电力电子器件 黄琦 陈峦 能源科学与工程学院
电力电子器件 不可控器件：二极管 半控型器件：晶闸管 全控型器件 新型电力电子器件 电力电子器件的驱动 电力电子器件的保护 电力电子器件的串联和并联使用
§1-1 电力电子器件概述 一、电力电子器件 概念 特征 主电路（Main Power Circuit）:在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。 在主电路中实现电能变换或控制的电子器件。 特征 ①大功率 ②工作于开关状态：↓损耗，不能作波形放大使用 ③需要控制和驱动电路 ④功耗大，需散热
电力电子器件的功率损耗 ①通态损耗：主要 ②断态损耗：次要 ③开关损耗：高频时较大
二、电力电子系统 组成：控制电路，驱动电路，主电路，检测电路，电气隔离、保护电路 电路 检测 控 制 电 路 驱动 R L 主电路 V 1 2 保护电路 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 电气隔离 控制电路
控制 电路 检测、隔离 驱动、隔离 主 电 路
三、电力电子器件的分类 1、根据可控性 ①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。 ②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。 ③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。
电力电子器件的分类 2、根据驱动信号的性质 ①流控型器件（电流驱动型） ②压控型器件,也称场控型（电压驱动型） 3、根据导电机理 通过从控制端注入或抽出电流来实现导通或关断的控制。 ②压控型器件,也称场控型（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即可实现导通或关断的控制。 3、根据导电机理 ①单极型器件 只有一种载流子参与导电 ②双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电 ③复合型器件 由单极型和双极型器件集成混合而成
二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 §1-2 电力二极管 一、工作原理 实质：PN结 特点：不需要驱动电路，两端器件，具有单向导电性 PN结的状态 K A 状态参数 正向导通 反向截止 反向击穿 电流 正向大 几乎为零 反向大 电压 维持1V 阻态 低阻态 高阻态 —— 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。
基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。
二、基本特性 1、静态特性（伏安特性） IF：正向电流 UF：正向电压降 与IF对应的电力二极管两端的电压 UTO：门槛电压 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。 I O F U TO
a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 2、动态特性 即通态和断态间转换过渡过程的开关特性 原因：PN结的结电容 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。 b) U FP u i F t fr 2V 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 I rr d f 1 2 R RP a)
开通过程 关断过程 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 U FP u i F t fr 2V (b)开通过程 I rr d f 1 2 R RP (a)关断过程 关断过程 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 开通过程 正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。 正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP越高 。
三、主要参数 1、正向平均电流：IF(AV) 电力二极管的发热原因 平均值： 有效值： 即在正常情况下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 注意：应按照工作中流过电力二极管的实际电流波形与正向平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取其电流定额，并应留有一定裕量。 平均值： 有效值： 电力二极管的发热原因 通常情况下→通态损耗 高频率时→开关损耗 反向漏电流较大时→断态损耗
例：正弦半波 平均值： 有效值： 平均值与有效值之间的关系：
2、正向压降：UF 3、反向重复峰值电压：URRM 4、浪涌电流IFSM 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 应用：URRM=2×可能承受的反向最高峰值电压 “重复”：可重复施加 4、浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 指其能承受的最大短时过电流
