第二章電力電子器件

1、電力電子應(yīng)用技術(shù)第二章 電力電子器件第一章內(nèi)容總結(jié)1.1 電力電子技術(shù)的概念 一、什么是電力電子技術(shù) 二、電能形式的變換四大變換1.2 變流原理開關(guān)變流 1.2.1 一個開關(guān)的變流電路 1.2.2 單相橋式變流電路（四個開關(guān)） 1.2.3 三相橋式變流電路（六個開關(guān)）1.3 電力電子技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域三大領(lǐng)域 1.3.1 電氣傳動和電力牽引 1.3.2 電力系統(tǒng)和可再生能源 1.3.3 各種電源裝置1.4 本課程的主要內(nèi)容及學(xué)習(xí)方法 電力電子器件開關(guān) 變流電路四大基本變換 變流技術(shù)相位控制技術(shù) PWM斬波控制技術(shù) 軟開關(guān)技術(shù) 在自動化專業(yè)中的地位相當(dāng)于人的消化系 統(tǒng)，相當(dāng)于食品加工系統(tǒng) 電磁兼

2、容性 學(xué)習(xí)方法開關(guān)器件、電路工作原理、波形分 析、基本數(shù)量關(guān)系、控制技術(shù)、應(yīng)用理想開關(guān)：電力電子技術(shù)利用電力電子器件對電能進行變 換的技術(shù)變換方法開關(guān)變流：利用開關(guān)把直流電或交流 電分段或切片（甚至粉碎），然后重 新組合為希望波形的電。理想開關(guān)： 關(guān)斷（截止）時，可承受高電壓，漏電流為零。 開通（導(dǎo)通）時電壓為零，可流過足夠大電流。 可雙向?qū)ǎ⒖煞奖愕乜刂啤?導(dǎo)通與關(guān)斷過程的時間為零。最接近理想開關(guān)的器件電力電子器件，是電力 電子應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容：1、各種電力電子器件的簡單工作原理及特點2、特性： 靜態(tài)特性：陽極陰極間、控制極陰極間 動態(tài)特性3、主要參數(shù)： 靜態(tài)參數(shù)：電壓電流參數(shù)

3、（額定值、最大最小值） 動態(tài)參數(shù)：電壓電流變化率、時間4、使用方法5、目前的制造水平2.1 電力電子器件概述電力電子器件：用于電力電路中，能承受較 高的工作電壓和通過較大的工作電流，工 作于開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件在實際應(yīng)用中的作用： 變換電組成電路把已有的電變?yōu)闈M足 要求的電。結(jié)構(gòu)圖如下：電力電子器件的分類按照可控程度分為三類：不可控器件電力二極管 無控制極，無需控制電路，器件的通斷取決于主電路中的電壓和流過器件的電流。半控型器件晶閘管 只能控制導(dǎo)通，不能控制關(guān)斷。導(dǎo)通時需要有控制信號，關(guān)斷情況與不可控器件相同。全控型器件有多種 既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷。幾個概念：可控器件：半控型器件和全控型

4、器件。驅(qū)動信號：施加在可控器件控制極上的信號， 用于控制器件的導(dǎo)通與關(guān)斷。驅(qū)動電路：產(chǎn)生驅(qū)動信號的電路。控制極：用于對可控器件施加控制信號的電極可控器件的分類： 電流驅(qū)動型：控制信號為電流信號 電壓驅(qū)動型：控制信號為電壓信號 電壓驅(qū)動型器件為場控器件2.2 不可控器件電力二極管不可控器件，無控制極2.2.1 電力二極管的基本結(jié)構(gòu) 內(nèi)部為PN結(jié)，外部有陽極A和陰極K 外形：螺栓型、平板型 螺栓型通流能力小，平板型通流能力大電氣圖形符號： 2.2.2 電力二極管的基本特性 靜態(tài)特性反映陽極陰極間的電壓電流 關(guān)系 動態(tài)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換時 電壓和電流隨時間的變化波形電力二極管的靜態(tài)特性2.2

