電力電子技術(shù)（第2版） 第2章 電力電子器件

第2章電力電子器件2/89電力電子器件的概述■電力電子器件的概念

◆電力電子器件（PowerElectronicDevice）是指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。

?主電路：在電氣設(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。

?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(lèi)，目前往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。

3/89■電力電子器件的特征

◆所能處理電功率的大小，也就是其承受電壓和電流的能力，是其最重要的參數(shù)，一般都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。

◆為了減小本身的損耗，提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

◆由信息電子電路來(lái)控制

,而且需要驅(qū)動(dòng)電路。

◆自身的功率損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，在其工作時(shí)一般都需要安裝散熱器。

電力電子器件的概述電力電子器件的系統(tǒng)組成圖2-34電力電子整體系統(tǒng)框圖-----電力電子器件的分類(lèi)絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）不可控器件電力二極管（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。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(chēng)自關(guān)斷器件。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全控型器件通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷,不需要驅(qū)動(dòng)電路。1)半控型器件

按加在器件控制端和公共端之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)性質(zhì)：

按器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電情況：

1)

電流驅(qū)動(dòng)型

1)

單極型器件2)

電壓驅(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)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制2)

雙極型器件3)

復(fù)合型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成電力電子器件的分類(lèi)2.1——電力二極管■電力二極管（PowerDiode）自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備當(dāng)中?！鲈诓捎萌匦推骷碾娐分须娏ΧO管往往是不可缺少的，特別是開(kāi)通和關(guān)斷速度很快的快恢復(fù)二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。

圖2-1電力二極管實(shí)物圖性能反向恢復(fù)時(shí)間反向耐壓普通二極管>5us數(shù)千伏快恢復(fù)二極管快速恢復(fù)二極管>幾百ns<1200V超快速恢復(fù)二極管<100ns肖特基二極管10~40ns<200V名稱(chēng)表2-1電力二極管性能比較2.1電力二極管

2.1.3PN結(jié)與電力二極管的工作原理a)外形b)基本結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)圖2-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

■電力二極管是以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)的,實(shí)際上是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線(xiàn)以及封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)圖2-3PN結(jié)的形成

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱(chēng)為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱(chēng)為耗盡層、阻擋層或勢(shì)壘區(qū)。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空間電荷區(qū)P型區(qū)N型區(qū)內(nèi)電場(chǎng)2.1.3PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)外加正向電壓（正偏），即正接P區(qū)，負(fù)接N區(qū)，外加電場(chǎng)與PN結(jié)自建電場(chǎng)方向相反，使得多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，形成擴(kuò)散電流，在內(nèi)部造成空間電荷區(qū)變窄，而在外電路上形成自P區(qū)流入N區(qū)的電流，稱(chēng)為正向電流IF。

圖2-4PN結(jié)正向偏置

2.1.3PN結(jié)與電力二極管的工作原理當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓（反向偏置）時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。將電源正極接到PN結(jié)的N端，且電源負(fù)極接到PN結(jié)P端時(shí)，為反向電壓。外加電場(chǎng)與PN結(jié)自建電場(chǎng)方向相同，此時(shí)外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，加劇漂移的進(jìn)行，從而形成反向電流IR。

圖2-5PN結(jié)反向偏置

2.1.3PN結(jié)與電力二極管的工作原理2.1.3PN結(jié)與電力二極管的工作原理

■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴舢?dāng)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱(chēng)為正向電流IF，這就是PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)。

◆當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，反向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，被稱(chēng)為反向截止?fàn)顟B(tài)。

二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。

PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)

雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿(永久性擊穿）2.1.3PN結(jié)與電力二極管的工作原理與信息電子電路中的二極管相比，電力二極管具有怎樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)才使得它具有耐受高電壓和大電流的能力？電力二極管在P區(qū)和N區(qū)之間多了一層低摻雜N區(qū)，也稱(chēng)漂移區(qū)。低摻雜N區(qū)由于摻雜濃度低而接近于本征半導(dǎo)體，就可以承受很高的電壓而不被擊穿。

電力二極管與信息電子電路中的普通二極管的區(qū)別

由于電力二極管正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)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，而且其引線(xiàn)和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響；再加上其承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線(xiàn)和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大的影響。此外，為了提高器件的反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。1.靜態(tài)特性（伏安特性）圖2-6電力二極管的靜態(tài)特性2.1.4電力二極管的基本特性當(dāng)正向電壓大到一定值（門(mén)檻電壓UTO

），正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF。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。2.動(dòng)態(tài)特性2.1.4電力二極管的基本特性電力二極管的動(dòng)態(tài)特性專(zhuān)指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性，體現(xiàn)在零偏置、正向偏置和反向偏置這三個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程。圖2-7電力二極管正向偏置換為反向偏置時(shí)動(dòng)態(tài)特性