5、其它 （1）反向恢复时间trr （2）最高工作结温TJM 用于衡量过渡过程时间 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM通常在125~175C范围之内。
四、主要类型 2、快恢复二极管 3、肖特基二极管 1、普通二极管 即整流二极管（Rectifier Diode） 特点：参数大，但恢复时间长 应用：开关频率不高（≤1KHz）的整流电路中 2、快恢复二极管 即快速二极管 特点：恢复时间短 应用：高频开关 3、肖特基二极管 优点：低导通电压，开关时间极短 缺点：反向漏电流大，阻断电压低 应用：高频低压场合，如高频仪表，开关电源
§1-3 半控型器件-晶闸管 一、结构及工作原理 1、外形封装 螺栓型、平板型 早期：可控硅，SCR（Silicon Controlled Rectifier） 现在：晶闸管，Thyristor 其容量参数大于全控型器件→在大容量场合仍广泛应用 1956年美国贝尔实验室发明 A G K 一、结构及工作原理 1、外形封装 螺栓型、平板型
螺栓型晶闸管 晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 有三个联接端。 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。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
2、电气图形符号 K阴极 G门极 A阳极
IG≠0→IC2→IB1↑→IC1→IB2↑→V1和V2饱和导通→SCR导通 3、结构 三个PN结、四层半导体PNPN 4、模型 双晶体管模型 P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 A G K A K G 正反馈 IG≠0→IC2→IB1↑→IC1→IB2↑→V1和V2饱和导通→SCR导通
阻断状态 IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态 注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
5、工作原理 （1）IG≠0→内部正反馈→饱和导通 （2）SCR导通后→去掉IG，即IG=0→内部正反馈→SCR仍然维持导通 ①去掉阳极所加正向电压，即EA=0→SCR关断 ②给阳极加反压，即EA<0→SCR关断 ③使IA≈0→SCR关断 故为半控型器件
只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。 6、晶闸管的触发方式 （1）正常导通 ①门极触发：精度高，最通用 ②光触发 用于光电耦合隔离，如固态继电器中 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，如光控晶闸管LTT。 （2）非正常导通 ③升高阳极电压 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 将引起器件局部过热，易击穿，不便于控制 ④du/dt↑：阳极电压上升率过高易使SCR损坏，且很难控制 ⑤温度↑：结温过高，元器件易老化损坏 只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。
二、基本特性 1、静态特性 （1）正常工作特性 ①反偏时，不论门极有无触发电流，SCR关断 ②正偏时，仅当门极有触发电流时，SCR导通 ④若要使已导通的SCR关断，只能使IA≈0 思考题 如图电路中，开关S1和S2分别倒向哪边时灯才亮？
（2）伏安特性 IA IH -UA +UA -IA 结论 Ⅰ象限：正向特性 Ⅲ象限：反向特性 IG：门极触发电流 Ubo：正向转折电压，IG↑→Ubo↓ IH：维持电流 URSM：反向不重复峰值电压 URRM：反向重复峰值电压 UDRM：断态重复峰值电压 UDSM：断态不重复峰值电压 IG=0 -UA IA Ubo 正向 导通 雪崩 击穿 IH -IA +UA UDSM UDRM IG1 IG2 UPRM URSM 结论 ①当IG=0时，若UA>Ubo则SCR导通，但非正常 ②正常工作条件：IG>0且UA>+6V ③一旦SCR导通后，只要IA>IH，就可保持导通，与IG无关，即门极信号只在导通时刻起作用
IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。 正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 反向特性 反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。 正向 导通 雪崩 击穿 O + U A - I H G2 G1 G = bo DSM DRM RRM RSM 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
