第三章電力電子技術(shù)

1、第三章 電力電子技術(shù)主要內(nèi)容：各種二極管、半控型器件-晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原則，典型全控型器件：GTO、電力MOSFET、IGBT，功率集成電路和智能功率模塊，電力電子器件的串并聯(lián)、電力電子器件的保護(hù)，電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。重點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原則，典型全控型器件。難點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)?；疽螅赫莆瞻肟匦推骷?晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，熟練掌握器件的選取原則，掌握典型全控型器件，了解電力電子器件的串并聯(lián)，了解電力電子器件的保護(hù)。1

2、電力電子器件概述(1) 電力電子器件的概念和特征主電路（main power circuit）-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（power electronic device）-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；廣義上電力電子器件可分為電真空器件和半導(dǎo)體器件兩類。兩類中，自20世紀(jì)50年代以來，真空管僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器（Mercury Arc Rectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體

3、器件。電力半導(dǎo)體器件所采用的主要材料仍然是硅。同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：a. 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。b. 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；電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（也就是開關(guān)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c. 實(shí)用中

4、，電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。d. 為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降，形成通態(tài)損耗。阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過，形成斷態(tài)損耗。在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱開關(guān)損耗。對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)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(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可

5、能成為器件功率損耗的主要因素。(2) 應(yīng)用電力電子器件的系統(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?？刂齐娐钒聪到y(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，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上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)

6、行電氣隔離，而通過其它手段如光、磁等來傳遞信號(hào)。由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過電壓和過電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。器件一般有三個(gè)端子（或稱極），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱為控制端（或控制極）。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，一般是主電路電流流出器件的端子。(3) 電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：a. 半

7、控型器件-通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(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b. 全控型器件-通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件是絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar Transistor-IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡(jiǎn)稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor-GTO）c. 不可控器件-不能用控制信號(hào)來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管（Power Diode）只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路

8、中承受的電壓和電流決定的按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動(dòng)型-通過從控制端注入或者抽出電流來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型-僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來改變流過器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)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：?jiǎn)螛O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2 不可控器件-電力二

9、極管 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用 快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位（1） PN結(jié)與電力二極管的工作原理 基本結(jié)構(gòu)和工作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) 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1-1 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)PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)，PN結(jié)的單向?qū)щ娦?；PN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

10、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CD勢(shì)壘電容只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比。而擴(kuò)散電容僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分。結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾睿踔敛荒芄ぷ?，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素： 正向?qū)〞r(shí)要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外

11、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（2） 電力二極管的基本特性a 靜態(tài)特性主要指其伏安特性當(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。b 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性-因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過渡過程，此過程中的電壓-電流特性是隨時(shí)

12、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 (3) 電力二極管的主要參數(shù)a. 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b. 正向壓降UF 指電力二極管

13、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c. 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d. 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125175ºC范圍之內(nèi)e. 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f.

14、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。(4) 電力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(fù)特性的不同介紹，在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)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(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的a. 普通二極管（General Purpose Diode） 又稱整流二極管（Rectifier Diode） 多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 其反向恢復(fù)時(shí)間較長，一般在5s以上，這在開關(guān)頻率不高時(shí)并不重要 正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上b. 快恢復(fù)二極管（F

15、ast Recovery Diode-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（Fast Recovery Epitaxial Diodes-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，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到2030ns。c. 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

16、特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode-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)用肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn) 反向恢復(fù)時(shí)間很短（1040ns） 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也很小，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，效率高肖特基二極管的弱點(diǎn) 當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)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(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3 半控型器件-晶閘管基本要求：掌握半控型器件-晶閘管的結(jié)構(gòu)、工

17、作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，熟練掌握器件的選取原則。重點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)，器件的選取原則。難點(diǎn)：晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier-SCR） 1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Laboratories）發(fā)明了晶閘管 1957年美國通用電氣公司（General Electric Company）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

18、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(1) 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 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(gè)聯(lián)接端 對(duì)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(gè)散熱器將其夾在中間Ic1=1 IA + ICBO1 （1-1）Ic2=2 IK + 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

19、ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。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。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（陽極電流）將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。其他幾種可能導(dǎo)通的情況： 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率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

20、光控晶閘管（Light Triggered Thyristor-LTT）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（2 ）晶閘管的基本特性a. 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)值以下晶閘管的伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性 IG=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

21、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。 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)b. 動(dòng)態(tài)特性1) 開通

22、過程延遲時(shí)間td：門極電流階躍時(shí)刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間上升時(shí)間tr：陽極電流從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0.5-3s2) 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)電流衰減至接近于零的時(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)?實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作關(guān)

23、斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即 tq=trr+tgr （1-7）普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。(3) 晶閘管的主要參數(shù)a. 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的23倍，b. 電流定額1) 通態(tài)平均電流IT(

24、AV) （額定電流）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(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倍正弦半波電流平均值IT (AV)、電流有效值IT 和電流最大值Im三者的關(guān)系為： （1.1） （1.2）各種有直流分量的電流波形，其電流波形的有效值I與平均值Id之比，稱為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用K f 表示。因此，在正弦半波情況下電流波形系數(shù)為： （1.3）所以，晶閘管在流過任意波形電流并考慮了安全裕量情況下的額定電流IT(AV) 的計(jì)算公式為： （1.4）在使用中還

25、應(yīng)注意，當(dāng)晶閘管散熱條件不滿足規(guī)定要求時(shí)，則元件的額定電流應(yīng)立即降低使用，否則元件會(huì)由于結(jié)溫超過允許值而損壞。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24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c. 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：a. 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

26、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b. 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(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(4) 晶閘管的派生器件a. 快速晶閘管（Fast Switching Thyristor-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)