2.動(dòng)態(tài)特性2.1.4電力二極管的基本特性圖2-7電力二極管正向偏置換為反向偏置時(shí)動(dòng)態(tài)特性

可以看出，當(dāng)原處于正向?qū)顟B(tài)的電力二極管的外加電壓突然從正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，電力二極管并不能立即關(guān)斷，而是要經(jīng)過(guò)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(guò)沖。延遲時(shí)間：td=t1-t0,

電流下降時(shí)間：tf=t2-t1

反向恢復(fù)時(shí)間：trr=td+tf

恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值Sr

＝tf/td，（恢復(fù)系數(shù)）2.動(dòng)態(tài)特性2.1.4電力二極管的基本特性圖2-8電力二極管零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置時(shí)動(dòng)態(tài)特性圖2-8給出了電力二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置時(shí)，其動(dòng)態(tài)過(guò)程中的電流和電壓隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。從波形圖中可以看出，先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降UF。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間tfr。2.1.5電力二極管主要參數(shù)1.正向平均電流IF(AV)正向平均電流IF(AV)指在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。也將該電流標(biāo)稱(chēng)為器件的額定電流。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正弦半波波形的正向平均電流IF(AV)與其有效值IF之比為１∶１.57，即正向平均電流IF(AV)對(duì)應(yīng)的有效值為1.57IF(AV)。2323如手冊(cè)上某電力二極管的額定電流為100A，說(shuō)明：允許通過(guò)平均值為100A的正弦半波電流；允許通過(guò)正弦半波電流的幅值為314A；允許通過(guò)任意波形的有效值為157A的電流；在以上所有情況下其功耗發(fā)熱不超過(guò)允許值。2.1.5電力二極管主要參數(shù)2.1.5電力二極管主要參數(shù)2.正向壓降UF

正向壓降UF指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3.反向重復(fù)峰值電壓URRM

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。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。4.最高工作結(jié)溫TJM

最高工作結(jié)溫TJM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.浪涌電流IFSM

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(guò)電流。某電路中，流過(guò)電力二極管的電流的有效值為628A，暫不考慮安全裕量，則應(yīng)該選取額定值電流為多少的電力二極管？課堂練習(xí)26/892.2半控器件—晶閘管·引言■晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被簡(jiǎn)稱(chēng)為可控硅。

■1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLaboratories）發(fā)明了晶閘管，到1957年美國(guó)通用電氣公司（GeneralElectric）開(kāi)發(fā)出了世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年使其商業(yè)化?！鲇捎谄淠艹惺艿碾妷汉碗娏魅萘咳匀皇悄壳半娏﹄娮悠骷凶罡叩模夜ぷ骺煽?，因此在大容量的應(yīng)用場(chǎng)合仍然具有比較重要的地位。晶閘管及模塊2.2半控型器件-晶閘管

晶閘管這個(gè)名稱(chēng)往往專(zhuān)指普通晶閘管（SCR），但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。晶閘管還應(yīng)包括許多類(lèi)型的派生器件。包括快速晶閘管（FST）、雙向晶閘管（TRIAC）、逆導(dǎo)晶閘管（RCT）和光控晶閘管（LTT）等。在本書(shū)中所說(shuō)的晶閘管都是指普通晶閘管。2.2晶閘管

普通晶閘管也可稱(chēng)為可控硅整流管（SiliconControlledRectifier）簡(jiǎn)稱(chēng)SCR。耐壓高、電流容量大（目前可以達(dá)到4.5KA/6.5KV），開(kāi)通的可控性。已被廣泛應(yīng)用于可控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域。是低頻（200HZ以下）、大功率變流裝置中的主要器件。晶閘管（Thyristor）、可控硅整流器（SCR）2.2

晶閘管圖2-10晶閘管實(shí)物圖30封裝形式：螺栓式和平板式。冷卻方式：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷和水冷。

2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的外形小電流塑封式小電流螺旋式大電流螺旋式大電流平板式圖形符號(hào)2.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1－6晶閘管所使用的散熱器

晶閘管是大功率器件，工作時(shí)將產(chǎn)生大量的熱量，因此，必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管可以緊栓在鋁制散熱器上，采用自然散熱冷卻方式，如圖1－6（a）所示。平板式晶閘管由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊緊的夾在中間，散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷，以獲得較好的散熱效果，如圖1－6（b）、（c）所示。圖2-11晶閘管的外形、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)外形有螺栓型和平板型等幾種封裝快速晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，門(mén)極可關(guān)斷晶閘管，雙向晶閘管，光控晶閘管等，下面我們討論普通晶閘管。2.2.1

