第4章 电力电子器件 学习目标 1. 掌握GT0、GTR、电力MOSFET、IGBT四种常见全控型电力电子器件的工作原理、特性、主要参数、驱动电路及使用中应注意的问题。 2. 熟悉常见全控型电力电子器件各自特点以及适用场合。 3. 了解新型电力电子器件的概况。 全控器件：能控制其导通，又能控制其关断的器件称为全控器件，也称为自关断器件。和普通晶闸管相比，在多种应用场合控制灵活、电路简单、能耗小，使电力电子技术的应用范围大为拓宽。

引言 电子技术的基础 电力电子电路的基础 本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 ——— 电子器件：晶体管和集成电路 电力电子电路的基础 ——— 电力电子器件 本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。

4.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件 电力电子器件（Power Electronic Device） 1）概念: 电力电子器件（Power Electronic Device） ——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 主电路（Main Power Circuit） ——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 2）分类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然

4.1.1 电力电子器件的概念和特征 3）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。 3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：

4.1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗 通态损耗 断态损耗 主要损耗 开关损耗 通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 开通损耗 开关损耗 关断损耗 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，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。

4.1.2 应用电力电子器件系统组成 电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 控 制 电 路 在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行 控 制 电 路 检测 电路 驱动 R L 主电路 V 1 2 保护电路 控制电路 电气隔离 图4-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成

4.1.3 电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： 半控型器件（Thyristor） 4.1.3 电力电子器件的分类 半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET) ——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。 不可控器件(Power Diode) ——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：

按照驱动电路信号的性质，分为两类： 4.1.3 电力电子器件的分类 ——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。 4.1.3 电力电子器件的分类 电流驱动型 ——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。 电压驱动型 ——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。 按照驱动电路信号的性质，分为两类：

4.1.4 本章学习内容与学习要点 本章内容: 学习要点: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 4.1.4 本章学习内容与学习要点 本章内容: 介绍各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 集中讲述电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用这三个问题。 学习要点: 最重要的是掌握其基本特性。 掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。 可能会主电路的其它电路元件有特殊的要求。

4.2 典型全控型器件·引言 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 4.2 典型全控型器件·引言 门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现。 20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。 典型代表——门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。

4.2 典型全控型器件·引言 常用的典型全控型器件 电力MOSFET IGBT单管及模块

4.2.1 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 晶闸管的一种派生器件。 4.2.1 门极可关断晶闸管 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO） 晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号 4.2.1 门极可关断晶闸管 1）GTO的结构和工作原理 结构： 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。 图4-3 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号

4.2.1 门极可关断晶闸管 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。 4.2.1 门极可关断晶闸管 工作原理： 与普通晶闸管一样，可以用图4-14所示的双晶体管模型来分析。 图4-4 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2 。 1+2=1是器件临界导通的条件。

4.2.1 门极可关断晶闸管 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。 4.2.1 门极可关断晶闸管 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别： 设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于GTO。 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 图4-5 晶闸管的工作原理

4. 2.1 门极可关断晶闸管 由上述分析我们可以得到以下结论： GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 4. 2.1 门极可关断晶闸管 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。 由上述分析我们可以得到以下结论：

4. 2.1 门极可关断晶闸管 GTO的动态特性 开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 4. 2.1 门极可关断晶闸管 GTO的动态特性 开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。 下降时间tf 尾部时间tt —残存载流子复合。 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。 O t i G A I 90% 10% f s d r 1 2 3 4 5 6 图4-6 GTO的开通和关断过程电流波形

4. 2.1 门极可关断晶闸管 GTO的主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间ton 4. 2.1 门极可关断晶闸管 GTO的主要参数 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。 （1）开通时间ton —— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 （2） 关断时间toff —— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。

4. 2.1 门极可关断晶闸管 （4） 电流关断增益off （4-8） ——GTO额定电流。 4. 2.1 门极可关断晶闸管 （3）最大可关断阳极电流IATO ——GTO额定电流。 （4） 电流关断增益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。 （4-8） off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。

电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管） 。 4. 2.2 电力晶体管 术语用法： 电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管） 。 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为Power BJT。   应用 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。

4.2.2 电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 4.2.2 电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理 图4-7 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。

4. 2.2 电力晶体管 1）GTR的结构和工作原理 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为 （4-9） 4. 2.2 电力晶体管 空穴流 电 子 流 c) E b c i = e =(1+ ) 1）GTR的结构和工作原理 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。 集电极电流ic与基极电流ib之比为 （4-9）  ——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力 。 当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （4-10） 单管GTR的 值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。

