類：電流驅動型——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制，如SCR、GTR、GTO電壓驅動型——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)導通或者關斷的控制，其本質是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場控器件，或場效應器件，如IGBT、MOSFET■3第一章電力電子器件1wxj1.1電力電子器件概述按照器件內部載流子參與導電的情況分為三類：單極型器件——由一種載流子參與導電的器件，如MOSFET雙極型器件——由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件，如SCR、GTR、GTO復合型器件——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件，如IGBT■4第一章電力電子器件1wxj1.1電力電子器件概述二、電力電子器件的一般工作特征：（1）電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)；（2）電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制－－驅動電路、控制電路；（3）工作時由于通態(tài)損耗、開關損耗等引起發(fā)熱，在其工作時一般都要考慮散熱設計或安裝散熱器?！?第一章電力電子器件1wxj1.1電力電子器件概述三、本章重點（１）電力電子器件功率二極管（快恢復管、肖特基管）晶閘管（SCR）電力晶體管（GTR）功率場效應晶體管（P-MOSFET）絕緣柵雙極型復合晶體管（IGBT）（２）電力電子器件的應用技術典型器件的驅動特點及要求緩沖電路的結構與設計方法■6第一章電力電子器件1wxj1.1電力電子器件概述器件知識重點：

了解器件靜態(tài)特性、動態(tài)特性，掌握器件開關控制的基本方法，建立靜態(tài)損耗、動態(tài)損耗、器件安全工作區(qū)的概念，初步掌握器件的應用選擇器件應用技術重點：

理解設置驅動電路的原因、常用驅動電路技術；設置緩沖吸收電路的原因、緩沖吸收電路基本結構、應用設計方法?！?第一章電力電子器件1wxj1.2功率二極管

1.2.1功率二極管的主要類型

1.2.2

功率二極管的基本特性

1.2.3功率二極管的主要參數(shù)■8第一章電力電子器件1wxj1.2.1功率二極管的主要類型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5

s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(shù)千安和數(shù)千伏以上■9第一章電力電子器件1wxj1.2.1功率二極管的主要類型2.快速恢復二極管（FastRecoveryDiode—FRD）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(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。分為PN結型結構和PIN結構兩種。采用外延型PIN結構的的快速恢復外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes—FRED），其反向恢復時間比較短（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?！?0第一章電力電子器件1wxj1.2.1功率二極管的主要類型3.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■肖特基功率二極管結構圖11第一章電力電子器件1wxj1.2.1功率二極管的主要類型肖特基二極管的優(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?。ㄒ话?.5V左右），明顯低于快速恢復二極管（一般1V左右）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■12第一章電力電子器件1wxj

1.2.1功率二極管的主要類型功率二極管封裝結構

從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝

電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號a)外形b)結構c)電氣圖形符號■13第一章電力電子器件1wxj1.2.2功率二極管的基本特性1.靜態(tài)伏安特性具有單向導電性正偏時：二極管導通，通態(tài)壓降1V左右。通態(tài)損耗：（表現(xiàn)形式為發(fā)熱）反偏時：在達到擊穿電壓前，僅有很小的反向漏電流流過。在達到擊穿電壓后，反向電流急劇增加?！?4第一章電力電子器件1wxj

1.2.2功率二極管的基本特性功率二極管的靜態(tài)伏安特性■15第一章電力電子器件1wxj1.2.2功率二極管的基本特性2.功率二極管的動態(tài)特性因結電容的存在，開與關狀態(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。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。

說明：功率二極管開通時間很短，一般可以忽略不計，但二極管的關斷過程較復雜，對電路的影響不能忽視。

■16第一章電力電子器件1wxj1.2.2功率二極管的基本特性■關斷過程：導通狀態(tài)的二極管關斷須經(jīng)過一個短暫的反向恢復過程才能進入截止狀態(tài)；在恢復過程中有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖，如左圖。延遲時間：td=t1-t0

電流下降時間：tf=t2-t1反向恢復時間：trr=td+tf恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間的比值

tf/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。關斷損耗：一個開關周期內關斷過程產(chǎn)生的損耗：

正向偏置轉換為反向偏置

其中：T為開關周期17第一章電力電子器件1wxj1.2.2功率二極管的基本特性開通過程：功率二極管的正向壓降先出現(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）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr，開通過程電壓與電流的乘積形成開通損耗：■零偏置轉換為正向偏置其中：T為開關周期18第一章電力電子器件1wxj1.2.2功率二極管的基本特性注意：