晶閘管結(jié)構(gòu)2.2.2

晶閘管工作原理圖2-12晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷電路實(shí)驗(yàn)圖晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晶閘管陽(yáng)極和陰極承受正向電壓，控制極和陰極承受正向電壓，一旦導(dǎo)通，控制極失去控制。換而言之，晶閘管只能通過(guò)門(mén)極控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷，因此晶閘管才被稱(chēng)為半控型器件。Ic1=1IA+ICBO1

Ic2=2IK+ICBO2

IK=IA+IG

IA=Ic1+Ic2

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：

圖2-13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)(121CBO2CBO1G2Aaaa+-++=IIIIRNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)2.2.2

晶閘管工作原理晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷原理2.2.2

晶閘管工作原理

由以上式（2-1）~（2-4）可得(2.7)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(lái)之后，迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。飽和導(dǎo)通：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(huà)，流過(guò)晶閘管的電流IA，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。2.2.2

晶閘管工作原理

綜上所述，要使晶閘管導(dǎo)通，必須同時(shí)具備下列兩個(gè)條件：①晶閘管承受正向電壓；②在門(mén)極有觸發(fā)電流（在門(mén)極和陰極之間加上正向門(mén)極電壓）。

當(dāng)晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用，不論門(mén)極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。

要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須滿(mǎn)足的條件為：利用外加電壓或外電路的作用使流過(guò)晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。38

陽(yáng)極電壓太高，晶閘管擊穿；陽(yáng)極電壓du/dt太大，引起導(dǎo)通；結(jié)溫太高，漏電流增大引起導(dǎo)通；光觸發(fā)：光直接照射在硅片上產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生觸發(fā)電流。晶閘管的可能觸發(fā)導(dǎo)通的其它條件2.2.3晶閘管的基本特性一、晶閘管的伏安特性晶閘管陽(yáng)極、陰極之間的電壓Ua與陽(yáng)極電流Ia的關(guān)系，稱(chēng)為晶閘管的伏安特性。圖1－8晶閘管陽(yáng)極伏安特性圖中物理量定義如下：UDRM、URRM--正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（UDRM=0.8UDSM、URRM=0.8URSM）UDSM、URSM--正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UBO――正向轉(zhuǎn)折電壓URO――反向轉(zhuǎn)折電壓2.2.3晶閘管基本特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓UBO，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。2.2.3晶閘管基本特性反向特性和二極管的反向特性極其類(lèi)似。承受反向陽(yáng)極電壓，呈現(xiàn)反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有很小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管永久性發(fā)熱損壞。（2）反向特性42晶閘管的門(mén)極伏安特性門(mén)極和陰極之間有PN結(jié)上的正向門(mén)極電壓與所加的門(mén)極電流之間的關(guān)系。(即表示加在門(mén)極和陰極間電壓UGK與門(mén)極觸發(fā)電流IG之間的關(guān)系。)

2.2.3

晶閘管基本特性

2.動(dòng)態(tài)特性圖2-15晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.3

晶閘管基本特性◆開(kāi)通過(guò)程

?由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過(guò)程需要時(shí)間，再加上外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽(yáng)極電流的增長(zhǎng)不可能是瞬時(shí)的。?延遲時(shí)間td

(0.5~1.5s)

上升時(shí)間tr(0.5~3s)

開(kāi)通時(shí)間ton=td+tr?延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減小,上升時(shí)間除反映晶閘管本身特性外，還受到外電路電感的嚴(yán)重影響。提高陽(yáng)極電壓,延遲時(shí)間和上升時(shí)間都可顯著縮短。晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2.2.3

晶閘管基本特性◆關(guān)斷過(guò)程

?由于外電路電感的存在，原處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，其陽(yáng)極電流在衰減時(shí)必然也是有過(guò)渡過(guò)程的。

?反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr

正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr

關(guān)斷時(shí)間toff=trr+tgr?關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。

?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)?，而不是受門(mén)極電流控制而導(dǎo)通。2.2.4

晶閘管主要參數(shù)1.電壓定額及動(dòng)態(tài)參數(shù)（1）斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓UDRM。其是當(dāng)門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管的正向峰值電壓，重復(fù)頻率為50次/s，電壓持續(xù)時(shí)間為10ms以?xún)?nèi)。國(guó)標(biāo)規(guī)定斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時(shí)電壓）UDSM的90%（見(jiàn)圖2-14）。斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo。（2）斷態(tài)反向重復(fù)峰值電壓URRM

。其是當(dāng)門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管的反向峰值電壓，重復(fù)頻率為50次/s，電壓持續(xù)時(shí)間為10ms以?xún)?nèi)。規(guī)定反向重復(fù)峰值電壓URRM為反向不重復(fù)峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%（見(jiàn)圖2-14）。反向不重復(fù)峰值電壓應(yīng)低于反向擊穿電壓。2.2.4

