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1、第一章第一章电力电子器件12/22/20221Power Electronics引言引言本章主要内容本章主要内容:1、简要概述电力电子器件的概念概念、特特点点和分类分类等问题；2、介绍各种常用电力电子器件的基本基本结构结构、工作原理工作原理、基本特性、主要参数基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。12/22/20222Power Electronics第一章第一章 电力电子器件电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 不可控器件电力二极管1.3半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管1.4典型全控型器件典型全控型器件1.5 其他新型电力电子器件1.6 电力电子器件的驱动1.7 电力电子
2、器件的保护1.8 电力电子器件的串联和并联使用12/22/20223Power Electronics1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 12/22/20224Power Electronics1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征1、概念、概念电力电子器件电力电子器件（powerelectronicdevice）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。2、分类（广义上）分类
3、（广义上）电真空器件电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件半导体器件(采用的主要材料仍然是硅)12/22/20225Power Electronics1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征33、电力电子器件的一般特征：承受电压和电流的能力，是最重要的参数。电力电子器件一般都工作在开关状态。实际应用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。12/22/20226Power Electronics1.1.1 1.1.1 电力电子器件的概念和特征电
4、力电子器件的概念和特征对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一；通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因；器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素；关断损耗：关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗开关损耗：开关损耗：开通损耗：开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗通态损耗：通态损耗：断态损耗：断态损耗：导通时器件上有一定的通态压降阻断时器件上有微小的断态漏电流流过主主要要损损耗耗12/22/20227Power Electronics1.1.2 应用电力电子器件的系
5、统组成应用电力电子器件的系统组成电电力力电电子子系系统统：由控控制制电电路路、驱驱动动电电路路和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成12/22/20228Power Electronics1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按按照照器器件件能能够够被被控控制制电电路路信信号号所所控控制制的的程程度度，分分为为以以下三类：下三类：1)半控型器件半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GT
6、O）通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。3)不可控器件不可控器件电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。12/22/20229Power Electronics 按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)电流驱动型电流驱动型 1)单极
7、型器件单极型器件2)电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制 2)双极型器件双极型器件3)复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：1.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类12/22/202210Power Electronics1.21.2 电力二极管电力二极管电力二极管和以前学过的
8、二极管相似，主要区别是功率大。大量应用于电气（大功率）设备中。一、工作原理外型：分为螺栓型和平板型两种。12/22/202211Power Electronics1.2.1 内部结构及工作原理内部结构及工作原理电导调制效应：当二极管不导通时，二极管的电阻阻值较高，当PN结上流过较大的正向电流时，注入并积累在N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增大，使其电阻明显下降，这就是“电导调制效应”。12/22/202213Power Electronics1.2.2 基本特性基本特性1、静态特性：同一般二极管相似。2、动态特性：P13图a中If和UF，该图为由导通
9、转换为截止时的动态过程。当处于正向导通状态的管子外加电压突然变为反向时，该管子不能立即关断，需经过一段时间才能获得反向阻断能力，进入截止状态。而且在关断之前有较大的反向电流出现，并伴有明显的反向电压出现。这是因为正向导通时在PN结两侧储存的大量少子需要被清除掉的缘故。12/22/202214Power Electronics1.2.2 基本特性基本特性12/22/202215Power Electronics1.2.3 主要参数主要参数1、正向平均电流 IF（AV）：参见后面晶闸管参数。2、正向压降UF：流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3、反向重复峰值电压URRM：通常是雪崩击穿电