2、动态特性 开通过程 关断过程 延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间tgt为以上两者之和：tgt=td+ tr，约几微妙 100% 90% 10% u AK t O d r rr gr U RRM I RM i A 关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq为以上两者之和：tq=trr+tgr，约几百微秒 晶闸管的开通和关断过程波形
三、主要参数 1、电压定额 (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。 UDRM＜UDSM断态不重复峰值电压＜Ubo正向转折电压 (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。 URRM＜URSM反向不重复峰值电压＜反向击穿电压 (3)通态峰值电压UTM 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 (4)额定电压=min{UDRM，URRM} 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。
IG：门极触发电流 Ubo：正向转折电压 IH：维持电流 URSM：反向不重复峰值电压 URRM：反向重复峰值电压 导通 雪崩 击穿 O + U A - I H G2 G1 G = bo DSM DRM RRM RSM IG：门极触发电流 Ubo：正向转折电压 IH：维持电流 URSM：反向不重复峰值电压 URRM：反向重复峰值电压 UDRM：断态重复峰值电压 UDSM：断态不重复峰值电压
2、电流定额 （1）通态平均电流IT(AV) 正常情况下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值 （2）维持电流IH 指SCR维持导通所需最小阳极电流 （3）擎住电流IL 指SCR刚从断态转入通态并移去触发信号后，能维持导通所需的最小电流 对同一晶闸管来说，通常IL≈2～4IH （4）浪涌电流ITSM 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 。
3、动态参数 （1）开通时间tgt （2）关断时间tq （3）断态电压临界上升率du/dt：否则会误导通 （4）通态电流临界上升率di/dt：否则局部过热而损坏
例1：单相正弦交流电源，其电压有效值为220V，晶闸管和电阻串联相接，试计算晶闸管实际承受的正反向电压最大值是多少？考虑晶闸管的安全裕量，其额定电压如何选取？ 解：晶闸管所承受的正反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰值： 取晶闸管的安全裕量为2，则晶闸管额定电压不低于： 2×311.13V≈622V
例2：如图电路，图中E=50V，L=0.5H，R=0.5Ω。晶闸管的擎住电流为15mA，要使晶闸管导通，门极触发电流脉冲宽度至少应为多少？ 解：当晶闸管门极有触发信号时，则晶闸管导通，回路方程为： 即 晶闸管要维持导通状态，i需达到其擎住电流以上，在此之前必须一直给门极施加触发电流信号，因此： 因为 故 所以门极触发电流脉冲宽度最小也要大于150us，相当于工频正弦波的2.7°
例3：某晶闸管VT的额定电压为100V，额定电流为3A，其维持电流IH=4mA，该晶闸管应用于如下电路是否合理？暂不考虑电压电流裕量。 (1) (2) 解：假设VT导通，则流过VT的电流为 解：假设VT导通，则流过VT的电流 故VT管会损坏；若VT关断，则耐压也不行，故不合理 故VT不可能导通，所以该电路不合理
(3) 解：假设VT导通，则流过VT的电流为 故VT会损坏； 若VT关断，则耐压也不行，故不合理。
例4：某晶闸管，其额定电流为100A，其中流过下图阴影部分表示的电流波形，问允许流过该波形电流的有效值、峰值、平均值分别是多少？ 解：
因发热量相等→有效值相等：IT=I'T=157A Im≈250A 则 故
例5：某晶闸管中希望流过如下图波形（阴影部分）电流，该电流的平均值为100A，则该晶闸管的额定电流应为多少？暂时不考虑安全裕量。 解：
∴ Im2=628A 有效值相等，IT=IT2=222A ∴ Im=444A
结 论 （1）晶闸管的电流波形不同，其允许通过的电流平均值及其峰值均不同。（但有效值相同） （2）晶闸管的额定电流（正弦半波平均电流IT(AV)）→正弦半波电流有效值→x波形电流有效值→x波形电流平均值及其它参数
思考题 把一个晶闸管与灯泡串联，加上交流电压，如下图所示，问: （1）开关S闭合前灯泡亮不亮？ （2）开关S闭合后灯泡亮不亮？
四、晶闸管的派生器件 1、快速晶闸管：FST （1）特点 开通关断时间短，具有较高的du/dt,di/dt耐量 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。 （2）分类 快速晶闸管：关断时间：数十微妙 高频晶闸管：关断时间：10us左右 （普通晶闸管关断时间为数百微秒） （3）用途 斩波电路，中高频逆变电路
2、双向晶闸管：TRIAC （1）原理 等效为一对反并联的普通晶闸管 （2）特点 在I、Ⅲ象限有对称的伏安特性 b) I O U G = T 1 2 （1）原理 等效为一对反并联的普通晶闸管 （2）特点 在I、Ⅲ象限有对称的伏安特性 其门极加正负触发脉冲都能使管子触发导通 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 （3）用途 交流调压，固态继电器SSR中，交流电动机调速 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