晶閘管主要參數(shù)1.電壓定額及動(dòng)態(tài)參數(shù)（3）額定電壓UTN。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)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓UTM的2~3倍。（4）通態(tài)（峰值）電壓UT

。其是指晶閘管通以某一規(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。通態(tài)電壓UT影響元件的損耗與發(fā)熱，應(yīng)選用通態(tài)電壓小的元件。（5）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

。在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)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。電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。

2.2.4

晶閘管主要參數(shù)2.電流定額及動(dòng)態(tài)參數(shù)（1）通態(tài)平均電流IT(AV)

。國(guó)標(biāo)規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(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(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。

當(dāng)電流的峰值為Im時(shí)，IT(AV)和Im的關(guān)系為：從而通而正弦半波電流的有效值為：過(guò)對(duì)正弦半波電流的換算可知，正向平均電流IT(AV)對(duì)應(yīng)的有效值為1.57IT(AV)，即：考慮器件過(guò)載能力，實(shí)際選擇時(shí)應(yīng)有1.5~2倍的安全裕量，即：（2）維持電流IH

在室溫下且門(mén)極開(kāi)路時(shí)，元件從較大的通態(tài)電流降至剛好能保持導(dǎo)通所需的最小陽(yáng)極電流稱(chēng)為維持電流IH。維持電流IH一般約為幾十毫安，同時(shí)維持電流與器件的容量、結(jié)溫等因數(shù)有關(guān)，結(jié)溫愈高，維持電流愈小，維持電流大的元件容易關(guān)斷。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下器件的IH的實(shí)測(cè)值。（3）掣住電流IL

在晶閘管的門(mén)極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件從阻斷狀態(tài)剛轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)就撤掉觸發(fā)電壓，此時(shí)晶閘管要保持繼續(xù)導(dǎo)通所需要的最小陽(yáng)極電流，稱(chēng)為掣住電流IL。對(duì)同一個(gè)晶閘管而言，掣住電流IL要比維持電流IH大2～4倍。2.2.4

晶閘管主要參數(shù)2.電流定額及動(dòng)態(tài)參數(shù)2.2.4

晶閘管主要參數(shù)2.電流定額及動(dòng)態(tài)參數(shù)（4）浪涌電流ITSM

。其是指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。（5）通態(tài)電流臨界上升率di/dt。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，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。2.2.4

晶閘管主要參數(shù)型號(hào)通態(tài)平均電流（A）斷態(tài)正反向重復(fù)峰值電壓（V）門(mén)極觸發(fā)電壓（V）斷態(tài)電壓臨界上升率（du/dt）通態(tài)電流臨界上升率（di/dt）額定結(jié)溫（°C）門(mén)極觸發(fā)電流(mA)浪涌電流（A）KP55100~3000≤3.525~100025~5001003~3090KP1010≤3.51005~70190KP2020≤3.51005~100380KP3030≤3.51005~100560KP5050≤3.51008~150940KP100100≤411510~2501880KP200200≤411510~2503770KP300300≤511520~3005650KP500500≤511520~3009420KP800800≤511530~35014920KP10001000≤511530~35018600表1-2KP型晶閘管主要參數(shù)表2.2.4

晶閘管主要參數(shù)【例1-1】某電路中，流過(guò)晶閘管的電流的有效值為314A，可能承受的峰值電壓為150V，考慮安全裕量，則應(yīng)該選取額定值電流、額定電壓分別為多少的晶閘管，應(yīng)選擇晶閘管元件型號(hào)？解：晶閘管的額定電流為：晶閘管的額定電壓為：查晶閘管主要參數(shù)表1-2得出，可選擇晶閘管型號(hào)為KP300-4（即額定電流300A，額定電壓400V）的晶閘管。

2.3.1GTO結(jié)構(gòu)

2.3.2GTO工作原理

2.3.3GTO基本特性

2.3.4GTO主要參數(shù)2.3

門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）2.3.1GTO結(jié)構(gòu)圖2-16門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO實(shí)物圖2.3.1GTO結(jié)構(gòu)

a)各單元的陰極、門(mén)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)圖2-17GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)GTO屬于全控型器件。GTO的結(jié)構(gòu)和普通晶閘管一樣，是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。與普通晶閘管一樣，可以用圖所示的雙晶體管模型來(lái)分析。

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理1+2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件，大于1導(dǎo)通，小于1則關(guān)斷。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和2

。2.3.2GTO工作原理RNPNPNPAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是因?yàn)榕c普通晶閘管相比有如下特點(diǎn)：設(shè)計(jì)器件時(shí)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于控制GTO。導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1，導(dǎo)通時(shí)接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但是導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

