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1、BACKBACKEXITEXIT第第2 2章章 电力电子器件电力电子器件Chapter 1 Power Electronic Devices22.1 2.1 晶闸管晶闸管2.2 2.2 门极关断晶闸管门极关断晶闸管2.3 2.3 电力晶体管电力晶体管2.4 2.4 电力场效应晶体管电力场效应晶体管2.5 2.5 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管2.6 2.6 其他新型功率开关器件其他新型功率开关器件2.7 2.7 自关断器件缓冲电路自关断器件缓冲电路小结小结32.1 晶 闸 管晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也称为可控硅SCR，普通晶闸管是一种具有开关作用的大功率半导体
2、器件。晶闸管作为大功率的半导体器件，只需用几十至几百毫安的电流，就可以控制几百至几千安培的大电流，实现了弱电对强电的控制；晶闸管具有体积小、重量轻、损耗小、控制特性好等优点，曾经在许多领域中得到了广泛的应用。4一、晶闸管的结构晶闸管具有四层PNPN结构，引出阳极A、阴极K和门极G三个联接端；晶闸管的常见封装外形有螺栓型、平板型、塑封型；晶闸管对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。图图1 1 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)a)外形外形 b)b)结构结构 c)c)电气图形符号电气图形符号G
3、 G5图图2 2 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)a)双晶体管模型双晶体管模型 b)b)工作原理工作原理二、晶闸管的工作原理分析在分析SCR的工作原理时，常将其等效为两个晶体管V1和V2串级而成。此时，其工作过程如下：UGK0 产生IG V2通产生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。61.电压参数1)正向断态重复峰值电压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）通态平均
4、电压UT（AV）当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压降的平均值，称为通态平均电压。通态平均电压UT(AV)分为A，对应为0.4V1.2V共九个组别。4)额定电压UTnUTn=（23）UTM 三、晶闸管的主要参数7通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍：U UTnTn（）（）U UTMTM 一般来说，SCR的额定电压等级规范标准为：100V 1000V，每100V一个等级；1000V3000V，每200V一个等级。8举例：一晶闸管用于相电压一晶闸管用于相电压
5、为220V 的单相电路中时，器件的电压等级选择如下：考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：考虑到既能满足耐压要求，又较经济取系列值：9 2.电流参数（1）额定电流（通态平均电流）IT(AV)定义：在环境温度为+140度和规定的散热条件下，晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。注意：由于晶闸管较多用于可控整流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算，它是以电流的平均值而非有效值作为它的电流定额。10晶闸管的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为：正弦半波电流的有效值为：平均电
6、流IT(AV)与有效值关系为：11流过晶闸管的电流波形不同时，其电流有效值也不同，以上比值也不同。实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，并且在选用晶闸管时，电流电流参数还应取(1.52)倍的安全裕量，即式中式中 是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值12 有一晶闸管的电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过的电流波形如图所示，允许流过的电流峰值IM=？分析：I（TAV）=100A的晶闸管，对应的电流有效值为：IT=1.57 I（TAV）157A；波形对应的电流有效值：考虑2倍的安全裕量得：举例：举例：（2）维持电流 IH：使晶闸管维持导通
7、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）擎住电流 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。四、晶闸管的型号普通型晶闸管型号可表示如下：KP电流等级电压等级/100通态平均电压组别其中K代表闸流特性，P为普通型。如KP507型号的晶闸管表示额定电流为50A，额定电压为700V，通态平均电压组别以英文字母标出，小容量的元件可不标。14五、晶闸管的测试用万用表欧姆档判断晶闸管好坏的方法是：将万用表置于R1K挡，测量阳极-阴极之间正反向电阻，正常时都应在几百千欧以上，如测得的阻值很小或为零，