5、.3 電力二極管的主要參數(shù)1、正向平均電流IF(AV)2、正向壓降UF3、反向重復(fù)峰值電壓URRM4、最高工作結(jié)溫TJM5、浪涌電流IFSM特點：通流能力強、耐壓高、簡單可靠、價 格低廉；不可控。2.3 半控型器件晶閘管半控型器件，只能控制導(dǎo)通，不 能控制關(guān)斷，也稱可控硅（SCR）2.3.1 晶閘管的基本結(jié)構(gòu)外形（以下為其中兩種）：結(jié)構(gòu)：四層三端（三個接線端）器件，陽極A、陰極K、門極也稱控制極G三個極。下圖左邊為內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，右邊為電路圖符號。工作情況： 如果器件加正向電壓（陽極高于陰極），則J2結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，A、K兩端之間處于阻斷狀態(tài)，只能流過很小的漏電流。如果加反向電壓，則J1和J3

6、反偏，器件也處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的反向漏電流通過。在晶閘管施加正向電壓的情況下，通過從門極G上注入P2區(qū)電流IG后，使晶閘管內(nèi)部形成深度飽和而處于導(dǎo)通狀態(tài)。此時即使撤掉外電路注入門極的電流IG，晶閘管仍會維持導(dǎo)通狀態(tài)，原因是內(nèi)部已經(jīng)形成了強烈的正反饋。 若要關(guān)斷晶閘管，必須去掉正向陽極電壓，或給陽極施加反向電壓使其流過的電流降低到接近于零的某一數(shù)值以下。故對晶閘管控制極的驅(qū)動電壓持續(xù)一定時間即可，一旦晶閘管導(dǎo)通，可去掉控制電壓，即在控制極上施加脈沖電壓即可。使晶閘管導(dǎo)通的過程稱為觸發(fā)，使晶閘管導(dǎo)通的門極電流稱為觸發(fā)電流，產(chǎn)生門極觸發(fā)電流的電路稱為門極觸發(fā)電路。 2.3.2 晶閘管的基本特性晶

7、閘管的基本特性晶閘管正常工作時的特點：1) 承受反向電壓時，晶閘管總不會導(dǎo)通；2) 承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的 情況下才能導(dǎo)通；3) 一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門 極觸發(fā)電流是否繼續(xù)存在，晶閘管都保持 導(dǎo)通；4) 欲使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加 電壓和外電路的作用使其流過的電流降到 接近于零的某一數(shù)值以下。 基本特性晶閘管有三個極：陽極、陰極、控制極兩個特性：陽極伏安特性 門極伏安特性陽極伏安特性反應(yīng)陽極陰極間電壓和電 流的關(guān)系門極伏安特性反應(yīng)控制極陰極間電壓電 流的關(guān)系陽極伏安特性門極伏安特性 晶閘管的門極觸發(fā)電流是從門極流入陰極流出。陰極是晶閘管主電路與控制電路的公

8、共端。門極觸發(fā)電流是通過專門的電路（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。 從晶閘管的結(jié)構(gòu)圖可以看出，門極和陰極之間是一個PN結(jié)J3，其伏安特性（門極伏安特性）和二極管的伏安特性一致。 2.3.3 晶閘管的主要參數(shù)1電壓參數(shù) (1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM (2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM (3) 額定電壓 通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的 電壓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，一般取為正常 工作時晶閘管在線路中所承受峰值電壓的 23倍。 2電流定額(1) 通態(tài)平均電流IT(AV) 該參數(shù)是按照正向電流造成器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應(yīng)來定義的。實際使

9、用中，通過晶閘管的電流較少有工頻正弦半波。因此在使用時按照實際波形與工頻正弦半波的發(fā)熱效應(yīng)相等（有效值相等）的原則來選取晶閘管的電流定額，并留有一定的裕量。 晶閘管電流有效值IT與通態(tài)平均電流IT(AV)的關(guān)系為IT=1.57 IT(AV)，當(dāng)通過晶閘管的電流為非正弦波時，按照實際電流波形計算出有效值之后，除以1.57就得到電流平均值，在此基礎(chǔ)上考慮（1.52）倍安全裕量，所得結(jié)果向上取其整數(shù)部分，使其與器件手冊數(shù)據(jù)（IT(AV)）相同，就是我們要選擇器件的通態(tài)平均電流IT(AV)。 (2) 維持電流IH 指維持晶閘管導(dǎo)通所必需的最小電流。 (3) 擎住電流IL (4) 浪涌電流ITSM 3動