多元集成結(jié)構(gòu)，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。

2.3.2GTO工作原理GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。

GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程更快，承受di/dt能力更強(qiáng)。

由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：2.3.2GTO工作原理開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管相同關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和。下降時(shí)間tf尾部時(shí)間tt—?dú)埓孑d流子復(fù)合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)。門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，ts越短。Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6

圖2-18

GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形GTO的動(dòng)態(tài)特性2.3.3GTO基本特性——

延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流的增大而增大?！?/p>

一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。下降時(shí)間一般小于2s。（2）關(guān)斷時(shí)間toff（1）開(kāi)通時(shí)間ton

不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)。

許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)。2.3.4GTO主要參數(shù)（3）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（4）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(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A

?！狦TO額定電流。

——最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益。2.3.4GTO主要參數(shù)

型號(hào)斷態(tài)重復(fù)最大電壓/V可關(guān)斷陽(yáng)極電流/A通態(tài)電壓/V浪涌電流/A門(mén)極反向峰值電壓/VDGT304SE600-13006002.2400016DG386L600-250010002.8700016DG606SH600-250020002.81400016DG758SH600-450025003.41600016表2.3部分GTO的主要參數(shù)表

2.4.1GTR結(jié)構(gòu)

2.4.2GTR工作原理

2.4.3GTR基本特性

2.4.4GTR主要參數(shù)2.4

電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT）2.4.1GTR結(jié)構(gòu)圖2-19電力晶體管GTR的實(shí)物圖GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個(gè)PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，有PNP和NPN兩種類(lèi)型。2.4.1GTR結(jié)構(gòu)a）NPN型b）PNP型圖2-20GTR基本結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

2.4.2GTR工作原理圖2-21共射極晶體管內(nèi)部載流子的流動(dòng)示意圖GTR通常工作在正偏(ib>0)時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)；反偏(ib≤0)時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)。因此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它將工作于導(dǎo)通和截止的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。如圖2-21所示，集電極電流ic與基極電流ib之比為：2.4.2GTR工作原理單管GTR的

值一般小于10，所以通常采用兩個(gè)晶體管組成的達(dá)林頓接法來(lái)有效地增大電流增益，如圖2-22所示。達(dá)林頓GTR的特點(diǎn)是電流增益高、輸出管不會(huì)飽和并且關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)。

a）NPN型b）PNP型圖2-22達(dá)林頓GTR

1、靜態(tài)特性2.4.3GTR基本特性圖2-23共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域，GTR工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。但在開(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)，一般要經(jīng)過(guò)放大區(qū)。2.4.3GTR基本特性

2、動(dòng)態(tài)特性（1）開(kāi)通過(guò)程圖2-24GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形td表示延遲時(shí)間，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；tr表示上升時(shí)間。td與tr二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton，一般開(kāi)通時(shí)間為納秒數(shù)量級(jí)。增大基極驅(qū)動(dòng)電流ib的幅值并增大dib/dt，可以縮短td，同時(shí)也可以縮短tr，從而加快開(kāi)通過(guò)程。2.4.3GTR基本特性

2、動(dòng)態(tài)特性（2）關(guān)斷過(guò)程圖2-24GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形ts表示儲(chǔ)存時(shí)間，是用來(lái)除去飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存在基區(qū)的載流子的；tf表示下降時(shí)間。ts與tf兩者之和為關(guān)斷時(shí)間toff，而ts是toff的主要部分，關(guān)斷時(shí)間的數(shù)值在微秒數(shù)量級(jí)。減小導(dǎo)通時(shí)的儲(chǔ)存的載流子，或者增大基極抽取負(fù)電流Ib2幅值和負(fù)偏壓，可以縮短ts，從而加快關(guān)斷速度。2.4.4GTR主要參數(shù)（1）電壓參數(shù)。電壓參數(shù)體現(xiàn)了GTR的耐壓能力。該電壓超過(guò)一定值時(shí)，就會(huì)發(fā)生擊穿。擊穿電壓符合以下關(guān)系：實(shí)際使用GTR時(shí)，為了確保安全，最高工作電壓UTM要比BUceo低得多，即:2.4.4GTR主要參數(shù)（2）直流電流增益hFE。表示GTR的電流放大能力，為直流工作時(shí)集電極電流和基極電流之比。（3）集電極最大允許電流IcM。規(guī)定直流電流放大系數(shù)hFE下降到額定值1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。實(shí)際使用時(shí)要留有較大裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)。（4）集電極最大耗散功率PcM

。指在最高工作溫度下允許的耗散功率。產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中在給出PcM時(shí)總是同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。型號(hào)集電極電流/A集射極擊穿電壓/V電流增益