3、逆导晶闸管：RCT （1）原理 等效为晶闸管反并联一个二极管 （2）特点 不具有承受反向电压的能力，正向压降小，关断时间短，高温特性好 b) U O I G = （1）原理 等效为晶闸管反并联一个二极管 （2）特点 不具有承受反向电压的能力，正向压降小，关断时间短，高温特性好 （3）用途 逆变器，斩波器 K G A a) 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
4、光控晶闸管：LTT 又称光触发晶闸管 （1）原理 利用一定波长的光照信号触发导通晶闸管 （2）特点 主电路与控制电路绝缘→避免电磁干扰 （3）应用 高压大功率场合，如高压直流输电 光强度 强 弱 b) O U I A A G K a) AK 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
§1-4 典型全控型器件 门极可关断晶闸管GTO 电力晶体管GTR 电力场效应晶体管POWER MOSFET 绝缘栅双极晶体管IGBT
理想的可控开关元件的开关特性 关断时的漏电流较小，导通时Von小。 很高的正反向阻断电压的能力，这可减少元件的串联，并因此而减少相应保护电路的功率损耗。 很大的电流导通能力。这可减少元件并联。 较短的导通和关断时间，这可提高开关频率。 导通电阻具有正的温度特性，这可保证并联的元件能共同分担总电流。 较小的控制功率。 具有阻止电压和电流上升率的能力，这样就可以不使用外部保护电路。 具有较高的dv/dt，di/dt额定值。
功率元件的开关损耗
a)各单元的阴极、门极间排列的图形 b)并联单元结构断面示意图 c)电气图形符号 一、门极可关断晶闸管GTO 1、特点 ①是SCR派生器件，性能不太理想（相对IGBT，电力MOSFET） ②全控型器件，在门极加正脉冲电流导通，加负脉冲电流关断 ③电压电流容量大，常用于MW（兆瓦）级以上的大功率场合 结构 G K N2 N1 P2 P1 A a) b) c) GTO内部结构和电气图形符号 a)各单元的阴极、门极间排列的图形 b)并联单元结构断面示意图 c)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 2、结构原理 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。 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
结论 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。 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 。 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
GTO的结构原理 （1）PNPN四层半导体 （2）多元功率集成结构 （3）双晶体管模型 （4）电气图形符号 ①有利于关断 ②开通过程快 ③承受di/dt能力强 （3）双晶体管模型 （4）电气图形符号
思考题 下图电路中开关S接到哪边时GTO正常导通工作？开关S接到哪边时GTO关断停止？
3、静态特性和动态特性 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 ton开通时间=延迟时间td+上升时间tr 关断时间=储存时间ts+下降时间tf+尾部时间tt O t i G A I 90% 10% f s d r 1 2 3 4 5 6 GTO的开通和关断过程电流波形
4、主要参数 （1）最大可关断阳极电流IATO 即额定电流 电流限制：发热，门极负脉冲可关断 （2）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 缺点：通常off≈5，关断门极负脉冲电流较大。 1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 （3）开通时间ton 开通时间ton=延迟时间td+上升时间tr 延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。 （4） 关断时间toff 关断时间toff =储存时间ts+下降时间tf 不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。
二、电力晶体管GTR 1、特点 也称BJT（双极结型晶体管）或Power BJT ，常采用共发射极接法 耐压高，电流大，开关特性好，常用于中小功率场合 流控型 与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 P 基区 N 漂移区 衬底 集电极c 基极b 发射极e c b e GTR的结构、电气图形符号 a)内部结构断面图 b)电气图形符号 a) b)
2、结构原理 三层半导体NPN，两个PN结 多元集成结构，达林顿接法 电气图形符号
