電力電子器件 (2)課件

第二章：電力電子器件第一節(jié)概述第二節(jié)電力二極管第三節(jié)電力晶體管第四節(jié)晶閘管第五節(jié)電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管第六節(jié)絕緣柵雙極晶體管第七節(jié)其它電力電子器件第八節(jié)電力電子器件的保護(hù)本章小結(jié)1第一節(jié)概述一、電力電子器件的概念和特征1）能夠承受高電壓和通過(guò)大電流，處理功率大。2）一般工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)（開(kāi)關(guān)特性和參數(shù)）3）實(shí)際應(yīng)用中，由弱電控制強(qiáng)電4）開(kāi)關(guān)損耗大，器件使用時(shí)需安裝散熱器2二、電力電子器件的分類半控型---晶閘管（含雙向、快速）全控型-可關(guān)斷晶閘管GTO電力晶體管GTR場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET絕緣柵雙極型晶體管IGBT其他（MCT、IGCT、PIC。。。）雙極型復(fù)合型單極型3電力電子器件的最新研制水平器件名稱國(guó)外研制水平國(guó)內(nèi)研制水平普通晶閘管SCH12kV/1kA,8kV/6kA6.5kV/3.5kA快速晶閘管2.5kV/1.6kA2kV/1.5kA光控晶閘管6kV/6kA,8kV/4kA4.5kV/2kA可關(guān)斷晶閘管GTO9kV/2.5kA,6kV/6kA(400Hz)4.5kV/2.5kA電力晶體管GTR模塊：1.8kV/1kA(2kHz)模塊：1.2kV/400A功率MOSFET60A/200V（2MHz)500V/50A(100MHz)1kV/35A絕緣柵雙極晶體管IGBT單管：4.5kV/1kA模塊：3.5kV/1.2kA（50kHz)單管：1kV/50A模塊：1.2kV/200A集成門(mén)極換流晶閘管IGCT單管：6kV/1.6kAMOS控制晶閘管MCT1kV/100A（Td=1μs)1kV/75A功率集成電路IPM:1.8kV/1.2kA600V/75A5AKAKa)第二節(jié)電力二極管電力二極管是指可以承受高電壓大電流具有較大耗散功率的二極管，它與其他電力電子器件相配合，作為整流、續(xù)流、電壓隔離、鉗位或保護(hù)元件，在各種變流電路中發(fā)揮著重要作用；它的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和伏安特性與信息電子電路中的二極管相同，以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)；主要類型有普通二極管、快恢復(fù)二極管和肖特基二極管；由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成，從外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型兩種封裝，小功率的和普通二極管一致。IKAPNJb)c)圖2-2-1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)6第四節(jié)晶閘管

晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR，普通晶閘管是一種具有開(kāi)關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。從1957年美國(guó)研制出第一只普通晶閘管以來(lái)，至今已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品；晶閘管作為大功率的半導(dǎo)體器件，只需用幾十至幾百毫安的電流，就可以控制幾百至幾千安培的大電流，實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制；

晶閘管具有體積小、重量輕、損耗小、控制特性好等優(yōu)點(diǎn)，曾經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

