第1章 電力電子器件概述

1、1-1半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通過(guò)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。不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：1-2電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可

2、實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：1-31.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開(kāi)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，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1 1）快速晶閘管快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST)1-41.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件2 2）雙向晶雙向晶閘管閘

3、管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor）圖1-10 雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a) 電氣圖形符號(hào) b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2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。在第和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。不用平均值而用有效值不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值來(lái)表示其額定電流值。DATASHEET1-51.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件3) 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG

4、=0圖1-11 逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(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)。1-61.3.4 晶閘管的派生器件晶閘管的派生器件4) 光控晶閘光控晶閘管（管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12 光控晶閘管的電氣圖形符號(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。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)

5、合。1-71.4 典型全控型器件典型全控型器件1-81.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言門極可關(guān)斷晶閘管在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)嶄新時(shí)代。典型代表門極可關(guān)斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管P-MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT。1-91.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊1-101.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^(guò)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

6、的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）1-111.4.1 門極可關(guān)斷晶門極可關(guān)斷晶閘管閘管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)相同點(diǎn)： PNPN四層四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出三端三端“陽(yáng)極A、陰極K和門極G”。和普通晶閘管的不同點(diǎn)不同點(diǎn)：GTO是一種多元多元的功率集成器件的功率集成器件。c)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK圖1-13 GTO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1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-121.4.1 門極可

7、關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型雙晶體管模型來(lái)分析。 RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。是器件臨界導(dǎo)通的條件。由P1N1P2和N1P2N2構(gòu)成的兩個(gè)晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1和 2 2 。1-131.4.1 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管GTO能夠通過(guò)門極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別區(qū)別：設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控 制靈敏，易于GTO。導(dǎo)通時(shí)1+

8、2更接近1，導(dǎo)通時(shí)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。 多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小橫向電阻很小，能從門極抽抽出出較大電流。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2b)圖1-7 晶閘管的工作原理1-141.4.1 門極可關(guān)斷晶閘門極可關(guān)斷晶閘管管GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和飽和程度較淺程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dtdi/dt能力強(qiáng) 。 由上述分析我們可以得到以下結(jié)論結(jié)論：1-151.

9、4.1 門極可關(guān)斷門極可關(guān)斷晶閘管晶閘管（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4） 電流關(guān)斷增益電流關(guān)斷增益 off 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200A 。 GTO額定電流。 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比（1-8）GMATOoffII1-161.4.2 電力晶體管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

10、Power BJT。 應(yīng)用：應(yīng)用：20世紀(jì)80年代以來(lái)，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。術(shù)語(yǔ)用法術(shù)語(yǔ)用法：1-17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(kāi)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 。1.4.2 電力晶體管電力晶體管1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理圖1-15 GTR的結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和內(nèi)部載流子的流動(dòng) a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 電氣圖形符號(hào) c) 內(nèi)部載流子的流動(dòng)1-181.4.2 電力晶體管電力晶體管在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射

11、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)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 。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。bcii空穴流電子流c)EbEcibic=ibie=(1+ )ib1）GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-191.4.2 電力晶體管電力晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性：截止區(qū)截止區(qū)、放大區(qū)放大區(qū)和飽飽和區(qū)和區(qū)。在電力電子電路中GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。截止區(qū)截止區(qū)、飽和飽和區(qū)區(qū)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過(guò)渡時(shí)，要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。但是，工作在開(kāi)

12、關(guān)狀態(tài)！截止區(qū)放大區(qū)飽和區(qū)OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce圖1-16 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2）GTR的基本特性的基本特性1-201.4.2 電力晶體管電力晶體管一次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時(shí)，Ic迅速增大。只要Ic不超過(guò)限度，GTR一般不會(huì)損壞，工作特性也不變。 二次擊穿二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時(shí)，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久（熱）損壞，或者工作特性明顯衰變 。安全工作區(qū)安全工作區(qū)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。SOAOIcIcMPSBPcMUceUceM圖1-18 GTR的安

13、全工作區(qū)4) GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)1-211.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型結(jié)型和絕緣柵型絕緣柵型通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET）。簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET） 特點(diǎn)特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)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(kāi)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(guò)10kW的電力電子裝置 。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管1-221.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的種類

14、的種類 按導(dǎo)電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當(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)型增強(qiáng)型對(duì)于N（P）溝道溝道器件，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)型溝道增強(qiáng)型。1）電力）電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理1-231.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電力MOSFET的結(jié)

15、構(gòu)和電氣圖形符號(hào)1-241.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管小功率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。電力電力MOSFET的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)1-251.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止截止：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(guò)。導(dǎo)電導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS 當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層反型層，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 。N+GSDP溝道b)N+N-SGDPPN+N+N+溝道a)GSDN溝道圖1-19圖1-19 電

