第 1 章电力电子器件

第1章电力电子器件 第2章整流电路及触发器第3章直流斩波电路第4章交流电力控制电路和交交变频电路第5章逆变电路

电力电子技术 多媒体教学软件 —电力电子器件部分

第1章电力电子器件 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——晶闸管 1.4典型全控型器件 1.5其他新兴电力电子器件 1.6电力电子器件的驱动 1.7电力电子器件的保护 1.8电力电子器件的串联和并联使用

1.1 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是指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。电力电子器件有如下特征： 1）电力电子器件处理电功率的能力一般都远大于处理信息的电子器件。 2）电力电子器件一般都工作在开关状态。 3）电力电子器件往往需要信息电子电路来控制。 4）电力电子器件一般需要安装散热器。

检测控电路 V 1 制 L R 保护电路电 V 驱动 2 路主电路电路 1.1.2应用电力电子器件的系统组成如图1-1所示，电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。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电气隔离图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成

1.1.3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。 1）根据控制信号可以控制的程度全控型器件（IGBT,MOSFET) ——通过控制信号既可控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。

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。 2）根据控制信号的性质电压驱动型 ——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。单极型 3）根据空穴和内部导电的情况双极型混合型

K A A K P N I J K b) A K A a) c) 1.2 不可控器件—电力二极管其结构和原理简单，工作可靠，特别是FRD和SBD，分别在高频整流和逆变系统，以及低压高频整流的场合有不可替代的地位。 1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理如图，在N型和P型半导体结合后构成PN结。由扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正负空间电荷量达到稳定值，形成一个稳定的空间电荷区。二极管的基本原理就在于PN结具有单向导电性，只有加正电压才呈低阻态，而加上反向电压则为截止状态。图1-2 电力二极管的外形、结构和电器图形符号

PN结的状态 • PN结的反向击穿（两种形式) • 雪崩击穿 • 齐纳击穿 • 均可能导致热击穿

I I F O U U U TO F 1.2.2 电力二极管的基本特性 1. 静态特性电力二极管的静态特性如图1-4，当电力二极管承受的正向电压大于门槛电压UTO时，正向电流IF随正向电压的增大明显增加，处于稳定导通，当电力二极管承受反压时，只有微小恒定的反向漏电流。图1-4 电力二极管的伏安特性

u i i F U FP u I d i F F 2V F d t t rr t t U d f F 0 t t fr t t t t t U F 0 1 2 R d i R d t I RP U RP 2.动态特性如图1-5a所示，处于正向导通状态的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时,该电力二极管并不能立即关断，而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。图中td为延迟时间，tf为电流下降时间，trr为反向恢复时间。tf/td被称为恢复系数。图1-5b可以看出电力二极管由零偏置转换为正向偏置时，正向电压会先出现一个过冲UFP,逐渐趋近于稳态压降，这一过程时间为正向恢复时间tfr。图1-5(a)关断过程图1-5(b)开通过程

1.2.3 电力二极管的主要参数 1.正向平均电流 IF(AV)：电力二极管，在指定壳温和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。应按有效值相等的原则来选取电流定额， IF（AV）是按照电流的发热效应来定义的，使用时应留有一定的裕量。 2.正向压降UF：某一指定稳态正向电流对应的正向压降。 3.反向重复峰值电压URRM: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。通常是其雪崩击穿电压UB的2/3。 4.最高工作结温:是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。通常在125至175摄氏度范围内。 5.反向恢复时间 trr 。 6.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。

1.2.4电力二极管的主要类型 1.普通二极管:多用于开关频率不高的整流电路中。其正向电流定额和反向电压定额却可以达到很高。 2.快恢复二极管：反向恢复过程很短。特别是快恢复外延二极管，反向恢复时间更短，正向压降也很低，但其反向耐压多在1200V以下。 3.肖特基二极管：优点在于：反向恢复时间很短，正向恢复过程也不会有明显的电压过冲。弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降特也高的不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合。反向漏电流较大且对温度敏感，因此稳态损耗不能忽略，而且必须严格的限制其工作温度。

A P K K 1 J G K G 1 N 1 J P 2 G 2 J 3 A N 2 A A G K b) c) a) 1.3 半控型器件—晶闸管晶闸管其开通时刻可以控制，能承受的电压和电流容量仍然是电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量场合仍然具有比较重要的地位。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 1.3.1晶闸管的结构和工作原理图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号