8、则阳极-阴极之间短路；用万用表R10挡测门极-阴极之间正反向电阻，正常时应为数十欧到数百欧，反向电阻较正向电阻略大，如测得的正反向电阻都很大，则门极-阴极之间断路，如测得的阻值很小或为零，则门极-阴极之间短路。15六、晶闸管的触发电路晶闸管触发电路的具体作用是将控制信号Uk转变成延迟角信号，向晶闸管提供门极电流，决定各个晶闸管的导通时刻。触发信号可以是交流形式，也可以是直流形式，但它们对门极阴极来说必须是正极性的。晶闸管触发导通后，门极即失去控制作用，为了减少门极的损耗及触发电路的功率，触发信号通常采用脉冲形式。分立元件组成的晶闸管电路的触发电路集成触发器数字触发器16172.2 门极关断晶闸
9、管(GTO)门极关断晶闸管(Gate Turn-off)，简称GTO。与普通晶闸管相比，GTO的快速性能好，工作频率高，控制方便，关断时不需要转换阳极电压极性，且电压、电流容量较大。GTO在高压直流输电、大型轧机和电力机车等兆瓦级以上的大功率变换场合发挥了重要作用。18导通：同晶闸管 关断：门极加负脉冲电流与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极；和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。1.1.结构结构2.2.工作原理工作原理193.主要参数(1)最大的可关断
10、阳极电流IATO。GTO的电流容量一般用这个参数来标称。比如500A/1000V的GTO,即指最大可关断阳极电流为500A,耐压为1000V。(2)电流关断增益。因为GTO是用门极负电流去关断阳极电流的，所以人们总是希望用较小的门极电流关断较大的阳极电流，于是规定了GTO的另一特征参数，即阳极电流IA与使它关断所需的最小门极电流IG(min)的比值叫电流关断增益。一般取值在5左右。1000A的的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要关断时门极负脉冲电流峰值要200A 4.GTO的门极驱动GTO的开通控制：与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流；（要求门
11、极开通控制电流信号具有前沿陡、幅度高、宽度大、后沿缓的脉冲波形。）关断：施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。一般关断脉冲电流的上升率dI/dt取1050A/s，这样可缩短关断时间，减少关断损耗，关断脉冲电流要达到阳极电流的1/51/3，关断脉冲的宽度一般为120s左右。GTO驱动电路通常包括三部分：开通电路、关断电路和门极反偏电路典型的直接耦合式GTO驱动电路222.3 电力晶体管（GTR）电力晶体管GTR（Giant Transistor）是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor
12、），所以也称Power BJT。GTR是全控型器件，并具有开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽等优点，且在应用中逐步实现了高频化、模块化和廉价化，因此自20世纪80年代以来，GTR在中、小功率范围的斩波控制和变频控制领域逐步取代了晶闸管。GTR基本结构有NPN和PNP两种，而在电力电子电路中主要采用NPN结构。左图为GTR的结构原理图，一个GTR芯片包含大量的并联晶体管单元，这些晶体管单元共用一个大面积集电极，而发射极和基极则被化整为零。右图为GTR的图形符号，与普通晶体管完全相同。23 一、结构二、电力晶体管的主要参数1电压参数（1）集电极额定电压UCEM GTR的最高工作电压UCEM应比最
13、小击穿BUCEO低，从而保证元件工作安全。（2）饱和压降UCES：单个GTR的饱和压降一般不超过11.5V，UCES随集电极电流ICM的增大而增大。242.电流参数（1）集电极最大允许电流ICM 集电极额定电流是取决于最高允许结温下引线、硅片等的破坏电流，超过这一额定值必将导致晶体管内部结构件的烧毁。在实际使用中可以利用热效应，根据占空比来增大连续电流，但不能超过峰值额定电流。（2）基极电流最大允许值IBM 基极电流最大允许值比集电极额定电流的数值要小得多，通常IBM=（1/21/10）ICM，而基极发射极间的最大电压额定值通常只有几伏。（3）集电极最大耗散功率PCM 集电极最大耗散功率是指最
14、高工作温度下允许的耗散功率。它受结温的限制，由集电极工作电压和电流的乘积所决定。2526三、电力晶体管的类型单管GTR的基本工作原理与晶体管相同作为大功率开关管应用时，GTR工作在截止和导通两种状态。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好1.单管GTR 272达林顿GTR单管 GTR的电流增益低，将给基极驱动电路造成负担。达林顿结构是提高电流增益提高电流增益一种有效方式。达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定 达林顿GTR的开关速度慢，损耗大 283GTR模块将 GTR管芯、稳定电阻、加速二极管、续流二极管等组装成一个单元，然后根据不同用途将几
15、个单元电路组装在一个外壳之内构成GTR模块。目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝缘的单元电路做在同一模块内，可很方便地组成三相桥式电路。四、GTR的驱动1.基极驱动电路一般应有以下基本要求：（1）优化的驱动特性 就是以理想的基极驱动电流波形去控制器件的开关过程，保证较高的开关速度，减少开关损耗。优化的基极驱动电流波形与GTO门极驱动电流波形相似。（2）驱动电路损耗要小，电路尽可能简单可靠，便于集成。（3）驱动电路中常要解决控制电路与主电路之间的电气隔离。（4)驱动电路应有足够的保护功能，防止GTR过流或进入放大区工作。2驱动电路的隔离驱动电路同时要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般