二極管開通、關斷均有個過程，需要一定的時間，在此動態(tài)過程中二極管的單向導電性能不典型，正向表現(xiàn)高阻（穩(wěn)態(tài)時表現(xiàn)為低阻），反向呈現(xiàn)低阻（穩(wěn)態(tài)時表現(xiàn)為高阻）,開關動態(tài)過程產(chǎn)生動態(tài)損耗，當動態(tài)時間與工作頻率決定的開關周期相近時，二極管不能正常整流，損耗很大。

■19第一章電力電子器件1wxj1.2.3功率二極管的主要參數(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功率二極管時，其斷態(tài)損耗造成的發(fā)熱效應也不小■20第一章電力電子器件1wxj1.2.3功率二極管的主要參數(shù)對于正弦半波電流，假定其電流峰值為IM，則其平均值為

其正弦半波電流的有效值為定義某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)，用表示，即■21第一章電力電子器件1wxj1.2.3功率二極管的主要參數(shù)正弦半波電流的波形系數(shù)實際使用中，流過二極管的電流波形形狀并不是一定的，各種周期性的電流波形都有一個電流有效值，依據(jù)有效值相等的原則，如果功率二極管所流過的最大電流有效值為I，則其二極管額定電流一般選擇為

式中的系數(shù)是安全系數(shù)，系數(shù)1.57為正弦半波的波形系數(shù)。

■22第一章電力電子器件1wxj1.2.3功率二極管的主要參數(shù)2.正向壓降UF指功率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(shù)表中也給出在指定溫度下流過某一瞬態(tài)正向大電流時器件的最大瞬時正向壓降3.反向重復峰值電壓URRM指對功率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，往往按照電路中功率二極管可能承受的反向最高峰值電壓的2倍左右來選定

■23第一章電力電子器件1wxj1.2.3功率二極管的主要參數(shù)4.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?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度TJM通常在125~175

C范圍之內5.反向恢復時間trrtrr=td+tf

，關斷過程中，電流降到0起到恢復反向阻斷能力為止的時間6.浪涌電流IDSM指功率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。

■24第一章電力電子器件1wxj課堂思考：

半波整流電路，輸入正弦電壓值100V，頻率

10kHz，電流有效值10A，如何選擇二極管？■25第一章電力電子器件1wxj選擇要點：耐壓選擇：擊穿電壓大于280V正向開通時間、反向恢復時間：遠小于100

s通態(tài)平均電流：按有效值相等原則，選擇電流值并留有一定余量?！?6第一章電力電子器件1wxj1.3半控型器件——晶閘管

1.3.1晶閘管的結構與工作原理

1.3.2晶閘管的基本特性

1.3.3晶閘管的主要參數(shù)

1.3.4晶閘管的派生器件■27第一章電力電子器件1wxj1.3.1晶閘管的結構與工作原理一、晶閘管簡介晶閘管（Thyristor）：又稱晶體閘流管，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(chǎn)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（如：雙向晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管等）■28第一章電力電子器件1wxj1.3.1晶閘管的結構與工作原理二、晶閘管的結構與封裝

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(lián)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(lián)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

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■29第一章電力電子器件1wxj1.3.1晶閘管的結構與工作原理三、晶閘管基本工作特性當SCR的陽極和陰極電壓，即EA下正上負(與圖示方向相反)時，無論門極G是否有電流，白熾燈不亮，說明SCR始終處于關斷狀態(tài)；當時，即EA上正下負(與圖示方向相同)，只有時，白熾燈才能點亮。說明SCR沒有門極電流觸發(fā)時，具有正向阻斷能力；當滿足，條件時可以導通。SCR一旦導通，此時去掉EG（即再令），白熾燈仍保持點亮，說明SCR仍保持導通狀態(tài)。導通后SCR的管壓降為1V左右，主電路中的電流IA由白熾燈內阻、RW和EA的大小決定。在IA逐漸降低（通過調整RW）至某一個小數(shù)值時，剛剛能夠維持SCR導通；此時如果繼續(xù)降低IA，則SCR會關斷，該小電流稱為SCR的維持電流?！?0第一章電力電子器件1wxj1.3.1晶閘管的結構與工作原理晶閘管基本工作特性歸納：承受反向電壓時(UAK<0)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通；承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通(即UAK>0，IGK>0才能開通)；晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。

從這個角度可以看出，SCR是一種電流控制型的電力電子器件?！?1第一章電力電子器件1wxj1.3.1晶閘管的結構與工作原理四、晶閘管的工作機理在分析SCR的工作原理時，常將其等效為兩個晶體管V1和V2串級而成。其工作過程如下：