7晶閘管的管耗和散熱：

管耗＝流過(guò)器件的電流×器件兩端的電壓

管耗將產(chǎn)生熱量，使管芯溫度升高。如果超過(guò)允許值，將損壞器件，所以必須進(jìn)行散熱和冷卻。

冷卻方式：自然冷卻（散熱片）、風(fēng)冷（風(fēng)扇）、水冷9二、晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件〔簡(jiǎn)單描述〕晶閘管SCR相當(dāng)于一個(gè)半可控的、可開(kāi)不可關(guān)的單向開(kāi)關(guān)。圖2-4-2晶閘管的工作條件的試驗(yàn)電路10〔解釋〕當(dāng)SCR的陽(yáng)極和陰極電壓UAK<0，即EA下正上負(fù)，無(wú)論門(mén)極G加什么電壓，SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)；UAK>0時(shí)，且EGk>0，SCR才能導(dǎo)通。SCR一旦導(dǎo)通，門(mén)極G將失去控制作用，即無(wú)論EG如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當(dāng)UAK<0時(shí)，無(wú)論SCR原來(lái)的狀態(tài)，都會(huì)使R熄滅，即此時(shí)SCR關(guān)斷。其實(shí)，在I逐漸降低（通過(guò)調(diào)整RW）至某一個(gè)小數(shù)值時(shí)，剛剛能夠維持SCR導(dǎo)通。如果繼續(xù)降低I，則SCR同樣會(huì)關(guān)斷。該小電流稱為SCR的維持電流。導(dǎo)通和關(guān)斷條件綜上所述：SCR導(dǎo)通條件：

UAK>0同時(shí)UGK>0由導(dǎo)通→關(guān)斷的條件：使流過(guò)SCR的電流降低至維持電流以下。(一般通過(guò)減小EA,,直至EA<0來(lái)實(shí)現(xiàn)。）11晶閘管的陽(yáng)極與陰極間的電壓和陽(yáng)極電流之間的關(guān)系，稱為陽(yáng)極伏安特性。三、晶閘管的基本特性IG

=0圖2-4-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向?qū)?gt;>UBO正向特性反向特性雪崩擊穿1、靜態(tài)特性（1）陽(yáng)極伏安特性131)正向特性

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(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(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。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(mén)極電流為零，并且陽(yáng)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。圖2-4-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管的陽(yáng)極伏安特性142)反向特性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。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管的陽(yáng)極伏安特性圖2-4-4晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG152、動(dòng)態(tài)特性圖2-4-6晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形1)開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間。上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間tgt：以上兩者之和，tgt=td+tr

普通晶閘管延遲時(shí)為0.5~1.5s，上升時(shí)間為0.5~3s。172、動(dòng)態(tài)特性圖2-4-6晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形2)關(guān)斷過(guò)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)ā?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)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)斷時(shí)間tq：trr與tgr之和，即tq=trr+tgr

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。181.電壓參數(shù)1)

正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——在門(mén)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)

反向阻斷重復(fù)峰值電壓URRM——在門(mén)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。四、晶閘管的主要參數(shù)195）通態(tài)平均電壓UT(AV)：當(dāng)晶閘管中流過(guò)額定電流并達(dá)到穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間電壓降的平均值，稱為通態(tài)平均電壓。通態(tài)平均電壓UT(AV)分為A～Ｉ，對(duì)應(yīng)為0.4V～1.2V共九個(gè)組別。21舉例：

一晶閘管用于相電壓一晶閘管用于相電壓為220V的單相電路中時(shí)，器件的電壓等級(jí)選擇如下：

考慮到既能滿足耐壓要求，又較經(jīng)濟(jì)取系列值：

221）額定電流（通態(tài)平均電流）IT(AV)

額定電流：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)所允許連續(xù)流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。電流平均值：指一個(gè)周期內(nèi)的電流算數(shù)平均值；電流有效值：指一個(gè)周期內(nèi)的電流的方均根值。2、電流參數(shù)23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(lái)選取晶閘管。實(shí)際選用時(shí)，一般?。?.5~2）的安全裕量

IT(AV)＝（1.5～2）ITM／1.57ITM:流過(guò)晶閘管中可能出現(xiàn)的最大電流有效值25有一晶閘管的電流額定值I（TAV）=100A，用于電路中流過(guò)的電流波形如圖所示，允許流過(guò)的電流峰值IM=？分析：I（TAV）=100A的晶閘管對(duì)應(yīng)的電流有效值為IT=1.57×I（TAV）

＝157A

；波形對(duì)應(yīng)的電流有效值：舉例：考慮2倍的安全裕量后得：262)

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(lái)說(shuō)，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(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。