10、压的2/3。12/22/202216Power Electronics1.2.4 主要类型主要类型1、普通二极管：又称整流二极管2、快恢复二极管：恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短。（一般在5s以下）3、肖极特二极管：反向恢复时间更短（1040ns）12/22/202217Power Electronics1.3半控型器件半控型器件晶闸晶闸管管晶闸管SCR（SiliconControlledRectifier）又称：晶体闸流管(Thyristor)，可控硅整流器12/22/202218Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理一、晶闸管的结构一
11、、晶闸管的结构1 1、外部结构、外部结构 见P16图16n螺栓式：安装方便，散热性差，100A以下n平板式：安装不便，散热性好，200A以上12/22/202219Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端；12/22/202220Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；（散热性差，散热性差，100100A A以下以下）平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。（安安装装不不便便，散热
12、性好，散热性好，200200A A以上）以上）12/22/202221Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理晶闸管的其它封装形式：塑封和模块式两种封装。12/22/202222Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理2、晶闸管的内部结构、晶闸管的内部结构n它是四层三端元件，四层为P1、N1、P2、N2（见图）；三端为阳极A、阴极K、门极G（控制极）。n在电路中的 符号：12/22/202223Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理二、晶闸管的
13、工作原理二、晶闸管的工作原理1、晶闸管导通关断条件(以晶闸管和灯泡串联电路分析)12/22/202224Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理实验分析：当SCR的阳极和阴极电压UAK0时，只有EGk0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力；SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；12/22/202225Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理实验分析：当UAK0 产生IG V2通产
14、生IC2 V1通 IC1 IC2 出现强烈的正反馈，G极失去控制作用，V1和V2完全饱和，SCR饱和导通。12/22/202229Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理3、晶闸管的管耗和散热管耗流过器件的电流器件两端的电压管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风扇）、水冷。12/22/202230Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理4、晶闸管导通方式（了解）正常触发导通：UAK0，同时UGK0；阳极电压作用：
15、当UAK 至某个大数值，使V2的漏电流由于雪崩效应而加大，同时由于正反馈而使漏电流放大，最终使SCR饱和导通；dU/dt作用：如果UAK以高速率上升，则在中间结电容上产生的电流可以引起导通；12/22/202231Power Electronics1.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理4、晶闸管导通方式（了解）温度作用：温度上升，V1,V2的漏电流加大，引起SCR导通。光触发：当强光直接照射在硅片上，产生电子空穴对，在电场的作用，产生触发SCR的电流。目前，有一些场合使用这种方式来触发SCR，如高压直流输电（HVDC)。这种方式可以保证控制电路和主电路之间有良好的绝缘。这种S
16、CR又称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。12/22/202232Power Electronics1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性n本节主要研究晶闸管的两条特性，即：静态特性、动态特性。1、静态特性（伏安特性）静态特性由正向特性和反向特性两部分组成；第1象限为正向特性，分为阻断状态和导通状态两段，只加正向偏置uA，不加门极信号Ig 时为阻断状态；加Ig后，进入导通状态。12/22/202233Power Electronics1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1、静态特性 第象限为反向特性，为加反向电压时的特性，反向特性和二极管完
17、全相同。晶闸管的伏安特性IG2IG1IG12/22/202234Power Electronics1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2、晶闸管的动态特性晶闸管的开通和关断过程波形12/22/202235Power Electronics1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性1)开通过程晶闸管开通时外电路的电感存在，再加上正反馈需要时间，晶闸管的开通过程不可能是瞬时的。从门极加上阶跃信号开始到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延迟时间td；阳极电流从10%到90%所需的时间称为上升时间tr；两者之和即为开通时间tgt：tgt=td+tr 开通时间与外电路电感有关，也与阳极