16、采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用由发光二极管和光敏晶体管组成的光耦合器。光耦合器的类型及接法a)普通型 b)高速型 c)高传输比型2.4 电力场效应晶体管（MOSFET）电力场效应晶体管Power MOSFET：单极型电压控制型器件。优点：驱动电路简单、驱动功率小、速度快、工作频率高（它是所有电力电子器件中工作频率最高的）、输入阻抗高、热稳定性好、无二次击穿、安全工作区宽等。缺点：电流容量小，耐压低，通态电阻大，只适用于中小功率电力电子装置。应用：在中小功率的高性能开关电源、斩波器、逆变器中，得到了越来越广泛的应用。目前千伏级器件已达20A，其他各种大电流低电压的器件已系列化、模块化。313
17、2GGGG：栅极栅极栅极栅极D D D D：漏极漏极漏极漏极S S S S：源极源极源极源极电力MOSFET的结构和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)电气图形符号1结构：电力MOSFET是多元集成结构，即一个MOSFET器件实际上是由许多小单元组成。功率场效应晶体管一般为N沟道增强型。332.工作原理（1）当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间加一正电压UGS，则栅极上的正电压将其下面的P基区中的空穴推开，而将电子吸引到栅极下的P基区的表面，当UGS大于开启电压UT时，栅极下P基区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，成为反型层，由反型层构成的N沟道使PN结消失，
18、漏极和源极间开始导电。（2）UGS数值越大，P-MOSFET导电能力越强，ID也就越大。（3）当漏源间加负电压时，PN结正偏，相当于一个内部二极管，所以MOSFET无反向阻断能力。内部结构等效图3.主要参数（1）漏极击穿电压BUDS:决定了电力MOSFET的最高工作电压，使用时应注意结温的影响，结温每升高100C，BUDS约增加10%。（2）栅源击穿电压BUGS:造成栅源极之间绝缘层被击穿的电压称栅源击穿电压BUGS。栅源极之间绝缘层很薄，UGS20V就将发生绝缘层击穿。（3）通态电阻 通态电阻几乎是结温的线性函数。随着结温升高通态电阻增大，也就是通态电阻具有正的温度系数。（4）最大耗散功率P
19、D 最大耗散功率表示器件所能承受的最大发热功率。344.MOSFET4.MOSFET的驱动电路的驱动电路电力场效应晶体管的输入阻抗很大，故驱动电路可做得很简单，且驱动功率也小。按驱动电路MOSFET栅极的连接方式可分为直接驱动和隔离驱动，隔离驱动常采用脉冲变压器或光耦器件进行隔离。MOSFET驱动电路的要求：（1）为提高开关速度，要求驱动电路要具有足够高的输出电压、较高的电压上升率和较小的输出电阻。（2）MOSFET各极间有分布电容，元件在开关过程中要对电容进行充放电，因此在动态驱动时还需一定的栅极驱动功率。（3）关断瞬间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通。（4）驱动电路结构
20、简单可靠，损耗小，最好有隔离。电力MOSFET的一种驱动电路：v无输入信号时高速放大器A输出负电平,V3导通输出负驱动电压v当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压电力电力MOSFET的的一种驱动电路一种驱动电路专为驱动电力MOSFET而设计的还有混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和3A，输出驱动电压+15V和10V。372.5 绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT综合了MOSFETMOSFET和GTRGTR的输入阻抗高、开关速度快、驱动功率小且电路简单、通态电压低、阻断电压高、承受电流大的优点。成为当前电力半导体器件的发展
21、方向。但其反向耐压能力很低，只有几十伏（必须反接二极管）。381.结构复合结构（=MOSFETMOSFET+GTRGTR）392.工作原理1）IGBT是以PNP型GTR为主导元件、N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿电路结构器件，其驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，通断由栅射极电压uGE决定2）导通条件：导通条件：在栅射极间加正电压在栅射极间加正电压在栅射极间加正电压在栅射极间加正电压U U U UGEGEGEGEU UGEGE大于开启电压大于开启电压U UGE(GE(thth)时，时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。3）关断条件：关断条件：栅射极反