：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 。 集电极电流ic与基极电流ib之比为 ：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集射极间漏电流 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。 电 子 流 空穴流 Ec Eb ic=βib ib ie=(1+β)ib GTR的内部载流子的流动
空穴流 电 子 流 c) E b c i = e =(1+ ) 思考题 下图电路的功能是什么？
3、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 在电力电子电路中GTR工作在开关状态，即截止区、饱和区 (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，即截止区、饱和区 过渡过程：放大区 截止区 放大区 饱和区 O I c i b3 b2 b1 < U ce 共发射极接法时GTR的输出特性
(2) 动态特性 ton开通时间=延迟时间td+上升时间tr toff关断时间=储存时间ts+下降时间tf 开关时间较短：几微妙 (2) 动态特性 ton开通时间=延迟时间td+上升时间tr toff关断时间=储存时间ts+下降时间tf 开关时间较短：几微妙 i b I b1 b2 cs c 90% 10% t 1 2 3 4 5 off s f on r d GTR的开通和关断过程电流波形 ib2 ib1 ib3 ib1<ib2<ib3 截止区 Ic Uce 饱 和 区 放大区 共发射极接法时GTR的输出特性
4、主要参数 （1）最高工作电压 应低于BUceo基极开路时集电极和发射极间的击穿电压，否则会发生击穿。 （2）集电极最大允许电流ICM （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TC 。
5、二次击穿现象 (1)一次击穿 Uc↑→IC↑→雪崩击穿，短时，可恢复 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。 (2)二次击穿 IC ↑↑→局部过热→永久损坏 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 。
6、安全工作区SOA 由最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线PSB限定。 GTR的安全工作区 I P
三、电力场效应晶体管Power MOSFET 压控型，驱动电路简单，驱动功率小，（输入阻抗极高，输入电流极小）。 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。 用栅极电压来控制漏极电流。 电流电压容量小，≤10KW场合。 热稳定性好。 开关速度快，工作频率高。 是单极型晶体管：只有一种载流子（多子）参与导电。 导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。
1、特点 分为结型和绝缘栅型，通常主要指绝缘栅型中的MOS型。 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管SIT。 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 D G S N沟道 P沟道 P N+ N- 沟道 a) b) 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
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。 采用多元集成结构 电力MOSFET的结构和电气图形符号
2、结构原理 电力MOSFET大都采用垂直导电结构 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 。
共源组态电路 转移特性：ID-UGS间的关系曲线 iD=k(UGS-UT)2 UT：开启电压（阈值电压）
3、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。 (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 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性
伏安特性（即输出特性ID-UDS） 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） 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 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。 电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性