18、电压的大小有关。12/22/202236Power Electronics1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性2)关断过程同理，由于外电感的存在，晶闸管的关断过程也需要一定的时间。和二极管的关断过程类似，当外加反向电压后，阳极电流将逐步衰减到零，在反方向会流过反向恢复电流并形成反向电压。反向阻断恢复时间trr：反向电流对应的一段时间；12/22/202237Power Electronics1.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性正向阻断恢复时间tgr：由于载流子复合过程比较慢，反向恢复过程结束后，晶闸管要恢复其正向阻断能力还需要一段时间；晶闸管的关断时间tq定义为trr与tgr之
19、和：tq=trr+tgrv普普通通晶晶闸闸管管延延迟迟时时间间为为0.0.51.5.5 s s，上上升升时时间间为为0.0.53 s s，这这是是设设计计触触发发脉脉冲冲的的依依据据。普普通通晶晶闸闸管管的的关关断断时时间间约约几几百微秒。这是设计反向电压设计时间的依据。百微秒。这是设计反向电压设计时间的依据。12/22/202238Power Electronics1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 因晶闸管是大功率元件，过载性能较差。因此，定量地掌握其参数对保证电路的可靠工作是非常重要的。晶闸管的主要参数分为：电压参数、电流参数、动态参数、开通和关断时间参数。12/22/2022
20、39Power Electronics1.额定电压1)断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。2)反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。3)通态（峰值）电压UTM晶闸管通以某一规定倍数（倍)的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压（一般为2V）。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数12/22/202240Power Electronics1 1、额定电压、额定电压通通常常取取晶晶闸闸管管的的UDRM和和URRM中中较较小小的的标标值值作作为为该该器器件的件的额定电压额定电压。对额定电压为Ue的管子，
21、用于交流电路时，其正反向电压都要加到Ue。实际选择晶闸管时，应取：Ue（23）U峰 其中：U峰为电路中的峰值电压vSCR一般来说：100V1000V，每100V一个等级；1000V3000V，每200V一个等级。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数12/22/202241Power Electronics2 2、额定电流、额定电流 1)通态平均电流通态平均电流 I IT(AV)T(AV)（额定电流）额定电流）晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的最大工频正正弦弦半波半波电流的最大平均值最大平均值。电流平均值电流平均值：指一个周期内的电流算数
22、平均值；指一个周期内的电流算数平均值；电流有效值电流有效值(I)I)：指一个周期内的电流的方均根值。指一个周期内的电流的方均根值。波形系数波形系数：K Kf f=I/I=I/IT(AV)T(AV)1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数12/22/202242Power Electronics晶闸管额定电流是以平均电流定义的，而决定晶闸管耐受电流（发热）程度的主要是电流的有效值，也就是说应根据有效值的大小来选择晶闸管，而不能由平均值来选择管子，所以选选择择晶晶闸闸管管时时要要进进行行相应的折算相应的折算。在额定电流定义下，电流平均值和有效值之间的关系：1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主
23、要参数或或12/22/202243Power Electronics2)维持电流维持电流 IH:使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。3)擎擎住住电电流流 IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。4)4)浪浪涌涌电电流流I ITSMTSM：指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数12/22/202244Power Electronics3、动态参数、动态参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还
24、有：(1)断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数12/22/202245Power Electronics3、动态参数、动态参数(2)通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数12/22/202246Power Electronics4、SCR的门极定额的门极定额(1)门极触发电
25、流门极触发电流I IGTGT指在室温下，阳极电压直流6V时使SCR由断态转入通态所必需的最小门极电流最小门极电流。(2)门极触发电压门极触发电压U UGTGT指产生门极触发电流所必需的最小门极电压最小门极电压。由于SCR器件的分散性较大，应使触发电路提供给门极的电流和电压适当大于SCR的参数值。1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数12/22/202247Power ElectronicsSCR管芯的发热效应是与流过电流的有效值有关系的。SCR产品参数给出的额定电流是平均值，实际应用时应根据实际电路计算有效值来选定SCR。在实际选用SCR时，根据电流有效值相等原则。即：实际波形的电流有效
26、值I1SCR额定电流IT(AV)对应的电流有效值I1.3.4 晶闸管额定电流的选定晶闸管额定电流的选定*12/22/202248Power Electronics当元件通上定义中的180度的正弦半波电流时，若电流峰值为Im，则平均值为：有效电流应为：额定电流为 的管子流过的有效电流为：1.3.4 晶闸管额定电流的选定晶闸管额定电流的选定*12/22/202249Power Electronics定义波形系数Kf有效电流/平均电流：则管子的有效电流为：其其意意义义为为在在定定义义波波形形下下，电电流流有有效效值值和和平平均均值值的的比比例例关关系系为为1.57，对对额额定定电电流流为为IT（AV