如图1-6 b 所示，晶闸管内部是由分别命名为P1N1P2N2四层半导体组成的结构。 P1区，N2区，P2区分别引出阳极A，阴极K，门极G。四个区形成J1，J2，J3三个PN结。如果正向电压加到器件上，只能流过很小的漏电流。若加反压，则只有极小的反向漏电流流过。晶闸管导通的工作原理可用双晶体管模型来解释，当晶闸管加正相电压，并向门极注入电流IG，便可形成强烈的正反馈，使晶闸管导通，若要去掉阳极正向电压或施加反压，或设法使流过晶闸管的电流低于门极电压，晶闸管才能关断。按晶体管工作原理，可列出如下方程：

（1-1） （1-2）（1-5）（1-3）（1-4） A IA PNP IC2 R IG G E NPN IC1 EG EA IK K 图1-7 晶闸管的工作原理

I A 正向导通 I I I 0 = G2 G1 G I U U H RSM RRM - U U + U O U DRM bo A A U DSM 雪崩击穿 I - A 1.3.2晶闸管的基本特性 1.静态特性由工作原理可简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不导通。（2）当闸晶管承受正相电压时，仅在门极有触发电流的情况下，晶闸管导通。（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论触发电流是否还存在，晶闸管保持导通。（4）若要关断已导通的晶闸管，只能利用外加电压和外电路的作用使电流降到接近于0的某一数值以下。以上特点反映到晶闸管的伏安特性上则如图1-8 a 所示。图1-8晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG

门极伏安特性： 晶闸管门极伏安特性就是门极与阴极间存在的PN结上正相门极电压Ug与门极电流 Ig间的关系。由于这个结的伏安特性很分散，只能用一条极限高阻门极特性和一条极限低阻门极特性之间的一片区域来代替门极伏安特性。如图1-9 所示晶闸管门极PN结不能承受过大的电压，电流和功率。上限分别用门极正向峰值电压UGFM，正向峰值电流IGFM和正向峰值功率PGFM来表征。此外门极触发也具有一定的灵敏度，为了能可靠的触发晶闸管，正向门极电压必须大于门极触发电UGT，正向门极电流必须大于门极触发电流IGT。UGT， IGT规定了门极上的电压电流值必须位于图中的阴影区内，而平均功率也不应该超过规定的平均功率PG。图1-9 门极伏安特性：

i A 100% 90% 10% t t t 0 d r u AK I RM t O U t t RRM rr gr 2.动态特性图1-10给出了闸晶管开通和关断的波形。（1）开通过程：由于正反馈过程需要时间，以及外电路的限制，阳极电流的增长不可能是瞬时的。（2）关断过程：原处于导通状态的闸晶管，当外加电压由正向变为反向时，由于外电路电感的存在，其阳极电流在衰减时也必然是有过度过程的。图中td为延迟时间，tr为上升时间，开通时间tgt=td+tr。URRM为反向尖峰电压，trr为反向阻断恢复时间，tgr为正向阻断恢复时间，关断时间tq=trr+tgr。图1-10 晶闸管的开通和关断过程波形

1.3.3 晶闸管的主要参数 1.电压定额（1）断态重复峰值电压UDRM：门极短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。规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压UDSM的90%。 UDRM低于正向转折电压Ubo。（2）反向重复峰值电压URRM：门极短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。规定断态重复峰值电压UDRM为反向不重复峰值电压URSM的90%。反向不重复峰值电压应低于反相击穿电压。（3）通态（峰值）电压UTM。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，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。

2.电流定额 （1）通态平均电流 IT（AV）：环境温度为40度和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正旋半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数。（2）维持电流IH：晶闸管维持导通所必须的最小电流，一般为几十到几百毫安，并与结温成反比。（3）擎住电流IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除出发信号后，能维持导通的最小电流。IL约为IH的2~4倍。（4）浪涌电流ITSM：用来作为设计保护电路的依据。 3.动态参数（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率。（2）通态电压临界上升率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。

1.3.4晶闸管的派生器件 1.快速晶闸管（FST）：专为快速应用而设计的晶闸管，包括常规快速晶闸管和高频晶闸管，分别应用在400和10kHZ以上的斩波或逆变电路中。其关断时间为数十微秒，高频晶闸管则为 10微秒左右。高频晶闸管不足在于:电压和电流定额不易做高。 2.双向晶闸管：与一对反并联晶闸管相比比较经济，而且控制电路比较简单。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 3.逆导晶闸管（RCT）：与普通晶闸管相比，逆导晶闸管具有正向压降小，关断时间短，高温特性好，额定结温高等优点。 4.光控晶闸管（LTT）：保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且避免电磁干扰的影响，因此在高压大功率的场合，占据重要的地位。