(2)动态特性 开通时间ton=开通延迟时间td(on)+上升时间tr 关断时间toff=关断延迟时间td(off)+下降时间tf s G F L i D u GS p 信号 + U E O t GSP T d (on) r (off) f 开通时间ton=开通延迟时间td(on)+上升时间tr 关断时间toff=关断延迟时间td(off)+下降时间tf 开关时间极短：10～100ns → 工作频率：100KHZ a ） b ) 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、主要参数 （1）漏极电压UDS 即额定电压 （2）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 即额定电流 （3）栅源电压UGS |UGS|＞20V将导致绝缘层击穿损坏 （4）极间电容CGS、CGD和CDS （5）安全工作区=漏源间耐压+漏极最大允许电流+最大耗散功率
四、绝缘栅双极晶体管IGBT 1、特点 （1）GTO，GTR 双极型电流驱动→通流能力强 开关速度慢，所需门极驱动功率大，驱动电路复杂 （2）电力MOSFET 单极型电压驱动→开关速度快，Ri↑，热稳定性好 所需驱动功率小，驱动电路简单 （3）IGBT GTR+电力MOSFET→取长补短→IGBT→中小功率场合的主导器件 故IGBT的优点：驱动功率小，饱和压降低（通态压降），开关速度快，高耐压
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 2、结构原理 三端器件，达林顿结构 栅极G，集电极C，发射极E 场控器件：由MOSFET驱动GTR uGE＞UGE(th)开启电压→IGBT导通 uGE≤0→IGBT关断 P N+ N- 缓冲区 J2 G E J3 J1 P+ 漂移区 注入区 C 集电极 发射极 栅极 IDRon + － IC ID RN VJI 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 a) b) c)
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 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。 N-IGBT（N沟道）：多用 P-IGBT（P沟道）：少用 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
IGBT的工作原理 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。 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。
3、基本特性 (1) IGBT的静态特性 IGBT工作于开关状态 开：饱和区 关：正向阻断区 输出特性 IGBT的转移特性和输出特性 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 ) IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性 转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th) =2～6V )
(2)动态特性 开通时间ton=开通延迟时间td(on)+电流上升时间tr 关断时间toff=关断延迟时间td(off)+电流下降时间tf IGBT的开关速度低于电力MOSFET 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) IGBT的开关过程
4、主要参数 (1)最大集射极间电压UCES 即击穿电压 (2)最大集电极电流ICM (3)最大集电极功耗PCM (4)正向偏置安全工作区FBSOA=最大集电极电流ICM+最大集射极间电压UCES+最大集电极功耗PCM (5)反向偏置安全工作区RBSOA=最大集电极电流ICM+最大集电极间电压UCES+最大允许电压上升率duCE/dt
5、擎住效应 （1）定义 擎住效应：也称自锁效应，即电流失控现象 因IGBT内部存在一个寄生晶闸管，当Ic↑↑或duCE/dt↑↑时，栅极G失去对集电极电流Ic控制作用，导致Ic↑↑，器件功耗过高而损坏 分类： 静态擎住效应：Ic过大引起的 动态擎住效应：duCE/dt过大引起的 （2）特点 温度↑→易引发擎住效应
IGBT 常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 。
§1-5 其它新型电力电子器件 MOS控制晶闸管MCT 静电感应晶体管SIT 静电感应晶闸管SITH 集成门极换流晶闸管IGCT 功率模块与功率集成电路
一、MOS控制晶闸管MCT 1、特点 MCT=电力MOSFET+晶闸管SCR MOSFET：高Ri ，低驱动功率，通断速度快 MCT：高电压大电流，高载流密度，低通态压降，能承受很高的di/dt和du/dt，开关速度快，开关损耗小
2、结构原理 采用多元集成结构 每个MCT元的组成：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。 栅极：正脉冲电压→MCT导通；负脉冲电压→MCT关断 3．应用 曾一度被认为最有前途的器件 但关键技术未突破，电压电流容量有限，少用
二、静电感应晶体管SIT 1、特点 (1)是结型场效应晶体管，(绝缘栅型为MOSFET) (2)工作频率高，功率容量大 (3)是正常导通型器件 栅极不加任何信号→导通 栅极加负偏压→关断 (4)通态电阻大→通态损耗大