274)斷態(tài)電壓臨界上升率du／dt

：在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路情況下，不使元件從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大陽(yáng)極電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率。5）通態(tài)電流臨界上升率di／dt

：在規(guī)定條件下，晶閘管在門(mén)極觸發(fā)開(kāi)通時(shí)所能承受不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率稱為通態(tài)電流臨界上升率。4、動(dòng)態(tài)參數(shù)29

1、雙向晶閘管1）雙向晶閘管的外形與結(jié)構(gòu)雙向晶閘管的外形與普通晶閘管類似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其內(nèi)部是一種NPNPN五層結(jié)構(gòu)引出三個(gè)端線的器件。五、其他類型的晶閘管圖2-4-7雙向晶閘管

302）雙向晶閘管的特性與參數(shù)雙向晶閘管具有正反向?qū)ΨQ的伏安特性曲線。正向部分位于第I象限，反向部分位于第III象限。如圖2-4-7（d）所示。用有效值來(lái)表示其額定電流值。雙向晶閘管均方根值電流與普通晶閘管平均值電流之間的換算關(guān)系式為

313)雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個(gè)方向都能導(dǎo)通，門(mén)極加正負(fù)電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：Ⅰ+觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門(mén)極電壓G為正，T2為負(fù)。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅰ-觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門(mén)極電壓G為負(fù)，T2為正。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅲ+觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門(mén)極電壓G為正，T2為負(fù)。特性曲線在第Ⅲ象限。Ⅲ-觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門(mén)極電壓G為負(fù)，T2為正。特性曲線在第Ⅲ象限。由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以Ⅲ+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時(shí)要盡量避開(kāi)，常采用的觸發(fā)方式為Ⅰ+和Ⅲ-

。

324)雙向晶閘管的門(mén)極控制雙向晶閘管的控制方式常用的有兩種，第一種為移相觸發(fā)，與普通晶閘管一樣，是通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)達(dá)到調(diào)壓的目的。第二種是過(guò)零觸發(fā)，適用于調(diào)功電路及無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路。本相電壓強(qiáng)觸發(fā)電路這種觸發(fā)方式電路簡(jiǎn)單、工作可靠，主要用于雙向晶閘管組成的交流開(kāi)關(guān)電路。

圖2-4-8本相電壓的觸發(fā)方式33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（10kHz以上）；管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，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，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)；FST由于允許長(zhǎng)期通過(guò)的電流有限，所以其不宜在低頻下工作。2、快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)34逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，這種器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開(kāi)通。3、逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）圖2-4-9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354、光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）光控晶閘管又稱光觸發(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。圖2-4-10光控晶閘管電氣圖形符號(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。36全控型電力電子器件GTO——門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTR——電力晶體管MOSFET——電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管IGBT——門(mén)極絕緣柵雙極晶體管37門(mén)極可關(guān)斷（GTO）晶閘管1.結(jié)構(gòu)與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極；和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。圖2-4-11GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)382、工作原理：圖2-4-12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。當(dāng)1+2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)1+2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(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α1和α2。門(mén)極可關(guān)斷晶閘管39GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：門(mén)極可關(guān)斷晶閘管

（1）設(shè)計(jì)2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于GTO關(guān)斷。（2）導(dǎo)通時(shí)1+2更接近1（1.05，普通晶閘管1+21.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大。

（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流。40門(mén)極可關(guān)斷晶閘管由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：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：強(qiáng)烈正反饋——門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷。413.導(dǎo)通關(guān)斷條件導(dǎo)通：同晶閘管，AK正偏，GK正偏關(guān)斷：門(mén)極加負(fù)脈沖電流423.特點(diǎn)全控型容量大

off≈5電流控制型電流關(guān)斷增益off：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之比稱為電流關(guān)斷增益1000A的GTO關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流峰值要200A。43第三節(jié)GTR——電力晶體管電力晶體管GTR（GiantTransistor，巨型晶體管）耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT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(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441.

GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-3-1GTR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)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。45在應(yīng)用中，GTR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

——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。46達(dá)林頓GTR單管GTR的電流增益低，將給基極驅(qū)動(dòng)電路造成負(fù)擔(dān)。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)是提高電流增益一種有效方式。達(dá)林頓結(jié)構(gòu)由兩個(gè)或多個(gè)晶體管復(fù)合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性質(zhì)由驅(qū)動(dòng)管來(lái)決定達(dá)林頓GTR的開(kāi)關(guān)速度慢，損耗大

47(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(kāi)關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(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)圖2-3-2共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性2、GTR的基本特性48(2)

動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr，二者之和為開(kāi)通時(shí)間ton。td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(kāi)通過(guò)程。圖2-3-3GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形49關(guān)斷過(guò)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toff

。ts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，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Ib2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(kāi)關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和GTO都短很多。圖2-3-3GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形50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(kāi)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(guò)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。3、GTR的主要參數(shù)512)

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(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(shuō)明書(shū)中給PcM時(shí)同時(shí)給出殼溫TC，間接表示了最高工作溫度。52一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(guò)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Uce電壓的陡然下降。二次擊穿的持續(xù)時(shí)間很短，一般在納秒至微秒范圍，常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變。4、GTR的二次擊穿現(xiàn)象與安全工作區(qū)53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、二次擊穿臨界線限定。圖2-3-4GTR的安全工作區(qū)545、主要特點(diǎn)全控型，電流控制型二次擊穿（工作時(shí)要防止）中大容量，開(kāi)關(guān)頻率較低551.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)型第五節(jié)電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）

56G：柵極D：漏極S：源極圖2-5-1電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)電氣圖形符號(hào)

57導(dǎo)通關(guān)斷條件漏源極導(dǎo)通條件：在柵源極間加正電壓UGS漏源極關(guān)斷條件：柵源極間電壓UGS為零導(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。581)

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。圖2-5-2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2、電力MOSFET的基本特性59MOSFET的漏極伏安特性：截止區(qū)（對(duì)應(yīng)于GTR的截止區(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(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。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。圖2-5-2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60開(kāi)通過(guò)程開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)——up前沿時(shí)刻到uGS=UT并開(kāi)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(kāi)通時(shí)間ton——開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。圖2-5-3電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up—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2)

動(dòng)態(tài)特性61關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)——up下降到零起，Cin通過(guò)Rs和RG放電，uGS按指數(shù)曲線下降到UGSP時(shí)，iD開(kāi)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。圖2-5-3電力MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程a)測(cè)試電路b)開(kāi)關(guān)過(guò)程波形up—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62MOSFET的開(kāi)關(guān)速度

MOSFET的開(kāi)關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。使用者無(wú)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(kāi)關(guān)速度。MOSFET只靠多子導(dǎo)電，不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，因而關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns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(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(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。633、電力MOSFET的主要參數(shù)——電力MOSFET電壓定額1)

漏極電壓UDS

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。除跨導(dǎo)Gfs、開(kāi)啟電壓UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外還有：

644、特點(diǎn)控制級(jí)輸入阻抗大驅(qū)動(dòng)電流小防止靜電感應(yīng)擊穿中小容量，開(kāi)關(guān)頻率高導(dǎo)通壓降大（不足）65第六節(jié)

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

絕緣柵雙極型晶體管簡(jiǎn)稱為IGBT（InsulatedGateBiopolarTransistor）,是80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型復(fù)合器件。IGBT綜合了MOSFET和GTR的輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大的優(yōu)點(diǎn)。成為當(dāng)前電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展方向。661、結(jié)構(gòu)復(fù)合結(jié)構(gòu)（=MOSFET+GTR）柵極集電極發(fā)射極圖2-6-1IGBT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)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)672.導(dǎo)通關(guān)斷條件驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，屬于場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定導(dǎo)通條件：在柵射極間加正電壓UGEUGE大于開(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。關(guān)斷條件：柵射極反壓或無(wú)信號(hào)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。681)