UGK>0→產(chǎn)生IG

→V2通→產(chǎn)生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出現(xiàn)強烈的正反饋，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導通。晶閘管導通后，即使去掉門極電流，仍能維持導通?！鼍чl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32第一章電力電子器件1wxj1.3.2晶閘管的基本特性1、晶閘管的靜態(tài)伏安特性第I象限的是正向特性有阻斷狀態(tài)和導通狀態(tài)之分。在正向阻斷狀態(tài)時，晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流的增加而不同的曲線簇。當IG足夠大時，晶閘管的正向轉折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣

第III象限的是反向特性晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。

■晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG33第一章電力電子器件1wxj1.3.2晶閘管的基本特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，為正向阻斷狀態(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，器件開通隨著門極電流幅值的增大，正向轉折電壓降低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(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?！?4第一章電力電子器件1wxj1.3.2晶閘管的基本特性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、電流和功率應限制在可靠觸發(fā)區(qū)。■35第一章電力電子器件1wxj1.3.2晶閘管的基本特性2.動態(tài)特性

與二極管類似，開通、關斷過程產(chǎn)生動態(tài)損耗

晶閘管的開通和關斷過程波形■36第一章電力電子器件1wxj1.3.2晶閘管的基本特性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普通晶閘管延遲時間為0.5~1.5

s，上升時間為0.5~3

s■37第一章電力電子器件1wxj1.3.2晶閘管的基本特性2)關斷過程反向阻斷恢復時間trr：正向電流降為零到反向恢復電流衰減至近于零的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普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒，這是設計反向電壓設計時間的依據(jù)。■38第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)1.電壓額定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,一般為正向轉折電壓的80％。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，一般為反向擊穿電壓的80％。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)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓（一般為2V）。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?！?9第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)2.額定電流1)

通態(tài)平均電流（額定電流）IT(AV)晶閘管在環(huán)境溫度為40

C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連續(xù)流過的單相工頻正弦半波電流的最大平均值。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額定電流。實際使用時應留一定的裕量，一般取1.5

2倍?！?0第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)對于一只額定電流IT(AV)=100A的晶閘管，允許的電流有效值應該為157A（考慮正弦半波波形系數(shù)）。對于特定電流波形，其有效值和平均值的比值成為波形系數(shù)Kf=Irms/IAV，按有效值相等原則選擇晶閘管時遵循：例：當三個不同的電流波形，分別流經(jīng)額定電流為IT(AV)=100A的晶閘管時，其允許的電流平均值為IAV不同?！?1第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)（1）正弦半波整流電流波形狀態(tài)■42第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)實際波形的平均值:實際波形的有效值:波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:這時100A的器件只能當作70A(平均值)使用.■43第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)（2）正弦全波整流電流波形狀態(tài)■44第一章電力電子器件1wxj實際波形的平均值:實際波形的有效值:實際波形的波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:這時100A的器件可當作140A(平均值)使用1.3.3晶閘管的主要參數(shù)■45第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)（3）方波半波整流電流波形狀態(tài)■46第一章電力電子器件1wxj實際波形的平均值:實際波形的有效值:實際波形的波形系數(shù):100A的器件允許的電流平均值:這時100A的器件只能當作90A(平均值)使用.1.3.3晶閘管的主要參數(shù)■47第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)2)

維持電流IH——晶閘管處于通態(tài)時，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4)

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■48第一章電力電子器件1wxj1.3.3晶閘管的主要參數(shù)3、動態(tài)參數(shù)（1）晶閘管的開通時間tgt與關斷時間tq開通與關斷時間的含義如前所述

（2）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt指在額定結溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。（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，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞?！?9第一章電力電子器件1wxj開通條件與關斷條件舉例一■50第一章電力電子器件1wxj開通條件與關斷條件舉例二■51第一章電力電子器件1wxj晶閘管應用要點：1、觸發(fā)導通條件：

UAK>0，UGK>0（或IGK>0），并有足夠的觸發(fā)功率。

一旦器件導通，門極電流就不再具有控制作用。因此，門極觸發(fā)電流可用脈沖電流，無需用直流。2、晶閘管的關斷方法：

自然關斷：在導通期間，如果要求器件返回到正向阻斷狀態(tài)，必須令門極電流為零，且將陽極電流降低到一個稱為維持電流的臨界極限值以下，并保持一段時間。

強迫關斷：通過加一反向電壓UAK<0，并保持一段時間使其關斷。在實際電路中是采用陽極電壓反向、減小陽極電壓、增大回路阻抗等方式，使陽極電流小于維持電流，使晶閘管關斷?！?2第一章電力電子器件1wxj晶閘管應用要點：3、晶閘管可靠關斷的條件：關斷時間tq：恢復晶閘管電壓阻斷能力所需的最小電路換流反壓時間。電路換流反壓時間t