K K G G G A N N P 2 2 2 G N 1 K P 1 A c) a) b) 图1-13 1.4 典型全控型器件 1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO的许多性能虽然与绝缘栅双极晶体管，电力场效应晶体管相比要差，但其电压电流容量较大，因此在兆瓦极以上的大功率场合仍有较多的应用。 1.GTO的结构和工作原理： GTO和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，单内部包含多个共阳极的小GTO元，他们的阴极和门则在器件内部并联在一起，以便实现门极控制关断。 GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的。而关断时，给门极加负脉冲，形成强烈的正反馈，当IA与IK减小图1-11 GTO的内部结构和电气图形符号使时，器件退出饱和而关断。

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: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: A IA 设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于 GTO. IC2 R PNP IC1 G 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。 IG NPN E 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。 IK EG EA K • 由上述分析我们可以得到以下结论: 图1-12 GTO晶闸管的工作原理 • 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。

i G O t i t t t t t A d r s f t I A 90% I A 10% I A 0 t t t t t t t t 0 1 2 3 4 5 6 2. GTO的动态特性图1-14给出了GTO开断过程中 ic1和iA的波形，与普通晶闸管类似，开通都虚经过延迟时间td和上升时间tr，关断则需经历储存时间ts,使之退出饱和状态，然后等效晶体管从饱和区退至放大区，还要经过阳极电流逐渐减小的下降时间tf，最后还有残存载流子复合所需尾部时间tt。通常下降时间tf远小于储存时间ts，而尾部时间tt则大于储存时间ts。门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，ts越短，若门极负脉冲后沿缓慢衰减，在tt段仍能保持适当的负压，则可缩短尾部时间 tt。图1-14GTO的开通和关断过程电流波形

3.GTO的主要参数 这里只介绍一些意义和晶闸管不同的参数：（1）最大可关断的极电流IATO，这是用来标称GTO额定电流的参数。（2）电流关断增益，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。一般很小，只有5左右，这是 GTO的一个主要缺点。（3）开通时间ton=td + tr , GTO的延迟时间一般越1~2微秒，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。（4）关断时间toff=td + tf , GTO的储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2微秒。 1.4.2电力晶体管电力晶体管最主要的特性是耐压高，电流大，开关特性好。但其地位已大多被电力场效应晶体管所取代。

1.GTR结构和工作原理 GTR与普通双极结型晶体管基本原理是一样的，不再详述。 GTR是由三层半导体（分别引出集电极，基极，发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构，如图 1-15所示：图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

I c 饱和区放大区 i b3 i b2 i b1 i < i < i b1 b2 b3 截止区 O U ce 在应用中，GTR一般采用共射极接法，图1-15c给出了此接法下GTR内主要载流子流动状况示意图，其中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，单管GTR的电流放大系数通常为10左右。 2.GTR的基本特性：（1）静态特性：GTR共射极接法的典型输出特性明显分为截止区，放大区，饱和区，在电力电子电路中GTR工作在开关状态。即GTR工作在截止和饱和区，但要经过放大区的过渡。图1-16 共发射极接法时 GTR的输出特性

i b I b1 90% I b1 10% I b1 0 t I b2 t t on off t t t t i s f d r I c cs 90% I cs 10% I cs 0 t t t t t t t 0 1 2 3 4 5 （2）动态特性：与GTO类似，延迟时间td和上升时间 tr之和为开通时间，增大ib 的幅值和dib/dt,可缩短td和tr ，加快开通过程。关断时需经过储存时间ts和下降时间tf，其中ts是关断时间toff 的主要部分，减小饱和深度或增大Ib2的幅值和负偏压，可以加快关断速度，但会导致增大通态损耗。 GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。图1-17 GTR的开通和关断过程电流波形