飽和壓降/VTCD30/U20100352.0TC12080080.5TC1530100101.0DT34150105080.6DT46200120090.4DT63450500111.25DT100300120051.0DT500800100071.5DT800120040071.0MD150S10001501000602MD300S10003001000602表2.4國(guó)產(chǎn)GTR元件的主要參數(shù)表2.4.5擊穿和安全工作區(qū)圖2-25GTR的安全工作區(qū)

2.5.1

電力MOSEFT結(jié)構(gòu)

2.5.2電力MOSEFT工作原理

2.5.3電力MOSEFT基本特性

2.5.4電力MOSEFT主要參數(shù)2.5

電力MOSEFT2.5.1

電力MOSEFT結(jié)構(gòu)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffect

Transistor，F(xiàn)ET）分為結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。通常把絕緣柵型中的MOS型，簡(jiǎn)稱(chēng)電力MOSFET（PowerMOSFET），其是一種單極型的電壓控制全控型器件。圖2-26電力MOSFET實(shí)物圖2.5.1

電力MOSEFT結(jié)構(gòu)

a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖

b)電氣圖形符號(hào)圖2-27電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)電力MOSFET按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道，具有3個(gè)引腳，其中S為源級(jí)，G為柵極，D為漏極。在電力MOSFET中，主要是N溝道增強(qiáng)型。2.5.2

電力MOSEFT工作原理如圖2-27a所示，電力MOSFET截止時(shí)：當(dāng)漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時(shí)，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)。電力MOSFET導(dǎo)通時(shí)：在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會(huì)將其P區(qū)中空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。當(dāng)UGS大于閾值電壓UT時(shí)，使P型半導(dǎo)體反型成N型半導(dǎo)體，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。UGS超過(guò)UT越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，漏極電流ID越大。2.5.3

電力MOSEFT基本特性1.靜態(tài)特性電力MOSFET的靜態(tài)特性表現(xiàn)為轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性圖2-28電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

2.5.3

電力MOSEFT基本特性2.動(dòng)態(tài)特性圖2-29電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程波形（1）開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通時(shí)間ton=td(on)+tri+

tfv

，其中tfv表示電壓下降時(shí)間；td(on)是開(kāi)通延遲時(shí)間，表示從up前沿時(shí)刻到UT并開(kāi)始出現(xiàn)漏極電流iD時(shí)刻的時(shí)間；tr是電流上升時(shí)間，表示iD從零上升到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。2.5.3

電力MOSEFT基本特性2.動(dòng)態(tài)特性圖2-29電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程波形（2）關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfi，其中，td(off)表示關(guān)斷延遲時(shí)間；trv表示電壓上升時(shí)間；tfi表示電流下降時(shí)間。電力MOSFET不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而其關(guān)斷過(guò)程是非常迅速的。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，其工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。2.5.4

電力MOSEFT主要參數(shù)（1）漏極電壓UDS

：標(biāo)稱(chēng)電力MOSFET電壓定額的參數(shù)。（2）漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

：標(biāo)稱(chēng)電力MOSFET電流定額的參數(shù)。（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。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(lái)說(shuō)，電力MOSFET不存在二次擊穿的問(wèn)題，因此安全工作區(qū)范圍較寬。

2.6.1IGBT結(jié)構(gòu)

2.6.2IGBT工作原理

2.6.3IGBT基本特性

2.6.4IGBT主要參數(shù)2.6

絕緣柵雙極型晶體管2.6.1IGBT結(jié)構(gòu)圖2-30IGBT單管及模塊實(shí)物圖絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)，是兼具GTR和MOSFET各自?xún)?yōu)點(diǎn)的復(fù)合式全控型器件。它既具有MOSFET的輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR通態(tài)電阻低、電流容量大等優(yōu)點(diǎn)。2.6.1IGBT結(jié)構(gòu)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)圖2-31IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)

IGBT是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。其等效電路如圖2-31b所示，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP晶體管。圖2-31c是N溝道IGBT的電氣圖形符號(hào)。2.6.2IGBT工作原理a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)圖2-31IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)

當(dāng)UGE為正且大于閾值電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為GTR提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，GTR的基極電流被切斷，使得IGBT關(guān)斷。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。2.6.3IGBT基本特性1.靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性表現(xiàn)為轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性圖2-32IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性