：正向電流過零點與重新施加正向電壓的起點之間的時間間隔?？煽筷P斷的條件：

UAK<0(或IA<IH)，并保持一段時間t

>

tq。由于在觸發(fā)導通時積累的非平衡載流子需要恢復時間，使其可靠關斷，因此需要在t

>

tq之后再施加正向電壓而不會導通?！?3第一章電力電子器件1wxj1.3.4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用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結構和制造工藝進行了改進，開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善普通晶閘管關斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10

s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)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應■54第一章電力電子器件1wxj1.3.4晶閘管的派生器件2.雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性■55第一章電力電子器件1wxj1.3.4晶閘管的派生器件可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成有兩個主電極T1和T2，一個門極G正、反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性；門極正、負脈沖電流均可觸發(fā)導通TRIAC與一對反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟的，且控制電路簡單，在交流調壓電路、固態(tài)繼電器（SolidStateRelay——SSR）和交流電機調速等領域應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。

■56第一章電力電子器件1wxj1.3.4晶閘管的派生器件3.逆導晶閘管（ReverseConductingThyristor—RCT）將晶閘管反并聯(lián)一個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、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高等優(yōu)點逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管

的電流常應用于各類逆變器和斬波器的應用中。

■逆導晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性57第一章電力電子器件1wxj1.3.4晶閘管的派生器件

4.光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性■58第一章電力電子器件1wxj1.3.4晶閘管的派生器件又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通的晶閘管小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個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■59第一章電力電子器件1wxj1.3.4晶閘管的派生器件5、門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶閘管的一種派生器件，當UAK>0，UGK>0（或IGK>0），可以觸發(fā)導通可以通過在門極施加負的脈沖電流（IGK<0）使其關斷，屬于全控型器件（通過控制極可以控制開通、也可以控制關斷）GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用GTO的內部結構和電氣圖形符號■60第一章電力電子器件1wxj典型全控型器件

1.4電力晶體管（GTR）

■61第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）術語用法：電力晶體管（GiantTransistor—GTR，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和功率MOSFET取代■62第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）1.GTR的結構和工作原理基本原理與普通的雙極結型晶體管是一樣的主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成分為NPN和PNP兩種結構，一般為NPN結構，PNP結構耐壓低，■63第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）■64第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）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分為：截止區(qū)、有源區(qū)（放大區(qū)）和飽和區(qū)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)。在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，要經(jīng)過有源區(qū)UCEO為基極開路時集、射極之間的擊穿電壓；UCES為基極和發(fā)射極短接時集、射極之間的擊穿電壓；UCEX為發(fā)射極反偏時集、射極之間的擊穿電壓；UCBO為發(fā)射極開路時集電極與基極之間的擊穿電壓■65第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）（a）GTR共射接法（b）共射接法輸出特性■66第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）（a）截止區(qū)（又稱阻斷區(qū)）iB＝0，開關處于斷態(tài)GTR承受高電壓而僅有極小的漏電流存在集電結反偏UBC<0，發(fā)射結反偏UBE<0；或集電結反偏UBC<0，發(fā)射結偏壓為零UBE=0（b）有源區(qū)（又稱放大區(qū)或線性區(qū)）iC與iB之間呈線性關系，特性曲線近似平直UBC<0，UBE>0

對于工作于開關狀態(tài)的GTR來說，應當盡量避免工作于有源區(qū)，否則功耗很大，要快速通過有源區(qū)，實現(xiàn)截止與飽和之間的狀態(tài)轉換?！?7第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）（c）飽和區(qū)開關處于通態(tài)，iB變化時，iC不再隨之變化導通電壓和電流增益均很小UBC>0，UBE>0（d）準飽和區(qū)指有源區(qū)與飽和區(qū)之間的一段區(qū)域，即特性曲線明顯彎曲的部分iC與iB之間不再呈線性關系，UBC<0，UBE>0■68第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）（e）失控區(qū)當UCE超過一定值時，晶體管進入失控區(qū)，會導致雪崩擊穿。UCEO：基極開路，對應的反向擊穿電壓；UCEs：基極和發(fā)射極短路所對應的電壓；UCEx

:基極負偏所對應的電壓?！?9第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）（2）動態(tài)特性

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(chǎn)生的。增大IB1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

■GTR的開通和關斷過程電流波形70第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）關斷過程儲存時間ts和下降時間tf，二者之和為關斷時間toffts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，從而加快關斷速度減小導通時的飽和深度的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

■71第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）3.GTR的主要參數(shù)

電流放大倍數(shù)

、直流電流增益hFE（一般可認為

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;之外有：1）最高工作電壓UCEM

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如圖所示，有UCBO>UCEX>UCES>UCEO，實際使用時，為確保安全，最高工作電壓要比UCEO低得多