3.GTR的主要参数： （1）最高击穿电压：GTR上所加电压超过规定值时，就会发生击穿。击穿电压有发射极开路，集电极和基极间的反向击穿电压Ucbo等多种击穿电压，这些击穿电压的关系为BUcbo>BUcex> BUces>BUcer>BUceo,为确保安全，最高工作电压要比Uceo低的多。（2）集电极最大允许电流ICM：通常规定直流放大系数hFE下降到规定值的1/2~1/3时对应的IC。为留有足够的裕量，只能用到 ICM的一半或稍多一点。（3）集电极最大损耗功率PCM:这是指在最高工作温度下允许的耗散功率。 4.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。

I c P I SB cM P SOA cM O U U ce ceM 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。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1-18 GTR的安全工作区 1.4.3电力场效应晶体管电力MOSFET分为结型和绝缘栅型,通常主要指绝缘栅型中的MOS型。显著特点是:驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高，且热稳定性优于GTR，但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，一般用于功率10KW以下的装置。

1.电力MOSFET的结构 和功能原理：电力MOSFET也是多元集成的，一个器件由许多个小MOSFET元组成，基本上按垂直导电的思想设计。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。图1-19a为N沟道增强型VDMOS中的一个单元截面图。当漏极接电源正端，源极接负端，栅源间电压为0，漏源间无电流流过，如果栅源间加一正电压UGS，并不会有栅极电流流过，但随着UGS大于某一UT时，形成反型层，漏极和源极导电。图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号

非 50 50 饱 U =8V GS 和 40 40 区 A U =7V A / 30 饱和区 30 / GS D I D I 20 20 U =6V GS U =5V 10 10 GS U =4V GS 0 2 4 6 8 0 10 20 30 40 50 U T U = U =3V U V / 截止区 GS T GS U V / DS a) b) 2.电力MOSFET的基本特性：（1）静态特性： MOSFET的转移特性如图1-20a，ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs=dID/dUGS。MOSFET输入阻抗极高，输入电流非常小。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性图1-20b为MOSFET的伏安特性，即为输出特性，分为截止区，饱和区，非饱和区三个区域。电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换，过渡于饱和区。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。

u p + U E O R t L i u D GS u GSP u T R O s t i R u R D i 信号 G GS F D u p O t t t t t d (off) f d (on) r （2）动态特性如图1-21，从up前沿到iD出现的时间为延迟时间td(on）,此后iD 随uGS的上升而上升，uGS从开启电压上升到MOSFET进入非饱和区的UGSP的时间称为上升时间tr。iD达到稳态值——MOSFET 的开通时间ton= td(on) + tr。当脉冲电压up下降到0时， uGS按指数曲线下降，到UGSP时， iD减小，这段时间为关断延迟时间 td(off)。此后iD继续下降，到0时这段时间为下降时间tf。关断时间 toff= td(off)+ tf。MOSFET的工作频率是主要电力电子器件中最高的。图1-21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

MOSFET的开关速速度 • 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。

3.电力MOSFET的主要参数： （1）漏极电压UDS,标定电压定额的参数。（2）漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM，标定电流定额的参数。（3）栅源电压UGS。UGS超出正负20V范围将导致绝缘层击穿。（4）极间电容CGS，CGD，CDS。这些电容都是非线性的。一般来说，电力MOSFET不存在二次击穿问题，这是它的一大优点。 1.4.4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。

绝缘栅双极晶体管综合了GTR和MOSFET的优点，因而具 有良好的特性，成为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。 1.IGBT的结构和工作原理：图1-22为一种由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。 IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号

I I 有源区 C C 饱和区 U 增加 GE U GE(th) 正向阻断区 U 反向阻断区 RM O O U U U U GE(th) GE FM CE 相同，是一种场控器件。开通和关断是由栅射间的电压UGE决定的，当UGE>UGE(th)时，IGBT导通。当栅极与发射极间加反压或不加信号时，IGBT关断。 2.IGBT的基本特性： (1) 静态特性图1-23a为IGBT的转移特性，与电力 MOSFET的转移特性类似。图1-23b所示为 IGBT的输出特性，与GTR的输出特性相似，但IGBT的参考变量为栅射电压UGE。输出特性分为三个区：正向阻断区，有源区和饱和区。此外，当UCE<0时，IGBT为反向阻断工作状态。在电子电路中，IGBT工作在开关状态。输出特性 • 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th)) 图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性