2、動(dòng)態(tài)特性（1）開(kāi)通過(guò)程圖2-33IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程2.6.3IGBT基本特性td(on)是開(kāi)通延遲時(shí)間，表示從驅(qū)動(dòng)電壓uGE幅值的10%上升到集電極電流iC幅值的10%所用的時(shí)間。tri是電流上升時(shí)間，表示iC從10%上升到90%所用的時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間ton=td(on)+tri+

tfv

，其中tfv表示電壓下降時(shí)間，分為tfv1和tfv2兩段。

2、動(dòng)態(tài)特性（2）關(guān)斷過(guò)程圖2-33IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程2.6.3IGBT基本特性關(guān)斷時(shí)間toff=td(off)+trv+tfi，其中，td(off)表示關(guān)斷延遲時(shí)間，表示從驅(qū)動(dòng)電壓uGE幅值的90%上升到集射電壓uCE幅值的10%所用的時(shí)間。trv表示電壓上升時(shí)間；tfi表示電流下降時(shí)間，tfi分為tfi1和tfi2兩段。引入了少子儲(chǔ)存現(xiàn)象，因而IGBT的開(kāi)關(guān)速度要低于電力MOSFET。2.6.4IGBT主要參數(shù)（1）最大集射極間電壓UCES：由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定。（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ICP。（3）最大集電極功耗PCM

：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。（4）正向偏置安全工作區(qū)（ForwardBiasedSafeOperatingArea——FBSOA）：根據(jù)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。（5）反向偏置安全工作區(qū)（ReverseBiasedSafeOperatingArea——RBSOA）根據(jù)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。功率器件的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：項(xiàng)目名稱(chēng)SCRGTRMOSIGBT控制類(lèi)型脈沖觸發(fā)電流控制電壓控制電壓控制自關(guān)斷性換向關(guān)斷自關(guān)斷器件自關(guān)斷器件自關(guān)斷器件工作頻率<1khz<30khz20khz－Mhz<40khz驅(qū)動(dòng)功率大大小小開(kāi)關(guān)損耗大大小大導(dǎo)通損耗小小大小電壓電流等級(jí)最大大最小較大典型應(yīng)用場(chǎng)合中頻感應(yīng)加熱電子整流器開(kāi)關(guān)電源UPS變頻器價(jià)格最低較低處于中間最貴電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)有有無(wú)有2.7.1MOS控制晶閘管MCT

2.7.2靜電感應(yīng)晶體管SIT

2.7.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH

2.7.4集成門(mén)極換流晶閘管IGCT2.7.5功率模塊與功率集成電路2.7.6基于新型材料的電力電子器件2.7

新型器件及發(fā)展MCT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MOSFET。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。MCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET與晶閘管的復(fù)合2.7.1MOS控制晶閘管MCT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(chēng)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。SIT（StaticInductionTransistor）——結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管2.7.2靜電感應(yīng)晶體管SITSITH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(lèi)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（StaticInductionThyristor）——場(chǎng)控晶閘管（FieldControlledThyristor—FCT）2.7.3靜電感應(yīng)晶閘管SITH20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。可省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(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。IGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor）

——GCT（Gate-CommutatedThyristor）2.7.4集成門(mén)極換流晶閘管IGCT20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始，模塊化趨勢(shì)，將多個(gè)器件封裝在一個(gè)模塊中，稱(chēng)為功率模塊?？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(xiàn)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(chēng)為功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。基本概念2.7.5功率模塊與功率集成電路高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）則專(zhuān)指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱(chēng)智能IGBT（IntelligentIGBT）。實(shí)際應(yīng)用電路2.7.5功率模塊與功率集成電路2.7.6基于新型材料的電力電子器件

越來(lái)越多的電力電子器件研究工作轉(zhuǎn)向了對(duì)新型半導(dǎo)體材料制造新型電力電子器件的研究。21世紀(jì)初，碳化硅肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)首先揭開(kāi)了碳化硅器件在電力電子領(lǐng)域替代硅器件的序幕。目前，碳化硅SBD的全球市場(chǎng)容量估計(jì)達(dá)400萬(wàn)美元。在2004年碳化硅場(chǎng)效應(yīng)器件耐壓已經(jīng)達(dá)到了硅器件無(wú)法達(dá)到的10000V水平，而碳化硅IGBT的研發(fā)工作起步較晚，其優(yōu)越性只在10000V以上的高壓領(lǐng)域。