2、结构原理 垂直导电结构，多子导电 3、应用 高频大功率场合
三、静电感应晶闸管SITH 1、特点 (1)也称场控晶闸管(FCT)：门极和阳极电压均可通过电场控制阳极电流 (2)通态压降低，通流能力强 (3)是大容量的快速器件，但电流关断增益较小 (4)常为正常导通型，也有正常关断型
2、结构原理 基于SIT 两种载流子导电→双极型器件 3、应用 制造工艺复杂，电流关断增益较小，少用
四、集成门极换流晶闸管IGCT 1、特点 (1)也称GCT门极换流晶闸管 (2)将IGBT与GTO的优点结合起来 (3)容量大，开关速度快，驱动保护电路简单 (4)驱动功率大 2、应用 新型器件
五、PM功率模块与PIC功率集成电路 1、模块化：共同的趋势 多元集成：多个相同器件 功能集成：多个相互配合的不同器件 模块封装：缩小体积，降低成本，↑可靠性，简化电路，改善电路性能
2、功率集成：电能和信息的集成 PIC：将器件，驱动，控制，保护等电路制作在同一芯片中 HVIC：高压集成电路 SPIC：智能功率集成电路 IPM：智能功率模块 难点：高低压电路间绝缘，温升和散热处理
IPM：智能功率模块 SPIC：智能功率集成电路
§1-6 电力电子器件的驱动 一、驱动电路：主电路与控制电路间的接口 1、意义 (1)使器件工作于开关状态：↓开关时间，↓开关损耗，↑效率 (2)保护：↑可靠性，↑安全性 (3)电气隔离 光隔离→光电耦合器 磁隔离→脉冲变压器，高频脉冲列→↓体积 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、驱动电路的基本任务 3、驱动电路的类型 (1)按照驱动电路具体形式分 (2)按照驱动信号的性质分 将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号 3、驱动电路的类型 (1)按照驱动电路具体形式分 分离元件 专用集成驱动电路(首选，常用) (2)按照驱动信号的性质分 电流驱动型 电压驱动型
t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s） t1~t3强脉冲宽度 t1~t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT） 晶闸管的触发电路 1、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 2、基本要求 (1)触发脉冲的宽度应保证SCR可靠导通，如感性负载→宽脉冲 (2)触发脉冲应有足够的幅度 (3)触发脉冲应安全可靠 (4)抗干扰能力强，温度稳定性好，与主电路电气隔离 (5)具有足够的移相范围 (6)触发脉冲与主电路电源必须同步（频率相同，相位差固定） t I M 1 2 3 4 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s） t1~t3强脉冲宽度 IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4脉冲宽度 I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）
3、触发脉冲电流波形 SCR在触发导通后，门极就失去了控制作用→常用脉冲形式，以减小门极损耗 具有强触发波形的高频脉冲列 窄脉冲 宽脉冲 双窄脉冲 强触发脉冲 脉冲列
4、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。 R3 R2 R1 R4 +E1 +E2 V1 VD2 VD1 VD3 TM 常见的晶闸管触发电路 典型的集成触发电路有KJ004, KC004,TCA785
三、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 ①在整个导通期间均需施加正门极电流 ②关断时负门极电流幅值须达到阳极电流的1/3，且有足够宽度和前沿陡度 ③关断后门极还应施加5V负偏压以增强抗干扰能力 ④驱动电压电流波形 O t u G i 5V的负偏压 正的门极电流 推荐的GTO门极电压电流波形
⑤驱动电路 组成：开通驱动，关断驱动，门极反偏 分类：直接耦合式，常用；脉冲变压器耦合式 典型的直接耦合式GTO驱动电路 二极管VD1和电容C1提供+5V电压 VD2、VD3、C2、C3构成倍压整流 电路提供+15V电压 VD4和电容C4提供-15V电压 V1开通时，输出正强脉冲 V2开通时输出正脉冲平顶部分 V2关断而V3开通时输出负脉冲 V3关断后R3和R4提供门极负偏压
(2) GTR ①在整个导通期间均需施加基极电流：准（临界）饱和导通 ②关断时施加负基极电流：↓关断时间 ③关断后应在基射极间加6V负偏压 ④驱动电流波形 ⑤驱动电路 t O i b 理想的GTR基极驱动电流波形
GTR驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。 典型的GTR集成驱动电路有THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL。
2、压控型器件的驱动 (1)电力MOSFET ①开通时UGS=10～15V ②关断时UGS=－5～－15V：↓关断时间 ③驱动电路：电气隔离+ 晶体管放大电路 电力MOSFET的一种驱动电路 典型的电力MOSFET混合集成驱动电路有三菱公司的M57918L，其输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。