27、）的的管管子子，允允许许通通过过的的电电流流有效值为：有效值为：I1.57 IT（AV）1.3.4 晶闸管额定电流的选定晶闸管额定电流的选定*12/22/202250Power Electronics所以，选取晶闸管时，应先求晶闸管中流过的有效电流I，然后折算为平均电流，再按平均电流选择管子。即：综上所述，选用SCR可以采用以下公式来确定额定电流：其中：IT(AV)为选用SCR的额定电流；I1为实际电路的电流有效值。1.3.4 晶闸管额定电流的选定晶闸管额定电流的选定*12/22/202251Power Electronics例例1-11-1采用晶闸管作为单向导电开关的交流电路(如图)，已知电
28、路中平均电流为Id50A，晶闸管导通90度，电流波形如图，试问应选用多大的晶闸管元件？1.3.4 晶闸管额定电流的选定晶闸管额定电流的选定*12/22/202252Power Electronics分析分析：首先，电路中流过的平均电流为50，但不能直接选50A的管子，因该电路中晶闸管的导通角度为90度，和定义中的180度电流波形不同，则波形系数不同。因此选择晶闸管元件时应进行折算。先求出其有效电流，再折算出对应的平均电流，然后再按此平均电流选择元件。1.3.4 晶闸管额定电流的选定晶闸管额定电流的选定*12/22/202253Power Electronics解：先求波形系数，90度波形的波形
29、系数：1.3.4 晶闸管额定电流的选定晶闸管额定电流的选定*12/22/202254Power Electronics晶闸管中实际流过的有效电流为：I=KI=K f fI Id d 2.222.225050按上述折算公式，晶闸管的额定电流应为：I IT T（AVAV）I/1.57I/1.572.222.2250/1.5750/1.5770.770.7考虑安全余量：考虑安全余量：（1.5 1.5 2 2）I IT T（AVAV）（106 106 141141）A A 实际选择实际选择130130A A的的晶闸管。晶闸管。结论：结论：对不是定义波形的电流时，不能单纯按电对不是定义波形的电流时，不能
30、单纯按电路中平均电流来选择管子，一定要进行折算。路中平均电流来选择管子，一定要进行折算。1.3.4 晶闸管额定电流的选定晶闸管额定电流的选定*12/22/202255Power Electronics晶闸管的派生器件包括：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管。1、快快速速晶晶闸闸管管：为工作在更高频率而设计的晶闸管。（400Hz,10kHz以上）从关断时间来看，普通晶闸管一般为几百微秒，快速晶闸管为几十微秒。而高频晶闸管仅为10微秒。不足：电压和电流定额都不宜做高，选择电流时应考虑开关损耗产生的热效应。1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）晶闸管的派生器件（了解）12/22/20225
31、6Power Electronics2 2、双向晶闸管：双向晶闸管：可用来代替两个反并联的晶闸管，由于是双向元件主电路无阴阳极之分。都可接正也可接负。而且，正反向都可由、两种脉冲触发导通，所以触发电路设计相对比较灵活。其特性是在、象限，均为普通晶闸管导通特性。比较经济，控制电路简单，广泛用于交流调压电路、固态继电器和交流调速等领域。用有效值表示其额定电流。1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）晶闸管的派生器件（了解）12/22/202257Power Electronics2 2、双向晶闸管：双向晶闸管：1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）晶闸管的派生器件（了解）12/22/202258Powe
32、r Electronics3 3、逆导晶闸管：逆导晶闸管：正向同晶闸管，反向同整流管，相当于晶晶闸闸管管和和整整流流管管反反并并联联，表示符号如下图，用于逆变、斩波等电路中。其结构与等效电路如图：1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）晶闸管的派生器件（了解）12/22/202259Power Electronics3 3、逆导晶闸管：逆导晶闸管：n特点：不具有承受反向电压的能力；n与普通晶闸管相比：正向压降小，关断时间短，高温特性好，元件数目减少，装置体积小。n额定电流为：晶闸管电流/整流管电流 例：300/500 1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）晶闸管的派生器件（了解）12/22/2022
33、60Power Electronics3 3、光控晶闸管光控晶闸管 利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。特点：由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，多用于需要进行电隔离的电路中。光控晶闸管目前在高压大功率的场合占据重要的地位。1.3.5 晶闸管的派生器件（了解）晶闸管的派生器件（了解）12/22/202261Power Electronics既可以控制其导通又可以控制其关断的器件称为全控型器件全控型器件。例如：门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（电力MOSFET）、绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（IGBT或或IGCT）
34、是其典型代表。1.4 典型全控型器件典型全控型器件12/22/202262Power Electronics 门门极极加加负负脉脉冲冲可可使使其其关关断断。优点是容容量量较较大大，但其它性能较差。因而在兆瓦级以上的大功率场合兆瓦级以上的大功率场合应用。1、GTO结构及工作原理结构及工作原理GTO结构和普通晶闸管相似，也是四层三端元件；不同的是，其内部分为数十个小GTO单元，这些小GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。这种特殊结构是为了便于实现门极关断而设计的。GTO的多元结构除对关断有利外，使开通过程更快，承受的di/dt能力更强。1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）1
35、2/22/202263Power Electronics2、GTO的主要参数的主要参数（参见晶闸管参数）（参见晶闸管参数）最最大大可可关关断断阳阳极极电电流流IATO：这是GTO的额定电流参数。电电流流关关断断增增益益off：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。off=IATO/IGM off 一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的主要缺点。的主要缺点。需要指出的是，不少GTO都制成逆导型，不能承受反向电压。当需要承受反向电压时，应串二极管。1.4.1 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）12/22/202264Power Elect