■72第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）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(chǎn)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■73第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）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，IC迅速增大，出現(xiàn)雪崩擊穿特點：在IC增大過程中，集電結電壓基本不變，只要IC不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變；二次擊穿一次擊穿發(fā)生時IC增大到某個臨界點時會突然急劇上升，并伴隨集電極電壓的陡然下降，即出現(xiàn)了負阻效應，這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。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?！?4第一章電力電子器件1wxj1.4電力晶體管（GTR）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（GTR特有）電力電子器件都有安全工作區(qū)，通常由最大工作電流、最大耗散功率、最高工作電壓構成。實際應用時器件必須工作于安全工作區(qū)的范圍內，以免損壞。GTR的安全工作區(qū)

■75第一章電力電子器件1wxj典型全控型器件

1.5功率場效應晶體管（P-MOSFET)

■76第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)基礎知識分為結型和絕緣柵型（類似小功率FieldEffectTransistor—FET）但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）簡稱功率MOSFET（PowerMOSFET）結型功率場效應晶體管一般稱靜電感應晶體管（StaticInductionTransistor——SIT）

特點——用柵極電壓來控制漏極電流驅動電路簡單，需要的驅動功率小開關速度快，工作頻率高熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR，無二次擊穿現(xiàn)象電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置■77第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)1.功率MOSFET的結構和工作原理

功率MOSFET的種類

按導電溝道可分為P溝道和N溝道

耗盡型——當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道增強型——對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道

功率MOSFET主要是N溝道增強型■78第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)MOSFET的結構圖及電路符號(a)N溝道增強型結構圖(b)N溝道增強型符號(c)P溝道增強型符號■79第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)N溝道增強型P-MOSFET的基本工作特性截止：漏源極間加正電壓偏置，柵源極間電壓為零（UDS>0，UGS=0)導電：在柵源極間加正電壓UGS當UGS>UT（開啟電壓或閾值電壓，典型值2～4V）時，漏極和源極導電■80第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)2.

P-MOSFET的靜態(tài)工作特性1）輸出特性P-MOSFET的靜態(tài)工作特性如圖所示，漏極伏安特性又稱輸出特性，可以分為三個區(qū)：可變電阻區(qū)Ⅰ，飽和區(qū)Ⅱ，擊穿區(qū)Ⅲ。電力電子電路中P-MOSFET工作在開關狀態(tài)。P-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。P-MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利?！?1第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)P－MOSFET靜態(tài)工作特性（a）漏極伏安特性（b）轉移特性（a）（b）■82第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)2）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圖中所示的UGS(th)為開啟電壓，只有時才會出現(xiàn)導電溝道，產(chǎn)生漏極電流iD?！?3第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)3、P-MOSFET的動態(tài)工作特性1）輸入等效電容模型

P-MOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存儲效應，因此開關時間很短，影響開關速度的主要是器件極間電容。輸入電容：■84第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)2）P-MOSFET的開關波形

■(a)測試電路(b)開關過程波形85第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)（1）開通過程開通延遲時間td(on)——Up前沿時刻到UGS=UGS(th)并開始出現(xiàn)iD的時刻間的時間段上升時間tr——

UGS從UGS(th)上升到MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時間段iD穩(wěn)態(tài)值由漏極電源電壓UE和漏極負載電阻RL決定UGSP的大小和iD的穩(wěn)態(tài)值有關UGS達到UGSP后，在Up作用下繼續(xù)升高直至達到穩(wěn)態(tài)，但iD已不變

開通時間ton——開通延遲時間與上升時間之和■86第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)（2）關斷過程關斷延遲時間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、iD開始減小時的時間段下降時間tf

UGS從UGSP繼續(xù)下降起，iD減小，到UGS<UGS(th)時溝道消失，

iD下降到零為止的時間段關斷時間toff

關斷延遲時間和下降時間之和■87第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)（3）MOSFET的開關速度MOSFET的開關速度和Cin充放電有很大關系：使用者無法降低Cin，但可降低驅動電路內阻Rs（即增大驅動功率）減小時間常數(shù)，加快開關速度。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（保證快速開關）。開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。MOSFET只靠多子導電，不存在少子儲存效應，因而關斷過程非常迅速。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?！?8第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)4.P-MOSFET的主要參數(shù)

除跨導gm、開啟電壓UGS(th)、td(on)、tr、td(off)和tf之外，還有：（1）漏源擊穿電壓U(BR)DSS：規(guī)定了MOS管的電壓定額（2）漏極連續(xù)直流電流ID和可重復漏極電流幅值IDM：漏極連續(xù)直流電流ID是指在最大導通壓降UDS(on)和占空比為100％（即直流）時，產(chǎn)生的功率損耗使MOS管節(jié)點溫度上升到最大值150℃（外殼溫度為100℃）時的漏極電流?？芍貜吐O電流幅值IDM是脈沖運行狀態(tài)下MOS管漏極最大允許峰值電流。（3）柵源電壓UGS：柵源之間的絕緣層很薄，