U U GE GEM U 90% GEM U 10% GEM 0 t I I CM C I 90% t t t t CM d(on) r d(off) f t t fi1 fi2 I 10% CM 0 t t t on off U U CE CEM t t fv1 fv2 U CE(on) O t （2）动态特性图1-24为IGBT的开关过程的波形图，IGBT的开通过程与电力 MOSFET很相似。UGE上升至其幅值的10%的时刻，为开通延迟时间td(on),而ic从10%ICM上升至90% ICM所需时间为电流上升时间Tr,二者之和为开通时间ton。开通时UCE 的下降过程分为trf1和trf2两段。 IGBT关断时，UGE下降到其幅值的90%的时刻起，到集电极电流下降至90%ICM止，为关断延迟时间 td(off),集电极电流下降至90%ICM至10%ICM的这段时间为电流下降时间，二者之和为关断时间toff,电流下降时间分为tfi1和tfi2两段。图1-24 IGBT的开关过程

IGBT中双极型PNP晶体管的存在，带来了电导调制效应的 好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于 MOSFET。 3.IGBT的主要参数：（1）最大集射极间电压UCES:这是由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。（2）最大集电极电流:包括额定直流电流IC和1毫秒脉冲最大电流ICP。（3）最大集电极功耗PCM:在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 IGBT的特性和参数特点可以总结如下：（1）IGBT开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时， IGBT 的开关损耗只有GTR的十分之一，与电力MOSFET相当。

（2）在相同的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具（2）在相同的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。（3）IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。（4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。（5）与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。小结：

4.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。

1.5其他新型电力电子器件 1.5.1 MOS控制晶闸管MCT MCT是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。 MCT具有高电压，大电流，高载流密度，低通态压降的特点。另外，MCT可承受极高的di/dt和du/dt，使其保护电路可以简化。 MCT的开关速度超过GTR，开关损耗也小。总之，MCT曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。但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，未能投入实际的应用。 1.5.2静电感应晶体管SIT STI实际是一种结型场效应晶体管。其工作频率与MOSFET相当，功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率合。但STI是正常导通型器件，使用不太方便。此外，STI通态电

阻较大，使得通态损耗也大，因此还未在大多数电力电子设阻较大，使得通态损耗也大，因此还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。 1.5.3静电感应晶闸管SITH SITH的工作原理与STI类似，其结构就是在STI的基础上进一步发展而成。SITH具有电导调制效应，通态压降低，流通能力强的特点。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高的多，是大容量的快速器件。 SITH一般也是正常导通型的，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂的多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。 1.5.4集成门极换流晶闸管IGCT IGCT是将IGBT与GTO的优点结合起来，容量与GTO相当但开关速度比GTO快十倍，而且省去了复杂的缓冲电路，只不过驱动功率仍很大，IGCT正试图取代GTO在大功率场合的位置。

1.5.5功率模块与功率集成电路 近年来，电力电子器件研制和开发中的共同趋势是模块化。将不同的电子器件封装在一个模块中，可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性，更重要的是对工作频率较高的电路，可大大减小电路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的有效处理，一度是功率集成电路的主要难点。智能功率模块则在一定程度上回避了这两个难点，因而获得了迅速发展。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，具有广阔的应用前景。

1.6电力电子器件的驱动 1.6.1电力电子器件驱动电路概述：驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，采用性能良好的驱动电路，可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： (1)按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 (2)对半控型器件只需提供开通控制信号。 (3)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。

驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环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驱动电路的具体形式可以是分立元件构成的驱动电路，但目前的趋势是采用专用的集成驱动电路。为达到参数最佳配合，应首先选择所用电力电子器件生产厂家专门为其器件生产的驱动电路。图1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型

I M I t t t t 1 2 3 4 1.6.2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路的作用是产生符合门极要求的触发脉冲，保证晶闸管在需要的时候由阻断转为导通。晶闸管的触发电路应满足下列要求： (1)脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 (2)触发脉冲应有足够的幅度。 (3)不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 (4)有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。图1-26　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）

图1-27给出了常见的晶闸管触 发电路，它由V1，V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当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。VD1和R3是为了V1，V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。图1-27 常见的晶闸管触发电路

u G O t i G O t 1.6.3典型全控器件的驱动电路 1.电流驱动器件的驱动电路 GTO和GTR是电流驱动器件 GTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求较高，且一般需要在整个导通期间施加正门极电流。 GTO关断需施加负门极电流，并提高抗干扰能力。GTO一般用于大容量电路的场合，其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。可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。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。使GTR开通的基极驱动电流应使其出于准饱和导通状态，图1-28　推荐的GTO门极电压电流波形

第 1 章 电力电子器件