16、力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力電力MOSFET的工作原理的工作原理1-261.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關(guān)系的關(guān)系稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性。ID較大時(shí)，ID與與UGS的關(guān)系近似線性，曲線的斜率定義為跨導(dǎo)跨導(dǎo)Gfs。010203050402468a)10203050400b)1020 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A圖1-20 電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出

17、特性2）電力）電力MOSFET的基本特性的基本特性1-271.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止區(qū)截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(qū)）飽和區(qū)飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的放大區(qū)）非飽和區(qū)非飽和區(qū)（對(duì)應(yīng)GTR的飽和區(qū)）工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。圖1-20電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性MOSFET的漏極伏安特性的漏極伏安特性：010203050402468a)10203050400b)10 20 305040飽和區(qū)非飽和區(qū)截止區(qū)ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID

18、/A1-281.4.3 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管開(kāi)關(guān)時(shí)間在10100ns之間，工作頻率工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的?。ㄆ骷萘孔钚。┳罡叩模。ㄆ骷萘孔钚。?場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中僅需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。 開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)速度1-291.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件絕緣柵雙極晶體管IGBTGTR和MOSFET復(fù)合，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)。1986年投入市場(chǎng)，是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

19、的地位。 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(kāi)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(kāi)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。1-301.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極 柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 b) 簡(jiǎn)化

20、等效電路 c) 電氣圖形符號(hào)1-311.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 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)導(dǎo)通通：uGE大于開(kāi)啟電壓開(kāi)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。通態(tài)壓降通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷關(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。 IGBT的原理的原理1-32a)b)O有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加1.4.4 絕緣柵雙

21、極晶體管絕緣柵雙極晶體管2) IGBT的基本特性的基本特性 (1) IGBT的靜態(tài)特性的靜態(tài)特性圖1-23 IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a) 轉(zhuǎn)移特性 b) 輸出特性轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性IC與UGE間的關(guān)系(開(kāi)啟電開(kāi)啟電壓壓UGE(th)輸出特性輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。1-331.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。 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。通態(tài)壓降比VDMOSFET低。（GTR特點(diǎn)）輸 入 阻 抗 高 ， 輸 入 特 性 與 M

22、O S F E T 類 似 。（ MOSFET特點(diǎn)）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(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn) 。 1-341.4.4 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)： 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 。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。 反向偏置安全工作區(qū)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集電極功耗確定。 正偏安全工作區(qū)正偏安全工作區(qū)（FBSOA）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。擎住效應(yīng)曾限制IGBT電流

23、容量提高，20世紀(jì)90年代中后期開(kāi)始逐漸解決。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(kāi)通，柵極就會(huì)失去對(duì)集電極電流的控制作用，電流失控。1-351.5 其他新型電力電子器件其他新型電力電子器件1-361.5.1 MOS控制晶閘管控制晶閘管MCTMCT結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)：承受極高di/dt和du/dt，快速的開(kāi)關(guān)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗小。高電壓，大電流、高載流密度，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(kāi)通的MOSFET，和一個(gè)控制該晶閘管關(guān)斷的MOSFE

24、T。其關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題沒(méi)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。MCTMOSFET與晶閘管的復(fù)合與晶閘管的復(fù)合1-371.5.2 靜電感應(yīng)晶體管靜電感應(yīng)晶體管SITSIT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)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)通正常導(dǎo)通型型器件，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。SIT結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管1-381.5.3 靜電感應(yīng)晶閘管靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITHSI

25、TH通態(tài)壓降低、通流能力強(qiáng)。其很多特性與GTO類似，但開(kāi)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，電流關(guān)斷增益較小，因而其應(yīng)用范圍還有待拓展。SITH場(chǎng)控晶閘管1-391.5.4 集成門極換流晶閘集成門極換流晶閘管管IGCTIGCT20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(kāi)關(guān)速度快10倍?？墒∪TO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動(dòng)功率仍很大驅(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。1-401.5.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路20世紀(jì)80年代中后期

26、開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱為功率模塊功率模塊?？煽s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，稱為功率集成電路功率集成電路（Power Integrated CircuitPIC）?；靖拍罨靖拍?-411.5.5 功率模塊與功率集成電路功率模塊與功率集成電路高壓集成電路高壓集成電路HVIC。智能功率集成電路智能功率集成電路SPIC。智能功率模塊智能功率模塊IPM。實(shí)際應(yīng)用實(shí)際應(yīng)用電路電路1-421.6 電力電子器件器件的驅(qū)動(dòng)電力電子

27、器件器件的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)電路觸發(fā)電路全控全控驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路1-431.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述使電力電子器件工作在較理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)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。一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)。對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路主電路與控制電路之間的接口1-441.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述 驅(qū)動(dòng)電路還要提

28、供控制電路與主電路之間的電電氣隔離氣隔離環(huán)節(jié)，一般采用光隔離或磁隔離光隔離或磁隔離。 光隔離一般采用光耦合器光耦合器 磁隔離的元件通常是脈沖變壓器脈沖變壓器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1圖1-25 光耦合器的類型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高傳輸比型1-451.6.1 電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述電力電子器件驅(qū)動(dòng)電路概述按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分，可分為電流驅(qū)動(dòng)型電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型。驅(qū)動(dòng)電路具體形式可為分立元件分立元件的，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