27、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)b. 雙向晶閘管（Triode AC Switch-TRIAC或Bidirectional triode thyristor） 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（

28、Solid State Relay-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。c. 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting Thyristor-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d. 光控晶閘管（Light Triggered Thyristor-LTT） 又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管 小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個(gè)端子 大功率光控晶

29、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4 典型全控型器件基本要求：掌握典型全控型器件重點(diǎn)：典型全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問世后不久出現(xiàn) 20世紀(jì)80年代以來，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代典型代表門極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管、絕緣柵雙極晶體管(1) 門極可關(guān)斷晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管（Gate

30、-Turn-Off ThyristorGTO） 晶閘管的一種派生器件 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（2） 電力晶體管電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。 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a. GTR的結(jié)構(gòu)和工作

31、原理與普通的雙極結(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)而成一般采用共發(fā)射極接法，集電極電流ic與基極電流ib之比為 （1-9）( GTR的電流放大系數(shù)，反映了基極電流對(duì)集電極電流的控制能力)當(dāng)考慮到集電極和發(fā)射極間的漏電流Iceo時(shí)，ic和ib的關(guān)系為 ic=ib +Iceo （1-10）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b. GTR的基本特性

32、(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)(2) 動(dòng)態(tài)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 關(guān)斷過程儲(chǔ)存時(shí)間ts和下降時(shí)間tf，二者之和為關(guān)斷時(shí)間toffts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I

33、b2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都短很多c. GTR的主要參數(shù)前已述及：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toff此外還有：1) 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)BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> BUceo實(shí)際使用時(shí)，為確保安全，最高工作電壓要比BUceo低得多2)

34、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1/21/3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)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(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度d. 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)（Safe Operating A

35、reaSOA）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1-14 GTR的安全工作區(qū)(3) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 也分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率Field Effect TransistorFET） 但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點(diǎn)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

36、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a. 電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理 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 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 導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電

37、流能力 按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，又分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET） 這里主要以VDMOS器件為例進(jìn)行討論 電力MOSFET的多元集成結(jié)構(gòu) 國際整流器公司（International Rectifier）的HEXFET采用了六邊形單元 西門子公司（Siemens）的SIPMOSFET采用了正方形單元 摩托羅拉公司（Motorola）的TMOS采用了矩形單元按“品”字形排列 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

38、反偏，漏源極之間無電流流過 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)體反型成N型而成為反型層，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b. 電力MOSFET的基本特性1) 靜態(tài)特性 漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性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)Gfs MOSFET的漏極伏安特性（輸出特性）： 截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截

39、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2) 動(dòng)態(tài)特性u(píng)p脈沖信號(hào)源，Rs信號(hào)源內(nèi)阻，RG柵極電阻，RL負(fù)載電阻，RF檢測(cè)漏極電流 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tr uGS從uT上升到MOSFET進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓UGSP的時(shí)間段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

40、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 開通時(shí)間ton開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和 開通過程 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 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)斷時(shí)間toff關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和 MOSFET的開關(guān)速度 MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系 使用者無法降低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)

41、存效應(yīng)，因而關(guān)斷過程非常迅速 開關(guān)時(shí)間在10100ns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。c. 電力MOSFET的主要參數(shù)跨導(dǎo)Gfs、開啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外，還有1) 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CDS

42、 廠家提供：漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容CrssCiss= CGS+ CGD （1-14）Crss= CGD （1-15）Coss= CDS+ CGD （1-16） 輸入電容可近似用Ciss代替 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力MOSFET的安全工作區(qū) 一般來說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題，這是它的一大優(yōu)點(diǎn) 實(shí)際使用中仍應(yīng)注意留適當(dāng)?shù)脑Ａ?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

43、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-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT） GTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的特性 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a. IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EIGBT的結(jié)構(gòu) 圖1-19aN溝道VDMOSFET與GTR組合N溝道IGBT（N-IGBT） IGBT比V

44、DMOSFET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

45、內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷b. 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+25(C時(shí)，UGE(th)的值一般為26V 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 與MOSFET的相似，因?yàn)殚_通過程中IGBT在大部分時(shí)間作為M

46、OSFET運(yùn)行 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% ICM 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。tfv1IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過程；tfv2MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過程 IGBT的關(guān)斷過程 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)間與電流下降時(shí)間之和 電流下降時(shí)間又可分

47、為tfi1和tfi2兩段。tfi1IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過程，iC下降較快；tfi2IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)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(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MOSFET IGBT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)c. 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的特性和參數(shù)特點(diǎn)(1) 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗

48、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)d. 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 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

49、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)比靜態(tài)擎住效應(yīng)所允許的集電極電流小 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)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5 電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)(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

50、、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磁隔離的元件通常是脈沖變壓器電流驅(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

51、選所用器件生產(chǎn)廠家專門開發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路(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（結(jié)合擎住電流的概念）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 (3) 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路a. 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(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)

52、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 GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離和晶體管放大電路兩部分二極管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Ubc0。C2為加速開通過程的電容。開通時(shí)，R5被C2短路?？蓪?shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的過沖，并增加前沿的陡度，加快開通圖1-26GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路：THOMSON公司的UAA4002和三菱公司的M57215BLb. 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路

53、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1015V，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)電壓圖1-27電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路專為驅(qū)動(dòng)電力MOSFET而設(shè)計(jì)的混合集成電路有三

54、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。IGBT的驅(qū)動(dòng)多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器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。7 電力電子器件器件的保護(hù)重點(diǎn)：了解電力電子器件的保護(hù) (1) 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(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主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因a. 操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起b. 雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程a. 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b. 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)出的過電壓電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，其功能已屬緩沖電路外因過電壓