2.8.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路

2.8.2電力電子器件保護(hù)2.8.3緩沖電路2.8

電力電子器件的系統(tǒng)組成2.8.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路圖2-34電力電子整體系統(tǒng)框圖2.8.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路1.晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)在晶閘管的陽(yáng)極施加正向電壓，并且在門(mén)極加上觸發(fā)電壓，晶閘管才能導(dǎo)通。門(mén)極觸發(fā)電壓決定每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，是晶閘管變流裝置中非常重要的組成部分。圖2-35常用的觸發(fā)脈沖波形2.8.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路1.晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)圖2-36常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路常見(jiàn)的晶閘管觸發(fā)電路如圖2-36所示，由V2、V3構(gòu)成的脈沖放大環(huán)節(jié)和脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成的脈沖輸出環(huán)節(jié)兩部分組成。當(dāng)V2、V3導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門(mén)極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。VD1和R3是為了V2、V3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)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強(qiáng)脈沖部分，還需適當(dāng)附加其它電路環(huán)節(jié)。2.8.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路2.全控型器件驅(qū)動(dòng)電路(1)電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路GTO和GTR是電流驅(qū)動(dòng)型器件。如圖2-37典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路所示。電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整流后提供，VD1和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C4提供-15V電壓。V1開(kāi)通時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖；V2開(kāi)通時(shí)，輸出正脈沖平頂部分；V2關(guān)斷而V3開(kāi)通時(shí)輸出負(fù)脈沖；V3關(guān)斷后R3和R4提供門(mén)極負(fù)偏壓。2.8.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路2.全控型器件驅(qū)動(dòng)電路(1)電流驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路圖2-37典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路2.8.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路2.全控型器件驅(qū)動(dòng)電路(2)電壓驅(qū)動(dòng)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。電力MOSFET開(kāi)通的柵源極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取10~15V，IGBT開(kāi)通的柵射極間驅(qū)動(dòng)電壓一般取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。如圖2-38所示。當(dāng)無(wú)輸入信號(hào)（即ui=0）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，可使MOSFET關(guān)斷；當(dāng)有輸入信號(hào)（即ui為正）時(shí)，A輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動(dòng)電壓，可使MOSFET導(dǎo)通。2.8.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路2.全控型器件驅(qū)動(dòng)電路(2)電壓驅(qū)動(dòng)型器件的驅(qū)動(dòng)電路2-38電力MOSFET的一種驅(qū)動(dòng)電路2.8.2

電力電子器件保護(hù)1.過(guò)電壓保護(hù)a)單相b)三相圖2-39RC過(guò)電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式

2.8.2

電力電子器件保護(hù)2.過(guò)電流保護(hù)圖2-40過(guò)電流保措施及配置位置

2.8.3

緩沖電路

緩沖電路（SnubberCircuit）又稱(chēng)為吸收電路，其作用是抑制電力電子器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt或者過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。緩沖電路分為關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路。關(guān)斷緩沖電路又稱(chēng)為du/dt抑制電路；開(kāi)通緩沖電路又稱(chēng)為di/dt抑制電路。2.8.3

緩沖電路a)電路b)波形圖2-41

di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形

2.9電力電子器件應(yīng)用案例2.9.1開(kāi)關(guān)電源概述開(kāi)關(guān)電源是一種高效率、高可靠性、小型化、輕型化的穩(wěn)壓電源，是電子設(shè)備的主流電源，如圖2.43所示。其主要是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，改變輸出電壓的一種電源。2.9電力電子器件應(yīng)用案例2.9.1開(kāi)關(guān)電源概述開(kāi)關(guān)電源原理如圖所示，輸入電壓為AC/220V，50Hz的交流電，經(jīng)過(guò)濾波，再由整流橋整流后變?yōu)?00V左右的高壓直流電，然后通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止將直流電壓變成連續(xù)的脈沖，再經(jīng)變壓器隔離降壓及輸出濾波后變?yōu)榈蛪旱闹绷麟?。開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止由PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制電路發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制。2.9.2GTR測(cè)試方法（1）用萬(wàn)用表判別大功率晶體管的電極和類(lèi)型。假若不知道管子的引腳排列，則可用萬(wàn)用表通過(guò)測(cè)量電阻的方法作出判別。1）判定電極。大功率晶體管的漏電流一般比較大，所以采用萬(wàn)用表測(cè)量極間電阻，并且采用的是滿(mǎn)度電流比較大的低電阻。測(cè)量時(shí)將萬(wàn)用表置于R×1檔或R×10檔，一表筆固定接在管子的任一電極，用另一表筆分別接觸其他2個(gè)電極，如果萬(wàn)用表讀數(shù)均為小阻值或均為大阻值，則固定接觸的那個(gè)電極即為基極。如果按上述方法做一次測(cè)試判定不了基極，則可換一個(gè)電極再試，最多3次即作出判定。2.9.2GTR測(cè)試方法（1）用萬(wàn)用表判別大功率晶體管的電極和類(lèi)型。2）判別類(lèi)型。確定基極之后，假設(shè)接基極的是黑表筆，而用紅表筆分別接觸另外2個(gè)電極時(shí)，若電阻讀數(shù)均較小，則可認(rèn)為該管為NPN型。假設(shè)接基極的是紅表筆，用黑表筆分別接觸其余2個(gè)電極時(shí)測(cè)出的阻值較小，則該三極管為PNP型。3）判定集電極和發(fā)射極。在確定基極之后，再通過(guò)測(cè)量基極對(duì)另外2個(gè)電極之間的阻值大小比較，可以區(qū)別發(fā)射極和集電極。對(duì)于PNP型晶體管，紅表筆固定接基極，黑表