29、，首選所用器件生產(chǎn)廠家專門開(kāi)發(fā)的集成驅(qū)動(dòng)電路。分類分類1-461.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路作用作用：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。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：（基本要求）：（基本要求）脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。-足夠的寬度。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。除非電壓、電流有一定的過(guò)沖，但是又不超過(guò)門極電壓、電流和功率定額。在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。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。有一定的移相范圍。tIIMt1t2t3t4圖1-26理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2脈沖前沿上升時(shí)間（1s）t1t3強(qiáng)脈寬

30、度IM強(qiáng)脈沖幅值（3IGT5IGT）t1t4脈沖寬度I脈沖平頂幅值（1.5IGT2IGT）晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路1-471.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。 V1、V2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。圖1-27 常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路1-481.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1) GTOGTO的開(kāi)通控制開(kāi)通控制與普通晶閘管相似。GTO關(guān)斷控制關(guān)斷控制需施加負(fù)門極電流。圖1-28推薦的GTO門極電壓電流波形OttOu

31、GiG1) 電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路正的門極電流5V的負(fù)偏壓GTO驅(qū)動(dòng)電路通常包括開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電路、關(guān)斷驅(qū)關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路動(dòng)電路和門極反偏電路門極反偏電路三部分，可分為脈沖變脈沖變壓器耦合式壓器耦合式和直接耦合直接耦合式式兩種類型。1-491.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路直接耦合式驅(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。目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。圖1-29 典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路1-501.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)通驅(qū)動(dòng)電流應(yīng)使GTR處于準(zhǔn)準(zhǔn)飽和飽和導(dǎo)通狀態(tài)，使

32、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)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（一定幅值（6V左右）的負(fù)偏左右）的負(fù)偏壓壓。tOib 圖1-30 理想的GTR基極驅(qū)動(dòng)電流波形(2) GTR1-511.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路，包括電氣隔離電氣隔離和晶體管放大電路放大電路兩部分。VD1AVVS0V+10V+15VV1VD2VD3VD4V3V2V4V5V6R1R2R3R4R5C1C2圖1-31GTR的一種驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)GTR的集成驅(qū)動(dòng)電路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M5721

33、5BL較為常見(jiàn)。1-521.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路電力MOSFET和IGBT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件電壓驅(qū)動(dòng)型器件。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(kāi)通的驅(qū)動(dòng)電壓一般1015V，使IGBT開(kāi)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。在柵極柵極串入一只低值電阻低值電阻可以減小寄生振蕩。2) 電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路1-531.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(1) 電力電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路：電氣隔離電氣隔離和晶體管放

34、大電路晶體管放大電路兩部分圖1-32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。 1-541.6.3 典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路典型全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路(2) IGBT的驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)圖1-33M57962L型IGBT驅(qū)動(dòng)器的原理和接線圖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）。 多采用專用的混合集成驅(qū)動(dòng)器。1-551.7 電力電子器件器件

35、的保護(hù)電力電子器件器件的保護(hù)1-561.7.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)外因過(guò)電壓：外因過(guò)電壓：主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)操作過(guò)程等外因操作過(guò)電壓操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起雷擊過(guò)電壓雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起內(nèi)因過(guò)電壓：內(nèi)因過(guò)電壓：主要來(lái)自電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程換相過(guò)電壓換相過(guò)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，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(guò)電壓。關(guān)斷過(guò)電壓關(guān)斷過(guò)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(guò)電壓。電力電子裝置可能的過(guò)電壓電力電子裝置可能的過(guò)電壓外因過(guò)電壓外因過(guò)電壓和內(nèi)因內(nèi)因過(guò)電壓過(guò)電

36、壓1-571.7.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)過(guò)電壓保護(hù)措施過(guò)電壓保護(hù)措施圖1-34過(guò)電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過(guò)電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻過(guò)電壓抑制器RC3閥器件換相過(guò)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(guò)電壓抑制用RCD電路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(guò)電壓的措施，屬于緩沖電路范疇。1-581.7.2 過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流過(guò)載過(guò)載和短路短路兩種情況保護(hù)措施負(fù)載觸發(fā)電路開(kāi)關(guān)電路過(guò)電流繼電器交流

37、斷路器動(dòng)作電流整定值短路器電流檢測(cè)電子保護(hù)電路快速熔斷器變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器同時(shí)采用幾種過(guò)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(guò)電流繼電器整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作。圖1-37過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置1-591.7.2 過(guò)電流保護(hù)過(guò)電流保護(hù)全保護(hù)：過(guò)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)：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，需采用電子電路進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置過(guò)電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快 ?？烊蹖?duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)全保護(hù)和短路保護(hù)短路