10、態(tài)參數(shù) (1)開通時間tgt和關(guān)斷時間tq (2) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt （3）通態(tài)電流臨界上升率di/dt 2.3.4 晶閘管的派生器件1快速晶閘管（FST） 快速晶閘管的關(guān)斷時間降低為數(shù)十微秒，工作頻率高達10kHz以上，主要用于高頻電路中。 快速晶閘管的耐壓能力和通流能力不如普通晶閘管高，同等容量的器件價格要貴。2雙向晶閘管 可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成 。無論承受正向還是反向電壓，均可在門極有觸發(fā)電流（正負脈沖均可）時導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖為負脈沖時靈敏度較高。 在交流調(diào)壓電路、交流無觸點開關(guān)、固態(tài)繼電器等領(lǐng)域應(yīng)用較多。 因其用于交流電路，電流的額定值采用有效值表示而不是平

11、均值。 電氣圖形符號和伏安特性 ：3逆導(dǎo)晶閘管（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，器件承受反向電壓即開通。其正向特性與晶閘管相同，反向特性與二極管正向特性相同。 電氣圖形符號和伏安特性 ：4光控晶閘管 （LTT） 利用一定波長的光信號來觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管。 電氣圖形符號和伏安特性 ： 由于采用光控，保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且還可以避免電磁干擾的影響，因此光控晶閘管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。 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 全控型器件（又稱為自關(guān)斷器件） 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通，又可 控制其關(guān)斷。

12、典型器件： 電力晶體管（GTR）、 門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、 電力場效應(yīng)晶體管（Power MOSFET）、 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。 2.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管(GTO) GTO是晶閘管的派生器件，在晶閘管問世后不久出 現(xiàn)，可用負門極信號實現(xiàn)關(guān)斷，故屬于全控型器件。優(yōu)點：耐壓高、電流大、耐浪涌能力強，與普通晶閘管接近；開通時間和關(guān)斷時間較晶閘管短. 缺點：關(guān)斷時門極電流大，是陽極電流的0.20.33倍，控制功率極大，對驅(qū)動電路、吸收回路的雜散電感特敏感，設(shè)計、制造困難很大，應(yīng)用受限。靜態(tài)特性參數(shù)與晶閘管類同，但反向重復(fù)峰值電壓僅為幾十伏，用于電路中時必須反并聯(lián)大

13、容量快速二極管。應(yīng)用：多應(yīng)用于兆瓦級以上的大功率場合。比如在電力機車及大型軋機上的大功率變頻器的開關(guān)器件。1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：由PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)組成，外部 引出三個極，即陽極、陰極和門極，與 普通晶閘管不同，GTO是一種多元的功 率集成器件，內(nèi)部包含著數(shù)百個共陽極 的小GTO元，它們的門極和陰極分別并 聯(lián)在一起。GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號工作原理 GTO與普通晶閘管的導(dǎo)通原理相似，而關(guān)斷機理則不同。普通晶閘管不能實現(xiàn)自關(guān)斷，而GTO則可在其門極加負脈沖時關(guān)斷。其主要原因有二：其一，設(shè)計器件時使GTO工作在接近臨界飽和狀態(tài)，而不進入深度飽和；其二，GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使每個

14、GTO元陰極面積很小，門極和陰極間的距離短，P2基區(qū)橫向電阻很小，從而可以用門極負電流關(guān)斷GTO。2. GTO的靜態(tài)特性GTO的靜態(tài)特性與普通晶閘管相似 3GTO的主要參數(shù) 最大可關(guān)斷陽極電流IATO 額定電流 通過門極負脈沖能關(guān)斷的最大陽極電流 正向轉(zhuǎn)折電壓UBO 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 反向擊穿電壓URO電流關(guān)斷增益Goff 最大陽極可關(guān)斷電流與門極負電流最大值之比。一般GTO的關(guān)斷增益不大，在5左右。 2.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTR）電力晶體管一種耐高壓、大電流的雙極 結(jié)型晶體管（BJT） 20世紀80年代，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管的，主要是GTR。GTR曾在中小功率斬

15、波器和變頻器上有較多應(yīng)用，目前已被IGBT和電力MOSFET所取代。 1GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理 GTR與普通雙極結(jié)型晶體管的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性很相似，都是由兩個PN結(jié)組成的三層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，即PNP和NPN型兩種結(jié)構(gòu)。2電力晶體管的基本特性靜態(tài)特性：指共射極接法時的輸出特性。特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。在電力電子電路中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，與截止區(qū)和飽和區(qū)相對應(yīng)。但在開關(guān)過程中，需要經(jīng)過放大區(qū)。 3電力晶體管的主要參數(shù)(1) 最高工作電壓額定值 指最高集電極電壓額定值。若GTR上所加的電壓超過該值時，就會發(fā)生擊穿。為防止在使用過程中電壓超過限制值而損壞器件，需考慮留有（23倍