36、ronics电力晶体管电力晶体管(巨型晶体管),是一种耐高压耐高压，耐大电流耐大电流的双结型晶体管（BJT）。GTR和BJT是等效的。GTR主要是在中、小功率范围取代晶闸管，目前，又被绝缘栅极晶体管和电力场效应管取代。GTR的结构及工作原理与普通的晶体管类似，不再详述。主要特性是耐高压，电流大，主要特性是耐高压，电流大，开关特性好。开关特性好。(开关时间在几微秒以内，比开关时间在几微秒以内，比GTR，GTO都短很多）都短很多）1.4.2 电力晶体管（电力晶体管（GTR）12/22/202265Power Electronics同小功率场效应管类似，电力场效应管也分为结型和绝缘栅型两种，使用较多
37、的是绝缘栅型场效绝缘栅型场效应管应管，简称MOSFET。MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的。是用栅极电压来控制漏极电流的。具有以下特点：驱动电路简单，驱动功率小；开关速度快，工作频率高。不足：电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10KW的装置上。（50A500V，100kHz）1.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）12/22/202266Power Electronics1、电力、电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理 导电原理和小功率MOS管类似，只是小功率MOS管的导电沟道是平行于芯片表面，为横向导电器件。而MOSFET采用垂直导电结构，所以又
38、称为VMOSFET，这样大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。P26页图1-19给出了N沟道管和P沟道管的电气符号图。1.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）12/22/202267Power Electronics1、电力、电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理电力MOSFET管分为耗尽型和增强型实际使用时主要是N沟道增强型沟道增强型。1.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）工作原理工作原理（以N沟导增强型为例）：当漏源极（D,S）接正电源，栅源极(G,S)电压为零时，漏源极之间无电流流过。12/22/202268Power El
39、ectronics如果在栅极和源极之间加上正偏电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以没有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面 P区中的空穴推开，而将N区中的电子吸引到栅极下面的P区表面，形成反型层，使PN结消失，漏极和源极导电。2、电力、电力MOSFET的基本特性的基本特性静静态态特特性性：漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性转移特性。1.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）12/22/202269Power Electronicsv电压控制型器件，输入阻抗极高，输入电流非常小。v其漏极伏安特性称为输出特性。分为截止区、放大区和
40、饱和区。饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加。v电力MOSFET工作在开关状态，在截止区和饱和区之间转换。动态特性：略讲。1.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）12/22/202270Power Electronicsv工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。由于MOSFET只靠多子导电只靠多子导电不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常快的。开关时间在10100ns之间；vMOSFET的开关速度和输入电容的充放电有很大关系，使用者无法降低MOSFET管内部电容，但可以降低栅极驱动电路的内阻可以降低栅极驱动电路的内阻RS，从而减小栅极回路的充放电时间
41、常数，加快开关速度加快开关速度。1.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）12/22/202271Power Electronicsv电力MOSFET是场控器件，静态时几乎不需要输入电流，但是在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，需要的驱动功率越大。3、电力、电力MOSFET的的主要参数主要参数跨导跨导Gfs：转移特性的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs即：Gfs=dID/dUGS1.4.3 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）12/22/202272Power Electronics开启电压开启电压UT：当UGS大于电压UT
42、时，使P型半导体反型成N型半导体，漏极和源极导电。该电压UT称为开启电压。漏极电压漏极电压UDS：是电力MOSFET的额定电压。漏极直流电流漏极直流电流I ID D和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值I IDMDM：是电力MOSFET的电流定额。栅源电压栅源电压U UGSGS：栅源之间的绝缘层很薄，|UGS|20V将导致绝缘层击穿。实际使用时应注意留有一定的裕量。实际使用时应注意留有一定的裕量。1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管（MOSFET）12/22/202273Power ElectronicsGTOGTO和和GTRGTR是电流驱动器件是电流驱动器件，由于具有电导调制效应，所以