4. 2.2 电力晶体管 2）GTR的基本特性 (1) 静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 4. 2.2 电力晶体管 (1)  静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态。 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。 2）GTR的基本特性 截止区 放大区 饱和区 O I c i b3 b2 b1 < U ce 图4-8 共发射极接法时GTR的输出特性

4. 2.2 电力晶体管 (2) 动态特性 开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 加快开通过程的办法 。 4. 2.2 电力晶体管 (2)  动态特性 开通过程 延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。 加快开通过程的办法 。 关断过程 储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff 。 加快关断速度的办法。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多 。 i b I b1 b2 cs c 90% 10% t 1 2 3 4 5 off s f on r d 图4-9 GTR的开通和关断过程电流波形

4. 2.2 电力晶体管 3）GTR的主要参数 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 4. 2.2 电力晶体管 3）GTR的主要参数 前已述及：电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff (此外还有)： 1)  最高工作电压 GTR上电压超过规定值时会发生击穿。 击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。 BUcbo> BUcex> BUces> BUcer> Buceo。 实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。

4.2.2 电力晶体管 2) 集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic 。 4.2.2 电力晶体管 2) 集电极最大允许电流IcM 通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic 。 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率PcM 最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。

二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。 4.2.2 电力晶体管 GTR的二次击穿现象与安全工作区 一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。 只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。 二次击穿：一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。 常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。 SOA O I c cM P SB U ce ceM 安全工作区（Safe Operating Area——SOA） 最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。 图4-10 GTR的安全工作区

4.2.3 电力场效应晶体管 电力场效应晶体管 特点——用栅极电压来控制漏极电流 分为结型和绝缘栅型 4.2.3 电力场效应晶体管 电力场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型 通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET） 简称电力MOSFET（Power MOSFET） 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）  特点——用栅极电压来控制漏极电流 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 开关速度快，工作频率高。 热稳定性优于GTR。 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 。

4.2.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET的种类 1）电力MOSFET的结构和工作原理 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 4.2.3 电力场效应晶体管 1）电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的种类  按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就 存在导电沟道。 增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压 大于（小于）零时才存在导电沟道。  电力MOSFET主要是N沟道增强型。

图4-11 电力MOSFET的结构和电气图形符号 4.2.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET的结构 图4-11 电力MOSFET的结构和电气图形符号 是单极型晶体管。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。 采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。

4.2.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET的结构 小功率MOS管是横向导电器件。 4.2.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET的结构 小功率MOS管是横向导电器件。 电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。 按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 这里主要以VDMOS器件为例进行讨论。

4.2.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET的工作原理 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 导电：在栅源极间加正电压UGS 4.2.3 电力场效应晶体管 电力MOSFET的工作原理 截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。 P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 导电：在栅源极间加正电压UGS 当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。 图4-12 电力MOSFET的结构和电气图形符号

图4-13 电力MOSFET的转移特性和输出特性 4.2.3 电力场效应晶体管 2）电力MOSFET的基本特性  (1) 静态特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。 ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。 10 20 30 50 40 2 4 6 8 a) b) 饱和区 非 饱 和 区 截止区 I D / A U T GS V DS = =3V =4V =5V =6V =7V =8V 图4-13 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性

图4-14电力MOSFET的转移特性和输出特性 4.2.3 电力场效应晶体管 截止区（对应于GTR的截止区） 饱和区（对应于GTR的放大区） 非饱和区（对应GTR的饱和区） 工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。 漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。 MOSFET的漏极伏安特性： 10 20 30 50 40 2 4 6 8 a) b) 饱和区 非 饱 和 区 截止区 I D / A U T GS V DS = =3V =4V =5V =6V =7V =8V 图4-14电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性

4.2.3 电力场效应晶体管 (2) 动态特性 开通过程 关断过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr 4.2.3 电力场效应晶体管 开通过程 开通延迟时间td(on) 上升时间tr 开通时间ton——开通延迟时间与上升时间之和 关断过程 关断延迟时间td(off) 下降时间tf 关断时间toff——关断延迟时间和下降时间之和 (2)  动态特性 R s G F L i D u GS p 信号 + U E O t GSP T d (on) r (off) f a ） b ) 图4-15 电力MOSFET的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 up—脉冲信号源，Rs—信号源内阻， RG—栅极电阻， RL—负载电阻，RF—检测漏极电流

4.2.3 电力场效应晶体管 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 MOSFET的开关速度 4.2.3 电力场效应晶体管 MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。 可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。 不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。 开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。 场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。 开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

(2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 4.2.3 电力场效应晶体管 3) 电力MOSFET的主要参数 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有： (1)  漏极电压UDS ——电力MOSFET电压定额 (2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM ——电力MOSFET电流定额 (3) 栅源电压UGS —— UGS>20V将导致绝缘层击穿 。 (4) 极间电容 ——极间电容CGS、CGD和CDS