(2) IGBT ①多采用专用的混合集成驱动器 ②开通时UGE=15～20V ③关断时UGE=－5V～－15V：↓关断时间 ④驱动电路：电气隔离+ 晶体管放大电路 M57962L型IGBT驱动器的原理和接线图 典型的IGBT集成驱动电路有三菱公司的M579系列(如M57962L和 M57959L)和富士公司的EXB系列(如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851)
§1-7 电力电子器件的保护 一、过电压保护 1、原因 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。
2、过电压保护措施 （1）内因：RC和RCD电路 （2）外因：RC过电压抑制电路 （3）其他：压敏电阻、硒堆等非线性元件来限制或吸收电压 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
RC过电压抑制电路联结方式 反向阻断式过电压抑制用RC电路 a) 单相 b)三相 直流侧 阀侧 网侧 Cdc Rdc Ra Ca ~ + - 电力电子装置 过电压抑制电路 a) b) RC过电压抑制电路联结方式 a) 单相 b)三相 反向阻断式过电压抑制用RC电路
3、压敏电阻 U1mA：漏电流为1mA时的电压值 UY：放电电流达到IY时的电压 原理：击穿前漏电流极小，击穿后能通过数千安的浪涌电流
二、过电流保护 1、类型 2、措施 过载 短路 快速熔断器：最有效，最常用 过电流继电器：防过载 在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节：快速响应 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 过电流保护措施及配置位置
三、缓冲电路 1、作用 抑制电力电子器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt 减少器件的开关损耗 2、分类 3、缓冲电路
di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形 无缓冲电路 V开通：电流迅速上升，di/dt很大 V关断：du/dt很大，并出现很高的过电压 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 有缓冲电路 V开通：Cs通过Rs向V放电，使ic先上一个台阶，以后因有di/dt抑制电路的Li ,ic上升速度减慢。 V关断：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压。
缓冲电路作用分析 无缓冲电路 有缓冲电路 无缓冲电路 uCE 迅速上升，负载L上的感应电压是续流二极管VD开始导通，负载线从A移动到B，iC下降到漏电流的大小，负载线随之移动到C。 有缓冲电路 CS的分流使iC在uCE开始上升的同时就下降，负载线经过D到达C，负载线ABC经过的是小电流、小电压区，器件的关断损耗比无缓冲电路时降低。 A D C B 无缓冲电路 有缓冲电路 u CE i O 关断时的负载线
a)RC吸收电路 b)放电阻止型RCD吸收电路 i VD L V d t 抑制电路 缓冲电路 s C D L CS RS Ed 缓冲电路 负载 a) b) 另外两种常用的缓冲电路 a)RC吸收电路 b)放电阻止型RCD吸收电路 di/dt抑制电路和 充放电型RCD缓冲电路
§1-8 电力电子器件的串联和并联使用 一、晶闸管的串联 1、目的 ↑额定电压→多个同型号器件相串联（漏电阻相等） 当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。 2、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→器件先后损坏。 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。 3、措施
采用门极强脉冲触发→↓器件开通时间上的差异 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 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→↓器件开通时间上的差异 b) a) R C VT 1 2 P I O U T1 T2 晶闸管的串联 a) 伏安特性差异 b) 串联均压措施
二、晶闸管的并联 1、目的 2、问题 3、均流措施 注意：当需要既串联又并联时，应先串联后并联 ↑额定电流→多个相同器件并联 多个器件并联来承担较大的电流 2、问题 因器件动、静态特性参数的差异→不均流 电流分配不均匀→器件先后损坏 3、均流措施 (1)选择特性参数尽易一致的器件 (2)用均流电抗器 (3)SCR门极强触发脉冲 注意：当需要既串联又并联时，应先串联后并联
三、电力MOSFET的并联 均流措施 (1)选用参数尽量一致的器件 (2)电路走线布局尽量对称 (3)在源极电路中串入小电感(均流电抗器) 四、IGBT的并联 (1)选参数尽量一致的器件 (2)电路布局走线应尽量一致 五、GTO的串联和并联