22、压或无信号栅射极反压或无信号栅射极反压或无信号栅射极反压或无信号栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。3.IGBT3.IGBT驱动电路基本要求：驱动电路基本要求：（1）为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻要小。（2）合适的正向驱动电压UGE。当正向驱动电压UGE增加时，IGBT输出级晶体管的导通压降UCE和开通损耗值将下降；但在负载短路过程中，IGBT的集电极电流也随UGE增加而增加，因此UGE要选合适的值，一般开通驱动电压可取为1520V。（3）合适的反偏压 IGBT关断时，栅极和发射极间加反偏压可使IGBT快速关断，但反偏压数值也
23、不能过高，否则会造成栅射极反向击穿。反偏压的一般范围为5V15V。（4）驱动电路最好与控制电路隔离。（5）应根据IGBT的电流和电压额定值及开关频率的不同，选择合适的RG阻值。4.IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，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）。同系列不同型号的驱动器其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率及输入电流幅值等参数不同。M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图5.IGBT5.IGBT并联运行的特点并联运行的特点（1）在1/2或1/3额定电
24、流以下的区段，通态压降具有负温度系数。（2）在以上的区段则具有正温度系数。（3）并联使用时也具有电流自动均衡能力，易于并联。6.IGBT6.IGBT的保护的保护IGBT的保护措施有：（1）通过检测过电流信号来切断栅极控制信号，关断器件，实现过流保护。（2）采用吸收电路抑制过电压、限制过大的电压上升率dUce/dt。（3）用温度传感器检测IGBT的壳温，过热时使主电路跳闸保护。432.6 其他新型功率开关器件SIT静电感应晶体管SITH静电感应晶闸管MCTMOS控制晶闸管IGCT 集成门极换流晶闸管PM 功率模块PIC 功率集成电路（HVIC、SPIC、IPM)智能功率模块IPM智能功率模块（I
25、ntelligent Power ModuleIPM），是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路PIC的一种。目前采用较多的是IGBT作为大功率开关器件的模块，器件模块内集成了电流传感器，可以检测过电流及短路电流，不需要外加电流检测元件。智能模块内有过流、短路、欠压和过热等保护功能，如果其中任何一种保护功能动作，输出为关断状态，同时输出故障信号。1智能智能模块模块内部内部基本基本结构结构2.IPM的特点为：的特点为：内含驱动电路：设定最佳IGBT驱动条件；内含过流保护、短路保护：在芯片中用辅助IGBT作为电流传感器，使检测功耗小、灵敏、准确；内含欠电
26、压保护：当控制电源电压小于规定值是保护；内含过热保护：为了防止IGBT和续流二极管过热，在IGBT的内部绝缘基板上设有温度检测元件，结温过高即输出报警信号；报警输出：把该信号送给变频器的单片机，使系统停止工作。内含制动电路：用户如有制动要求可另购选件，在外电路规定端子上接制动电阻，即可实现制动。散热效果好：采用陶瓷绝缘结构，可以直接将模块安装子散热器上，散热效果好。3 3IGBTIGBT智能模块应用举例智能模块应用举例下图是富士R系列IPM的一种应用电路，使用时应注意：控制电源上桥臂使用三组，下桥臂和制动单元可共用1组。4组控制电源之间必须相互绝缘。IPM应用电路2.7自关断器件缓冲电路自关断
27、器件缓冲电路（1）关断缓冲电路（du/dt抑制电路）用于吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗（2）开通缓冲电路（di/dt抑制电路）用于抑制器件开通的电流过冲和di/dt，减小开通损耗（3）复合缓冲电路 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起2.缓冲电路分类缓冲电路分类1：缓冲电路分类缓冲电路分类2：耗能式缓冲电路 ：缓冲电路中储能元件的能量消耗在其吸收电阻上馈能式缓冲电路（无损吸收电路）：缓冲电路中储能元件的能量回馈给负载或电流1.1.缓冲电路（吸收电路）作用缓冲电路（吸收电路）作用抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流di/dt，减小器件的开关损耗。缓冲电路工作
28、分析：缓冲电路工作分析：通常缓冲电路专指关断缓冲电路，通常缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做将开通缓冲电路叫做di/dtdi/dt抑制电路抑制电路di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 a)电路 b)波形小结小结通过本章学习，重点掌握内容总结如下：（1）电流控制型开关器件：SCR、GTR、GTO等器件为电流驱动控制型器件。电流驱动控制型器件具有通态压降低、导通损耗小、工作频率低、驱动功率大、驱动电路复杂等特点。（2）电压控制型开关器件：P-MOSFET、IGBT等器件为电压控制型开关器件。电压控制型开关器件具有输入阻抗大、驱动功率小、驱动电路简单、工作频率高等特点。（3）电力电子器件的驱动。电力电子器件的驱动电路要满足相应的驱动要求，并且要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节。（4）智能功率模块IPM。是将大功率开关器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在同一个模块内，是电力集成电路PIC的一种。