43、其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET MOSFET 是电压是电压驱动器件驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将上述两类器件相互取长补短结合而成的复合器件即为绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管，简称为IGBT或IGT。它综合了两种器件的优点，因而具有良好的性能。目前，IGBT的容量水平达(12001600A)/(18003330V),工作频率达40kHz以上。1.4.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）12/22/202274Power Electronics1、IGBT的结构及工作原理的结构及工作原理I
44、GBT也是三端器件，具有栅极，集电极和发射极，如P29图1-22所示。1.4.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）12/22/202275Power Electronics由图看出，IGBT比MOSFET多一层P区，形成一个新的PN结J1，这样使得IGBT在导通时由P区向N区发射空穴，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT有很强的通流能力。可以看出它是由双极型晶体管和MOSFET组合成的达林顿结构。相当于由一个MOSFET驱动的PNP晶体管。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件场控器件。1.4.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）12
45、/22/202276Power Electronics其开通和关断是由栅极和发射极间的电压uGE决定的，当UGE为正且大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。上述PNP晶体管与N沟道MOSFET组合而成的IGBT称为N-IGBT，实际当中使用较多。1.4.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）12/22/202277Power Electronics2、I
46、GBT的的基本特性基本特性静态特性静态特性v图1-23a所示为IGBT的转移特性转移特性，它描述的是集电极电流和栅极电压UGE之间的关系。开启电压UGE(th）在+25C时的值一般为26V。v图1-23b所示为IGBT的输出特性输出特性，也称伏安伏安特性特性，此特性与GTR的输出特性相似。也分为三个区域，正向阻断区，有源区和饱和区。在在电力电子电路中电力电子电路中IGBT是工作在开关状态。是工作在开关状态。1.4.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）12/22/202278Power Electronics动态特性动态特性v与电力MOSFET的动态过程相似。但IGBT中双极型PN
47、P的存在，虽然带来了电导调制的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET管。3、IGBT的主要参数的主要参数最最大大集集射射极极间间电电压压U UCESCES：由PNP晶体管的击穿电压确定；1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（IGBT）12/22/202279Power Electronics最最大大集集电电极极电电流流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP；最最大大集集电电极极功功耗耗PCM：在正常的工作温度下，允许的最大耗散功率。vIGBTIGBT的特性和参数总结如下：参见的特性和参数总结如下：参见P31P31开关速度高，开关损耗小。相同
48、电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。1.4.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）12/22/202280Power Electronics通态压降比VDMOSFET低。输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。此外，为满足实际电路中的要求，IGBT经常制成逆导器件，使用时应加以注意。1.4.4 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）12/22/202281Power ElectronicsMOS控制晶闸管（MCT）静电感应晶体管（SIT）静电感应晶闸管（SIT
49、H）集成门极换流晶闸管（IGCT）功率模块与功率集成电路：IGBT模块，智能功率模块IPM1.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件12/22/202282Power Electronics1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电子器件驱动电路概述电力电子器件的驱动电路是电力电子主电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，使电力电子装置电路与控制电路之间的接口，使电力电子装置的重要环节。的重要环节。1、驱动电路的基本任务、驱动电路的基本任务提供控制极所需的控制信号；提供控制极所需的控制信号；提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节
50、。（一一般般采采用用光光隔隔离离或或电电磁磁隔隔离离。光光隔隔离离使使用用光光耦合器，磁隔离的元件通常是脉冲变压器耦合器，磁隔离的元件通常是脉冲变压器。）。）1.6 电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动12/22/202283Power Electronics2、驱动电路分类、驱动电路分类由由分分立立元元件件组组成成的的驱驱动动电电路路（模模拟拟式式）；专专用用的的集集成成驱驱动动电电路路（数数字字式式）。（使使用用时时应应首首选选电电力力电电子子器器件件生生产产厂厂家家开开发发的集成驱动电路的集成驱动电路）电流驱动型和电压驱动型电流驱动型和电压驱动型1.6.1 电力电子器件驱动电路概述电力电