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 GTR和GTO的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 MOSFET的优点——单极型，电压驱动，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。 两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 ) GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 1) IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 1) IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E 图4-16 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的结构 图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的结构 图1-22a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT。 IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，具有很强的通流能力。 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 RN为晶体管基区内的调制电阻。 图4-17 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 IGBT的原理 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的原理   驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 关断：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。

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性 输出特性 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 2) IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性 输出特性 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。 O 有源区 正向阻断区 饱 和 区 反向阻断区 I C U GE(th) GE RM FM CE 增加 a ) b ) 转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th)) 图4-18 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 (2) IGBT的动态特性 IGBT的开通过程 与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on) 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 (2)   IGBT的动态特性 IGBT的开通过程       与MOSFET的相似 开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程； tfv2——MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。 t 10% 90% U CE I C O GE GEM CM CEM fv1 fv2 off on fi1 fi2 d(off) f d(on) r CE(on) 图4-19 IGBT的开关过程

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的关断过程 关断延迟时间td(off） 电流下降时间 关断时间toff 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的关断过程 t 10% 90% U CE I C O GE GEM CM CEM fv1 fv2 off on fi1 fi2 d(off) f d(on) r CE(on) 关断延迟时间td(off） 电流下降时间 关断时间toff 电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段。 tfi1——IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快。 tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。 图4-20 IGBT的开关过程

——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 3) IGBT的主要参数 (1) 最大集射极间电压UCES ——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。 (2)  最大集电极电流 ——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (3) 最大集电极功耗PCM ——正常工作温度下允许的最大功耗 。

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 IGBT的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度高，开关损耗小。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且 具有耐脉冲电流冲击能力。 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 。

4.2.4 绝缘栅双极晶体管 擎住效应或自锁效应： 正偏安全工作区（FBSOA） 反向偏置安全工作区（RBSOA） 4.2.4 绝缘栅双极晶体管 擎住效应或自锁效应： ——NPN晶体管基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加正偏压，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控。 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流小。 擎住效应曾限制IGBT电流容量提高，20世纪90年代中后期开始逐渐解决。 正偏安全工作区（FBSOA） ——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。 反向偏置安全工作区（RBSOA） ——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。 IGBT往往与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件 。

4.3.1 MOS控制晶闸管MCT MCT（MOS Controlled Thyristor）——MOSFET与晶闸管的复合 承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。 每个元的组成为：一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通 的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预 期的数值，未能投入实际应用。

4.3.2 静电感应晶体管SIT SIT（Static Induction Transistor）——结型场效应晶体管 缺点： 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。

4.3.3 静电感应晶闸管SITH SITH（Static Induction Thyristor）——场控晶闸管（Field Controlled Thyristor—FCT） SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。 其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。  SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。

4.3.4 集成门极换流晶闸管IGCT IGCT（Integrated Gate-Commutated Thyristor） ——GCT（Gate-Commutated Thyristor） 20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。 可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。

4.3.5 功率模块与功率集成电路 基本概念 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 4.3.5 功率模块与功率集成电路 基本概念 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated Circuit——PIC）。

4.3.5 功率模块与功率集成电路 实际应用电路 高压集成电路（High Voltage IC——HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率集成电路（Smart Power IC——SPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。 智能功率模块（Intelligent Power Module——IPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。

4.3.5 功率模块与功率集成电路 发展现状 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。 4.3.5 功率模块与功率集成电路 发展现状 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。

4.4.1 电力电子器件驱动电路概述 驱动电路——主电路与控制电路之间的接口 驱动电路的基本任务： 4.4.1 电力电子器件驱动电路概述 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。 驱动电路——主电路与控制电路之间的接口

图4-21 光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型 4.4.1 电力电子器件驱动电路概述 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。  光隔离一般采用光耦合器  磁隔离的元件通常是脉冲变压器 图4-21 光耦合器的类型及接法a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型

4.4.1 电力电子器件驱动电路概述 分类 按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。 4.4.1 电力电子器件驱动电路概述 分类 按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。

4.4.2 晶闸管的触发电路 晶闸管的触发电路 作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 4.4.2 晶闸管的触发电路 晶闸管的触发电路 作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。 晶闸管触发电路应满足下列要求： 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。 I M t 1 2 3 4 t 图4-22　理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s）　t1~t3强脉宽度 IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4脉冲宽度　　I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）

4.4.2 晶闸管的触发电路 常见的晶闸管触发电路 V1、V2构成脉冲放大环节。 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。 4.4.2 晶闸管的触发电路 常见的晶闸管触发电路 V1、V2构成脉冲放大环节。 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。  V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。 图4-23 常见的晶闸管触发电路