16、實際電壓最大值）安全裕量及設(shè)置過電壓保護措施。 (2) 最大工作電流額定值(3) 最高結(jié)溫額定值(4) 最高功耗額定值2.4.3 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管 電力場效應(yīng)晶體管簡稱電力MOSFET，屬于場控型器件（指用電壓信號控制工作電流的器件）。優(yōu)點：輸入阻抗高，所需驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快（10100ns），工作頻率可達500KHZ甚至MHZ以上，是目前工作頻率最高的電力電子器件，此外還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和抗干擾性能。缺點：電流容量小，耐壓低、通態(tài)電阻大（提高耐壓時通態(tài)電阻急劇增大），功率等級低。應(yīng)用：多用于功率不超過10kW的電力電子裝置（高性能開關(guān)電源、斬波器、逆變器等

17、）。1電力場效應(yīng)晶體管的基本結(jié)構(gòu) 電力MOSFET的外部結(jié)構(gòu)也是由柵極G、源極S和漏極D組成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，是多元集成結(jié)構(gòu)，一個器件由許多個小MOSFET元按一定的方式組合而成。等效電路和電氣圖形符號： 電力MOSFET的導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，應(yīng)用中主要使用N溝道增強型。 在柵極和源極間所加正向電壓UGS大于某一電壓值UT（開啟電壓）時，形成漏極電流ID，使得電力MOSFET開通。UGS超過UT越多，導(dǎo)通能力越強。從等效電路可以看到，電力MOSFET存在極間寄生電容、體內(nèi)寄生二極管和寄生晶體管。極間寄生電容分別為柵源極電容Cgs，柵漏極電容Cgd，漏源極電 容Cds，這些電容是影響開關(guān)動

18、態(tài)特性的關(guān) 鍵參數(shù)。體內(nèi)寄生二極管為漏極電流提供 了一個反向通路，使電力MOSFET成為一 電流雙向開關(guān)。該二極管的反向恢復(fù)時間 長達數(shù)微秒甚至十微秒以上，影響了 MOSFET的反向恢復(fù)過程，在某些感性負 載的逆變電路中，不能夠替代常規(guī)的快恢 復(fù)二極管。 2電力場效應(yīng)晶體管的基本特性(1) 轉(zhuǎn)移特性 轉(zhuǎn)移特性漏極直流電流ID和柵源間電 壓UGS的關(guān)系。 轉(zhuǎn)移特性用以反應(yīng)輸入電壓和輸出電流的關(guān)系。當(dāng)UGSUT時，ID近似為零，當(dāng)UGSUT時，隨著UGS的增大ID也增大，并且增大的速度很快。當(dāng)ID較大時，ID與UGS的關(guān)系近似為線性，且斜率很大。 MOSFET是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入

19、電流非常小。 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 (2) 輸出特性 輸出特性以柵源電壓UGS為參變量，反應(yīng)漏極電流ID與漏極電壓UDS關(guān)系的曲線族，其實就是漏極伏安特性。 特性分為四個區(qū)：截止區(qū)、飽和區(qū)、非飽和區(qū)、擊穿區(qū)（圖中未畫出）。 開關(guān)狀態(tài)下電力MOSFET工作在非飽和區(qū)和截止區(qū)，二者之間轉(zhuǎn)換時需經(jīng)過飽和區(qū)過渡。3電力場效應(yīng)晶體管的主要參數(shù)(1) 漏極電壓 當(dāng)UGS=0時，漏極和源極之間所能承受的最大電壓，這是標稱電力MOSFET額定電壓的參數(shù)，決定其最高工作電壓。 (2) 漏極直流電流和漏極脈沖電流幅值 (3) 柵源電壓UGS 造成柵極源極之間絕緣層擊穿的電壓稱為柵源電壓。當(dāng)UGS2