UGS

>20V將導致絕緣層擊穿■89第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)（4）極間電容

：

P-MOSFET的三個極之間分別存在極間電容CGS、CGD和CDS，一般廠家提供的是漏源極短路時的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉移電容Crss，它們之間的關系是：Ciss=CGS+CGDCrss=CGDCoss=CDS+CGD輸入電容可近似用Ciss代替，但這些電容都是非線性的?！?0第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)5.P-MOSFET的安全工作區(qū)

P-MOSFET是多數(shù)載流子工作的器件，元件的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，即溫度升高通態(tài)電阻增大，使漏極電流能隨溫度升高而下降，因而不存在電流集中和二次擊穿的限制，有較寬的安全工作區(qū)。其安全工作區(qū)由最大漏極電流限制線、最大功耗限制線、最大漏源電壓限制線、開通電阻限制線決定。

■91第一章電力電子器件1wxj1.5功率場效應晶體管(P-MOSFET)GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件■92第一章電力電子器件1wxj典型全控型器件

1.6絕緣柵雙極晶體管（IGBT)■93第一章電力電子器件1wxj1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT基礎知識絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點1986年投入市場后，取代了GTR和一部分MOSFET的市場，中小功率電力電子設備的主導器件繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位■94第一章電力電子器件1wxj1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT

1.IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號■95第一章電力電子器件1wxj1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT

（1）IGBT的結構如圖所示，N溝道MOSFET與GTR組合——N溝道IGBT（N-IGBT）IGBT比P-MOSFET多一層P+注入?yún)^(qū)，形成了一個大面積的P+N結J1使IGBT導通時由P+注入?yún)^(qū)向N基區(qū)發(fā)射少子，從而對漂移區(qū)電導率進行調制，使得IGBT具有很強的通流能力簡化等效電路表明，IGBT是GTR與MOSFET組成的達林頓結構，一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管RN為晶體管基區(qū)內的調制電阻■96第一章電力電子器件1wxj1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT

（2）IGBT的工作原理

驅動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓UGE決定導通：

UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通導通壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降小關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷■97第一章電力電子器件1wxj1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT

2.IGBT的靜態(tài)工作特性IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性b)輸出特性■98第一章電力電子器件1wxj（1）轉移特性：

IC與UGE間的關系，與MOSFET轉移特性類似。開啟電壓UGE(th)——IGBT能實現(xiàn)電導調制而導通的最低柵射電壓UGE(th)隨溫度升高而略有下降，在+25

C時，UGE(th)的值一般為2~6V（2）輸出特性（伏安特性）：

以UGE為參考變量時，IC與UCE間的關系分為四個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)、飽和區(qū)和擊穿區(qū)。UCE<0時，IGBT為反向阻斷工作狀態(tài)■1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT99第一章電力電子器件1wxj3.

IGBT的動態(tài)特性

IGBT的開關過程■1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT100第一章電力電子器件1wxj（1）IGBT的開通過程

與MOSFET的相似，因為開通過程中IGBT在大部分時間作為MOSFET運行開通延遲時間td(on)——從UGE上升至其幅值10%的時刻，到iC上升至10%ICM

電流上升時間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時間開通時間ton——開通延遲時間與電流上升時間之和UCE的下降過程分為tfv1和tfv2兩段。

tfv1——IGBT中MOSFET單獨工作的電壓下降過程；

tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時工作的電壓下降過程■1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT101第一章電力電子器件1wxj（2）IGBT的關斷過程關斷延遲時間td(off)

——從UGE后沿下降到其幅值90%的時刻起，到iC下降至90%ICM電流下降時間——iC從90%ICM下降至10%ICM關斷時間toff——關斷延遲時間與電流下降之和電流下降時間又可分為tfi1和tfi2兩段。

tfi1——IGBT內部的MOSFET的關斷過程，iC下降較快；

tfi2——IGBT內部的PNP晶體管的關斷過程，iC下降較慢IGBT中雙極型PNP晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象，因而IGBT的開關速度低于電力MOSFET■1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT102第一章電力電子器件1wxj4.IGBT的主要參數(shù)

除了前面介紹的td(on)、tr、td(off)、tf、UGE(th)之外，還包括：

1）最大集射極間電壓：包括柵射極短路時最大集射極間直流電壓UCES；柵射極開路時最大集射極間直流電壓UCEO；柵射極反偏壓時最大集射極間直流電壓UCEX。通常，由內部PNP晶體管擊穿電壓確定，與GTR不同，三者差別較小，有。