4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 1) 电流驱动型器件的驱动电路 4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 1) 电流驱动型器件的驱动电路 (1) GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。 O t u G i 5V的负偏压 GTO驱动电路通常包括 开通驱动电路、关断驱 动电路和门极反偏电路 三部分，可分为脉冲变 压器耦合式和直接耦合 式两种类型。 正的门极电流 图4-24　推荐的GTO门极电压电流波形

4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡， 可得到较陡的脉冲前沿。 4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡， 可得到较陡的脉冲前沿。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。 图 4-25 典型的直接耦合式GTO驱动电路

4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 (2) GTR 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 (2) GTR 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。 关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。 关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。 t O i b 图4-26 理想的GTR基极驱动电流波形

4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。 4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。 图4-27　GTR的一种驱动电路 驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。

4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 2) 电压驱动型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。 4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 2) 电压驱动型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。 为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。 使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15 ~ 20V。 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 ~ -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。 在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。

4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 (1) 电力MOSFET的一种驱动电路： 电气隔离和晶体管放大电路两部分 图4-28　电力MOSFET的一种驱动电路 专为驱动电力MOSFET而设计的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。

4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 多采用专用的混合集成驱动器。 4.4.3 典型全控型器件的驱动电路 (2) IGBT的驱动 多采用专用的混合集成驱动器。 图4-29　M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 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）。

4.5.1 过电压的产生及过电压保护 电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压 外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因 4.5.1 过电压的产生及过电压保护 电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压 外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 雷击过电压：由雷击引起 内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

4.5.1 过电压的产生及过电压保护 过电压保护措施 电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。 4.5.1 过电压的产生及过电压保护 过电压保护措施 图4-30　过电压抑制措施及配置位置 F避雷器　D变压器静电屏蔽层　C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路　RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器　RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路　RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路 电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。 其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。

4.5.2 过电流保护 过电流——过载和短路两种情况 保护措施 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。 4.5.2 过电流保护 过电流——过载和短路两种情况 保护措施 负载 触发电路 开关电路 过电流 继电器 交流断路器 动作电流 整定值 短路器 电流检测 电子保护电路 快速熔断器 变流器 直流快速断路器 电流互感器 变压器 图4-31　过电流保护措施及配置位置 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。 电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分 区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

4.5.2 过电流保护 快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种 4.5.2 过电流保护 快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种 全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。 短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。 对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 。

4.5.3 缓冲电路 缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。 关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——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。 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。 复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。 按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。

4.5.3 缓冲电路 缓冲电路作用分析 无缓冲电路： 有缓冲电路： 图4-33 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 i A 4.5.3 缓冲电路 缓冲电路作用分析 无缓冲电路： 有缓冲电路： b) t u CE i C O d 抑制电路 无 时 有 有缓冲电路时 无缓冲电路时 A D C B 无缓冲电路 有缓冲电路 u CE i O 图4-33　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 图4-32　关断时的负载线

4.5.3 缓冲电路 其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。 4.5.3 缓冲电路 充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。 其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。 图4-35　另外两种常用的缓冲电路 RC吸收电路　 放电阻止型RCD吸收电路 图4-34　di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路及波形 a) 电路

4.6.1 晶闸管的串联 目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。 4.6.1 晶闸管的串联 目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。 问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。 静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。 动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。

4.6.1 晶闸管的串联 静态均压措施： 选用参数和特性尽量一致的器件。 采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。 4.6.1 晶闸管的串联 静态均压措施： 选用参数和特性尽量一致的器件。 采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。 b) a) R C VT 1 2 P I O U T1 T2 动态均压措施： 选择动态参数和特性尽量一致的器件。 用RC并联支路作动态均压。 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。 图4-36　晶闸管的串联 a)　伏安特性差异　b)　串联均压措施

4.6.2 晶闸管的并联 目的：多个器件并联来承担较大的电流 问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。 均流措施： 4.6.2 晶闸管的并联 目的：多个器件并联来承担较大的电流 问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。  均流措施： 挑选特性参数尽量一致的器件。 采用均流电抗器。 用门极强脉冲触发也有助于动态均流。 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。

4.6.3电力MOSFET和IGBT并联运行的特点 Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联。 电路走线和布局应尽量对称。 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。 IGBT并联运行的特点 在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数。 在以上的区段则具有正温度系数。 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。

本章小结 电力电子器件类型归纳 主要内容 全面介绍各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等。 集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。 电力电子器件类型归纳 单极型：电力MOSFET和SIT 双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH 复合型：IGBT和MCT 图4-37　电力电子器件分类“树”

本章小结 电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH 特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。 特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大,驱动电路较复杂。

本章小结 当前的格局: IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。 GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。 光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。 电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压，地位牢固。 功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。