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(kāi)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+25C時(shí)，UGE(th)的值一般為2~6V。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)。圖2-6-2IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性3.IGBT的基本特性69與MOSFET的相似，因?yàn)殚_(kāi)通過(guò)程中IGBT在大部分時(shí)間作為MOSFET運(yùn)行。開(kāi)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%ICM2

。

電流上升時(shí)間tr

——iC從10%ICM上升至90%ICM所需時(shí)間。開(kāi)通時(shí)間ton——開(kāi)通延遲時(shí)間與電流上升時(shí)間之和。uCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1——IGBT中MOSFET單獨(dú)工作的電壓下降過(guò)程；tfv2——MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降過(guò)程。圖2-6-3IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICM

IGBT的開(kāi)通過(guò)程70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)間與電流下降之和。電流下降時(shí)間又可分為tfi1和tfi2兩段。tfi1——IGBT內(nèi)部的MOSFET的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較快；tfi2——IGBT內(nèi)部的PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，iC下降較慢。圖2-6-3IGBT的開(kāi)關(guān)過(guò)程ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的關(guān)斷過(guò)程714、IGBT的主要參數(shù)——正常工作溫度下允許的最大功耗。3)最大集電極功耗PCM——包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。

2)

最大集電極電流——由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定。1)最大集射極間電壓UCES72IGBT的特性和參數(shù)特點(diǎn)可以總結(jié)如下：(1)

開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時(shí)，開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)。73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?！畲蠹姌O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)（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)（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。5、IGBT的擎住效應(yīng)和安全工作區(qū)74第八節(jié)電力電子器件的保護(hù)一、過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)1.過(guò)電壓的產(chǎn)生原因外因過(guò)電壓:主要來(lái)自雷擊和系統(tǒng)中的操作過(guò)程等外因(1)

操作過(guò)電壓：由分閘、合閘等開(kāi)關(guān)操作引起(2)

雷擊過(guò)電壓：由雷擊引起（浪涌過(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(1)

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)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過(guò)，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(guò)電壓；(2)

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。75電力電子器件換相（關(guān)斷）時(shí)的尖峰過(guò)電壓波形，如圖所示：圖2-8-1關(guān)斷過(guò)電壓波形762.過(guò)電壓的保護(hù)措施針對(duì)過(guò)電壓形成的不同原因，可采用不同的抑制方法。常用在回路中接入吸收能量的元件，稱為吸收回路。

（1）阻容吸收（操作過(guò)電壓、換相過(guò)電壓、關(guān)斷過(guò)電壓）圖2-8-2交流側(cè)阻容吸收電路的幾種接法a)單相聯(lián)接b)三相星形接c)三相三角形接d)三相整流聯(lián)接77（2）壓敏電阻（吸收浪涌過(guò)電壓）壓敏電阻外形同瓷介電容特性曲線同正反相穩(wěn)壓管壓敏電阻的接法：?jiǎn)蜗嗦?lián)接三相星形聯(lián)接

圖2-8-4壓敏電阻接法圖2-8-3壓敏電阻特性曲線78

圖2-8-5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)操作過(guò)電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)過(guò)電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏電阻浪涌過(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電路過(guò)電壓保護(hù)措施79過(guò)電流保護(hù)措施過(guò)電流繼電器快速熔斷器直流快速斷路器同時(shí)采用幾種過(guò)電流保護(hù)措施，提高可靠性和合理性過(guò)電流短路時(shí)的部分區(qū)段的保護(hù)整定在電子電路動(dòng)作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)整定在過(guò)載時(shí)動(dòng)作短路過(guò)載二、過(guò)電流的產(chǎn)生及保護(hù)1.產(chǎn)生：短路、過(guò)載時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流2.過(guò)流保護(hù)措施：80