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■1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT103第一章電力電子器件1wxj1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT4）最大柵極電壓柵射極之間的電壓由柵極氧化膜厚度和特性所決定，一般應限制在20V以內，其最佳值一般取15V左右。

5.IGBT的特性和參數(shù)特點（1）開關速度高，開關損耗小。在電壓1000V以上時，開關損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當（2）相同電壓和電流定額時，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一步提高，同時保持開關頻率高的特點■104第一章電力電子器件1wxj6.IGBT的擎住效應和安全工作區(qū)

IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號■1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT105第一章電力電子器件1wxj（1）IGBT的安全工作區(qū)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（2）IGBT的擎住效應寄生晶閘管——由一個N-PN+晶體管和作為主開關器件的P+N-P晶體管組成1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT■106第一章電力電子器件1wxj1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT擎住效應或自鎖效應：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)的橫向空穴電流會在該電阻上產(chǎn)生壓降，相當于對J3結施加正偏壓，一旦J3開通，柵極就會失去對集電極電流的控制作用，電流失控動態(tài)擎住效應比靜態(tài)擎住效應所允許的集電極電流小擎住效應曾限制IGBT電流容量提高，20世紀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，成為逆導器件■107第一章電力電子器件1wxj1.6絕緣柵雙極晶體管IGBT注：電導調制效應當PN結上流過的正向電流較小時，低摻雜N區(qū)的歐姆電阻較高，當PN結上流過較大正向電流時，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導體電中性條件，其多子濃度也相應大幅度增加，從而使其電阻率明顯下降，也就是電導率大幅增加，這就是電導調制效應。

■108第一章電力電子器件1wxj

1.7其他新型電力電子器件

■109第一章電力電子器件1wxj1.7其他新型電力電子器件一、MOS控制晶閘管MCT

MOSFET與晶閘管的復合，屬于全控型器件，80年代以來一度成為研究的熱點，但經(jīng)過十多年的努力，其關鍵技術問題沒有大的突破，由于IGBT的快速發(fā)展，目前從事MCT研究的人不是很多。二、靜電感應晶體管SIT

誕生于1970年，實際上是一種結型場效應晶體管，SIT屬于多子導電的器件，工作頻率與P-MOSFET相當，甚至更高，功率容量更大，因而適用于高頻大功率場合，在雷達通信設備、超聲波功率放大、脈沖功率放大和高頻感應加熱等領域獲得應用?！?10第一章電力電子器件1wxj1.7其他新型電力電子器件三、靜電感應晶閘管SITH誕生于1972年，是在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導電類型不同的發(fā)射極層而得到，因其工作原理與SIT類似，門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流，因此SITH又被稱為場控晶閘管（FCT）。其很多特性與GTO類似，但開關速度比GTO高得多，其制造工藝比GTO復雜得多，電流關斷增益較小，因而其應用范圍還有待拓展。四、集成門極換流晶閘管IGCT

20世紀90年代后期出現(xiàn)，結合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，但開關速度比GTO快10倍，且可省去GTO龐大而復雜的緩沖電路，只不過所需的驅動功率仍很大。目前正在與IGBT等新型器件激烈競爭，試圖最終取代GTO在大功率場合的位置?！?11第一章電力電子器件1wxj1.7其他新型電力電子器件五、超大功率晶閘管

自從1957年第一只SCR問世以來，其功率容量已提高了近3000倍，現(xiàn)在許多廠家能夠生產(chǎn)8000V/4000A的晶閘管。日本能夠穩(wěn)定的生產(chǎn)8000V/4000A和6000V/6000A的光觸發(fā)晶閘管。美國和歐洲則主要生產(chǎn)電觸發(fā)晶閘管，電壓電流等級已達到4000V/6000A。六、脈沖功率閉合開關晶閘管（PPCST）

該器件特別適用于傳送極強的峰值功率（數(shù)MW）、極短的持續(xù)時間（數(shù)ns）的放電閉合開關應用場合，如：激光器、高強度照明、放電點火、電磁發(fā)射器和雷達調制器等。該器件能在數(shù)kV的高壓下快速開通，不需要放電電極，壽命長，體積小、價格低，可取代目前尚在應用的高壓離子閘流管、引燃管、火花間隙開關或真空開關等。該器件目前還未商業(yè)化。