20、0V將發(fā)生介質(zhì)擊穿。 (4)開啟電壓UT 2.4.4 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBT） GTR的特點： 雙極型（兩種載流子參與導(dǎo)電）器件，電流驅(qū)動型，飽和壓降低，通流能力強，但開關(guān)速度較低、驅(qū)動功率較大以及控制電路相對復(fù)雜。電力MOSFET的特點： 單極型（一種載流子參與導(dǎo)電）器件，電壓驅(qū)動型，開關(guān)速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動功率小和控制簡單，但它存在通態(tài)電阻較大和電流容量較小的缺點。 IGBT的產(chǎn)生 把GTR（飽和壓降低，通流能力強）和電力MOSFET（電壓驅(qū)動、開關(guān)速度快、輸入阻抗高）的優(yōu)點相結(jié)合、取長補短，就產(chǎn)生了絕緣柵雙極晶體管（IGBT或IGT），是目前應(yīng)用

21、極為廣泛的新一代自關(guān)斷電力電子器件。 IGBT一般為15400A、4001200V器件，硬開關(guān)頻率達20KHz，軟開關(guān)頻率達100 KHz。高電壓大電流的IGBT可達3200V/1300A，逐步取代GTR和電力MOSFET,而且也占領(lǐng)了GTO、晶閘管的部分應(yīng)用領(lǐng)域。1絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的基本結(jié)構(gòu)IGBT是三端器件: 柵極G、集電極C和發(fā)射極E。IGBT簡化等效電路和電氣圖形符號: 簡單工作原理 IGBT的開通和關(guān)斷是由門極電壓UG來控制的。當(dāng)在門極G上施加正向電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，使得PNP晶體管的基極得到電流以使IGBT導(dǎo)通；當(dāng)在門極上施加反向電壓時，MOSFET內(nèi)的溝道

22、消失，切斷了PNP晶體管的基極電流使得IGBT關(guān)斷。2絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的基本特性(1) 轉(zhuǎn)移特性 集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系。 當(dāng)集電極發(fā)射極間電壓UCE為負時，IGBT不導(dǎo)通；當(dāng)UCE為正時，有兩種可能：若門極電壓UG小于開啟電壓UGE（th），器件呈正向阻斷狀態(tài)；若UG大于UGE（th），器件導(dǎo)通。UG大于UGE（th）后的大部分范圍內(nèi)，集電極電流IC與UGE為線性關(guān)系。 (2) 輸出特性 描述以柵射電壓UGE為參考變量時，集電極電流IC與集射極電壓UCE之間的關(guān)系， 此特性與GTR的輸出特性相似。 IGBT的輸出特性分三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。對應(yīng)G

23、TR的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。 當(dāng)UCE0時，IGBT為反向阻斷狀態(tài)； 正向阻斷區(qū)當(dāng)UCE0且UGEUGE（th）時，IGBT為正向阻斷狀態(tài)； 有源區(qū)當(dāng)UCE0且UGEUGE（th）時，IGBT進入正向?qū)щ姞顟B(tài)，IC與UCE呈線性關(guān)系，與UGE無關(guān)； 飽和區(qū)輸出曲線明顯彎曲的部分，IC與UCE不再是線性關(guān)系。 電力電子電路中，IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間轉(zhuǎn)換，需經(jīng)有源區(qū)過渡。3絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的主要參數(shù) (1) 最高集射極間電壓UCER (2) 最高柵射極間電壓 UGER (3) 集電極通態(tài)電流IC (4) 集電極最大功耗 PCM (5) 集射極間飽和電壓 UC

24、E(sat) (6)最大允許結(jié)溫TjM 4. IGBT模塊 IGBT模塊把若干個IGBT封裝在一塊 IGBT的廣泛應(yīng)用促進了其模塊的快速發(fā)展，根據(jù)應(yīng)用和技術(shù)要求，IGBT模塊的封裝形式有一單元模塊、二單元模塊、三單元模塊、四單元模塊和六單元模塊等形式。 (1) IGBT模塊的主要參數(shù) 最高集射電壓、集射間飽和電壓、集電極通態(tài)電流、集電極最大功耗 (2) 二單元IGBT模塊 二單元IGBT模塊是由兩個IGBT和兩個反并聯(lián)二極管所組成 。 可以把IGBT和二極管反并聯(lián)理解為一個開關(guān)。 (3) 三單元IGBT模塊2.4.5 功率集成模塊功率集成模塊(PIM)和智能功率模塊和智能功率模塊(IPM)功率