圖2-8-6過(guò)電流保護(hù)措施及配置位置81采用快速熔斷器是電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過(guò)電流保護(hù)措施。選擇快熔時(shí)應(yīng)考慮：(1)電壓等級(jí)根據(jù)熔斷后快熔實(shí)際承受的電壓確定。(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定。(3)快熔的I2t值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許I2t值。(4)為保證熔體在正常過(guò)載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時(shí)間電流特性。（5）1.57IT(AV)≥IFU≥ITM過(guò)電流保護(hù)銀質(zhì)熔絲石英沙82圖2-8-7快速熔斷器保護(hù)的接法a)串于橋臂中b)串于交流側(cè)c)串于直流側(cè)

83快熔對(duì)器件的保護(hù)方式：全保護(hù)和短路保護(hù)兩種全保護(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)方式：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（很難用快熔保護(hù)），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。過(guò)電流保護(hù)84緩沖電路（吸收電路）作用抑制器件的內(nèi)因過(guò)電壓、du/dt、過(guò)電流和di/dt，減小器件的開(kāi)關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）用于吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換相過(guò)電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗開(kāi)通緩沖電路（di/dt抑制電路）用于抑制器件開(kāi)通的電流過(guò)沖和di/dt，減小開(kāi)通損耗緩沖電路復(fù)合緩沖電路

將關(guān)斷緩沖電路和開(kāi)通緩沖電路結(jié)合在一起耗能式緩沖電路

緩沖電路中儲(chǔ)能元件的能量消耗在其吸收電阻上饋能式緩沖電路（無(wú)損吸收電路）

緩沖電路中儲(chǔ)能元件的能量回饋給負(fù)載或電流三、緩沖電路85圖2-8-8di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a)電路b)波形通常緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開(kāi)通緩沖電路叫做di/dt抑制電路86無(wú)緩沖電路V開(kāi)通電流迅速上升，di/dt很大V關(guān)斷du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過(guò)電壓有緩沖電路V開(kāi)通

Cs通過(guò)Rs向V放電，使ic先上一個(gè)臺(tái)階，以后因有di/dt抑制電路的Li,ic上升速度減慢。V關(guān)斷負(fù)載電流通過(guò)VDs向Cs分流，減輕了V的負(fù)擔(dān)，抑制了du/dt和過(guò)電壓。

tuCEOdidt抑制電路時(shí)無(wú)didt抑制電路時(shí)有有緩沖電路時(shí)無(wú)緩沖電路時(shí)uCEiC87icBADC無(wú)緩沖電路有緩沖電路ucE0圖2-8-9關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線無(wú)緩沖電路uCE迅速上升，負(fù)載L上的感應(yīng)電壓是續(xù)流二極管VD開(kāi)始導(dǎo)通，負(fù)載線A從移動(dòng)到B，iC下降到漏電流的大小，負(fù)載線隨之移動(dòng)到C。有緩沖電路CS的分流使iC在uCE開(kāi)始上升的同時(shí)就下降，負(fù)載線經(jīng)過(guò)D到達(dá)C，負(fù)載線ABC經(jīng)過(guò)的是小電流、小電壓區(qū)，器件的關(guān)斷損耗比無(wú)緩沖電路時(shí)降低。88Cs和Rs的取值可實(shí)驗(yàn)確定或參考工程手冊(cè)。VDs必須選用快恢復(fù)二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10。盡量減小線路電感，且選用內(nèi)部電感小的吸收電容。中小容量場(chǎng)合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個(gè)du/dt抑制電路。

對(duì)IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個(gè)吸收電容。晶閘管在實(shí)用中一般只承受換相過(guò)電壓，沒(méi)有關(guān)斷過(guò)電壓，關(guān)斷時(shí)也沒(méi)有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可。緩沖電路中的元件選取及其他注意事項(xiàng)89補(bǔ)充一：電力電子器件的串、并聯(lián)使用一、晶閘管的串聯(lián)使用1.串聯(lián)使用的目的：當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時(shí)，可以串聯(lián)。2.串聯(lián)使用時(shí)的問(wèn)題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不