112第一章電力電子器件1wxj1.7其他新型電力電子器件七、功率模塊與功率集成電路

自20世紀80年代中后期開始，電力電子器件的研發(fā)逐漸趨向模塊化。通常依據(jù)典型電力電子電路的拓撲結構，將多個相同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，稱為功率模塊（PowerModule）。利用模塊化技術，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，這樣的模塊稱為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit—PIC）。功率集成電路的主要技術難點在于高低壓電路之間的絕緣問題以及溫升和散熱的處理。功率集成電路實現(xiàn)了電能和信息的集成，成為機電一體化的理想接口，具有廣闊的應用前景。■113第一章電力電子器件1wxj1.8電力電子器件驅動與保護電路1.8.1典型的晶閘管觸發(fā)電路1.8.2典型的GTR驅動電路1.8.3典型的P-MOSFET和IGBT驅動電路1.8.4電力電子器件的緩沖電路1.8.5電力電子器件的過壓、過流保護■114第一章電力電子器件1wxj1.8.1典型的晶閘管觸發(fā)電路一、單結晶體管觸發(fā)電路單結晶體管觸發(fā)電路采用同步振蕩電路，解決與主電源的同步問題?！?15第一章電力電子器件1wxj1.8.1典型的晶閘管觸發(fā)電路二、脈沖變壓器耦合鋸齒波觸發(fā)電路該電路可以用于單相半波整流電路或單相橋式整流電路。當用于單相橋式整流電路時，需要兩套該電路配合同步工作。電路中由VT2、VD1、VD2、C5等元件組成同步檢測環(huán)節(jié)，其作用是利用同步電壓Ug來控制鋸齒波產(chǎn)生的時刻及鋸齒波的寬度，由VT1、VS1、R5、RP3等元件組成的恒流源電路配合VT2、VT3、C6等組成鋸齒波形成環(huán)節(jié)?？刂齐妷篣a、偏移電壓Ub和鋸齒波電壓UT在VT4基極綜合疊加，從而構成移相控制環(huán)節(jié)，VT5、VT6構成脈沖形成放大環(huán)節(jié)，脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖。

■116第一章電力電子器件1wxj1.8.1典型的晶閘管觸發(fā)電路■117第一章電力電子器件1wxj■118第一章電力電子器件1wxj1.8.1典型的晶閘管觸發(fā)電路三、晶閘管集成化觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)控制電路已有集成化的產(chǎn)品，目前主要有KC系列和KJ系列，兩者的內部電路結構大同小異，可以互換。常用的有用于單相、三相全控橋式電路的KC04、KC09和KJ004、KJ009，用于雙向晶閘管或反并聯(lián)晶閘管調相控制的KC05、KC06和KJ005、KJ006，比較新型的有TCA785、TC787等芯片，這些芯片的應用可以參考相關的應用資料。

■119第一章電力電子器件1wxj1.8.2典型的GTR驅動電路一、GTR基極驅動的基本要求

GTR基極驅動方式直接影響其工作狀態(tài)，過驅動可以加速開通，但對關斷不利，使關斷時間延長并增加關斷損耗。由于GTR的過載能力比較差，出現(xiàn)過載時通常采用切斷基極控制信號的方法進行保護。因此，GTR基極驅動電路通常在開通初期利用過驅動加速開通，同時采用淺飽和方式維持導通；關斷初始階段采用基極強抽流加速關斷，基極零電流或輕反壓維持關斷。理想GTR基極驅動波形如圖所示。■120第一章電力電子器件1wxj1.8.2典型的GTR驅動電路

理想GTR基極驅動波形■121第一章電力電子器件1wxj1.8.2典型的GTR驅動電路二、光電隔離GTR驅動電路

■122第一章電力電子器件1wxj1.8.2典型的GTR驅動電路二極管VD2和電位補償二極管VD3構成貝克鉗位電路（一種抗飽和電路），使GTR處于臨界飽和狀態(tài)。當GTR的負載較輕時，如果V5的發(fā)射極電流全部注入V，會使V過飽和，關斷時間延長。由于貝克鉗位電路的存在，當V過飽和使得集電極電位低于基極電位時，VD2就會自動導通，使多余的基極驅動電流分流，減輕飽和深度。圖中C2為加速電容，開通時R5被C2短路，這樣可以實現(xiàn)驅動電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通；同時，V5導通后C2充電，極性為左正右負，當V5關斷V6導通時（對應關斷V），C2充電電壓為V的基極施加反壓，從而加速GTR關斷。

■123第一章電力電子器件1wxj1.8.2典型的GTR驅動電路三、脈沖變壓器隔離GTR驅動電路■124第一章電力電子器件1wxj1.8.2典型的GTR驅動電路電路同樣采用了貝克鉗位的方法。當VT1基極輸入高電平時，VT1導通，通過脈沖變壓器耦合給晶體管V一個基極開通脈沖。當VT1基極輸入為零時，VT1迅速關斷，變壓器激磁電感存儲的磁能通過VD1釋放，此時在脈沖變壓器次級感應出