25、集成模塊（PIM）多個相同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。優(yōu)點：縮小了裝置的體積，降低了成本，提高了可靠性，簡化了安裝工藝，方便了維修，對工作頻率較高的電路，減少了連線產(chǎn)生的分布電感，從而簡化了吸收或緩沖電路。 功率集成電路（PIC） 功率集成電路（PIC）將電力電子器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路集成在一個芯片上 功率集成電路的技術(shù)難點：既有高壓又有低壓，二者之間的絕緣、器件溫升和散熱的有效處理智能功率模塊（IPM）只將保護和驅(qū)動電路與IGBT器件集成在一起，在一定程度上回避了這兩個難點1、功率集成模塊(PIM) 功率集成模塊各種電

26、力電子器件相互串聯(lián)、并聯(lián)組成的形式多樣的模塊。多單元IGBT模塊就是功率集成模塊。單相不可控整流橋功率集成模塊 ：IGBT組成的三相橋功率集成模塊 2.智能功率模塊(IPM)IPM集成電路的組成IGBT模塊、驅(qū)動電 路和保護電路三部分。IPM電路的封裝形式有四種：單管封裝（一單元），1200V/400A以上采用；雙管封裝（二合一型）應(yīng)用最多 六合一封裝 七合一封裝一般1200V/100A以下采用2.5 其他全控型電力電子器件其他全控型電力電子器件2.5.1 靜電感應(yīng)晶體管(SIT) SIT是一種源漏電流受柵極上的外加垂直電場控制的垂直溝道場效應(yīng)晶體管。 SIT是一種多子導(dǎo)電的器件，其工作頻率與

27、電力MOSFET相當(dāng)，甚至超過電力MOSFET，而功率容量比電力MOSFET大，適用于高頻大功率場合。應(yīng)用：在雷達通信設(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)域有應(yīng)用。應(yīng)用不廣泛。缺點：柵極在不加任何信號時是導(dǎo)通的，加負偏壓時 關(guān)斷；且通態(tài)電阻較大，通態(tài)損耗也大。2.5.2 靜電感應(yīng)晶閘管(SITH) SITH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。工作原理與SIT類似，其門極和陽極電壓均能通過電場控制陽極電流。優(yōu)點：通態(tài)電阻小，正向壓降低，允許電流密度大，耐壓高，開關(guān)速度快，工作頻率高，損耗小，工作溫度高等。缺點：制造工藝復(fù)雜，在關(guān)斷時需要較大的門極驅(qū)動

28、電流。2.5.3 集成門極換流晶閘管（IGCT） IGCT =門極換流晶閘管+門極單元 IGCT將GTO芯片、反并聯(lián)二極管和極低電感的門極驅(qū)動電路集成在一起，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管低通態(tài)損耗的優(yōu)點，在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。特點： 電流大、阻斷電壓高、開關(guān)頻率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、導(dǎo)通損耗低等，且制造成本低，成品率高。 無需吸收電路，響應(yīng)快，特別有利于器件的串聯(lián)應(yīng)用工況。應(yīng)用場合： 主要用于高壓場合，無3000V以下的低壓器件（而IGBT一般在3000V以下，3000V以上很少）。用于特大功率電力電子成套裝置，如中壓調(diào)速傳動、大功率電化學(xué)變流器和鐵路牽

29、引、高壓直流輸電、有源電力濾波器、無功補償裝置等領(lǐng)域。2.5.4 電子注入增強柵晶體管（電子注入增強柵晶體管（IEGT） IEGT是耐壓達3kV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強注入的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了低通態(tài)電壓。 IEGT兼有IGBT和GTO兩者的某些優(yōu)點：低飽和壓降、寬安全工作區(qū)（吸收回路容量僅為GTO的1/10左右）、低柵極驅(qū)動功率（比GTO低2個數(shù)量級）、較高的工作頻率。通過模塊封裝方式還可提供眾多派生產(chǎn)品，在大、中容量變流器應(yīng)用中被寄予厚望。 2.6 寬禁帶電力電子器件寬禁帶電力電子器件 疑問：硅是不是最適合于制造電力電子器件的材料？具備怎樣一些特性的半導(dǎo)體材料更適合于制造電力電子器件？ 電力電子器件經(jīng)過近40年的發(fā)展，其表現(xiàn)基本上是器件原理和結(jié)構(gòu)上的改進和創(chuàng)新，在材料的使用上沒有逾越硅的范圍。隨著硅材料和硅工藝的日趨完善，各種硅器件的性能逐漸趨近其理論極限，而電力電子技術(shù)的發(fā)展希望器件的性能更高、器件的功率和頻率能夠得到更高程度地兼顧。 碳化硅和氮化鎵等寬禁帶新型半導(dǎo)